2. Телефонные аппараты

2.1. Принципы телефонной передачи

  • речь человека - совокупность звуковых колебаний;
  • процесс преобразования речевых сигналов в электрические, передача их на расстоянии и преобразование последних вновь в речевые сигналы называется телефонной передачей речи;
  • совокупность устройств, входящих в систему электрической передачи речи от рта говорящего до уха слушающего, образует тракт телефонной передачи или телефонный тракт - отныне пользуются этим понятием.

Специально, для организации телефонного тракта необходимо иметь:
1. аккустико-электрические преобразователи - микрофоны М;
2. электро-аккустические преобразователи - телефоны Т - это составные части телефонного аппарата ТА;
3. линейные сооружения - АЛ и СЛ;
4. телефонные станции АТС.

3 и 4 - это соединительные тракты.

Телефонные тракты могут быть:
- двухпроводными;
- трехпроводными;
- четырехпроводными;
- совокупность 2-х и 4-х проводных линейных участков.

АЛ - как правило, 2-х проводная линия (а,в), которая соединяет ТА с оборудованием АТС. На ГТС она не является очень длинной.
СЛ - 2-х, 3-х, 4-х проводные линии, которые соединяют между собой АТС (если их на сети более одной).

1. Если длина СЛ>5 км., но <= 10-12 км., то в целях экономии целесообразно использовать 2-х проводные физические СЛ.

При этом в телефонный тракт необходимо ввести 2-х обмоточный или 3-х обмоточный (с балансным контуром) трансформатор, чтобы развязать тракт приема и тракт передачи.

2. Если длина СЛ<=5 км., то экономически целесообразно использовать 3-х проводные СЛ (а,в,с), о чем речь будет идти в дальнейшем.

3. Если длина СЛ>10-12 км., то экономически целесообразно на телефонных сетях использовать аппаратуру передачи данных АПД (аппаратуру уплотнения) и тогда необходим 4-х проводный телефонный тракт, который практически состоит из 2-х проводных телефонных трактов одностороннего действия и обеспечивает двустороннюю передачу речи.

Такой телефонный тракт имеет ряд преимуществ (устойчив против самовозбуждения), но более дорогой. Современные ЦСК предусматривают только такой телефонный тракт на любых сетях-DX-200.

4. Реально на сетях в чистом виде 4-х проводный телефонный тракт не используется, а осуществляется на АТС с помощью ДС (диф. систем) переход от 4-х проводной СЛ к 2-х проводной АЛ.

Подобные схемы хорошо вам известны из курса МЭС.

2.2. Характеристики звуковой речи

- звук - колебательное движение частиц упругой среды, вызывающее слуховое ощущение.

Источником звуковых колебаний является колеблющееся тело. Звуковые колебания могут быть периодическими и непериодическими. Периодические могут быть синусоидальные и несинусоидальные (примером несинусоидальных периодических колебаний является звуки музыкальных инструментов). Звуки разговорной речи относятся к непериодическим колебаниям.

- звуковое поле - пространство, в котором распространяется звуковые волны. Звуковое поле распространяется от источника звука во все стороны в виде звуковых волн.

Характеристики:

- скорость распространения звукового поля в воздухе при нормальном атмосферном давлении и t=20° C составляет 343 м/с.

- интенсивность звука - количество звуковой энергии, проходящей за 1 сек. через площадку в 1м2, расположенную перпендикулярно к направлению звуковой волны.

I=R*P2, где
Р=Рш/2 - звуковое давление(Па), где
Рш - амплитудное значение волны звукового давления
К=2,41*10-3

В технике телефонной связи приходится иметь дело с величинами интенсивностей отличающихся друг от друга в 1010-1012 раз. Поэтому для удобства расчетов пользуются не абсолютными значениями, а их уровнями.

- уровнем интенсивности звука называется логарифм отношения интенсивности рассматриваемого звука к интенсивности звука, принятого за начало отсчета.

