Материал: Программно-аппаратная защита речевой информации от утечки по виброакустическому каналу. Гончаров И.В., Мешкова А.Ф

 = _mexp[j(t - kx)]. (1.4)

если рассматривать волну, движущуюся в обратную сторону, т. е. против направления оси x, то смещение

= _mexp[j(t + kx)]. (1.5)

При распространении гармонических волн в каждой точке среды изменение смещения сопровождается изменением давления по гармоническому закону. Картина образований сжатий и разрежений становится наглядной, если нанести расположение частиц через равные промежутки времени, например, через ¼ периода (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Распределение сгущений и разряжений в плоской волне: 1 – области разрежений, 2 – области сгущений

Рассматривая этот рисунок, видим, что сжатия образуются в результате сближения частиц, а разрежения – при взаимном удалении частиц. Легко заметить, что максимумы и минимумы давлений образуются в моменты прохождения частицами средних положений, и тогда они имеют наибольшие колебательные скорости. Если колебательная скорость частицы в среднем положении направлена в сторону распространения волны, то этому моменту соответствует максимум давления. Если при среднем положении скорость частиц направлена в противоположную сторону, то получается минимум давления (максимум разрежения) [6].

Итак, в случае распространения плоских волн давление совпадает по фазе с колебательной скоростью.

1.3. Среда распространения виброакустических колебаний

Так как средой распространения виброакустических колебаний являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твердые тела, то необходимо рассмотреть вопрос давления звуковых колебаний.

Смещение частиц в волне, бегущей в положительном направлении оси x, определяется выражением

 = f(z), (1.6)

где z = t – x/c.

Используя формулу (1.6), можно получить

p = -d/dx = -(df(z)/dz)(dz/dx) = (1/c)(df(z)/dz). (1.7)

С другой стороны, колебательная скорость частиц равна

 = (df(z)/dz)(dz/dt) = df(z)/dt. (1.8)

Сравнивая (1.7) и (1.8), найдем

 = p/(/c). (1.9)

Соотношение (1.9) можно представить несколько в ином виде.

 = p/  = p/ /C = p/, (1.10)

где

 = c =  /C. (1.11)

Амплитуда скорости _m связана с амплитудой смещения _m соотношением _m = _m. Основываясь на выражении (1.10), можно получить

_m = p_m/c. (1.12)

Величина c называется акустической жесткостью.

Рассмотрим произвольные плоские волны. Звуковое давление в волне, бегущей в положительном направлении оси x, можно записать как

p₁ = f₁(t – x/c). (1.13)

Использую соотношение (1.10) для скорости в такой волне, получим

₁ = (1/)f₁(t – x/c). (1.14)

Соответственно для волны, бегущей в противоположном направлении,

p₂ = f₂(t + x/c), ₂ = -(1/)f₂(t + x/c). (1.15)

Как в прямой, так и в обратной волне сжатие возникает при движении частиц в сторону распространения волны.

Процесс физического изменения состояния среды вполне определяется двумя уравнениями: одно дает изменение давления p, второе – изменение скорости частиц , или же смещение . Для гармонических плоских волн звуковое давление и колебательная скорость выражаются в виде

p = [Aexp(-jkx)+Bexp(jkx)]exp(jt),

x = (1/) [Aexp(-jkx)+Bexp(jkx)]exp(jt). (1.16)

До сих пор мы рассматривали плоские волны, распространяющиеся вдоль или против направления оси x. Приведем теперь математическую запись плоской волны, распространяющейся в направлении, составляющем произвольные углы с осями координат x,y.

Если обозначить через s расстояние, пройденное волной от начала координат, а через  – угол наклона направления распространения волны относительно оси x, то для гармонических волн давления и скорости будем иметь следующие выражения:

p = [Aexp(-jks)+Bexp(jks)]exp(jt),

x = (1/) [Aexp(-jks)+Bexp(jks)]exp(jt), (1.17)

где s = xcos + ysin.

Уровень речевого сигнала зависит от интенсивности источника, следовательно необходимо обратить внимание на интенсивность акустической волны.

