Что такое ультразвуковая прослушка
Ультразвуковой браслет скрыл разговоры от голосовых помощников
Yuxin Chen et al. / CHI 2020
Американские инженеры создали браслет с ультразвуковыми излучателями, которые мешают микрофонам умных колонок или смартфонов распознавать речь. В устройстве установлено 23 излучателя, а сам браслет двигается вместе с рукой, поэтому вокруг пользователя образуется постоянно меняющаяся зона помех без «слепых зон», рассказывают авторы статьи, которая будет представлена на конференции CHI 2020.
Развитие алгоритмов распознавания речи привело к тому, что многие современные устройства, причем не только умные колонки, но даже смартфоны, способны постоянно анализировать окружающие звуки на предмет команд. Обычно они не отсылают данные на сервер, пока не услышат активационную фразу. Однако из-за ошибок в распознавании речи иногда голосовые помощники слышат эту фразу в других словах и могут даже отправить запись разговора случайному человеку. Кроме того, часть записей голосовых помощников анализируют случайные тестировщики.
Хайтао Чжэн (Haitao Zheng) и ее коллеги из Чикагского университета создали прототип носимого устройства, которое позволяет не лишать себя удобства использования голосовых помощников, но при этом защищает конфиденциальные данные из разговоров по нажатию переключателя. Устройство представляет собой круглый и достаточно толстый браслет с 23 ультразвуковыми излучателями. Внутри корпуса установлены микропроцессор, генератор сигнала и аккумулятор, а снаружи есть переключатель и светодиод, отображающий статус генератора помех.
Работа устройства основана на том же принципе, который уже несколько лет часто используют для атак на голосовые помощники. Когда браслет находится в режиме создания помех, его излучатели непрерывно испускают звук с частотой от 24 до 26 килогерц, причем частота меняется каждые 0,45 миллисекунды. Ультразвук распространяется по помещению и когда он попадает на микрофон, внутри полости микрофона возникают искажения и звук преобразуется в слышимый. Благодаря этому он преодолевает фильтр ультразвуковых частот, который обычно есть в микрофонах смартфонов, умных колонок и других устройств.
Ультразвуковой микрофон – ЧАСТЬ 1
Этот интересный электронный проект позволяет вам ясно слышать мир звуков, находящихся за пределами человеческого восприятия. Ультразвуковой микрофон, который вы создадите (рис. 26.1), имеет очень широкую сферу бытового и технического применения: от выявления утечки газов, жидкостей, механического износа подшипников, механизмов вращения и возвратно-поступательного движения, например, в автомобилях до обнаружения электрической утечки в изоляторах линий электропередачи. Слышимым также становится весь мир звуков живых существ. Простые события – кошку, идущую по мокрой траве, по- звякивание цепочки ключа, даже лопнувший пластиковый пакет – можно услышать очень отчетливо. Теплой летней ночью можно услышать хор замечательных звуков, поскольку природный оркестр из самых разных созданий – от летучих мышей до насекомых – создает какофонию естественных природных звуков, выше диапазона восприятия человеческого уха, а благодаря ультразвуковому микрофону неслышные звуки станут слышными.
Этот ручной направленный микрофон легко обнаруживает и преобразует ультразвуковые колебания в звуковые. Добавление параболического отражателя еще больше усиливает возможности данного устройства. Рассчитывайте потратить от 30 до 50 долларов на это компенсирующее затраты устройство.
Данный проект позволяет вам вслушаться в мир звуков, о существовании которого знают немногие люди. Устройство выполнено в форме пистолета, в стволе которого расположен узел электроники. На задней панели размещены выключатели и регулятор звука, подстроечное переменное сопротивление и гнездо для наушников. Передняя часть устройства представляет собой направленный приемный преобразователь. В рукоятке размещены батареи.
Добавление опции параболического отражателя увеличивает направленность на источник ультразвука, и благодаря этому обеспечивается сверхвысокое усиление и значительно усиливаются возможности устройства по дальнему приему звука.
