Разработка лабораторной установки по исследованию каналов утечки речевой информации (стр. 2 из 14)

Классификация технических каналов утечки акустической (речевой) информации приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация технических каналов утечки речевой информации

1.2 Физические характеристики и особенности распространения речевого сигнала

Звуковое поле характеризуется следующими характеристиками: линейные, энергетические[2].

К линейным характеристикам звукового поля относят звуковое давление, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.

Звуковое давление представляет силу, действующую на единицу поверхности, и измеряется в Па. Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны (м/с). Удельным акустическим сопротивлением называется отношение звукового давления к скорости колебаний (Па×с/м).

К энергетическим характеристикам звукового поля относят интенсивность звука.

Интенсивностью звука или силой звука называют количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²).

В акустике за уровень параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра. Таким образом, при использовании десятичных логарифмов для параметра К уровень

N = a×lg (K/K₀),

где а – коэффициент пропорциональности, определяемый размером выбранных логарифмических единиц. Как правило пользуются единицей измерения децибел (дБ), и поэтому пользуются следующими выражениями для определения уровней: для энергетических параметровN_Э = 10×lg (K_Э/K_0Э) и для линейных

N_Л = 20×lg (K_Л/K_0Л). К₀

– условное значение параметра, к которому относят величину этого параметра.

За условное (нормированное) значение нулевого уровня электрической мощности Р₀ принимают 1 мВт. Абсолютный уровень электрической мощности

N_Р = 10×lg (Р/Р₀) = 10×lg (Р_Вт/10^-3),

Р_Вт – мощность в ваттах. Этот уровень мощности измеряется в децибелах мощности (дБм).

Уровень по звуковому давлению в децибелах для воздуха определяют относительно звукового давления по величине, соответствующей нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления равного 400 кг/м²×с, то есть уровень определяется выражением

L_Р = 20×lg (Р/Р₀) = 20×lg (Р_Па/2×10^-5),

где Р₀ = 2×10^-5 Па – условное действующее значение для нулевого уровня по звуковому давлению, Р_Па – действующее значение звукового давления, Па.

Человеческая речь представляет собой шумоподобный акустический сигнал, несущий амплитудную и частотную модуляцию [1]. Основная энергия акустических колебаний речевого сигнала заключена в диапазоне 70 Гц - 7 кГц, причем более 95% смысловой информации размещается в более узком диапазоне - 200 Гц - 5 кГц. Акустические колебания выше и ниже этих частот несут информацию об эмоциях и личности говорящего (устный почерк), способствует узнаваемости и несколько повышают разборчивость речи в условиях повышенных шумов.

Динамические характеристики разговорной речи весьма различны и во многом зависят от внешних условий, в которых находится говорящий. Так, спокойный, доверительный разговор, ведущийся собеседниками, находящимися рядом друг с другом, происходит обычно с уровнем порядка 55 дБ (звуковое давление); выступление в зале, а нередко и разговор по телефону около 75 дБ. При этом динамический диапазон речи также меняется в довольно широких пределах 25-45 дБ.

Акустические колебания, распространяющиеся в помещении, падают на ограждающие конструкции, в основном отражаются от них, а частично взаимодействуют с ними, вызывая соответствующие колебания конструкций, и распространяются далее в виде вибрационных колебаний. Вследствие добротности большинства строительных материалов, вибрационные колебания, вызванные речевым сигналом, могут быть приняты на значительном удалении от места проведения разговора. В этой связи следует отметить два важных аспекта. Во-первых, степень проникновения акустической энергии из воздушной среды в твердое тело зависит от соотношения акустических сопротивлений этих сред:

~×C12×C2, (1.1)

где 1 и 2 - плотность материала строительной конструкции и воздуха;

C1 и C2 - скорость звука в материале строительной конструкции и воздухе.

Это положение имеет простое и практически важное следствие, которое получило в строительной акустике название «закон массы» - чем больше масса единицы площади конструкции, тем меньше вибрационные колебания, вызванные звуком, или, проще говоря, чем толще стена, тем выше звукоизоляция.

