聲音泄漏及防護(hù)技術(shù)研究

【摘 要】 聲音是信息存在的一種形式，聲音泄漏是信息泄露的途徑之一。本文系統(tǒng)分析了聲音泄露的途徑和被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，研究了竊聽麥克風(fēng)特性，提出了聲音信息防護(hù)措施建議。

【關(guān)鍵詞】 聲音泄漏?聲音防護(hù)?麥克風(fēng)陣列

1 引言

聲音是信息存在的一種形式。聲音泄漏是指一定場所中聲音信息穿越圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如墻體、樓板、門、窗、通風(fēng)管道或這些構(gòu)件的綜合體，泄漏到另一空間被他人感知和理解的過程。

目前的聲音信息防護(hù)技術(shù)，主要是提高建筑隔聲量和增加聲掩蔽系統(tǒng)。提高建筑隔聲量可以通過裝配隔聲門、隔聲窗、管道消聲器，采用軟性材料對圍護(hù)結(jié)構(gòu)接口處密封，或者增加墻體厚度等方法實(shí)現(xiàn)，通常需要在建筑建造或裝修期間進(jìn)行。聲掩蔽系統(tǒng)通過在場所外播放一定強(qiáng)度的干擾噪聲，降低泄漏語音信息的可懂度，從而提高安全性。

2 聲音泄漏風(fēng)險(xiǎn)

聲音竊聽的方式包括侵入式和非侵入式。其中，侵入式是指竊聽者直接接觸到聲源場所的人員、場地、設(shè)備、物品、家具等實(shí)施的竊聽。比如，竊聽者以各種合法身份進(jìn)入聲源房間，隱蔽安裝竊密裝置和設(shè)備，竊錄聲音信息。而非侵入式則是指竊聽者利用泄漏的聲音信號實(shí)施竊聽，比如竊聽者利用定向聲音拾取探測設(shè)備，對目標(biāo)聲音進(jìn)行非接觸式竊收。

聲音信息穿越墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)而引起的泄漏程度，與3類因素有關(guān)：一是場所內(nèi)講話者或擴(kuò)音設(shè)備的音量，音量越大，泄漏的可能性越大；二是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲量，隔聲量越小，越容易泄漏；三是竊聽者受到的語音干擾，根據(jù)掩蔽效應(yīng)，掩蔽聲越大，竊聽者聽覺的可懂度越低。

2.1 聲音傳播基本特性

聲場是聲音振動在其中傳播的空間，聲音在液體和氣體介質(zhì)中的振動是縱向振動，會形成介質(zhì)的增厚和稀疏。聲源發(fā)出的振動，在介質(zhì)中傳播經(jīng)相同時間所到達(dá)的各點(diǎn)組成的面為波前。低于20Hz的頻率為次聲波，高于20kHz的頻率為超聲波。聲強(qiáng)是通過垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流，單位是W /m2。

（1）

對于平面波，能量流不會發(fā)散，聲強(qiáng)不會隨著聲源的距離而降低�？紤]分子衰減、流體粘度、灰塵、散射等原因，聲強(qiáng)會損失。但是由于這些損耗較小，當(dāng)聲波在短距離傳播時，可以忽略不計(jì)。因此，通常假設(shè)聲音強(qiáng)度以及聲壓不依賴于與聲源的距離。

圖1 球面波

對于球面波，由于波的發(fā)散，聲音強(qiáng)度會隨著與聲源的距離增加而減小，如圖1所示。如果不考慮介質(zhì)中的能量損失，則聲強(qiáng)會根據(jù)二次定律降低：

（2）

其中I1是距聲源單位長度（通常為1米）的強(qiáng)度。聲壓隨著離球面波中心距離的增加而減�。�

（3）

其中p1是距聲源中心單位長度的聲壓。

如果限制聲波發(fā)散到兩側(cè)，那么聲強(qiáng)的衰減也將減小。例如，在管道中傳播的聲波不會發(fā)散到側(cè)面，因此可以在較長路徑上保持較高的強(qiáng)度。當(dāng)聲音泄漏通過通風(fēng)管道傳播時，有可能在距離很遠(yuǎn)的地方竊聽到談話聲音。

