Защита информации
.pdfДостоинством метода артикуляции, обусловившим его широкое прак тическое использование, является то, что этот метод дает объективную ко личественную оценку качества передачи речи по главному ее признаку - разборчивости, причем эта оценка может быть проведена с достаточно высокой степенью точности.
Так предельное значение разборчивости формант, при котором воз можно понимание смысла речевого сообщения, равно 15 %, что соответ ствует 25 % разборчивости слов (рис.2.5). Задача оценки канала утечки сво дится к измерению или вычислению разборчивости речи в анализируемом канале и сравнению полученного значения с требуемым.
Разборчивость как критерий оценки защищенности речевой информации
Для оценки и контроля защищенности речевой информации в соот ветствии с методикой расчета словесной разборчивости речи, рекомендо ванной Гостехкомиссией использован инструментально-расчетный метод, основанный на результатах экспериментальных исследований, проведенных Н.Б.Покровским (Л. 56).
Числовое значение словесной разборчивости рассчитывается на ос нове измерения отношения уровней речевого сигнала и шума в местах воз можного расположения злоумышленником TCP акустической разведки.
Показателями защищенности являются:
-словесная разборчивость речи;
-распределение отношений “сигнал/шум” в октавных полосах. Измерения проводятся в контрольных точках для нормированного
энергетического спектра речевого сигнала.
Показатель защищенности от акустической речевой разведки - сло весная разборчивость речи W рассчитывается по формуле в диапазоне зна чений словесной разборчивости от 0 до 1:
где R - интегральный индекс артикуляции речи.
91
Интегральный индекс артикуляции речи R определяется по формуле:
|
(2.2) |
где: |
|
ri - октавный индекс артикуляции речи |
|
Октавный индекс артикуляции речи ri |
рассчитывается по формуле: |
ri=ri*ri; |
(2.3) |
где: |
|
коэффициент pi определяется по формуле:
(2.4)
Ki-значение весового коэффициента в i-ой октавной полосе;
Здесь и далее индекс i - это i-порядковый номер октавной полосы
(i= 1,2,3,4,5) со среднегеометрическими частотами fcpi =250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.
N - количество октавных полос, в которых проводятся измерения, |
|
qiоктавное отношение «акустический сигнал/шум» в месте возмож |
|
ного размещения TCP аппаратуры акустической речевой разведки (в месте |
|
возможного прослушивания речи без применения технических средств для |
|
акустического канала утечки речевой информации), дБ; |
|
qi=Lci-Lmi; где: |
(2.5) |
Lсi - октавный уровень акустического сигнала (средний спектральный |
|
уровень речевого сигнала в месте измерения в i-ой октавной полосе), дБ: Lшi - октавный уровень акустического шума (помехи), (уровень шума
(помехи) в месте измерения в i-ой октавной полосе), дБ.
92
- значение форматного параметра спектра речевого сигнала в i-
ой октавной полосе, дБ;
Величины формантного параметра спектра речевого сигнала Ai и ве сового коэффициента ki в октавных полосах приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6
Значение Аi. и ki.
Среднегеометрические частоты |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
октавных полос fcpi, Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Числовое значение формантного |
18 |
14 |
9 |
6 |
5 |
параметра спектра речевого сигнала |
|
|
|
|
|
в октавной полосе частот ∆Аi, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Числовое значение весового |
0,03 |
0,12 |
0,20 |
0,30 |
0,26 |
коэффициента октавной полосы |
|
|
|
|
|
частот к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При этом в зависимости от полученной величины W обеспечивается качество акустической защиты элементов защищаемого помещения (поме щения в целом), например:
-количество правильно понятых слов обеспечивает составление под
робной справки (доклада) о содержании переговоров. Практичес кий опыт показывает, что составление подробной справки о содер жании перехваченных переговоров невозможно при словесной раз борчивости менее 60-70%;
-отдельные слова не воспринимаются, однако перехваченное сооб
щение позволяет составить краткую справку, отражающую пред мет, проблему и общий смысл перехваченного разговора (при сло весной разборчивости менее 40-50%);
-перехваченное речевое сообщение содержит отдельные, правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора; голос говорящего не идентифицируется, тема разговора не опре деляется, анализ перехваченного со общения позволяет определить только факт наличия речи (проведения переговоров).
