声音泄漏及防护技术研究

　　2024年01月08日 来源:国家保密科技测评中心

　　【摘 要】 声音是信息存在的一种形式,声音泄漏是信息泄露的途径之一。本文系统分析了声音泄露的途径和被窃听的风险,研究了窃听麦克风特性,提出了声音信息防护措施建议。

　　【关键词】 声音泄漏?声音防护?麦克风阵列

　　1 引言

　　声音是信息存在的一种形式。声音泄漏是指一定场所中声音信息穿越围护结构,如墙体、楼板、门、窗、通风管道或这些构件的综合体,泄漏到另一空间被他人感知和理解的过程。

　　目前的声音信息防护技术,主要是提高建筑隔声量和增加声掩蔽系统。提高建筑隔声量可以通过装配隔声门、隔声窗、管道消声器,采用软性材料对围护结构接口处密封,或者增加墙体厚度等方法实现,通常需要在建筑建造或装修期间进行。声掩蔽系统通过在场所外播放一定强度的干扰噪声,降低泄漏语音信息的可懂度,从而提高安全性。

　　2 声音泄漏风险

　　声音窃听的方式包括侵入式和非侵入式。其中,侵入式是指窃听者直接接触到声源场所的人员、场地、设备、物品、家具等实施的窃听。比如,窃听者以各种合法身份进入声源房间,隐蔽安装窃密装置和设备,窃录声音信息。而非侵入式则是指窃听者利用泄漏的声音信号实施窃听,比如窃听者利用定向声音拾取探测设备,对目标声音进行非接触式窃收。

　　声音信息穿越墙体等围护结构而引起的泄漏程度,与3类因素有关:一是场所内讲话者或扩音设备的音量,音量越大,泄漏的可能性越大;二是围护结构的隔声量,隔声量越小,越容易泄漏;三是窃听者受到的语音干扰,根据掩蔽效应,掩蔽声越大,窃听者听觉的可懂度越低。

　　2.1 声音传播基本特性

　　声场是声音振动在其中传播的空间,声音在液体和气体介质中的振动是纵向振动,会形成介质的增厚和稀疏。声源发出的振动,在介质中传播经相同时间所到达的各点组成的面为波前。低于20Hz的频率为次声波,高于20kHz的频率为超声波。声强是通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流,单位是W /m2。

　　(1)

　　对于平面波,能量流不会发散,声强不会随着声源的距离而降低。考虑分子衰减、流体粘度、灰尘、散射等原因,声强会损失。但是由于这些损耗较小,当声波在短距离传播时,可以忽略不计。因此,通常假设声音强度以及声压不依赖于与声源的距离。

　　

　　图1 球面波

　　对于球面波,由于波的发散,声音强度会随着与声源的距离增加而减小,如图1所示。如果不考虑介质中的能量损失,则声强会根据二次定律降低:

　　(2)

　　其中I1是距声源单位长度(通常为1米)的强度。声压随着离球面波中心距离的增加而减小:

　　(3)

　　其中p1是距声源中心单位长度的声压。

　　如果限制声波发散到两侧,那么声强的衰减也将减小。例如,在管道中传播的声波不会发散到侧面,因此可以在较长路径上保持较高的强度。当声音泄漏通过通风管道传播时,有可能在距离很远的地方窃听到谈话声音。

　　人耳感知到的频率范围为20~20kHz,宽达10个倍频程,但是听觉分析的选择性不高。听力阈值是产生声音感觉的纯音(简单正弦振荡)声压的最小值。听力阈值取决于频率,在低频方向,听力阈值急剧上升,即为了在低频出现听觉,需要较高的声压。对于高频,听力阈值首先降低,然后开始以与低频相同的方式升高。常见声音的声压值如表1所示。

　　表1 距声源1米的声压值

　　

　　2.2 声音泄漏的通道

　　声音泄漏的通道分为4种,分别是空气声通道、声音振动通道、声光通道、声电通道,如表2所示。

　　表2 声音泄漏通道

　　

　　2.2.1通过空气声通道泄漏

　　空气声通道泄漏主要包括3种方式。第一种是在目标场所内隐蔽安装录音设备,直接录制语音,随后窃听者以人工方式取走。第二种是窃听者在声源场所外部,使用定向窃听麦克风接收场所泄漏的声音信息。第三种是窃听者在声源场所隐蔽安装窃听设备,通过无线电,或者通过固定电缆、连接线、220伏电源线和电话线等信息通道传输声音。

　　2.2.2通过声音振动通道泄漏

　　声音可以通过固体振动(如墙体、门、窗、管道等)传播而发生泄漏。振动声泄漏的主要特点是声波首先作用于房间中的固体,然后再以固体传声方式传递到远端。窃听者在声源场所的相邻房间通过隔墙窃听器,或者通过通风管道窃听。

　　2.2.3 通过声光通道泄密

　　窃听者可以将激光照射在声源场所的玻璃或声源场所内有反光标示的物体上,拾取声音引起的震动,在接收端进行解调还原来实现窃听,其最大优点是无需在窃听现场安装窃听器。新一代激光窃听器基于漫反射原理,不再需要寻找激光反射的角度,直接接收散射回来的激光,即可实现窃听。

