Побочные преобразования акустических сигналов в электрические сигналы

Преобразователи внешних акустических сигналов в электрические сигналы называются акустоэлектрическими преобразователями. К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны создавать изменяющиеся по тому же закону электрические сигналы или изменять свои параметры. Классификация акустоэлектрических преобразователей по физическим процессам, создающим опасные сигналы, приведена на рисунке.

Акустоэлектрнческие преобразователи

Активные Пассивные (параметрические)

Электродинамические Индуктивные

Электромагнитные Магнитострикционные

Пьезоэлектрические Емкостные

На выходе активных акустоэлектрических преобразователей под действием акустической волны возникают электрические сигналы. У пассивных акустоэлектрических преобразователей те же действия акустической волны вызывают лишь изменения параметров преобразователей.

По способам формирования электрического сигнала активные акустоэлектрнческие преобразователи могут быть электродинамическими, электромагнитными и пьезоэлектрическими.

Опасные сигналы в электродинамических акустоэлектрических преобразователях возникают в соответствии с законом электромагнитной индукции при перемещении провода в магнитном поле под действием акустической волны.

Если провод длиной L под действием акустической волны со звуковым давлением Р перемещается со скоростью V в магнитном поле с индукцией В, то в нем при условии перпендикулярности силовых магнитных линий проводу и скорости его перемещения, возникает ЭДС величиной е = LBV. Так как V = PS/Zmc (P — звуковое давление, S — площадь провода, на которую оказывает давление акустическая волна, Zmc — величина механического сопротивления движению провода), то е = LBSP / Zmc.

В

P

S

L

V

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, вызванных изменениями под действием акустической волны воздушного зазора между сердечником и якорем электромагнита или статора (неподвижной части) и ротора (подвижной) части электродвигателя. Напряжение Е на концах проволоки, намотанной на катушке, пропорционально количеству витков W, площади s и относительной магнитной проницательности цо сердечника, обратно пропорционально расстоянию Д между полюсом сердечника и подвижного якоря.

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.

Активными акустоэлектрическими преобразователями являются также некоторые кристаллические вещества (кварц, сегнетовая соль, титанат и ниобат бария и др.), которые широко применяются в радиоаппаратуре для стабилизации частоты и фильтрации сигналов, в качестве акустических излучателей сигналов вызова в современных телефонных аппаратах вместо электромеханических звонков. На поверхности этих веществ при механической деформации их кристаллической решетки (давлении на поверхность, изгибе, кручении) возникают электрические заряды.

В пассивных акустоэлектрических преобразователях акустическая волна изменяет параметры элементов схем средств, в результате чего изменяются параметры циркулирующих в этих схемах электрических сигналов. В большинстве случаях под действием акустической волны изменяются параметры индуктивностеи и емкостей электрических цепей. В соответствии с этим акустоэлектрические преобразователи называются индуктивными и емкостными.

Если схема электрической цепи содержит катушку с витками проволоки, то под действием акустической волны изменяются расстояние между витками и геометрические размеры самой катушки. В результате этого, как следует из соответствующих формул, изменяется индуктивность катушки. Если, например, катушка является элементом частотнозадающего контура генератора, то изменение индуктивности вызывает частотную модуляцию сигнала генератора. В итоге информация, записанная в параметры акустической волны, переписывается в параметры электрического сигнала, способного перенести ее к злоумышленнику на большое расстояние. Аналогичная картина наблюдается при изменении под действием акустической волны емкости контура генератора.

Если акустоэлектрический преобразователь представляет собой реактивное сопротивление, величина которого меняется в соответствии с параметрами акустического сигнала, то изменение этого сопротивления вызывает амплитудную модуляцию тока в цепи.

Разновидностью индуктивного является магнитострикционный акустоэлектрический преобразователь. Магнитострикция проявляется в изменении магнитных свойств ферромагнитных веществ (электротехнической стали и ее сплавов) при их деформировании (растяжении, сжатии, изгибании, кручении). Такое явление называется Виллариэффектом или обратной магнитострикцией, открытым итальянским физиком Э. Виллари в 1865 г. Этот эффект обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика. Прямая магнитострикция заключается в изменении геометрических размеров и объема ферромагнитного тела при помещении его в магнитное поле. В результате обратной магнитострикции под действием акустической волны изменяется магнитная проницаемость сердечников контуров, дросселей, трансформаторов радио и электротехнических устройств, что приводит к эквивалентному изменению значений индуктивностей цепи и модуляции протекающих через них высокочастотных сигналов.

К наиболее распространенным случайным акустоэлектрическим преобразователям относятся:

· вызывные устройства телефонных аппаратов;

· динамические головки громкоговорителей, электромагнитные капсюли телефонных трубок, электрические двигатели вторичных часов системы единого времени и бытовых электроприборов;

· катушки контуров, дросселей, трансформаторов, провода монтажных жгутов, пластины (электроды) конденсаторов;

· пьезоэлектрические вещества (кварцы генераторов, виброакустические излучатели акустических генераторов помех);

· ферромагнитные материалы в виде сердечников трансформаторов и дросселей.

Угроза информации от акустоэлектрического преобразователя зависит, прежде всего, от его чувствительности. Чувствительность акустоэлектрического преобразователя характеризуется отношением величины электрического сигнала на его выходе или изменения падающего на нем напряжения к силе звукового давления на поверхность чувствительного элемента преобразователя на частоте f = 1000 кГц и измеряется в В/Па или мВ/Па. Очевидно, что чем выше чувствительность случайного акустоэлектрического преобразователя, тем больше потенциальная угроза от него для безопасности акустической информации.

Чувствительность в мВ/Па некоторых акустоэлектрических преобразователей приведена в таблице.

Опасные сигналы, образованные акустоэлектрическими преобразователями, могут:

· распространяться по проводам, выходящим за пределы контролируемой зоны;

· излучаться в эфир;

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

Таблица

п	Акустоэлектрический преобразователь	Чувствительность, мВ/Па
	Электродинамический микрофон
	Электродинамический громкоговоритель
	Абонентский громкоговоритель	30 - 45
	Вторичные электрические часы	0,1 - 0,5
	Электромеханический звонок телефонного аппарата	0,05 - 0,6
	Пьезоэлектрическое вызывное устройство телефонного аппарата
	Телефонный капсюль
	Электромагнитное реле	0,04 - 0,5
	Трансформаторы, дроссели	0,001 - 0,2

Опасными сигналами на выходе акустоэлектрических преобразователей, имеющими даже весьма малые значения (доли милливольт), нельзя пренебрегать. Вопервых, чувствительность современных радиоприемников и усилителей электрических сигналов превышает в десятки и сотни раз уровни наиболее распространенных опасных сигналов, а, вовторых, 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.