Акустоэлектрические каналы утечки информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

375

Акустоэлектрические каналы утечки информации

1. Акустоэлектрические преобразователи

Акустоэлектрический (или электроакустический) преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи. Из окружающих нас устройств наиболее известны такие электроакустические преобразователи как системы звукового вещания, телефоны, из акустоэлектрических - микрофоны.

Каналы утечки информации, возникающие за счет наличия преобразовательных акустоэлектрических элементов в цепях различных технических устройств опасны тем, что они сопутствуют работе этих устройств и злоумышленник может воспользоваться ими без проникновения в помещение.

Наиболее распространенные электроакустические преобразователи линейны и обратимы, т.е. удовлетворяют требованиям неискаженной передачи сигнала и могут работать и как излучатель и как приемник, то есть подчиняются принципу взаимности.

В большинстве случаев при электроакустическом преобразовании преобладает преобразование энергии либо электрического, либо магнитного полей в механическую энергию (и обратно - преобразования акустической энергии в электрическую, либо в магнитную). В соответствии с этим обратимые электроакустические преобразователи могут быть представлены следующие виды:

а)электродинамические;

б)электромагнитные;

в)электростатические;

г)пьезоэлектрические;

д)магнитострикционные (механострикционные);

е)акусторезистивные (тензорезистивные).

2. Технические характеристики акустопреобразовательного канала

Электроакустический (акустоэлектрический) преобразователь-устройство, преобразующее электромагнитную энергию в энергию упругих волн в среде и обратно.

В зависимости от направления преобразования различают электроакустические преобразователи излучатели и приемники

Акустоэлектрический преобразователь-приемник характеризуется:

-чувствительностью в режиме холостого хода

Yxx=U'/P

- внутренним сопротивлением Zэл.

-по виду частотной зависимости U'/P различают:

- широкополосные;

- резонансные приемники акустического излучения.

Электроакустический преобразователь-излучатель характеризуется:

чувствительностью, равной отношению Р на определенном расстоянии от излучателя на оси характеристики направленности к U или I;

внутренним сопротивлением, представляющим собой нагрузку для источника электрической энергии;

акусто-электрическим КПД

а/эл=Рак/Рэл

где Рак - активная излучаемая акустическая мощность;

Рэл - активная электрическая потребляемая мощность.

Конструкции акустоэлектрических преобразователей существенно зависят от их назначения и применения и поэтому весьма многообразны.

К акустоэлектрическим преобразователям может быть отнесен весьма широкий круг приборов, элементов различных электрических сетей, линий связи и управления и т.п.

Степень возможной опасности создания акустоэлектрического канала утечки информации зависит от коэффициента преобразования акустоэлектрического преобразователя - чем он выше, тем больше мощность (напряжение) преобразованного в электрический опасного сигнала при одинаковой мощности акустического сигнала:

Существенным в этом соотношении является то, что в состав коэффициента преобразования входит величина механического сопротивления соответствующего акустоэлектрического преобразователя, связанная с величиной трения перемещающихся под воздействием акустического поля элементов. Величина чувствительности акустоэлектрических преобразователей определяется в милливольтах опасного электрического сигнала к звуковому давлению опасного акустического сигнала в Па, т.е. мВ/Па.

На практике часто сравнивают чувствительность акустоэлектрических преобразователей с чувствительностью специально созданных акустоэлектрических преобразователей, таких, как микрофоны. Например, у конденсаторного электретного микрофона МКЭ-3 чувствительность по свободному акустическому полю на частоте 10 кГц не более 3 мВ/Па, у электродинамических миниатюрных микрофонов ММ-5 средняя чувствительность в диапазоне частот 0,5 - 5,0 кГц на сопротивление нагрузки не менее 0.6 мВ/Па (для низкоомных - 600 Ом) и 1,2 мВ/Па (для высокоомных - 1200 Ом).

