Ultrazvuková rušička mikrofónov

(Článok je určený laickej aj odbornej verejnosti)

 

Úvod:

Univerzálna ochrana proti odpočúvaniu a proti nahrávaniu dôverného rozhovoru, ktorá vyradí akýkoľvek mikrofón a pritom nenaruší osobný komfort rokovacích strán. Nefunguje mikrofón, nemožno nič odpočúvať? Krásna predstava!

Stačí ale len kúsok vhodnej tkaniny pred mikrofónom, vhodné situovanie v priestore a obsah nahrávky je razom zrozumiteľný. Síce nič „hi-fi“ ale použiť ho možné je. A navyše pre prísediacich ako bonus, nepríjemný pocit „všade medzi ušami“, v horšom prípade bolesť hlavy a pri častom dávkovaní vysoko pravdepodobné trvalé poškodenie sluchu. Kde je pravda? Tá je skutočne relatívna…

Ultrazvuk je akustický tlak (hluk), ktorý sa (kmitočtovo) nachádza nad oblasťou počuteľnosti ľudským uchom (˃20kHz). Mladý človek počuje a vníma zvuky oficiálne v rozmedzí 0,02-20kHz, starí ľudia len cca 0,05-8kHz (wikipedia). Reálne je frekvencia už okolo 15kHz pre mnoho mladých ľudí za hranicou počuteľnosti. Väčšina ultrazvukových rušičiek pracuje v oblasti okolo 18-24kHz, preto by nemali byť počuteľné a nemali by nám otravovať život. Pri dostatočnej intenzite by mali spôsobovať problémy mikrofónom aj všetkým obvodom spracovávajúcim ich signál.

Testovaný ultrazvukový jammer.

Realita:

Do chránenej miestnosti je nainštalovaný buď celý rušiaci systém ultrazvukových meničov (reproduktorov), alebo v horšom prípade jediná ultrazvuková rušička.

Ultrazvuk sa v uzavretom priestore totiž chová veľmi nevyspytateľne. Pokiaľ nie je priestor doslova „nasýtený“ ultrazvukom z viacerých zdrojov rôzne rozmiestnených a rôzne orientovaných, dochádza v dôsledku fázového „trieštenia“ jeho rôznorodých odrazov k výraznému nehomogénnemu pokrytiu priestoru a teda mnohým „hluchým miestam“. Napríklad ultrazvuková rušička na stole nepokryje priestor pod stolom (a opačne) a v rôznych vzdialenostiach sa bude prejavovať kolísanie intenzity akoby „vo vlnách“, čo je spôsobené viaccestným šírením signálu, teda odrazmi od predmetov v prirodzenom okolitom prostredí.

Po zapnutí, hoci by človek nemal nič zvláštne počuť, sa začne miestnosťou šíriť viac či menej počuteľný ale po pár minútach každopádne veľmi nepríjemný hluk.

Elektromechanické konštrukcie ultrazvukových rušičiek spôsobujú vznik nežiaducich parazitných hlukov v počuteľnej oblasti ľudského sluchu. Takže nie, nemáte dokonalý sluch zachytávajúci ultrazvuk, ale len počujete to, čo by nemalo byť reprodukované. Tieto parazitné vplyvy vznikajú napríklad v dôsledku generovania viacerých rozmietaných, fázovo posunutých, alebo rôzne modulovaných ultrazvukových nosných frekvencií.

Mikrofón diktafónu alebo odpočúvania sníma okolité hluky (všetok akustický tlak) a prevádza ich na elektrický signál, ktorý je ďalej spracovávaný a prenášaný alebo zaznamenávaný. Pri enormnom hluku dochádza k „zahlteniu“, čiže saturácii mikrofónu.

To sa štandardne prejavuje „zhranatením“ inak sínusových priebehov týchto signálov, vzniku harmonických zložiek a teda komplexným skreslením audio signálu. K tomu ale dôjde, len pokiaľ hovoríme o skutočnej saturácii mikrofónu, ku ktorej je potrebný extrémny akustický tlak, hluk adekvátny hlasnému kriku z ktorého ľahko zabolí v krku a to z tesnej blízkosti len pár centimetrov od úst – intenzita akustického tlaku sa znižuje kvadraticky, teda v dvojnásobnej vzdialenosti zdroja hluku klesá jeho intenzita/výkon štvornásobne. Vráťme sa ale k „zhranateniu“ sínusového signálu a vzniku harmonických zložiek. Hypotéza je to pekná, lenže harmonické zložky sa predsa vo frekvenčnej doméne všeobecne prejavujú v celých násobkoch (x2, x3, x4…) základného signálu, takže by sme ich vlastne mohli jednoducho len odfiltrovať a rečová oblasť okolo 80Hz-6kHz by zostala nedotknutá…? Áno, ale celé je to trochu inak. Problém nenastáva ani tak v mikrofóne alebo zosilňovacom reťazci pred A/D prevodníkmi ale práve v týchto prevodníkoch, kde dochádza ku kolízii vzorkovacích frekvencií a tohto veľmi silného ultrazvukového signálu. Nie je možné jednoznačne určiť, akou mierou ktorá z obvodových častí prispieva k celkovej degradácii spracovávaného signálu. Pokusom s analógovou plošticou vybavenou obvodom AVC bolo zistené, že jej odolnosť proti ultrazvukovému rušeniu je oveľa vyššia ako odolnosť techniky používajúcej digitalizáciu zvuku.