В=10lg(I/I0) [ дБ]
I0=10-12 Вт/м2 - интенсивность, принятая за начало отсчета.
I-интенсивность звука, уровень которого мы определим.

Основные свойства звуковой речи:

Звуки речи образуются в речевом аппарате человека: из легких поступает воздух, который встречает голосовые связки и приводит их в колебательные движения.

1. Колебание голосовых связок создает звуковое колебание.

f = 80Гц – 12000Гц – частный спектр звуковых колебаний голосовых связок.

2. Тип голоса говорящего:

  • бас: 80 – 320 Гц;
  • баритон: 100 – 400 Гц;
  • сопрано: 250 – 1200 Гц;
  • дисконт: до 2500 Гц.

3. Форманты - усиленные области частот. При разговоре полость рта усиливает аккорды одних частот и ослабевает другие. Каждому звуку речи соответствует усиление нескольких областей частот (до 6), но выбираются две максимальные, их и называют формантами:

  • звук У - форманты вблизи частот f = 400 и f = 800;
  • звук А - форманты вблизи частот f = 800 и f = 1200;
  • звук И - форманты вблизи частот f = 400 и f = 2500;
  • звук С - форманты вблизи частот f = 4200 и f = 8600;

Звук не свойственен русскому языку: Ф - форманты вблизи частот f = 7000 и f = 12000.

4. Большинство формант человеческой речи расположено в спектре частот 300–3400Гц, поэтому МККТТ рекомендует для телефонной связи передачи полосы частот 0,3 – 3,4 кГц.

5. Звуковое поле обладает определенной мощностью, зависящей от громкости разговора:

  • при средней громкости 10 мкВт - возле рта говорящего;
  • при крике 1000-5000 мкВт;
  • при шепоте 0,01 мкВт.

6. Диапазон изменения громкости звуковой речи выражается в логарифмическом масштабе и называется динамическим диапазоном речи.
Д=10lg Imax/Imin=10lg 1000/0,01=50Дб
Динамический диапазон телефонной передачи составляет всего 25-30 дБ.

Слуховое восприятие звуковых колебаний

На слух могут быть восприняты звуковые колебания в пределах 16-20000Гц.

Колебания с f < 16Гц – инфразвуковые

f > 20000Гц – ультразвуковые

Изменение частоты колебаний и изменение амплитуды колебаний воспринимается как изменение громкости звука.

Для каждой частоты имеется порог слышимости - это минимальная интенсивность звукового колебания, при котором звук слышен.

Нижняя кривая - частотная характеристика порога слышимости.

Увеличение интенсивности звуковых колебаний воспринимаются на слух как увеличение громкости. Максимально допустимая интенсивность звука, при некотором ощущении звука переходит в ощущение боли - порог болевого ощущения.

Верхняя кривая - частотная характеристика порога болевого ощущения - на различных частотах несколько различен.

Область звукового восприятия - между ними.

Ухо человека максимально чувствительно к частотам 1000–5000 Гц. На этих частотах воспринимаются звуковые колебания с очень малыми интенсивностями. В середине обозначена область речи.

При организации телефонной связи необходимо учитывать некоторые особенности слухового восприятия:
1. Маскировка звуков - уменьшение уровня ощущения звука при одновременном воздействии передаваемого сигнала и мешающего звука. Звуки с большой интенсивностью маскируют звуки с меньшей интенсивностью. Если мешающие звуки более низкой частоты, чем передаваемые, также уменьшается чувствительность к передаваемому сигналу.
2. Адаптация слуха - способность уха приспосабливаться к интенсивности воздействующих на него сигналов. Если вслед за громким звуком сразу последует слабый, то ухо не успевает сразу приспособиться к его восприятию (порог слышимости восстанавливается через 10-15 секунд после прекращения воздействия громкого внешнего звука). Адаптация практически зависит от частоты.

2.3. Устройство, принцип действия, характеристики электромагнитного телефона

Акустическим преобразователем,преобразующим электрическую энергию в звуковую является телефон.