Сравнение акустопреобразовательных элементов показывает, что некоторые из них по "чувствительности" близки к специально созданным для преобразования звуковой энергии в электрическую (микрофонов). Так, например, "чувствительность" некоторых звонковых цепей телефонных аппаратов достигает 0,15-0,4 мВ/Па.

3. Электродинамические преобразователи

Электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур (провод) которых перемещается в магнитном поле. Источником магнитного поля может служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы.

При движении проводника длинной l в постоянном магнитном поле индукцией В со скоростью V в нем индуцируется ЭДС сигнала

;

В равномерном магнитном поле

;

Учитывая, что колебательная скорость V равна действующей на проводник силе, деленной на механическое сопротивление (ZM) т.е.

и что сила определяется произведением давления на площадь проводника получим

уравнение чувствительности электродинамической системы.

Таким образом, величина ЭДС опасного сигнала на выходе такой системы равна

1)

Механическое сопротивление одноконтурной механической системы может быть определено из соотношения:

где: F - действующая на проводник сила,

V - колебательная скорость,

r - активное сопротивление (трение) мех Ом,

m - масса провода (кг),

Принцип электродинамической системы преобразования проявляется при акустическом воздействии на электродинамические головки громкоговорителей, электровторичных часов, трансформаторов, дросселей.

Изменить параметры, входящие в рассмотренные выше соотношения с целью уменьшения опасности возникновения акустопреобразовательного канала часто не представляется возможным, т.к. это может повлиять на рабочие параметры устройства (например, для уменьшения коэффициента преобразования трансформатора его можно залить компаундом, а в головке громкоговорителя это сделать нельзя).

4. Электромагнитные преобразователи

У этих систем, в отличие от электродинамических, электрическая часть является неподвижным контуром. Так же, как и у электродинамических систем, внешним источником МДС могут служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы (рис.9.1);

Действие подобных преобразователей основано на колебании ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле или изменении магнитного потока при движении сердечника.

Принцип преобразования состоит в индуцировании ЭДС сигнала в обмотке при изменении магнитного потока

,

где:

S' - площадь полюсного наконечника со стороны зазора,

S - площадь якоря,

V - магнитодвижущая сила постоянного магнита,

- число витков,

a - величина зазора.

Примерами преобразователей электромагнитной системы являются электромагнитные капсюли, электрические звонки постоянного и переменного тока, электромагнитные реле.

Следует обратить внимание на то, что и в этом случае не представляется возможным уменьшить коэффициент преобразования у подобных систем при сохранении требуемых рабочих параметров этих элементов.

5. Электростатические преобразователи

Действие таких преобразователей основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора при изменении напряжения на нем и на изменении положения обкладок конденсатора относительно друг друга под действием, например, акустических волн;

Простейшим преобразователем этой системы является электрический конденсатор, одна пластина которого подвижная, другая закреплена неподвижно.

Коэффициент преобразования определяется соотношением:

U0 - напряжение приложенное к пластинам,

S - площадь пластин,

a - зазор между пластинами,

ZM - механическое сопротивление системы,

- частота воздействующего поля.

Для получения эффекта преобразования на пластины необходимо подать напряжение. Примерами устройств действующих по этой системе являются пластины различных реле (если провода от них выходят за пределы контролируемой зоны), монтажные провода или электрические детали плат, расположенные вблизи металлического корпуса технического средства.

Уменьшить коэффициент преобразования (и, соответственно величину опасного сигнала) возможно при уменьшении площади пластины конденсатора или увеличении механического сопротивления системы с помощью заливки (проводников, плат, схем и т.п.).

6. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте. К пьезоэлектрическим относятся кристаллические вещества и специальные керамики, в которых при сжатии и растяжении в определенных направлениях возникает электрическое напряжение. Это так называемый прямой пьезоэффект. При обратном пьезоэффекте появляются механические деформации под действием электрического поля;

7. Магнитострикционные преобразователи

Магнитострикционные (механострикционные) преобразователи, использующие прямой и обратный эффект магнитострикции.

Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно велико.

Обратное по отношению к магнитострикции явление - Виллари эффект - изменение намагничиваемости тела при его деформации. (механострикция). Виллари эффект обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика, определяющей его намагниченность.В отсутствие внешнего магнитного поля механические напряжения вызывают в таком материале процессы смещения границ магнитных доменов и вращения векторов их самопроизвольной намагниченности, что приводит к дополнительному изменению намагниченности.

В усилителях с очень большим коэффициентом усиления входной трансформатор на ферритах при определенных условиях вследствие магнитострикционного эффекта способен преобразовывать механические колебания в электрические.

В магнитострикционном преобразователе используется линейная магнитострикция ферромагнетиков в области технического намагничивания. Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с нанесенной на него обмоткой (такие конструкции используются в фильтрах, резонаторах и других устройствах акустоэлектроники). В подобном преобразователе энергия механических колебаний, наведенная, например, акустическим сигналом, воздействующим на сердечник преобразуется в энергию магнитного поля наводящего переменную ЭДС в обмотке трансформатора.

Механострикционный эффект свойственен электрическим трансформаторам, дросселям, электромагнитным реле и другим элементам, в которых витки расположены на магнитном сердечнике.

Чувствительность в системе (коэффициент акусто-электрического преобразования) зависит от магнитострикционной чувствительности материала. Как показывает опыт, при изменении процентного содержания кремния в сплавах стали с никелем можно существенно уменьшить магнитострикционную составляющую чувствительности сплава.

Можно в ряде случаев использовать комбинированную систему уменьшения коэффициента преобразования за счет заливки трансформатора, находящегося в экране, вязким компаундом

8. Акусторезистивные преобразователи

К особому классу электроакустических преобразвателей относятся необратимые приемники звука, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления. Например, полупроводниковые приемники, в которых используется так называемый тензорезистивный эффект - зависимость сопротивления полупроводниковых приборов от механических напряжений.

Наиболее известным акусторезистивным преобразователем является угольный микрофон, конструкция которого представляет собой металлическую коробку с угольным порошком. Сверху коробка закрыта тонкой пластиной - мембраной, сделанной из проводящего электрический ток материала. Действие такого микрофона (преобразователя) основано на свойстве угольного порошка менять электрическое сопротивление в зависимости от давления.

Аналогичный резистивный эффект, связанный с изменением электрического сопротивления твердого проводника (полупроводника, металла), возникает в результате его деформации под механическим воздействием. Наиболее серьезно этот эффект проявляется в полупроводниках, где он связан с:

- изменением энергетического спектра носителей заряда при деформации;

- изменением ширины запрещенной зоны и энергией примесных уровней;

- с изменением эффективных масс носителей заряда и т.п.

Вольтамперная характеристика полупроводниковых приборов часто определяется малой областью объема полупроводников и поэтому при концентрации механических напряжений именно в этой области даже малое механическое усилие создает значительные изменения высоты потенциального барьера для носителей, что приводит к изменению вольтамперной характеристики прибора. Существует целый ряд полупроводниковых элементов, которые служат датчиками механических напряжений и ускорений.

Таким образом, наряду со специально созданными для преобразования акустических сигналов в электрические так называемых приемников звука (например, в воздухе - микрофоны, в воде - гидрофоны, в грунте - геофоны) существуют "паразитные", не предусмотренные идеей прибора акустоэлектрические преобразователи.

Проявление акустопреобразовательных каналов утечки информации в большинстве случаев не связано с качеством исполнения механизма прибора, а является сопутствующим его деятельности по предназначению, т.е. их подавление в ряде случаев не может быть проведено путем более качественного исполнения или настройки механизмов. В ряде случаев они возникают за счет взаимности действия элемента, заложенного в его конструкцию (динамики), в других случаях за счет некачественности исполнения элементов (рыхлая намотка индуктивностей, изменение расстояния между обкладками конденсатора под действием механических волн) и т.п.;

По своей природе электроакустические преобразователи часто сравнивают с микрофонным эффектом.

