声音泄漏及防护技术研究_李广森.pdf

1 引言声 音 是 信 息 存 在 的 一 种 形 式。声 音泄 漏 是 指 一 定 场 所 中 声 音 信 息 穿 越 围 护结 构，如 墙 体、楼 板、门、窗、通 风 管道 或 这 些 构 件 的 综 合 体，泄 漏 到 另 一 空间被他人感知和理解的过程1。目 前 的 声 音 信 息 防 护 技 术，主 要 是提 高 建 筑 隔 声 量 和 增 加 声 掩 蔽 系 统。提 高 建 筑 隔 声 量 可 以 通 过 装 配 隔 声门、隔 声 窗、管 道 消 声 器，采 用 软 性【摘 要】声音是信息存在的一种形式，声音泄漏是信息泄露的途径之一。本文系统分析了声音泄露的途径和被窃听的风险，研究了窃听麦克风特性，提出了声音信息防护措施建议。【关键词】声音泄漏 声音防护 麦克风阵列【中图分类号】TN912.26；TU112 【文献标识码】A材料对围护结构 接 口 处 密 封，或 者 增 加墙 体 厚 度 等方法实现，通常需要在建筑建造或装 修 期 间 进 行。声掩蔽系统通过在 场 所 外 播 放 一 定 强 度 的 干 扰 噪 声，降低 泄 漏 语 音 信 息 的 可 懂 度，从 而 提 高 安全性。2 声音泄漏风险声 音 窃 听 的 方 式 包 括 侵 入 式 和 非 侵入 式。其 中，侵 入 式 是 指 窃 听 者 直 接 接声音泄漏及防护技术研究 李广森 李鹏程 /解放军信息安全测评认证中心40|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划触 到 声 源 场 所 的 人 员、场 地、设 备、物品、家 具 等 实 施 的 窃 听。比 如，窃 听 者以 各 种 合 法 身 份 进 入 声 源 房 间，隐 蔽 安装 窃 密 装 置 和 设 备，窃 录 声 音 信 息。而非 侵 入 式 则 是 指 窃 听 者 利 用 泄 漏 的 声 音信 号 实 施 窃 听，比 如 窃 听 者 利 用 定 向 声音 拾 取 探 测 设 备，对 目 标 声 音 进 行 非 接触式窃收2。声 音 信 息 穿 越 墙 体 等 围 护 结 构 而 引起 的 泄 漏 程 度，与3类 因 素 有 关：一 是场 所 内 讲 话 者 或 扩 音 设 备 的 音 量，音 量越 大，泄 漏 的 可 能 性 越 大；二 是 围 护 结构 的 隔 声 量，隔 声 量 越 小，越 容 易 泄漏；三 是 窃 听 者 受 到 的 语 音 干 扰，根 据掩 蔽 效 应，掩 蔽 声 越 大，窃 听 者 听 觉 的可懂度越低。2.1 声音传播基本特性声 场 是 声 音 振 动 在 其 中 传 播 的 空间，声 音 在 液 体 和 气 体 介 质 中 的 振 动是 纵 向 振 动，会 形 成 介 质 的 增 厚 和 稀疏。声 源 发 出 的 振 动，在 介 质 中 传 播经 相 同 时 间 所 到 达 的 各 点 组 成 的 面 为波 前。低 于2 0H z的 频 率 为 次 声 波，高 于2 0k H z的 频 率 为 超 声 波。声 强 是通 过 垂 直 于 声 传 播 方 向 的 单 位 面 积 上的 平 均 声 能 量 流，单 位 是W/m23。（1）对 于 平 面 波，能 量 流 不 会 发 散，声强 不 会 随 着 声 源 的 距 离 而 降 低。考 虑 分子 衰 减、流 体 粘 度、灰 尘、散 射 等 原因，声 强 会 损 失。但 是 由 于 这 些 损 耗 较小，当 声 波 在 短 距 离 传 播 时，可 以 忽 略不 计。因 此，通 常 假 设 声 音 强 度 以 及 声压不依赖于与声源的距离。对 于 球 面 波，由 于 波 的 发 散，声 音强 度 会 随 着 与 声 源 的 距 离 增 加 而 减 小，如 图1所 示。