聲掩蔽防護(hù)技術(shù)研究

【摘 要】 聲音作為信息存在、傳遞和表達(dá)的第一載體，存在場(chǎng)合多，承載信息豐富。聲掩蔽技術(shù)作為一種主動(dòng)聲干擾防護(hù)技術(shù)，在保護(hù)聲音私密性、防止聲音泄密中具有廣泛的應(yīng)用。本文從聲掩蔽基本原理、掩蔽效應(yīng)分類(lèi)、掩蔽信號(hào)分類(lèi)和聲掩蔽系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面介紹了聲掩蔽技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 聲掩蔽 主動(dòng)聲干擾 聲泄漏防護(hù)

1 引言

信息是一個(gè)國(guó)家或企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵因素，通常以聲音、光、電磁等信號(hào)形式存在、傳遞和表達(dá)。聲音作為信息存在、傳遞和表達(dá)的第一載體，是社會(huì)交際、思想交流的工具，存在場(chǎng)合多，承載信息豐富。因此，如何對(duì)敏感信息進(jìn)行有效地安全防護(hù)，防止以聲音為信息載體的失泄密行為成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

聲掩蔽技術(shù)作為一種主動(dòng)聲干擾防護(hù)技術(shù)，是降低語(yǔ)音可懂度（語(yǔ)音信息被正確理解的程度）、保護(hù)語(yǔ)音私密性的必要措施之一，它主要通過(guò)發(fā)射人耳可聽(tīng)頻段內(nèi)的干擾信號(hào)，利用聲掩蔽效應(yīng)來(lái)掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，導(dǎo)致目標(biāo)語(yǔ)音不被聽(tīng)到或可懂度降低。本文將從聲掩蔽基本原理、掩蔽效應(yīng)分類(lèi)、掩蔽信號(hào)分類(lèi)和聲掩蔽系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面對(duì)其進(jìn)行介紹。

2 聲掩蔽基本原理

聲掩蔽技術(shù)是保護(hù)聲音私密性、防止聲音泄密的重要措施。如圖1所示，聲掩蔽通過(guò)將掩蔽聲信號(hào)填充目標(biāo)區(qū)域來(lái)提高目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境背景聲音，利用聲掩蔽效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音的目的。

圖1 聲掩蔽系統(tǒng)工作示意圖

聲掩蔽效應(yīng)是一種與人耳聽(tīng)覺(jué)有關(guān)的聲學(xué)效應(yīng)，人耳能在寂靜的環(huán)境中分辨出輕微的聲音，但在嘈雜的環(huán)境中，輕微的聲音會(huì)被嘈雜聲所淹沒(méi)，這種由于嘈雜聲音的存在使得輕微聲音聽(tīng)閾提高的現(xiàn)象稱(chēng)為聲掩蔽效應(yīng)。如圖2所示，圖中黑色實(shí)線為正常情況下人耳的聽(tīng)力閾值，低于此閾值的聲音人耳是聽(tīng)不到的；圖中藍(lán)色被掩蔽頻率樣本（需要被掩蔽的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)），由于其聲壓級(jí)高于人耳聽(tīng)力閾值，該信號(hào)對(duì)于人耳是可聽(tīng)的。但當(dāng)聲掩蔽系統(tǒng)發(fā)射圖中紅線所示的掩蔽聲時(shí)，掩蔽聲的存在將人耳的聽(tīng)力閾值由黑色實(shí)線提高到了黑色虛線，此時(shí)，藍(lán)線代表的被掩蔽信號(hào)的聲壓級(jí)低于新的人耳聽(tīng)力閾值，變得不再能被人耳聽(tīng)到。掩蔽信號(hào)的存在使得人耳聽(tīng)力閾值的提高量即黑色虛線與黑色實(shí)線的差值被稱(chēng)為聲掩蔽量。與人耳類(lèi)似，竊聽(tīng)設(shè)備獲得的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量也會(huì)因掩蔽聲的存在而受到干擾。

圖2 聲掩蔽原理圖

從圖2中還可以看出，掩蔽信號(hào)不僅會(huì)提高掩蔽聲信號(hào)所在頻段的人耳聽(tīng)力閾值，還會(huì)提高其相鄰頻段的聽(tīng)力閾值，但其掩蔽能力（聲掩蔽量）會(huì)隨著目標(biāo)信號(hào)頻率與掩蔽信號(hào)頻率差值的增大而降低。人類(lèi)語(yǔ)音信號(hào)的能量主要集中在100Hz~8kHz之間，因此，為了獲得最優(yōu)的掩蔽能力，一般聲掩蔽系統(tǒng)發(fā)射的掩蔽干擾聲頻率范圍也在100Hz~8kHz之間。