При словесной разборчивости менее 20-30% значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной раз борчивости менее 10% это практически невозможно даже при использова нии современной техники фильтрации помех.
Рекомендованная Гостехкомиссией России для оценки и контроля
93
защищенности речевой информации методика расчета словесной разбор чивости речи позволяет рассчитать и дать достаточно точную оценку допу стимой разборчивости речи в зависимости от октавных уровней защищае мого речевого и акустического (вибрационного) шумового сигнала.
Уменьшение величины W до уровня обеспечивающего требования за щиты акустической информации пассивными и активными способами за щиты более подробно рассмотрено в главах 3 и 4.
Особенности распространения акустических волн
Особенности распространения воздушных акустических волн в закрытых помещениях.
Звуковые волны в закрытых помещениях, многократно отражаясь от границ, образуют сложное поле колебательного движения воздуха, завися щее не только от источника звука, но также от геометрических размеров, формы помещения и способности пола, потолка, окон и дверей поглощать или отражать акустическую энергию.
При распространении звука в закрытых помещениях возможны явле ния отражения звука, преломления, поглощения звука, рефракции звука, а также дифракции и интерференции.
Отражение звука - явление, возникающее при падении акустической волны на поверхность раздела двух физически разнородных сред и состоя щее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхно сти раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна.
Преломление волн - изменение направления распространения волны при ее переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значе нием скорости распространения волны.
Поглощение звука - явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется акустическая волна.
Рефракция звука - искривление направления распространения волн в неоднородной среде. Рефракция звука в атмосфере обусловлена про странственными изменениями температуры воздуха, скорости и направ ления ветра.
Дифракция звука - это отклонение звука от законов геометрической акустики, связанное с неоднородностью среды, в которой распространяет ся звуковая волна. Вследствие дифракции звук может огибать встречные препятствия, попадать в область геометрической тени, концентрироваться
94
на отверстиях и т.п. Картина дифракции существенно зависит от соотно шения между размером препятствия или отверстия и длиной волны.
Интерференция - это сложение в пространстве нескольких волн, при
котором в разных его точках возникает |
устойчивое во |
времени усиление |
или ослабление амплитуды результирующей волны. |
|
|
Распространение акустических волн |
в закрытых |
помещениях имеет |
свои особенности. Своеобразие распространения акустических волн в зак рытых помещениях - сложность картины звукового поля в них. Акустичес кие волны многократно отражаются от предметов и ограждений, частично
поглощаются при каждом столкновении |
(взаимодействии) с |
твердым те |
лом. Интерференция происходит всякий |
раз, когда прямая |
волна, идущая |
от источника, встречается с отраженной волной от стен. Если две звуковые волны совпадают по фазе, то они усиливают друг друга, - человек слышит более громкий звук. Если же фазы двух волн противоположны, то теорети чески волны могут погасить друг друга.
На самом деле интерференция звука происходит несколько иначе. Вопервых, звук от источника “размазан” почти по всей комнате. Во-вторых,
поскольку интерференционная картина различна для разных частот, неко торые звуки вообще могут не погаситься. Для создания помещения с хоро шей акустикой стараются сделать отраженный звук рассеянным, в резуль тате чего в любую точку помещения со всех сторон приходят отраженные волны с совершенно рассогласованными фазами. Как правило, это дости гается либо тем, что стены помещения делают с выступами и нишами, либо покрывают их материалом, поглощающим звук. Преломление и рефрак цию звуковых волн при их распространении в закрытых помещениях учи тывать необязательно, так как они возникают при непостоянстве скорости звука, обусловленном колебаниями температуры, изменением скорости и направлении ветра, чего обычно не наблюдается в закрытых помещениях.
Акустические волны в помещении могут многократно отражаться от стен и предметов, как бы блуждая по помещению и затухая. Такое явление называется реверберацией, а время замирания звука - временем ревербера ции. Время реверберации определяет качество помещения с точки зрения акустики. В акустике введено понятие - стандартное время реверберации, т.е. время, прошедшее с момента выключения источника до момента, когда Уровень плотности звуковой энергии уменьшается на 60 дБ или когда плот ность акустической энергии в данной точке помещения уменьшается в 10
раз (рис. 2.6).
95
Рис. 2.6. Спадание уровня силы звука в помещении (а). Оптимальное время реверберации (б).
При очень большом времени реверберации звуки “бродят” по поме щению, накладываясь друг на друга и заглушая источник основного звука, помещение становится слишком гулким. Малое время реверберации тоже плохо - акустические волны поглощаются несущими конструкциями и от того звуки получаются глухими, теряют свою выразительность. Время ре верберации изменяется с изменением частоты звука. Это связано с тем, что поглощение звука любым конкретным материалом зависит от частоты зву ка. Таким образом, тщательно подбирая материалы для облицовки поме щения, можно добиться нужного времени реверберации (рис.2.6б). Реко мендации по требуемому времени реверберации и условиям его выполне ния приведены в главе 3.
Распространение акустических волн в помещениях (их отражение, диф ракция и т.п.) связано с длиной распространяющейся волны и размерами объектов, встречающихся на пути ее распространения.
Зная частоту и скорость звука, можно вычислить длину акустической
волны из соотношения: |
|
|
где v - скорость звука в соответствующей среде, v - частота звуковой |
волны. |
|
|
В воздухе при t=0 при и=331,5 м/ сек для v= 16 Гц длина максималь |
ной |
волны речевого диапазона равна 20,7 м. При максимальной частоте |
v=20 кГц минимальная длина звуковой волны в воздухе равна 16,5 мм. |
|
|
Если размеры источника звука малы по сравнению с длиной волны,то |
от |
него распространяется во все стороны сферическая звуковая волна (рис. |
2.9а). Если же размеры источника велики по сравнению с длиной волны, то вследствии интерференции и дифракции он излучает направленную звуко вую волну (рйс.2.9б).
Учитывая скорость распространения звука в воздухе (331,5-344 м/с), длина слышимых в воздухе звуковых волн колеблется от 1,5 см до 15 м.
96
Если препятствия на их пути имеют меньшие, чем длина волны, разме ры, то волны их огибают. Препятствия же больших размеров (стена дома,- скала) отражают звуковые волны по тому же закону, что и световые - угол падения равен углу отражения.
Своеобразно проходит звук из одной среды в другую. Явление это довольно сложное, но оно подчиняется общему правилу - звук не перехо дит из одной среды в другую (или переходит с большим затуханием), если их плотности резко отличаются, например, из воздуха в воду.
Через тонкие упругие стенки звук слышен хорошо - такие стенки ко леблются и воспроизводят звуковые волны в соседнем помещении.
Свойство хорошей звукоизоляции таких материалов, как вата, ворси стые ковры, пенобетон, пористая сухая штукатурка и т.п. связано с тем, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твердым телом.
Проходя через |
каждую |
из |
таких |
поверхностей, |
звук |
многократно отража |
ется и поглощается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Звуковое поле |
|
|
|
Звуковое |
поле - |
это |
область |
пространства, |
в |
которой распространя |
ются звуковые волны, т.е. происходят акустические колебания частиц уп ругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Звуковое поле определяется изменением в каждой его точке одного из па раметров, характеризующих звуковую волну, - колебательная скорость ча стиц, звуковое давление и т.п.
Понятие звукового поля применяется для пространства, размеры ко торого порядка или больше длины звуковой волны.
Энергетически звуковое поле характеризуется плотностью звуковой энергии. Картина звукового поля зависит не только от акустической мощ ности и характеристики направленности излучателя - источника звука, но и от положения и свойств границ среды и поверхностей раздела различных упругих сред, если такие поверхности имеются. В неограниченной одно
родной среде |
звуковое поле одиночного источника |
является полем бегу |
щей волны. |
|
|
Акустика |
помещений существенно отличается |
от акустики свободно |
го пространства. Если источник звука расположен в помещении, то звуко вые волны будут распространяться от источника звука до тех пор, пока не достигнут границ помещения или расположенных в нем ограждений, где часть звуковой энергии будет отражена, часть поглощена, а часть передана через несущие конструкции.
Количественно поглощенная, отраженная и прошедшая через ограж дения часть звуковой энергии определяется коэффициентами а, b и t.