Таким образом, значительное количество элементов, окружающих нас различных устройств, используемых в практической деятельности, обладает акустопреобразовательным эффектом и, следовательно, могут являться источником для создания канала утечки конфиденциальной акустической информации.

Весьма существенным является диапазон электромагнитных волн, в который происходит преобразование за счет акустоэлектрических элементов звукового сигнала. Как правило, это связано с практическим предназначением элемента и его расположением в схеме устройства. Если акустопреобразовательный элемент расположен, например, в схеме гетеродина или высокочастотного генератора, изменение его параметров под действием звукового сигнала может привести к изменению амплитуды, частоты или фазы гетеродина или генератора.

В этом случае канал утечки информации является радиоканалом, не ограниченным проводными системами, защита которого имеет свои особенности.

По виду опасного сигнала возникающего циркулирующего в техническом канале утечки информации в результате акустоэлектрического преобразования и их можно разделить на:

передаваемые по электрическим коммуникациям (линиям связи, питания, управления);

передаваемые в виде радиосигнала.

9. Акустоэлектрические каналы утечки информации с передачей информативного сигнала по электрическим коммуникациям

К ним относятся возможные каналы утечки информации, создаваемые акустопреобразовательными элементами телефонной сети, сети вторичной часофикации, громкоговорящей или диспетчерской связи, некоторыми извещателями охранно-пожарной сигнализации и т.п.

Электромеханическая звонковая цепь телефонного аппарата

При положенной телефонной трубке к телефонной линии подключена звонковая цепь телефонного аппарата. Если телефонный аппарат имеет механическую звонковую цепь , то в этом случае звуковое поле, воздействует на коромысло якоря и ударник, приводя их в колебания (микроколебания) пропорциональные давлению звуковой волны. Эти колебания изменяют зазор между якорем и магнитом и, в конечном счете, появляется электрический сигнал в электрической обмотке звонковой цепи, подключенной непосредственно к телефонной сети.

а- схема подключения; б- конструкция звонка; 1- якорь; 2- магнит; 3- электрическая обмотка; 4- металлические чашки;5- ударник; 6- винт; 7-ось якоря

Рис.9.3. Звонковая цепь телефонного аппарата как акустопреобразовательный элемент

Так возникает опасность утечки акустической информации из помещения, где расположен подобный телефонный аппарат. Величина ЭДС опасного сигнала может быть определена соотношением:

;

где: Рак - акустическое давление информативного сигнала.

V - магнитодвижущая сила постоянного магнита,

S - площадь якоря,

0 - магнитная проницаемость сердечника,

W - число витков в обмотке,

SM - площадь полюсного наконечника,

d - величина зазора,

ZM - механическое сопротивление.

Амплитуда ЭДС, наводимой в линии, для некоторых типов телефонных аппаратов может достигать нескольких милливольт. Для приема используется низкочастотный усилитель с частотным диапазоном 300-3500 Гц, который подключается к абонентской линии.

10. Громкоговоритель

Предназначенные для преобразования электрических сигналов в акустические громкоговорители являются классическим примером принципа взаимности и являются одновременно достаточно хорошим акустоэлектрическим преобразователем.

Воздействие акустического сигнала на диффузор громкоговорителя приводит к преобразованию акустической энергии в механическую и изменению положения катушки в магнитном поле, что приводит к появлению опасного электрического сигнала в катушке громкоговорителя и, соответственно, в сети.

Величина ЭДС опасного сигнала может быть определена из соотношения



где: Рак - акустическое давление информативного сигнала,

В - магнитная индукция,

е - длина проводника катушки (движущегося в магнитном поле В),

S - площадь поверхности диффузора динамика,

ZM - механическое сопротивление системы.