聲掩蔽效應(yīng)除上述特征外還具有以下特征：低音容易掩蔽高音，高音較難掩蔽低音；提高掩蔽聲的聲壓級(jí)時(shí)，聲掩蔽量會(huì)提高，而且被掩蔽的頻率范圍也會(huì)擴(kuò)展。

3 聲掩蔽效應(yīng)分類(lèi)

考慮被掩蔽信號(hào)和掩蔽信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，掩蔽效應(yīng)可以分為同時(shí)性掩蔽和序列性掩蔽。當(dāng)掩蔽信號(hào)和被掩蔽信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，稱(chēng)為同時(shí)性掩蔽；當(dāng)掩蔽信號(hào)領(lǐng)先于或者滯后于被掩蔽信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，即2種聲音信號(hào)非同時(shí)出現(xiàn)，稱(chēng)為序列性掩蔽。聲音信號(hào)大多時(shí)候是非穩(wěn)態(tài)的瞬時(shí)信號(hào)，聲壓級(jí)隨著時(shí)間變化很快，即強(qiáng)音后面跟著弱音，弱音后面又可能跟著強(qiáng)音。由于聽(tīng)覺(jué)具有記憶功能，比較強(qiáng)的聲音往往會(huì)掩蔽隨后到來(lái)的較弱音。另外，聽(tīng)覺(jué)對(duì)聲音的感覺(jué)需要一個(gè)建立過(guò)程，會(huì)有一定的延遲，而聽(tīng)覺(jué)對(duì)于較強(qiáng)聲音感覺(jué)的建立要快于對(duì)較弱聲音感覺(jué)的建立，所以存在先到達(dá)的較弱聲音會(huì)被后到達(dá)的較強(qiáng)聲音掩蔽的現(xiàn)象。根據(jù)掩蔽信號(hào)與被掩蔽聲音信號(hào)出現(xiàn)的先后關(guān)系，序列性掩蔽還可以分為前向掩蔽和后向掩蔽。一般來(lái)說(shuō)，同時(shí)掩蔽性效應(yīng)最強(qiáng)，掩蔽量最大；前向掩蔽效應(yīng)要大于后向掩蔽效應(yīng)，前向掩蔽發(fā)生作用的時(shí)間遠(yuǎn)大于后向掩蔽的時(shí)間。

根據(jù)掩蔽聲在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的作用位置，聲掩蔽還可以分為能量掩蔽和信息掩蔽。能量掩蔽主要是指掩蔽信號(hào)對(duì)目標(biāo)語(yǔ)音在聽(tīng)覺(jué)外周的干擾，而信息掩蔽則主要是指掩蔽信號(hào)對(duì)目標(biāo)語(yǔ)音在聽(tīng)覺(jué)中樞的干擾。傳統(tǒng)的噪聲干擾對(duì)目標(biāo)語(yǔ)音的掩蔽是能量掩蔽，其掩蔽性能直接與掩蔽信號(hào)和被掩蔽信號(hào)之間的譜重疊程度相關(guān)。信息掩蔽是指由于掩蔽聲音和被掩蔽聲音具有相似性而競(jìng)爭(zhēng)人腦語(yǔ)音知覺(jué)加工資源，或者是由掩蔽聲音的可懂度在認(rèn)知層次上占用用于加工被掩蔽聲音的資源。聲掩蔽效應(yīng)分類(lèi)如表1所示。

表1 聲掩蔽效應(yīng)分類(lèi)

4 掩蔽信號(hào)分類(lèi)

聲掩蔽技術(shù)的核心理念就是以聲抑聲，它通過(guò)向空間內(nèi)增加一種均衡舒適的掩蔽信號(hào)，在保持說(shuō)話人感官舒適性的前提下，降低潛在泄密位置的語(yǔ)音可懂度，提高說(shuō)話人語(yǔ)音的隱私性和保密性。根據(jù)掩蔽聲源信號(hào)種類(lèi)，聲掩蔽可以分為背景音樂(lè)掩蔽、背景噪聲掩蔽和相干目標(biāo)語(yǔ)音掩蔽3種。

背景音樂(lè)掩蔽就是將音樂(lè)作為掩蔽聲源，部署在聲音泄漏、竊聽(tīng)及傳輸途徑中。但這種掩蔽會(huì)造成新的聲音干擾，因?yàn)橐魳?lè)是有意義的聲音，如果放置在正常語(yǔ)音聲源附近作為掩蔽聲，十分容易引起說(shuō)話人的關(guān)注，對(duì)說(shuō)話人之間正常的工作交流造成影響。

