Принцип образования акустических волн. Виброакустическая информация

Интенсивность волн в процессе их распространения всегда уменьшается вследствие того, что определенная часть акустической энергии рассеивается. В силу процессов теплообмена, межмолекулярного взаимодействия и внутреннего трения звуковые волны поглощаются в любой среде. Интенсивность поглощения зависит от частоты звуковой волны и от других факторов, таких, как давление и температура среды.

Интерференцией волн называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны (рис. 7). Интерференция наблюдается у волн любой природы, в том числе акустических и электромагнитных [7, с.14-18].

Рисунок 7 - Интерференционная картина сложения волн двух источников

 

Таким образом, источниками волн являются тела, которые вызывают возмущения, воздействуя на среду. Упругая (акустическая) волна является продольной и связана с объемной деформацией упругой среды, вследствие чего может распространяться в любой среде - твердой, жидкой и газообразной.

Распространение звука в пространстве осуществляется звуковыми волнами. В условиях помещений или иных ограниченных пространств на пути звуковых волн возникает множество препятствий, на которые волны оказывают переменное давление (двери, окна, стены, потолки, полы и т.п.), приводя их в колебательный режим. Это воздействие звуковых волн и является причиной образования акустического канала утечки информации [3].

 

1.3 Акустический  канал утечки информации

 

Источником образования акустического канала утечки информации являются вибрирующие, колеблющиеся тела и механизмы, такие как голосовые связки человека, движущиеся элементы машин, телефонные аппараты, звукоусилительные системы и т.д.

Классификация акустических каналов утечки информации представлена на рисунке 8.

 

 Рисунок 8 - Классификация акустических каналов

Образование акустических каналов утечки информации может происходить за счет:

а) распространения механических колебаний в свободном воздушном пространстве:

- переговоры на открытом  пространстве;

- открытые окна, двери, форточки;

- вентиляционные каналы;

б) воздействия звуковых колебаний на элементы конструкции зданий, вызывающих вибрацию:

- стены, потолки, полы, окна, короба вентиляционных систем;

- трубы водоснабжения, отопления, кондиционирования и др.;

в) воздействия звуковых колебаний на технические средства обработки информации:

- микрофонный эффект;

- акустическая модуляция  волоконно-оптических линий передачи  информации [5, с.215].

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата, акустические каналы утечки информации также можно разделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронные и параметрические.

В воздушных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов является воздух, а для их перехвата используются миниатюрные высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны.

В вибрационных каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твёрдые тела. Для перехвата акустических колебаний в этом случае используются контактные микрофоны (стетоскопы).

Электроакустические технические каналы утечки информации возникают за счет электроакустических преобразований акустических сигналов в электрические. Перехват акустических колебаний осуществляется через ВТСС (вспомогательные технические средства и системы), обладающие "микрофонным эффектом", а также путем "высокочастотного навязывания".

Оптико-электронный (лазерный) канал утечки информации образуется при облучении лазерным лучом вибрирующих в акустическом поле тонких отражающих поверхностей (стекол, окон, картин, зеркал и т.д.). Отраженное лазерное излучение (диффузное или зеркальное) модулируется по амплитуде и фазе и принимается приемником оптического излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация.

Параметрические каналы. В результате воздействия акустического поля меняется давление на все элементы высокочастотных генераторов ТСПИ (технические средства приема, обработки, хранения и передачи информации) и ВТСС. При этом изменяется (незначительно) взаимное расположение элементов схем, проводов в катушках индуктивности, дросселей и т.п., что может привести к изменениям параметров высокочастотного сигнала. Поэтому этот канал утечки информации называется параметрическим. Это обусловлено тем, что незначительное изменение взаимного расположения проводов в катушках индуктивности (межвиткового расстояния) приводит к изменению их индуктивности, а, следовательно, к изменению частоты излучения генератора, т.е. к частотной модуляции сигнала [9, с.124-127].

Таким образом, эффективная защита информации, с учетом всех тенденций возможна при более широком использовании технических средств защиты. Чем более четко определены источники защищаемой информации, места и условия их нахождения, способы и средства добывания информации злоумышленником, тем конкретнее могут быть сформулированы задачи по защите и требования к соответствующим средствам. Конкретность задач и требований - необходимое условие целенаправленного и рационального использования выделенных ресурсов.

2 ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ    ИНФОРМАЦИЯ.    ПРИНЦИПЫ

ОБРАЗОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

 

2.1 Виброакустическая информация

 

В соответствии с терминологией закона "Об информации, информационных технологиях и защите информации" информация — это сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления [1].

Информация может быть представлена в следующих видах:

- документальная – зафиксированная  на материальном носителе с  реквизитами, позволяющими ее идентифицировать;

- речевая – формируется  в процессе ведения переговоров  людей, либо прослушивания аудиозаписей;

- телекоммуникационная –  циркулирует в системах обработки и передачи информации по линиям и каналам связи при помощи электрических или электромагнитных колебаний [5, с.120].

Материальными носителями информации являются сигналы. По своей физической природе сигналы могут быть электрическими, электромагнитными, акустическими и т.д. Первичными источниками акустических сигналов являются механические колебательные системы, например, органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, например, громкоговорители.

