超声波干扰声泄漏防护技术研究_张海鱼.pdf
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1、1 引言随 着 科 学 技 术 的 发 展,录 音 设 备快 速 呈 现 小 型 化 和 多 样 化,智 能 手机、录 音 笔、摄 像 头(具 有 录 音 功能)等 设 备 以 体 积 小、易 携 带 等 优 点【摘 要】智能手机等便携式录音设备的广泛应用使得信息被窃听或偷录的风险进一步增大,有效防范窃听或偷录等导致的语音信息泄露行为成为当前亟需解决的问题。超声波干扰技术作为一种主动干扰声防护技术,主要是利用人耳对超声波无法感知但是窃听或录音设备麦克风却可以感知的特点,通过让干扰设备发射超声波,实现对窃听或录音设备进行干扰的目的。由于干扰信号频率高于人耳可听频率范围,超声波干扰器工作时不会对周
2、边人群的正常交流产生影响,因此,超声波干扰技术在声泄漏防护方面具有巨大的应用潜力。本文主要对超声波干扰技术工作原理及其优缺点进行介绍。【关键词】超声波干扰 声泄漏防护技术 非线性特性【中图分类号】TN912.26 【文献标识码】A被 广 泛 用 于 记 录 生 活 或 工 作 内 容。这些 录 音 设 备 的 广 泛 使 用 在 给 人 们 带 来便 利 的 同 时,也 为 各 类 窃 听、偷 录 行为 提 供 了 可 乘 之 机,给 国 家 秘 密、商业 秘 密 和 个 人 隐 私 等 信 息 安 全 带 来 极大 隐 患。近 年 来,国 内 外 频 繁 出 现 各超声波干扰声泄漏防护技术研
3、究 张海鱼 谢明哲 /国家保密科技测评中心26|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划种 语 音 信 息 泄 露 事 件,比 如 黑 客 利 用远 程 摄 像 头 中 的 麦 克 风 监 听 人 们 日 常的 对 话 内 容 等。因 此,语 音 信 息 安 全受 到 越 来 越 多 的 重 视 与 关 注。超 声 波干 扰 技 术 作 为 一 种 主 动 干 扰 声 防 护 技术,主 要 是 利 用 人 耳 对 超 声 波 无 法 感知 但 是 窃 听 或 录 音 设 备 麦 克 风 却 可 以感 知 的 特 点,通 过 让 干 扰 设 备 发 射 超声 波,实 现 对 窃 听 或 录 音
4、 设 备 进 行 干扰 的 目 的。由 于 干 扰 信 号 频 率 高 于 人耳 可 听 频 率 范 围,超 声 波 干 扰 器 工 作时 不 会 对 周 边 人 群 的 正 常 交 流 产 生 影响,因 此,超 声 波 干 扰 技 术 在 声 泄 漏防 护 方 面 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力。2 声泄漏防护技术声 泄 漏 防 护 的 目 的 是 保 证 声 音 不 被非 授 权 听 到 或 者 理 解,防 护 措 施 可 以分 为 被 动 物 理 防 护 和 主 动 干 扰 防 护。被 动 物 理 防 护 是 指 通 过 物 理 手 段 把 声音 封 闭 在 特 定 的 范 围 内,
5、降 低 泄 漏 到不 可 控 区 域 的 声 音 强 度 或 信 号 质 量,如 采 用 吸 声 性 能 良 好 的 材 料 作 为 玻 璃或 墙 壁 的 一 部 分,在 玻 璃 表 面 涂 装 吸收 光 波 的 特 殊 涂 层 或 贴 漫 反 射 防 护 膜等 防 护 措 施。主 动 干 扰 防 护 需 要 主 动发 射 干 扰 信 号,通 过 掩 盖 目 标 语 音 信号 或 者 阻 塞、干 扰 窃 听 或 录 音 设 备 正常 工 作,来 达 到 防 止 声 泄 漏 的 目 的。主 动 干 扰 防 护 技 术 可 以 分 为 电 磁 波干 扰 技 术、声 掩 蔽 技 术 和 超 声 波
