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聲音泄漏及防護技術(shù)研究

2024年01月08日    來(lái)源:國家保密科技測評中心【字體: 打印

【摘 要】 聲音是信息存在的一種形式,聲音泄漏是信息泄露的途徑之一。本文系統分析了聲音泄露的途徑和被竊聽(tīng)的風(fēng)險,研究了竊聽(tīng)麥克風(fēng)特性,提出了聲音信息防護措施建議。

【關(guān)鍵詞】 聲音泄漏?聲音防護?麥克風(fēng)陣列

1 引言

聲音是信息存在的一種形式。聲音泄漏是指一定場(chǎng)所中聲音信息穿越圍護結構,如墻體、樓板、門(mén)、窗、通風(fēng)管道或這些構件的綜合體,泄漏到另一空間被他人感知和理解的過(guò)程。

目前的聲音信息防護技術(shù),主要是提高建筑隔聲量和增加聲掩蔽系統。提高建筑隔聲量可以通過(guò)裝配隔聲門(mén)、隔聲窗、管道消聲器,采用軟性材料對圍護結構接口處密封,或者增加墻體厚度等方法實(shí)現,通常需要在建筑建造或裝修期間進(jìn)行。聲掩蔽系統通過(guò)在場(chǎng)所外播放一定強度的干擾噪聲,降低泄漏語(yǔ)音信息的可懂度,從而提高安全性。

2 聲音泄漏風(fēng)險

聲音竊聽(tīng)的方式包括侵入式和非侵入式。其中,侵入式是指竊聽(tīng)者直接接觸到聲源場(chǎng)所的人員、場(chǎng)地、設備、物品、家具等實(shí)施的竊聽(tīng)。比如,竊聽(tīng)者以各種合法身份進(jìn)入聲源房間,隱蔽安裝竊密裝置和設備,竊錄聲音信息。而非侵入式則是指竊聽(tīng)者利用泄漏的聲音信號實(shí)施竊聽(tīng),比如竊聽(tīng)者利用定向聲音拾取探測設備,對目標聲音進(jìn)行非接觸式竊收。

聲音信息穿越墻體等圍護結構而引起的泄漏程度,與3類(lèi)因素有關(guān):一是場(chǎng)所內講話(huà)者或擴音設備的音量,音量越大,泄漏的可能性越大;二是圍護結構的隔聲量,隔聲量越小,越容易泄漏;三是竊聽(tīng)者受到的語(yǔ)音干擾,根據掩蔽效應,掩蔽聲越大,竊聽(tīng)者聽(tīng)覺(jué)的可懂度越低。

2.1 聲音傳播基本特性

聲場(chǎng)是聲音振動(dòng)在其中傳播的空間,聲音在液體和氣體介質(zhì)中的振動(dòng)是縱向振動(dòng),會(huì )形成介質(zhì)的增厚和稀疏。聲源發(fā)出的振動(dòng),在介質(zhì)中傳播經(jīng)相同時(shí)間所到達的各點(diǎn)組成的面為波前。低于20Hz的頻率為次聲波,高于20kHz的頻率為超聲波。聲強是通過(guò)垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流,單位是W /m2。

(1)

對于平面波,能量流不會(huì )發(fā)散,聲強不會(huì )隨著(zhù)聲源的距離而降低?紤]分子衰減、流體粘度、灰塵、散射等原因,聲強會(huì )損失。但是由于這些損耗較小,當聲波在短距離傳播時(shí),可以忽略不計。因此,通常假設聲音強度以及聲壓不依賴(lài)于與聲源的距離。

圖1 球面波

對于球面波,由于波的發(fā)散,聲音強度會(huì )隨著(zhù)與聲源的距離增加而減小,如圖1所示。如果不考慮介質(zhì)中的能量損失,則聲強會(huì )根據二次定律降低:

(2)

其中I1是距聲源單位長(cháng)度(通常為1米)的強度。聲壓隨著(zhù)離球面波中心距離的增加而減。

(3)

其中p1是距聲源中心單位長(cháng)度的聲壓。

如果限制聲波發(fā)散到兩側,那么聲強的衰減也將減小。例如,在管道中傳播的聲波不會(huì )發(fā)散到側面,因此可以在較長(cháng)路徑上保持較高的強度。當聲音泄漏通過(guò)通風(fēng)管道傳播時(shí),有可能在距離很遠的地方竊聽(tīng)到談話(huà)聲音。