Záznam alebo prenos (odpočúvanie) je tak, ako sa zdá, úplne znemožnený. Stačí ale cez mikrofón prehodiť flanelovú košeľu, sako, niekoľkokrát preloženú vreckovku (ideálne použiť vhodnejší mikrofón) a razom je všetko inak.

Rôzne materiály majú rôznorodé účinky v podobe útlmu na priechod zvuku s rôznymi frekvenciami. Všeobecne platí, že tkaniny, filc, molitan a pod. pôsobia ako „útlmový článok typu dolný priepust“ a teda tlmia ultrazvuk a prepúšťajú počuteľné rečové spektrum. Tuhé materiály s vysokou hustotou, ako napríklad sklo, bránia priechodu akustického tlaku šíriaceho sa voľným priestorom. Vhodná tkanina aj vo veľmi malých rozmeroch, vhodne konštrukčne prispôsobená mikrofónu (respektíve jeho zvukovodu), veľmi účinne tlmí vplyv ultrazvuku na celkovú kvalitu skrytého záznamu alebo prenosu nejakého odpočúvania.

Zdravotné aspekty sú tiež nezanedbateľné. Ultrazvuk je pre človeka síce reálne nepočuteľný ale to neznamená, že nemôže poškodiť ľudský sluch – obzvlášť pri dlhodobom alebo častom pôsobení na bubienok ucha. Môže tak dochádzať k jeho zhrubnutiu a následnej strate schopnosti počuť vyššie frekvenčné zložky rečového spektra, tzv. „sykavky“. Takto postihnutý človek má potom problém so zrozumiteľnosťou a priestorovým vnímaním zvuku.

Spektrogram ultrazvukového jammeru vs. hovorené slovo (výrazne hlasnejší než býva zvykom).

Spektrogram ultrazvukového jammeru v porovnaní s hovoreným slovom s prejavom výrazne hlasnejším ako pri bežnej reči ukazuje: zelenú stopu (v spodnej časti spektrografu) znázorňujúcu hluk ultrazvukového jammeru, žltú stopu (v hornej časti spektrografu) znázorňujúci priebeh hovoreného slova. Ekvivalentný rozdiel maxima činí takmer 50dB (ultrazvuk je dramaticky hlasnejší) ale pritom zvyškový parazitný (intermodulačný) hluk ultrazvukového jammeru je prakticky na rovnakej úrovni ako výrazne hlasnejší rozhovor.

 

Reálny test z praxe:

Poľsko - Bielsko Biala, 28.9.2017. Súkromné predvedenie veľmi výkonného ultrazvukového jammeru Poľskej výroby. Rokovacia miestnosť v hoteli cca 5x5m, uprostred stôl nepravidelného tvaru a okolo neho stoličky. Vybavenie miestnosti je strohé, na podlahe bežný koberec so zdvihnutým lemom dookola do výšky cca 5cm. Jammer má 12-tich hraný tvar a je situovaný uprostred stola.

Prebehli tieto série testov:

