【摘 要】 聲音是資訊存在的一種形式，聲音泄漏是資訊泄露的途徑之一。本文系統分析了聲音泄露的途徑和被竊聽的風險，研究了竊聽麥克風特性，提出了聲音資訊防護措施建議。
【關鍵詞】 聲音泄漏 聲音防護 麥克風陣列
1 引言
聲音是資訊存在的一種形式。聲音泄漏是指一定場所中聲音資訊穿越圍護結構，如墻體、樓板、門、窗、通風管道或這些構件的綜合體，泄漏到另一空間被他人感知和理解的過程。
目前的聲音資訊防護技術，主要是提高建築隔聲量和增加聲掩蔽系統。提高建築隔聲量可以透過裝配隔聲門、隔聲窗、管道消聲器，采用軟性材料對圍護結構介面處密封，或者增加墻體厚度等方法實作，通常需要在建築建造或裝修期間進行。聲掩蔽系統透過在場所外播放一定強度的幹擾雜訊，降低泄漏語音資訊的可懂度，從而提高安全性。
2 聲音泄漏風險
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、裝置、物品、家具等實施的竊聽。比如，竊聽者以各種合法身份進入聲源房間，隱蔽安裝竊密裝置和裝置，竊錄聲音資訊。而非侵入式則是指竊聽者利用泄漏的聲音訊號實施竊聽，比如竊聽者利用定向聲音拾取探測裝置，對目標聲音進行非接觸式竊收。
聲音資訊穿越墻體等圍護結構而引起的泄漏程度，與3類因素有關：一是場所內講話者或擴音裝置的音量，音量越大，泄漏的可能性越大；二是圍護結構的隔聲量，隔聲量越小，越容易泄漏；三是竊聽者受到的語音幹擾，根據掩蔽效應，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，聲音在液體和瓦斯介質中的振動是縱向振動，會形成介質的增厚和稀疏。聲源發出的振動，在介質中傳播經相同時間所到達的各點組成的面為波前。低於20Hz的頻率為次聲波，高於20kHz的頻率為超音波。聲強是透過垂直於聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流，單位是W /m2。
(1)
對於平面波，能量流不會發散，聲強不會隨著聲源的距離而降低。考慮分子衰減、流體粘度、灰塵、散射等原因，聲強會損失。但是由於這些損耗較小，當聲波在短距離傳播時，可以忽略不計。因此，通常假設聲音強度以及聲壓不依賴於與聲源的距離。
圖1 球面波
對於球面波，由於波的發散，聲音強度會隨著與聲源的距離增加而減小，如圖1所示。如果不考慮介質中的能量損失，則聲強會根據二次定律降低：
(2)
其中I1是距聲源單位長度(通常為1公尺)的強度。聲壓隨著離球面波中心距離的增加而減小：
(3)
其中p1是距聲源中心單位長度的聲壓。
如果限制聲波發散到兩側，那麽聲強的衰減也將減小。例如，在管道中傳播的聲波不會發散到側面，因此可以在較長路徑上保持較高的強度。當聲音泄漏透過通風管道傳播時，有可能在距離很遠的地方竊聽到談話聲音。
人耳感知到的頻率範圍為20~20kHz，寬達10個倍頻程，但是聽覺分析的選擇性不高。聽力閾值是產生聲音感覺的純音(簡單正弦振蕩)聲壓的最小值。聽力閾值取決於頻率，在低頻方向，聽力閾值急劇上升，即為了在低頻出現聽覺，需要較高的聲壓。對於高頻，聽力閾值首先降低，然後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公尺的聲壓值
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透過空氣聲通道泄漏
空氣聲通道泄漏主要包括3種方式。第一種是在目標場所內隱蔽安裝錄音裝置，直接錄制語音，隨後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接收場所泄漏的聲音資訊。第三種是竊聽者在聲源場所隱蔽安裝竊聽裝置，透過無線電，或者透過固定電纜、連線線、220伏電源線和電話線等資訊通道傳輸聲音。
2.2.2透過聲音振動通道泄漏
聲音可以透過固體振動(如墻體、門、窗、管道等)傳播而發生泄漏。振動聲泄漏的主要特點是聲波首先作用於房間中的固體，然後再以固體傳聲方式傳遞到遠端。竊聽者在聲源場所的相鄰房間透過隔墻竊聽器，或者透過通風管道竊聽。
2.2.3 透過聲光通道泄密
竊聽者可以將雷射照射在聲源場所的玻璃或聲源場所內有反光標示的物體上，拾取聲音引起的震動，在接收端進行解調還原來實作竊聽，其最大優點是無需在竊聽現場安裝竊聽器。新一代雷射竊聽器基於漫反射原理，不再需要尋找雷射反射的角度，直接接收散射回來的雷射，即可實作竊聽。
2.2.4 透過聲電通道泄漏
竊聽者可透過聲電通道獲取聲源房間內的聲音，當高強度微波照射竊聽物體時，物體反射回波的強弱會隨著聲音的變化而變化。透過微波通道泄漏有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，在聲源房間外，用高功率發射機照射微型共振器，竊聽房間內的聲音；第二種是竊聽者利用聲源房間內有「麥克風」效應的物品，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)，用高功率發射機照射這些物品，將聲音資訊調變到微波訊號上，反射回發射機，實作竊聽。
2.3 超音波泄漏風險分析
超音波通道(頻率範圍為20~100kHz)可透過混凝土圍護結構將聲音資訊傳輸到外部。但是由於超音波振動沿圍護結構傳播的距離通常較短，一般情況下，可以不對超音波通道進行特殊檢測。但是，如果在聲源場所內有超音波振動的源頭，比如超音波傳感報警器，聲音訊號可能會對超音波產生調變，調變後的超音波會沿著圍護結構的傳播而造成泄漏。為防範這種情況，可以將聲掩蔽裝置引入被保護的房間，以產生由語音訊號調變的超音波振動雜訊。
3 竊聽麥克風
麥克風是將聲振動轉換為電振動的傳感器。竊聽者為獲取最好的聲音效果，可以采用多種型別的竊聽麥克風。采用何種麥克風，需要重點考慮麥克風的靈敏度、頻率響應、方向特性等效能。靈敏度是麥克風輸出端的電壓與作用在麥克風上的聲壓之比。頻率響應是靈敏度水平與頻率的關系。方向特性是麥克風靈敏度與角度的關系，大多數麥克風具有軸向對稱性，因此它們的方向性在透過麥克風軸的所有平面中都是相同的。根據方向性特性，麥克風分為全向麥克風和定向麥克風。可以用極座標來表示麥克風的方向圖，如圖2所示，圖2中曲線1適用於小型麥克風與長波長麥克風(全向麥克風)，曲線2適用於麥克風的直徑等於聲波的長度時。
圖2 麥克風拾音模式
按照聲場作用力來分，竊聽麥克風可分為壓力式、壓差式、壓力壓差組合式、線列式、管式、拋物面式、麥克風陣列等。
3.1 壓力式麥克風
壓力式麥克風是利用聲場中壓力發生響應原理做成的接收器，通常由一振膜固定在一封閉腔上構成，如圖3所示。當聲波入射時，振膜在腔外的一面受到聲壓的作用，在振膜上就產生合力，在此力的作用下，振膜產生運動，將此振動轉換為電壓輸出，測量輸出電壓就可確定聲場中對應的聲壓。
圖3 壓力式麥克風示意圖
波長比麥克風長的聲波會在麥克風周圍彎曲，在這種情況下，方向性特性將是球形的，即麥克風是全向的。如果麥克風的尺寸比波長大時，則當聲波沿其軸入射時，作用在振膜上的聲壓將大於從其他方向入射的聲壓。相對於波長，麥克風的尺寸越大，指向性特性就會越強。
3.2 壓差式麥克風
壓差式麥克風是利用對聲場中相鄰2點的壓力差發生響應的原理做成的接收器。在壓差式麥克風中，通常有2個入聲口，振膜對來自兩側的聲波都開放。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 壓差式麥克風示意圖
由於波束路徑的差異，前波和後波之間的相位差，可以獲得振膜前表面和後表面之間的壓力差。壓差式麥克風對於近源的靈敏度高於對遠源的靈敏度，其方向圖為字形。
3.3 壓力壓差組合式麥克風
為了獲得各種形式的方向性特征，通常將壓力式和壓差式接收器組合在一起，這就是壓力壓差組合式麥克風，典型結構如圖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為振膜後面的入射聲壓。透過改變各個接收器和線圈的參數，可以獲得各種指向性特征。
圖 5 壓力壓差組合式麥克風示意圖
3.4 線列式麥克風組
線列式麥克風組，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，由於從很多入聲口傳到振膜的距離不同，聲波之間就要發生幹涉，在振膜上的總聲壓與入聲口的分布有關。聲波以相同相位到達該組的所有入聲口，作用到振膜的合力與聲波的入射方向成復雜關系。當時，麥克風的指向性開始呈單向，當時，指向性更尖銳。因此線列式麥克風組具有很強的指向性，被稱為強指向傳聲器。強指向麥克風具有更強的抗雜訊能力，特別適用於在雜訊環境中竊聽遠距離的聲訊號。
圖 6 線列式麥克風組
3.5 管式麥克風組
管式麥克風組利用了組天線的特性，如圖7所示。這種麥克風組結合了數十根細管，其長度從幾厘米到1公尺以上，管子成束來收集聲波。聲波到達角為，因為細管具有不同的長度，如果細管間最小尺寸差為d，則聲波的最小路徑差是，聲波的相移為。聲波在n個細管中傳輸，匯集到振膜產生總聲壓。
