一种基于超声波的窃听方法

摘要：提出一种超声窃听方法，并简要地介绍其工作原理和实现方式。该方法用超声波传感器发射和接收40 kHz频率的超声波，由超声发射探头朝待测波源处发射等幅超声波信号，在声源处被声音信号调制，反射回来的信号被超声波接收探头接收，并经接收模块进行检波、滤波、功率放大等处理，实现声音的还原，达到窃听的效果。
关键词：超声波窃听；音频调制；声音还原；检波电路

0 引言
随着电子技术的发展，目前已经出现各种各样的窃听技术，例如：激光窃听、微波窃听等。本文提出一种基于超声波的窃听方法。利用40kHz的正弦波电信号来驱动超声发射探头产生超声信号，该超声信号发射到待测声源处被声音信号调制后反射回来，反射信号由超声接收探头接收，再经过接收模块的检波、滤波、功率放大等处理后，实现声音的还原。

1 基本原理
人耳能听见的声音频率范围是20 Hz～20 kHz，日常人们听到的声音信号是相当复杂的，但可以把这个复杂声音信号看成是多个不同频率正弦信号的叠加。声音信号在声源处对载波信号的调制，其实相当于不同频率的载波信号在声源处对载波信号进行了调制。如图1所示，以普通的调幅电路组成模型，简要说明声音信号的调制原理。


ma必须小于或等于1。否则，当ma>1时，在Ωt=π附近，v(t)变为负值，它的包络不能反映调制信号的变化而造成失真，为了避免这种调幅失真，ma的值绝对不应超过1。

调幅波经检波后即得到原调制信号。

本文基于超声波窃听的基本原理如图3所示。该实验装置主要由载波信号发送和反射信号接收两部分组成。如图3所示，载波信号发送部分由正弦波发生电路产生40 kHz的正弦波驱动信号，驱动超声波发射探头产生载波信号。发射出去的载波信号在声源处被声音信号调制后反射。该反射信号由超声波接收探头接收，经过信号接收电路的检波、放大等处理，还原出声音信号。

2 器件与电路
2．1 主要器件
超声波传感器采用谐振频率为40 kHz的发射、接收分立传感器组，最高驱动电压为20V。
发射模块采用单片集成电路ICL8038，其工作频率范围在几赫兹至几百赫兹之间，可同时输出方波、三角波、正弦波信号。本实验用其产生40 kHz的正弦驱动信号。
接收模块采用常见低电压音频电压放大器LM386。实验中通过检波电路检波，还原出声音信号，再进行声音的功率放大。
2．2 电路原理图简介
正弦波发射模块如图4所示，ICL8038的7脚和8脚直接串接，8脚由7脚提供固定电位，此时输出频率f由5脚和4脚上的电阻决定，20 kΩ的可变电阻可大幅度改变输出频率，而500 Ω可变电阻起到微调作用。12脚的100kΩ可变电阻可以改善正弦波的负向失真。采用正负12V供电，使输出波形的直流电平为0。通过改变20 kΩ可变电阻使2脚输出40 kHz的正弦波信号。

接收模块电压放大电路如图5所示，低电压音频电压放大器LM386，其增益在20～200倍之间可调，此电路对低电压信号的放大效果良好，且驱动能力强。

检波电路如图6所示，对包络进行检波、滤波处理，还原出声音信号，其原理图如图7所示。

3 实验结果
实验中，由超声波发射探头发射40 kHz超声载波信号，如图8所示。再分别由超声接收部分(接收探头及接收模块电路)对超声发射探头，声源处输入5 kHz音频调制，以及声源处为真实声音信号时所测得的信号经由示波器显示的信号波形图，如图9，图10所示。图9是受5 kHz音频信号调制后反射回来的超声波信号；图10是受真实声音调制后反射回来的超声波信号。此外，经由音频喇叭接听的声音信号能很好地还原声源处的声音信号。