По принципу преобразования электрической энергии телефоны могут быть:

  • электромагнитные;
  • электродинамические;
  • пьезоэлектрические.

Но в телефонных аппаратах общего пользования наиболее широкое применение получили электромагнитные телефоны, отличающиеся простотой конструкции, высокими акустическими данными и устойчивостью в работе.

Все электромагнитные телефоны по устройству магнитной системы могут быть разделены на две основные группы:

1. телефоны с простой магнитной системой;
2. телефоны с дифференцированной магнитной системой.

Устройство и принцип действия телефона с простой магнитной системой:

  • постоянный магнит (ПМ);
  • катушки с сердечниками (полюсные надставки (ПН));
  • металлическая мембрана (М);
  • обмотки.

Принцип действия основан на взаимодействии 2-х магнитных потоков:создающего постоянным магнитом Ф0≈Ф=≈ФCONST и переменным магнитным потоком Ф~- созданного при протекании по обмоткам переменного тока.

Под действием постоянного магнита мембрана (не закреплена) в исходном положении находится в притянутом состоянии и имеет изгиб δ.

Когда направление переменного магнитного потока Ф~ совпадает с направлением Ф0,то результирующий магнитный поток воздействующий на мембрану увеличивается и мембрана сильнее притягивается к полюсным надставкам.

При встречном направлении магнитных потоков, сила притяжения мембраны уменьшается и мембрана, под воздействием силы упругости, отходит от полюсных надставок, следовательно, мембрана совершает колебательные движения.

Если в обмотки телефона подавать разговорный ток, то колебания мембраны будут воспроизводить передаваемую речь, т.к создаваемые колебания воздуха воспринимаются ухом человека,как звук.

Сила,воздействующая на мембрану,обусловлена суммой магнитных потоков и определяется по формуле:
F=K(Ф0~)2 , где
К - коэффициент, зависящий от конструкции магнитной системы телефона;
Ф~м· sin ωt
Фм - амплитуда переменного магнитного потока.

Назначение постоянного магнита: наличие постоянного магнита позволяет увеличить чувствительность телефона и создать условие, при котором частота воспроизводимого звукового сигнала совпадает с частотой принимаемого разговорного тока.

Если Ф0=0,то частота колебания мембраны будет в 2 раза выше,чем частота подаваемого разговорного сигнала. При этом, ток передаваемой речи повышается на одну октаву и передача сообщения будет происходить с большими искажениями.

При наличии Ф0 частота колебаний воспроизводимого сигнала совпадает с частотой подаваемого разговорного тона. Величина Ф0 должна быть оптимальной, т.к. увеличение Ф0 приводит к ухудшению условия приема (вследствии насыщения магнитной системы).

Назначение полюсных надставок: делает невозможным насыщение магнитной системы, т.к выполнен из материала, обладающего малой остаточной магнитной индукцией. Их сечение рассчитано так, чтоб это не произошло, да и отодвигают мембрану от постоянного магнита.

Устройство и принцип действия телефонов с дифференциальной системой:
1. постоянный магнит ПМ;
2. полюсные надставки ПН;
3. каркас катушки;
4. мембрана М;
5. якорь внутри катушки Я.

При прохождении через катушку переменного тока возникающий магнитный поток взаимодействует с потоком постоянного магнита. В один полупериод происходит сложение Ф0 и Ф~ через верхний полюсной наконечник и Я и М смещаются вверх; во второй полупериод усиливается поток через нижний ПН и Я перемещается вниз.

Преимущества:
- чувствительность значительно выше;
- не вносит нелинейных искажений.

Недостатки:
- сложны по конструкции;
- более дорогие;
- используют там, где высокие шумы: корабль, шахта - это капсюли ДЭМК-7.

Частотная характеристика чувствительности телефона.

Чувствительностью телефона называют отношение волны звукового давления, развиваемого испытуемым телефоном, к волне переменного напряжения на его зажимах:

ST=P/U (Н/м2·В) (Па/В)

Зависимость SТ от звуковой частоты называется частотной характеристикой телефона.

