Непосредственное (ушами) подслушивание ограничено малым расстоянием от источника звука — в лучшем случае около десяти метров. Малая дальность непосредственного подслушивания обусловлена не только малой мощностью акустических сигналов и большим затуханием их в среде распространения, но и тем, что уши человека имеют широкую диаграмму направленности (близкую к 180°), в силу чего на барабанную перепонку поступают практически все внешние акустические шумы.
Кроме того, шумы поднимают порог чувствительности слуховой системы человека. Но одновременно это физиологическое свойство слуховой системы человека позволяет ему адаптироваться к зашумленности среды обитания, например в жилых помещениях возле транспортных магистралей большого города.
Для непосредственного подслушивания в условиях города злоумышленнику необходимо приблизиться к источнику информации на несколько метров, что существенно ухудшает скрытность добывания информации.
Технические средства подслушивания расширяют и дополняют возможности слуховой системы человека за счет:
•приема и прослушивания акустических сигналов, распространяющихся в воде и твердых телах;
•повышения дальности подслушивания речевой информации по сравнению с непосредственным подслушиванием;
•коррекции спектра акустического сигнала, распространяющегося в среде с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой коэффициента передачи или затухания;
•выделения акустического сигнала из смеси его и шумов;
•прослушивания речи, выделяемой из перехваченных радио- и электрических сигналов функциональных каналов связи и из сигналов побочных излучений и наводок;
•ретрансляции добываемой речевой информации на сколь угодно большое расстояние.
Конкретный способ подслушивания реализуется с использованием соответствующих технических средств. Совокупность технических средств, обеспечивающих функции добывания семантической и признаковой акустической информации, представляет собой комплекс средств подслушивания. Структурная схема типового комплекса приведена на рис. 15.1.
Рис. 15.1. Структурная схема комплекса средств подслушивания
Основной частью комплекса является акустический приемник. Он производит селекцию по пространству и частоте акустических сигналов, распространяющихся в атмосфере, воде, твердых телах, преобразует их в электрические сигналы, усиливает и обрабатывает электрические сигналы и преобразует их в акустическую волну для обеспечения восприятия информации слуховой системой человека. Акустический приемник содержит акустоэлектрический преобразователь, селективный усилитель и электроакустический преобразователь (телефон, громкоговоритель).
Акустические приемники для приема акустической волны, распространяющейся в воздухе, воде, твердой среде (в инженерных конструкциях), в грунте, отличаются видом акустоэлектрического преобразователя. Иногда по виду акустоэлектрического преобразователя называют весь акустический приемник. Акустоэлектрический преобразователь акустической волны, распространяющейся в воздухе, называется микрофоном, преобразователь волны, распространяющейся в твердой среде, — стетоскопом и акселерометром, в земной поверхности — геофоном, а в воде— гидрофоном. Основную долю функциональных акустоэлектрических преобразователей акустических приемников составляют микрофоны.
Так как электрические сигналы на выходе акустоэлектрических преобразователей крайне малы и могут принимать значения единиц мкВ, то для их усиления до необходимых для последующего применения величин (единиц В) используется селективный усилитель. Его селективность обеспечивается регулируемой полосой пропускания, необходимой для устранения помех на частотах вне спектра акустического сигнала. Учитывая, что затухание среды распространения акустического сигнала увеличивается с повышением его частоты, коэффициент усиления селективного усилителя соответственно повышают для более высоких спектральных составляющих принимаемого сигнала. Такая компенсация эквивалентна повышению уровня акустического сигнала в точке приема до 6 дБ.
Электрический сигнал преобразуют в акустический сигнал, воспринимаемый человеком, громкоговорители и телефоны. По способу преобразования электрических сигналов громкоговорители разделяются на электродинамические, электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические и др., по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные, по воспроизводимому диапазону частот — на широкополосные, низкочастотные, средне- и высокочастотные. Значения мощности громкоговорителей образуют стандартный ряд в диапазоне 0,1-50 Вт.
Чем уже диапазон частот динамической головки громкоговорителя, тем равномернее ее амплитудно-частотная характеристика, тем меньше головка искажает сигнал. Для высококачественной электроакустической аппаратуры к выходу усилителя подключают несколько динамических головок с разными диапазонами частот, перекрывающими весь звуковой диапазон (16-20000 Гц). Для воспроизводства речи средствами добывания требования к электродинамическим головкам более чем скромные: единицы Вт по мощности и по диапазону частот, соответствующему стандартному телефонному каналу (300-3400 Гц).
Для консервации акустической информации электрический сигнал с выхода акустического приемника подается на аудиомагнитофон. Для записи акустических сигналов применяют многоканальные стационарные ленточные магнитофоны, портативные лентопротяжные кассетные магнитофоны и специальные носимые лентопротяжные и цифровые диктофоны.
Сигнальные демаскирующие признаки определяются с помощью средств технического анализа. Если акустический сигнал на выходе приемника сильно зашумлен, то его электрический аналог подвергают для снижения уровня шума дополнительной обработке. Основу методов очистки электрического сигнала от шума составляют методы адаптивной фильтрации. Суть адаптивной фильтрации состоит в том, что на основе анализа поступающего на вход фильтра зашумленного речевого сигнала непрерывно фильтром линейного предсказания «предсказывается» помеховый сигнал, который вычитается затем из смеси речевого сигнала и шума. В результате этого отношение сигнал/шум на выходе фильтра увеличивается.
Возможности акустического приемника характеризуются набором показателей:
•диапазоном частот принимаемого акустического сигнала;
•чувствительностью;
•динамическим диапазоном;
•масса-габаритными характеристиками.