Рис. 26.1. Ультразвуковой микрофон с параболическим отражателем
Одним из наиболее интересных источников ультразвуковых механических колебаний являются многие виды насекомых, издающих брачные и предупреждающие сигналы. Обычной летней ночью можно провести много часов, слушая летучих мышей и другие странные шумы, издаваемые представителями флоры и фауны. Целый мир естественных звуков ожидает пользователя устройства. Многие искусственные звуки также являются источниками ультразвуковых колебаний, они регистрируются устройством. Ниже приведено несколько примеров, но это лишь малая толика потенциальных источников ультразвука:
• утечка газов и поток воздуха;
• вода из пульверизаторов in при утечке из устройства;
• коронный разряд, устройства искрового разряда или создания молний;
• пожары и химические реакции;
• животные, идущие по мокрой траве и создающие шелест. Это прекрасное средство для охотников и наблюдателей или же просто средство отыскать домашнее животное ночью;
• компьютерные мониторы, телевизионные приемники, высокочастотные генераторы, механические подшипники, посторонние звуки в автомобилях, пластиковые пакеты, позвякивание монет.
Демонстрация данного ультразвукового микрофона показывает также использование эффекта Доплера, где движение к источнику вызывает увеличение частоты, а движение от источника вызывает соответственно уменьшение частоты.
Эффект Доплера возникает, когда наблюдатель, движущийся к источнику звука, ощущает увеличивающуюся частоту. Это легко представить себе, если понять, что звук распространяется в виде волны с относительно постоянной скоростью. Когда наблюдатель движется по направлению к источнику звука, он перехватывает большее количество волн за более короткий период времени, слышит таким образом звук, который, как кажется, имеет более короткую длину волны или, соответственно, частоту более высокого топа. Если он движется от источника звука, слышна частота более низкого тона по сравнению с частотой, которую слышит неподвижный наблюдатель.
Чтобы устроить развлечение и для взрослых, и для детей, можно спрятать небольшой тестовый генератор ультразвука и предложить сопернику найти его за кратчайшее время.
Принципиальна» схема устройства
Микрофон ультразвукового пьезопреобразователя TD1 воспринимает ультразвуковые механические колебания и преобразует их в электрический сигнал за счет действия пьезоэлектрического эффекта (рис. 26.2). Катушка L1 и собственная емкость пьезопреобразователя образуют эквивалентный резонансный контур на частоте резонанса около 25 кГц. Параллельно к контуру подключен резистор Rd. Эта параллельная эквивалентная резонансная схема образует источник сигналов с большим импедансом, которая через конденсатор С2 подключена к затвору полевого транзистора Q1. Резистор R1 и конденсатор С1 развязывают напряжение смещения на стоке. Схемотехнические решения и экранирование входных проводов играют здесь важное значение, поскольку эта схема очень чувствительна к шумам, сигналам обратной связи и др.
Сигнал с выхода нагрузочного резистора R2 транзистора Q1 через разделительный конденсатор СЗ и резистор R4 поступает на вход усилителя I1A с безразмерным коэффициентом усиления, равным 50 и определяемым соотношением сопротивлений резисторов R6/R4.
Выход I1A через конденсатор С4 связан по переменному току со смесителем- усилителем I1B. Выход генератора I1C подключен к схеме с помощью «специального приспособления» на базе конденсатора монтажа СМ, создаваемого коротким проводом от вывода 8 элемента IC1, который скручен с аналогичным проводом от вывода 2 элемента ИВ (предлагается проверить работу прибора без этого приспособления). Генератор IIC вырабатывает сигналы одной из частот, которая смешивается с принимаемыми сигналами через СМ на входе I1B. Результатом будет смесь двух сигналов, один из которых представляет собой сумму, а другой – разность указанных сигналов, лежащую в звуковом диапазоне частот.
Конденсатор С7 и резистор R17 образуют полосовой фильтр, вырезающий из смеси частот сумму частот и пропускающий разность частот с уровнем 20 дБ. Таким образом, результирующий низкочастотный сигнал представляет собой разность между частотами генератора и реального сигнала. Это подобно эффекту супергетеродина. Фильтр из С7 и R17 дополнительно развязывает сигнал
Рис. 26.2. Принципиальная схема ультразвукового микрофона
Правильное размещение проводов питания улучшит шумовые характеристики схемы.
Провода к J1 должны быть короткими и подходить как можно более прямыми.
Провода питания должны подключаться с тыльной стороны монтажной платы.
Rd выбирается для демпфирования (успокоения) реакции преобразователя. Предполагаемое значение составляет 39 кОм.
