 |
Источники образования технических каналов утечки информации
|
|
|
|
Индуктивные акустоэлектрические преобразователи
Если в поле постоянного магнита поместить катушку индуктивности (рамку) и вращать ее хотя бы под воздействием воздушного потока, то на ее выходе появится ЭДС индукции.
Воздушный поток переменной плотности возникает и при разговоре человека. Поэтому в соответствии с разговором (под воздействием его воздушного потока) будет вращаться катушка (рамка), что вызовет пропорционально изменяющуюся ЭДС индукции на ее концах. Таким образом, можно связать акустическое воздействие на провод в магнитном поле с возникающей ЭДС индукции на его концах ‑ это типичный пример из группы индукционных акустических преобразователей. Представителем этой группы является, например, электродинамический преобразователь (рис. 3).
Рис. 3. Устройство электродинамического преобразователя
|
Рассмотрим акустическое воздействие на катушку индуктивности с сердечником. Механизм и условия возникновения ЭДС индукции в такой катушке сводятся к следующему. Под воздействием акустического давления появляется вибрация корпуса и обмотки катушки. Вибрация вызывает колебания проводов обмотки в магнитном поле, что и приводит к появлению ЭДС индукции на концах катушки:
| (16) |
где Фс — магнитный поток, замыкающийся через сердечник; Фв — магнитный поток, замыкающийся через обмотки по воздуху.
ЭДС зависит от вектора магнитной индукции, магнитной проницаемости сердечника, угла между вектором и осью катушки, угла между вектором и осью сердечника и площадей поперечных сечений сердечника и катушки. Индуктивные преобразователи подразделяются на электромагнитные, электродинамические и магнитострикционные. К электромагнитным преобразователям относятся такие устройства, как громкоговорители, электрические звонки (в том числе и вызывные звонки телефонных аппаратов), электрорадиоизмерительные приборы. Примером непосредственного использования этого эффекта для целей акустического преобразования является электродинамический микрофон (рис. 4).
|
|
|
ЭДС на выходе катушки определяется по формуле
| (17) |
где 
— индуктивность; здесь k — коэффициент, зависящий от соотношения параметров; l — длина намотки катушки; μ0 — магнитная проницаемость; S — площадь поперечного сечения катушки; ω — число витков катушки.
Рис. 4. Электродинамический микрофон
|
Возникновение ЭДС на выходе такого преобразователя принято называть микрофонным эффектом. Можно утверждать, что микрофонный эффект может проявляться как в электродинамической, так и в электромагнитной, конденсаторной и других конструкциях, широко используемых в акустоэлектрических преобразователях самого различного назначения и исполнения.
Емкостные преобразователи
Емкостные преобразовывающие элементы превращают изменение емкости в изменение электрического потенциала, тока, напряжения.
Для простейшего конденсатора, состоящего из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика (воздух, парафин и др.), емкость определяется по формуле:
| (18) |
где e — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь поверхности каждой пластины; d — расстояние между пластинами.
Из этого соотношения следует, что емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами. При наличии в цепи емкости постоянного источника тока и нагрузки воздействующее на пластины акустическое давление, изменяя расстояние между пластинами, приводит к изменению емкости. Изменение емкости приводит к изменению сопротивления цепии соответственно, к падению напряжения на сопротивлении нагрузки пропорционально акустическому давлению. Эти зависимости используются в конструкции конденсаторных микрофонов. Принципиальная схема конденсаторного микрофона приведена на рис. 5.
|
|
|
Когда на микрофон действует волназвукового давления Р, диафрагма Д движется относительно неподвижного электрода — жесткой пластины П. Это движение вызывает переменное изменение электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, а следовательно, производит соответствующий электрический сигнал на выходе.
Рис. 5. Устройство конденсаторного микрофона
|
Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком являются одним из основных элементов перестраиваемых колебательных контуров генераторных систем. Они устроены так, что одна система пластин вдвигается в другую систему пластин, образующих конденсатор переменной емкости. На такой конденсатор акустическое давление оказывается довольно просто, изменяя его емкость, а следовательно, и характеристики устройства, в котором он установлен, приводя к появлению неконтролируемого канала утечки информации.
Микрофонный эффект
Электромеханический вызывной звонок телефонного аппарата — типичный представитель индуктивного акустоэлектрического преобразователя, микрофонный эффект которого проявляется при положенной микротелефонной трубке. На рис. 6 приведена схема телефонного аппарата, а на рис. 7 — схема вызывного звонка.
Рис. 6. Схема телефонного аппарата
|
Рис. 7. Схема вызывного звонка
|
ЭДС микрофонного эффекта звонка может быть определена по формуле:
| (19) |
где р — акустическое давление; 
— акустическая чувствительность звонка; здесь F — магнитодвижущая сила постоянного магнита; S — площадь якоря (пластины); m0 — магнитная проницаемость сердечника; w — число витков катушки; SM — площадь плоского наконечника; d — значение зазора; zM — механическое сопротивление.