Так как речь является основным видом информации при подслушивании, то большинство акустических приемников для добывания информации работают в речевом диапазоне частот. В отдельных случаях ценной является информация, переносимая акустической волной в инфразвуковом и ультразвуковом диапазонах. К такой информации относятся звуки движущихся объектов (людей, техники, подводных и надводных кораблей и др.), акустические сигналы взрывов новых боеприпасов, разрабатываемых работающих двигателей и других объектов разведки.
Дальность подслушивания (длина простого акустического канала утечки информации) зависит от ряда факторов, в том числе от чувствительности акустического приемника. Под его чувствительностью понимается минимальная энергия акустической волны или оказываемоеею минимальное давление, при котором обеспечивается определенный уровень электрического или акустического сигналов на выходе акустического приемника.
Динамический диапазон акустического приемника характеризуется диапазоном в дБ мощности акустического сигнала на его входе (громкости звука), при котором обеспечивается требуемый или допустимый уровень сигнала на выходе акустического приемника. Учитывая, что акустический приемник при добывании информации размещается скрытно, далеко не в оптимальных условиях, его динамический диапазон является важнейшей характеристикой акустического приемника. Например, если динамический диапазон закладного подслушивающего устройства мал, то приемлемое качество добываемой речевой информации обеспечивается лишь в небольшом интервале расстояний от микрофона говорящего человека. Когда разговаривающий человек ходит по комнате, то добываемая информация может содержать участки с плохим качеством речи.
Так как акустические каналы утечки информации имеют малую протяженность и акустический приемник необходимо приблизить к источнику акустического сигнала, то большинство акустических приемников относятся к классу носимой аппаратуры с автономными источниками питания. Поэтому важное значение для практического применения акустического приемника имеют его вес и габариты, а также длительность непрерывной работы.
Для запоминания (записи) добываемой информации сигнал с выхода передается по организуемому каналу связи к запоминающему устройству или записывается в запоминающем устройстве, размещенном в месте нахождения акустического приемника. В последнем варианте к запоминающему устройству предъявляются такие же жесткие требования, как к акустическому приемнику.
Для записи речевой информации широко применяются специальные диктофоны, конструктивно объединяющие акустический приемник и запоминающее устройство (лентопротяжный и цифровой магнитофоны). Основными характеристиками запоминающих устройств являются объем памяти в МБайтах, время записи речевой информации в минутах или часах, время непрерывной работы в часах.
Средства технического анализа измеряют технические характеристики (сигнальные признаки) акустических сигналов, которые могут использоваться для обнаружения и распознавания их источников: частоту колебаний, характеристики спектра, амплитуду и мощность сигнала и др. Каждый объект с движущимися механическими частями имеет индивидуальную сигнальную признаковую структуру, по которой с достаточно высокой вероятностью можно обнаружить объект и распознать его отдельные свойства. Средства анализа акустических сигналов устанавливаются, например, на подводных лодках для обнаружения и распознавания типов (вплоть до номера) надводных и подводных кораблей.
Микрофон как основной и наиболее широко применяемый элемент акустического приемника можно представить в виде последовательного ряда функциональных звеньев. В первом акустическом звене в результате взаимодействия конструкции микрофона и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от громкости звука, частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния между ними и угла падения звуковой волны относительно оси микрофона. Первое звено определяет характеристику направленности микрофона и по существу представляет собой акустическую антенну.
Второе звено обеспечивает преобразование механической силы акустической волны в колебания подвижной части микрофона — мембраны. Его свойства определяются расположением, величиной и частотной зависимостью входящих в него акустомеханических элементов. Это звено определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) микрофона.
Третье звено представляет собой электромеханический преобразователь колебаний мембраны в электрический сигнал и определяет чувствительность микрофона. Четвертое электрическое звено выполняет функцию согласования преобразователя с последующей электрической цепью и характеризуется внутренним или выходным сопротивлением микрофона как источника сигнала.
При подключении микрофона к входным цепям усилителя (нагрузке) с комплексным сопротивлением Zn напряжение на нем равно Un = EMZn / (ZM + Zn), где Ем и zm - - выходные напряжения и сопротивление микрофона (рис. 15.2).
Рис. 15.2. Эквивалентная электрическая схема микрофона
Напряжение на нагрузке максимально, т. е. Un —> Ем, при Zм «Zn. Следовательно, для повышения напряжения на нагрузке
необходимо выполнить условие Z n » ZM.
Микрофоны классифицируются по различным признакам, указанными на рис. 15.3.
Рис. 15.3. Классификация микрофонов
Угольный (порошковый) микрофон, впервые созданный в •1879 г. русским инженерном М. Михальским, представляет собой круглую коробочку с гранулированным древесным углем, закрываемую тонкой металлической упругой крышкой — мембраной. К электроду, укрепленному на дне коробочки, и мембране подводится постоянное напряжение, под действием которого в массе угольного порошка протекает электрический ток. Принцип работы угольного микрофона основан на изменении под действием акустической волны сопротивления угольного порошка, находящегося между мембраной и неподвижным электродами. Акустическая волна приводит мембрану микрофона в колебательное движение вследствие чего изменяется степень сжатия угольного порошка и площадь соприкосновения его гранул друг с другом. В результате этого сопротивление порошка и сила протекающего через него тока меняются в соответствии с громкостью звука, т. е. производится амплитудная модуляция электрического тока. Номинальное сопротивление угольного микрофона зависит от зернистости и технологии обработки порошка и других факторов. Это сопротивление может составлять у низкоомных микрофонов 35-65 Ом, среднеомных— 65-145 Ом и высокоомных— 145-300 Ом. Угольные микрофоны имеют низкую стоимость, высокую чувствительность, обеспечивают возможность без дополнительного усиления передачу электрических сигналов на большие (десятки км) расстояния. Это обстоятельство обуславливает широкое применение угольных микрофонов в проводной телефонной связи. Однако они узкополосные и для передачи более широкополосных, чем речь, акустических сигналов не применяются.