Под виброакустической информацией понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. Средой распространения данных сигналов являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твердые тела. Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов, возникающие в одном месте от воздействия на них источников звука, передаются по строительным конструкциям на значительные расстояния, почти не затухая, не ослабляясь, и излучаются в воздух как слышимый звук [8, с.18].

Воздействие акустических волн на поверхность твердого тела приводит к возникновению в нем вибрационных колебаний в результате виброакустического преобразования. Эти колебания, распространяющиеся в твердой среде, могут быть перехвачены специальными средствами разведки, а речевая информация, содержащаяся в акустическом поле, при определенных условиях  может быть восстановлена. С этой целью используют специальные устройства, преобразующие вибрационные колебания в электрические сигналы, соответствующие звуковым частотам. Такие устройства называются вибродатчиками.

Для перехвата акустических колебаний широко применяются стетоскопы (контактные микрофоны). В ряде таких устройств предусмотрена возможность записи сигнала на магнитный носитель [5, с.300].

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) [3].

Опасность такого акустического канала утечки информации по элементам здания состоит в большой и неконтролируемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в упругие продольные волны в стенах и перекрытиях, что позволяет прослушивать разговоры на значительных расстояниях [4, с.7].

 

2.2 Принципы образования  и распространения упругих волн  в твердых 

телах

Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругой среде. Тела, которые, воздействуя на среду, вызывают эти возмущения, называются источниками волн. Упругая волна является продольной и связана с объемной деформацией упругой среды, вследствие чего может распространяться в любой среде - твердой, жидкой и газообразной, кроме вакуума. Отсутствие упругих волн в вакууме объясняется отсутствием давления среды [6, с.45].

 

2.2.1 Основные величины  и уравнения

 

Особенности и характер распространения упругих волн в твердых телах определяются упругими свойствами твердых тел. В отличие от жидких и газообразных сред твердые тела обладают упругостью не только объема, но и формы. Картина акустического поля заметно усложняется. Акустические волны в твердых телах представляют собой комбинацию продольной L и поперечной T объемных волн [2, с.112].

Считаем твердое тело изотропным, его физические свойства в любом элементе объема одинаковы и тело не имеет неоднородностей или каких – либо включений. Кроме того, считаем, что электрические и магнитные поля отсутствуют. Известно, что под действием механических сил твердые тела изменяют свои размеры и форму (т.е. деформируются). Возможны различные деформации твердых тел - сжатие и растяжение, сдвиг, изгиб, кручение и т.д. Между силами, приложенными к твердому телу, и возникшими в нем деформациями существует количественная связь. Рассмотрим это на примере металлического круглого стержня длиной и диаметром . Под действием переменной силы растяжения и сжатия изменяется длина стержня. При малых деформациях закон Гука в линейной теории упругости имеет вид:

                                                          (2)                                                                            

где   - сила, действующая на стержень;

      - поперечное сечение стержня;

     - модуль продольной упругости (модуль Юнга);

    - механическое напряжение.

Напряжение вызывает деформацию с коэффициентом пропорциональности . При растяжении (сжатии) стержня диаметр его изменяется на величину . Отношение к относительному изменению длины есть величина постоянная. Это отношение называют коэффициентом Пуассона:

                                                                                   (3)

Величина принимает значения от 0,2 до 0,5. Для металлов примерно составляет 0,25, для материалов типа резина . Зная и , можно описать упругие свойства изотропного твердого тела. Но чаще пользуются не , а так называемым модулем сдвига . Модуль продольной упругости E, модуль сдвига и коэффициент Пуассона не являются независимыми, между ними имеется соотношение:

                                                                                              (4)

Модуль упругости E и зависят от физических свойств твердого тела и не зависят от его размеров и формы. По порядку величины модули упругости E и приближенно могут изменяться в пределах (0,01¸10)1011Н/м. В общем случае в теории упругости пользуются пятью модулями упругости E, , , , (модуль объемной упругости).

Между всеми этими постоянными (модулями) упругости имеется связь (только две из этих постоянных являются независимыми):

,         ,                                        (5)

Постоянные упругости представляют собой справочные данные.

Уточнение закона Гука связано с введением тензора напряжения и тензора деформации. Напряжение (сила на единичный элемент поверхности) может действовать внутри тела не только по нормали к поверхности, как это имеет место в газе или жидкости, а имеет составляющие и по касательной к поверхности.

В декартовых координатах напряжения, действующие на три плоскости перпендикулярно к этим осям, проходящие через рассматриваемую точку, имеют девять компонент и образуют тензор напряжения (рис. 9).

Рисунок  9 - Возможная ориентация напряжений, приложенных к граням выделенного объема твердой среды

Первый индекс означает направление приложенного напряжения, второй – плоскость, перпендикулярную той, на которую оно действует.

Деформации, которые возникают под действием напряжений, образуют тензор деформаций. При деформации твердого тела изменяется расстояние между его точками, эти изменения, как правило, являются малыми. Изменение расстояния между двумя близкими точками служит характеристикой деформированного состояния. Вводится вектор смещения в точке

,                                                                                            (6)

где - радиусы векторы, проведенные из начала координат, выбранного внутри тела, в близко расположенные друг от друга точки .

Компоненты вектора смещения образуют тензор деформации:

,                                                        (7)

Тензор напряжений связан с тензором деформации уравнением состояния, которое для малых деформаций имеет вид закона Гука:

                                                                                               (8)