人耳感知到的頻率范圍為20~20kHz,寬達10個(gè)倍頻程,但是聽(tīng)覺(jué)分析的選擇性不高。聽(tīng)力閾值是產(chǎn)生聲音感覺(jué)的純音(簡(jiǎn)單正弦振蕩)聲壓的最小值。聽(tīng)力閾值取決于頻率,在低頻方向,聽(tīng)力閾值急劇上升,即為了在低頻出現聽(tīng)覺(jué),需要較高的聲壓。對于高頻,聽(tīng)力閾值首先降低,然后開(kāi)始以與低頻相同的方式升高。常見(jiàn)聲音的聲壓值如表1所示。

表1 距聲源1米的聲壓值

2.2 聲音泄漏的通道

聲音泄漏的通道分為4種,分別是空氣聲通道、聲音振動(dòng)通道、聲光通道、聲電通道,如表2所示。

表2 聲音泄漏通道

2.2.1通過(guò)空氣聲通道泄漏

空氣聲通道泄漏主要包括3種方式。第一種是在目標場(chǎng)所內隱蔽安裝錄音設備,直接錄制語(yǔ)音,隨后竊聽(tīng)者以人工方式取走。第二種是竊聽(tīng)者在聲源場(chǎng)所外部,使用定向竊聽(tīng)麥克風(fēng)接收場(chǎng)所泄漏的聲音信息。第三種是竊聽(tīng)者在聲源場(chǎng)所隱蔽安裝竊聽(tīng)設備,通過(guò)無(wú)線(xiàn)電,或者通過(guò)固定電纜、連接線(xiàn)、220伏電源線(xiàn)和電話(huà)線(xiàn)等信息通道傳輸聲音。

2.2.2通過(guò)聲音振動(dòng)通道泄漏

聲音可以通過(guò)固體振動(dòng)(如墻體、門(mén)、窗、管道等)傳播而發(fā)生泄漏。振動(dòng)聲泄漏的主要特點(diǎn)是聲波首先作用于房間中的固體,然后再以固體傳聲方式傳遞到遠端。竊聽(tīng)者在聲源場(chǎng)所的相鄰房間通過(guò)隔墻竊聽(tīng)器,或者通過(guò)通風(fēng)管道竊聽(tīng)。

2.2.3 通過(guò)聲光通道泄密

竊聽(tīng)者可以將激光照射在聲源場(chǎng)所的玻璃或聲源場(chǎng)所內有反光標示的物體上,拾取聲音引起的震動(dòng),在接收端進(jìn)行解調還原來(lái)實(shí)現竊聽(tīng),其最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需在竊聽(tīng)現場(chǎng)安裝竊聽(tīng)器。新一代激光竊聽(tīng)器基于漫反射原理,不再需要尋找激光反射的角度,直接接收散射回來(lái)的激光,即可實(shí)現竊聽(tīng)。

2.2.4 通過(guò)聲電通道泄漏

竊聽(tīng)者可通過(guò)聲電通道獲取聲源房間內的聲音,當高強度微波照射竊聽(tīng)物體時(shí),物體反射回波的強弱會(huì )隨著(zhù)聲音的變化而變化。通過(guò)微波通道泄漏有2種方式:第一種是竊聽(tīng)者將微型共振器隱蔽放置在聲源房間內,在聲源房間外,用高功率發(fā)射機照射微型共振器,竊聽(tīng)房間內的聲音;第二種是竊聽(tīng)者利用聲源房間內有“麥克風(fēng)”效應的物品,例如花瓶、高腳杯等形狀的中空制品,以及薄壁金屬制品(金屬板等),用高功率發(fā)射機照射這些物品,將聲音信息調制到微波信號上,反射回發(fā)射機,實(shí)現竊聽(tīng)。

