Вокруг нас куча звукозаписывающей техники — смартфоны, камеры, умные часы, умные колонки, диктофоны. Могут быть ещё скрытые прослушивающие устройства, жучки. Некоторые гаджеты работают в режиме непрерывной прослушки (голосовые помощники в колонках, смартфонах, часах). Чтобы защитить человека, в прошлом году инженеры из Чикагского университета разработали элегантный браслет, который глушит все микрофоны вокруг.
Универсальная глушилка или подавитель микрофонов — полезная вещь для защиты приватности как в помещении, так и на улице. Посмотрим, как она работает.
Подавитель микрофонов из Чикагского университета излучает белый шум на частоте 24—25 кГц. Принцип работы основан на обнаруженной уязвимости стандартных микрофонов с усилителем сигнала. Дело в том, что микрофоны в обычных потребительских устройствах восприимчивы к ультразвуку. Как подробно объясняется в этой научной работе от 2017 года, достаточно сильный ультразвук создаёт в микрофоне своеобразную низкочастотную тень, таким образом забивая приём на остальных частотах, в том числе в диапазоне 80—600 Гц, в котором звучит человеческий голос. Появление «тени» объясняется нелинейным усилением сигнала в цепи микрофона (этот эффект нелинейности давно используют музыканты для синтеза звуков, но только сейчас ему нашлось применение в области информационной безопасности, в том числе его использовали для атаки на умные колонки с помощью неслышимых человеку команд в ультразвуке).
Рабочий принцип подавителя микрофонов. Неслышимый человеку ультразвук (справа) создаёт низкочастотную тень (слева), которая покрывает диапазон человеческой речи
Старые подавители микрофонов использовали менее эффективные техники, например, излучение СВЧ. О некоторых писали на Хабре пять лет назад. Например, в статье упоминались подавители «Канонир» и «Бубен» российского производства.
Подавитель диктофонов «Канонир» российской (ручной?) сборки
Так или иначе, у любых стационарных подавителей есть «слепые зоны», куда излучение не доходит. Как показала симуляция исследователей из Чикагского университета, у типичного стационарного подавителя с 9 динамиками ультразвука в слепые зоны входит 17% всего пространства в радиусе 1,2 м (на иллюстрации внизу).
Симуляция эффективности подавителей микрофонов разной конструкции
Мобильное устройство решает эту проблему за счёт естественных движений человека во время жестикуляции или ходьбы. Учёные продемонстрировали, что такие движения действительно эффективно покрывают слепые зоны и увеличивают радиус действия.
Кроме того, существующие подавители зачастую направленные, то есть их нужно направлять в сторону микрофона. У мобильного подавителя передатчики ультразвука направлены во все стороны. Это выводит из строя даже скрытые микрофоны, о существовании которых мы не знаем.
Экспериментальный браслет внешним диаметром 9 см напечатан на 3D-принтере, оснащён 23 динамиками ультразвука (модель NU25C16T-1, 25 кГц), генератором сигналов AD9833 (до 12,5 МГц с шагом 0,0004 Гц), микропроцессором ATMEGA32U4, светодиодом для индикации статуса, тактильным переключателем (не показан на фотографии), LiPo-аккумулятором (3,7 В, 500 мАч), трёхваттным усилителем звука PAM8403 и повышающим регулятором напряжения с 3,7 до 5 В.
Модель для 3D-печати, код симуляции Matlab и код Arduino для генератора сигналов опубликованы здесь.
Эффективность мобильного подавителя проверили в серии экспериментов. Результаты следующие:
- При излучении во все стороны устройство глушит более 87% слов, произнесённых рядом с ним в любом направлении, в то время как существующие устройства глушат только 30%, если они не направлены строго на микрофон.
- У этого подавителя остаётся гораздо меньше слепых зон, чем у аналогичных приборов.
- Ношение прибора вызвало у испытуемых ощущение приватности.
Конечно, последний пункт ничего не говорит об эффективности устройства.
Постоянная прослушка
В прежние времена подавитель диктофонов был специализированным устройством для людей, желающих обеспечить конфиденциальность переговоров. Сегодня ситуация принципиально другая. Вокруг нас всё больше умных устройств, которые ведут постоянную прослушку в ожидании определённой голосовой команды (например, “Alexa” или “Hey Google”). Голосовые ассистемнты с такой функциональностью ставят в смартфоны, умные часы, умные колонки, телевизоры и т. д.
Неоднократно фиксировались случаи, когда подобные устройства записывали разговоры и отправляли информацию на удалённый сервер без ведома владельца. Это случается из-за неправильной конфигурации голосового ассистента, по установке от производителя или в результате взлома.
Ситуация усугубляется тем, что многие акустические атаки предусматривают прослушку с помощью устройств, не предназначенных для этого, и нестандартные векторы атаки. Например, динамики могут записывать звук, то есть работать как микрофон (если перед ними нет усилителя). А по звуку клавиатуры злоумышленник может прочитать набираемый текст.
Поэтому постоянная защита конфиденциальности с помощью подавителя микрофонов в будущем может стать стандартным правилом цифровой гигиены. Возможно, это также защитит от жутких случаев ложного срабатывания голосовых ассистентов.