人耳感知到的頻率范圍為20~20kHz，寬達(dá)10個倍頻程，但是聽覺分析的選擇性不高。聽力閾值是產(chǎn)生聲音感覺的純音（簡單正弦振蕩）聲壓的最小值。聽力閾值取決于頻率，在低頻方向，聽力閾值急劇上升，即為了在低頻出現(xiàn)聽覺，需要較高的聲壓。對于高頻，聽力閾值首先降低，然后開始以與低頻相同的方式升高。常見聲音的聲壓值如表1所示。

表1 距聲源1米的聲壓值

2.2 聲音泄漏的通道

聲音泄漏的通道分為4種，分別是空氣聲通道、聲音振動通道、聲光通道、聲電通道，如表2所示。

表2 聲音泄漏通道

2.2.1通過空氣聲通道泄漏

空氣聲通道泄漏主要包括3種方式。第一種是在目標(biāo)場所內(nèi)隱蔽安裝錄音設(shè)備，直接錄制語音，隨后竊聽者以人工方式取走。第二種是竊聽者在聲源場所外部，使用定向竊聽麥克風(fēng)接收場所泄漏的聲音信息。第三種是竊聽者在聲源場所隱蔽安裝竊聽設(shè)備，通過無線電，或者通過固定電纜、連接線、220伏電源線和電話線等信息通道傳輸聲音。

2.2.2通過聲音振動通道泄漏

聲音可以通過固體振動（如墻體、門、窗、管道等）傳播而發(fā)生泄漏。振動聲泄漏的主要特點(diǎn)是聲波首先作用于房間中的固體，然后再以固體傳聲方式傳遞到遠(yuǎn)端。竊聽者在聲源場所的相鄰房間通過隔墻竊聽器，或者通過通風(fēng)管道竊聽。

2.2.3 通過聲光通道泄密

竊聽者可以將激光照射在聲源場所的玻璃或聲源場所內(nèi)有反光標(biāo)示的物體上，拾取聲音引起的震動，在接收端進(jìn)行解調(diào)還原來實(shí)現(xiàn)竊聽，其最大優(yōu)點(diǎn)是無需在竊聽現(xiàn)場安裝竊聽器。新一代激光竊聽器基于漫反射原理，不再需要尋找激光反射的角度，直接接收散射回來的激光，即可實(shí)現(xiàn)竊聽。

2.2.4 通過聲電通道泄漏

竊聽者可通過聲電通道獲取聲源房間內(nèi)的聲音，當(dāng)高強(qiáng)度微波照射竊聽物體時，物體反射回波的強(qiáng)弱會隨著聲音的變化而變化。通過微波通道泄漏有2種方式：第一種是竊聽者將微型共振器隱蔽放置在聲源房間內(nèi)，在聲源房間外，用高功率發(fā)射機(jī)照射微型共振器，竊聽房間內(nèi)的聲音；第二種是竊聽者利用聲源房間內(nèi)有“麥克風(fēng)”效應(yīng)的物品，例如花瓶、高腳杯等形狀的中空制品，以及薄壁金屬制品（金屬板等），用高功率發(fā)射機(jī)照射這些物品，將聲音信息調(diào)制到微波信號上，反射回發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)竊聽。

2.3 超聲波泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

超聲波通道（頻率范圍為20~100kHz）可通過混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)將聲音信息傳輸?shù)酵獠�。但是由于超聲波振動沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳播的距離通常較短，一般情況下，可以不對超聲波通道進(jìn)行特殊檢測。但是，如果在聲源場所內(nèi)有超聲波振動的源頭，比如超聲波傳感報(bào)警器，聲音信號可能會對超聲波產(chǎn)生調(diào)制，調(diào)制后的超聲波會沿著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳播而造成泄漏。為防范這種情況，可以將聲掩蔽設(shè)備引入被保護(hù)的房間，以產(chǎn)生由語音信號調(diào)制的超聲波振動噪聲。

