Краткие сведения о звуковых колебаниях

ОСНОВЫ ПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Связь, при которой сообщения передаются по проводам с использованием электрических сигналов, называется проводной.

Способы организации и технической реализации проводной связи приведены на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Способы организации и технической реализации проводной связи

 

 

При осуществлении связи по проводам информация может вводиться голосом и приниматься на слух (телефонная связь), передаваться и приниматься с помощью аппаратуры, обеспечивающей передачу буквенноцифрового текста сообщения (телеграфная связь), в виде неподвижных изображений - фотографий, чертежей, схем, рисунков, таблиц и т.д. (факсимильная связь), а также подвижных изображений (телевизионная связь).

Проводную связь подразделяют на дальнюю (междугородную) и местную (городскую).

Для осуществления проводной связи используют наземные проводные линии связи и подземные кабели связи, а также промежуточные усилители и оконечную аппаратуру связи.

Стоимость сооружений проводной связи протяжённостью в несколько десятков и сотен километров достаточна велика. Поэтому естественным является стремление корреспондентов к увеличению пропускной способности систем проводной связи.

В настоящее время для этой цели используются системы, обеспечивающие одновременную передачу по проводной линии большого количества сообщений. При этом каждое сообщение передаётся по отдельному каналу связи. В автоматизированных системах управления для передачи данных в основном используются стандартизованные каналы связи для передачи как аналоговой, так и дискретной информации (телеграфные и телефонные широкополосные каналы связи), отвечающие предъявляемым к ним требованиям. Следует отметить, что проводная связь может сочетаться с радио и радиорелейной связью, а также с космической связью.

ТЕЛЕФОННАЯ СВЯЗЬ

Телефонная связь — наиболее массовая система проводной связи, обеспечивающая обмен речевой информацией в оперативно-управленческой деятельности пожарной охраны. Основная задача телефонии заключается в передаче звука на некоторое расстояние. Телефонная сеть общего пользования, создававшаяся в течение последнего столетия, в основном предназначалась для передачи речи. Однако сегодня через эту сеть можно передавать речь, цифровые данные, изображения, видео и другие виды информации.

Телефонная связь возможна только при наличии телефонных сетей. Телефонная сеть представляет собой комплекс технических сооружений и оборудования, состоящий из телефонных узлов связи, телефонных станций, линий проводной связи и абонентных установок.

Процесс телефонной передачи сообщения заключается в преобразовании звуковых колебаний речи в колебания (изменения) электрического тока, передачи его по проводным линиям и обратном преобразовании электрических колебаний в звуковые.

Краткие сведения о звуковых колебаниях

Звук может порождаться голосовыми связками, музыкальными инструментами и т.д. Звук создается областями высокого и низкого давлений в окружающем воздухе, эти перепады давлений стимулируют внутреннее ухо человека, генерирующее импульсы, которые мозг распознает как звук. Средой передачи для звука является воздух. Передача осуществляется механически и представляет собой чередования высокого и низкого давлений, быстро распространяющиеся по воздуху подобно волнам. Таким образом, механические колебания, распространяющиеся в твёрдых, жидких и газообразных средах, называются звуковыми волнами. Как и в случае любой другой механической передачи, по мере удаления от источника звук становится тише. Энергия звука, первоначально сконцентрированная в одной точке, распространяется на все большую площадь по мере того, как перепад давлений удаляется от источника звука. Затухание звука также происходит по причине того, что соударение молекул воздуха друг с другом носит неупругий характер. Все это ограничивает расстояние, на которое разборчивая речь может быть передана по воздуху, как бы мы ни усиливали звук, максимальное расстояние не превысит 1000 м.

Звуковые колебания бывают простые и сложные. На рис. 2.2 изображён график синусоидального колебания, которое характеризуется частотой F, периодом Т и амплитудой А.

Частота колебаний F - количественная характеристика периодических колебаний, равная отношению числа циклов колебаний по времени их завершения. Измеряется частота колебаний в герцах (Гц), т. е. одно полное колебание за одну секунду, а также в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц) и в мегагерцах (1МГц = 1 000 кГц = 1 000 000 Гц).

 

 

Период колебания Т - это время, в течение которого произошло одно полное колебание. Отсюда частота колебаний, Гц,

F = 1 / Т, (2.1)

где Т — период колебаний, с.

Амплитуда колебаний А - наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения равновесия за время одного периода. Чем больше амплитуда, тем большей громкостью обладает звук. Амплитуда колебаний в любой момент времени определяется по формуле

а(t)= А sin (wt),

где а(t) - текущее значение амплитуды колебаний; А о - максимальное значение амплитуды колебаний; w - круговая частота колебаний, рад/с; t - текущее время, с.

(2.2)

Расстояние, которое проходит звуковая волна в течение одного периода, называется длиной волны:

(2.4)

где Т - период колебаний, с; l - длина волны, м; с - скорость распространения звука в воздушном пространстве, с = 330 м/с.