如 果 不 考 虑 介 质 中 的 能 量损 失，则 声 强 会 根 据 二 次 定 律 降 低：（2）其 中I1是 距 声 源 单 位 长 度（通 常 为1米）的 强 度。声 压 随 着 离 球 面 波 中 心距离的增加而减小：（3）其 中p1是 距 声 源 中 心 单 位 长 度 的声 压。如 果 限 制 声 波 发 散 到 两 侧，那 么 声强 的 衰 减 也 将 减 小。例 如，在 管 道 中 传播 的 声 波 不 会 发 散 到 侧 面，因 此 可 以 在较 长 路 径 上 保 持 较 高 的 强 度。当 声 音 泄漏 通 过 通 风 管 道 传 播 时，有 可 能 在 距 离很远的地方窃听到谈话声音。人耳感知到的频率范围为2020kHz，宽 达1 0个 倍 频 程，但 是 听 觉 分 析 的 选择 性 不 高。听 力 阈 值 是 产 生 声 音 感 觉 的纯 音（简 单 正 弦 振 荡）声 压 的 最 小 值。图1 球面波II1r2023 年 3 月|保密科学技术|41特别策划听 力 阈 值 取 决 于 频 率，在 低 频 方 向，听力 阈 值 急 剧 上 升，即 为 了 在 低 频 出 现 听觉，需 要 较 高 的 声 压。对 于 高 频，听 力阈 值 首 先 降 低，然 后 开 始 以 与 低 频 相 同的 方 式 升 高。常 见 声 音 的 声 压 值 如 表1所示4。2.2 声音泄漏的通道声 音 泄 漏 的 通 道 分 为4种，分 别 是空 气 声 通 道、声 音 振 动 通 道、声 光 通道、声电通道，如表2所示。2.2.1 通过空气声通道泄漏空 气 声 通 道 泄 漏 主 要 包 括3种 方式。第 一 种 是 在 目 标 场 所 内 隐 蔽 安 装录 音 设 备，直 接 录 制 语 音，随 后 窃 听者 以 人 工 方 式 取 走。第 二 种 是 窃 听 者在 声 源 场 所 外 部，使 用 定 向 窃 听 麦 克风 接 收 场 所 泄 漏 的 声 音 信 息。第 三 种是 窃 听 者 在 声 源 场 所 隐 蔽 安 装 窃 听 设备，通 过 无 线 电，或 者 通 过 固 定 电 缆、连 接 线、2 2 0伏 电 源 线 和 电 话 线 等 信 息通道传输声音。2.2.2 通过声音振动通道泄漏声 音 可 以 通 过 固 体 振 动（如 墙 体、门、窗、管 道 等）传 播 而 发 生 泄 漏。振动 声 泄 漏 的 主 要 特 点 是 声 波 首 先 作 用 于房 间 中 的 固 体，然 后 再 以 固 体 传 声 方 式传 递 到 远 端。窃 听 者 在 声 源 场 所 的 相 邻房 间 通 过 隔 墙 窃 听 器，或 者 通 过 通 风 管道窃听。2.2.3 通过声光通道泄密窃 听 者 可 以 将 激 光 照 射 在 声 源 场所 的 玻 璃 或 声 源 场 所 内 有 反 光 标 示 的物 体 上，拾 取 声 音 引 起 的 震 动，在 接收 端 进 行 解 调 还 原 来 实 现 窃 听，其 最大 优 点 是 无 需 在 窃 听 现 场 安 装 窃 听器。新 一 代 激 光 窃 听 器 基 于 漫 反 射 原理，不 再 需 要 寻 找 激 光 反 射 的 角 度，直 接 接 收 散 射 回 来 的 激 光，即 可 实 现窃 听。2.2.4 通过声电通道泄漏窃 听 者 可 通 过 声 电 通 道 获 取 声 源 房间 内 的 声 音，当 高 强 度 微 波 照 射 窃 听 物体 时，物 体 反 射 回 波 的 强 弱 会 随 着 声音 的 变 化 而 变 化。通 过 微 波 通 道 泄 漏 有2种 方 式：第 一 种 是 窃 听 者 将 微 型 共 振器 隐 蔽 放 置 在 声 源 房 间 内，在 声 源 房 间外，用 高 功 率 发 射 机 照 射 微 型 共 振 器，窃 听 房 间 内 的 声 音；第 二 种 是 窃 听 者 利用 声 源 房 间 内 有“麦 克 风”效 应 的 物品，例 如 花 瓶、高 脚 杯 等 形 状 的 中 空 制品，以 及 薄 壁 金 属 制 品（金 属 板 等），用 高 功 率 发 射 机 照 射 这 些 物 品，将 声 音信 息 调 制 到 微 波 信 号 上，反 射 回 发 射机，实现窃听。2.3 超声波泄漏风险分析超声波通道（频率范围为20100kHz）可通过混凝土围 护 结 构 将 声 音 信 息 传 输到 外 部。但 是 由 于 超 声 波 振 动 沿 围 护 结表1 距声源1米的声压值声 源声压（dB）耳语，安静的谈话20 50普通对话50 60大声说话，尖叫60 70演说者70 801瓦动态扬声器9442|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划构 传 播 的 距 离 通 常 较 短，一 般 情 况 下，可 以 不 对 超 声 波 通 道 进 行 特 殊 检 测。但是，如 果 在 声 源 场 所 内 有 超 声 波 振 动 的源 头，比 如 超 声 波 传 感 报 警 器，声 音 信号 可 能 会 对 超 声 波 产 生 调 制，调 制 后 的超 声 波 会 沿 着 围 护 结 构 的 传 播 而 造 成 泄漏。为 防 范 这 种 情 况，可 以 将 声 掩 蔽 设备 引 入 被 保 护 的 房 间，以 产 生 由 语 音 信号调制的超声波振动噪声。3 窃听麦克风麦 克 风 是 将 声 振 动 转 换 为 电 振 动的 传 感 器。窃 听 者 为 获 取 最 好 的 声 音效 果，可 以 采 用 多 种 类 型 的 窃 听 麦 克风。采 用 何 种 麦 克 风，需 要 重 点 考 虑麦 克 风 的 灵 敏 度、频 率 响 应、方 向 特性 等 性 能。灵 敏 度 是 麦 克 风 输 出 端 的电 压 与 作 用 在 麦 克 风 上 的 声 压 之 比。频 率 响 应 是 灵 敏 度 水 平 与 频 率 的 关系。方 向 特 性 是 麦 克 风 灵 敏 度 与 角 度的 关 系，大 多 数 麦 克 风 具 有 轴 向 对 称性，因 此 它 们 的 方 向 性 在 通 过 麦 克 风轴 的 所 有 平 面 中 都 是 相 同 的。根 据 方向 性 特 性，麦 克 风 分 为 全 向 麦 克 风 和定 向 麦 克 风。可 以 用 极 坐 标 来 表 示 麦克 风 的 方 向 图，如 图2所 示，图2中 曲线1适 用 于 小 型 麦 克 风 与 长 波 长 麦 克 风（全 向 麦 克 风），曲 线2适 用 于 麦 克 风的 直 径 等 于 声 波 的 长 度 时。按 照 声 场 作 用 力 来 分，窃 听 麦 克风可分为压强式、压差式、压强压差组合式、线列式、管式、抛物面式、麦克风阵列等。3.1 压强式麦克风压 强 式 麦 克 风 是 利 用 声 场 中 压 强 发生 响 应 原 理 做 成 的 接 收 器，通 常 由 一振 膜 固 定 在 一 封 闭 腔 上 构 成，如 图3所示。当 声 波 入 射 时，振 膜 在 腔 外 的 一 面受 到 声 压 的 作 用，在 振 膜 上 就 产 生 合表2 声音泄漏通道泄漏通道泄漏方法窃听方式空气声通道隐蔽安装录音设备侵入方式定向麦克风接收房间泄漏的声音信息非侵入方式在声源场所隐蔽安装窃密设备，通过无线电、固定电缆、连接线、220伏电源线和电话线等信息通道传输声音侵入方式声音振动通道隔墙窃听非侵入方式管道窃听非侵入方式声光通道激光窃听非侵入方式声电通道微型共振器侵入方式利用“麦克风”效应物体非侵入方式2023 年 3 月|保密科学技术|43特别策划力，在 此 力 的 作 用 下，振 膜 产 生 运 动，将 此 振 动 转 换 为 电 压 输 出，测 量 输 出 电压就可确定声场中对应的声压。