Конструкция электродинамического микрофона, изобретенного американскими учеными Э. Венте и А Терас в 1931 г., аналогична конструкции электродинамического громкоговорителя. В нем катушка из тонкой проволоки жестко связана с мембраной из полистирольной пленки или алюминиевой фольги и постоянно находится в воздушном зазоре постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней возникает ЭДС, значение которой пропорционально громкости звука. Динамические микрофоны относительно просты, надежны в работе в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям и широко применяются в различной звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуре.
В электромагнитном микрофоне в результате колебаний мембраны из ферромагнитного материала в обмотке неподвижной катушки с сердечником, по которой протекает постоянный ток, возникает ЭДС индукции, величина которой эквивалентна интенсивности звука.
Конденсаторный микрофон, изобретенный американским ученым Э. Венте в 1917 г., представляет собой капсюль, состоящий из двух параллельно расположенных пластин — электродов, один из которых массивный, другой — тонкая мембрана. Электроды образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними. К электродам подводится через резистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электродами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональна звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между обкладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько десятков вольт чувствительность микрофона достигает 10-20 мВ/Па. Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, мембрана которого выполнена из полимерных материалов (смол), способных в сильном электрическом поле и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд Продолжительное время. Такие материалы называют электретами. Мембрана из электрета металлизируется, между пластинами после заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко примеряются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного подслушивания.
Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении ЭДС на поверхности пластинок из пьезоматериала, механически связанных с мембраной. Колебания мембраны под давлением акустической волны передаются пьезоэлектрической пластине, на поверхности которой возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.
По направленности микрофоны разделяются на ненаправленные, односторонней, двухсторонней и острой направленности. Направленность микрофона определяется по уровню сигнала на его выходе в зависимости от поворота микрофона по отношению к источнику акустической волны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ширина диаграммы направленности микрофона оценивается в градусах на уровне 0,5 (0,7) от максимальой мощности (амплитуды) электрического сигнала на его выходе. Чем меньше ширина диаграммы направленности микрофона, тем меньше помех попадает на его мембрану из направлений, отличающихся от направления на источник акустического сигнала с информацией. Ширина диаграммы направленности микрофонов острой направленности составляет несколько десятков градусов. Пространственное ограничение помех повышает отношение сигнал/помеха на мембране микрофона.
Частотные искажения при преобразовании акустической волны в электрический сигнал определяются неравномерностью частотной характеристики микрофона. Она описывается отклонением в процентах или дБ уровня спектральных составляющих звукового сигнала на выходе преобразователя по отношению к уровню спектральных составляющих входного сигнала.
По диапазону частот микрофоны разделяются на узкополосные и широкополосные. Узкополосные микрофоны предназначены для передачи речи. Широкополосные микрофоны имеют более широкую полосу частот и преобразуют колебания в звуковом и частично ультразвуковом диапазонах частот.
По способу применения микрофоны разделяются на воздушные, гидроакустические (гидрофоны) и контактные. Контактные микрофоны предназначены для приема структурного звука. Например, контактный стетоскопный микрофон UM 012, прикрепленный к стене помещения, позволяет прослушивать разговоры в соседнем помещении при толщине стен до 50 и более см. Модификацией контактных микрофонов являются ларингофоны и остеофоны, воспринимающие и преобразующие в электрические сигналы механические колебания (вибрации) связок и хрящей гортани или кости черепа говорящего. Они встраиваются в шлемы летчиков и танкистов для обеспечения связи в условиях повышенного акустического шума среды.
По конструктивному исполнению микрофоны бывают широкого применения, специальные миниатюрные и специальные субминиатюрные, применяемые в различных закладных устройствах.
Возможности микрофонов определяются следующими характеристиками:
•чувствительностью на частоте акустической волны 1000 Гц;
•диаграммой направленности;
•диапазоном воспроизводимых частот колебаний акустической волны;
•неравномерностью частотной характеристики;
•масса-габаритными характеристиками.
Чувствительность — один из основных показателей микрофона и оценивается коэффициентом преобразования давления акустической волны в уровень электрического сигнала. Так как чувствительность микрофона для разных частот акустических колебаний различная, то она определяется на частоте 1000 Гц. Измерения проводятся для акустической волны, направление распространения которой перпендикулярно поверхности мембраны, в вольтах или милливольтах на паскаль (В/Па, мВ/Па). Чувствительность микрофона зависит в основном от параметров физических процессов в акустоэлектрических преобразователях и площади мембраны микрофона.
Чувствительность микрофона повышается с увеличением площади мембраны приблизительно в квадратичной зависимости. Например, чувствительность конденсаторного микрофона с диаметром мембраны 6 мм составляет 1,5-4 мВ/Па, для диаметра 12 мм - 12,5 мВ/Па, а при диаметре 25 мм она увеличивается до 50 мВ/Па.
Электрические сигналы на выходе микрофонов, используемых для добывания информации, в селективном усилителе обрабатываются и усиливаются до величины, необходимой для их записи с помощью аудиомагнитофона или преобразования в акустический сигнал для обеспечения восприятия информации человеком.
Обобщенные характеристики акустических микрофонов приведены в табл. 15.1 [3].
Таблица 15.1
Примечание. Чувствительность микрофона приведена в вольтах при площади мембраны 1 м2 и осевом давлении в 1 Ньютон (Н). В системе СИ эта характеристика измеряется в мВ/Па.