По возможности скручивайте провода в виде витых пар.
высокой частоты. Профильтрованный сигнал представляет собой разность частот, выпрямляется диодом D1 и интегрируется конденсатором С8. Выпрямленный сигнал находится в звуковом диапазоне, его можно реально слушать. Он настраивается с помощью переменного резистора R12 в секции генератора и позволяет выполнять избирательную настройку на конкретные частоты в пределах допустимого диапазона пьезопреобразователя TD1. Результирующие сигналы звуковых частот через блокирующий по постоянному току конденсатор СЮ подаются на регулятор громкости R19. Конденсатор С12 дополнительно отфильтровывает сохранившиеся высокочастотные сигналы. Со среднего вывода переменного сопротивления R19 подается звуковой сигнал на усилитель наушников 12 с выходным сопротивлением 8 Ом. Сигнал с выхода 12 через конденсатор С16 поступает на гнездо наушников J1. Усиление по мощности у 12 невелико, и кроме наушников к гнезду J1 можно подключить маломощный 8-омный громкоговоритель для группового прослушивания. Фильтр R21/C4 еще больше ослабляет высокие частоты.
Питание 12 развязано с помощью резистора R20 и конденсатора С15. Это обеспечивает стабильность схемы, предотвращает колебания в цепи обратной связи и другие нежелательные эффекты.
Рабочая точка I1A, I1B, I1C установлена на среднее значение напряжения питания с помощью резистивного делителя R7/R11. Резисторы R5, RIO, R15 компенсируют ток смещения.
Порядок сборки устройство
При сборке устройства выполните операции сначала по сборке макетной платы с перфорацией отверстий, затем других секций конструкции устройства:
1. Разложите компоненты по номиналам и назначению (отдельно резисторы, конденсаторы и т.д.) и сверьте их со спецификацией (табл. 26.1).
Таблица 26.1. Спецификация ультразвукового микрофона
Устройство для прослушивания ультразвука
Как известно, человеческое ухо не способно слышать звук частотой более 20 кГц. Акустические колебания более высокой частоты и являются ультразвуком. Они могут быть по частоте от 20 кГц до сотен кГц и даже вплоть до 1 Мгц.
Например, в зоне где есть достаточно мощный источник ультразвука нам кажется что мы находимся в тишине, но при этом мы быстро устаем, наш слух притупляется (явная перегрузка органов слуха), может появиться головная боль или ощущение заложенных ушей, головокружения.
Здесь описывается прибор, который позволяет услышать ультразвук. в буквальном смысле, именно услышать, а не зарегистрировать его наличие. Прибор понижает частоту входного звукового сигнала до слышимого нам уровня, делая это путем преобразования частоты.
Практически, это такой ультразвуковой супергетеродинный приемник, преобразующий входной сигнал – ультразвук, в низкую «промежуточную» частоту, доступную для нашего восприятия.
Схема прибора показана на рисунке 1. На микросхеме А1 сделан генератор частоты гетеродина, эта частота должна отличаться от частоты ультразвука, который желаем услышать, на 1-10 кГц, то есть, на частоту хорошо слышимую нашим человеческим ухом.
Частота регулируется переменным резистором R1 в пределах примерно от 25 до 50 кГц. При необходимости охватить больший диапазон можно переключать конденсаторы С1, выбрав их разной емкости, чтобы переключателем можно было переключать поддиапазоны. На преобразователь частоты сигнал гетеродина, имеющий форму прямоугольных импульсов, поступает через делитель на резисторах R3 и R4, который понижает амплитуду этих импульсов
Преобразователь частоты сделан на микросхеме А2 типа SA602.
Эта микросхема широко известная радиолюбителям и обычно используется в схема радиоприема в качестве преобразователя частоты. Здесь она так же работает в качестве преобразователя частоты. На её вход поступает сигнал от микрофона М1. а на гетеродинный вход поступает сигнал гетеродина он гетеродина на микросхеме А1. Естественно, на выходе будет суммарно разностный сигнал, он поступает с вывода 5 А2 через регулятор громкости R5, на УНЧ на микросхеме А3.
