Средства акустической разведки: проводные микрофонные системы и электронные стетоскопы.

Средства акустической разведки: проводные микрофонные системы и электронные стетоскопы.

ХОРЕВ Анатолий Анатольевич,
профессор, доктор технических наук

СРЕДСТВА АКУСТИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ:
ПРОВОДНЫЕ МИКРОФОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СТЕТОСКОПЫ

Источник: Журнал «Специальная техника и связь» 

Проводные микрофонные системы

Средства акустической разведки активно используются для перехвата речевой информации из различных помещений. Особенно широко используются средства акустической разведки, скрытно устанавливаемые непосредственно в помещениях. Причем такие средства устанавливаются не только в служебных помещениях, но даже в жилых квартирах. Например, при проведении специальных проверок здания жилого комплекса посольства СССР в Вашингтоне многочисленные системы подслушивания были выявлены в большинстве из 183 квартир сотрудников советских учреждений в США [2, 3].

На стадии строительства или капитального ремонта в помещениях могут быть скрытно установлены миниатюрные микрофоны, соединительные линии которых выводятся в помещения или даже в другие здания, находящиеся за пределами контролируемой зоны, где устанавливается регистрирующая или передающая аппаратура. Такие системы перехвата акустической информации часто называют проводными микрофонными системами.

В проводных системах используются в основном электретные микрофоны с чувствительностью 20 — 60 мВ/Па, обеспечивающие регистрацию речи средней громкости на удалении до 7-10 м от его источника. При этом частотный диапазон составляет от 20 – 100 Гц до 6 – 20 кГц.

Как правило, микрофоны комплексируются с предварительными усилителями. Для передачи информационного сигнала и электропитания усилителей используются двух- или трехпроводные линии. Для питания микрофонов обычно используется постоянное напряжение DC 9 – 15 В.

Внешний вид микрофонов с предусилителями в обычном исполнении представлен на фото 1, 2 [10, 11, 13].

Некоторые микрофонные блоки помимо предварительного усилителя имеют электронную систему включения/выключения микрофона (фото 3). В случае если в помещении разговор прекращается, через определенное время, установленное оператором, микрофон отключается. При появлении акустического сигнала микрофон практически мгновенно (время реакции менее 1 с) включается.

Фото 1. Микрофоны с предусилителями стандартных размеров:
(диапазон частот 20 – 16000 Гц, отношение сигнал/шум 58 дБ, размеры 18x8x6 мм)

Фото 2. Миниатюрный микрофон с предусилителем MC-400
 (частотный диапазон 20 – 1000 Гц, отношение сигнал/шум 63 дБ, размеры 6x18x4 мм)

Фото 3. Микрофон с предусилителем и электронной системой включения/выключения (время отключения системы при отсутствии акустического сигнала регулируемое – от 15 с до 10 мин.; дальность перехвата речи – 5 м; диаграмма направленности микрофона – 100°; напряжение питания 3 – 15 В)

Развитие новых технологий, в частности технологии MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), привело к созданию принципиально новых цифровых MEMS-микрофонов (иногда их называют кремниевыми микрофонами). Как и обычный электретный микрофон, MEMS-микрофон состоит из гибкой диафрагмы, жесткой подложки и демпфирующего отверстия с электрическим зарядом на подложке. Диафрагма находится в непосредственной близости от подложки, образуя конденсатор. Под воздействием звукового давления диафрагма движется, при этом изменяется емкость между ней и подложкой. Эти изменения измеряются и выводятся в виде электрического сигнала. MEMS-микрофон после изготовления не имеет заряда. Заряд при напряжении 12 В закачивается в подложку с помощью CMOS-схемы. Микросхема поддерживает этот заряд, когда микрофон активирован [4, 7].

MEMS-микрофон выпускаются как без усилителя, так и со встроенным усилителем.

Микрофон в сборке (CMOS + MEMS) заключается в корпус на металлической плате для создания эффекта клетки Фарадея. На подложке смонтированы фильтрующие конденсаторы для защиты от наводок. В этом же корпусе устанавливаются усилитель сигнала, различного вида фильтры, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В качестве АЦП наиболее часто используется D-модулятор (рис. 1) [9].

Рис. 1. Внешний вид MEMS-микрофонов в сборке (а),
структурная схема MEMS-микрофона в сборке (б)

MEMS-микрофон обеспечивает равномерную частотную характеристику в звуковом диапазоне от 100 Гц до 10 кГц и имеет очень высокую чувствительность, порядка от  42 до  26 дБ относительно (В/Па), то есть от 8 до 50 мВ/Па [4, 7]. Таким образом, при использовании в проводных системах MEMS-микрофонов в сборке (CMOS + MEMS) в линию передается цифровой импульсный сигнал.