В воздушной среде звуковые волны, встречая на своём пути препятствия, оказывают на него некоторое давление. Количественно звуковое давление оценивается силой действия волны на площадку, расположенную перпендикулярно к направлению распространения звука:

(2.5)

где Р - звуковое давление, Па; F _зв - сила действия звуковой волны, Н; S - площадь препятствия, м².

Для сравнения громкости звука пользуются уровнем громкости звука:

(2.6)

где L - уровень громкости звука, дБ; Р _эф - эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты, равной 1 кГц; Р_о - стандартный порог слышимости для звука с частотой 1 кГц, равный 20 мкПа.

Наиболее громкий звук, соответствующий звуковому давлению 50 Па и воспринимаемый как болевое ощущение, называют порогом болевого ощущения. Мощность звука человеческой речи незначительна, при средней громкости разговора она соответствует звуковому давлению 0,5 - 1 Па.

Человек с нормальным слухом способен различить звуки, частота которых лежит в пределах от 16 до 20 000 Гц. Частоты выше 20 кГц называются ультразвуковыми.

Изобретение в 1876 году телефонного аппарата позволило передавать разговоры на большие расстояния. Телефонный аппарат преобразует механическую энергию в электрическую и обратно. Наличие такого преобразования обеспечивает превращение воздушных колебаний в элёктрический сигнал, который может быть передан по проводам с периодическим усилением для компенсации потерь.

Служебные системы телефонной связи обеспечивают передачу частот от 300 до 3 400 Гц при динамичном диапазоне 10 - 15 дБ.

На рис. 2.3 изображена простейшая схема телефонной передачи речи. Во время разговора мембрана микрофона (М) колеблется под действием звуковых волн. Эти колебания оказывают переменное давление на угольный порошок, вызывая изменения контактного электронного сопротивления его гранул. Электрическое сопротивление угольного микрофона уменьшается при сжатии гранул и увеличивается при их разжимании. В результате изменяется величина электрического тока в цепи, соединяющей микрофон и телефон (Т) с источником питания (батареей) (Б). Переменный электрический ток создаёт вокруг катушки телефона переменный магнитный поток, который, складываясь с магнитным потоком постоянного магнита, вызывает переменную силу притяжения мембраны телефона. Мембрана, колеблясь, создает в воздухе соответствующую волну изменяющегося давления, которую ухо и мозг человека интерпретируют как звук.

Схемы угольного микрофона и электромагнитного телефона представ (2.6) лены на рис. 2.4 и 2.5 соответственно.

Микрофон характеризуется чувствительностью (коэффициентом передачи), определяемой отношением величины электродвижущей силы Е м, развиваемой микрофоном, к звуковому давлению Р м действующему на его мембрану:

(2.7)

Постоянную чувствительность микрофон сохраняет только в определённой полосе частот. Для определения средней чувствительности микрофона в заданной полосе частот пользуются выражением

(2.8)

где k (f) - частотная характеристика микрофона; f 2 – f 1 - заданная полоса частот.

Качество телефона как преобразователя электрических колебании в звуковые и обратно оценивается чувствительностью телефона k Т - отношением звукового давления Р, развиваемого телефоном, к напряжению на зажимах телефона U:

(2.9)

Средняя чувствительность телефона зависит от частоты и определяется выражением

(2.10)

Для осуществления телефонной связи необходимо обеспечить питание микрофонов телефонных аппаратов. В настоящее время телефонная передача сообщений осуществляется по схеме соединения телефонных аппаратов с местной батареей (МБ) и центральной батареей (ЦБ), как показано на рис. 2.6 и 2.7 соответственно.

В этих схемах в качестве передатчика используется угольный микрофон, а в качестве приёмника электромагнитный телефон. В схеме на рис. 2.6 у каждого микрофона имеется своя батарея питания. Такая система связи называется системой с местной батареей (МБ). Величина тока питания в системе связи с местной батареей не зависит от сопротивления линии связи и может быть получена при небольшом напряжении батареи 1,5-3В. Система телефонной связи с МБ с применением трансформатора позволяет согласовать сопротивление микрофона как генератора с входным сопротивлением линии связи (ЛС) для того, чтобы обеспечить отдачу микрофоном возможно большей мощности. Однако система телефонной связи с МБ имеет недостатки, вызванные наличием большого количества индивидуальных батарей, что усложняет эксплуатацию и увеличивает число повреждений. В связи с этим указанная система в пожарной охране может применяться при тушении пожаров в полевых условиях, т.е. в случае временной организации связи.

При постоянной эксплуатации телефонной сети система питания с МБ заменяется системой с центральной батареей. В этом случае микрофоны абонентских аппаратов питаются от одной общей аккумуляторной батареи, устанавливаемой на телефонной станции. Питание микрофонов осуществляется через реактивные катушки РК, имеющие большую индуктивность и, следовательно, значительно большее сопротивление переменному току звуковой частоты и меньшее сопротивление постоянному току питания микрофонов. При этом способе питание к микрофонам поступает только во время проведения переговоров.

