[논문 리뷰] Understanding the Effectiveness of Ultrasonic Microphone Jammer

Yuxin Chen, Huiying Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 17.

Speech and Audio Processing참고 문헌 32인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주변 마이크를 광범위하게, 움직임을 통해 강화된 방해를 제공하는 웨어러블 초음파 방해 장치 팔찌를 제안한다. MEMS 마이크웨어웨어 하드웨어의 비선형성을 활용하여 실생활 상황에서 가시적이고 은밀한 마이크를 효과적으로 방해함으로써 맹점과 방향 조절이 필요 없는 지속적인 프라이버시 보호를 실현한다.

ABSTRACT

Recent works have explained the principle of using ultrasonic transmissions to jam nearby microphones. These signals are inaudible to nearby users, but leverage "hardware nonlinearity" to induce a jamming signal inside microphones that disrupts voice recordings. This has great implications on audio privacy protection. In this work, we gain a deeper understanding on the effectiveness of ultrasonic jammer under practical scenarios, with the goal of disabling both visible and hidden microphones in the surrounding area. We first experiment with existing jammer designs (both commercial products and that proposed by recent papers), and find that they all offer limited angular coverage, and can only target microphones in a particular direction. We overcome this limitation by building a circular transducer array as a wearable bracelet. It emits ultrasonic signals simultaneously from many directions, targeting surrounding microphones without needing to point at any. More importantly, as the bracelet moves with the wearer, its motion increases jamming coverage and diminishes blind spots (the fundamental problem facing any transducer array). We evaluate the jammer bracelet under practical scenarios, confirming that it can effectively disrupt visible and hidden microphones in the surrounding areas, preventing recognition of recorded speech. We also identify limitations and areas for improvement.

연구 동기 및 목표

• 항상 케어된 음성 어시스턴트와 스마트 기기 내 숨겨진 마이크와 관련된 증가하는 프라이버시 우려를 해결하기 위해.
• 기존의 방향성 초음파 방해 장치의 제한된 각도 커버리지와 지속적인 맹점 문제를 해결하기 위해.
• 사용자가 동적인 실생활 환경에서 능동적으로 음성 프라이버시를 보호할 수 있는 실용적인 웨어러블 솔루션을 개발하기 위해.
• 사용자 또는 대상 마이크의 움직임을 포함한 실제 조건에서 장치의 효과성을 평가하기 위해.
• 공공 및 개인 공간에서 초음파 방해 장치를 배치할 경우의 안전성, 윤리적 고려사항 및 예기치 않은 결과를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 모든 방향으로 동시에 신호를 방출할 수 있도록 원형 배열로 24개의 초음파 트랜스듀서를 배치한 웨어러블 팔찌를 설계 및 구현한다.
• MEMS 마이크웨어웨어 하드웨어의 내재된 비선형성을 활용하여 청취할 수 없는 초음파 신호를 마이크 회로 내에서 방해가 되는 청취 가능한 소음으로 변환한다.
• 사용자 움직임을 동적 커버리지 향상 수단으로 활용하여 정적 트랜스듀서 어레이에서 흔히 발생하는 고정 맹점을 줄인다.
• 실생활 구현을 위해 공용 부품(예: 마이크로컨트롤러, 배터리, 트랜스듀서)을 사용한 자체 구동형 저전력 시스템을 통합한다.
• 상용 장치와 연구용 프로토타입과의 비교 실험을 수행하여, 방해 범위, 각도 커버리지 및 다양한 마이크 유형에 대한 효과성을 측정한다.
• 소음 압력 수준(SPL) 측정과 장시간 사용 시 사용자 불편 여부 테스트를 통해 안전성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨어러블 초음파 방해 장치는 방향성 장치에 비해 광역 커버리지와 맹점 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ2 실생활의 동적인 환경에서 이 장치는 가시적이고 은밀한 마이크를 얼마나 효과적으로 방해하는가?
• RQ3 사용자 움직임은 방해 커버리지를 향상시키고 고정 트랜스듀서 어레이의 한계를 완화하는가?
• RQ4 공공 또는 개인 공간에 이러한 장치를 배치할 경우의 안전성 및 윤리적 영향은 무엇인가?
• RQ5 청각 보조기기나 비상 대응 시스템과 같은 합법적 장치를 랜덤으로 방해하지 않도록 장치를 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 사용자 움직임과 함께 원형 트랜스듀서 어레이를 활용한 팔찌는 정적 장치에 비해 방향성 맹점을 효과적으로 제거하여 광역 방해를 달성했다.
• 장치는 스마트폰과 스마트 loudspeaker 등 다양한 테스트 환경에서 가시적이고 은밀한 마이크의 음성 녹음 모두를 성공적으로 방해했다.
• 프로토타입는 트랜스듀서에서 최대 100 dB 미만의 소음 압력 수준을 기록했으며, 25cm 거리에서는 73 dB로 감소했고, 장시간 테스트 중 불편함을 보고하지 않았다.
• 장치는 전력 소모가 단지 148 mW에 불과했으며, 무게는 91g이었고, 공용 부품을 사용해 제작 비용은 36달러로 실생활 적용에 매우 실용적이었다.
• 사용자 움직임은 효과적인 방해 커버리지를 크게 향상시켜 마이크 수신이 방해되지 않을 가능성을 줄였다.
• 초기 테스트 결과 사용자가 손으로 자신의 휴대폰 마이크를 가리면 방해를 피할 수 있다는 것이 확인되어 선택적 통신을 위한 실현 가능한 길을 제시했다.