Рис. 9.4. Громкоговоритель как акустопреобразовательный элемент (а) и возможная схема защиты (б)

Достаточно большая площадь диффузора динамика обеспечивает подобным преобразователям достаточно высокую чувствительность к акустическому воздействию (2-3 мВ/Па) и сравнительно равномерную амплитудно-частотную характеристику для речевого сигнала. Кроме того, величина опасного сигнала в линии увеличивается в 3 - 4 раза за счет того, что громкоговорители включаются в сеть через понижающий трансформатор

11. Электромагнитные и электродинамические измерительные приборы

В соответствии с принципами работы электромагнитные измерительные приборы являются преобразователем силы электрического тока в механическое перемещение стрелки на основе взаимодействия магнитного поля катушки, по обмоткам которой протекает ток, с ферромагнитным сердечником или электромагнитом, образующими обычно подвижную часть измерительного механизма (рис.9.5а).

В соответствии с принципом взаимности воздействия на подвижную часть измерительного прибора опасного акустического сигнала приводит к изменению положения ферромагнитного сердечника в катушке прибора и появлении соответственно этим изменениям, опасного электрического сигнала в измерительной линии.

12. Трансформаторы

Трансформаторы получили широкое распространение в различной радиоэлектронной аппаратуре.

Акустопреобразовательный эффект может быть вызван:

- либо (в случае рыхлой намотки витков) изменением параметров одной из катушек трансформатора под действием звуковой волны,

- либо изменением коэффициента трансформации пропорционально воздействию звукового сигнала на сердечник трансформатора (рис. 9.5 б).

При этом опасность появления опасного электрического сигнала зависит от положения трансформатора в электронной сети, в соответствующем блоке или схеме.



13. Вторичные электрочасы

Воздействие акустического сигнала на элементы вторичных часов - "шаговый двигатель - стрелки" - приводит к возникновению в сети вторичных электрочасов информативного сигнала (рис.9.5в).

Рис.9.5в

Опасной особенностью такой системы является то обстоятельство, что управление подобными часами проводится только в течение 3 сек. в минуту, и таким образом, в течение 57 сек. тракт обеспечивает "передачу" преобразованного информативного сигнала без каких-либо помех. В зависимости от конструкции вторичных асов (корпус деревянный или металлический, акустическая защищенность шагового механизма, крепление и т.п.) изменяется и коэффициент преобразования подобного акустоэлектрического преобразователя. Уменьшение этого коэффициента за счет увеличения механического трения в системе шагового двигателя невозможно, так как потребуется больший ток в системе управления. В качестве технических средств защиты могут быть использованы вентильные схемы, рассчитанные на токи и напряжение в сети управления вторичными электрочасами. Для защиты от утечки акустического сигнала из помещения, в котором установлены вторичные часы, используется устройство "Гранит".

14. Линии волоконной оптической связи

Микродеформации волокнисто-оптических кабелей и их элементов, вызванные воздействием акустического сигнала, могут послужить основой для создания канала утечки информации из помещения, в которых проходит ВОЛС.

Особенность образования такого канала состоит в том, что акустическое поле может воздействовать на места сращивания волоконно-оптических кабелей, их креплений, места установки лазерных излучателей и т.п. При этом происходит модуляция информативным акустическим сигналом излучений, передаваемых по волоконно-оптической линии (рис. 9.5г).

Датчики охранно-пожарной сигнализации

Акустоэлектрическими преобразователями могут быть и некоторые типы датчиков, используемых в охранной и охранно-пожарной сигнализации, содержащие пьезоэлементы, микрофоны, вибрационные элементы и т.п. (Л. 109).

Принцип действия таких датчиков, в основу работы которых положена фиксация акустических и вибрационных воздействий злоумышленника, является одновременно и основой возможного акустопреобразовательного канала утечки информации из помещения, где расположен такой датчик. Информативный сигнал может быть перехвачен путем подключения к шлейфу охранной (охранно-пожарной) сигнализации (рис.9.5д).