Интенсивность акустической волны определяется количеством акустической энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, нормальной к направлению распространения. Иными словами, интенсивность равна акустической мощности, приходящейся на единицу поверхности фронта волны. Если в некоторый момент, в данной точке существует давление p, и скорость частиц равна , то мгновенное значение интенсивности I_t равно

I_t = p. (1.18)

Подставляя значение  из (1.10), получим выражение интенсивности через звуковое давление:

I_t = p²/c. (1.19)

Использую также соотношение (1.10), можно найти еще одну формулу для интенсивности:

I_t =  ²c. (1.20)

При гармонических колебаниях среднее значение интенсивности

I = (1/2)p_m_m. (1.21)

Соответственно

I = (1/2)p_m²/c, (1.22)

или I = (1/2)_m²c.

Интенсивность I удобно определять по отношению к некоторой интенсивности I₀, принятой за начальную, представляя I в виде

I/I₀ = 10^0,1N, (1.23)

где N – число децибел. Величина N называется уровнем интенсивности звука относительно заданной начальной интенсивности.

Преобразуя (1.18), находим

N = 10lg(I/I₀), (1.24)

Если N = 1 дБ, то I/I₀ = 10^-0,1 = 1,259, p/p₀ = 10^-0,05 = 1,22.

Значение 1 дБ примерно соответствует наименьшему изменению интенсивности звука, воспринимаемому человеческим ухом. В акустике за нулевой уровень интенсивности берется обычно I₀ = 10^-16 вт/см², что соответствует примерно наименьшей величине интенсивности звука, воспринимаемого человеком на частоте 2000 Гц. Интенсивности I₀ = 10^-16 вт/см² соответствует (при t = 20⁰C и 760 мм рт. ст.) давление p₀ = 2*10^-4 бар (эффективное значение).

За начальный уровень давления берется иногда p₀ = 1 бар. Тогда N = 20lg p.

Таблица 1.1

Величины I/I₀ и p/p₀ при значениях N от 0 до 10

Таблица 1.2

Значения N и величины интенсивности I при I₀ = 10^-16 вт/см²

На затухание виброакустических колебаний влияет энергия волны.

Энергия волны складывается из кинетической и потенциальной энергий. Выделим в жидкости элемент объема V. Его масса равна m = V. Если T – кинетическая энергия, отнесенная к единице объема, и  – скорость объема V, то кинетическая энергия TV объема определится равенством

TV = (1/2)m² = (1/2)V², (1.25)

и значит,

T = (1/2)². (1.26)

Рассматривая потенциальную энергию, положим, что элемент объема V под влиянием давления p изменился на dV. Если П – потенциальная энергия, отнесенная к единице объема, то соответствующее изменение потенциальной энергии dПV определяется равенством

dПV = - pdV. (1.27)

Вместе с тем

dp = - (1/C)dV/V, dV = - CVdp. (1.28)

Пользуясь (1.21) и (1.22), можем записать

dП = Cpdp. (1.29)

Если звуковое давление p изменилось от 0 до p, то соответствующая потенциальная энергия

П = C pdp = (1/2)Cp². (1.30)

Для мгновенного значения полной энергии W_t = T + П, отнесенной к единице объема, получаем

W_t = (1/2)² + (1/2)Cp². (1.31)

Используя формулы (1.10), (1.11), находим (1/2)² = (1/2)Cp², т. е. T = П.

Таким образом, бегущая плоская волна несет кинетическую и потенциальную энергию, причем в любой момент потенциальная энергия равна кинетической. Полное мгновенное значение энергии W_t равно

W_t = ² = Cp². (1.32)

При гармонических колебаниях среднее значение энергии W определяется выражением

W = (1/2)_m² = (1/2)Cp_m², (1.33)

где p_m и _m – амплитудные значения давления и скорости. Из сопоставления формул следует

I_t = W_tc. (1.34)

Для того чтобы придать наглядность равенству, положим, что энергия распределена равномерно по оси x. Интенсивность равна потоку энергии через единичное сечение за единицу времени, т. е. за время, в течение которого энергия перемещается на расстояние, численно равное скорости c распространения волны. Это значит, что через единичное сечение за единицу времени протекает энергия, заключенная в столбе длиной c, равная, следовательно, W_tc, т. е. I_t = W_tc [6].