Цепь R7- С12 служит простейшим фильтром низких частот, подавляющим суммарный сигнал. В результате на УНЧ на микросхеме АЗ поступает только разностный сигнал. Который затем усиливается и озвучивается головными телефонами В1. УНЧ на микросхеме АЗ типа LM386 работает в режиме максимального усиления с коэффициентом усиления 200.
На выходе можно установить и динамик, но нужно следить за громкостью, чтобы не возникло самовозбуждения. Если имеется хороший лабораторный генератор синусоидального или прямоугольного сигнала, от которого можно получить частоту в пределах от 20 кГц до 1 Мгц, то предпочтительнее будет в качестве гетеродина использовать его.
В этом случае схема приобретает вид, как показано на рисунке 2. С помощью такого прибора можно прослушать на наличие ультразвука практически весь ультразвуковой диапазон. На схеме на рис. 2 нумерация деталей сохранена как на рис.1. Схему, безусловно, можно модифицировать. Например, генератор на микросхеме А1 типа 555 (так называемый интегральный таймер) можно заменить схемой мультивибратора на логической микросхеме, например, К561ЛА7, как показано на рисунке 3.
Эта схема позволяет регулировать частоту плавно переменным резистором R2 от 25 кГц до 400-500 кГц. Возможны и другие варианты схемы гетеродина. Микрофон М1, конечно же, желательно использовать специальный на ультразвуковой диапазон. Но, в отсутствии такового сойдет и высокочастотная динамическая головка.
Конечно, её чувствительность в качестве микрофона будет маловата, но вполне достаточна, если прослушивать сигнал на головные телефоны (В1). Желательно микрофон снабдить параболическим рупором, чтобы можно было удобнее локализовать источник ультразвука.
Следует принять во внимание, что используя в качестве микрофона высокочастотную динамическую головку, чувствительность будет снижаться тем более, чем выше частота ультразвука, который нужно прослушать.
Устройство было изготовлено с экспериментальными целями, поэтому собрано оно было на печатной макетной плате. Специальная печатная плата для него не разрабатывалась. Какой-либо настройки не требуется, работает сразу же после включения. Для проверки был собран генератор ультразвука по схеме на рис. 4.
Подслушивающее устройство на расстоянии, отличие от жучков
Выбор микрофона
Правильно подобранный микрофон – залог качественной звукозаписи. Предварительно изучив вышеописанные характеристики, приступаем к выбору модели микрофона.
Во-первых, ставим перед микрофоном задачи и определяемся с областью его применения: караоке (нужна четкость передачи звука), инструментальная или вокальная запись в студии (высокая чувствительность, определенный частотный диапазон), концертное выступление (надежность и устойчивость к внешним условиям). От поставленных задач зависит расстановка приоритетов в характеристиках.
Сценические микрофоны, например, должны отличаться небольшими размерами, эргономичностью и универсальностью. Репортерские – надежностью и способностью выдержать любые погодные условия, узкой направленностью. Студийные музыкальные микрофоны хоть и должны отличаться особой чувствительностью и устойчивостью, но их нужно тоже выбирать по назначению: вокальные или инструментальные.
Не пренебрегайте такой характеристикой микрофона, как его внешний вид, дело не привлекательности устройства, а в комфорте его использования: как микрофон лежит в руке, не скользит ли, нет ли неприятных запахов, торчащих деталей и т.д.
Изучите, что входит в комплект покупаемого микрофона. Это могут быть гарнитура, крепление, ветрозащита и т.д. Да, на качество звука эти милые дополнения не влияют, зато что-то не придется докупать, что тоже приятно. Например, для репортеров обязательным аксессуаром являются ветрозащитный колпачок и удобное крепление.
Выбор микрофона — сложное и важное решение. Иногда опыт правильного подбора микрофонов приходит с годами, как и опыт использования различных методов звукозаписи и подзвучивания
Только практика сделает вас профессионалом, но начинать получать теоретические основы работы с микрофонами можно уже сегодня.
Микрофоны специального назначения
Существуют такие микрофоны, у которых имеется строго определенное предназначение и конкретные задачи, которые он призвать решать. Рассмотрим некоторые из них.
1. Микрофон граничного слоя предназначен для звукоусиления в театре, подзвучивания рояля, с возможностью прикрепить микрофон к крышке инструмента. Особенность его в том, что капсула микрофона расположена над металлической поверхностью, что позволяет предотвратить попадание на диафрагму отраженных волн и, как следствие, фазовых искажений.
