1. Общие принципы телефонной связи
1.1 Принцип телефонной передачи
Изобретение телефона позволило передавать речь на большие расстояния и осуществлять такую передачу практически мгновенно. Огромная скорость телефонной передачи объясняется тем, что речевой сигнал в виде звуковых волн (340м/с) проходит очень короткий путь от речевого аппарата человека до телефонной трубки. Затем энергия звуковых волн преобразуется в энергию электрических сигналов, которые передаются по проводам со скоростью, близкой к скорости света (3х10/5 км/с). На приёмном конце происходит обратное преобразование электрических сигналов в звуковые.
Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии и может быть передана на большие расстояния с допустимыми потерями.
Таким образом, тракт телефонной передачи состоит из двух акустических участков(1), двух преобразователей (2) и электрического участка(3) (рисунок 1).
Качество телефонной передачи прежде всего определяется разборчивостью. Различают разборчивость звуков, слогов, слов и фраз. Для определения "слоговой разборчивости пользуются методом артикуляции. Этот метод состоит в том, что по испытуемому телефонному тракту передаются 'отдельные, не связанные между собой слоги, каждый из которых не имеет смысла и не может быть воспроизведен по догадке. Слоги эти составляются по определенным правилам и передаются в виде таблиц по 50 слогов в каждой со скоростью 20 слогов в минуту. Удовлетворительному качеству передачи соответствует разборчивость: слов — 87 — 93%, фраз — 95— 97% и звуков — 75— 82%.
Рисунок 1 - Тракт телефонной передачи
Электроакустические преобразователи
Прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические, называется микрофоном, а прибор, преобразующий электрические колебания в звуковые, - телефоном.
Разработаны различные типы электроакустических преобразователей: электромагнитные, электроконтактные, электродинамические, ионные, электретные.
В телефонных аппаратах и телефонно - микрофонных гарнитурах используются главным образом электромагнитные телефонные капсюли и угольные микрофоны, однако специальные железнодорожные коммутаторы, например, директорские, часто комплектуются микрофонами и громкоговорителями электродинамической системы.
Все указанные выше типы преобразователей, кроме электроконтактных и ионных, могут использоваться в качестве передатчиков (микрофонов) и в качестве приёмников (телефонов). Электромагнитные, электродинамические, пьезоэлектрические, и электретные преобразователи называют пассивными. Пассивные преобразователи преобразуют энергию поступившего на вход сигнала из одного вида в другой и не требуют для своей работы дополнительных источников электрической энергии. Сигнал, полученный на выходе пассивного преобразователя, не может обладать энергией, большей, чем сигнал, подведённый к его входу. Преобразуется только часть подведённой энергии, а остальная теряется и переходит в тепло. Электроконтактные, конденсаторные и ионные преобразователи называются активными. Они требуют для своей работы дополнительного источника электрической энергии. Входной сигнал используется при этом для управления расходом этой энергии. Поэтому на выходе у сигнала может быть большая энергия, чем у сигнала, подведённого к входу. Важными характеристиками всех электроакустических преобразователей
Являются их чувствительность и частотные и нелинейные искажения. Для микрофонов чувствительность выражается отношением напряжения звуковой частоты в вольтах на выходе преобразователя к звуковому давлению p в паскалях звуковой волны на его входе. Для телефонов чувствительность выражается отношением звукового давления p на выходе преобразователя к подведённому напряжению звуковой частоты. Частотные искажения проявляются в нарушении в процессе преобразования соотношения амплитуд сигналов с различными частотами.
Электромагнитный преобразователь. Содержит постоянный магнит с полюсными надставками, электромагнит и мембрану М из ферромагнитного материала. Преобразователь обратимый, может применяться в качестве микрофона и телефона.
При использовании его в качестве микрофона средняя чувствительность достигает 0,1 В/Па, а в качестве телефона - 15 Па/В. Недостатком преобразователей является значительная неравномерность частотной характеристики, достигающая 15 дБ, большой коэффициент нелинейных искажений - до 8%. Эти преобразователи применяются в качестве телефона в телефонных аппаратах.
