Современные объекты информатизации для обеспечения деятельности основных технических средств и систем (ОТСС), предназначенных для обработки, хранения и передачи информации, всесторонне оснащаются вспомогательными техническими средствами и системами (ВТСС), соединительные линии которых выходят за пределы выделенных помещений. ОТСС и ВТСС содержат в своем составе различные акустоэлектрические преобразователи (АЭП), что способствует возникновению акустоэлектрических технических каналов утечки информации (ТКУИ). Следовательно, оценка потенциальной опасности образования ТКУИ за счет эффекта акустоэлектрического преобразования является актуальной научной задачей, имеющей практическую направленность.
Из перечня известных акустоэлектрических преобразований особый интерес представляют магнитострикционные АЭП. Это вызвано противоречивой оценкой их возможностей. Так в работах [2, 8, 9] отмечается, что магнитострикционные АЭП могут выступать в качестве источников опасных информативных сигналов и, следовательно, способствовать образованию ТКУИ, однако степень опасности этих преобразователей не приводится. Тогда как из работ [3, 6] следует, что магнитострикционные (магнитоупругие) датчики обладают очень низкой чувствительностью, поэтому используются для измерения большого давления. Таким образом, целью работы является оценка потенциальных возможностей магнитострикционных преобразователей как источников опасных сигналов.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие частные задачи:
– проведен анализ физических процессов магнитострикционного преобразования, принципов построения и работы магнитоупругих датчиков;
– разработана математическая модель для оценки опасности возникновения акустоэлектрического канала утечки информации за счет магнитострикционного эффекта.
Анализ физических процессов магнитострикционного преобразования, принципов построения и работы магнитоупругих датчиков
Физически прямой магнитострикционный эффект состоит в том, что под действием достаточно сильного магнитного поля происходит перестройка доменной структуры ферромагнитного материала, в результате за счет намагниченности кристаллической решетки возникает внутреннее механическое напряжение, для компенсации которого ферромагнетик (магнитостриктор) вынужден деформироваться. На практике наибольшее распространение получила продольная (вдоль направления поля) деформация в магнитном поле, носящая название продольного эффекта Джоуля [1, 3].
Как и другие акустоэлектрические преобразователи, магнитострикционный преобразователь является обратимым. Обратный продольный эффект, носящий название эффекта Виллари, приводит к изменению намагниченности ферромагнетика при сжатии или растяжении магнитострикционного материала [3]. Именно этот эффект может являться причиной опасного акустоэлектрического преобразования, следовательно, утечки речевой информации.
Чувствительность h ферромагнетика определяется отношением относительного изменения магнитной проницаемости Δμ/μ магнитостриктора к его относительной деформации ξ = Δl/l и зависит от свойств материала: E – модуля упругости Юнга; r – плотности ферромагнетика, с – скорости распространения звука в нем, т.е.
(1)
где s – механическое напряжение, возникающее в магнитострикторе при воздействии акустического давления.
Известно, что зависимость магнитной проницаемости Δμ от механических напряжений s имеет нелинейный характер [1, 3, 6], это обусловлено нелинейностью кривой намагничивания ферромагнетиков и нелинейной зависимостью деформаций от усилия. Кроме того, из анализа динамической магнитострикционной зависимости (рис. 1) с учетом того, что магнитострикционный эффект является четным, т.е. независимым от направления возбуждающего поля, установлено следующее:
– прямой магнитострикционный эффект при возбуждении преобразователя переменным полем H без подмагничивания приводит к его механической деформации x с удвоенной частотой колебания, поскольку в результате преобразования происходит двухполупериодное выпрямление возбуждающего колебания магнитного поля;
– обратный магнитострикционный эффект при переменной механической деформации ξ преобразователя без подмагничивания приводит к изменению его намагниченности с частотой колебания в два раза меньше, поскольку в результате преобразования происходит одно полупериодное выпрямление возбуждающего механического колебания.