2.3 超聲波泄漏風(fēng)險分析

超聲波通道(頻率范圍為20~100kHz)可通過(guò)混凝土圍護結構將聲音信息傳輸到外部。但是由于超聲波振動(dòng)沿圍護結構傳播的距離通常較短,一般情況下,可以不對超聲波通道進(jìn)行特殊檢測。但是,如果在聲源場(chǎng)所內有超聲波振動(dòng)的源頭,比如超聲波傳感報警器,聲音信號可能會(huì )對超聲波產(chǎn)生調制,調制后的超聲波會(huì )沿著(zhù)圍護結構的傳播而造成泄漏。為防范這種情況,可以將聲掩蔽設備引入被保護的房間,以產(chǎn)生由語(yǔ)音信號調制的超聲波振動(dòng)噪聲。

3 竊聽(tīng)麥克風(fēng)

麥克風(fēng)是將聲振動(dòng)轉換為電振動(dòng)的傳感器。竊聽(tīng)者為獲取最好的聲音效果,可以采用多種類(lèi)型的竊聽(tīng)麥克風(fēng)。采用何種麥克風(fēng),需要重點(diǎn)考慮麥克風(fēng)的靈敏度、頻率響應、方向特性等性能。靈敏度是麥克風(fēng)輸出端的電壓與作用在麥克風(fēng)上的聲壓之比。頻率響應是靈敏度水平與頻率的關(guān)系。方向特性是麥克風(fēng)靈敏度與角度的關(guān)系,大多數麥克風(fēng)具有軸向對稱(chēng)性,因此它們的方向性在通過(guò)麥克風(fēng)軸的所有平面中都是相同的。根據方向性特性,麥克風(fēng)分為全向麥克風(fēng)和定向麥克風(fēng)?梢杂脴O坐標來(lái)表示麥克風(fēng)的方向圖,如圖2所示,圖2中曲線(xiàn)1適用于小型麥克風(fēng)與長(cháng)波長(cháng)麥克風(fēng)(全向麥克風(fēng)),曲線(xiàn)2適用于麥克風(fēng)的直徑等于聲波的長(cháng)度時(shí)。

圖2 麥克風(fēng)拾音模式

按照聲場(chǎng)作用力來(lái)分,竊聽(tīng)麥克風(fēng)可分為壓強式、壓差式、壓強壓差組合式、線(xiàn)列式、管式、拋物面式、麥克風(fēng)陣列等。

3.1 壓強式麥克風(fēng)

壓強式麥克風(fēng)是利用聲場(chǎng)中壓強發(fā)生響應原理做成的接收器,通常由一振膜固定在一封閉腔上構成,如圖3所示。當聲波入射時(shí),振膜在腔外的一面受到聲壓的作用,在振膜上就產(chǎn)生合力,在此力的作用下,振膜產(chǎn)生運動(dòng),將此振動(dòng)轉換為電壓輸出,測量輸出電壓就可確定聲場(chǎng)中對應的聲壓。

圖3 壓強式麥克風(fēng)示意圖

波長(cháng)比麥克風(fēng)長(cháng)的聲波會(huì )在麥克風(fēng)周?chē)鷱澢,在這種情況下,方向性特性將是球形的,即麥克風(fēng)是全向的。如果麥克風(fēng)的尺寸比波長(cháng)大時(shí),則當聲波沿其軸入射時(shí),作用在振膜上的聲壓將大于從其他方向入射的聲壓。相對于波長(cháng),麥克風(fēng)的尺寸越大,指向性特性就會(huì )越強。

3.2 壓差式麥克風(fēng)

壓差式麥克風(fēng)是利用對聲場(chǎng)中相鄰2點(diǎn)的壓強差發(fā)生響應的原理做成的接收器。在壓差式麥克風(fēng)中,通常有2個(gè)入聲口,振膜對來(lái)自?xún)蓚鹊穆暡ǘ奸_(kāi)放。聲波傳到振膜兩面的距離不相同,因此振膜兩面存在壓差,如圖4所示。

圖4 壓差式麥克風(fēng)示意圖

由于波束路徑的差異,前波和后波之間的相位差,可以獲得振膜前表面和后表面之間的壓力差。壓差式麥克風(fēng)對于近源的靈敏度高于對遠源的靈敏度,其方向圖為字形。

3.3 壓強壓差組合式麥克風(fēng)

