Проблемы активной защиты виброакустических каналов.
Каргашин Виктор Леонидович, кандидат технических наук
ПРОБЛЕМЫ АКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
Источник: журнал «Специальная Техника»
В последние годы интенсивно развивается разработка устройств создания вибрационных и акустических помех, предназначенных для обеспечения защиты речевой информации от ее утечки из помещений по строительным конструкциям и инженерно-техническим коммуникациям. В качестве причин, которые заставляют разработчиков специальной техники совершенствовать аппаратуру этого класса, следует отметить:
— появление многочисленных публикаций по методам и средствам негласного контроля речевой информации с помощью датчиков, устанавливаемых за пределами защищаемых помещений, которые свидетельствуют об опасности этого способа негласного контроля;
— потребность обеспечения собственной безопасности в условиях расположения помещений в одном здании с посторонними организациями, когда имеются ограждающие конструкции и инженерные коммуникации, к которым отсутствует контролируемый доступ за пределами защищаемого объекта;
— необходимость для государственных структур обязательного выполнения требований и рекомендаций по защите режимных помещений, которые регламентированы Гостехкомиссией России;
— относительная дешевизна активных защитных мероприятий по сравнению с пассивными мерами, особенно при необходимости быстрого временного оборудования помещения, в котором должна обеспечиваться безопасность ведения конфиденциальных переговоров;
— возможность управлять состоянием защиты и обеспечивать контроль установленных параметров.
При наличии достаточно устойчивого спроса на аппаратуру защиты производители проводят поиск дополнительных технических решений, позволяющих более эффективно решать задачу нейтрализации каналов утечки. В большинстве случаев эту задачу сводят к проблемам сугубо технического характера, в основном, к совершенствованию средств возбуждения вибрационных шумовых сигналов в массивных строительных конструкциях. Не отрицая важности такой технической проблемы (повышение коэффициента электроакустического преобразования излучателей и, как следствие, повышение коэффициента полезного действия аппаратуры в целом), отметим, что с позиций потребителя существенным является и практический аспект защиты, который связан с обеспечением достаточного уровня безопасности объекта в конкретных условиях его дислокации.
Уровень безопасности, достигаемый при использовании аппаратуры защиты, в конечном счете, может быть выражен совокупностью технических требований, реализация которых позволяет отнести специальную технику к определенному классу. Отсутствие регламентированных стандартных требований к аппаратуре защиты применительно к типовым ситуациям не позволяет потребителю четко определить соответствие приобретаемой аппаратуры для совокупности собственных конкретных условий. Предполагается, что потребитель должен решать все эти проблемы самостоятельно или привлекая соответствующих специалистов, которые могут провести комплексирование аппаратуры защиты в конкретных ситуациях. Такое положение объясняется тем, что конкретное воплощение как средства защиты аппаратуры создания виброакустических помех приобретает только в совокупности с априорно неизвестными характеристиками защищаемых каналов утечки, которые конкретны для каждого объекта защиты.
Для того чтобы проанализировать существенное влияние объекта защиты на степень соответствия аппаратуры определенным тактическим, техническим, конструктивным, эргономическим и экономическим показателям, рассмотрим обобщенную ситуацию использования активных систем виброакустического зашумления, которая показана на рис. 1 в виде блок-схемы.
На схеме показаны возможные составляющие и компоненты, определяющие эффективность активной защиты с учетом всех факторов влияния. Исходный речевой акустический сигнал (ИРС) в помещении Lо следует рассматривать как сигнал прямого акустического поля, то есть неискаженный влиянием акустических свойств самого помещения. Сигнальные свойства процесса Lо не являются детерминированными, так как зависят от таких характеристик, как голосовые особенности диктора, специфика переговоров (беседа, выступление, телефонный разговор), наличия в помещении средств усиления звука, особенностей передаваемого речевого сообщения, языка, на котором происходит передача информации, количество дикторов. В связи с этим вопрос создания обоснованных тестов (эквивалента речи) по их виду и уровню громкости является самостоятельной проблемой.
Рис. 1. Обобщенная схема применения систем активной защиты
В помещении, которое для акустического сигнала является линейной системой с некоторой переходной характеристикой hп, формируется сложная картина пространственно-частотного распределения акустического сигнала, зависящая от архитектурно-акустических параметров (АСП) – размеров помещения, типов акустической облицовки поверхностей, наличие мягкой мебели и предметов интерьера в помещении, даже влажности воздуха и его температуры. Именно этот акустический сигнал, который является сложной композицией прямой и диффузной (равномерной в пространстве) составляющих поля, создает сигналы в каналах утечки информации как вибрационного, так и акустического типов, причем картина акустического поля существенно изменяется при перемещении источника звука, то есть может быть нестационарная во времени.