Примечание: подавитель не действует против iPhone 8 и более старших версий, где Apple закрыла микрофон водонепроницаемой мембраной. Судя по всему, мембрана плохо пропускает ультразвук.
Комментарии (38)
ifap
24.10.2021 22:15+4Ситуация усугубляется тем, что многие акустические атаки предусматривают прослушку с помощью устройств, не предназначенных для этого, и нестандартные векторы атаки. Например, динамики могут записывать звук, то есть работать как микрофон (если перед ними нет усилителя). А по звуку клавиатуры злоумышленник может прочитать набираемый текст.
Поэтому постоянная защита конфиденциальности с помощью подавителя микрофонов в будущем может стать стандартным правилом цифровой гигиены.
Кхм…
merlin-vrn
24.10.2021 22:39+5Если вдруг такие штуки станут хоть мало-мальски популярны, немедленно появится "профессиональная" техника, в которой малость поменяют схемотехнику предусилителей микрофонов. В схему добавят фильтр, который будет отсекать полосу, транслируемую подавителем.
Причём добавление фильтра само по себе вызовет удорожание схемы, скажем, на проценты, но стоимость изделий будет выше в разы, чем у аналогов "без защиты от подавителей". Это всё будет подаваться как серебряная пуля, мол, "запишет всё". Не удивлюсь, если у первых устройст формат записи будет какой-нибудь проприетарный и только для винды, или только для смартфона и собственного приложения.
Также, некоторые правительства наверняка понаделают ограничений как на продажу подавителей, так и устройств, которые они не подавляют.
А какому-нибудь древнему диктофону на микрокассетах всё окажется пофигу и он прекрасно запишет всё даже в присутствии подавителей.
Вообще сам принцип несколько напоминает MacroVision APS.
balamutang
25.10.2021 12:34+4Думаю кусок самоклейки на микрофон решат 90% проблем с такими "глушилками", тут главное отрезать все что выше 3кГц.
На крутых системах будут конечно какие-то звуковые тоннели, в которых 25кГц погасят сами себя.
Ну а что касается прослушки через динамик - на такие прослушки эти глушилки не повлияют вовсе, мембрана динамика слишком тяжела чтоб раскачаться на 25кГц.
Zordhauer
25.10.2021 19:22+2Так в конце статьи и написали, что не работает с iPhone 8 и новее, даже без изменения схемотехники обошлись.
Так себе защитное устройство, защитные свойства которого случайно обошли на одних из самых продаваемых и распространённых девайсах..
Такие решения, основанные на случайно обнаруженных крайне специфичных явлениях хорошо подходят как раз для атак, а не для универсальной защиты от атак.
Alexeyslav
26.10.2021 01:01Скорей всего не работает из-за того что стоит там разговорный микрофон MEMS с цифровым выходом и конструкционной частоткой до 4кГц. Просто ультразвук не может раскачать MEMS-структуру и перед оцифровкой осуществляется жесткая фильтрация, дабы избежать алиасинга при столь низкой частоте оцифровки.
mx-yh
25.10.2021 21:47я из статьи понял что используется нелинейность самих микрофонов, то есть искажение происходит в микрофоне, а не в усилителе за микрофоном. В усилитель уже идет смесь 'тени' и звука
Alexeyslav
26.10.2021 01:06Классический микрофон в телефонах - электретный. Это наэлектризованная мембрана перед затвором полевого транзистора, по сути являющимся первым каскадом усиления... В новые ставят MEMS-микрофоны, созданные по технологии аналогичной сенсорам ускорения. Там целая схема измерения ёмкости между подвижными частями и соответственно необходимая фильтрация низких частот.
mx-yh
26.10.2021 10:52+1Спасибо, кэп
Как ни странно, и у mems и у электретных микрофонов ограничен динамический диапазон. Ограничение динамического диапазона и есть та нелинейность на которой можно отражать частоты в другой диапазон.
NumLock
24.10.2021 22:43+13Как подробно объясняется в этой научной работе от 2017 года, достаточно сильный ультразвук создаёт в микрофоне своеобразную низкочастотную тень, таким образом забивая приём на остальных частотах, в том числе в диапазоне 80—600 Гц, в котором звучит человеческий голос.
Ерунда всё это. Идеи подавления записи "100 лет в обед". Толком она никогда не работала. В 90-х годах работал в шарашке, которая занималась производством подобных поделок. Мы знали как она работает. При презентации у 99% были простенькие записывающие устройства. Поэтому в основном это прокатывало на ура и этот хлам элементарно впаривался непонимающим физику манагерам.
На самом деле, если записывающее устройство содержало АРУ (автоматическая регулировка усиления) в канале записи (простенькие записывающие устройства), то звук не записывался на близком расстоянии и слабо при удалении. Если уровень записи был ручной (все профессиональные записывающие устройства), то звук записывался с щелчками. Щелчки можно было легко удались фильтром при воспроизведении. Как игрушку это можно использовать. Как реальную глушилку - нет.
З.Ы.