Как следует из этой таблицы, наиболее высокой чувствительностью обладают угольные микрофоны, что обеспечивает им столь длительное использование для передачи речевой информации по телефонным каналам связи. Однако остальные их характеристики (частотный диапазон и его неравномерность) невысокие. По совокупности показателей высокие характеристики имеют электродинамические и конденсаторные микрофоны. Электродинамические микрофоны широко используются для звукоусиления речи и музыки. Конденсаторные микрофоны в силу минимальной неравномерности их амплитудно-частотной характеристики применяют в метрологии для измерения акустических сигналов, а малые размеры электретных микрофонов способствуют их широкому применению в электронной носимой технике.
Увеличение дальности подслушивания акустической информации без повышения мощности ее источника, например громкости речи человека, достигается за счет повышения отношения сигнал/шум на входе акустического приемника. При этом под шумами имеются в виду не только акустические шумы других источников акустических сигналов, но и собственные тепловые шумы входных каскадов акустического приемника. Слуховая система молодого человека как акустический приемник может принимать акустическую информацию очень малой мощности, но вследствие очень широкой диаграммы направленности ушей (почти 180°) на барабанную перепонку приходят шумы со всех направлений. С возрастом чувствительность слуховой системы человека ухудшается.
Млекопитающие, для которых звуки несут важную для жизни информацию, имеют уши с более узкой диаграммой направленностью и способностью изменять ее ориентацию в пространстве.
Микрофоны для дистанционного подслушивания имеют акустическую антенну, сужающую его диаграмму направленности. Эти микрофоны называются остронаправленными микрофонами. Характер увеличения относительной дальности rm/rо остронаправленного микрофона от его коэффициента направленного действия GM иллюстрируется зависимостью на рис. 15.4 [И].
Рис. 15.4. Зависимость относительной дальности микрофона от коэффициента его направленного действия
Величины rm и rо на рисунке обозначают дальность подслушивания микрофоном и ушами человека соответственно. В качестве микрофона рассматривается гипотетический микрофон с чувствительностью, равной пороговой чувствительности слуховой системы человека.
Различают следующие типы остронаправленных микрофонов:
*параболические;
*трубчатые;
*плоские;
*градиентные.
Параболический остронаправленный микрофон содержит отражатель звука параболической формы из оптически прозрачного или непрозрачного материала диаметром 20-50 см, в фокусе которого размещается мембрана микрофона. Звуковые волны с осевого направления отражателя суммируются в фокусе параболического отражателя — на мембране микрофона. Акустические сигналы, распространявшиеся с иных направлений, фокусируются вне мембраны, тем дальше от нее, чем больше угол их прихода по отношению к оси отражателя. Коэффициент направленного действия параболического микрофона можно оценить по формуле: Gn = 4pd2/ А,2, где d — диаметр отражателя, X — длина волны звука. Например, для d = 30 см и звука на f = 1000 Гц (К = 34 см) Gn ~ 24 дБ. Для сравнения, среднее значение G0 ушей человека оценивается величиной всего в 6 дБ.
Трубчатый (интерференционный, «бегущей волны») остронаправленный микрофон состоит из одной трубки длиной 0,2-1 м и толщиной 10—30 мм или набора трубок, длины которых пропорциональны длинам волн спектральных составляющих акустического сигнала. В торце трубок укрепляется мембрана микрофона. Принцип действия однотрубчатого микрофона иллюстрируется на рис. 15.5.
Трубка-звуковод имеет щелевые отверстия, размещенные рядами по длине трубки. Когда ось трубки направлена на источник.звука, то акустические волны от него, проникающие в трубку через ее открытый торец и щели, складываются на мембране микрофона в фазе, так как проходят приблизительно одинаковый путь. Фазы акустических волн с иных направлений имеют на мембране микрофона различные фазы, вплоть до противоположной. В результате этого диаграмма направленности трубчатого микрофона сужается. Коэффициент направленного действия такого микрофона длиной L при условии, что L >λ, оценивается формулой gпл = 4L / λ, Для L = 1 м и f = 1000 Гц g т и 12 дБ.
Плоский микрофон представляет собой фазированную акустическую решетку, в узлах которой размещаются микрофоны и сигналы которых суммируются на входе усилителя. Конструктивно он представляет плоскую поверхность с вмонтированными в нее микрофонными капсулями, образующими обычно матрицу 3х3. Когда поверхность решетки перпендикулярна направлению на источник звука, то фазы электрических сигналов совпадают и суммарный сигнал максимален. При отклонении угла прихода акустических волн от нормального к поверхности мембран микрофонов между сигналами от разных микрофонов возникает разность фаз из-за различий длин путей от источника к разным микрофонам. Уровень суммарного сигнала снижается, что приводит к уменьшению ширины диаграммы направленности микрофона. Коэффициент направленного действия такого микрофона определяется по формуле: g пл = 4πS / λ2, где S — площадь поверхности, занимаемой микрофонами. Поверхность плоского направленного микрофона встраивается в стенку атташе-кейса или в жилет, носимый под рубашкой и пиджаком. Например, направленный микрофон с акустической решеткой, размещенный на внутренней поверхности верхней крышки кейса, имеет ширину диаграммы направленности около 35°. Принятая речевая информация может быть записана на диктофон в кейсе или ретранслироваться с помощью передатчика на достаточно большое расстояние.
В градиентных микрофонах в отличие от плоского микрофона, в котором производится сложение акустических сигналов с элементов приемной фазированной решетки, сигналы соседних элементов вычитаются. В результате этого диаграмма направленности имеет вид cos Q, где Q — угол прихода акустической волны относительно оси микрофона. Коэффициент направленного действия и чувствительность такого микрофона невелики, но в простейшем варианте (2 микрофона) имеют малые размеры.