波 长 比 麦 克 风 长 的 声 波 会 在 麦 克 风周 围 弯 曲，在 这 种 情 况 下，方 向 性 特 性将 是 球 形 的，即 麦 克 风 是 全 向 的。如果 麦 克 风 的 尺 寸 比 波 长 大 时，则 当 声 波沿 其 轴 入 射 时，作 用 在 振 膜 上 的 声 压 将大 于 从 其 他 方 向 入 射 的 声 压。相 对 于 波长，麦 克 风 的 尺 寸 越 大，指 向 性 特 性 就会越强。3.2 压差式麦克风压 差 式 麦 克 风 是 利 用 对 声 场 中 相邻2点 的 压 强 差 发 生 响 应 的 原 理 做成 的 接 收 器。在 压 差 式 麦 克 风 中，通常 有2个 入 声 口，振 膜 对 来 自 两 侧 的 声波 都 开 放。声 波 传 到 振 膜 两 面 的 距 离 不相 同，因 此 振 膜 两 面 存 在 压 差，如 图4所示。由 于 波 束 路 径 的 差 异，前 波 和 后波 之 间 的 相 位 差，可 以 获 得 振 膜 前 表 面和 后 表 面 之 间 的 压 力 差。压 差 式 麦 克风 对 于 近 源 的 灵 敏 度 高 于 对 远 源 的 灵 敏度，其方向图为字形。3.3 压强压差组合式麦克风为 了 获 得 各 种 形 式 的 方 向 性 特 征，通 常 将 压 强 式 和 压 差 式 接 收 器 组 合 在 一起，这 就 是 压 强 压 差 组 合 式 麦 克 风，典型 结 构 如 图5所 示。在 一 个 腔 体 的 前 面装 上 振 膜，腔 体 背 壁 开 有 一 孔 与 外 部 相通，作 为 第 二 入 声 口。p1为 振 膜 前 面 的入 射 声 压，p2为 振 膜 后 面 的 入 射 声 压。通 过 改 变 各 个 接 收 器 和 线 圈 的 参 数，可以获得各种指向性特征。图2 麦克风拾音模式 图3 压强式麦克风示意图图4 压差式麦克风示意图R()R(0)0-90090180 12pp1p244|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划3.4 线列式麦克风组线 列 式 麦 克 风 组，通 常 布 置 成 一 排水 平 直 线，使得它们的轴线平行，如图6所 示，由 于 从 很 多 入 声 口 传 到 振 膜 的距 离 不 同，声 波 之 间 就 要 发 生 干 涉，在振 膜 上 的 总 声 压 与 入 声 口 的 分 布 有 关。声 波 以 相 同 相 位 到 达 该 组 的 所 有 入 声口，作 用 到 振 膜 的 合 力 与 声 波 的 入 射 方向 成 复 杂 关 系。当时，麦 克 风 的 指向 性 开 始 呈 单 向，当时，指 向 性 更尖锐。因此线列式麦克风组具 有 很 强 的指 向 性，被 称 为 强 指 向 传 声 器。强 指向 麦 克 风 具 有 更 强 的 抗 噪 声 能 力，特别 适 用 于 在 噪 声 环 境 中 窃 听 远 距 离 的声 信 号。3.5 管式麦克风组管 式 麦 克 风 组 利 用 了 组 天 线 的 特性，如 图7所 示。这 种 麦 克 风 组 结 合 了数 十 根 细 管，其 长 度 从 几 厘 米 到1米 以上，管 子 成 束 来 收 集 声 波。声 波 到 达角 为，因 为 细 管 具 有 不 同 的 长 度，如果 细 管 间 最 小 尺 寸 差 为d，则 声 波 的 最小 路 径 差 是，声 波 的 相 移 为。声波在n个细管中传输，汇集到振膜产生总声压。