3 竊聽麥克風(fēng)

麥克風(fēng)是將聲振動轉(zhuǎn)換為電振動的傳感器。竊聽者為獲取最好的聲音效果，可以采用多種類型的竊聽麥克風(fēng)。采用何種麥克風(fēng)，需要重點(diǎn)考慮麥克風(fēng)的靈敏度、頻率響應(yīng)、方向特性等性能。靈敏度是麥克風(fēng)輸出端的電壓與作用在麥克風(fēng)上的聲壓之比。頻率響應(yīng)是靈敏度水平與頻率的關(guān)系。方向特性是麥克風(fēng)靈敏度與角度的關(guān)系，大多數(shù)麥克風(fēng)具有軸向?qū)ΨQ性，因此它們的方向性在通過麥克風(fēng)軸的所有平面中都是相同的。根據(jù)方向性特性，麥克風(fēng)分為全向麥克風(fēng)和定向麥克風(fēng)�？梢杂脴O坐標(biāo)來表示麥克風(fēng)的方向圖，如圖2所示，圖2中曲線1適用于小型麥克風(fēng)與長波長麥克風(fēng)（全向麥克風(fēng)），曲線2適用于麥克風(fēng)的直徑等于聲波的長度時。

圖2 麥克風(fēng)拾音模式

按照聲場作用力來分，竊聽麥克風(fēng)可分為壓強(qiáng)式、壓差式、壓強(qiáng)壓差組合式、線列式、管式、拋物面式、麥克風(fēng)陣列等。

3.1 壓強(qiáng)式麥克風(fēng)

壓強(qiáng)式麥克風(fēng)是利用聲場中壓強(qiáng)發(fā)生響應(yīng)原理做成的接收器，通常由一振膜固定在一封閉腔上構(gòu)成，如圖3所示。當(dāng)聲波入射時，振膜在腔外的一面受到聲壓的作用，在振膜上就產(chǎn)生合力，在此力的作用下，振膜產(chǎn)生運(yùn)動，將此振動轉(zhuǎn)換為電壓輸出，測量輸出電壓就可確定聲場中對應(yīng)的聲壓。

圖3 壓強(qiáng)式麥克風(fēng)示意圖

波長比麥克風(fēng)長的聲波會在麥克風(fēng)周圍彎曲，在這種情況下，方向性特性將是球形的，即麥克風(fēng)是全向的。如果麥克風(fēng)的尺寸比波長大時，則當(dāng)聲波沿其軸入射時，作用在振膜上的聲壓將大于從其他方向入射的聲壓。相對于波長，麥克風(fēng)的尺寸越大，指向性特性就會越強(qiáng)。

3.2 壓差式麥克風(fēng)

壓差式麥克風(fēng)是利用對聲場中相鄰2點(diǎn)的壓強(qiáng)差發(fā)生響應(yīng)的原理做成的接收器。在壓差式麥克風(fēng)中，通常有2個入聲口，振膜對來自兩側(cè)的聲波都開放。聲波傳到振膜兩面的距離不相同，因此振膜兩面存在壓差，如圖4所示。

圖4 壓差式麥克風(fēng)示意圖

由于波束路徑的差異，前波和后波之間的相位差，可以獲得振膜前表面和后表面之間的壓力差。壓差式麥克風(fēng)對于近源的靈敏度高于對遠(yuǎn)源的靈敏度，其方向圖為字形。

3.3 壓強(qiáng)壓差組合式麥克風(fēng)

為了獲得各種形式的方向性特征，通常將壓強(qiáng)式和壓差式接收器組合在一起，這就是壓強(qiáng)壓差組合式麥克風(fēng)，典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。在一個腔體的前面裝上振膜，腔體背壁開有一孔與外部相通，作為第二入聲口。p1為振膜前面的入射聲壓，p2為振膜后面的入射聲壓。通過改變各個接收器和線圈的參數(shù)，可以獲得各種指向性特征。