Чувствительность телефона не является величиной постоянной, а зависит от частоты. Неравномерность характеристики объясняется резонансными свойствами М и той акустической нагрузки, на которой работает телефон:
1. собственная частота колебаний М совпадает с частотой звукового колебания (собственная частота зависит от размеров, толщины, упругости самой мембраны)
2. частота колебаний воздушных объемов заключается между мембраной и ухом, может совпадать с определенной частотой разговорного сигнала и возникает резонансное явление.

Электромагнитный телефон является обратимым устройством (разобраться самостоятельно).

2.4. Устройство, принцип действия, характеристики угольного микрофона

Акустическим преобразователем, преобразуемым звуковую энергию в электрическую является микрофон.

По принципу преобразования звуковой энергии микрофоны могут быть:

  • электродинамические;
  • пьезоэлектрические;
  • конденсаторные;
  • полупроводниковые.

Но в телефонных аппаратах общего пользования наиболее широкое применение пока (будущее за полупроводниковыми) получили угольные.

Работа угольного микрофона основана на изменении сопротивления угольного порошка под воздействием звуковых колебаний.

Основные части:
- мембрана;
- подвижный электрод;
- неподвижный электрод;
- угольный порошок;
- корпус.

Пока на мембрану не воздействуют звуковые колебания, она находится в спокойном состоянии и по цепи (первичной) протекает постоянный ток Y0 - ток питания микрофона. При воздействии на мембрану звукового давления (речевой сигнал), мембрана начинает колебаться совместно с подвижным элементом. При увеличении давления на мембране, она прогибается в сторону угольного порошка, сжимает его, следовательно, сопротивление угольного порошка уменьшается и ток в цепи микрофона увеличивается. При уменьшении давления на мембрану происходит разрыхление угольного порошка, следовательно увеличивается сопротивление угольного порошка и уменьшается ток в цепи микрофона.

Таким образом, вследствие колебаний мембраны микрофона в первичной обмотке трансформатора будет протекать изменяющийся во времени и постоянный по направлению ток, который называется пульсирующий. Переменная составляющая этого тока во вторичной обмотке трансформатора наводит переменную ЭДС звуковой частоты, наличие которой приводит к появлению тока в цепи нагрузочного сопротивления ZН.

Сопротивление микрофона:различают статическое и динамическое.

При увеличении YПИТ,RС и Rg уменьшаются, т.к
1. температурный коэффициент угля имеет отрицательное значение и сопротивление уменьшается.
2. При увеличении YПИТ, tº увеличивается, а следовательно увеличивается нагрев, зерна спекаются и сопротивление уменьшается. При очень большом нагреве происходит выгорание угля контакта и сопротивление увеличивается до бесконечности.

Статическое сопротивление RC - сопротивление микрофона при отсутствии звукового воздействия на микрофон.

Динамическое сопротивление RД - сопротивление микрофона при воздействии звуковых колебаний на микрофон. При этом происходит нарушение контактов между угольными зернами (пересыпание зерен, трущийся контакт), следовательно RД > RС при одинаковой величине тока.

Сопротивление зависит от положения его в пространстве: min при вертикальном - это 90º max - при горизонтальном (0º, 180º). Это объясняется равномерностью заполнения пространства между подвижным электродом и неподвижным электродом угольным порошком при 90º.

Частотная характеристика чувствительности микрофона:

Чувствительность микрофона определяется отношением ЭДС, развиваемой микрофоном, к звуковому давлению в той точке поля, в которой помещен микрофон.
S=E/P (В/Па)

Зависимость чувствительности микрофона называтся частотной характеристикой чувствительности микрофона.

Неравномерность частотной характеристики показывает, что микрофон вносит искажения при преобразовании звуковых колебаний в электрические, причем, эти искажения в большей степени сказываются на резонансных частотах.