Для повышения качества перехваченных разговоров микрофоны устанавливаются, как правило, вблизи мест возможного ведения разговоров. Чтобы микрофоны не были обнаружены, они скрытно устанавливаются в ограждающие конструкции или камуфлируются под предметы интерьера помещений. Современные технологии позволяют изготавливать субминиатюрные микрофоны, которые легко установить в оконной раме или в раме картины. При правильной установке в ограждающей конструкции (например, в стене здания) субминиатюрный микрофон практически невозможно обнаружить даже нелинейным локатором.

Длина соединительного кабеля может составлять от 50 – 200 м до 5 – 10 км и более, как например, в системе PK-1055 SS [8]. На сравнительно небольшой по размерам катушке помещается 50 – 100 м кабеля (фото 4) [8].

Фото 4. Проводная микрофонная система РК-900
 (длина кабеля 100 м)

Для передачи информации, перехватываемой с использованием микрофонов, наряду со специально проложенными кабелями могут использоваться телевизионные кабели, трубы парового отопления, неиспользуемые старые кабели сети 220 В или соединительные линии систем охранной и пожарной сигнализации и т.п. Например, микрофоны, установленные в различных помещениях здания посольства СССР в Вашингтоне, а также одного из зданий в Нью-Йорке, где проживали советские граждане, подсоединялись для передачи информации к специальным водопроводным трубам, используемым для передачи перехваченной информации и питания микрофонов. Обычная металлическая труба покрывалась специальным токонепроводящим материалом (изоляцией), затем наносился токопроводящий слой, и снова ее поверхность покрывалась изоляцией. К специально нанесенному токопроводящему слою и металлу самой трубы и подключались микрофоны [1].

На приемном пункте сигнал, передаваемый микрофоном, поступает на специальный низкочастотный усилитель, а затем записывается или передается по каналу связи на другой приемный пункт.

Внешний вид специальных низкочастотных усилителей приведен на фото 5, 6 [12, 13].

Фото 5. Специальный усилитель низкой частоты
(частотный диапазон 150 – 6000 Гц,
 размеры 113x37x75 мм; масса 0,3 кг)

Фото 6. Специальные низкочастотные усилители серии SIM—AULAS NT
(диаметр кабеля 1,9 мм, максимальная длина кабеля 200 м)

Для прослушивания помещений могут использоваться как одноканальные, так и многоканальные системы. В качестве примера одноканальных микрофонных систем можно привести системы PKI 2860 и PKI 2950 (фото 7, 8) [9].

Фото 7. Проводная одноканальная микрофонная система PKI 2860

Фото 8. Проводная одноканальная микрофонная система PKI 2950:
 а-специальный усилитель; б — катушка с кабелем

В проводной микрофонной системе PKI 2860 используются субминиатюрные микрофоны с частотным диапазоном от 250 до 3500 Гц. Дальность передачи информации составляет до 500 м. Размеры усилителя 22x64x98 мм, масса 150 г. Питание осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Время работы до 50 ч [9].

В проводной микрофонной системе PKI 2950 используются электретные микрофоны с полосой частот от 100 Гц до 7 кГц (отношение сигнал/шум 60 дБ/1 кГц). Катушка с кабелем длиной 100 м имеет размеры 180×60 мм и массу 600 г [9].

Приемный блок системы PKI 2950 обеспечивает максимальный коэффициент усиления в 100 дБ и имеет встроенный пятиполосный эквалайзер (300, 600, 1200, 2400, 4800 Гц). Диапазон регулировки ± 10 дБ. Блок имеет выход на головные телефоны 4 – 16 Ом и линейный выход на 50 кОм. Встроенный аккумулятор 9 В обеспечивает время работы блока не менее 20 ч. Блок имеет массу 750 г и размеры 130x50x150 мм) [9].

К типовой многоканальной системе относится, например, проводная микрофонная система SIM Rotel-30 (фото 9). Система предназначена для прослушивания помещений по специально проложенной двухпроводной линии. К линии может быть подключено до 30 микрофонов. Максимальная длина кабеля – 200 м. Приемный блок имеет размеры 225х200х70 мм. Питание блока осуществляется от сети переменного тока АС 220 В [12].

Фото 9. Проводная микрофонная система:
а – SIM Rotel 1 (одноканальная);
б – SIM Rotel -30 (30-канальная)

В системе SIM Rotel используются электретные микрофоны со встроенными предусилителями и схемами управления. Включение каждого микрофона осуществляется подачей в линию индивидуального кодового сигнала. Размеры микрофонов 9х25 мм. Их питание осуществляется от приемного блока напряжением 12 В. Питание микрофона – DC 12 В [2]. Микрофоны с предусилителями имеют в своем составе полупроводниковые элементы и могут быть обнаружены с использованием нелинейных локаторов.

