ХОРЕВ Анатолий Анатольевич, доктор технических наук, профессор

ТЕХНИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ УТЕЧКИ АКУСТИЧЕСКОЙ (РЕЧЕВОЙ) ИНФОРМАЦИИ

Общая характеристика речевого сигнала

Под акустической информацией обычно понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой.

Первичными источниками акустических сигналов являются механические колебательные системы, например органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, например, громкоговорители.

Акустические сигналы представляют собой продольные механические волны. Они испускаются источником - колеблющимся телом - и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах в виде акустических колебаний (волн), то есть колебательных движений частиц среды под действием различных возмущений. Пространство, в котором происходит распространение акустических колебаний, называют акустическим полем, направление распространения акустических колебаний - акустическим лучом, а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды - фронтом волны. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но на практике, в зависимости от конкретной решаемой задачи, обычно ограничиваются рассмотрением трех видов фронтов: плоского, сферического и цилиндрического.

Характеристики акустического поля подразделяются на линейные и энергетические.

Линейными характеристиками акустического поля являются [1]:

- акустическое давление p (Па) - разность между мгновенным значением давления pам в точке среды при прохождении через нее акустической волны и статическим давлением pас в той же точке (1 Па = 1 Н/м2): p = pам – pас; (1)

- смещение u (м) - отклонение частиц среды от ее статического положения под действием проходящей акустической волны;

- скорость колебаний n (м/с) - скорость движения частиц среды под действием проходящей акустической волны: n = du/dt, (2),  где u - смещение частиц среды, м; t - время, с;

- удельное акустическое сопротивление z (кг/м2•с) - отношение звукового давления p к скорости колебаний частиц среды n: z = p/n.(3)

Энергетическими характеристиками акустического поля являются [1]:

- интенсивность акустических колебаний I (Вт/м2) - количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны;

- плотность энергии e (Дж/м3) - количество энергии акустических колебаний, находящейся в единице объема. Плотность энергии связана с интенсивностью акустических колебаний I соотношением:
e = I/vзв (4), где vзв - скорость звука.

В газообразных средах скорость звука зависит от плотности среды r (плотность воздуха зависит от его температуры) и статического атмосферного давления pас.

Для температуры воздуха 15 - 20° С и давления 101325 Па (760 мм рт. ст.) скорость звука составляет vзв = 340 – 343 м/с [1].

Для колебаний с периодом Т длина звуковой волны l, то есть расстояние между соседними фронтами волны с одинаковой фазой (например, между максимумами или минимумами колебаний), и частота колебаний f рассчитываются по формулам:

l = vзв•T; (5)
f = 1/T. (6)

Частоты акустических колебаний в пределах 20 - 20000 Гц называют звуковыми (их может воспринимать человеческое ухо), ниже 20 Гц - инфразвуковыми, а выше 20000 Гц - ультразвуковыми.

В акустике в качестве уровней характеристик акустического поля принимают величины, пропорциональные логарифмам относительных значений (относительно нулевого значения) этих характеристик.

За условное (нормированное) значение нулевого уровня интенсивности акустических колебаний принята интенсивность, равная I0 = 10-12 Вт/м2, при этом относительный уровень интенсивности будет равен [1]:

LI = 10lg(I/I0), дБ. (7)

Уровень акустического давления для воздуха определяют относительно акустического давления, соответствующего нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления, равного z = 400 кг/(м2•с) [1]:

Lp = 20lg(p/p0), дб, (8)

где p0 = 2•10-5 Па - условное значение нулевого уровня акустического давления.

Величины p0 и I0 примерно соответствуют порогу слухового восприятия (слышимости).

Единицей относительного уровня является децибел (дБ). Приращению уровня на 1 дб соответствует увеличение звукового давления на 12%, а интенсивности звука на 26% [5].