1.4. Аппаратура перехвата

Для перехвата акустических колебаний используются контактные микрофоны (стетоскопы). Контактные микрофоны, соединенные с электронными усилителями называют электронными стетоскопами.

По вибрационному каналу также возможен перехват информации с использованием закладных устройств. В основном для передачи информации используется радиоканал, поэтому такие устройства часто называют радиостетоскопами. Возможно использование закладных устройств с передачей информации по оптическому каналу в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, а также по ультразвуковому каналу (по металлоконструкциям здания). Электронные стетоскопы, преобразуют вибрационные колебания строительных конструкций в электрический сигнал. После усиления и простейшей обработки этот сигнал может быть прослушан, записан на магнитофон или передан по радиоканалу. Информация может сниматься со стен, перекрытий, дверей, оконных рам и стекол, труб отопления и водоснабжения, различных коробов и т.д. Это один из самых удобных для злоумышленника видов съема информации. Во-первых, он не требует проникновения в интересующее помещение, во-вторых, стетоскопы относительно недороги, легко устанавливаются и снимаются, могут использоваться многократно. Использование злоумышленником таких каналов не оставляет следов и практически остается на уровне предположений. Расстояние, с которого может быть прослушано помещение в случае подключения стетоскопа к трубам или иным металлическим конструкциям составляет десятки метров [17].

1.5. Способы защиты информации от утечки по виброакустическому каналу

В наши дни, несмотря на развитие различных систем и способов обработки информации, речевая информация составляет более 80 %. Поэтому одной из важнейших задач, решаемых при построении комплексной системы обеспечения безопасности ОИ, является защита речевой информации.

Для несанкционированного добывания речевой информации в настоящее время используется широкий арсенал средств. Выполняемые в портативном, миниатюрном и сверхминиатюрном виде, эти средства аккумулируют в себе новейшие научные, технические и технологические достижения электроники, акустики, оптики, радиотехники и других наук. Угроза перехвата речевой информации, как правило, не ограничивается возможностью утечки по одному каналу. В современных условиях спектр реализации каналов утечки речевой информации чрезвычайно велик. Значительную опасность из диапазона всего спектра таких каналов представляет собой виброакустический канал утечки информации [7].

В настоящее время существует три основных направления обеспечения защиты речевой информации от утечки по виброакустическому каналу:

• обеспечения достаточности защищенности акустической речевой информации (без специальных мероприятий), циркулирующей на ОИ ‑ в защищаемом ОИ, от утечки по виброакустическому каналу при обеспечении необходимых требований и рекомендаций;

• защита акустической речевой информации с применением пассивных способов защиты и с использованием специальных (активных) средств технической ЗИ;

• защита речевой информации на основе эффективного применения физических процессов, происходящих при ЗИ.

В первом случае защита достигается, как правило, в результате предварительных мероприятий по созданию ОИ.

Для защиты речевой информации, циркулирующей в защищаемом ОИ, от утечки по виброакустическому каналу, как указано во втором случае, в основном применяются активные средства ЗИ, что обусловлено, как правило, их более низкой стоимостью по отношению к пассивным способам и средствам ЗИ. При этом, могут использоваться помехи на основе белого шума, специальные речеподобные помехи или в качестве зашумляющего сигнала используется сигнал, полученный в результате сложения акустических передач от нескольких информационно-развлекательных радиостанций, с хаотичной перестройкой между такими станциями через произвольный промежуток времени, а также использование специальных сигналов позволяющих эффективным образом использовать физические свойства самого канала утечки информации.

В связи с тем, что в настоящее время уже разработаны средства ЗИ, позволяющие защищать акустическую информацию в защищаемом помещении с достаточной эффективностью, основными направлениями совершенствования подобных средств являются: