Equipos de reconocimiento acústico: sistemas de micrófonos con cable y estetoscopios electrónicos.
KHOREV Anatoly Anatolyevich,
Profesor, Doctor en Ciencias Técnicas
HERRAMIENTAS DE INTELIGENCIA ACÚSTICA:
SISTEMAS DE MICRÓFONO CON CABLE Y ESTETOSCOPIOS ELECTRÓNICOS
Fuente: Revista «Equipos especiales y comunicaciones»
Sistemas de micrófonos con cable
Las herramientas de reconocimiento acústico se utilizan activamente para interceptar información del habla desde diversas premisas. Se utilizan especialmente los equipos de reconocimiento acústico, instalados de forma encubierta directamente en las instalaciones. Además, estos medios se instalan no sólo en locales de oficinas, sino también en apartamentos residenciales. Por ejemplo, durante inspecciones especiales del edificio del complejo residencial de la Embajada de la URSS en Washington, se identificaron numerosos sistemas de escucha en la mayoría de los 183 apartamentos de empleados de instituciones soviéticas en Estados Unidos [2, 3].
En la etapa de construcción o renovación importante, los micrófonos en miniatura se pueden instalar en secreto en locales, cuyas líneas de conexión conducen al local o incluso a otros edificios ubicados fuera del área controlada donde están instalados los equipos de grabación o transmisión. Estos sistemas para interceptar información acústica suelen denominarse sistemas de micrófonos con cable.
Los sistemas con cable utilizan principalmente micrófonos electretos con una sensibilidad de 20 — 60 mV/Pa, que permite registrar la voz de volumen medio a una distancia de hasta 7-10 m de su fuente. En este caso, el rango de frecuencia es de 20 – 100 Hz a 6 – 20 kHz.
Como regla general, los micrófonos se combinan con preamplificadores. Se utilizan líneas de dos o tres hilos para transmitir la señal de información y alimentar los amplificadores. Para alimentar los micrófonos se suele utilizar una tensión constante de 9 — 15 V CC.
La apariencia de los micrófonos con preamplificadores en la versión habitual se muestra en las fotos 1, 2 [10, 11 , 13].
Algunas unidades microfónicas, además del preamplificador, cuentan con un sistema electrónico de encendido/apagado del micrófono (foto 3 ). Si la conversación en la sala se detiene, después de un tiempo determinado por el operador, el micrófono se apaga. Cuando aparece una señal acústica, el micrófono se enciende casi instantáneamente (tiempo de reacción inferior a 1 s).
Foto 1. Micrófonos de tamaño estándar preamplificadores:
(rango de frecuencia 20 – 16000 Hz, relación señal-ruido 58 dB, dimensiones 18x8x6 mm)
Foto 2. Micrófono miniatura con preamplificador MC-400
(rango de frecuencia 20 — 1000 Hz, relación señal-ruido 63 dB, dimensiones 6x18x4 mm)
Foto 3. Micrófono con preamplificador y sistema electrónico de encendido/apagado (el tiempo de apagado del sistema en ausencia de señal acústica es ajustable — de 15 s a 10 min; rango de interceptación del habla — 5 m; patrón polar del micrófono — 100°; alimentación voltaje 3 — 15 V )
Desarrollo de nuevas tecnologías, en particular tecnología MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), condujo a la creación de micrófonos MEMS digitales fundamentalmente nuevos (a veces llamados micrófonos de silicio). Al igual que un micrófono electret normal, un micrófono MEMS consta de un diafragma flexible, un sustrato rígido y un orificio amortiguador con una carga eléctrica en el sustrato. El diafragma está muy cerca del sustrato, formando un condensador. Bajo la influencia de la presión del sonido, el diafragma se mueve y la capacitancia entre él y el sustrato cambia. Estos cambios se miden y se emiten como una señal eléctrica. Un micrófono MEMS no tiene carga después de su fabricación. La carga a 12 V se bombea al sustrato mediante el circuito CMOS. El chip mantiene esta carga cuando se activa el micrófono [4, 7].
Los micrófonos MEMS están disponibles sin amplificador y con amplificador incorporado.
El conjunto del micrófono (CMOS + MEMS) está encerrado en una carcasa sobre una placa metálica para crear el efecto de una jaula de Faraday. Los condensadores de filtrado están montados en el sustrato para proteger contra interferencias. En la misma carcasa se instalan un amplificador de señal, varios tipos de filtros y un convertidor analógico a digital (ADC). El modulador D se utiliza con mayor frecuencia como ADC (Fig. 1) [9].
Fig. 1. Aspecto de los micrófonos MEMS en el conjunto (a),
diagrama estructural del micrófono MEMS en el conjunto (b)
El micrófono MEMS proporciona una respuesta de frecuencia uniforme en el rango de audio de 100 Hz a 10 kHz y tiene una sensibilidad muy alta, del orden de 100 Hz a 10 kHz. 42 a 26 dB relativos (V/Pa), es decir, de 8 a 50 mV/Pa [4, 7]. Por lo tanto, cuando se utilizan micrófonos MEMS ensamblados (CMOS + MEMS) en sistemas cableados, se transmite una señal de pulso digital a la línea.
Para mejorar la calidad de las conversaciones interceptadas, los micrófonos se instalan, por regla general, cerca de los lugares donde se pueden mantener conversaciones. Para evitar que los micrófonos sean detectados, se instalan en secreto en estructuras cerradas o se camuflan como elementos interiores. Las tecnologías modernas permiten producir micrófonos subminiatura que se pueden instalar fácilmente en el marco de una ventana o de un cuadro. Cuando se instala correctamente en una estructura cerrada (por ejemplo, en la pared de un edificio), un micrófono subminiatura es casi imposible de detectar incluso con un localizador no lineal.
La longitud de el cable de conexión puede tener una longitud de 50 — 200 ma 5 — 10 km y más, como por ejemplo en el sistema PK-1055 SS [8]. Un carrete relativamente pequeño puede acomodar entre 50 y 100 m de cable (foto 4) [8].
Foto 4. Sistema de micrófono con cable RK-900
(longitud del cable 100 m)
Para transmitir información interceptada mediante micrófonos, junto con cables especialmente tendidos, se pueden utilizar cables de televisión, tuberías de calefacción de vapor, cables de red viejos de 220 V sin usar o líneas de conexión de sistemas de seguridad y alarma contra incendios, etc. Por ejemplo, los micrófonos instalados en varias salas del edificio de la Embajada de la URSS en Washington, así como en uno de los edificios de Nueva York donde vivían los ciudadanos soviéticos, estaban conectados para transmitir información a tuberías de agua especiales utilizadas para transmitir la información interceptada y alimentar los micrófonos. . Se cubrió una tubería de metal común con un material especial no conductor (aislamiento), luego se aplicó una capa conductora y nuevamente se cubrió su superficie con aislamiento. Los micrófonos se conectaron a una capa conductora aplicada especialmente y al metal del propio tubo [1].
En el punto de recepción, la señal transmitida por el micrófono se envía a un sistema especial de baja frecuencia. amplificador de frecuencia, y luego grabado o transmitido a través de un canal de comunicación a otro punto de recepción.
La apariencia de amplificadores especiales de baja frecuencia se muestra en las fotos 5, 6 [12, 13].
Foto 5. Amplificador especial de baja frecuencia
(rango de frecuencia 150 — 6000 Hz,
dimensiones 113x37x75 mm; peso 0,3 kg)
Foto 6. Amplificadores especiales de baja frecuencia de la serie SIM—AULAS NT
(diámetro del cable 1,9 mm, longitud máxima del cable 200 m)
Para escuchar en interiores se pueden utilizar sistemas monocanal y multicanal. Ejemplos de sistemas de micrófonos de un solo canal incluyen los sistemas PKI 2860 y PKI 2950 (foto 7, 8) [9].
Foto 7. Sistema de micrófono monocanal con cable PKIPKIPKIPKI b>2860
Foto 8. Sistema de micrófono monocanal cableado PKI 2950:
a- amplificador especial; b— carrete de cable
El sistema de micrófono con cable PKI 2860 utiliza micrófonos subminiatura con un rango de frecuencia de 250 a 3500 Hz. El alcance de transmisión de información es de hasta 500 m. Las dimensiones del amplificador son 22x64x98 mm, el peso es de 150 g. La alimentación se realiza mediante una batería de 9 V. El tiempo de funcionamiento es de hasta 50 horas [9].
En un micrófono con cable El sistema PKI 2950 utiliza micrófonos electretos con una banda de frecuencia de 100 Hz a 7 kHz (relación señal-ruido 60 dB/1 kHz). Un carrete con un cable de 100 m de largo tiene unas dimensiones de 180×60 mm y una masa de 600 g [9].
La unidad receptora del sistema PKI 2950 proporciona una ganancia máxima de 100 dB y tiene un ecualizador de cinco bandas incorporado (300, 600, 1200, 2400, 4800 Hz). Rango de ajuste ± 10 dB. La unidad tiene una salida de auriculares de 4 a 16 ohmios y una salida lineal de 50 kOhmios. La batería incorporada de 9 V garantiza que el tiempo de funcionamiento de la unidad sea de al menos 20 horas. La unidad tiene una masa de 750 gy unas dimensiones de 130x50x150 mm) [9].
Un típico. El sistema multicanal incluye, por ejemplo, un sistema de micrófono con cable SIM Rotel-30 (foto 9). El sistema está diseñado para escuchar las instalaciones a través de una línea de dos hilos especialmente tendida. Se pueden conectar hasta 30 micrófonos a la línea. La longitud máxima del cable es de 200 m. La unidad receptora tiene unas dimensiones de 225x200x70 mm. La unidad se alimenta desde una red CA de 220 V CA [12].
Foto 9. Sistema de micrófono con cable:
a – SIM Rotel1 (canal único);
b – SIM Rotel -30 (30 canales)
El sistema Rotel SIM utiliza micrófonos electret con preamplificadores y circuitos de control integrados. Cada micrófono se enciende enviando una señal de código individual a la línea. Las dimensiones del micrófono son 9×25 mm. Se alimentan desde la unidad receptora con un voltaje de 12 V. El micrófono se alimenta con CC 12 V [2]. Los micrófonos con preamplificadores contienen elementos semiconductores y pueden detectarse mediante localizadores no lineales.
Para garantizar el secreto, se utilizan micrófonos ópticos (de fibra óptica) que no contienen elementos semiconductores y, por tanto, no detectables. mediante localizadores no lineales.
Dichos sistemas incluyen, por ejemplo, el sistema PKI 2960 (foto 10, Fig. 2) [9]. El micrófono óptico (fibra óptica) del sistema PKI 2960 está diseñado para transmitir información acústica a través de un cable de fibra óptica. El micrófono tiene la forma de un cuerpo cilíndrico de plástico con una entrada de micrófono final o lateral, tiene un cable de fibra óptica doble en una funda de teflón con conectores ópticos para conectar un dispositivo de procesamiento de señal (foto 10 ). El rango de frecuencia del micrófono es de 250 a 4500 Hz. El micrófono tiene una sensibilidad muy alta de 0,3 a 1,8 V/Pa (Tabla 1) [9].
Foto 10. Micrófono óptico (fibra óptica)
Fig. 2. Dispositivo de procesamiento de señales del sistema PKI 2960
El dispositivo de procesamiento de señal está fabricado en una pequeña caja de plástico con conectores para conectar una fuente de alimentación externa, un dispositivo de grabación y un cable de fibra óptica (Fig. 2). Dispone de un LED emisor y un fotodiodo receptor. La señal luminosa emitida viaja a través de uno de los cables de fibra óptica hasta la membrana sonora ubicada en el cuerpo del micrófono. La señal reflejada, modulada por una señal acústica a través de otro cable de fibra óptica, llega al fotodiodo receptor. A continuación, el dispositivo procesador extrae la componente acústica de la señal. Se fabrican de serie 2 modificaciones del sistema, que se diferencian en la longitud del cable de fibra óptica — 10 y 20 m.
Tabla 1. Características técnicas del micrófono óptico (fibra óptica) PKI 2960
| Característica | Valor |
| Patrón de radiación | circular |
| Rango de frecuencia, Hz | 250 – 4500 |
| Sensibilidad, V/Pa | 0,3 – 1,8 |
| Relación señal-ruido (a una frecuencia de 1 kHz), dB, no menos | 65 |
| Distorsión no lineal (a un nivel de señal de 84 dB) | menos del 1% |
| Presión estática máxima sobre la membrana, dB, no menos | 130 |
| Tensión de alimentación (CC), V | 9 –12 |
| Consumo de corriente, mA, no más | 80 |
| Peso del cabezal del micrófono, g | 1 |
| Dimensiones del cabezal del micrófono, mm | |
| — diámetro | 4,5 |
| — longitud | 21,5 |
Los equipos de grabación o transmisión se instalan en lugares de difícil acceso. Por ejemplo, en el edificio de la Embajada de la URSS en los EE. UU., se instalaron equipos de grabación y transmisión en las vigas del ático y en la base de los cimientos del edificio a una profundidad de 2 m [2, 3]. Como equipos de grabación se utilizan principalmente grabadoras digitales y grabadoras de voz con largos tiempos de grabación continua (de 60 a 300 horas o más).
Para el procesamiento especial de conversaciones grabadas en condiciones de diversos tipos para la interferencia se utilizan ecualizadores, que son dispositivos especiales con un conjunto de varios filtros: filtros de paso alto y bajo, paso de banda, octava, Chebyshev y otros filtros. Estos filtros se activan según un programa específico dependiendo de la naturaleza de la distorsión y la interferencia de la señal.
Junto con los ecualizadores, para mejorar la inteligibilidad del habla, se utilizan sistemas especiales de reducción de ruido del habla por software y hardware para eliminar el ruido y la distorsión. Esto elimina los siguientes tipos de distorsión: ruido de vehículos, ruido de red, interferencias típicas de la red telefónica y canales de radio, música suave, ruido de electrodomésticos (ruido de ventilador, aspiradora, frigorífico, etc.), banda ancha y cambios lentos. ruido, compensación de irregularidades en la respuesta de frecuencia, grabadora de voz, etc.
Micrófonos de aguja y estetoscopios electrónicos
Si es posible acceder a las habitaciones adyacentes a la asignada, se pueden utilizar micrófonos de púas y estetoscopios electrónicos para escuchar las conversaciones.
Los micrófonos de aguja externos son micrófonos con guías de sonido delgadas especiales ( foto 11) y están destinados a escuchar conversaciones en habitaciones adyacentes a través de espacios naturales o creados especialmente en las estructuras circundantes de locales controlados [9, 13].
Por ejemplo, el sistema PKI 2455 utiliza un micrófono de aguja electreto con un diámetro de guía de sonido de 2,5 mm y una longitud de hasta 300 mm. Alcance de interceptación de conversaciones 10 m. Diámetro del cable 2,5 mm. El amplificador del sistema tiene una masa de 200 gy unas dimensiones de 95x60x25 mm (foto 12). El amplificador funciona con una batería de 9 V. El tiempo de funcionamiento de la batería es de hasta 60 horas [9].
Los estetoscopios electrónicos utilizan micrófonos de contacto como sensores, que convierten las vibraciones acústicas que se propagan en cuerpos sólidos (paredes, techos) en eléctricas.
Foto 11. Micrófonos de aguja:
a − PKI 2455;
b − XP-SP
Foto 12. Amplificador de baja frecuencia del sistema PKI 2455
Los estetoscopios electrónicos con sensores de contacto permiten interceptar información del habla sin acceso físico de los «agentes» a las instalaciones designadas. Sus sensores se instalan con mayor frecuencia en las superficies externas de los edificios, en aberturas y marcos de ventanas, en habitaciones adyacentes (técnicas y de servicio) detrás de puertas, estructuras de cerramiento, en tabiques, tuberías de sistemas de calefacción y suministro de agua, conductos de ventilación y otros. sistemas.
Un micrófono de contacto típico es un acelerómetro piezoeléctrico.[5, 6].
La masa sísmica se fija a la base con un perno axial, que presiona el resorte anular. Se inserta un elemento piezoeléctrico entre la masa y la base. Cuando se le aplica una fuerza, aparece una carga eléctrica en sus superficies. Hay muchos materiales con estas propiedades, pero el más utilizado es el cuarzo. También existen materiales piezoeléctricos cerámicos sintéticos que funcionan bastante bien, incluso a temperaturas más altas que las que permite el cuarzo. Si la temperatura del elemento piezoeléctrico aumenta y alcanza la llamada «temperatura de mensajería», entonces se pierden sus propiedades piezoeléctricas. En este caso, el sensor se considera defectuoso y no se puede reparar.
Cuando el acelerómetro se mueve hacia arriba o hacia abajo, una fuerza del elemento sensor actúa sobre la masa sísmica. Esta es la única fuerza que actúa sobre la masa, por tanto es proporcional a la aceleración de esta última, que coincide con la aceleración de todo el sistema. La masa, por su parte, presiona sobre el elemento sensible con una fuerza de la misma magnitud (y de dirección opuesta). Dado que la carga y el voltaje en el elemento piezoeléctrico son directamente proporcionales a la magnitud de esta fuerza, terminaremos con una señal eléctrica de salida proporcional a la aceleración. Los acelerómetros piezoeléctricos tienen una linealidad de amplitud extremadamente alta, por lo que tienen un rango dinámico muy grande. El límite inferior de aceleración que pueden percibir está limitado únicamente por el ruido eléctrico de la electrónica, y los niveles superiores están limitados únicamente por el límite de destrucción del propio elemento piezoeléctrico. Este rango de amplitudes permitidas puede abarcar ocho órdenes de magnitud, o 160 dB.
El rango de frecuencia de los acelerómetros es muy amplio y, en algunos modelos, puede extenderse desde frecuencias muy bajas hasta decenas de kilohercios. La respuesta de alta frecuencia está limitada por la frecuencia de resonancia del sistema de masa sísmica − elemento piezoeléctrico Debido a esta resonancia, el sensor producirá un pico de voltaje muy fuerte en respuesta a la excitación en su frecuencia natural, que para los acelerómetros más comunes es de alrededor de 30 kHz. Normalmente, el rango de frecuencia de funcionamiento de un acelerómetro es de hasta 1/3 de su propia frecuencia de resonancia, lo que depende en gran medida del método de montaje, siendo el mejor montaje con tornillos o pernos.
Los acelerómetros del tipo “ICP” tienen un micropreamplificador incorporado. Estos acelerómetros tienen una salida de baja impedancia, son menos susceptibles a las interferencias y su sensibilidad no depende de la longitud del cable. La sensibilidad de los micrófonos de contacto modernos oscila entre 50 y 100 µV/Pa, lo que permite escuchar conversaciones a través de paredes de hormigón y ladrillo de más de 100 cm de espesor, casi cualquier puerta, así como marcos de ventanas y servicios públicos.
La apariencia de algunos estetoscopios electrónicos portátiles se muestra en la foto 13 − 15 [9, 10, 12].
Foto 13. Estetoscopio electrónico de pequeño tamaño incluido
con micrófonos de contacto y de aguja de Selavio
Foto 14. Estetoscopio electrónico de pequeño tamaño PKI 2850
con micrófono de contacto
Foto 15. Estetoscopio de pequeño tamaño SIM-STM-100
(rango de frecuencia de 10 a 15.000 Hz, ganar 40 000;
comida − batería de 9 V, tiempo de funcionamiento de hasta 100 horas, dimensiones del sensor 40×18 mm, peso del sensor 80 g)
Los representantes típicos de los estetoscopios electrónicos portátiles incluyen el estetoscopio PKI 2850. Las dimensiones de su unidad de amplificación son 95x60x25 mm y el micrófono de contacto es de 50x35x15 mm. La ganancia del estetoscopio es de al menos 80 dB. El tiempo de funcionamiento de la batería incorporada es de hasta 800 horas. Los estetoscopios electrónicos portátiles utilizan micrófonos de contacto de pequeño tamaño. Por ejemplo, el estetoscopio SIM-STM-100 utiliza un sensor que mide Æ40×18 mm y pesa 80 g.
Los estetoscopios electrónicos modernos tienen una ganancia de aproximadamente 80 — 100 dB (10.000 — 100.000 veces) y son capaces de captar vibraciones sonoras débiles (crujidos, tictac de relojes, etc.). Las empresas extranjeras producen varias versiones de estetoscopios, desde los estetoscopios portátiles más simples de tamaño pequeño hasta los estetoscopios electrónicos complejos equipados con un amplificador de baja frecuencia altamente sensible y un conjunto de filtros ecualizadores incorporados.
A modo de ejemplo, ver foto 16. Se presenta la apariencia del estetoscopio electrónico profesional PKI 2900, y sus características se muestran en laTabla. 2 [9].
Foto 16. Aspecto de un estetoscopio electrónico profesional PKI 2900
Tabla 2. Principales características de un estetoscopio electrónico profesional PKI 2900
| Características | Valor |
| Ganancia de coeficiente máximo, dB |