15. Акустопреобразовательные элементы с передачей информативного сигнала радиоизлучением

Преобразование информативного акустического сигнала в радиосигнал.

Дальность передачи преобразованного акустического сигнала, если он преобразуется в радиосигнал, может достигать нескольких километров.

Такое преобразование возможно в тех случаях, когда акустический сигнал воздействует на акустопреобразовательные элементы схем, генерирующих ВЧ сигналы в различных диапазонах частот. К таким элементам можно отнести:

- гетеродины приемных и телевизионных устройств;

- генераторы стирания-подмагничивания в магнитных системах записи акустических сигналов;

- генераторы измерительных приборов и т.п.

Применительно к диапазонам работы этих устройств будет проявляться и частота преобразованного информативного радиоизлучения и они могут находиться в пределах от десятков кГц до сотен МГц.

На частотах до 300-400 МГц в схемах наиболее часто используются элементы с сосредоточенными параметрами, на более высоких частотах - элементы с распределенными параметрами (Л.96).

В первом случае колебательные контуры, определяющие частоту гетеродина, выполняются в виде емкостей и индуктивностей, во втором - в виде отрезков передающей линии (резонаторов). Воздействие акустического сигнала на подобные системы имеет свои особенности.

Использование в качестве контуров гетеродинов коаксиальных или волноводных перестраиваемых резонаторов также создает возможность образования акустоэлектрического канала утечки информации за счет воздействия акустического сигнала:

а)на стенки резонатора и элементы его крепления;

б)на элементы перестройки резонатора (поршень).

Из этих кривых видно, что перестройка в диапазоне 2500-10000 МГц происходит при изменении положения поршня от 3 до 9 см, т.е. каждому мм перестройки поршня соответствует около 42 МГц изменений по частоте и, следовательно, изменение положения поршня под действием акустического давления на 0,01 мм соответствует изменению частоты сигнала гетеродина примерно на 420 кГц.

Как показали результаты практических измерений для конструкции бесконтактного гетеродина, такие колебания могут быть вызваны обычным разговором на расстоянии 3 - 4 м от устройства.

Учитывая наличие свободного входа подобных приемных систем (без пресселектора на входе) излучаемой мощности гетеродина достаточно, для образования канала утечки информации протяженностью более десятка километров.

намагничиваемость звуковой электродинамический

16. Сосредоточенные акустопреобразовательные элементы контуров

Изменение величины емкости под действием акустического поля может особенно серьезно сказаться в том случае, если емкостные элементы используются в таких электрических схемах как генераторы, гетеродины приемных и телевизионных устройств.

На рис. 9.6в приведена простейшая схема автогенератора LC-типа на транзисторе. Это схема генератора с трансформаторной связью.

Частоту генерации такого генератора определяют значения индуктивности (Lk) и емкости контура (Сk), т.е.

Изменение величины емкости Сk(Рak) от акустического сигнала приведет к соответствующему изменению частоты генератора, т.е.

т.е. излучение генератора приобретает частотную модуляцию опасным акустическим сигналом, которая может быть выделена приемником с демодулятором частотно модулированных сигналов.

Дальность излучения такого модулированного радиосигнала существенно больше дальности возможного перехвата акустического сигнала.

Аналогичная картина будет наблюдаться и в том случае, когда под действием акустического сигнала будет изменяться величина индуктивности катушки - Lk(Paak).

При определении опасности такого канала утечки информации существенное значение имеет конструкция емкостного и индуктивного элементов. Так на высоких частотах, где часто используются индуктивности, выполненные в виде проволочной спирали (без сердечника), а емкостные элементы - в виде тонких пластин с воздушным зазором, воздействие акустического сигнала может быть существенным и величина емкости в процентном отношении может изменяться весьма существенно за счет изменения величины зазора между пластинами.

где: - диэлектрическая проницаемость диэлектрика (воздуха),

S - площадь каждой пластины,

d - расстояние между пластинами.

Размещено на Allbest.ru