Таким образом, магнитостриктор, не подмагниченный постоянным полем, при его возбуждении переменным входным воздействием осуществляет нелинейное преобразование. Следовательно, акустический речевой сигнал, производящий механическую деформацию магнитостриктора, в процессе такого преобразования будет искажен. Это означает, что при несанкционированном съеме и прослушивании без дополнительных средств обработки такой сигнал будет неразборчив.
а б
Рис. 1. Динамическая магнитострикционная кривая при возбуждении переменным полем: а – без подмагничивания; б – с подмагничиванием
Для эффективного съема речевой информации за счет акустоэлектрического преобразования на магнитостриктор должно подаваться постоянное смещающее магнитное поле Ho, создаваемое пропусканием постоянного электрического тока через вспомогательную катушку или наложением постоянной составляющей тока на переменную составляющую в одной катушке возбуждения. При этом должно обеспечиваться условие H << Ho. В этом случае магнитостриктор будет находиться в постоянном деформированном состоянии. А внешнее деформирующее воздействие, создаваемое акустическим давлением, приведет к изменению этой деформации в некоторых пределах от максимального до минимального значения. Поэтому намагниченность магнитостриктора будет колебаться около некоторого среднего значения с частотой, равной частоте возбуждения, т.е. акустического сигнала.
Таким образом, магнитострикционный АЭП представляет собой ферромагнитный сердечник с нанесенной на него обмоткой, следовательно, этот эффект свойственен электрическим трансформаторам, дросселям, электромагнитным реле. Здесь перечислены только элементы, которые находятся в составе ОТСС и ВТСС практически любого выделенного помещения. При этом наиболее опасными являются магнитострикторы, находящиеся в подмагниченном состоянии. В качестве таких самых распространенных АЭП выступают дроссели блоков питания. Их опасность дополнительно обусловлена наличием гальванической связи или паразитной индуктивной связи с линией электропитания или соединительной линией, выходящей за пределы выделенного помещения.
Оценка опасности возникновения акустоэлектрического ТКУИ за счет магнитострикционного АЭП производится с помощью разработанной математической модели.
Математическая модель для оценки опасности возникновения акустоэлектрического канала утечки информации за счет магнитострикционного эффекта
В основу данной модели положено уравнение магнитострикции для дроссельного магнитоупругого датчика с однородной деформацией, поскольку длина сердечника l (рис. 2, а) мала по сравнению с длиной волны деформирующего воздействия [6].
а б
Рис. 2. Магнитострикционный преобразователь (а) и его эквивалентная схема (б)
Как показал проведенный анализ, внешнее воздействие в виде акустического давления приводит к возникновению в магнитострикторе механических напряжений, что является причиной изменения его магнитной проницаемости m, индуктивности обмотки L и, следовательно, индуктивного сопротивления XL. Поскольку обмотка запитывается от источника ЭДС, то в результате приложенного на сердечник механического воздействия в цепи будет наблюдаться изменение тока i и, как следствие – изменение напряжения u на нагрузке.
Моделируемый магнитострикционный преобразователь дроссельного типа приведен на рис. 2, а. Используя принцип электромеханических аналогий, эквивалентная схема магнитострикционного АЭП будет иметь вид четырехполюсника, представленного на рис. 2, б, где слева изображена электрическая схема замещения механической части, а справа – электрической части. Обе части соединены трансформатором, моделирующим электромеханическую связь с коэффициентом K.
Уравнения прямого и обратного магнитострикционного акустоэлектрического преобразования для схемы, приведенной на рис. 2, б, имеют вид
(2)
где F – внешняя сила, действующая на поперечное сечение S сердечника; n – скорость деформации сердечника; Uо – переменное напряжение на зажимах обмотки; i – ток в цепи обмотки; zo – собственное комплексное механическое сопротивление подвижной части АЭП; Zo – собственное комплексное электрическое сопротивление АЭП; K – коэффициент электромеханической связи АЭП.
Известно, что осевая чувствительность h АЭП определяется отношением напряжения на его выходе Uвых (в нагрузке Zн) к внешнему акустическому давлению P, т.е.