圖 5 壓強(qiáng)壓差組合式麥克風(fēng)示意圖

3.4 線列式麥克風(fēng)組

線列式麥克風(fēng)組，通常布置成一排水平直線，使得它們的軸線平行，如圖6所示，由于從很多入聲口傳到振膜的距離不同，聲波之間就要發(fā)生干涉，在振膜上的總聲壓與入聲口的分布有關(guān)。聲波以相同相位到達(dá)該組的所有入聲口，作用到振膜的合力與聲波的入射方向成復(fù)雜關(guān)系。當(dāng)時，麥克風(fēng)的指向性開始呈單向，當(dāng)時，指向性更尖銳。因此線列式麥克風(fēng)組具有很強(qiáng)的指向性，被稱為強(qiáng)指向傳聲器。強(qiáng)指向麥克風(fēng)具有更強(qiáng)的抗噪聲能力，特別適用于在噪聲環(huán)境中竊聽遠(yuǎn)距離的聲信號。

圖 6 線列式麥克風(fēng)組

3.5 管式麥克風(fēng)組

管式麥克風(fēng)組利用了組天線的特性，如圖7所示。這種麥克風(fēng)組結(jié)合了數(shù)十根細(xì)管，其長度從幾厘米到1米以上，管子成束來收集聲波。聲波到達(dá)角為，因?yàn)榧?xì)管具有不同的長度，如果細(xì)管間最小尺寸差為d，則聲波的最小路徑差是，聲波的相移為。聲波在n個細(xì)管中傳輸，匯集到振膜產(chǎn)生總聲壓。

圖7 管式麥克風(fēng)組

3.6 拋物面式麥克風(fēng)

拋物面式麥克風(fēng)組是帶有拋物面反射器的定向麥克風(fēng)，麥克風(fēng)反射器被放置在拋物面的焦點(diǎn)處，如圖8所示。從拋物面反射鏡反射的軸向聲波在焦點(diǎn)處相疊加，反射鏡的直徑越大，可以提供的聲壓增益越大。當(dāng)拋物面對準(zhǔn)聲音方向時，來自其他方向的噪聲被放大的程度低于聲音被放大的程度，這就相對增強(qiáng)了聲音。聲音到達(dá)軸的角度越大，衰減越強(qiáng)。實(shí)際中使用的拋物線形麥克風(fēng)的鏡面直徑通�？蛇_(dá)幾十厘米。

圖 8 拋物面式麥克風(fēng)

3.7 麥克風(fēng)陣列

麥克風(fēng)陣列是由按照特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布在空間的多個麥克風(fēng)組合而成，如圖9所示。麥克風(fēng)陣列仍然可以看作一個復(fù)雜的傳聲器，但不同的是麥克風(fēng)陣列不僅可以獲得聲音信號的時域信息，還可以獲得空域信息。麥克風(fēng)陣列信號處理的主要目標(biāo)是最大化利用空時信息提高接收端信號質(zhì)量。理想情況下，可認(rèn)為組成陣列的各陣元是各向同性的，且具有同樣的接收靈敏度。

圖 9 麥克風(fēng)陣列

4 竊聽效果的影響因素

對聲音信息的竊聽范圍，不僅受麥克風(fēng)參數(shù)的影響，還受這些設(shè)備使用條件的影響。

在開放區(qū)域，例如街道、庭院、公園等，通過1個或多個打開的窗戶竊聽聲源房間內(nèi)的談話時，影響竊聽距離的主要因素是聲音信號傳播所經(jīng)歷的衰減以及較高的背景噪聲。聲音信號衰減主要涉及以下5個因素。

（1）當(dāng)從有限尺寸的聲源在無限的介質(zhì)中傳播時，聲壓與傳播的距離（球面波）成反比。

（2）環(huán)境的不均勻性（雨滴、樹枝和其他障礙物）導(dǎo)致聲波的散射。

（3）聲音在大氣中的分布受湍流、溫度、壓力、風(fēng)強(qiáng)、風(fēng)速的影響，當(dāng)聲音撞擊具有不同特性的2層大氣之間的界面時，會導(dǎo)致聲線彎曲。在這種情況下，聲波被部分反射并部分穿透到另一層。