Рекламируемые возможности по дальности подслушивания направленных микрофонов (до 500 и более метров) завышаются. Из кривой на рис. 15.4 следует, что реальная дальность подслушивания речевой информации на улице города при коэффициенте направленного действия микрофона 15-20 дБ составляет 10-20 м при дальности непосредственного подслушивания всего 2-4 м Реальная дальность подслушивания зависит не только от громкости источника звука, его коэффициента направленного действия, но и уровня акустических помех. С учетом имеющихся противоречивых данных предполагается, что максимальная дальность подслушивания разговора с помощью остронаправленных микрофонов может достигать 50-100 м.
Для снятия информации с акустической волны, распространяющейся в твердой среде, применяется акселерометр. Он преобразует структурный звук в электрический сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде смещения частиц твердого вещества, скорости или ускорения его частиц при распространении структурного звука. В широко распространенных пьезоэлектрических акселерометрах одна или две пластины из пьезоэлемента размещаются между основанием, прикрепляемым к вибрирующей поверхности, и массивной накладкой (рис. 15.6).
Рис. 15.6. Конструкция акселерометра
Колебания твердой среды через основание акселерометра передаются на контактирующую с ним нижнюю поверхность пьез элемента. Другая (верхняя) поверхность пьезоэлемента прилегает к массивной прокладке, которая из-за ее инерционности практически остается неподвижной. В силу этого пьезоэлемент подвергается давлению, пропорциональному разности ускорений сил, действующих на обе его поверхности. В результате этого на обкладках пьезоэлемента возникают электрические сигналы, соответствующие структурному звуку.
Для преобразования структурного звука в воздушную акустическую волну, передаваемую по звукопроводам в уши человека, применяется технический стетоскоп. Он отличается от медицинского, применяемого для прослушивания акустических сигналов в теле человека, конструкцией мембраны, поверхность которой согласуется с поверхностью вибрирующей твердой среды. Стетоскоп представляет собой один или два гибких звукопровода в виде резиновых или из других синтетических материалов трубок, соединенных с контактной площадкой и передающих звуковое колебание от поверхности твердого тела к ушам человека. Эти звукопроводы локализуют и направляют звуковую волну к ушам человека, а также изолируют ее от акустических помех в окружающем пространстве. Для прослушивания структурных звуков микрофон стетоскопа прижимают или приклеивают к поверхности стены или трубы.
Принципы работы гидрофона и геофона близки принципам работы микрофона и акселерометра соответственно, но с иными конструктивными решениями. Например, мембрана гидрофона может иметь цилиндрическую или сферическую форму. Геофоны применяются не только для обнаружения акустических сигналов от движущихся людей или техники, но и для снятия речевой информации с сейсмической волны в грунте на удалении до 10 м от ее источника.
Наряду с традиционными техническими средствами подслушивания с небольшой дальностью все шире применяются устройства, образующие составные каналы утечки: акусто-радиоэлектронные и акусто-оптические. Такими устройствами являются закладные и лазерные средства подслушивания.
Диктофоны
Для скрытого подслушивания речевой информации и ее регистрации широко применяются диктофоны с встроенными и вынесенными микрофонами. Скрытая запись информации производится с целью:
- «документирования» беседы или телефонного разговора для экономии времени при составлении отчета или для последующего анализа разговора;
- регистрации трудно запоминаемой во время разговора информации;
- использования записи для оказания влияния на собеседника или предоставления ее в качестве доказательства каких-либо
его обещаний и высказываний, сбора материалов о конкурентах, злоумышленниках и др.;
- получения голосового образца собеседника для последующей идентификации при подслушивании;
- регистрации собственных предложений для их последующего анализа;
- записи разговора в помещении во время отсутствия владельца диктофона.
Диктофоны по принципам работы делятся на кинематические (с лентопротяжным механизмом для обеспечения записи на магнитную ленту или металлическую проволоку) и цифровые.
Кинематические диктофоны для скрытного подслушивания отличаются от бытовых или профессиональных (используемых журналистами) демаскирующими признаками с пониженной информативностью и возможностью скрытного управления режимами работы. Это достигается:
•уменьшением в результате прецизионного изготовления механических узлов акустических шумов лентопротяжного механизма;
•минимизацией побочных электромагнитных излучений за счет исключения из электрической схемы генераторов подмагничивания и стирания;
•экранированием электромагнитного излучения коллекторного двигателя;
•возможностью подключения выносного микрофона;
•возможностью размещения диктофона и его компонентов в одежде человека и скрытного управления режимами работы диктофона;
•высокой автоматизацией работы диктофона — установкой акустоавтомата, счетчика ленты, автореверса, индикатора работы и другими элементами.
Запись речи в диктофонах производится на микрокассете со скоростью 2,4 или 1,2 см/с, длительность записи в зависимости от скорости и типа кассеты составляет от 15 мин до 3 часов.
Автономное электропитание большинства диктофонов обеспечивается 1-2 элементами химического источника тока типа АА и ААА, вес их с батарейками составляет десятки и сотни г (Olimpus L400, например 90 г), а габариты диктофонов позволяют их размещать во внутреннем кармане пиджака.
Металлические корпуса диктофона и дополнительного кожуха-экрана существенно ослабляют электромагнитное излучение коллекторного двигателя, но не исключают его обнаружение на небольшом удалении в десятки см.
В цифровых диктофонах лентопротяжный механизм отсутствует, а запись речевой информации производится в цифровой форме на полупроводниковых запоминающих устройствах. Отсутствие в цифровых диктофонах лентопротяжного механизма исключает акустические шумы, но в качестве его демаскирующего признака проявляются высокочастотные излучения, создаваемые импульсами тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя и полупроводниковой памяти.