Акустические каналы утечки создаются при прохождении механических колебаний воздушной среды через конструкции с ослабленными значениями звукоизоляции или при полном отсутствии таковых, как, например, для воздуховодных каналов типа систем вентиляции. Вибрационные каналы утечки создаются при преобразовании акустических колебаний воздушной среды в механические колебания твердых сред, которыми являются ограждающие строительные конструкции помещений и инженерно-технические коммуникации. Оба типа каналов утечки представляют собой единый вид механических колебаний, которые обладают очевидным свойством распространяться в пространстве, создавая тем самым предпосылки для проникновения сигнала на значительном удалении от исходного помещения. Все возможные в помещении вибрационные и акустические каналы утечки (ВАКУ) обладают собственными переходными линейными характеристиками hi, которые и определяют спектрально-энергетические параметры речевого сигнала в каналах утечки. В реальном помещении количество типов каналов утечки N практически соответствует числу однородных участков ограждающих конструкций и коммуникаций – каждый элемент ограждения (перегородка, окно, дверь, колонна, перекрытие) и каждая коммуникация (трубопровод, воздуховод, кабельные линии) представляют собой индивидуальный канал, сигналы в которых коррелированны, но существенно различны по мощности и ее распределению по частоте.
Эффективность каналов утечки зависит не только от степени линейных искажений исходного речевого сигнала, но и от различного рода помех и шумов, которые действуют в каналах утечки. Необходимо отметить, что в защищаемом помещении уже существует некоторая акустическая помеха, которая может приводить к искажению восприятия речи – шумы помещения (ШП) Nш(t), например, сигналы вещания, переговоры других лиц, шумы вентиляции, шумы кондиционера, уличные шумы. В зависимости от акустических свойств помещения, в первую очередь его размеров, эти шумы могут существенно снизить качество восприятия речи даже при расположении датчика информации непосредственно во внутреннем объеме помещения, а тем более при приеме речи на удалении от источника сигнала. Собственные шумы помещения, как и речевой сигнал, создают акустическое поле, определяемое параметрами помещения и также как и речевой сигнал проникают в канал утечки информации. Кроме них в канале действуют и другие типы шумов и помех, независимых от шумов помещения, которые создаются различными источниками шумов (ИШ). В общем случае они коррелированны между собой, так как один источник шумов может создавать помеху как в акустическом, так и в вибрационном каналах. Каждый из источников шумов создает в канале утечки помеху с индивидуальными спектральными характеристиками Nсi(t).
Таким образом, в месте возможного расположения датчиков приема речевых сигналов Дi существует аддитивная смесь речевого сигнала Lсi(t) и шумов, определяемых совокупностью шумов помещения и каналов утечки. Следовательно, каждый из датчиков негласного контроля информации обеспечивает собственную величину качества принимаемой информации, которая может характеризоваться некоторым объективным показателем, например, разборчивостью речи, отношением сигнал/помеха. Учитывая случайный и нестационарный во времени характер сигналов и помех, показатель качества приема речи на фоне шумов является функцией времени и должен иметь тенденцию к стационарности только за значительный период усреднения, что предъявляет жесткие требования к оценке начальных эффективностей каналов утечки на участках с относительно однородной структурой.
Активная защита применяется в ситуациях, когда начальная эффективность каналов утечки превышает некоторое требуемое нормативное значение, и заключается в создании дополнительных мешающих помех Ni, независимых статистически от существующих шумов. Очевидно, что активная защита должна использоваться только для случаев, когда собственные помехи имеют недостаточный уровень мощности или неудачное спектральное распределение, то есть аппаратура должна генерировать помехи в местах возможного расположения датчиков негласного контроля в случаях слабых естественных помех или наличия мощного речевого сигнала в канале. Преимуществом использования активной защиты по сравнению с ориентацией на защищенность помещения по собственным помехам канала является возможность создания помех с требуемым спектральным распределением и высокой степенью стационарности (постоянства) во времени.
Однако указанными аспектами не ограничиваются проблемы практического применения методов и аппаратуры активной защиты. Появление в каналах утечки дополнительных вибрационных и акустических помех существенно изменяет ситуацию шумовой обстановки в защищаемом и смежных помещениях. Помехи проникают обратно по виброакустическим каналам утечки (ВАКУ) в исходное помещение, приводя к появлению в нем дополнительных мешающих акустических шумов No. Эти же шумы по паразитным виброакустическим каналам (ПВАК) проникают в смежные помещения, в том числе посторонние, создавая в них шум Nпi.