（4）聲音吸收與頻率相關(guān)。

（5）吸收程度隨相對濕度的降低而增加（例如，在濕度為50％時，頻率為10kHz的聲音信號每100米僅衰減14dB，當(dāng)濕度為15％時，聲衰減到28dB；風(fēng)、雨和雪導(dǎo)致每100米額外衰減8?10dB）。

因此，如果在夜間、清晨、多云天氣、水面附近、山區(qū)、冬季，或有從聲源的方向吹來的風(fēng)，則可能會擴(kuò)大竊聽范圍。在炎熱的晴天、降雪、下雨、森林、灌木叢和沙質(zhì)土壤環(huán)境下，尤其是有障礙物的情況下，聲音信號會被吸收。

房間內(nèi)聲波傳播的一個顯著特征是語音信號的聲場更加復(fù)雜，該聲場包括未經(jīng)任何反射的聲波“直接”產(chǎn)生的聲音成分和由多個反射聲音產(chǎn)生的疊加成分。在這種情況下，降低了使用定向麥克風(fēng)將聲音信號與背景噪聲隔離的優(yōu)勢，并且難以定位聲源。

5 防護(hù)措施

聲音泄漏途徑多，為做好聲音信息防護(hù)，管理要求和技術(shù)手段缺一不可。管理要求應(yīng)通過限制未經(jīng)授權(quán)的人員進(jìn)入特定聲源區(qū)域，防止其在振動聽覺區(qū)域以及可能傳播振動的區(qū)域中安裝竊聽裝置，具體措施包括：安裝出入口控制系統(tǒng)，安裝視頻監(jiān)控，對重要房間、地下室、通風(fēng)系統(tǒng)出口進(jìn)行鎖閉和密封，安裝入侵報(bào)警系統(tǒng)等。

技術(shù)手段旨在增強(qiáng)聲源場所的隔音和防振功能，常見手段包括以下6種。

（1）在聲源場所的入口裝飾吸音材料，門、窗邊緣進(jìn)行密封，可采用橡膠、泡沫、海綿和毛氈等材料。

（2）在通風(fēng)管道安裝消聲器。

（3）鋪設(shè)弱電系統(tǒng)、內(nèi)部布線、電氣設(shè)備、暖氣管、通風(fēng)管時，不應(yīng)降低封閉結(jié)構(gòu)的隔音效果。當(dāng)穿過建筑物的天花板時，應(yīng)安裝套管，并用吸音材料填充套管和管道之間的空隙。

（4）用隔音材料覆蓋暖氣片。

（5）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地板應(yīng)提供足夠的隔聲量。

（6）在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時，必須采取措施以確保通風(fēng)道壁的隔音。為此，建議將通風(fēng)管放置在封閉的風(fēng)道內(nèi)，并用吸音材料填充風(fēng)管和風(fēng)道壁之間的空隙。

如果無法達(dá)到所需的房屋隔音效果，則應(yīng)使用聲掩蔽方法，這是保護(hù)語音信息的重要補(bǔ)充。聲掩蔽系統(tǒng)對聲音信息防護(hù)的本質(zhì)是在聲源場所外部和封閉結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生振動噪聲，其噪聲水平使竊聽者無法從“信號+噪聲”中提取出有用的信息。

聲掩蔽系統(tǒng)可由白色或粉紅色噪聲源、放大設(shè)備、揚(yáng)聲器和振動器組成。在振動器中，可以使用將電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動的各種方法。發(fā)出噪音的揚(yáng)聲器應(yīng)放置在柵欄（窗戶、門、通風(fēng)口等）的高度。聲掩蔽系統(tǒng)噪音水平不應(yīng)超過人體健康要求，不得影響正常工作。最好使用自適應(yīng)系統(tǒng)，其噪聲水平可根據(jù)房間內(nèi)的音量自動調(diào)整，同時應(yīng)防止未經(jīng)授權(quán)的人員對聲掩蔽系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作。

（原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年3月刊）