Закладные устройства
С целью существенного повышения дальности подслушивания широко применяются закладные устройства (закладки, радиомикрофоны, «жучки», «клопы»). Эти устройства перед подслушиванием скрытно размещаются в помещении злоумышленниками или привлеченными к этому сотрудниками организации, проникающими под различными предлогами в помещение. Такими предлогами могут быть посещения руководства или специалистов посторонними лицами с различными предложениями, участие в совещаниях, уборка, ремонт помещения и технических средств и т. д.
Закладные устройства в силу большого разнообразия конструкций и оперативного применения создают серьезные угрозы безопасности речевой и иной защищаемой информации в местах с
ограниченным доступом.
В общем случае закладное устройство представляет собой ретранслятор, на вход которого поступает первичный сигнал, несущий информацию, а на выходе — сигнал, согласованный с характеристиками среды, в котором он будет распространяться. Разнообразие закладных устройств порождает многообразие вариантов их классификаций. Вариант классификации указан на рис. 15.7.
Рис. 15.7. Классификации закладных устройств По виду носителя информации, распространяющейся от закладных устройств, их можно разделить на проводные и излучающие закладные устройства. Носителем информации от проводных закладок является электрический ток, который распространяется по электрическим проводам, а излучающие закладные устройства передают информацию с помощью радио- и ИК-сигналов. В зависимости от вида первичного сигнала проводные и излучающие закладные устройства делят на акустические и аппаратные. Акустические закладные устройства содержат микрофон, преобразующий акустические сигналы в электрические. Аппаратные закладки устанавливаются в телефонных аппаратах, ПЭВМ и других радиоэлектронных средствах. Входными сигналами для них являются электрические сигналы, несущие речевую информацию (в телефонных аппаратах), или информационные последовательности, циркулирующие в ПЭВМ при обработке конфиденциальной информации. В таких закладках отсутствует микрофон, что упрощает их конструкцию, и имеется возможность использовать для электропитания энергию средства, в котором установлена закладка. Информацию аппаратные закладки могут передавать по проводам — проводные аппаратные или с помощью радиосигналов излучающие аппаратные. Широко применяются проводные теле фонные закладные устройства, ретранслирующие по радиосигналу речевую информацию в телефонных линиях.
Проводные акустические закладки представляют собой:
•субминиатюрные микрофоны, скрытно установленные в бытовых радио- и электроприборах, в предметах мебели и интерьера и соединенные тонким проводом с микрофонным усилителем или диктофоном, размещаемыми в других помещениях;
•миниатюрные устройства, содержащие микрофон, усилитель и формирователь сигнала, передаваемого, как правило, по телефонным линиям и цепям электропитания.
Проводные акустические закладки имеют высокую чувствительность и помехоустойчивость, но наличие дополнительного провода демаскирует закладки и усложняет их установку, в особенности в условиях дефицита времени. Поэтому такие закладки могут устанавливаться во время ремонта или в помещениях с возможностью достаточно простого и длительного доступа в них людей, например в номера гостиниц.
Закладки, использующие санкционированно проложенные провода (цепи электропитания и информационные линии), лишены этого недостатка. Поэтому они все шире применяются для передачи в пределах здания информации в места нахождения злоумышленника или его средства для записи или ретрансляции сигнала по радиоканалу. Эти закладные устройства устанавливаются в местах подключения проводов электропитания к выключателям и сетевым розеткам, в телефонных аппаратах или их розетках, а также внутри иных радиосредств.
Излучающие закладные устройства лишены недостатков проводных, но у них проявляется другой информативный демаскирующий признак — излучения в радио- и оптическом диапазонах.
Наиболее широко применяются акустические радиозакладки, позволяющие сравнительно просто и скрытно устанавливать их в различных местах помещения. Простейшая акустическая радиозакладка содержит (см. рис. 15.8) следующие основные устройства: микрофон, микрофонный усилитель, генератор несущей частоты, модулятор, усилитель мощности, антенну и источник электропитания.
Рис. 15.8. Схема акустической закладки
Микрофон преобразует акустический сигнал с информацией в электрический, который усиливается до уровня входа модулятора. В модуляторе производится модуляция колебания несущей частоты усиленным сигналом с микрофона, т. е. информация переписывается с низкочастотного носителя на высокочастотный носитель. Для обеспечения необходимой мощности излучения модулированный -сигнал усиливается в усилителе мощности. Электрическая схема современных закладных устройств все чаще дополняется устройствами, обеспечивающими тактическое закрытие передаваемой информации.
Излучение радиосигнала в виде электромагнитной волны осуществляется антенной, как правило, в виде отрезка провода. Для телефонных излучающих закладных устройств в качестве антенны используются провода телефонных линий. Так как антенны в виде кусков провода (диполей) или проводов линий плохо согласуются длинами волн генерируемых передатчиком колебаний, то лишь небольшая часть мощности электрических сигналов излучается в эфир.
В целях сокращения веса, габаритов и энергопотребления в радиозакладке указанные функции технически реализуются минимально возможным количеством активных и пассивных элементов. Простейшие закладки содержат всего один транзистор.