Электродинамический преобразователь. Имеет постоянный магнит и лёгкую подвижную катушку К соединённую с мембраной М. При колебании мембраны в обмотке катушки возникает электродвижущая сила. Этот преобразователь является обратимым и применяется в качестве микрофонов, а также телефонов и громкоговорителей. Средняя чувствительнось электродинамического микрофона 0,004 В/Па. Из - за небольшой чувствительности электродинамический микрофон работает совместно с усилителем, устанавливаемым в близости от микрофона. Если такой преобразователь используется в качестве телефона или громкоговорителя, то его средняя чувствительность составляет 0,6 Па/В. Неравномерность частотной характеристики преобразователя около 8 дБ.
Электродинамические преобразователи характеризуются хорошей частотной характеристикой, небольшим коэффициентом нелинейных искажений (3%), простой конструкцией и надёжностью в эксплуатации.
Электростатический или конденсаторный преобразователь. Содержит конденсатор. Состоящий из тонкой лёгкой подвижной мембраны М и неподвижной пластины. При воздействии звуковых волн на мембрану пластина начинает колебаться, изменяется расстояние между обкладками конденсатора а это вызывает изменение его ёмкости и заряда. При изменении ёмкости конденсатора через сопротивление нагрузки Rн будет проходить переменный ток, создающий на нём падение напряжения. Преобразователь обратимый, имеет хорошую частотную характеристику (неравномерность 6 д/Б), но очень малую чувствительность (для микрофона до 48х10 В/Па).
На качественные характеристики преобразователя оказывают большое влияние состояние изоляции между обкладками, постоянство напряжения источника питания, натяжение мембраны и изменение температуры окружающей среды. Преобразователь применяют в качестве микрофонов для акустических измерений и для высококачественного радиовещания и звукозаписи.
В большинстве современных телефонных аппаратов применяются конденсаторные микрофоны – электретные. Постоянное напряжение обеспечивается предварительным зарядом электрета (полимера), нанесённого на мембрану тонким слоем. При колебании на мембраны заряд пульсирует в такт (рисунок 2).
Рисунок 2 - Конденсаторный преобразователь
изменения ёмкости. Заряд электрета сохраняется до 20 лет. Затем требуется повторная поляризация электрета или замена микрофона.
Пьезоэлектрический преобразователь. Основан на использовании пьезоэлектрического эффекта кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, пьезокерамики. При механической деформации таких кристаллов на их гранях возникает электрический заряд. Преобразователь обратимый, т.е. при изменении электрического заряда на кристаллическом элементе возникают механические колебания кристалла и связанной с ним мембраны М.
Если использовать преобразователь в качестве микрофона средняя чувствительность составляет 0,025 В/Па при неравномерности частотной характеристики до 7 дБ, а неравномерность частотной характеристики преобразователя составляет около 10 дБ (рисунок 3).
Недостатком пьезоэлектрических преобразователей является большое влияние на их параметры температуры и влажности окружающей среды и малая чувствительность. Они применяются в специальной аппаратуре, где важно иметь небольшие габариты при невысокой стоимости.
Рисунок 3 - Пьезоэлектрический преобразователь
Электроконтактный преобразователь. Под воздействием звуковой волны в нём изменяется сопротивление электрического контакта К. Преобразователи являются активными, необратимыми и работают в качестве микрофонов, угольных. Действие угольного микрофона основано на свойстве угольного порошка изменять своё сопротивление в зависимости от изменения его плотности. Звуковые волны воздействуют на мембрану М и заставляют её колебаться. Под влиянием колебаний мембраны изменяется плотность угольного порошка и его электрическое сопротивление. В цепи нагрузки Rн будет проходить электрический ток, изменяющийся в соответствии с изменением звукового давления действующего на мембрану.
Большим достоинством угольного микрофона по сравнению с другими типами микрофонов является высокое значение средней чувствительности, достигающее 0,7 В/Па. Угольные микрофоны имеют большую неравномерность частотной характеристики (до 35 дБ) и значительный коэффициент нелинейных искажений (до 20%), поэтому они не применяются в качестве студийных микрофонов при организации таких видов связи, как связь совещаний, диспетчерская поездная, дорожная распорядительная и другие, где используются элетродинамические микрофоны (рисунок 4).
Рисунок 4 - Электроконтактный преобразователь