Желательно для улучшения качества передаваемой речи подобрать телефон и микрофон с такими характеристиками, где провалы одних приходятся на те частоты, где у других всплески. В сумме происходит выравнивание характеристики чувствительности акустических преобразователей и увеличивается средняя суммарная чувствительность.

2.5. Принципы построения ТА, их характеристики

Классификация ТА:

  • по способу питания микрофонов:
    • ТА с местной батареей МБ;
    • ТА с центральной батареей ЦБ.
  • по способу обслуживания телефонных станций:
    • ТА РТС;
    • ТА АТС(дисковые,тастатурные);
  • по способу использования мощности разговорных тонов:
    • ТА с местным эффектом;
    • ТА противоместные.
  • по конструкции:
    • настольные (стационарные);
    • настенные (стационарные);
    • переносные.
  • специальные (с усилителями);
  • по способу выдачи импульсных номеронабирателей:
    • шлейфный;
    • частотный;
  • по способу набора:
    • дисковые;
    • тастатурные.

Основные приборы ТА

В состав ТА входят:
- приборы разговорного тракта: микрофон + телефон = микротелефонная трубка, трансформатор, сопротивления.
- вызывные приборы: звонок, индуктор в ТА МБ.
- коммутационные приборы: рычажный переключатель, номеронабиратель.

Назначение:

1. Трансформатор - для согласования отдельных электрических цепей, развязки цепей питания микрофона - Y= и цепи Y~- телефона. Число обмоток трансформатора равно 3.
2. Звонок - для приема сигнала о поступившем вызове. Частота “ПВ”-25Гц переменного тока.
3. Рычажный переключатель - группа плоских контактных пружин осуществляющих переключение ТА с цепей вызова на цепи разговора.
4. Номеронабиратель - это механизм, с помощью которого можно со строгой периодичностью размыкать и снова замыкать шлейф АЛ, передавая т.о. на АТС сигналы о номере вызываемого абонента.
Частота следования импульсов = 10 имп/сек.
Длительность одного импульса Т = tP + tЗ=100 мс
tp=60 мс

Противоместные ТА.

Явления прослушивания звуков собственного голоса через микрофон, схему своего ТА и телефонии называется местный эффект (МЭ). Это очень вредное явление. При осуществлении телефонной связи, приводящее к ухудшению качества связи (явление адаптации, маскировки звука), уменьшению дальности передачи и т.д. В обычных ТА полностью избавиться от явления местного эффекта, не представляется возможным, но способы его уменьшения существуют.

Эквивалентная мостовая схема ТА.

Условие абсолютной противоместности:
W1 = W2 - число витков линейной и балансной обмоток.
ZЛ = ZБ - назначение балансного контура - уравновесить ZК;
Характер - RC, т.к.сопротивление носит емкостной характер

Тогда YЛ = -YБ, а YТ = 0 - на передачу

YТ = YЛ + YБ - на прием; текут в одном направлении и трансформируются в обмотках трансформатора.

Эквивалентная схема ТА компенсационного типа.

За счет частотонезависимого сопротивления RK, вносится дополнительная компенсация местного эффекта.

WЛ = WБ требуется специальный подбор параметров схемы и обычно

ZЛ < ZБ рассчитывается на длинную линию,

т.к. R чисто активное сопротивление, не зависящее от частоты, то Y~ (разговорный) в основном течет через него, т.е. WТ оказывается зашунтированной, а поскольку через WЛ и WБ ток разговора течет в разные стороны, то в WT за счет разности YЛ и YБ создается ЭДС на значение которой оказывает влияние WЛ. В результате он оказывается противоположным на RK, и следовательно, если они, т.е. ЭДС на WT и U на RК равны по величине, то происходит полная компенсация ЭДС на зажимах RK, что и требуется.

Но реально из-за изменения длины АЛ очень трудно создать ЭДС = - URk, поэтому полной компенсации добиться не удается, но ослабить местный эффект можно.

Основы автоматической коммутации


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.