Акустическое поле в открытом пространстве при наличии единичного источника мощности характеризуется интенсивностью акустических колебаний, рассчитываемой по формуле [6]:

(9)
где PW - мощность источника излучения, Вт;
c - коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля (для открытого пространства c » 1);
r - расстояние от источника до расчетной точки, м;
G - коэффициент направленности источника излучения;
W - пространственный угол излучения (при излучении в двухгранный угол W = p, при излучении в полупространство W = 2p, при излучении в пространство W = 4p), рад.

Теоретически рассчитать уровень интенсивности акустических колебаний от реальных объектов довольно сложно. Поэтому наиболее часто уровень интенсивности акустических колебаний измеряют в определенном направлении на определенном расстоянии от объекта r0, а затем пересчитывают на любое другое расстояние r в том же направлении по формуле:

, дБ, (10)

где r0 - расстояние, на котором производилось измерение уровня интенсивности акустических колебаний , (в большинстве случаев r0 = 1 м).

- измеренный уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r0.

При r0 = 1 м для открытого пространства уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r от источника будет равен:

, дБ. (11)

При распространении акустического сигнала в помещениях необходимо учитывать их ослабление при прохождении через ограждающие конструкции:

, дБ, (12)
где Zок - коэффициент затухания акустического сигнала в ограждающей конструкции (коэффициент звукоизоляции), дБ.

Аналогичным образом можно рассчитать и уровень акустического давления.

В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные сигналы. Тональный –это сигнал, вызываемый колебанием, совершающимся по синусоидальному закону. Сложный сигнал включает целый спектр гармонических составляющих. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом.

Речь может быть охарактеризована тремя группами характеристик [5]:

- семантическая или смысловая сторона речи - характеризует смысл тех понятий, которые передаются при ее помощи;

- фонетические характеристики речи - данные, характеризующие речь с точки зрения ее звукового состава. Основной фонетической характеристикой звукового состава является частота встречаемости в речи различных звуков и их сочетаний;

- физические характеристики - величины и зависимости, характеризующие речь как акустический сигнал.

Помимо того, что звуки речи, объединяясь в определенные фонетические комбинации, образуют некоторые смысловые элементы, они также различаются и чисто физическими параметрами: мощностью, звуковым давлением, частотным спектром, длительностью звучания.

Частотный спектр звуков речи содержит большое число гармонических составляющих, амплитуды которых уменьшаются с ростом частоты. Высота основного тона (первой гармоники) этого ряда характеризует собой тип голоса говорящего: бас, баритон, тенор, альт, контральто, сопрано, но в большинстве случаев почти не играет роли для различения друг от друга звуков речи.

В русском языке сорок один звук речи (фонем) [5]. По спектральному составу звуки речи различаются друг от друга числом формант и их расположением в частотном спектре. Следовательно, разборчивость передаваемой речи зависит, прежде всего, от того, какая часть формант дошла до уха слушающего без искажений и какая - исказилась, или по тем или иным причинам вообще не была услышана.

Форманта может характеризоваться либо занимаемой ею частотной полосой, либо средней частотой, соответствующей максимуму амплитуды или энергии составляющих в формантной полосе, и средним уровнем этой энергии.

Большинство звуков речи имеет одну или две форманты, что обусловлено участием в образовании этих звуков основных резонаторов голосового аппарата - полости глотки и носоглотки.

Максимально в отдельных звуках замечено до 6 усиленных частотных областей. Однако далеко не все они являются формантами. Некоторые из них никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию.

Формантными являются одна или две частотные области. Исключение из передачи любой из этих областей вызывает искажение передаваемого звука, т. е. либо превращение его в другой звук, либо вообще потерю им признаков звука человеческой речи.

Форманты звуков речи расположены в широкой области частот приблизительно от 150 до 8600 Гц. Последний предел превышают лишь составляющие формантной полосы звука Ф, которые могут лежать в области до 12 000 Гц [5]. Однако подавляющая часть формант звуков речи лежит в пределах от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей понятности передаваемой речи. Форманты расположены не только вплотную друг к другу, но даже с перекрытием.