2. Стерео – микрофон, особенность которого заключается в наличии сразу двух капсул, ориентированных в противоположных направлениях. Такой микрофон позволяет записывать объемный звук, когда один микрофон может заменить пару или даже тройку микрофонов.
3. Микрофон-пушка предназначен для использования на открытом пространстве, поэтому нашел широкое применение в кинематографе и журналистике. Это конденсаторный микрофон с очень узкой направленностью, он воспринимает звук, идущий только с фронтальной стороны, остальные звуки заглушаются, благодаря фронтальному сдвигу.
Это далеко не все виды микрофонов специального назначения, а лишь основные. Дополнительные функции, такие как возможность переключать диаграмму направленности, изменять уровень выходного сигнала, встроенные фильтры для обрезания низких частот являются приятным бонусом, а иногда и необходимостью для профессиональной работы, но при этом увеличивают не только сложность конструкции микрофона, но и его стоимость.
Фавориты на рынке
Параболический микрофон Супер Ухо 100
Как и во всех параболических устройствах, здесь используется вогнутая параболическая тарелка из пластика. В данном устройстве есть наушники и бинокль с восьмикратным увеличением. Встроенный диктофон позволяет записывать короткие разговоры. Вы можете подключить наушники, чтобы ничто не мешало прослушивать цель.
Микрофон с тарелкой позволяет слушать разговор на расстоянии до ста метров. Усиление звука до 70 дБ делает Супер Ухо 100 крайне чувствительным, при этом вы можете настроить его на максимальную мощность в 105 дБ и вести запись любого разговора по телефону.
Питается этот красавец от 9-вольтовой «кроны», которая будет жить 55 часов. Весит чуть больше килограмма. Благодаря стойкой конструкции, способен слушать окружающую среду и телефоны в любые мороз и зной.
Цена Супер Ухо 100 колеблется от 3500 до 5 тыс. рублей.
Направленный микрофон Юкон
Как и предыдущий экземпляр, может уловить звуки за сто метров. Однако у него нет специальной тарелки, а по размерам он меньше сценического микрофона. Время работы от аккумулятора — до 300 часов.
Ветер с ним не будет помехой, поскольку Юкон оборудован современной системой шумоподавления. Громкость и силу звука вы можете регулировать самостоятельно.
Микрофон можно прикрепить к биноклю, подзорной трубе или камере. Вам будет удобно не только слушать цель, но и наблюдать за ней. Также есть крепёж для штатива.
Таким устройством с охотой пользуются репортёры и операторы в звуковых студиях, потому что с ним не составит труда записать звук профессионального качества.
Цена Юкон — от 4200 до 6 тыс. рублей.
Многообразие
Технология микрофонов для прослушки на расстоянии разнится в зависимости от их типа. По принципу работы можно выделить три категории дистанционных подслушивающих устройств:
Микрофон направленного действия
Микрофон направленного действия используют для дистанционной прослушки на открытой местности и записи разговора по телефону. Главная проблема направленных микрофонов — расстояние до источника звука. Уже на дистанции в сто метров звук ослабеет настолько, что отделить речь от помех почти невозможно.
Существует 4 типа подслушивающих механизмов направленного действия:
Новичкам, и не только, пригодится статья об устройстве осциллографа, его настройке и сферах применения.
Лазерный микрофон
С помощью лазерного подслушивающего устройства вы можете услышать, что творится в помещении. Он считывает вибрацию окна в комнате. Прибор посылает лазерный луч на стекло. Отразившись от стекла, изменённый колебаниями лазер возвращается в прибор. Устройство расшифровывает сигнал, и мы слышим звук.
Дальность использования лазера — до 0,5 километра. Вам не придётся выдавать своё положение объекту прослушки. Без подозрительных жучков можно слушать любой сокровенный разговор по телефону.
Самый дешёвый лазерный микрофон в Москве стоит около полумиллиона рублей. Можно купить дешёвые версии кустарного производства, однако, они будут работать неправильно. Если вообще будут работать.
Устройство прослушки через стену
Если вас и цель прослушки разделяет лишь бетонная стена, то выбирайте именно этот прибор. Микрофон улавливает малейшие вибрации стены и преобразует в звук. По принципу работы он похож на лазерный. Единственное исключение — вам придётся быть хотя бы в соседней комнате.
