2.1. Принципы телефонной передачи

2.2. Характеристики звуковой речи

2.3. Устройство, принцип действия, характеристики электромагнитного телефона

2.4. Устройство, принцип действия, характеристики угольного микрофона

2.5. Принципы построения ТА, их характеристики

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=Р_ш/2 - звуковое давление(Па), где
Р_ш - 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 I_max/I_min=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.</P >

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₌≈Ф_CONST 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+Ф_~)² , где
К - коэффициент, зависящий от конструкции магнитной системы телефона;
Ф_~=Ф_м· sin ωt
Ф_м - 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 (в следствии 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:

S_T=P/U (Н/м²·В) (Па/В)

Зависимость S_Т 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 Z_Н.

Сопротивление микрофона:различают статическое и динамическое.

При увеличении Y_ПИТ,R_С и R_g уменьшаются, т.к
1. температурный коэффициент угля имеет отрицательное значение и сопротивление уменьшается.
2. При увеличении Y_ПИТ, 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 R_C - сопротивление микрофона при отсутствии звукового воздействия на микрофон.

Динамическое сопротивление R_Д - сопротивление микрофона при воздействии звуковых колебаний на микрофон. При этом происходит нарушение контактов между угольными зернами (пересыпание зерен, трущийся контакт), следовательно R_Д > R_С 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 называется 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 = t_P + t_З=100 мс
t_p=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.
Z_Л = Z_Б - назначение балансного контура - уравновесить Z_К;
Характер - RC, т.к.сопротивление носит емкостной характер

Тогда Y_Л = -Y_Б, а Y_Т = 0 - на передачу

Y_Т = Y_Л + Y_Б - на прием; текут в одном направлении и трансформируются в обмотках трансформатора.

Эквивалентная схема ТА компенсационного типа.

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

W_Л = W_Б требуется специальный подбор параметров схемы и обычно

Z_Л < Z_Б рассчитывается на длинную линию,

т.к. R чисто активное сопротивление, не зависящее от частоты, то Y_~ (разговорный) в основном течет через него, т.е. W_Т оказывается зашунтированной, а поскольку через W_Л и W_Б ток разговора течет в разные стороны, то в W_T за счет разности Y_Л и Y_Б создается ЭДС на значение которой оказывает влияние W_Л. В результате он оказывается противоположным на R_K, и следовательно, если они, т.е. ЭДС на W_T и U на R_К равны по величине, то происходит полная компенсация ЭДС на зажимах R_K, что и требуется.

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