3.6 抛物面式麦克风抛 物 面 式 麦 克 风 组 是 带 有 抛 物 面 反射 器 的 定 向 麦 克 风，麦 克 风 反 射 器 被放 置 在 抛 物 面 的 焦 点 处，如 图8所 示。从 抛 物 面 反 射 镜 反 射 的 轴 向 声 波 在 焦点 处 相 叠 加，反 射 镜 的 直 径 越 大，可以 提 供 的 声 压 增 益 越 大。当 抛 物 面 对准 声 音 方 向 时，来 自 其 他 方 向 的 噪声 被 放 大 的 程 度 低 于 声 音 被 放 大 的 程度，这 就 相 对 增 强 了 声 音。声 音 到 达轴 的 角 度 越 大，衰 减 越 强。实 际 中 使用 的 抛 物 线 形 麦 克 风 的 镜 面 直 径 通 常可 达 几 十 厘 米。图 5 压强压差组合式麦克风示意图图 6 线列式麦克风组图 7 管式麦克风组p1p2b d12342023 年 3 月|保密科学技术|45特别策划3.7 麦克风阵列麦克风阵列是由按照特定的拓扑结构分布在空间的多个麦克风组合而成5，如 图9所 示。麦 克 风 阵 列 仍 然 可 以 看 作一 个 复 杂 的 传 声 器，但 不 同 的 是 麦 克风 阵 列 不 仅 可 以 获 得 声 音 信 号 的 时 域 信息，还 可 以 获 得 空 域 信 息。麦 克 风 阵 列信 号 处 理 的 主 要 目 标 是 最 大 化 利 用 空 时信 息 提 高 接 收 端 信 号 质 量6。理 想 情况 下，可 认 为 组 成 阵 列 的 各 阵 元 是 各 向同性的，且具有同样的接收灵敏度。4 窃听效果的影响因素对 声 音 信 息 的 窃 听 范 围，不 仅 受 麦克 风 参 数 的 影 响，还 受 这 些 设 备 使 用 条件的影响。在 开 放 区 域，例 如 街 道、庭 院、公园 等，通 过1个 或 多 个 打 开 的 窗 户 窃 听声 源 房 间 内 的 谈 话 时，影 响 窃 听 距 离 的主 要 因 素 是 声 音 信 号 传 播 所 经 历 的 衰 减以 及 较 高 的 背 景 噪 声。声 音 信 号 衰 减 主要涉及以下5个因素。（1）当 从 有 限 尺 寸 的 声 源 在 无 限的 介 质 中 传 播 时，声 压 与 传 播 的 距 离（球面波）成反比。（2）环 境 的 不 均 匀 性（雨 滴、树枝和其他障碍物）导致声波的散射。（3）声 音 在 大 气 中 的 分 布 受 湍流、温 度、压 力、风 强、风 速 的 影 响，当 声 音 撞 击 具 有 不 同 特 性 的2层 大 气 之间 的 界 面 时，会 导 致 声 线 弯 曲。在 这 种情 况 下，声 波 被 部 分 反 射 并 部 分 穿 透 到另一层。（4）声音吸收与频率相关。（5）吸 收 程 度 随 相 对 湿 度 的 降 低而 增 加（例 如，在 湿 度 为5 0 时，频率 为1 0k H z的 声 音 信 号 每1 0 0米 仅 衰减1 4d B，当 湿 度 为1 5 时，声 衰 减 到2 8d B；风、雨 和 雪 导 致 每1 0 0米 额 外衰减810dB）。因 此，如 果 在 夜 间、清 晨、多 云 天气、水 面 附 近、山 区、冬 季，或 有 从 声源 的 方向吹来的风，则可能会扩大窃听范围。在炎热的晴天、降雪、下雨、森林、灌木丛和沙质土壤环境下，尤其是有障碍物的情况下，声音信号会被吸收。房 间 内 声 波 传 播 的 一 个 显 着 特 征 是语 音 信 号 的 声 场 更 加 复 杂，该 声 场 包 括图 8 抛物面式麦克风图 9 麦克风阵列12344 xyz46|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划未 经 任 何 反 射 的 声 波“直 接”产 生 的声 音 成 分 和 由 多 个 反 射 声 音 产 生 的 叠 加成 分。