Чтобы устройство работало правильно, необходимо настроить звук. Для этого прислоните микрофон к стене и регулируйте чувствительность. Как только вы услышите понятную речь, можно пользоваться.
Прибор направленной прослушки через стену дешёвый. Вы можете купить его в специальных магазинах жучков и телефонов примерно за пять тысяч рублей.
Мы рассмотрели типы подслушивающих устройств на расстоянии. Вы наверняка уже выбрали для себя, каким видом устройств заменить пресловутые жучки. В следующем параграфе мы рассмотрим популярные модели подслушивающих устройств.
Зачем певцам наушник в ухе
Певцу, выступающему на большой сцене перед публикой, необходимо обладать не только профессиональными вокальными навыками, но и требуемой для хорошей акустики аппаратурой.
Нередким является наличие наушников в ушах певца, исполняющего свои песни. Почему именно их одевают вокалисты в уши, когда поют разберёмся далее.
Функциональное назначение
Исполнители вставляют наушник в ухо, т.к. это система персонального мониторинга и она помогает артисту слышать себя на сцене. Всё потому что во время шумного концерта динамики направлены на зрителей, а сам исполнитель с трудом может услышать играющую мелодию. Более того, звучащая музыка отражается от окружающих поверхностей и не даёт артисту чувствовать ритм и контролировать тональность песни. Сливающиеся голоса вдохновлённых зрителей заглушают и голос певца. Исполнитель нередко начинает фальшивить, сбиваться с ритма и чувствовать себя менее уверенно.
В специальной системе мониторинга, а именно в наушниках, артист слышит мелодию собственной песни синхронно со звучащей из колонок музыкой. Гарнитура является неким дирижёром для артиста, который помогает ориентироваться и вступать вовремя. В зависимости от желаний артиста современные модели аппаратуры позволяют настроить звук по желанию выступающего
Можно акцентировать внимание именно на вокале певца, а можно сосредоточить звук на музыкальных инструментах. Нововведения в системе персонального мониторинга достигли того уровня, когда в одном ухе слышен исключительно голос, а в другом — мелодия песни
Так же гарнитура пригождается исполнителю для чего-то другого. К примеру, в них организаторы концерта могут сообщить ему о каких-либо изменениях в сценарии, или непредвиденных обстоятельствах.
Система персонального мониторинга используется и другими музыкантами на сцене, в частности, барабанщиками и гитаристами.
Вся система состоит из собственно гарнитуры, приёмника и включённого передатчика. Для профессиональных исполнителей девайс исполняется на заказ, по индивидуальному слепку уха.
Наушники применяются чаще всего на больших площадках, но никогда не применяется на акустических концертах.
Какого рода используются наушники
Одним из наиболее распространённых типов гарнитуры для певцов являются арматурные наушники. Их преимущество перед другими заключается в том, что они способны передавать детализированный звук со всеми его нюансами. Они звучат сбалансировано на всём диапазоне частот. Традиционные наушники не удастся скрыть от телевизионных камер. Тогда как арматурные довольно миниатюрные, чтобы остаться незамеченными.
Динамические наушники — менее удобный, но более доступный вариант для выступления перед публикой. Они устроены по той же системе, что используется в огромных колонках. Выглядят они как обыкновенная проводная гарнитура, спрятать которую можно только под одеждой. Звук в них не отличается качеством. Ещё их называют ушные мониторы.
Нам удалось выяснить, что гарнитура в ухе певца — это не часть образа, а особый аппарат, обойтись на сцене без которого очень непросто.
Типы микрофонов
Начнем с того, что существуют три основных типа микрофонов: динамические, конденсаторные и ленточные, которые имеют разные механизмы преобразования звуковых волн в электромагнитные колебания.
1. Динамические микрофоны
Это наиболее распространенный тип микрофонов, что связано с их универсальностью. Мембрана динамического микрофона улавливает звуковые волны, которые в, свою очередь, приводят в движение катушку, находящуюся в магнитном поле. В результате явления электромагнитной индукции, в катушке возникает переменный ток, который передается далее по кабелю. Электромагнитные колебания описывают звуковые волны, точно передавая фазу, частоту и амплитуду, поэтому сигнал называется аналоговым.