Различным видам речи соответствуют типовые интегральные уровни речевых сигналов, измеренные на расстоянии 1 м от источника речи (говорящий человек, звуковоспроизводящее устройство): ls = 64 дБ - тихая речь; Ls = 70 дБ - речь средней громкости; ls = 76 дБ - громкая речь; ls = 84 дБ - очень громкая речь, усиленная техническими средствами.

Как правило, уровни речевых сигналов измеряют в октавных или треть-октавных полосах речевого диапазона частот. Характеристики октавных и треть-октавных полос речевого диапазона частот и числовые значения типовых уровней речевого сигнала в них ls.i в зависимости от их интегрального уровня ls, представлены в табл. 1 и табл. 2 [3].

  Таблица 1. Типовые уровни речевого сигнала в октавных полосах частотного диапазона речи Ls.i

Номер полосы Частотные границы полосы, fн - fв, Гц Среднегеометрическая частота полосы, fi, Гц Типовые интегральные уровни речи Ls, измеренные на расстоянии 1 м от источника сигнала, дБ
Ls = 64 Ls = 70 Ls = 76 Ls = 84
1 90 - 175 125 47 53 59 67
2 175 - 355 250 60 66 72 80
3 355 - 710 500 60 66 72 80
4 710 - 1400 1000 55 61 67 75
5 1400 - 2800 2000 50 56 62 70
6 2800 - 5600 4000 47 53 59 67
7 5600 - 11200 8000 43 49 55 63

Таблица 2. Типовые уровни речевого сигнала в третьоктавных полосах частотного диапазона речи Ls.i

Номер полосы Частотные границы полосы, fн - fв, Гц Среднегеометрическая частота полосы, fi, Гц Типовые интегральные уровни речи Ls, измеренные на расстоянии 1 м от источника сигнала, дБ
Ls = 64 Ls = 70 Ls = 76 Ls = 84
1 180 - 224 200 54 60 66 74
2 224 - 280 250 58 64 70 78
3 280 - 355 315 56 62 68 76
4 355 - 450 400 58 64 70 78
5 450 - 560 500 56 62 68 76
6 560 - 710 630 50 56 62 70
7 710 - 900 800 44 50 56 64
8 900 - 1120 1000 45 51 57 65
9 1120 - 1400 1250 45 51 57 65
10 1400 - 1800 1600 42 48 54 62
11 1800 - 2240 2000 38 44 50 58
12 2240 - 2800 2500 39 45 51 59
13 2800 - 3550 3150 38 44 50 58
14 3550 - 4500 4000 37 43 49 57
15 4500 - 5600 5000 33 39 45 53
16 5600 - 7100 6300 31 37 43 51
17 7100 - 9000 8000 30 36 42 50
18 9000 - 11200 10000 27 33 39 47

Первая и седьмая октавные полосы являются малоинформативными, поэтому наиболее часто для оценки возможностей средств акустической разведки уровни речевого сигнала измеряют только в пяти (2 - 6) октавных полосах.

Спектральный состав речи в значительной степени зависит от пола, возраста и индивидуальных особенностей говорящего. Для различных людей отклонение уровней сигналов, измеренных в октавных полосах, от типовых уровней может составлять 6 дБ.

Перехват речевой информации средствами акустической разведки осуществляется на фоне естественных шумов (табл. 3). Процесс восприятия речи в шуме сопровождается потерями составных элементов речевого сообщения. Понятность речевого сообщения характеризуется количеством правильно принятых слов, отражающих качественную область понятности, которая выражена в категориях подробности справки о перехваченном разговоре, составляемой “противником” (лицом, осуществляющим перехват информации).

Таблица 3. Средний интегральный уровень акустических шумов

Наименование объекта Уровень шума, дБ
Улица с интенсивным движением 60
Улица со средним движением 55
Улица без движения автомобилей 35
Сельская местность 35
Комната шумная 55 - 65
Комната тихая 35 - 40
Пустой кабинет 30 - 35
Коридоры 45 - 50

Для количественной оценки качества перехваченной речевой информации наиболее часто используют показатель – словесная разборчивость речи W, под которой понимается относительное количество (в процентах) правильно понятых слов.