6、干 扰技 术 等1。电 磁 波 干 扰 技 术 是 通 过 干 扰器 发 射 大 功 率 电 磁 波 而 导 致 录 音 设 备产 生 信 号 干 扰,以 破 坏 其 录 音 功 能,但 现 在 大 多 数 录 音 设 备 都 设 计 有 抗 电磁 波 干 扰 电 路,其 内 部 线 路 很 难 感 应电 磁 波 干 扰 信 号,因 此 电 磁 波 干 扰 技术 通 常 效 果 有 限。声 掩 蔽 技 术 发 射 的干 扰 信 号 为 人 耳 可 听 声,主 要 是 利 用声 掩 蔽 效 应 来 掩 蔽 目 标 语 音 信 号,使得 窃 听 者 或 窃 听 设 备 获 取 的 目 标 语 音可
7、 懂 度 降 低2,但 是 高 强 度 的 声 掩 蔽 信号 会 对 正 常 交 流 产 生 影 响。超 声 波 干扰 技 术 发 射 的 干 扰 信 号 为 人 耳 不 可 听的 超 声 波,主 要 利 用 录 音 设 备 滤 波 模块 的 性 能 限 制 及 放 大 器 或 麦 克 风 传 感器 等 电 子 器 件 的 非 线 性 特 性 或 非 线 性缺 陷,阻 塞、干 扰 窃 听 或 录 音 设 备 正常 工 作,进 而 影 响 窃 听 或 录 音 设 备 录取 的 目 标 语 音 信 号 质 量3,4。3 超声波干扰技术3.1 干扰原理人 耳 可 听 声 的 频 率 范 围 在2 0
8、H z 20kHz之 间,频 率 高 于2 0k H z的 声 波为 超 声 波。麦 克 风 是 手 机 等 录 音 设备 用 于 拾 取 声 音 信 号 的 器 件,麦 克风 传 感 器 能 够 接 收 声 波 的 频 率 上 限远 大 于 人 类 听 觉 的 频 率 上 限,可 达 到超 声 波 频 段。超 声 波 干 扰 技 术 就 是 利用 人 耳 对 超 声 波 无 法 感 知 但 是 窃 听 或录 音 设 备 的 麦 克 风 传 感 器 却 可 以 接 收并 感 知 超 声 波 的 特 点,通 过 让 干 扰 设备 发 出 超 声 波,在 不 影 响 周 边 人 群 正常 交 流
9、的 情 况 下 实 现 对 录 音 设 备 进行 干 扰 的 目 的。录 音 设 备 的 硬 件 系统 一 般 包 括 麦 克 风 传 感 器、一 个 或 多个 放 大 器、滤 波 器 和 模 数 转 换 器 等,如 图1所 示。针 对 性 能 不 同 的 录 音 设备,超 声 波 干 扰 可 以 通 过 以 下2种2023 年 3 月|保密科学技术|27特别策划路 径 实 现。第 一 种 是 利 用 录 音 设 备 滤 波 模 块 的性 能 限 制 导 致 滤 波 模 块 无 法 完 全 滤 除超 声 频 段 的 干 扰 信 号,录 音 设 备 记 录的 超 声 频 段 干 扰 信 号 幅
10、度 过 大,使 得录 音 设 备 记 录 信 号 幅 度 失 真。这 种 往往 是 由 于 窃 听 或 录 音 设 备 滤 波 器 的 上限 频 率 设 置 较 高,即 滤 波 器 的 上 限 频率 高 于2 0k H z(为 了 保 持 语 音 信 号 的完 整 性,一 些 录 音 设 备 对 信 号 过 滤 的频 段 宽 于 人 耳 可 听 频 段),或 者 录 音设 备 滤 波 器 性 能 不 理 想,即 尽 管 频 率上 限 设 置 为2 0k H z或 者 低 于2 0k H z,但 是 滤 波 器 性 能 限 制 导 致 其 无 法 实 现对 高 于2 0k H z信 号 的 完
11、全 滤 除。这 也就 意 味 着 超 声 波 干 扰 信 号 没 有 被 滤 波器 完 全 滤 除,录 音 设 备 存 储 的 信 号 中不 仅 包 含 人 耳 可 听 声 频 段 的 目 标 语 音信 号,也 包 含 超 声 频 段 的 超 声 波 干 扰信 号。当 超 声 波 干 扰 信 号 幅 度 超 过 录音 设 备 的 有 效 量 程 时,就 可 以 实 现 对窃 听 或 者 录 音 设 备 的 饱 和(阻 塞)干扰。这 种 途 径 的 劣 势 在 于,能 否 有 效防 止 录 音 设 备 非 法 录 音 主 要 由 录 音 设备 内 部 滤 波 器 的 上 限 频 率 及 其 滤