1. Do priestoru sme do úrovne koberca uložili jeden batériový UHF a jeden digitálny mikrovlnný odposluch, aby sme nasimulovali situáciu mikrofónu vedeného káblom napríklad za kobercovým lemom – mikrofón NEBOL schovaný pod, ani za kobercom. Do zásuvky pod úrovňou stola sme zasunuli roztrojku s ďalším UHF odpočúvaním. Nasleduje test funkčnosti, všetko funguje ako má. Po zapnutí jammeru bol počuteľný nepríjemný zvuk a došlo k zníženiu citlivosti mikrofónov odpočúvania - prenos nebol síce ideálny ale rozhovor bol počuteľný a obsahovo dekódovateľný. V okamihu, keď sa UHF odposluch dostal do úrovne nad rovinou stola, došlo k znemožneniu odpočúvania. Neskôr sme meraním potvrdili, že silný ultrazvuk prešiel zosilňovacími obvodmi až na modulátor vysielača a rozmoduloval nosnú do takej miery, že daným kanálom nebolo možné použiteľne prenášať iné, slabšie zvuky. Digitálny mikrovlnný odposluch je v mikrofónnej trase opatrený obvodmi typu dolná priepust pod 8kHz („stará škola“) - ten sa správal po celú dobu prakticky rovnako ako analógový odposluch. Mobilné telefóny na stole alebo v úrovni nad rovinou stola boli, čo sa týka záznamu (mikrofónu), úplne mimo prevádzky. Mobilné telefóny nemajú všeobecne v mikrofónovej ceste žiadne externé analógové obvody (nie to ešte nejaké analógové filtre) a mikrofóny majú napojené symetricky priamo na vstupy procesorov, kde je už všetko riešené „all-in-one-chip“ (asi len vstupné „rutinné“) ESD ochranné obvody, nejaký jednostupňový zosilňovač na báze operačného zosilňovača a šup so signálom na A/D prevodník), preto je rušenie ich mikrofónnych častí tak jednoduché. 
2. Prišiel čas na experimenty v rámci tejto prvej sady testov. Mikrofón UHF odpočúvania a digitálneho odpočúvania na koberci sme otočili smerom ku kobercovému lemu a zistili sme, že prenášaný zvuk z miestnosti je nezmenený – mikrofón prenáša všetko tak, ako keď sme mali v danom mieste vlastné ucho. Išlo teda počuť parazitný hluk ultrazvukovej rušičky, tak aj rozhovor dvoch osôb pri stole ktoré museli hovoriť tak hlasno, aby sa vzájomne počuli. UHF odpočúvanie v roztrojke sme len pokusne zakryli flanelovou košeľou, ale charakter jeho prenosu sa nezmenil a situácia bola rovnaká ako v predošlom prípade. Citlivosť mikrofónu bola obvody AGC mierne znížená kvôli celkovej hlučnosti počuteľného spektra v miestnosti. Mobilné telefóny sme skúsili dať do vrecka saka alebo na stoličku s polstrovaným operadlom „za zadok“, takže ultrazvuk bol tlmený telom a tkaninami okolo mobilu. Výsledok bol v tomto prípade dosť neistý - ak by chcel niekto takto odpočúvať alebo nahrávať daný rozhovor, mal by cca 50% šancu. Veľa záležalo na tom, kde človek sedel vzhľadom na ne/nasýtenie priestoru ultrazvukom. 
3. Nadišiel čas na extrémne testy a merania. Na stole sme mali už spustený real-time spektrálny analyzátor Rohde & Schwarz FSVR7, ktorý pracuje od 10Hz a teda s vhodnou mikrofónovou sondou pokrýva celé akustické aj ultrazvukové spektrum. Po pripojení mikrofónnej sondy sme chceli vykonať nastavenie analyzátora, v tom ale nastal nečakaný problém - analyzátor nereagoval na stlačenie žiadnej klávesy! Studený pot, v človeku by sa v tej chvíli krvi nedorezal... Automaticky sme analyzátor vypli a znovu zapli, aby mohol znovu nabehnúť operačný systém aj celé zariadenie. Vypnutie zlyhalo, museli sme ho vypnúť „natvrdo“ systémovým podržaním ON/OFF dlhšie ako 5 sec. Zapíname, objaví sa úvodná systémová obrazovka s diagnostickými textami, zrazu sa všetko zastaví na načítaní HDD a koniec, ďalej nič. Tak teda nádych, výdych a zapojiť pragma namiesto emócií. Čo je iné ako obvykle? Ultrazvuk. Čo sa asi stalo? HDD sa asi nepáči prostredie silného ultrazvuku (extrémne silný ultrazvuk asi prešiel až na hlavičku HDD, rozvibroval ju a nemohli tak byť korektne načítané alebo ukladané dáta). Čo musíme urobiť? Intuitívne nás napadlo dať debnu analyzátora pod stôl a vykonať nový štart. Podarilo sa, analyzátor bez problémov nabieha a pracuje ako má. Do vzdialenosti 1,5m od ultrazvukového meniča ukladáme mikrofónovú sondu, ukladáme záznam spektrografu a pokúšame sa zistiť vplyv pohybu osôb po miestnosti na prenosovú charakteristiku – výsledok je podľa očakávania negatívny. Mikrofónovú sondu sme teda nahradili UHF odpočúvaním a digitálnym mikrovlnným odpočúvaním. Zvuk bol úplne nepoužiteľný, a obvody oboch zariadení boli zahltené. Po prehodení flanelovej košele bez akéhokoľvek ukladania alebo modelovania cez tieto zariadenia sa po miestnosti rozoznel zvuk spätnej väzby a hneď bolo jasné, že oba mikrofóny počúvajú, čo počúvať majú, a oba odpočúvania pracujú korektne. Je dôležité podotknúť, že použité mikrofóny neboli bežné elektretové mikrofóny, ale nijak neupravované, teda štandardné mikrofóny Knowles, preslávené vo svete špionáže už desiatky rokov.

