Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования
Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования
2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВА, ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ КАФЕДРА ОРГАНИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ КУРСОВАЯ РАБОТА по инженерно-технической защите информации на тему: "Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования" Выполнил студент ЗИ04-2в Пинхаев Б.Б. Научный руководитель Бурдяков В.В. Иркутск 2007 СодержаниеВведение 3- Акустоэлектрические преобразователи и их виды 5
- Акусторезистивные преобразователи 21
- Акустический и виброакустический каналы утечки информации 24
- Технические характеристики акустопреобразовательного канала 28
- Возможные направления зашиты акустической информации от утечки через каналы, образуемые акустопреобразовательными элементами 31
- Заключение 36
- Список литературы 37
ВведениеЧеловеческая речь является естественным и наиболее распространенным способом обмена информацией между людьми, и попытки перехвата (подслушивание) этой информации ведутся с древнейших времен до настоящего времени. Определенный интерес в получении речевой информации вызван рядом специфических особенностей, присущих такой информации: конфиденциальность - устно делаются такие сообщения и отдаются такие распоряжения, которые не могут быть доверены никакому носителю; оперативность - информация может быть перехвачена в момент ее озвучивания; документальность - перехваченная речевая информация (речь, не прошедшая никакой обработки) является по существу документом с личной подписью того человека, который озвучил сообщение, так как современные методы анализа речи позволяют однозначно идентифицировать его личность; виртуальность - по речи человека можно сделать заключение о его эмоциональном состоянии, личном отношении к сообщению и т.п. Эти особенности речевых сообщений вызывают заинтересованность у конкурентов или злоумышленников в получении подобной информации. И, учитывая особенности расположения большинства офисов коммерческих предприятий и фирм в жилых домах, разъединенных с неизвестными соседями сбоку, сверху и снизу несущими конструкциями с недостаточной акустической защитой, задача защиты конфиденциальных переговоров становится особо актуальной и достаточно сложной. Защита акустической информации является довольно дорогим и сложным мероприятием, поэтому на практике в учреждениях и фирмах целесообразно иметь специально выделенные места с гарантированной (по заданной категории) защитой акустической информации - так называемые защищаемые (выделенные) помещения. Полнота защиты подобных помещений зависит как от их акустической защищенности по воздушной и структурной (вибрационной) акустической волне, так и от защищенности расположенных в помещении устройств и их элементов от утечки за счет акустопреобразовательного эффекта, побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН), а также от организованных каналов утечки информации. Поэтому, оценивая возможности такого помещения, целесообразно рассмотреть как его акустическую защищенность (несущие конструкции, пол, потолок, вентиляционные короба, двери, окна, трубы отопления и т.п.), так и предусмотреть возможность использования злоумышленником элементов аппаратуры, обладающих акустопреобразовательным эффектом - звонковые цепи телефонных аппаратов, вторичные часы, динамики сетей трансляции, некоторые извещатели систем охранной и пожарной сигнализации и т.п. Акустоэлектрические преобразователи и их видыКаналы утечки информации, возникающие за счет наличия преобразовательных акустоэлектрических элементов в цепях различных технических устройств, находящихся в выделенном помещении, опасны тем что они сопутствуют работе этих устройств в их нормальных режимах работы и злоумышленник может воспользоваться ими без проникновения в помещение (или охраняемую зону), без установки специальных подслушивающих устройств. Хорошо известны способы получения информации об акустике помещения за счет подсоединения к линиям телефонных аппаратов(особенно в случаях, когда в помещении расположены аппараты с электромеханическими вызывными звонками), линиями диспетчерской или охранной сигнализации и т.п. Подобные каналы утечки информации могут возникнуть на основе так называемых акустоэлектрических преобразователей. Акустоэлектрический преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию (т. е энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи(или наоборот, энергию электромагнитных волн в акустическую). Из окружающих нас устройств наиболее известны такие электроакустические преобразователи как системы звукового вещания, телефоны, из акустоэлектрических - микрофоны. Следует учитывать, что в большинстве электроакустических преобразователей имеет место двойное преобразование энергии - электромеханическое, в результате которого электрическая энергия, подводимая к преобразователю переходит в энергию колебаний механической системы (например, диффузор динамика), колебание которой и создает в среде звуковое поле. Наиболее распространенные акустоэлектрические преобразователи линейны, т.е. удовлетворяют требованиям неискаженной передачи сигнала и обратимы, т.е. могут работать и как излучатель и как приемник и подчиняются принципу взаимности. В большинстве случаев при электроакустическом преобразовании преобладает преобразование в механическую энергию либо электрического, либо магнитного полей (и обратно - преобразования акустической энергии в электрическую, либо магнитную). В соответствии с этим обратимые акустоэлектрические преобразователи могут быть представлены следующими группами: 1. Индуктивные генераторныеE= n (?