Высокие акустические характеристики строительных конструкций создают хорошие условия для распространения вибраций, вызванных прочими источниками, такими как уличные шумы, протекание воды в системах отопления, шаги, хлопки дверей, работа бытовой аппаратуры и т. д., что создает при приеме речевой информации, распространяющейся по строительным конструкциям, комплекс так называемых структурных помех.

Следует отметить, что спектры структурных помех имеют, как правило, спадающий в сторону высоких частот характер и близки к спектрам вибраций речевых сигналов.

Уровень структурных помех в здании и величина звукоизоляции выделенного помещения являются основными факторами, определяющими возможность перехвата информации по акустическому и виброакустическому каналу.

1.3 Сущность электроакустического канала утечки речевой информации

Некоторые элементы ВТСС, в том числе электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов, дроссели ламп дневного света и т.п., обладают свойством изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником акустических колебаний. Изменение параметров приводит к появлению на данных элементах электродвижущей силы (ЭДС), изменяющейся по закону воздействующего информационного акустического поля. Например, акустическое поле, воздействуя на якорь электромагнита вызывного телефонного звонка, вызывает его колебание. В результате чего изменяется магнитный поток сердечника электромагнита. Изменение этого потока вызывает появление ЭДС самоиндукции в катушке звонка, изменяющейся по закону изменения акустического поля.

ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно электроакустические преобразователи. К таким ВТСС относятся некоторые датчики пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т.д. Эффект электроакустического преобразования акустических колебаний в электрические, называют "микрофонным эффектом". Причем, из ВТСС, обладающих "микрофонным эффектом", наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители и некоторые датчики пожарной безопасности, датчики разбития стекла.

1.4 Особенности спектров речевых сигналов

Акустический сигнал от первичного источника звука, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными, высокочастотными и низкочастотными [1].

В практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним подразумевается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотности спектра квадрата амплитуд А²(х) (для сплошных спектров). Последняя будет представлять собой спектральную плотность по интенсивности

J(w) = k×A²(w), (1.2)

т. е. спектральной плотностью называют интенсивность звука в полоске частот равной 1 Гц, т. е. спектральная плотность

J = I_Df / Df, (1.3)

где I_Df – интенсивность, измеренная в узкой полоске частот Df = 1Гц.

Для удобства введена логарифмическая мера оценки плотности спектра аналогично оценке по уровню интенсивности. Эта мера называется уровнем спектральной плотности, или спектральным уровнем. Спектральный уровень

B = 10×lg (J / I₀) = 10×lg J_Вт + 120 ,(1.4)

где I₀ = 10 ^–15 Вт / м² - условное (нормированное) значение, аналогичное для оценки уровня интенсивности. Размерность J выражается в единице на герц (Гц ^-1).

Часто для представления спектра вместо спектральной плотности пользуются интенсивностью или звуковым давлением, измеренными в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот (октава представляет собой частотный интервал, для которого отношение крайних частот равно 2), и соответственно определяют уровни в этих полосах. В этом случае спектральный уровень

B = 10×lg (I_окт / Df_окт×I₀) = 20×lg (p_окт / p₀) - 10×lgDf_окт, (p₀ = 2×10^-5 Па) ,(1.5)

а уровень в октавной полосе

L_окт = 10×lg (I_окт / I₀) = 20×lg (p_окт / p₀), (1.6)

где Df_окт – ширина соответствующей октавной полосы. Вычитая (1.6) из (1.5), имеем

L_окт – B = 10×lgDf_окт ,(1.7)

то есть разность между линейным и октавным анализом определяется, логарифмом от октавной полосы.

1.5 Способы анализа спектральных характеристик

В настоящее время существует несколько различных способов анализа спектральных характеристик речевого сигнала. Остановимся на линейном, октавном и третьоктаном анализе [1].

Линейный анализ - это исследование спектра с полосой пропускания одинаковой ширины во всем диапазоне частот. Октавный и третьоктавный анализ – исследование спектра с полосой пропускания, имеющей одинаковую относительную ширину полосы пропускания, то есть отношение Df/f₀ постоянно во всем диапазоне частот (Df - полоса пропускания, f₀ - средняя частота полосы). Это означает, что абсолютная ширина полосы пропускания для октавного и третьоктавного анализа тем выше, чем выше средняя частота. Международными рекомендациями и ГОСТ 17168-71 установлены номиналы средних частот: