超声波干扰声泄漏防护技术研究_张海鱼.pdf

1 引言随 着 科 学 技 术 的 发 展，录 音 设 备快 速 呈 现 小 型 化 和 多 样 化，智 能 手机、录 音 笔、摄 像 头（具 有 录 音 功能）等 设 备 以 体 积 小、易 携 带 等 优 点【摘 要】智能手机等便携式录音设备的广泛应用使得信息被窃听或偷录的风险进一步增大，有效防范窃听或偷录等导致的语音信息泄露行为成为当前亟需解决的问题。超声波干扰技术作为一种主动干扰声防护技术，主要是利用人耳对超声波无法感知但是窃听或录音设备麦克风却可以感知的特点，通过让干扰设备发射超声波，实现对窃听或录音设备进行干扰的目的。由于干扰信号频率高于人耳可听频率范围，超声波干扰器工作时不会对周边人群的正常交流产生影响，因此，超声波干扰技术在声泄漏防护方面具有巨大的应用潜力。本文主要对超声波干扰技术工作原理及其优缺点进行介绍。【关键词】超声波干扰 声泄漏防护技术 非线性特性【中图分类号】TN912.26 【文献标识码】A被 广 泛 用 于 记 录 生 活 或 工 作 内 容。这些 录 音 设 备 的 广 泛 使 用 在 给 人 们 带 来便 利 的 同 时，也 为 各 类 窃 听、偷 录 行为 提 供 了 可 乘 之 机，给 国 家 秘 密、商业 秘 密 和 个 人 隐 私 等 信 息 安 全 带 来 极大 隐 患。近 年 来，国 内 外 频 繁 出 现 各超声波干扰声泄漏防护技术研究 张海鱼 谢明哲 /国家保密科技测评中心26|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划种 语 音 信 息 泄 露 事 件，比 如 黑 客 利 用远 程 摄 像 头 中 的 麦 克 风 监 听 人 们 日 常的 对 话 内 容 等。因 此，语 音 信 息 安 全受 到 越 来 越 多 的 重 视 与 关 注。超 声 波干 扰 技 术 作 为 一 种 主 动 干 扰 声 防 护 技术，主 要 是 利 用 人 耳 对 超 声 波 无 法 感知 但 是 窃 听 或 录 音 设 备 麦 克 风 却 可 以感 知 的 特 点，通 过 让 干 扰 设 备 发 射 超声 波，实 现 对 窃 听 或 录 音 设 备 进 行 干扰 的 目 的。由 于 干 扰 信 号 频 率 高 于 人耳 可 听 频 率 范 围，超 声 波 干 扰 器 工 作时 不 会 对 周 边 人 群 的 正 常 交 流 产 生 影响，因 此，超 声 波 干 扰 技 术 在 声 泄 漏防 护 方 面 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力。2 声泄漏防护技术声 泄 漏 防 护 的 目 的 是 保 证 声 音 不 被非 授 权 听 到 或 者 理 解，防 护 措 施 可 以分 为 被 动 物 理 防 护 和 主 动 干 扰 防 护。被 动 物 理 防 护 是 指 通 过 物 理 手 段 把 声音 封 闭 在 特 定 的 范 围 内，降 低 泄 漏 到不 可 控 区 域 的 声 音 强 度 或 信 号 质 量，如 采 用 吸 声 性 能 良 好 的 材 料 作 为 玻 璃或 墙 壁 的 一 部 分，在 玻 璃 表 面 涂 装 吸收 光 波 的 特 殊 涂 层 或 贴 漫 反 射 防 护 膜等 防 护 措 施。主 动 干 扰 防 护 需 要 主 动发 射 干 扰 信 号，通 过 掩 盖 目 标 语 音 信号 或 者 阻 塞、干 扰 窃 听 或 录 音 设 备 正常 工 作，来 达 到 防 止 声 泄 漏 的 目 的。主 动 干 扰 防 护 技 术 可 以 分 为 电 磁 波干 扰 技 术、声 掩 蔽 技 术 和 超 声 波 干 扰技 术 等1。电 磁 波 干 扰 技 术 是 通 过 干 扰器 发 射 大 功 率 电 磁 波 而 导 致 录 音 设 备产 生 信 号 干 扰，以 破 坏 其 录 音 功 能，但 现 在 大 多 数 录 音 设 备 都 设 计 有 抗 电磁 波 干 扰 电 路，其 内 部 线 路 很 难 感 应电 磁 波 干 扰 信 号，因 此 电 磁 波 干 扰 技术 通 常 效 果 有 限。