　　2.2.4 通过声电通道泄漏

　　窃听者可通过声电通道获取声源房间内的声音,当高强度微波照射窃听物体时,物体反射回波的强弱会随着声音的变化而变化。通过微波通道泄漏有2种方式:第一种是窃听者将微型共振器隐蔽放置在声源房间内,在声源房间外,用高功率发射机照射微型共振器,窃听房间内的声音;第二种是窃听者利用声源房间内有“麦克风”效应的物品,例如花瓶、高脚杯等形状的中空制品,以及薄壁金属制品(金属板等),用高功率发射机照射这些物品,将声音信息调制到微波信号上,反射回发射机,实现窃听。

　　2.3 超声波泄漏风险分析

　　超声波通道(频率范围为20~100kHz)可通过混凝土围护结构将声音信息传输到外部。但是由于超声波振动沿围护结构传播的距离通常较短,一般情况下,可以不对超声波通道进行特殊检测。但是,如果在声源场所内有超声波振动的源头,比如超声波传感报警器,声音信号可能会对超声波产生调制,调制后的超声波会沿着围护结构的传播而造成泄漏。为防范这种情况,可以将声掩蔽设备引入被保护的房间,以产生由语音信号调制的超声波振动噪声。

　　3 窃听麦克风

　　麦克风是将声振动转换为电振动的传感器。窃听者为获取最好的声音效果,可以采用多种类型的窃听麦克风。采用何种麦克风,需要重点考虑麦克风的灵敏度、频率响应、方向特性等性能。灵敏度是麦克风输出端的电压与作用在麦克风上的声压之比。频率响应是灵敏度水平与频率的关系。方向特性是麦克风灵敏度与角度的关系,大多数麦克风具有轴向对称性,因此它们的方向性在通过麦克风轴的所有平面中都是相同的。根据方向性特性,麦克风分为全向麦克风和定向麦克风。可以用极坐标来表示麦克风的方向图,如图2所示,图2中曲线1适用于小型麦克风与长波长麦克风(全向麦克风),曲线2适用于麦克风的直径等于声波的长度时。

　　

　　图2 麦克风拾音模式

　　按照声场作用力来分,窃听麦克风可分为压强式、压差式、压强压差组合式、线列式、管式、抛物面式、麦克风阵列等。

　　3.1 压强式麦克风

　　压强式麦克风是利用声场中压强发生响应原理做成的接收器,通常由一振膜固定在一封闭腔上构成,如图3所示。当声波入射时,振膜在腔外的一面受到声压的作用,在振膜上就产生合力,在此力的作用下,振膜产生运动,将此振动转换为电压输出,测量输出电压就可确定声场中对应的声压。

　　

　　图3 压强式麦克风示意图

　　波长比麦克风长的声波会在麦克风周围弯曲,在这种情况下,方向性特性将是球形的,即麦克风是全向的。如果麦克风的尺寸比波长大时,则当声波沿其轴入射时,作用在振膜上的声压将大于从其他方向入射的声压。相对于波长,麦克风的尺寸越大,指向性特性就会越强。

　　3.2 压差式麦克风

　　压差式麦克风是利用对声场中相邻2点的压强差发生响应的原理做成的接收器。在压差式麦克风中,通常有2个入声口,振膜对来自两侧的声波都开放。声波传到振膜两面的距离不相同,因此振膜两面存在压差,如图4所示。

　　

　　图4 压差式麦克风示意图

　　由于波束路径的差异,前波和后波之间的相位差,可以获得振膜前表面和后表面之间的压力差。压差式麦克风对于近源的灵敏度高于对远源的灵敏度,其方向图为字形。

　　3.3 压强压差组合式麦克风

　　为了获得各种形式的方向性特征,通常将压强式和压差式接收器组合在一起,这就是压强压差组合式麦克风,典型结构如图5所示。在一个腔体的前面装上振膜,腔体背壁开有一孔与外部相通,作为第二入声口。p1为振膜前面的入射声压,p2为振膜后面的入射声压。通过改变各个接收器和线圈的参数,可以获得各种指向性特征。

　　

　　图 5 压强压差组合式麦克风示意图

　　3.4 线列式麦克风组

　　线列式麦克风组,通常布置成一排水平直线,使得它们的轴线平行,如图6所示,由于从很多入声口传到振膜的距离不同,声波之间就要发生干涉,在振膜上的总声压与入声口的分布有关。声波以相同相位到达该组的所有入声口,作用到振膜的合力与声波的入射方向成复杂关系。当时,麦克风的指向性开始呈单向,当时,指向性更尖锐。因此线列式麦克风组具有很强的指向性,被称为强指向传声器。强指向麦克风具有更强的抗噪声能力,特别适用于在噪声环境中窃听远距离的声信号。

　　

　　图 6 线列式麦克风组

　　3.5 管式麦克风组

　　管式麦克风组利用了组天线的特性,如图7所示。这种麦克风组结合了数十根细管,其长度从几厘米到1米以上,管子成束来收集声波。声波到达角为,因为细管具有不同的长度,如果细管间最小尺寸差为d,则声波的最小路径差是,声波的相移为。声波在n个细管中传输,汇集到振膜产生总声压。