На таком же принципе (электромеханического вызывного звонка) образуется микрофонный эффект и в отдельных типах электромеханических реле различного назначения (рис. 8). Акустические колебания воздействуют на якорь реле. Колебания якоря изменяют магнитный поток реле, замыкающийся по воздуху, что приводит к появлению на выходе катушки реле ЭДС микрофонного эффекта.
|
|
|
Рис. 8. Схема работы реле: КС — контактная система; К — катушка; С ‑ сердечник
|
Рис. 9. Схема громкоговорителя
|
Динамические головки прямого излучения, устанавливаемые в абонентских громкоговорителях, имеют достаточно высокую чувствительность к акустическому воздействию (2–3 мВ/Па) и довольно равномерную в речевом диапазоне частот амплитудно-частотную характеристику, что обеспечивает высокую разборчивость речевых сигналов. Схема динамической головки представленана рис. 9. ЭДС микрофонного эффекта динамической головки:
| (20) |
где 
— акустическая чувствительность; здесь l — длина проводника, движущегося в магнитном поле с индукцией В; S — площадь поверхности, подверженной влиянию давления акустического поля; zM — механическое сопротивление.
Известно, что абонентские громкоговорители бывают однопрограммные и многопрограммные. В частности, у нас в стране находят достаточно широкое распространение трехпрограммные абонентские громкоговорители.
Наличие сложной электронной схемы построения трехпрограммных громкоговорителей (обратные связи, взаимные переходы, гетеродины) способствует прямому проникновению сигнала, наведенного динамической головкой, на выход устройства (в линию). Не исключается и излучение наведенного сигнала на частотах гетеродинов (78 и 120 кГц).
Исполнительное устройство вторичных электрочасов представляет собой шаговый электродвигатель, управляемый трехсекундными разнополярными импульсами напряжением ±24 В, поступающими с интервалом 57 с от первичных электрочасов.
Микрофонный эффект вторичных часов, обусловленный акустическим эффектом шагового электродвигателя, проявляется в основном в интервалах ожидания импульсов управления. Схематически устройство шагового двигателя представлено на рис. 10.
Рис. 10. Устройство шагового двигателя
|
Степень проявления микрофонного эффекта вторичных электрочасов существенно зависит от их конструкции: в пластмассовом, деревянном или металлическом корпусе; с открытым или закрытым механизмом; с жестким или "мягким" креплением.
|
|
|
В магнитоэлектрическом измерительном приборе имеются неподвижный постоянный магнит и подвижная рамка, которая поворачивается вокруг своей оси под воздействием собственного магнитного поля, создаваемого измеряемым напряжением, и магнитного поля постоянного магнита. Рамка соединена со стрелкой, конец которой перемещается по шкале измерения (рис. 11).
Рис. 11. Устройство магнитоэлектрического измерительного прибора
|
Если акустические колебания воздействуют на рамку, она вращается под их давлением и на ее концах возникает ЭДС индукции.
Практически аналогичная ситуация будет при воздействии акустических колебаний на электромагнитный измерительный прибор. Различие между магнитоэлектрическим и электромагнитным приборами сводится к тому, что в электромагнитном приборе вместо постоянного магнита используется электромагнит.
Следует отметить, что ЭДС микрофонного эффекта возникает и может использоваться в состоянии покоя прибора, когда он не используется для конкретных измерений.
Представителем индукционных акустоэлектрических преобразователей являются различные трансформаторы (повышающие, понижающие, входные, выходные, питания и др.).
Трансформатор состоит из замкнутого сердечника из мягкой стали или феррита, на котором имеются как минимум две изолированные друг от друга катушки (обмотки) с разными числами витков.
Акустическое влияние на сердечник и обмотку трансформатора (например,на входной трансформатор усилителя звуковых частот) приведет к появлению микрофонного эффекта. Если ЭДС индукции появляется в первичной обмотке, то во вторичной обмотке она увеличивается на значение коэффициента трансформации.
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 магнитное взаимодействие частиц особенно велико.
Обратное по отношению к магнитострикции явление — Виллари‑эффект (изменение намагничиваемости тела при его деформации). Виллари‑эффект обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика, определяющей его намагниченность. В усилителях с очень большим коэффициентом усиления входной трансформатор на ферритах при определенных условиях вследствие магнитострикционного эффекта способен преобразовывать механические колебания в электрические.
|
|
|
Пьезоэлектрический эффект
Изучение свойств твердых диэлектриков показало, что некоторые из них поляризуются не только с помощью электрического поля, но и в процессе деформации при механических воздействиях на них. Поляризация диэлектрика при механическом воздействии на него называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект имеется у кристаллов кварца и у всех сегнетоэлектриков. Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные.
У пьезокристаллов наблюдается и обратное явление. Если пластину, вырезаннуюиз пьезокристалла, поместить в электрическое поле, зарядив металлические обкладки, то она поляризуется и деформируется, например сжимается. При перемене направления внешнего электрического поля сжатие пластинки сменяется ее растяжением (расширением). Такое явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Чтобы воспринять изменение заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластины, которые фактически образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется соотношением:
| (21) |
где Q — заряд; U— напряжение.
На практике в качестве пьезоэлектрического материала применяются кристаллы кварца, рочелиевая соль, синтетические кристаллы (сульфат лития) и поляризованная керамика (титанат бария).
Кварцевые пластины широко используются в пьезоэлектрических микрофонах, охранных датчиках, стабилизаторах генераторов незатухающих колебаний. На рис. 12 показано устройство пьезоэлектрического микрофона. Когда звуковое давление Р отклоняет диафрагму 1, ее движение вызывает деформацию пьезоэлектрической пластины 2, которая, в свою очередь, вырабатывает электрический сигнал на выходных контактах.
Рис. 12. Устройство пьезоэлектрического микрофона
|
|
|
|
