Акустоэлектрические преобразователи

К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны создавать эквивалентные электрические сигналы. Свойства акустоэлектрических преобразователей используются по своему функциональному назначению для создания микрофонов различных типов. Но существуют разнообразные радиоэлектронные и электрические элементы и устройства, обладающие так называемым «микрофонным эффектом», т. е. способными преобразовывать акустические сигналы в электрические. Это приводит к появлению в радио и электрических устройствах, содержащих акустоэлектрические преобразователи, опасных сигналов, которые создают предпосылки для утечки информации.

Классификация акустоэлектрических преобразователей, создающих опасные сигналы, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация акустоэлектрических преобразователей

Электрические сигналы, модулированные акустическими сигналами, возникают в индуктивных акустоэлектрических преобразователях в результате перемещений под действием акустических волн индуктивностей (катушек с металлической проволокой) в полях (магнитных и электрических) или при изменениях геометрических размеров катушек и их сердечников.

Наибольшей чувствительностью обладаютэлектродинамические акустоэлектрические преобразователи в виде динамических головок громкоговорителей (см. рис. 2).

Сущность преобразования состоит в следующем. Под давлением акустической волны соединенная с диффузором катушка в виде картонного цилиндра с намотанной на нем тонкой проволокой перемещается в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом цилиндрической формы. В соответствии с законом электромагнитной индукции в катушке (контуре) возникает электродвижущая сила (эдс), величина которой пропорциональна громкости звука. Опасные сигналы на концах катушки достигают величин в 5 -15 мВ, достаточных для их распространения за пределы помещения, здания и даже территории. Поэтому неработающие, но непосредственно подключенные к радиотрансляционной сети громкоговорители могут выполнять функцию микрофона и передавать информацию разговоров в помещении на достаточно большое расстояние.

Аналогичный эффект возникает в электромагнитных акустоэлектрических преобразователях. К ним относятся электромагниты электромеханических звонков и капсюлей телефонных аппаратов, шаговые двигатели вторичных часов, кнопочные извещатели ручного вызова пожарной службы охраняемого объекта и др. Электрические сигналы индуцируются в катушках электромагнитов этих устройств в результате изменений напряженности создаваемых ими полей. Эти процессы вызваны изменениями под действием акустической волны воздушного зазора между сердечником и якорем электромагнита или статора (неподвижной части) и ротора (подвижной) части электродвигателя.

Перечень бытовых радио и электроприборов, в которых возникают подобные процессы и которые устанавливаются в служебных и жилых помещениях, достаточно велик. К ним относятся: телефонные аппараты с электромеханическими звонками, вторичные электрические часы системы единого времени предприятия или организации, вентиляторы и др. Уровни опасных сигналов в этих цепях зависят от конструкции конкретного типа средства и их значения имеют значительный разброс. Например, опасные сигналы, создаваемые звонковой цепью телефонного аппарата, могут достигать значений долей и единиц мВ.

Магнитострикция проявляется в изменении магнитных свойств ферромагнитных веществ (электротехнической стали и ее сплавов) при их деформировании (растяжении, сжатии, изгибании, кручении). Такое явление называется обратным эффектом магнитострикции, в отличие от прямого, который заключается в изменении геометрических размеров и объема ферромагнитного тела при помещении его в магнитное поле. В результате магнитострикции под действием акустической волны изменяется магнитная проницаемость сердечников индуктивностей (контуров, дросселей, трансформаторов) радио- и электротехнических устройств, что приводит к эквивалентному изменению значений индуктивностей и модуляции протекающих через них высокочастотных сигналов.

Опасные сигналы емкостных акустоэлектрических преобразователей возникают в результате механического изменения под давлением акустической волны зазоров между пластинами конденсаторов и проводами, приводящие к эквивалентному изменению значений сосредоточенных и распределенных емкостей схем радиотехнических средств.

Широко распространены акустоэлектрические преобразователи, использующие свойства некоторых кристаллических веществ (кварца, сегнетовой соли, титаната и ниобата бария и др.) создавать заряды на своей поверхности при ее деформировании, в том числе под действием акустической волны. Эти вещества применяются для создания функциональных акустоэлектрических преобразователей, например, пьезоэлектрических микрофонов. Опасные сигналы создают пьезоэлектрические вещества, в основном кварцы, применяемые в генераторах для стабилизации частоты, а также пьезоэлементы вибраторов и датчиков технических средств охраны.

Опасные сигналы на выходе акустоэлектрических преобразователей могут:

- распространяться по проводам, выходящими за пределы контролируемой зоны;

- модулировать другие, более мощные электрические сигналы, к которым возможен доступ злоумышленников.

Техническую основу для реализации первой угрозы создают, например, неработающий громкоговоритель городской ретрансляционной сети и звонковая цепь телефонных аппаратов устаревших, но широко еще применяемых типов (ТА-68М, ТА-72М, ТАН-70-2, ТАН-76-3, ТА-1146, ТА-1162, ТА-1164 и др.). Головка громкоговорителя непосредственно подключается к кабелю (двухжильному проводу) при приеме первой программы городской ретрансляционной сети через согласующий трансформатор, который повышает амплитуду опасных сигналов до 30-40 мВ. Сигнал такой амплитуды может распространяться по проводам ретрансляционной сети на значительные расстояния, достаточные для снятия информации злоумышленником за пределами территории организации. Однако если в радиотрансляционной сети идет передача речи или музыки, то сигналы этой передачи, имеющие существенно большую (в 100-200 раз) амплитуду и совпадающий диапазон частот, подавляют опасные сигналы. Поэтому работающие громкоговорители может быть и мешают работе людей, но исключают утечку информации из помещений через акустоэлектрические преобразователи в громкоговорителях.

Иная ситуация с акустоэлектрическими преобразователями в телефонных аппаратах. Телефонные линии постоянно подключены к источнику тока напряжением порядка 60 В. Хотя опасные сигналы на выходе звонковой сети составляют единицы и доли мВ, их нетрудно разделить с помощью фильтра от значительно более высокого напряжения постоянного тока в телефонной линии. Постоянный ток фильтр не пропускает, а опасные сигналы с речевой информацией от акустоэлектрических преобразователей с частотами в звуковом диапазоне проходят через фильтр с малым ослаблением, а затем усиливаются до необходимого значения.

Опасными сигналами на выходе акустоэлектрических преобразователей, имеющими даже весьма малые значения (доли милливольт) нельзя пренебрегать.

Во-первых, чувствительность современных радиоприемников и усилителей электрических сигналов превышает в десятки и сотни раз уровни наиболее распространенных опасных сигналов.

Во-вторых, маломощные опасные сигналы могут модулировать более мощные электрические сигналы и поля и таким образом увеличивать дальность распространения опасных сигналов. Например, если опасные сигналы попадают в цепи генераторов (гетеродинов) любого радио или телевизионного приемника, то они модулируют гармонические колебания этих генераторов по амплитуде или частоте и распространяются за пределы помещения уже в виде электромагнитной волны. Также поля опасных сигналов на выходе акустоэлектрических преобразователей, которые сами по себе из-за малой напряженности не несут большой угрозы безопасности информации, могут наводить в цепях рядом расположенных радиоэлектронных средств электрические сигналы с аналогичным эффектом.