В целях обеспечения скрытности для прослушивания помещений могут использоваться оптические (оптоволоконные) микрофоны, не имеющие в своем составе полупроводниковых элементов и, следовательно, не обнаруживаемые нелинейными локаторами.

К таким системам относится, например, система PKI 2960 (фото 10, рис. 2) [9]. Оптический (оптоволоконный) микрофон системы PKI 2960 предназначен для передачи акустической информации по оптоволоконному кабелю. Микрофон выполнен в виде пластикового цилиндрического корпуса с торцевым или боковым микрофонным входом, имеет двойной оптоволоконный кабель в тефлоновой оболочке с оптическими разъемами для подключения устройства обработки сигнала (фото 10). Частотный диапазон микрофона от 250 до 4500 Гц. Микрофон имеет очень высокую чувствительность от 0,3 до 1,8 В/Па (табл. 1) [9].

Фото 10. Оптический (оптоволоконный) микрофон

Рис. 2. Устройство обработки сигналов системы PKI 2960

Устройство обработки сигнала выполнено в небольшом пластиковом корпусе с разъемами для подключения внешнего источника питания, записывающего устройства и оптоволоконного кабеля (рис. 2). Оно имеет излучающий светодиод и приемный фотодиод. Излучаемый световой сигнал по одному из оптоволоконных кабелей попадает на звуковую мембрану, находящуюся в корпусе микрофона. Отраженный сигнал, модулированный акустическим сигналом через другой оптоволоконный кабель, попадает на приемный фотодиод. Далее устройство обработки выделяет акустическую составляющую сигнала. Стандартно выпускаются 2 модификации системы, отличающиеся длиной оптоволоконного кабеля — 10 и 20 м.

Таблица 1. Технические характеристики оптического (оптоволоконного) микрофона PKI 2960

Регистрирующая или передающая аппаратура устанавливается в местах, доступ в которые затруднен. Например, в здании посольства СССР в США регистрирующая и передающая аппаратура была установлена в стропилах на чердаке и в основании фундамента здания на глубине 2 м [2, 3]. В качестве регистрирующей аппаратуры в основном используются цифровые магнитофоны и диктофоны с длительным временем непрерывной записи (от 60 до 300 ч и более).

Для специальной обработки разговоров, записанных в условиях различного вида помех, используются эквалайзеры, которые представляют собой специальные устройства с набором различных фильтров: фильтров верхних и нижних частот, полосовых, октавных, чебышевских и других фильтров. Эти фильтры включаются по определенной программе в зависимости от характера искажений сигнала и помех.

Наряду с эквалайзерами для повышения разборчивости речи используются специальные программно-аппаратные комплексы шумоочистки речи, позволяющие устранять шумы и искажения. При этом устраняются следующие типы искажений: шумы транспортных средств, сетевые наводки, типовые помехи телефонной сети и радиоканалов, плавная музыка, шумы бытовой техники (шум вентилятора, пылесоса, холодильника и т.п.), широкополосные и медленно меняющиеся шумы, компенсация неравномерности АЧХ диктофона и т.п.

Игольчатые микрофоны и электронные стетоскопы

В случае если имеется возможность доступа в смежные с выделенным помещения, для прослушивания разговоров могут использоваться игольчатые микрофоны (spike microphone) и электронные стетоскопы.

Выносные игольчатые микрофоны представляют собой микрофоны со специальными тонкими звуководами (фото 11) и предназначены для прослушивания разговоров в смежных помещениях через естественные или специально создаваемые щели в ограждающих конструкциях контролируемых помещений [9, 13].

Например, в системе PKI 2455 используется электретный игольчатый микрофон с диаметром звуковода 2,5 мм и длиной до 300 мм. Дальность перехвата разговора 10 м. Диаметр кабеля 2,5 мм. Усилитель системы имеет массу 200 г и размеры 95х60х25 мм (фото 12). Питание усилителя осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Время работы от аккумулятора до 60 ч [9].

В электронных стетоскопах в качестве датчиков используются контактные микрофоны, которые преобразуют акустические колебания, распространяющиеся в твердых телах (стенах, потолках), в электрические.

Фото 11. Игольчатые микрофоны:
а − PKI 2455;
б − ХР-SP

Фото 12. Низкочастотный усилитель системы PKI 2455

Электронные стетоскопы с датчиками контактного типа позволяют перехватывать речевую информацию без физического доступа «агентов» в выделенные помещения. Их датчики наиболее часто устанавливаются на наружных поверхностях зданий, на оконных проемах и рамах, в смежных (служебных и технических) помещениях за дверными проемами, ограждающими конструкциями, на перегородках, трубах систем отопления и водоснабжения, коробах воздуховодов вентиляционных и других систем.