Проведенный анализ показал возможность ранжирования понятности перехваченной речевой информации. Из практических соображений может быть установлена некоторая шкала оценок качества перехваченного разговора:

1. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора.

2. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное только для составления краткой справки-аннотации, отражающей предмет, проблему, цель и общий смысл перехваченного разговора.

3. Перехваченная речевая информация содержит отдельные правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора.

4. При прослушивании фонограммы перехваченного разговора нельзя установить предмет разговора.

Практический опыт показывает, что составление подробной справки о содержании перехваченного разговора невозможно при словесной разборчивости менее 60 – 70,%, а краткой справки-аннотации – при словесной разборчивости менее 40 – 60%. При словесной разборчивости менее 20 – 40% значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной разборчивости менее 10 – 20% это практически невозможно даже при использовании современных методов шумоочистки.

Классификация технических каналов утечки акустической (речевой) информации

Для обсуждения информации ограниченного доступа (совещаний, обсуждений, конференций, переговоров и т.п.) используются специальные помещения (служебные кабинеты, актовые залы, конференц-залы и т.д.), которые называются выделенными помещениями (ВП). Для предотвращения перехвата информации из данных помещений, как правило, используются специальные средства защиты, поэтому выделенные помещения в ряде случаев называют защищаемыми помещениями (ЗП).

В выделенных помещениях, так же как и на объектах технических средств передачи, обработки, хранения и отображения информации (ТСПИ), устанавливаются вспомогательные технические средства и системы (ВТСС).

Выделенные помещения располагаются в пределах контролируемой зоны (КЗ), под которой понимается пространство (территория, здание, часть здания), в котором исключено неконтролируемое пребывание сотрудников и посетителей организации, а также транспортных средств. Границей контролируемой зоны могут являться периметр охраняемой территории организации или ограждающие конструкции охраняемого здания или охраняемой части здания, если оно размещено на неохраняемой территории. В некоторых случаях границей контролируемой зоны могут быть ограждающие конструкции (стены, пол, потолок) выделенного помещения. В отдельных случаях на период проведения закрытого мероприятия контролируемая зона временно может устанавливаться большей, чем охраняемая территория предприятия. При этом должны приниматься организационно-режимные и технические меры, исключающие или существенно затрудняющие возможность перехвата информации в этой зоне.

Под техническим каналом утечки акустической (речевой) информации (ТКУ АИ) понимают совокупность объекта разведки (выделенного помещения), технического средства акустической (речевой) разведки (ТС АР), с помощью которого перехватывается речевая информация, и физической среды, в которой распространяется информационный сигнал.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды их распространения технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на прямые акустические (воздушные), виброакустические (вибрационные), акустооптические (лазерные), акустоэлектрические и акустоэлектромагнитные (параметрические).

Литература

1. Акустика: Справочник/Под ред. М.А. Сапожкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
2. ГОСТ Р 51275-99. Защита информации. Объект информатизации. Факторы, воздействующие на информацию. Общие положения. (Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 12 мая 1999 № 160).
3. Железняк, В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации//Специальная техника, 2000, № 4, с. 39 – 45.
4. Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. М.: Гос. Издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962. 392 с.
5. Справочник по радиоэлектронным устройствам, в 2-х томах. Т. 2/Варламов Р.Г., Додик С.Д., Иванов-Циганов А.И. и др./Под ред. Д.П. Линде. М.: Энергия, 1978. 328 с.
6. Техническая акустика транспортных машин/ Под. Ред. Н.И.Иванова. С.Пб.: Политехника, 1992. 365 с.

Статья опубликована на сайте: 28.04.2006


Яндекс.Метрика
Яндекс цитирование
Журнал по спецтехнике
Фото на документы Полежаевская