(3)
Для рассматриваемого дроссельного магнитострикционного АЭП первичные параметры определяются следующими выражениями:
(4)
(5)
(6)
где ψ – коэффициент механических потерь при деформации сердечника; С – продольная гибкость сердечника длиной l и сечением S; ω – циклическая частота колебаний; E – модуль упругости сердечника; λ – магнитострикционная постоянная материала сердечника; μ – динамическая магнитная проницаемость сердечника вблизи его состояния начальной намагниченности; N – число витков обмотки дросселя; Rμ – полное магнитное сопротивление магнитопровода; r – активное сопротивление обмотки, учитывающее омические потери и потери на вихревые токи; L – индуктивность обмотки дросселя.
В связи с тем, что в справочниках по магнитострикционным материалам [4] приводится значение коэффициента механо-магнитной связи, равного 
, целесообразно преобразовать коэффициент электромеханической связи магнитострикционного АЭП к виду
(7)
В результате магнитострикционного АЭП в линиях электропитания, заземления ОТСС и ВТСС или их соединительных линиях может появиться опасный информационный сигнал, величина которого равна
(8)
где Zвтс – внутреннее комплексное сопротивление технического средства (ОТСС или ВТСС).
Поскольку на практике внутреннее сопротивление Zвтс намного больше сопротивления Zн цепи, выходящей за пределы выделенного помещения, тогда с учетом (4), (6) и (7) выражение (8) следует преобразовать к виду
(9)
Тогда, оценка возможности утечки конфиденциальной речевой информации за счет магнитострикционного АЭП сводится к сравнению рассчитанного напряжения Uос опасного информационного сигнала с предельно допустимым напряжением Uдоп на входе приемника разведки.
Таким образом, выражение (9) представляет собой математическую модель, позволяющую оценить опасность возникновения акустоэлектрического канала утечки информации за счет магнитострикционного эффекта. Достоинство модели состоит в том, что магнитострикционный АЭП описывается первичными параметрами сердечника и обмотки дросселя, которые приводятся в справочниках или легко рассчитываются по известным формулам.
С помощью разработанной модели определена чувствительность η магнитострикционных АЭП дроссельного типа. В качестве объекта исследования выступали гипотетические дроссели с характеристиками подобными для дросселей компьютерных блоков питания. Величина индуктивности L дросселей варьировалась в диапазоне 100–10000 мкГн. Предполагалась, что сердечник дросселя выполнен из пермендюра, имеющего очень большой коэффициент механо-магнитной связи (а = 0,5). В результате установлено, что потенциальная (предельно возможная) чувствительность такого магнитострикционного АЭП на частоте 1000 Гц не превышает 10 мкВ/Па. Для сравнения чувствительность электромагнитных и электродинамических АЭП соответственно на три или четыре порядка выше.
Учитывая, что акустический речевой сигнал будет оказывать на сердечник дросселя давление, не превышающее 0,1 Па, а сопротивление Zвтс может достигать десятка кОм, тогда напряжение Uос опасного информационного сигнала в линии электропитания или соединительной линии не превысит сотен или даже десятков нановольт. Выявить такие маломощные сигналы на фоне шумов способны только высокочувствительные селективные нановольтметры. Таким образом, в работе установлено, что магнитострикционный АЭП потенциально может выступать в качестве источника опасного сигнала, однако утечка информации по такому каналу маловероятна.
Заключение
Итак, в работе получены следующие научные результаты:
– сформулированы условия, при которых возможно линейное преобразование механических деформаций, создаваемых акустическим сигналом, в колебания напряжения на выходе магнитоупругого датчика;
– разработана математическая модель для оценки опасности возникновения акустоэлектрического канала утечки информации за счет магнитострикционного эффекта;
– проведена оценка угрозы утечки речевой информации по акустоэлектрическому каналу за счет магнитострикционного эффекта.
Результаты работы рекомендуется использовать для оценки наличия опасного акустоэлектрического преобразования в технических системах, что позволит усилить эффективность контроля за их защитой.