Такие устройства с большой мощностью имели отвратное действие. Через несколько минут начинала болеть голова. Так, что при презентации полную мощность не устанавливали и фокус показывали на близком расстоянии.
corvair
25.10.2021 14:29Даже массовый советский магнитофон 2 класса сложности "Весна-202" имел автоматическую и ручную регулировку уровня записи. Вообще в тогдашней технике эта фишка была вполне себе распространённой.
balamutang
25.10.2021 14:43Ну дешевые, 4го - 3го класса были с АРУ, предполагалось что это будет носимая техника для простой записи. Сложные были как правило без АРУ, но у них были индикаторы и регуляторы уровня записи.
oleg-m1973
24.10.2021 23:17+4Я так понимаю, эта штука должна ещё и комаров отгонять?
unsignedchar
25.10.2021 13:43+1Я так понимаю, эта штука должна ещё и комаров отгонять?
И немного стирать носки…
Damme
25.10.2021 00:00+1При съемке технологического ультразвукового оборудования с небольшого расстояния на записи звук примерно такой (осторожно — очень громко!):
https://disk.yandex.ru/i/Nf6K4nO_UTBi6g
При увеличении расстояния до излучателя хотя бы метров до полутора-двух активное шумоподавление в современных смартфонах уже может подавить этот шум.
v1000
25.10.2021 09:10+4
dlinyj
25.10.2021 14:55+1Boomburum эта публикация — явный перевод, хотя и выдана как своя собственная статья (хотя это даже скорее в новости). Вон люди даже дают ссылку на такую же новость.
catBasilio
25.10.2021 12:54+2arduino, генератор сигналов...
выглядит, как из пушки по воробьям. А не проще (и компактнее) было бы использовать мультивибратор на 2-х транзисторах?
Drosselmeier
25.10.2021 14:09Там скорее что-то типа Atari Punk нужен с автоматической сменой режимов.
Иначе существует возможность простой фильтрации помехи.
balamutang
25.10.2021 14:56+1ПО нынешним временам из пушки по воробьям это как раз мультивибратор.
Его отладка и настройка будет дороже чем ардуина. Потом поплыли параметры деталей или питающее напряжение - генерация сорвалась или частота опустилась в звуковой диапазон, одни проблемы.
Wesha
25.10.2021 19:48А не проще (и компактнее) было бы использовать мультивибратор на 2-х транзисторах?
Этот же вопрос я задавал в другом контексте. Автор меня пространно убеждал, что не проще и не компактнее.
P.S. Не успел ещё нажать кнопку "Отправить" — а они уже здесь!
unsignedchar
25.10.2021 21:19С тех пор, как изобрели таймер ne555 и мелкие микроконтроллеры - не сильно проще и не сильно дешевле.
mx-yh
25.10.2021 21:57Скорее всего там не одна частота. Да излучатели резонансные, но включать выключать их можно каким-нибудь розовым шумом
Alexeyslav
26.10.2021 01:12+1А как с мультивибратора получить белый шум? Если внимательно почитать статью, там написано что на излучатели подаётся белый шум. Можно конечно аналогом сделать белый шум, но схема потребует настройки и будет капризной. А тут всё чётко и предсказуемо, до уровня цифрового RANDOM.
dlinyj
25.10.2021 14:50+7Я надеялся увидеть схему, прошивку, а не перевод статьи sandlab.cs.uchicago.edu/jammer выданной как свою собственную статью. Если вы делаете перевод, пожалуйста помечайте его как перевод.
dem0crypt
25.10.2021 14:53+1...генератором сигналов AD9833, микропроцессором ATMEGA32U4...
Не понимаю зачем генератор нужен? Разве ШИМ атмеги не сможет 25 кГц выдать?
Alexeyslav
26.10.2021 01:18Вероятно, не хватит разрядности чтобы попасть на такой частоте в окно полосы излучения излучателя, а с помощью этой платки построенной по DDS-принципу частоту можно варьировать долями герц. На меге аналогичный генератор(DDS) на 25кГц врятли можно будет реализовать, разве что впритык и на ассемблере. Но это ведь не путь истинного исследователя...
dem0crypt
26.10.2021 11:20На меге ШИМ 16 бит разрядности, при тактовой частоте 16М в режиме Fast PWM (для 25 кГц) частоту можно менять с дискретностью примерно 40 Герц. Этого недостаточно? Да и на спектре сверху сигнал шириной где-то 2 кГц + гармоники, смысл там доли герц подбирать? Вдобавок у меги же не один канал ШИМ, можно полосу выдать шире чем с одного генератора.
Alexeyslav
09.11.2021 01:52Попробуйте. Только FastPWM это уже не 16 бит, а меньше, сильно меньше. На 25кГц это уже будет 9-10 бит. Возможно шага в 40Гц и хватит, но сетка разностных частот будет небольшой, бита на 4-5 от силы и возможно её будет легко выявить и компенсировать.
sinc_func
Если немного призадуматься - весьма занятный эффект.
А что если вместо шума попытаться записать выражения "с перчиком", перебросить их на верхние частоты, транслировать в ультразвук и далее на нелинейностях микрофона восстановить в исходном частотном представлении?
Wesha
Лучше, как для Иван Иваныча, хор Пятницкого.