 V podobnom duchu ale prakticky so zhodnými výsledkami bol vykonaný test českého ultrazvukového rušiaceho systému v Prahe dňa 27. 5. 2022. V testovacej miestnosti sa tentoraz nachádzalo niekoľko ultrazvukových meničov majúcich za úlohu vykrývať aj inak „slepé miesta“. Subjektívny pocit z parazitného interferenčného hluku bol vďaka viac nasýtenému prostrediu ultrazvukom a evidentne vyššiemu výkonu o poznanie horší.

 

Technický komentár spektrografov a analýzy meraných zariadení:

Ako bolo spomenuté vyššie, testovaný český ultrazvukový rušiaci systém je celkovo vzhľadom k širšej rušiacej oblasti výkonnejší, má inú frekvenčnú schému, obsahuje viac parazit v počuteľnej oblasti a o to je aj subjektívne viac nepríjemný. Testy ukázali, že fyzika platí pre všetkých a prekonať útlm tkaninovej filtrácie sa zdá byť už ďaleko za hranicou únosnosti z pohľadu hroziacich zdravotných následkov, samotnej vôle zotrvať v takto zahlučnenom prostredí, ako aj z pohľadu samotného technického riešenia.

Český vs. poľský ultrazvukový rušiaci systém.

Na spektrograme vyššie je premietnutie oboch testovaných zariadení do kompaktného zobrazenia. Žltá krivka zobrazuje český a červená poľský ultrazvukový rušiaci systém, podobne je v spodnej časti rozdelený spektrograf na dve polovice. Zjavné rozdiely:

-          Český systém ruší už od cca 18kHz a pokrýva oblasť aj poľského systému v okolí 24-25kHz.

-          Výskyt intermodulačných parazitných produktov v počuteľnej oblasti do 6kHz je u českého systému viditeľnejší, rovnako tak aj celková miera rušenia v oblasti 6-18kHz.

-          Markantné amplitúdy rušenia sú u oboch systémov porovnateľné.

-          Z pohľadu typu rušiaceho signálu, český systém používa pseudonáhodné rozloženie energie do určitej šírky v dvoch dominantných kanáloch (19-21kHz a 24-25kHz). Poľský systém aplikuje v jednom kanáli okolo 25kHz úzky pseudonáhodný, pravdepodobne FM modulovaný signál a hneď vedľa neho, pravidelne rozmietanú obdobu tohto signálu v rozpätí 23,2 – 23,9kHz (amplitúdovo slabšia je pravdepodobne kvôli „pracovnej hrane“ rezonančnej krivky meničov).

-          Poľský systém má síce frekvenčne zaznamenaný výskyt intermodulačných parazitných produktov len v oblasti do cca 2kHz, ale zato logicky s mierne vyššou hustotou. Český systém je v počuteľnej oblasti viac „hlasný“ čo vysvetľuje aj spomínaný zhoršený subjektívny diskomfort.

 

Záver:

Extrémne silný ultrazvuk prenikol cez krytie merača, cez prachotesné krytie HDD, vyradil ho dočasne z prevádzky, ale aj napriek takému výkonu si s kúskom tkaniny pred mikrofónom poradiť nedokázal – bol potlačený na úrovni základných „audio fyzikálnych vlastností“ danej tkaniny.

V prípadoch, keď nie je priestor doslova nasýtený ultrazvukovým rušením, je dokonca jeho účinok na mnohé typy mikrofónov (aj bez ich úpravy) zanedbateľný. Zdravotný vplyv je ako priama forma pôsobenia akustického tlaku preukázateľne škodlivý.

Vznik interferenčných produktov v počuteľnej oblasti je nežiaduci jav, ktorý je možné pri výrobe len veľmi obmedzene mierniť. Očividne (aj s odstupom rokov vývoja) ho nemožno úplne potlačiť pod vnemovú úroveň.

Pokiaľ budeme za zdravotnú formu škodlivého vplyvu považovať aj vyčerpanie a únavu po iba cca 1/2h pobytu v tomto prostredí (bez nutnosti viesť nejaké náročné jednanie), potom si záver urobí každý sám.

Na základe týchto zistení sme sa rozhodli, že podnikať vývoj akokoľvek výkonného alebo aplikačne prepracovaného systému rušenia mikrofónov touto formou, nemá reálnu perspektívu...