12、波 性能 决 定,当 录 音 设 备 滤 波 模 块 性 能 较好 或 滤 波 器 频 带 上 限 设 置 较 低 时,超声 波 频 段 的 干 扰 信 号 很 容 易 被 滤 波 器完 全 滤 除。因 此,对 于 当 前 具 有 优 质滤 波 性 能 的 录 音 设 备,这 种 干 扰 路 径不 再 适 用,应 用 场 景 比 较 有 限,本 文不 予 详 细 介 绍。另 外 一 种 干 扰 路 径 是 利 用 窃 听 或录 音 设 备 中 麦 克 风 传 感 器 或 放 大 器 电子 器 件 非 线 性 失 真 的 存 在,超 声 波 干扰 信 号 在 经 过 低 通 滤 波 器 之 前,
13、部 分高 强 度 的 超 声 频 段 干 扰 信 号 的 能 量 泄漏 到 可 听 声 频 段。即 使 滤 波 器 能 有 效滤 除 未 泄 漏 的 超 声 频 段 干 扰 信 号,但泄 漏 到 可 听 声 频 段 的 干 扰 信 号 会 与 说话 人 的 语 音 混 杂,影 响 录 音 信 号 的 质量,甚 至 可 以 掩 盖 目 标 语 音 信 号,进而 有 效 阻 止 录 音 设 备 对 目 标 语 音 的 窃听、偷 录4。基 于 录 音 设 备 电 子 器 件非 线 性 特 性 的 超 声 波 干 扰 器,由 于 不受 录 音 设 备 滤 波 模 块 上 限 频 率 及 滤 波器 性
14、能 的 限 制,具 有 更 广 泛 的 应 用 场景。本 文 将 详 细 介 绍 其 干 扰 过 程 及 干扰 效 果。3.2 干扰信号分类根 据 干 扰 信 号 的 形 式,超 声 波 干 扰技 术 可 以 分 为 能 量 干 扰 和 信 息 干 扰。能 量 干 扰 发 射 的 干 扰 信 号 为 无 语 音 意义 的、频 段 集 中 在 超 声 频 段 的 白 噪 声或 者 粉 红 噪 声 等。信 息 干 扰 是 将 人 耳可 听 声 调 制 到 超 声 频 段 上 作 为 干 扰 信号,超 声 作 为 载 波 将 可 听 声 传 送 到 窃听 或 录 音 设 备 内 部,也 就 是 说
15、信 息 干扰 发 射 的 信 号 为 具 有 语 音 意 义 的、调制 到 超 声 频 段 的 干 扰 信 号。经 过 麦 克风 的 非 线 性 特 性 再 将 超 声 调 制 到 人 耳可 听 声,在 麦 克 风 记 录 信 号 中 形 成 可听 声 信 息 干 扰。与 能 量 干 扰 相 比,信图1 录音设备硬件系统主要构成ADC声波麦克风放大器低通滤波器模数转换28|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划CMYCMMYCYCMYK其 中,A是 一 次 项的 幅 度,B是二 次 项的 幅 度。对 于 一 个 线 性 方程,B=0,若 输 入 信 号 为 频 率的 正 弦波,则 输 出
16、信 号 也 是 频 率 为的 正 弦信 号。而 对 于 非 线 性 方 程,不 失 一 般性,假 设 输 入 信 号 包 含2个 频 率 成 分,即 (2)则 输 出 信 号可 以 表 示 为 (3)进 一 步 通 过 三 角 函 数 展 开 可 以 看 出,输 出 信 号 除 了 原 有 的 输 入 信 号 的 频 率和,还 包 含 这 些 频 率 的 谐 波 和 交叉 积,例 如2、2和等。总 之,非 线 性 方 程 中 的 二 次 方 项会 产 生 输 入 信 号 的 谐 波 和 交 叉 积,使得 输 出 信 号 中 包 含 新 的 频 率 成 分。因此,当 输 入 信 号 为 超声波频
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