為了獲得各種形式的方向性特征,通常將壓強式和壓差式接收器組合在一起,這就是壓強壓差組合式麥克風(fēng),典型結構如圖5所示。在一個(gè)腔體的前面裝上振膜,腔體背壁開(kāi)有一孔與外部相通,作為第二入聲口。p1為振膜前面的入射聲壓,p2為振膜后面的入射聲壓。通過(guò)改變各個(gè)接收器和線(xiàn)圈的參數,可以獲得各種指向性特征。

圖 5 壓強壓差組合式麥克風(fēng)示意圖

3.4 線(xiàn)列式麥克風(fēng)組

線(xiàn)列式麥克風(fēng)組,通常布置成一排水平直線(xiàn),使得它們的軸線(xiàn)平行,如圖6所示,由于從很多入聲口傳到振膜的距離不同,聲波之間就要發(fā)生干涉,在振膜上的總聲壓與入聲口的分布有關(guān)。聲波以相同相位到達該組的所有入聲口,作用到振膜的合力與聲波的入射方向成復雜關(guān)系。當時(shí),麥克風(fēng)的指向性開(kāi)始呈單向,當時(shí),指向性更尖銳。因此線(xiàn)列式麥克風(fēng)組具有很強的指向性,被稱(chēng)為強指向傳聲器。強指向麥克風(fēng)具有更強的抗噪聲能力,特別適用于在噪聲環(huán)境中竊聽(tīng)遠距離的聲信號。

圖 6 線(xiàn)列式麥克風(fēng)組

3.5 管式麥克風(fēng)組

管式麥克風(fēng)組利用了組天線(xiàn)的特性,如圖7所示。這種麥克風(fēng)組結合了數十根細管,其長(cháng)度從幾厘米到1米以上,管子成束來(lái)收集聲波。聲波到達角為,因為細管具有不同的長(cháng)度,如果細管間最小尺寸差為d,則聲波的最小路徑差是,聲波的相移為。聲波在n個(gè)細管中傳輸,匯集到振膜產(chǎn)生總聲壓。

圖7 管式麥克風(fēng)組

3.6 拋物面式麥克風(fēng)

拋物面式麥克風(fēng)組是帶有拋物面反射器的定向麥克風(fēng),麥克風(fēng)反射器被放置在拋物面的焦點(diǎn)處,如圖8所示。從拋物面反射鏡反射的軸向聲波在焦點(diǎn)處相疊加,反射鏡的直徑越大,可以提供的聲壓增益越大。當拋物面對準聲音方向時(shí),來(lái)自其他方向的噪聲被放大的程度低于聲音被放大的程度,這就相對增強了聲音。聲音到達軸的角度越大,衰減越強。實(shí)際中使用的拋物線(xiàn)形麥克風(fēng)的鏡面直徑通?蛇_幾十厘米。

圖 8 拋物面式麥克風(fēng)

3.7 麥克風(fēng)陣列

麥克風(fēng)陣列是由按照特定的拓撲結構分布在空間的多個(gè)麥克風(fēng)組合而成,如圖9所示。麥克風(fēng)陣列仍然可以看作一個(gè)復雜的傳聲器,但不同的是麥克風(fēng)陣列不僅可以獲得聲音信號的時(shí)域信息,還可以獲得空域信息。麥克風(fēng)陣列信號處理的主要目標是最大化利用空時(shí)信息提高接收端信號質(zhì)量。理想情況下,可認為組成陣列的各陣元是各向同性的,且具有同樣的接收靈敏度。

圖 9 麥克風(fēng)陣列

4 竊聽(tīng)效果的影響因素

對聲音信息的竊聽(tīng)范圍,不僅受麥克風(fēng)參數的影響,還受這些設備使用條件的影響。

在開(kāi)放區域,例如街道、庭院、公園等,通過(guò)1個(gè)或多個(gè)打開(kāi)的窗戶(hù)竊聽(tīng)聲源房間內的談話(huà)時(shí),影響竊聽(tīng)距離的主要因素是聲音信號傳播所經(jīng)歷的衰減以及較高的背景噪聲。聲音信號衰減主要涉及以下5個(gè)因素。