背景噪聲掩蔽就是利用白噪聲、粉紅噪聲、模擬空調(diào)/新風(fēng)系統(tǒng)噪聲和其他類(lèi)型的噪聲，以及它們互相混合的噪聲信號(hào)作為掩蔽聲音，不同的背景噪聲具有不同的掩蔽能力。背景噪聲掩蔽的問(wèn)題在于其掩蔽語(yǔ)音方面的效率不高，要求在聲音可能泄漏或竊聽(tīng)的位置，掩蔽信號(hào)的聲壓級(jí)必須高于目標(biāo)語(yǔ)音的聲壓級(jí)才能達(dá)到掩蔽的效果，但是過(guò)高的噪聲能量會(huì)對(duì)說(shuō)話人造成影響。

相干目標(biāo)語(yǔ)音法就是將言語(yǔ)信號(hào)，甚至是與目標(biāo)語(yǔ)音相干的言語(yǔ)信號(hào)作為掩蔽聲音，它主要是一種信息掩蔽，其掩蔽效果及掩蔽效率跟掩蔽信號(hào)與目標(biāo)語(yǔ)音的相似性有關(guān)。研究表明，掩蔽信號(hào)和目標(biāo)語(yǔ)音的高相似性可以提高掩蔽效果，造成更多的信息掩蔽，被測(cè)試人很難區(qū)分來(lái)自同一性別的語(yǔ)音信號(hào)，但比較容易區(qū)分不同性別的語(yǔ)音信號(hào)，而且將目標(biāo)說(shuō)話人的其他語(yǔ)音信號(hào)（如將目標(biāo)說(shuō)話人的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)形成的反轉(zhuǎn)信號(hào)或逐幀處理形成的語(yǔ)譜言語(yǔ)、調(diào)制語(yǔ)譜言語(yǔ)及音段反轉(zhuǎn)言語(yǔ)）作為掩蔽信號(hào)，能夠有效地掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音，其掩蔽作用優(yōu)于其他說(shuō)話人的語(yǔ)音信號(hào)。總之，基于相干目標(biāo)語(yǔ)音的掩蔽信號(hào)對(duì)于降低語(yǔ)音可懂度和保護(hù)語(yǔ)音私密性方面具有廣泛的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步深入研究。

圖3 聲掩蔽系統(tǒng)未工作時(shí)竊聽(tīng)設(shè)備記錄的目標(biāo)

語(yǔ)音信號(hào)波形（上圖）及語(yǔ)譜圖（下圖）

圖4 聲掩蔽系統(tǒng)發(fā)射的白噪聲信號(hào)波形（上圖）

及語(yǔ)譜圖（下圖）

圖5 聲掩蔽系統(tǒng)干擾后竊聽(tīng)設(shè)備記錄的目標(biāo)語(yǔ)音

信號(hào)波形（上圖）及語(yǔ)譜圖（下圖）

圖3—圖5給出了背景噪聲掩蔽中聲掩蔽系統(tǒng)未工作和工作時(shí)竊聽(tīng)設(shè)備記錄信號(hào)的波形及語(yǔ)譜圖。其中，圖3為聲掩蔽系統(tǒng)未工作時(shí)，竊聽(tīng)設(shè)備記錄的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，可以看出，語(yǔ)音信號(hào)主要能量集中在8kHz以下，且語(yǔ)音信號(hào)存在明顯的基音周期及共振峰。圖4為聲掩蔽系統(tǒng)發(fā)射的干擾白噪聲信號(hào)波形及語(yǔ)譜圖。圖5為聲掩蔽系統(tǒng)工作時(shí)，竊聽(tīng)設(shè)備記錄的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)波形及語(yǔ)譜圖。對(duì)比圖5和圖3可以看出，聲掩蔽系統(tǒng)發(fā)射的白噪聲提高了環(huán)境的背景噪聲級(jí)，降低了竊聽(tīng)設(shè)備記錄信號(hào)的信噪比，圖3中一些語(yǔ)音的基音頻率及共振峰已被掩蔽噪聲掩蓋，掩蔽聲的存在一定程度上降低了目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)的可懂度。但是，單純的白噪聲掩蔽信號(hào)的掩蔽效果較差，圖5中藍(lán)色虛框內(nèi)的一些語(yǔ)音基音頻率和共振峰仍存在，通過(guò)這些基音頻率和共振峰仍可以恢復(fù)部分目標(biāo)語(yǔ)音信息。為了完全掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，需要進(jìn)一步增大掩蔽聲的發(fā)射功率，但是較強(qiáng)的掩蔽聲干擾會(huì)嚴(yán)重降低說(shuō)話人的舒適性。因此，掩蔽信號(hào)需要兼顧舒適性及掩蔽性，在同等掩蔽聲壓級(jí)的情況下，應(yīng)合理選擇和設(shè)計(jì)聲掩蔽信號(hào)以降低目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)的可懂度，提高目標(biāo)語(yǔ)音的保密性，達(dá)到較高的聲掩蔽效率與性能。