Установка закладных устройств возможна с заходом злоумышленника в помещение, где производится их размещение, или без захода. Первый вариант позволяет более рационально разместить закладку как с точки зрения энергетики, так и скрытности, но связан с повышенным риском для злоумышленника. Поэтому в случаях, когда создаются предпосылки для дистанционной (беззаходовой) установки закладки, их забрасывают в помещение или ими выстреливают из пневматического ружья или лука. Например, комплект PS фирмы Sipe Electronic состоит из специального бесшумного пневматического пистолета с прицельным расстоянием 25 м и paдиозакладкой, укрепленной на стреле. Стрела после выстрела надежно прикрепляется с помощью присоски к поверхностям из металла, дерева, пластмассы, бетона и других гладких строительных и облицовочных материалов. Микрофон обеспечивает съем речевой информации с расстояния до 10 м, а передатчик — ее передачу на расстояние до 100 м.
По диапазону частот закладные устройства отличаются большим разнообразием. На ранних этапах использования закладных устройств частоты излучений их привязывали к частотам бытовых радиоприемников в УKB-диапазоне. При массовом появлении у населения бытовых радиоприемников увеличилась опасность случайного перехвата сигналов радиозакладок посторонними лицами. Поэтому большинство типов современных закладок имеют более высокие частоты в УВЧ-диапазоне.
Для более 96% радиозакладок рабочие частоты сосредоточены в интервале 88-501 МГц, причем большая часть (52%) из них имеет частоты 373-475 МГц, около 42%— 92-169 МГц [4]. Наиболее интенсивно используется диапазон частот 450-475 МГц, в котором сосредоточены рабочие частоты 36% имеющихся на рынке радиозакладных устройств.
Продолжается тенденция дальнейшего повышения частот, в том числе с переходом в ГГц-диапазон. С увеличением частоты передатчика уменьшается уровень помех, что позволяет снизить мощность передатчика и, соответственно, его габариты, а также длину антенны. Кроме того, железобетонные стены помещений современных зданий экранируют излучаемое закладным электромагнитное поле тем больше, чем больше длина волны по отношению к линейным размерам ячейки железной арматуры стены. Поэтому с повышением частоты передатчика закладного устройства (уменьшением длины волны) экранирующий эффект арматуры железобетонной стены понижается, хотя затухание поля в бетоне несколько увеличивается.
В интересах повышения скрытности для излучающих закладных устройств осваивается ИК-диапазон. Однако в силу большего по сравнению с радиоволнами затухания ИК-лучей в среде распространения и необходимостью обеспечения прямой видимости между излучателем ИК-закладки и фотоприемником злоумышленника применение подобных закладных устройств ограничено.
Кроме диапазона частот на условия передачи закладкой информации влияет стабильность частоты ее передатчика. Для простых схемных решений передатчика закладки значения его частоты изменяются в значительных пределах в зависимости от температуры и питающего напряжения. Величина дрейфа рабочей частоты радиозакладок может достигать единиц МГц. В результате этого радиоприемник, настроенный на частоту радиозакладки, через некоторое время «теряет» радиосигнал. Это обстоятельство имеет важное значение для обеспечения автоматического приема сигналов радиозакладок, например, в случае, когда подслушивание производится аппаратурой в автомобиле при отсутствии в нем оператора. Частоты около половины предлагаемых на рынке радиозакладок стабилизируются.
Повышение стабильности частоты излучения обеспечивается путем применения в колебательном контуре генератора элементов со слабой температурной зависимостью, температурной компенсации, стабилизации питающих напряжений, включения в колебательный контур элементов, стабилизирующих его частоту.
Различают «мягкую» и «жесткую» стабилизацию. В закладных устройствах «мягкая» стабилизация со стабильностью частоты 10 ~3-10~4 достигается схемотехническими решениями (стабилизацией напряжения, температурной компенсацией и др.). Для большей стабильности частоты передатчика («жесткой», со стабильностью 10~5-10~6) в качестве стабилизирующих элементов используются пластины кристалла кварца. При установке кварца параллельно контуру генератора в нем возникают стабильные механические колебания, частота которых зависит от вида среза кристалла кварца, толщины и размеров его пластины. Резонансные электрические колебания в контуре существуют при равенстве частот колебаний кварца и контура. Стабилизация частоты излучения радиозакладки усложняет ее схему и увеличивает габариты передатчика, но существенно улучшает удобство работы.
Другой проблемой, возникающей при применении закладных устройств, является обеспечение их энергией в течение времени подслушивания. Возможности современной микроэлектроники по созданию миниатюрных закладных устройств ограничиваются, в основном, масса-габаритными характеристиками автономных источников питания (химических элементов). Микрогабаритные источники тока, широко применяемые в электронных часах, обеспечивают работу закладных устройств в течение короткого времени (десятков часов при минимально-допустимой мощности излучений для дальности до сотни метров). Для закладных устройств используются гальванические элементы (батареи и аккумуляторы) с высокой удельной емкостью. Усредненные характеристики таких элементов приведены в табл. 15.2.
Таблица 15.2
Тип элемента | Напряжение, В | Удельная емкость, Втч/кг | Саморазряд, % в месяц |
Никель-кадмиевый (Ni-Cad) | 1,25 | 40-80 | |
Никель-гидридный (Ni-MH) | 1,25 | 60-120 | |
Литий-ионный (Li-Ion) | 3,6 | 110-160 | до 10 |
Литий-полимерный (Li-Pol) | 3,6 | 100-130 | до 10 |
Емкость гальванического элемента пропорциональна его габаритам и весу. Наиболее широко распространены цилиндрические гальванические элементы размером АА и ААА с диаметром 10,5 и 8,2 мм, высотой 44,5 и 40,2 мм соответственно. Кнопочные (в виде таблетки) гальванические элементы имеют диаметр 7,86-16 мм и высоту 3,56-16,8 мм. Плоские элементы имеют габариты: длина 14,2-31 мм, высота 14-21,4 мм. В крупногабаритных закладных устройствах применяют ядерные источники электропитания с временем работы в десятки лет, но нуждающиеся в толстых и тяжелых экранах для защиты от радиоактивного излучения.