Ф/?t) E - ЭДС сигналаn - число витковФ - магнитный поток1.1 Электромагнитныеk - параметр, характеризующий магнитные свойства цепиp - акустическое давлениеs - площадь якоряa - зазор между сердечником и якорем1.2 МагнитострикционныеG - магнитострикционный модульE=p*G*n1.3 ЭлектродинамическиеФ=f*(V) магнитный поток изменяется за счет перемещения проводниковЕ= B* [L*V], если B+L+V, то Е= B*L*VB - индукция магнитного поляL - длина проводникаV - скорость перемещения проводника под действием давления р2. Емкостные генераторные пьезоэлектрическиеd - пьезомодульc - емкостьЕ=d*(p/c) 2.1 Емкостные параметрические конденсаторыJ=U0*(?C/?t) C=f*(p) а) электродинамических преобразователей, действие которых основано на электродинамическом эффекте. электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур которых перемещается в магнитном поле, порожденном внешним по отношению к контуру источником МДС(таким источником может служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы). Величина ЭДС перемещения, наводимая в электродинамических системах при перемещении контура (провода). б) электромагнитных преобразователейУ этих систем, в отличии от электродинамических, электрическая часть является неподвижным контуром. Так же, как у электродинамических систем, внешним источником МДС могут служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы. Действие подобных преобразователей основано на колебании ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле или изменении магнитного потока при движении сердечника. в) электростатических, действие которых 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. г) пьезоэлектрические 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. д) магнитострикционные(механнострикционные) 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 взаимодействие частиц особенно велико. 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 переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающем по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника или наоборот, энергия механических колебаний, наведенная, например, акустическим сигналом, воздействующим на сердечник преобразуется в энергию магнитного поля наводящего переменную ЭДС в обмотке. е) к особому классу акустоэлектрических преобразователей относятся необратимые приемники звука, принцип действия которых основан на применении электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления. Например, угольный микрофон или полупроводниковые приемники, в которых используется так называемый тензорезистивный эффект - зависимость сопротивления полупроводниковых приборов от механических напряжений. 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. Микрофонный эффект - появление в цепях радиоэлектронной аппаратуры посторонних (паразитных) электрических сигналов, обусловленных механическими воздействиями (звуком, сотрясениями, вибрациями и т.п.). Свое название микрофонный эффект получил по аналогии с соответствующими процессами, происходящими в микрофоне. Наиболее сильно микрофонный эффект проявляется при работе электронных приборов (в усилителях электрических колебаний звуковых частот, супергетеродинных приемниках и т.п. Микрофоны:Для перехвата акустической воздушной волны наиболее широко используются микрофоны. Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам: * по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические; * по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,* по конструкторскому исполнению; * по признакам характеристики направленности; * по электрическим параметрам и т.п. По признаку преобразования акустических колебаний микрофоны подразделяются на: 1а) Электродинамические. 1б) Электромагнитные1в) Электростатические1г) Угольные1д) Пьезоэлектрические1е) ПолупроводниковыеПо признаку приема звуковых колебаний микрофоны подразделяются на три группы: 1) приемники звукового давления, действующего на диафрагму; 2) приемники градиента давления, реагирующего на разность звуковых давлений, действующих на обе стороны диафрагмы; 3) приемники комбинированного типа, сочетающие свойства приемников звукового давления и градиента давления; Схемы приема акустических волн микрофоном-приемником 2а) Звукового давления 2б) микрофон-приемник градиента звукового давления В микрофонах-приемниках давления, давление звукового поля действует только на одну сторону диафрагмы, другая сторонаконструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемниках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе стороны диафрагмы. Микрофонами-приемниками градиента давления являются ленточные микрофоны(рис.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, постоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги I толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15-20 Гц. Такие микрофоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широкого диапазона частот (Л.68). Различие по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности микрофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изображается обычно графически в полярных координатах. По этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов: ненаправленные (с круговой диаграммой) 3А) 3б) двусторонне направленная ("восьмерка") односторонне направленные (кардиоида) 3в) односторонне остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида) - 3г и Зд. 3г) 3д) Направленность микрофона характеризует отношение чувствительности микрофона к осевой чувствительности. Микрофон ненаправленного действия обладает постоянной чувствительностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с размерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появляется заметная направленность, а на частотах 10-15 кГц она становится весьма значительной. Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувствительность с фронтальной и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика сохраняется как для нижних, так и для высоких частот. Односторонне направленные микрофоны чувствительны к звуковым волнам, приходящим со стороны максимальной направленности микрофона. Для получения остронаправленной характеристики микрофона используют различные конструкции микрофона - с интерференционным элементом или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон. Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуатация на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помещениях с повышенной влажностью и т.п.). Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувствительность микрофона, расположенного в свободном поле при распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона. Ее определяют по формуле: E0= U/P,где U - напряжение на входе микрофона; Р - звуковое давление. Чувствительность микрофона по диффузному полю определяется зависимостью: Едиф=U/Pдиф где Рдиф - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона. При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь. Диффузное поле - это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии. Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле; NCT = 10 lg (U2hoм/Rhoм*P0),где: Uhom - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении 1Па; P0 - мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па. Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:
Страницы: 1, 2
|
|