Мобильный подавитель микрофонов на Arduino. Принцип работы

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 ^[1].

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 ^[2] 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 ^[3], 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 ^[4]).

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 ^[5]. 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 ^[6].

Эффективность мобильного подавителя проверили в серии экспериментов. Результаты следующие:

1. 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.
2. У этого подавителя остаётся гораздо меньше слепых зон, чем у аналогичных приборов.
3. 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 ^[7] голосового ассистента, по установке от производителя ^[8] или в результате взлома ^[4].

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 ^[9], то есть работать как микрофон (если перед ними нет усилителя). А по звуку клавиатуры злоумышленник может прочитать набираемый текст ^[10].

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 ^[11] голосовых ассистентов.

Примечание: подавитель не действует ^[12] против iPhone 8 и более старших версий, где Apple закрыла микрофон водонепроницаемой мембраной. Судя по всему, мембрана плохо пропускает ультразвук.