Радикально проблема электропитания закладных устройств и, соответственно, продолжительности их работы решается подключением закладных устройств к внешним источникам электропитания — к сети и цепям РЭС и других приборов, в которые устанавливаются закладные устройства. Широко применяются подобные закладные устройства в телефонных аппаратах, закамуфлированные под их элементы (конденсаторы, телефонные капсюли и др.), в тройниках для подключения нескольких приборов к одной розетке электросети. По оценке, приведенной в [4], в 75% закладных устройств используется автономное (батарейное) питание, 8% — питание от сети и 17% — питание от телефонной линии. Кроме того, энергия может подводиться извне путем облучения закладных устройств внешним электромагнитным полем. Возможность их непрерывной работы до момента обнаружения и изъятия объясняет все более широкое их распространение.
Увеличение времени эксплуатации и повышение скрытности работы закладного устройства достигаются также путем автоматического подключения к автономному источнику питания наиболее энергоемкого узла радиозакладки — передатчика только в период передачи речевой информации. Такая возможность реализуется в двух вариантах. В первом варианте в закладке устанавливается специальное устройство — акустический автомат (акустоавтомат), подключающее к источнику питания передатчик при приеме закладкой акустического сигнала.
В тишине, в ночное время во включенном состоянии (в «дежурном» режиме) находится лишь микрофонный усилитель с исполнительным электронным реле. При появлении в помещении акустических сигналов от разговаривающих людей реле по сигналу от микрофонного усилителя подключает передатчик и закладное устройство излучает радиосигналы с информацией. После прекращения разговора исходное состояние реле восстанавливается и излучение прекращается.
Во втором варианте дистанционно управляемые закладные устройства включаются на излучение по внешнему радиосигналу, подаваемому злоумышленником. Эти закладные устройства обеспечивают повышенную скрытность и более длительное время работы. Однако для их эффективного применения надо иметь дополнительный канал утечки сведений о времени циркулирования конфиденциальной информации в помещении, где установлено закладное устройство. Например, надо достаточно точно знать время, когда будут вестись в помещении конфиденциальные разговоры. Так как дистанционно управляемые закладки содержат устройство для приема управляющих радиосигналов, то они наиболее сложные и, следовательно, дорогие.
С целью дополнительного повышения скрытности работы закладных устройств все шире применяют преобразования сигналов, затрудняющих их обнаружение. По этому признаку закладные устройства делят на незакрытые и с техническим закрытием.
Жесткие требования к габаритам, массе, энергопотреблению
закладных устройств ограничивают мощность излучения их передатчиков. Наиболее часто (более 80%) применяются радиомикрофоны, мощность излучения которых находится в интервале 3-11 мВт, закладки с более высокой мощностью — до 22 мВт составляют менее 10%. Встречаются закладки и большей мощности излучения (до 200 мВт и более), однако их доля крайне незначительна. Малая мощность излучения передатчиков радиозакладок определяет относительно небольшую дальность приема их сигналов. Около 75% образцов обеспечивает функционирование канала на расстояниях 50-350 м, 16% — на расстояниях 460-600 м, 7% — на расстояниях 740-800 м и только около 2% — на расстоянии до 1000 и более метров. Указанные пропорции со временем меняются, но их характер сохраняется.
В общем случае технические данные закладных устройств находятся в следующих пределах:
•частотный диапазон — 27-900 МГц;
•мощность — 0,2-500 мВт;
•дальность — 10-1500 м;
•время непрерывной работы — от нескольких часов до нескольких лет;
•габариты — 1-8 дм3;
•вес — 5-350 г.
Основная проблема оперативного применения закладных устройств заключается в рациональном размещении их в помещении или в радиоэлектронном средстве. Рациональность достигается при обеспечении:
• поступления на вход закладки сигнала с характеристиками, необходимыми для качественной передачи звуковой или иной информации;
• скрытности размещения и работы закладки, по крайней мере, в течение времени подслушивания интересующей злоумышленника информации.
Эффективность выполнения этих условий зависит от удаленности места установки закладки от источников звука и наличия между ними звукопоглощающих и звукоизолирующих экранов, от чувствительности микрофона, размеров и параметров акустики, прежде всего, от времени реверберации помещения и времени, которым располагает злоумышленник для установки. Чувствительность современных малогабаритных микрофонов обеспечивает достаточно качественный прием акустических сигналов на удалении до 10-15 м при отсутствии экранов на пути распространения акустической волны. На качество речи, ретранслируемой закладным устройством, влияют:
—соотношение сигнал/шум на входе микрофонного усилителя закладного устройства;
—время реверберации помещения, в котором установлено закладное устройство.
При малом времени реверберации на микрофон закладки поступает прямая акустическая волна, ослабленная расстоянием и экранами, маскирующими закладку. При большом времени уровень сигнала на мембране увеличивается за счет энергии переотраженных волн, но вследствие сложения на мембране волн, соответствующих разным звукам, ухудшается разборчивость ретранслируемой речи. Эти факторы влияют на качество восприятия такой речи человеком, но в меньшей степени, чем при ретрансляции ее закладными устройствами.
Несмотря на сравнительно малые размеры и вес закладных устройств, они могут быть обнаружены при тщательном визуальном осмотре помещения. С целью продления времени их оперативного использования, а также приближения микрофонов к источнику звука закладные устройства камуфлируют под предметы, не вызывающие подозрение у окружающих людей. Трудно назвать предметы личного пользования, средства оргтехники, средства бытовой радиоэлектроники, в которые не устанавливались бы различные устройства для подслушивания. Некоторые из таких средств подслушивания приведены в табл. 15.3.