Чтобы передача в телефонной. сети была двухсторонней (дуплексной), в месте передачи и приёма в электрическую цепь включают последовательно микрофон и телефон. Однако такая схема обладает существенным недостатком: в ней возникает явление местного эффекта, обусловленное тем, что в телефоне достаточно громко воспроизводятся звуки собственной речи, затрудняющие понимание речи принимаемого абонента. Поэтому во всех современных телефонных аппаратах функциональные элементы соединяют так, чтобы устранялось явление местного эффекта.

На рис. 2.8 показана простейшая противоместная схема мостового типа, устраняющая указанный недостаток. В основу её построения положен принцип уравновешенного моста, состоящего из 1 и 2 секций вторичной обмотки трансформатора Тр, входного сопротивления линиям связи R л и балансного сопротивления R Б. Условием равновесия моста, а следовательно, и отсутствия тока в телефоне Т является соблюдение равенства R 1 R л = R 2 R Б при котором токи I 1 и I 2 компенсируют друг друга. Однако практически обеспечить такое равенство трудно, так как абонентские линии имеют различную протяжённость и различные типы проводов, что приводит к изменению R л, а изготовление телефонных аппаратов с различными R Б экономически нецелесообразно. Поэтому наибольшее распространение получила противоместная схема компенсационного типа, показанная на рис. 2.9.

Рис. 2.8. Противоместная схема мостового типа

 

Рис. 2.9. Противоместная схема компенсационного типа

 

Указанная схема состоит из трёх обмоток (I, II и III) автотрансформатора и бифилярной обмотки IV автотрансформатора АТр, которая выполняет роль компенсатора. Особенностью бифилярной обмотки IV является отсутствие индуктивного сопротивления, т.е. такая обмотка обладает только активным сопротивлением R к. Обмотка III имеет направление витков, противоположное обмоткам I и II.

При передаче речи исходящий разговорный ток, генерируемый микрофоном М, проходит по двум цепям - местной и линейной.

По линейной цепи исходящий разговорный ток проходит через обмотку I автотрансформатора АТр в проводную линию связи.

По местной цепи исходящий разговорный ток ответвляется через телефон Т и обмотку III автотрансформатора и параллельно через компенсационный резистор R к обмотки IV. Так как компенсационное сопротивление является чисто активным, а сопротивление обмоток телефона Т и обмотки III автотрансформатора индуктивными, то большая часть разговорного (переменного) тока пройдёт через резистор R к, создавая на нём падение напряжения. А разговорный ток от микрофона М, проходя по обмоткам I и II автотрансформатора, создаёт в его сердечнике переменный магнитный поток, который определяется разностью магнитных потоков этих обмоток, так как токи в них имеют противоположное направление. В результате этого в обмотке III будет индуктироваться переменная электродвижущая сила (ЭДС), величина которой зависит от параметров линии связи балансного контура и других элементов схемы. В этом случае падение напряжения на резисторе R к будет равно по величине и противоположно по фазе ЭДС, индуктированной в обмотке III, а значит, токи в обмотке III и резисторе R к компенсируют друг друга и результирующий разговорный ток, проходящий через телефон, будет равен нулю.

Таким образом, падение напряжения на резисторе R к от исходящего разговорного тока компенсирует ЭДС обмотки III, которая создаётся от переменного магнитного потока, наводимого в обмотке I и II автотрансформатора тем же исходящим разговорным током. Полярность этих напряжений показана на рис. 2.9. Из схемы видно, что телефон включён в цепь, в которой отсутствует разговорный переменный ток, а следовательно, происходит подавление местного эффекта.

Во время приёма входящего разговорного тока, который проходит по обмоткам I и II в одном направлении, создаётся суммарный магнитный поток в обмотке III, который наводит в ней ЭДС максимальной величины, в результате чего принимаемый разговор воспроизводится телефоном без помех местного эффекта.

Автотрансформатор АТр в схеме согласовывает различные волновые сопротивления функциональных элементов в цепи между микрофоном говорящего и телефоном слушающего абонентов, что уменьшает потери мощности разговорного (переменного) тока в линии передачи. Это существенно повышает дальность телефонной связи.

Для объективной оценки качества и достоверности передачи речевой информации по телефонной линии связи применяется фразовая артикуляция, так как именно фразы содержат в себе законченные мысли. Сравнивая число переданных фраз с числом правильно принятых фраз, определяют процент правильно принятых фраз или коэффициент артикуляции. Если фразовая артикуляция будет меньше N _фр = 0,9, то абоненты не смогут установить взаимно понятного контакта и разговор не состоится. Фразовая артикуляция N _фр = 0,9 и соответствует слоговой артикуляции N сл = 0,25, словесной N слов = 0,75 и звуковой N зв = 0,64.

При меньшем значении указанных коэффициентов артикуляции понятность речи падает, и телефонная передача становится затруднительной. При больших значениях коэффициентов аппаратура связи усложняется, что приводит к дополнительным экономическим затратам.

Для обеспечения указанных коэффициентов артикуляции при передаче речи к линиям телефонной связи предъявляются определённые требования на допустимое затухание передаваемых электрических сигналов и уровень окружающего шума. Современные телефонные аппараты обеспечивают хорошее качество передачи речи при уровне окружающего шума в 70-75дБ.