声 掩 蔽 技 术 发 射 的干 扰 信 号 为 人 耳 可 听 声，主 要 是 利 用声 掩 蔽 效 应 来 掩 蔽 目 标 语 音 信 号，使得 窃 听 者 或 窃 听 设 备 获 取 的 目 标 语 音可 懂 度 降 低2，但 是 高 强 度 的 声 掩 蔽 信号 会 对 正 常 交 流 产 生 影 响。超 声 波 干扰 技 术 发 射 的 干 扰 信 号 为 人 耳 不 可 听的 超 声 波，主 要 利 用 录 音 设 备 滤 波 模块 的 性 能 限 制 及 放 大 器 或 麦 克 风 传 感器 等 电 子 器 件 的 非 线 性 特 性 或 非 线 性缺 陷，阻 塞、干 扰 窃 听 或 录 音 设 备 正常 工 作，进 而 影 响 窃 听 或 录 音 设 备 录取 的 目 标 语 音 信 号 质 量3,4。3 超声波干扰技术3.1 干扰原理人 耳 可 听 声 的 频 率 范 围 在2 0H z 20kHz之 间，频 率 高 于2 0k H z的 声 波为 超 声 波。麦 克 风 是 手 机 等 录 音 设备 用 于 拾 取 声 音 信 号 的 器 件，麦 克风 传 感 器 能 够 接 收 声 波 的 频 率 上 限远 大 于 人 类 听 觉 的 频 率 上 限，可 达 到超 声 波 频 段。超 声 波 干 扰 技 术 就 是 利用 人 耳 对 超 声 波 无 法 感 知 但 是 窃 听 或录 音 设 备 的 麦 克 风 传 感 器 却 可 以 接 收并 感 知 超 声 波 的 特 点，通 过 让 干 扰 设备 发 出 超 声 波，在 不 影 响 周 边 人 群 正常 交 流 的 情 况 下 实 现 对 录 音 设 备 进行 干 扰 的 目 的。录 音 设 备 的 硬 件 系统 一 般 包 括 麦 克 风 传 感 器、一 个 或 多个 放 大 器、滤 波 器 和 模 数 转 换 器 等，如 图1所 示。针 对 性 能 不 同 的 录 音 设备，超 声 波 干 扰 可 以 通 过 以 下2种2023 年 3 月|保密科学技术|27特别策划路 径 实 现。第 一 种 是 利 用 录 音 设 备 滤 波 模 块 的性 能 限 制 导 致 滤 波 模 块 无 法 完 全 滤 除超 声 频 段 的 干 扰 信 号，录 音 设 备 记 录的 超 声 频 段 干 扰 信 号 幅 度 过 大，使 得录 音 设 备 记 录 信 号 幅 度 失 真。这 种 往往 是 由 于 窃 听 或 录 音 设 备 滤 波 器 的 上限 频 率 设 置 较 高，即 滤 波 器 的 上 限 频率 高 于2 0k H z（为 了 保 持 语 音 信 号 的完 整 性，一 些 录 音 设 备 对 信 号 过 滤 的频 段 宽 于 人 耳 可 听 频 段），或 者 录 音设 备 滤 波 器 性 能 不 理 想，即 尽 管 频 率上 限 设 置 为2 0k H z或 者 低 于2 0k H z，但 是 滤 波 器 性 能 限 制 导 致 其 无 法 实 现对 高 于2 0k H z信 号 的 完 全 滤 除。这 也就 意 味 着 超 声 波 干 扰 信 号 没 有 被 滤 波器 完 全 滤 除，录 音 设 备 存 储 的 信 号 中不 仅 包 含 人 耳 可 听 声 频 段 的 目 标 语 音信 号，也 包 含 超 声 频 段 的 超 声 波 干 扰信 号。当 超 声 波 干 扰 信 号 幅 度 超 过 录音 设 备 的 有 效 量 程 时，就 可 以 实 现 对窃 听 或 者 录 音 设 备 的 饱 和（阻 塞）干扰。这 种 途 径 的 劣 势 在 于，能 否 有 效防 止 录 音 设 备 非 法 录 音 主 要 由 录 音 设备 内 部 滤 波 器 的 上 限 频 率 及 其 滤 波 性能 决 定，当 录 音 设 备 滤 波 模 块 性 能 较好 或 滤 波 器 频 带 上 限 设 置 较 低 时，超声 波 频 段 的 干 扰 信 号 很 容 易 被 滤 波 器完 全 滤 除。