(1)當從有限尺寸的聲源在無(wú)限的介質(zhì)中傳播時(shí),聲壓與傳播的距離(球面波)成反比。

(2)環(huán)境的不均勻性(雨滴、樹(shù)枝和其他障礙物)導致聲波的散射。

(3)聲音在大氣中的分布受湍流、溫度、壓力、風(fēng)強、風(fēng)速的影響,當聲音撞擊具有不同特性的2層大氣之間的界面時(shí),會(huì )導致聲線(xiàn)彎曲。在這種情況下,聲波被部分反射并部分穿透到另一層。

(4)聲音吸收與頻率相關(guān)。

(5)吸收程度隨相對濕度的降低而增加(例如,在濕度為50%時(shí),頻率為10kHz的聲音信號每100米僅衰減14dB,當濕度為15%時(shí),聲衰減到28dB;風(fēng)、雨和雪導致每100米額外衰減8?10dB)。

因此,如果在夜間、清晨、多云天氣、水面附近、山區、冬季,或有從聲源的方向吹來(lái)的風(fēng),則可能會(huì )擴大竊聽(tīng)范圍。在炎熱的晴天、降雪、下雨、森林、灌木叢和沙質(zhì)土壤環(huán)境下,尤其是有障礙物的情況下,聲音信號會(huì )被吸收。

房間內聲波傳播的一個(gè)顯著(zhù)特征是語(yǔ)音信號的聲場(chǎng)更加復雜,該聲場(chǎng)包括未經(jīng)任何反射的聲波“直接”產(chǎn)生的聲音成分和由多個(gè)反射聲音產(chǎn)生的疊加成分。在這種情況下,降低了使用定向麥克風(fēng)將聲音信號與背景噪聲隔離的優(yōu)勢,并且難以定位聲源。

5 防護措施

聲音泄漏途徑多,為做好聲音信息防護,管理要求和技術(shù)手段缺一不可。管理要求應通過(guò)限制未經(jīng)授權的人員進(jìn)入特定聲源區域,防止其在振動(dòng)聽(tīng)覺(jué)區域以及可能傳播振動(dòng)的區域中安裝竊聽(tīng)裝置,具體措施包括:安裝出入口控制系統,安裝視頻監控,對重要房間、地下室、通風(fēng)系統出口進(jìn)行鎖閉和密封,安裝入侵報警系統等。

技術(shù)手段旨在增強聲源場(chǎng)所的隔音和防振功能,常見(jiàn)手段包括以下6種。

(1)在聲源場(chǎng)所的入口裝飾吸音材料,門(mén)、窗邊緣進(jìn)行密封,可采用橡膠、泡沫、海綿和毛氈等材料。

(2)在通風(fēng)管道安裝消聲器。

(3)鋪設弱電系統、內部布線(xiàn)、電氣設備、暖氣管、通風(fēng)管時(shí),不應降低封閉結構的隔音效果。當穿過(guò)建筑物的天花板時(shí),應安裝套管,并用吸音材料填充套管和管道之間的空隙。

(4)用隔音材料覆蓋暖氣片。

(5)建筑圍護結構和地板應提供足夠的隔聲量。

(6)在設計通風(fēng)系統時(shí),必須采取措施以確保通風(fēng)道壁的隔音。為此,建議將通風(fēng)管放置在封閉的風(fēng)道內,并用吸音材料填充風(fēng)管和風(fēng)道壁之間的空隙。

如果無(wú)法達到所需的房屋隔音效果,則應使用聲掩蔽方法,這是保護語(yǔ)音信息的重要補充。聲掩蔽系統對聲音信息防護的本質(zhì)是在聲源場(chǎng)所外部和封閉結構的表面產(chǎn)生振動(dòng)噪聲,其噪聲水平使竊聽(tīng)者無(wú)法從“信號+噪聲”中提取出有用的信息。

聲掩蔽系統可由白色或粉紅色噪聲源、放大設備、揚聲器和振動(dòng)器組成。在振動(dòng)器中,可以使用將電信號轉換成機械振動(dòng)的各種方法。發(fā)出噪音的揚聲器應放置在柵欄(窗戶(hù)、門(mén)、通風(fēng)口等)的高度。聲掩蔽系統噪音水平不應超過(guò)人體健康要求,不得影響正常工作。最好使用自適應系統,其噪聲水平可根據房間內的音量自動(dòng)調整,同時(shí)應防止未經(jīng)授權的人員對聲掩蔽系統進(jìn)行控制和操作。

(原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年3月刊)