5 聲掩蔽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于聲掩蔽原理和掩蔽信號(hào)分類(lèi)，目前，聲掩蔽的研究主要集中在兩方面，一方面是掩蔽聲源或掩蔽信號(hào)的選擇和產(chǎn)生上，另一方面是掩蔽系統(tǒng)的組合優(yōu)化上。在可能存在聲音泄漏或竊聽(tīng)的位置、途徑上選擇合適的掩蔽聲源，并對(duì)掩蔽聲源的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能達(dá)到最佳的掩蔽效果。

鑒于當(dāng)前大多數(shù)竊聽(tīng)設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，竊密者可以對(duì)竊聽(tīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析處理，利用掩蔽信號(hào)和目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)的差異性，通過(guò)信號(hào)處理手段將目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)從包含掩蔽聲信號(hào)的竊聽(tīng)數(shù)據(jù)中分離或者還原出來(lái)；甚至可以在掩蔽聲系統(tǒng)發(fā)聲器旁邊專(zhuān)門(mén)放置一個(gè)用于竊取掩蔽聲信號(hào)的竊聽(tīng)設(shè)備，將竊取的掩蔽聲信號(hào)作為參考信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)抵消等信號(hào)處理手段對(duì)竊取信號(hào)中的掩蔽聲干擾信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)抵消處理，進(jìn)而還原出目標(biāo)語(yǔ)音。為了保證掩蔽聲系統(tǒng)的掩蔽質(zhì)量，掩蔽聲源發(fā)射的掩蔽聲信號(hào)需要具有抗消除性，掩蔽聲不能由單一簡(jiǎn)單的信號(hào)構(gòu)成，需要由音樂(lè)聲、各種噪聲或人類(lèi)言語(yǔ)聲以及它們相互組合的干擾信號(hào)組成。

此外，聲掩蔽系統(tǒng)往往包括一個(gè)或多個(gè)聲源，因此需要對(duì)聲源的布放位置進(jìn)行提前設(shè)計(jì)，使得掩蔽聲場(chǎng)分布均勻，即掩蔽區(qū)域內(nèi)的掩蔽信號(hào)聲壓級(jí)盡量一致，而不會(huì)出現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)掩蔽信號(hào)強(qiáng)度差距較大的情況。而且，聲掩蔽控制系統(tǒng)還能夠根據(jù)說(shuō)話人的位置和需要掩蔽的區(qū)域，實(shí)時(shí)計(jì)算并動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)聲源的掩蔽聲信號(hào)發(fā)射幅度和相位，通過(guò)相位控制和幅度控制技術(shù)，在特定方位或區(qū)域產(chǎn)生干擾，提高作用距離，以達(dá)到最優(yōu)的掩蔽效果。

6 結(jié)語(yǔ)

聲掩蔽技術(shù)主要利用聲掩蔽效應(yīng)，通過(guò)發(fā)射人耳可聽(tīng)頻段的掩蔽聲來(lái)實(shí)現(xiàn)掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音的目的。本文介紹了聲掩蔽基本原理、掩蔽效應(yīng)分類(lèi)、掩蔽信號(hào)分類(lèi)和聲掩蔽系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。提高掩蔽聲源級(jí)能達(dá)到強(qiáng)的掩蔽效果，但由于掩蔽信號(hào)對(duì)人耳可聽(tīng)，強(qiáng)掩蔽聲也會(huì)降低說(shuō)話人的舒適度，進(jìn)而影響正常的語(yǔ)音交流。實(shí)際應(yīng)用中，在說(shuō)話人可承受的掩蔽聲源級(jí)下，進(jìn)一步設(shè)計(jì)更高掩蔽性能、對(duì)人耳更舒適的掩蔽信號(hào)，并對(duì)聲掩蔽系統(tǒng)各聲壓進(jìn)行優(yōu)化組合控制是提高聲掩蔽效果的主要途徑。同時(shí)，聲音泄密途徑多、竊聽(tīng)設(shè)備安裝位置未知，依靠單一的技術(shù)手段無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信息的安全防護(hù)，因此需要采用多種聲泄漏防護(hù)技術(shù)，充分利用各種防護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，避開(kāi)其劣勢(shì)，才能達(dá)到最好的綜合防護(hù)效果。

（原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年1月刊）