在 这 种 情 况 下，降 低 了 使 用 定 向麦 克 风 将 声 音 信 号 与 背 景 噪 声 隔 离 的 优势，并且难以定位声源。5 防护措施声 音 泄 漏 途 径 多，为 做 好 声 音 信 息防 护，管 理 要 求 和 技 术 手 段 缺 一 不 可。管 理 要 求 应 通 过 限 制 未 经 授 权 的 人 员 进入 特 定 声 源 区 域，防 止 其 在 振 动 听 觉 区域 以 及 可 能 传 播 振 动 的 区 域 中 安 装 窃 听装 置，具 体 措 施 包 括：安 装 出 入 口 控 制系 统，安 装 视 频 监 控，对 重 要 房 间、地下 室、通 风 系 统 出 口 进 行 锁 闭 和 密 封，安装入侵报警系统等。技 术 手 段 旨 在 增 强 声 源 场 所 的 隔 音和防振功能，常见手段包括以下6种。（1）在 声 源 场 所 的 入 口 装 饰 吸 音材 料，门、窗 边 缘 进 行 密 封，可 采 用 橡胶、泡沫、海绵和毛毡等材料。（2）在通风管道安装消声器。（3）铺 设 弱 电 系 统、内 部 布 线、电 气 设 备、暖 气 管、通 风 管 时，不 应 降低 封 闭 结 构 的 隔 音 效 果。当 穿 过 建 筑 物的 天 花 板 时，应 安 装 套 管，并 用 吸 音 材料填充套管和管道之间的空隙。（4）用隔音材料覆盖暖气片。（5）建 筑 围 护 结 构 和 地 板 应 提 供足够的隔声量。（6）在 设 计 通 风 系 统 时，必 须 采取 措 施 以 确 保 通 风 道 壁 的 隔 音。为 此，建 议 将 通 风 管 放 置 在 封 闭 的 风 道 内，并用 吸 音 材 料 填 充 风 管 和 风 道 壁 之 间 的空 隙。如 果 无 法 达 到 所 需 的 房 屋 隔 音 效果，则 应 使 用 声 掩 蔽 方 法，这 是 保 护 语音 信 息 的 重 要 补 充。声 掩 蔽 系 统 对 声 音信 息 防 护 的 本 质 是 在 声 源 场 所 外 部 和 封闭 结 构 的 表 面 产 生 振 动 噪 声，其 噪 声 水平 使 窃 听 者 无 法 从“信 号+噪 声”中 提取出有用的信息。声 掩 蔽 系 统 可 由 白 色 或 粉 红 色 噪 声源、放 大 设 备、扬 声 器 和 振 动 器 组 成。在 振 动 器 中，可 以 使 用 将 电 信 号 转 换 成机 械 振 动 的 各 种 方 法。发 出 噪 音 的 扬 声器 应 放 置 在 栅 栏（窗 户、门、通 风 口等）的 高 度。声 掩 蔽 系 统 噪 音 水 平 不 应超 过 人 体 健 康 要 求，不 得 影 响 正 常 工作。最 好 使 用 自 适 应 系 统，其 噪 声 水 平可 根 据 房 间 内 的 音 量 自 动 调 整，同 时 应防 止 未 经 授 权 的 人 员 对 声 掩 蔽 系 统 进 行控制和操作。参考文献1 朱大立,朱海涛,范伟.保密要害部门部位安全保密防护探析 J.保密科学技术.2011(5):22-25.2 苗春卫,王思叶,冯维淼.保密会议室声音防护技术研究 J.保密科学技术.2011(5):26-30.3 杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础(第3版)M.南京:南京大学出版社,2012.4 秦佑国,王炳麟.建筑声环境(第2版)M.北京:清华大学出版社,1999.5 张政.基于麦克风阵列声信号定向拾取的研 究D.石家庄:河北科技大学,2019.6 邹霞,周彬.麦克风阵列信号处理 M.北京:国防工业出版社,2016.2023 年 3 月|保密科学技术|47特别策划