因 此，对 于 当 前 具 有 优 质滤 波 性 能 的 录 音 设 备，这 种 干 扰 路 径不 再 适 用，应 用 场 景 比 较 有 限，本 文不 予 详 细 介 绍。另 外 一 种 干 扰 路 径 是 利 用 窃 听 或录 音 设 备 中 麦 克 风 传 感 器 或 放 大 器 电子 器 件 非 线 性 失 真 的 存 在，超 声 波 干扰 信 号 在 经 过 低 通 滤 波 器 之 前，部 分高 强 度 的 超 声 频 段 干 扰 信 号 的 能 量 泄漏 到 可 听 声 频 段。即 使 滤 波 器 能 有 效滤 除 未 泄 漏 的 超 声 频 段 干 扰 信 号，但泄 漏 到 可 听 声 频 段 的 干 扰 信 号 会 与 说话 人 的 语 音 混 杂，影 响 录 音 信 号 的 质量，甚 至 可 以 掩 盖 目 标 语 音 信 号，进而 有 效 阻 止 录 音 设 备 对 目 标 语 音 的 窃听、偷 录4。基 于 录 音 设 备 电 子 器 件非 线 性 特 性 的 超 声 波 干 扰 器，由 于 不受 录 音 设 备 滤 波 模 块 上 限 频 率 及 滤 波器 性 能 的 限 制，具 有 更 广 泛 的 应 用 场景。本 文 将 详 细 介 绍 其 干 扰 过 程 及 干扰 效 果。3.2 干扰信号分类根 据 干 扰 信 号 的 形 式，超 声 波 干 扰技 术 可 以 分 为 能 量 干 扰 和 信 息 干 扰。能 量 干 扰 发 射 的 干 扰 信 号 为 无 语 音 意义 的、频 段 集 中 在 超 声 频 段 的 白 噪 声或 者 粉 红 噪 声 等。信 息 干 扰 是 将 人 耳可 听 声 调 制 到 超 声 频 段 上 作 为 干 扰 信号，超 声 作 为 载 波 将 可 听 声 传 送 到 窃听 或 录 音 设 备 内 部，也 就 是 说 信 息 干扰 发 射 的 信 号 为 具 有 语 音 意 义 的、调制 到 超 声 频 段 的 干 扰 信 号。经 过 麦 克风 的 非 线 性 特 性 再 将 超 声 调 制 到 人 耳可 听 声，在 麦 克 风 记 录 信 号 中 形 成 可听 声 信 息 干 扰。与 能 量 干 扰 相 比，信图1 录音设备硬件系统主要构成ADC声波麦克风放大器低通滤波器模数转换28|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划CMYCMMYCYCMYK其 中，A是 一 次 项的 幅 度，B是二 次 项的 幅 度。对 于 一 个 线 性 方程，B=0，若 输 入 信 号 为 频 率的 正 弦波，则 输 出 信 号 也 是 频 率 为的 正 弦信 号。而 对 于 非 线 性 方 程，不 失 一 般性，假 设 输 入 信 号 包 含2个 频 率 成 分，即 (2)则 输 出 信 号可 以 表 示 为 (3)进 一 步 通 过 三 角 函 数 展 开 可 以 看 出，输 出 信 号 除 了 原 有 的 输 入 信 号 的 频 率和，还 包 含 这 些 频 率 的 谐 波 和 交叉 积，例 如2、2和等。总 之，非 线 性 方 程 中 的 二 次 方 项会 产 生 输 入 信 号 的 谐 波 和 交 叉 积，使得 输 出 信 号 中 包 含 新 的 频 率 成 分。因此，当 输 入 信 号 为 超声波频段的频率差小 于2 0k H z的2个 线 谱 信 号 时（即和均 大 于20kHz，且20kHz），其 输 出 信 号 会 包 含 频 率 为的 人 耳可 听 声 信 号。对 于 宽 带 的 超 声 波 输 入信 号，其 输 出 信 号 中 同 样 会 包 含 频 段为 人 耳 可 听 声 频 段 的 宽 带 信 号。放 大 器 等 电 子 器 件 的 非 线 性 特 性 现在 已 经 被 广