Прослушивание света: микрофоны MEMS и технические вопросы

Если голосовая команда преобразуется в лазерный луч и лазерный луч направлен на микрофон голосового помощника, то голосовой помощник обнаруживает команду и подчиняется ей. Это открытие сделали исследователи из Университета электросвязи (Тёфу, Япония) и Университета Мичигана. Они послали заказы на устройства от нескольких десятков метров. Единственное необходимое условие — это прямая видимость между источником лазерного луча и микрофоном.

Исследователи протестировали лазерную атаку на умные колонки, смартфоны, планшеты и другие устройства, использующие Amazon Alexa, Apple Siri или Google Assistant. Этот метод работает со всеми этими устройствами, но расстояние, на котором микрофон обнаруживает сигнал, составляет от 5 до 110 метров. Теоретически этот диапазон мог бы быть больше с более мощным лазером и подходящей линзой.

Почему микрофоны MEMS реагируют на свет

Эта лазерная атака возможна из-за конструкции микрофонов устройств. Большинство современных микрофонов в интеллектуальных электронных устройствах известны как микроэлектромеханические системы (МЭМС); миниатюрные устройства, электронные и механические компоненты которых объединены в одну сложную конструкцию.

Датчики, использующие МЭМС, производятся массово благодаря технологиям, используемым для компьютерных микросхем, благодаря очень похожим материалам (кремний) и одинаковой степени миниатюризации (отдельные части измеряются в микрометрах или даже нанометрах). Датчики MEMS также очень недорогие. Вот почему они уже заменили большинство других миниатюрных датчиков и устройств, работающих там, где встречаются электронный и физический миры.

Основным сенсорным элементом микро-МЭМС является очень тонкая мембрана, в сто раз меньше толщины человеческого волоса. Звуковые волны заставляют мембрану вибрировать, так что пространство между ней и неподвижной частью датчика последовательно расширяется и сжимается. Мембрана и неподвижная часть датчика образуют конденсатор, так что изменение расстояния между ними становится изменением емкости. Эти отклонения можно легко измерить и записать, а затем преобразовать в звук.

Луч света также может создавать волны, вызывающие вибрацию чувствительной мембраны. Мы знаем о фотоакустическом эффекте с конца девятнадцатого века. Примерно в это же время шотландский ученый Александр Грэм Белл, известный прежде всего тем, что запатентовал телефон, изобрел фотофон — устройство, которое использовало луч света для обмена звуковыми сообщениями на расстоянии нескольких сотен метров.

Фотоакустический эффект возникает в большинстве случаев, когда свет достигает отображаемых объектов. Объекты расширяются из-за нагревания, а после охлаждения возвращаются к своему первоначальному размеру. Следовательно, их размеры изменяются, если они подвергаются воздействию лазерного луча. Вы никогда этого не осознаете. Датчики MEMS крошечные, поэтому они могут обнаруживать даже самые микроскопические действия. Они воспринимают вибрации и преобразуют их в звукозапись, которую затем можно распознать по голосовой команде.