　　

　　图7 管式麦克风组

　　3.6 抛物面式麦克风

　　抛物面式麦克风组是带有抛物面反射器的定向麦克风,麦克风反射器被放置在抛物面的焦点处,如图8所示。从抛物面反射镜反射的轴向声波在焦点处相叠加,反射镜的直径越大,可以提供的声压增益越大。当抛物面对准声音方向时,来自其他方向的噪声被放大的程度低于声音被放大的程度,这就相对增强了声音。声音到达轴的角度越大,衰减越强。实际中使用的抛物线形麦克风的镜面直径通常可达几十厘米。

　　

　　图 8 抛物面式麦克风

　　3.7 麦克风阵列

　　麦克风阵列是由按照特定的拓扑结构分布在空间的多个麦克风组合而成,如图9所示。麦克风阵列仍然可以看作一个复杂的传声器,但不同的是麦克风阵列不仅可以获得声音信号的时域信息,还可以获得空域信息。麦克风阵列信号处理的主要目标是最大化利用空时信息提高接收端信号质量。理想情况下,可认为组成阵列的各阵元是各向同性的,且具有同样的接收灵敏度。

　　

　　图 9 麦克风阵列

　　4 窃听效果的影响因素

　　对声音信息的窃听范围,不仅受麦克风参数的影响,还受这些设备使用条件的影响。

　　在开放区域,例如街道、庭院、公园等,通过1个或多个打开的窗户窃听声源房间内的谈话时,影响窃听距离的主要因素是声音信号传播所经历的衰减以及较高的背景噪声。声音信号衰减主要涉及以下5个因素。

　　(1)当从有限尺寸的声源在无限的介质中传播时,声压与传播的距离(球面波)成反比。

　　(2)环境的不均匀性(雨滴、树枝和其他障碍物)导致声波的散射。

　　(3)声音在大气中的分布受湍流、温度、压力、风强、风速的影响,当声音撞击具有不同特性的2层大气之间的界面时,会导致声线弯曲。在这种情况下,声波被部分反射并部分穿透到另一层。

　　(4)声音吸收与频率相关。

　　(5)吸收程度随相对湿度的降低而增加(例如,在湿度为50%时,频率为10kHz的声音信号每100米仅衰减14dB,当湿度为15%时,声衰减到28dB;风、雨和雪导致每100米额外衰减8?10dB)。

　　因此,如果在夜间、清晨、多云天气、水面附近、山区、冬季,或有从声源的方向吹来的风,则可能会扩大窃听范围。在炎热的晴天、降雪、下雨、森林、灌木丛和沙质土壤环境下,尤其是有障碍物的情况下,声音信号会被吸收。

　　房间内声波传播的一个显着特征是语音信号的声场更加复杂,该声场包括未经任何反射的声波“直接”产生的声音成分和由多个反射声音产生的叠加成分。在这种情况下,降低了使用定向麦克风将声音信号与背景噪声隔离的优势,并且难以定位声源。

　　5 防护措施

　　声音泄漏途径多,为做好声音信息防护,管理要求和技术手段缺一不可。管理要求应通过限制未经授权的人员进入特定声源区域,防止其在振动听觉区域以及可能传播振动的区域中安装窃听装置,具体措施包括:安装出入口控制系统,安装视频监控,对重要房间、地下室、通风系统出口进行锁闭和密封,安装入侵报警系统等。

　　技术手段旨在增强声源场所的隔音和防振功能,常见手段包括以下6种。

　　(1)在声源场所的入口装饰吸音材料,门、窗边缘进行密封,可采用橡胶、泡沫、海绵和毛毡等材料。

　　(2)在通风管道安装消声器。

　　(3)铺设弱电系统、内部布线、电气设备、暖气管、通风管时,不应降低封闭结构的隔音效果。当穿过建筑物的天花板时,应安装套管,并用吸音材料填充套管和管道之间的空隙。

　　(4)用隔音材料覆盖暖气片。

　　(5)建筑围护结构和地板应提供足够的隔声量。

　　(6)在设计通风系统时,必须采取措施以确保通风道壁的隔音。为此,建议将通风管放置在封闭的风道内,并用吸音材料填充风管和风道壁之间的空隙。

　　如果无法达到所需的房屋隔音效果,则应使用声掩蔽方法,这是保护语音信息的重要补充。声掩蔽系统对声音信息防护的本质是在声源场所外部和封闭结构的表面产生振动噪声,其噪声水平使窃听者无法从“信号+噪声”中提取出有用的信息。

　　声掩蔽系统可由白色或粉红色噪声源、放大设备、扬声器和振动器组成。在振动器中,可以使用将电信号转换成机械振动的各种方法。发出噪音的扬声器应放置在栅栏(窗户、门、通风口等)的高度。声掩蔽系统噪音水平不应超过人体健康要求,不得影响正常工作。最好使用自适应系统,其噪声水平可根据房间内的音量自动调整,同时应防止未经授权的人员对声掩蔽系统进行控制和操作。

　　(原载于《保密科学技术》杂志2023年3月刊)