97
Отношение поглощенной звуковой энергии к падающей называется коэффициентом звукопоглощения:
α=(Wпад-Wотр )/Wпад , где
Wпад и Wотр - соответственно, энергия падающих и отраженных волн. Коэффициент а можно записать и так:
α=(Wпогл+Wпрош )/Wпадгде
Wпогл и Wпрош - поглощенная энергия и прошедшая через ограждения энергия.
Отношение энергии прошедшего звука Wпрош к Wпад называется коэф фициентом звукопередачи (звукопроницаемости):
τ = Wпрош/Wпад |
|
Отношение энергии отраженного звука Woтp |
к Wпад представляет со |
бой коэффициент отражения: |
|
β =Wотр/Wпад |
|
Введенные таким образом коэффициенты |
называются диффузными, |
так как характеризуют усредненный эффект поглощения, отражения или
прохождения звуковых волн, падающих |
на поверхности под всевозможны |
|
ми |
углами. Если рассматривать падение |
отдельной плоской звуковой вол |
ны |
на поверхность, то коэффициент звукопоглощения зависит от материа |
ла поверхности, частоты звуковой волны и от угла падения.
В помещениях необходимо различать прямой звук, приходящий в рас сматриваемую точку непосредственно от источника, и отраженный от по верхностей.
В результате многократных отражений звуковых волн и суммирова ния энергий прямых и отраженных волн в помещении формируется диф фузное звуковое поле.
Таким образом, звуковое поле, созданное источником звука в помеще нии, состоит из двух компонентов - прямого поля и реверберационного.
Для измерения звукового поля применяются микрофоны, гидрофоны
и т.п.
Некоторые особенности распространения звуковых волн в свободном пространстве
При анализе возможных каналов утечки информации за счет акусти ческого канала необходимо учитывать особенности распространения зву ковых волн, вызываемые различными окружающими условиями (ветром, давлением, температурой).
Существенное изменение в распространение акустических волн может внести рефракция звука - искривление звуковых лучей в атмосфере. Звуко-
98
вые лучи всегда загибаются в сторону слоя с меньшей скоростью звука. Это определяет ход звуковых лучей при нормальном изменении температуры атмосферы - понижением температуры с высотой и соответственно умень шением скорости звука в вышерасположенных слоях атмосферы. В этом случае лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху, и звук, начиная с некоторого расстояния, перестает быть слышен (рис. 2.7а).
В ряде случаев, когда возникает температурная инверсия и температу ра воздуха с высотой увеличивается, то лучи подобного источника загиба ются вниз и звук распространяется на большие расстояния (рис. 2.76).
На изменение хода звука может повлиять и ветер. При распростране нии звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру - загибаются к земной поверхности (рис. 2.8), что может привести к созданию (в первом случае) зон молчания, а во втором существенно улуч шить слышимость звука и дальность распространения
Рис. 2.7. Ход звуковых лучей при убывании температуры воздуха с высотой (а) и при возрастании температуры воздуха с высотой (б).
99
Рис. 2.8. Влияние ветра на ход звуковых лучей.
Затухание воздушной звуковой волны
Затухание звука - уменьшение интенсивности звуковой волны (а, сле довательно, и амплитуды) по мере ее распространения связано с несколь кими причинами:
а) так называемым расхождением волны, связанным с тем, что на боль ших расстояниях от источника поток излучаемой звуковой энергии по мере распространения распределяется на все увеличивающуюся волновую по верхность и соответственно уменьшается интенсивность звука;
б) рассеиванием звука на препятствиях в среде и ее неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны;
в) поглощением звука, которое происходит в результате необратимо го перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии (преимуществен но в теплоту).
Для сферической волны (рис.2.9а) энергия излучения расходуется на приведение в колебательное движение частиц среды, расположенных на сферической поверхности. С увеличением расстояния эта поверхность уве личивается пропорционально квадрату радиуса и, следовательно, интенсив ность сферической волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для сферической волны амплитуда убывает пропорционально
1/г, для цилиндрической волны пропорциональ но 1/г1/2.
Для направленного звукового пучка (рис. 2.9б) площадь попереч ного сечения пучка, а следовательно, и интен сивность звука должны практически не зависеть от расстояния до источ ника.
Рис. 2.9. Распространение сферической (а) и направленной(б)волн.
Однако и в этом случае наблюдается за-
100