圖7 管式麥克風組
3.6 拋物面式麥克風
拋物面式麥克風組是帶有拋物面反射器的定向麥克風，麥克風反射器被放置在拋物面的焦點處，如圖8所示。從拋物面反射鏡反射的軸向聲波在焦點處相疊加，反射鏡的直徑越大，可以提供的聲壓增益越大。當拋物面對準聲音方向時，來自其他方向的雜訊被放大的程度低於聲音被放大的程度，這就相對增強了聲音。聲音到達軸的角度越大，衰減越強。實際中使用的拋物線形麥克風的鏡面直徑通常可達幾十厘米。
圖 8 拋物面式麥克風
3.7 麥克風陣列
麥克風陣列是由按照特定的拓撲結構分布在空間的多個麥克風組合而成，如圖9所示。麥克風陣列仍然可以看作一個復雜的傳聲器，但不同的是麥克風陣列不僅可以獲得聲音訊號的時域資訊，還可以獲得空域資訊。麥克風陣列訊號處理的主要目標是最大化利用空時資訊提高接收端訊號品質。理想情況下，可認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 麥克風陣列
4 竊聽效果的影響因素
對聲音資訊的竊聽範圍，不僅受麥克風參數的影響，還受這些裝置使用條件的影響。
在開放區域，例如街道、庭院、公園等，透過1個或多個開啟的窗戶竊聽聲源房間內的談話時，影響竊聽距離的主要因素是聲音訊號傳播所經歷的衰減以及較高的背景雜訊。聲音訊號衰減主要涉及以下5個因素。
(1)當從有限尺寸的聲源在無限的介質中傳播時，聲壓與傳播的距離(球面波)成反比。
(2)環境的不均勻性(雨滴、樹枝和其他障礙物)導致聲波的散射。
(3)聲音在大氣中的分布受亂流、溫度、壓力、風強、風速的影響，當聲音撞擊具有不同特性的2層大氣之間的界面時，會導致聲線彎曲。在這種情況下，聲波被部份反射並部份穿透到另一層。
(4)聲音吸收與頻率相關。
(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的聲音訊號每100公尺僅衰減14dB，當濕度為15%時，聲衰減到28dB；風、雨和雪導致每100公尺額外衰減8〜10dB)。
因此，如果在夜間、清晨、多雲天氣、水面附近、山區、冬季，或有從聲源的方向吹來的風，則可能會擴大竊聽範圍。在炎熱的晴天、降雪、下雨、森林、灌木叢和沙質土壤環境下，尤其是有障礙物的情況下，聲音訊號會被吸收。
房間內聲波傳播的一個顯著特征是語音訊號的聲場更加復雜，該聲場包括未經任何反射的聲波「直接」產生的聲音成分和由多個反射聲音產生的疊加成分。在這種情況下，降低了使用定向麥克風將聲音訊號與背景雜訊隔離的優勢，並且難以定位聲源。
5 防護措施
聲音泄漏途徑多，為做好聲音資訊防護，管理要求和技術手段缺一不可。管理要求應透過限制未經授權的人員進入特定聲源區域，防止其在振動聽覺區域以及可能傳播振動的區域中安裝竊聽裝置，具體措施包括：安裝出入口控制系統，安裝視訊監控，對重要房間、地下室、通風系統出口進行鎖閉和密封，安裝入侵報警系統等。
技術手段旨在增強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、窗邊緣進行密封，可采用橡膠、泡沫、海綿和毛氈等材料。
(2)在通風管道安裝消聲器。
(3)鋪設弱電系統、內部布線、電氣裝置、暖氣管、通風管時，不應降低封閉結構的隔音效果。當穿過建築物的天花板時，應安裝套管，並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)建築圍護結構和地板應提供足夠的隔聲量。
(6)在設計通風系統時，必須采取措施以確保通風道壁的隔音。為此，建議將通風管放置在封閉的風道內，並用吸音材料填充風管和風道壁之間的空隙。
如果無法達到所需的房屋隔音效果，則應使用聲掩蔽方法，這是保護語音資訊的重要補充。聲掩蔽系統對聲音資訊防護的本質是在聲源場所外部和封閉結構的表面產生振動雜訊，其雜訊水平使竊聽者無法從「訊號+雜訊」中提取出有用的資訊。
聲掩蔽系統可由白色或粉紅色雜訊源、放大裝置、喇叭和振動器組成。在振動器中，可以使用將電訊號轉換成機械振動的各種方法。發出噪音的喇叭應放置在柵欄(窗戶、門、通風口等)的高度。聲掩蔽系統噪音水平不應超過人體健康要求，不得影響正常工作。最好使用自適應系統，其雜訊水平可根據房間內的音量自動調整，同時應防止未經授權的人員對聲掩蔽系統進行控制和操作。
(原載於【保密科學技術】雜誌2023年3月刊)