Акустический шум, проникающий в защищаемое помещение, нарушает комфортность работы защищаемого лица (группы лиц), особенно если уровень шумов Nо превышает собственные шумы помещения Nш. Причем ситуация усугубляется сравнением начальной и получившейся после установки аппаратуры защиты шумовой акустической обстановки не в пользу последней. Для объективной оценки степени воздействия мешающих акустических шумов на человека можно ориентироваться на действующие в стране санитарные нормы, на допустимые уровни акустических шумов в помещениях различных типов и времени их воздействия на человека. Однако необходимо помнить, что субъективная негативная оценка человеком мешающего влияния шума наступает при уровнях, меньших, чем регламентированных нормативами, особенно при длительном их воздействии. Аналогично шумы, проникающие в смежные помещения, снижают комфортность работы в них, а учитывая, что эти помещения могут не принадлежать к организации, осуществляющей защиту, ситуация может привести к более серьезным мерам воздействия со стороны сторонних организация или государственных надзорных структур. Практической проблемой является невозможность измерения уровня дополнительных шумов в помещениях посторонней организации без согласования с ними.
Следовательно, возможности активной защиты ограничены принципиально и полностью определяются свойствами вибрационных и акустических каналов утечки и паразитных каналов распространения сигналов и шумов. Задача комплексной защиты рассматриваемых каналов может быть сформулирована следующим образом: необходимо обеспечить некоторое минимальное требуемое значение функционала, характеризующего показатель защиты
j [Lci(t, f), Nш(t, f), Ni(t, f), Nci(t, f)] < j 0
при условии, что побочные остаточные шумы в защищаемом и смежном помещениях не превышает санитарных нормативов
No(t, f) < Nсан(t, f), Nп(t, f) < Nсан(t, f),
где f – частота;
j 0 — предельный нормативный параметр на показатель защиты;
Nсан(t, f) — санитарные нормативы.
В качестве показателя защиты могут рассматриваться различные функционалы от простых — типа отношения сигнал/помеха, до сложных — типа расчетной разборчивости речи, более адекватных решаемой задаче.
Учитывая, что каждый из сигнальных и шумовых процессов зависит от акустических свойств защищаемого помещения, каналов утечки и паразитных каналов, то задача реализации мер защиты выглядит достаточно сложной. Причем общая степень выполнения указанных выше требований зависит от величин, определяющих ослабление сигналов и помех, в большей степени, чем от величины дополнительных защитных помех.
Это можно увидеть на простом примере. Пусть величина ослабления речевого сигнала в канале утечки равна A, тогда уровень помех, который требуется создать в канале, равен величине N = Lc*A/q, где Lc – уровень речевого сигнала в защищаемом помещении; q — требуемое для защиты отношение сигнал/помеха. Уровень помех, проникающих обратно в помещение, в первом приближении можно определить, считая канал утечки симметричным, по формуле Nп = N*A. Тогда допустимый уровень помех, который можно создавать в канале утечки должен удовлетворять условию Nд = LcA2/q < Nсан. Отсюда следует, что аппаратурные возможности генераторов вибрационных и акустических помех ограничены двумя типами нормативов (q, Nсан), уровнем исходного речевого сигнала (Lc) и амплитудно-частотными характеристиками каналов утечки (A) во второй степени. Следовательно, увеличение пассивной защиты в 2 раза (3 дБ) приводит к ослаблению требований в 4 раза (6 дБ), а изменение мощности помех приводит только к соответствующему пропорциональному изменению показателя защиты.
Из рассмотрения обобщенной схемы каналов утечки можно сделать следующие важные выводы, необходимые для совершенствования аппаратуры формирования вибрационных и акустических помех:
- в комплект аппаратуры должны входить излучатели как вибрационного, так и акустического типов, рассчитанные на установку в типовых условиях;
- общее количество излучателей обеих типов должно быть достаточным для оптимального решения некоторой типовой задачи защиты с учетом конструктивных элементов помещения (трубопроводов, окон, дверей, перекрытий и пр.);
- помеховые сигналы в каналах излучения должны быть независимы для исключения возможности снижения защитных свойств при использовании коррелированности помех в системах негласного контроля информации;
- каналы излучения должны позволять регулировать уровни мощности излучения и спектры помеховых сигналов раздельно по различным каналам излучения, что позволяет минимизировать энергетические затраты;
- аппаратура должна допускать установку и контроль по основному параметру защиты;
- аппаратура должна позволять устанавливать уровень защищенности с учетом требований на допустимый уровень остаточных акустических шумов;
- разработчик должен предлагать комплекс мер пассивной защиты, который применим к различным ситуациям с учетом особенностей разработанной аппаратуры.