Типовым контактным микрофоном является пьезоакселерометр.[5, 6].

Сейсмическая масса крепится к основанию осевым болтом, который прижимает кольцевую пружину. Между массой и основанием вставляется пьезоэлемент. Когда на него воздействует сила, на его поверхностях появляется электрический заряд. Материалов с такими свойствами очень много, но наиболее общепринятым является кварц. Существуют также синтетические керамические пьезоматериалы, которые работают довольно хорошо, причем даже при более высоких температурах, чем позволяет кварц. Если температура пьезоэлемента повышается и достигает так называемой «температуры Курье», то его пьезоэлектрические свойства утрачиваются. В этом случае датчик считается неисправным и не подлежит ремонту.

При перемещении акселерометра вверх или вниз на сейсмическую массу воздействует сила со стороны чувствительного элемента. Это единственная сила, действующая на массу, поэтому она пропорциональна ускорению последней, совпадающему с ускорением всей системы. Масса со своей стороны давит на чувствительный элемент с такой же по величине (и противоположной по направлению) силой. Так как заряд и напряжение на пьезоэлектрическом элементе прямо пропорциональны величине этой силы, в итоге мы получим на выходе электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Пьезоакселерометры обладают чрезвычайно большой линейностью по амплитуде, поэтому у них очень большой динамический диапазон. Нижний предел ускорения, который они могут воспринимать, определяется только электрическим шумом электроники, а высшие уровни ограничены только пределом разрушения самого пьезоэлемента. Этот диапазон допустимых амплитуд может охватывать восемь порядков, или 160 дБ.

Частотный диапазон акселерометров очень широк и может простираться для некоторых моделей от очень низких частот до десятков килогерц. Высокочастотная характеристика ограничена резонансной частотой системы сейсмическая масса − пьезоэлемент. Из-за этого резонанса датчик выдаст очень сильный пик напряжения в ответ на возбуждение на его собственной частоте, которая для наиболее распространенных акселерометров составляет около 30 кГц. Обычно рабочий частотный диапазон акселерометра составляет до 1/3 его собственной резонансной частоты, которая сильно зависит от способа его крепления, причем крепления винтом или на шпильке являются наилучшими.

Акселерометры типа «ICP» имеют встроенный микропредусилитель. Такие акселерометры имеют низкоимпедансный выход, менее подвержены помехам и их чувствительность не зависит от длины кабеля. Чувствительность современных контактных микрофонов составляет от 50 до 100 мкВ/Па, что дает возможность прослушивать разговоры через бетонные и кирпичные стены толщиной более 100 см, практически любые двери, а также оконные рамы и инженерные коммуникации.

Внешний вид некоторых портативных электронных стетоскопов представлен на фото 13 − 15 [9, 10, 12].

Фото 13. Малогабаритный электронный стетоскоп в комплекте
с контактным и игольчатым микрофонами фирмы Selavio

Фото 14. Малогабаритный электронный стетоскоп PKI 2850
с контактным микрофоном

Фото 15. Малогабаритный стетоскоп SIM-STM-100
(диапазон частот от 10 до 15 000 Гц, коэффициент усиления 40 000;
 питание − батарея 9 В, время работы до 100 ч, размеры датчика 40×18 мм, масса датчика 80 г)

К типовым представителям портативных электронных стетоскопов относится стетоскоп PKI 2850. Размеры его усилительного блока составляют 95х60х25 мм, а контактного микрофона – 50х35х15 мм. Коэффициент усиления стетоскопа не менее 80 дБ. Время работы от встроенного аккумулятора – до 800 ч. В портативных электронных стетоскопах используются небольшие по размерам контактные микрофоны. Например, в стетоскопе SIM-STM-100 используется датчик размерами Æ40×18 мм и массой 80 г.

Современные электронные стетоскопы имеют коэффициент усиления порядка 80 — 100 дБ (10 000 – 100 000 раз) и способны улавливать слабые звуковые колебания (шорохи, тиканье часов и т.д.). Иностранными фирмами выпускаются различные варианты стетоскопов от простейших портативных малогабаритных до сложных электронных стетоскопов, оборудованных высокочувствительным низкочастотным усилителем и набором встроенных эквалайзерных фильтров.

В качестве примера на фото 16 представлен внешний вид профессионального электронного стетоскопа PKI 2900, а его характеристики – в табл. 2 [9].

Фото 16. Внешний вид профессионального электронного стетоскопа PKI 2900

Таблица 2. Основные характеристики профессионального электронного стетоскопа PKI 2900