Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети

Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети

1. Лекция: Потребительские свойства телефонных аппаратов. Принципы построения микрофона и телефона
Лекция посвящена характеристикам (качество речи, разборчивость, свойства человеческого восприятия звука) акустического сигнала и оконечным приборам для приема и передачи этого сигнала — различным типам микрофонов и телефонов.

Термин "телефонный аппарат" привычен для нашего слуха, но в настоящее время имеется целый ряд устройств, выполняющих на потребительском уровне те же функции и носящих другие названия. Например, специальные звуковые колонки и микрофон при передаче речи через компьютер, операторский комплект "гарнитура", состоящий из наушников и микрофона, и т. п. Ниже будем рассматривать "классический" телефонный аппарат, а потом обратим внимание на особенности других устройств.

Нам с раннего возраста известно, что телефонный аппарат предназначен для преобразования акустической энергии речи в электрический сигнал и обратного преобразования. Общепринятые требования к телефонному аппарату обычно формулируются так: "Желательно, чтобы было хорошо слышно и можно было узнать, с кем говоришь". Попробуем определить эти требования более подробно:

Рассмотрим, по каким потребительским свойствам формально оценивается телефонный аппарат [1.37].

Государственный стандарт [1.10] определяет следующие измеряемые параметры речи:

· слоговая разборчивость речи;

· фразовая разборчивость;

· качество речи.

Слоговая, фразовая разборчивость и качество речи

Эти показатели относятся не только к телефонному аппарату, но и ко всей системе, передающей речь.

Слоговая (фразовая) разборчивость определяется как отношение числа правильно принятых по испытуемому тракту слогов (фраз) к общему числу переданных и выражается в процентах. Иногда применяют название, объединяющее оба вида разборчивости, — смысловая разборчивость.

Качество речи — это параметр, характеризующий субъективную оценку звучания речи в системе.

Иными словами:

Качество речи — общее впечатление слушателя от воспринимаемой речи.

Эти показатели речи характеризуются следующей таблицей (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Классы качества и нормы разборчивости
класс качества по разборчивости	характеристика класса качества речи	Пределы нормы разборчивости в %
Высший	Понимание передаваемой речи без малейшего напряжения внимания	>93
I	Понимание передаваемой речи без затруднений	86-93
II	Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, без переспросов и повторений	76-85
III	Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, редкими переспросами и повторениями	61-75
IV	Понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, частыми переспросами и повторениями	45-60

Заметим, что в таблице 1.1 нормы указаны только для того, чтобы представить порядок величин. В реальной сети этот показатель нормируется в зависимости от применяемой аппаратуры. Например, при применении низкоскоростных способов кодирования (вокодерных, см. далее), он может быть значительно понижен [1.6].

При оценке качества речи большую роль также играют такие субъективные показатели, как узнаваемость речи, т. е. возможность слушателя по звучанию голоса определять конкретного человека, известного ему ранее.

При оценке принимаемой речи большую роль играет затухание телефонного тракта и уровень местного шума (шум внутри помещения). Например, телефонный аппарат должен обеспечивать слоговую разборчивость 80% при включении его в телефонный тракт с двумя абонентскими линями, при затухании каждой абонентской линии 4,5 дБ и затухании соединительной линии 22,5 дБ, при уровне шума в помещении приема 60 дБ.

(О затухании линий и способах его измерения будет сказано в дальнейшем; см. также [1.2].)

Показатели, характеризующие речь, конечно, являются субъективными и зависят от многих причин, в том числе от технических средств.

"Человеческая" составляющая разборчивости:

— слуховой аппарат принимающей стороны и тембр голоса передающей стороны.

Техническая составляющая:

— громкость воспроизведения.

Разборчивость речи, естественно, может оцениваться только статистически и по сравнению с некими эталонными условиями.

Например, проводятся испытания с группой абонентов. Группа состоит из 10-12 человек (мужчин и женщин). Они разделяются на две подгруппы: дикторы (не менее 5 человек), а остальные — слушатели (аудиторы). Дикторы произносят контрольную фразу. Сами контрольные фразы утверждены [1.8]. Каждая контрольная фраза произносится диктором два раза: один раз через оцениваемый тракт, затем — через эталонный тракт. Схема установки для испытаний показана на рис. 1.1. Порядок чередования трактов случайный, например: Э-И; И-Э; Э-И… (Эталонный — Испытуемый, Испытуемый — Эталонный, …).

Испытательная установка, показанная на рис. 1.1, содержит [1.5]:

· телефонный аппарат (ТА);

· переключатель (П);

· искусственные абонентскую и соединительную линии (ИАЛ, ИСЛ), имитирующие параметры реальных линий — прямое сопротивление, сопротивление между проводами (сопротивление утечки), емкость линии. Иногда в эти линии вводят генераторы, имитирующие помехи. Помехи будут рассмотрены в дальнейших главах.

Схема установки для испытаний

Рис. 1.1. Схема установки для испытаний

Аудиторы отмечают в своих таблицах оценки разборчивости в двух колонках: одна колонка — для первого произнесения фразы, вторая — при втором. После чего таблицы анализируются и вычисляются "предпочтения" ( $\Delta p$ ).

Для оценки результатов методом сравнения пользуются заранее заданными нормами. Например, при разности чисел предпочтения менее 15% тракты считаются одинаковыми и испытуемый канал по показателю речи равен эталонному. Поэтому он пригоден для использования в телефонной цепи.

$\Delta p= \frac{\sum\limits^{N/2}_{i=1}p^{Э}_i - \sum\limits^{N/2}_{i=1}p^{И}_i}{N}$

где — сумма предпочтений фраз, принятых по эталонной модели;

— сумма предпочтений фраз, принятых по испытуемой линии;

— число всех единичных измерений.

Для более тонкой оценки по нескольким объективным параметрам применяют пятибалльную систему оценки аудиторами качества речи.

Пример рекомендаций по пятибалльной оценке приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Соответствие между качеством речи и оценкой в баллах
характеристика качества речи	Баллы
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Полное отсутствие помех и искажений	4,6-5,0
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Отдельные малозаметные искажения или помехи	4,0-4,5
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Слабое постоянное присутствие отдельных видов искажений и помех	3,5-3,9
Незначительное нарушение естественности и узнаваемости. Заметное присутствие отдельных видов искажений или помех	3.0 -3.4
Заметное нарушение естественности и ухудшение узнаваемости, присутствие нескольких видов искажений (картавость, гнусавость и др.) или помех	2.5 - 2,9
Существенное искажение естественности и ухудшение узнаваемости, присутствие нескольких видов искажений (картавость, гнусавость и др.) или помех	1,7 - 2,4
Сильные искажения типа: картавость, гнусавость и др. "Механический голос". Наблюдается потеря естественности и узнаваемости	<1,7

При оценке результатов измерений вычисляется средний балл по формуле

$X_{CP}= \frac{\sum\limits^{N}_{i=1}x_i}{N}$

где — результат оценки единичного измерения, — число единичных измерений.

Особенно ухудшение узнаваемости может наблюдаться в системах, использующих особенности речевого аппарата человека, передачи по линии и воспроизведение звуков человеческого голоса (см. [1.2]). Они будут рассмотрены в дальнейших разделах.

Испытания могут проводиться в нескольких режимах.

Нормальный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 2,4 с.

Ускоренный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 1,5—1,6 с.

Возможны два варианта оценки качества речи: по критерию "лучше/хуже" либо в баллах по пятибалльной шкале. Ниже приводятся рекомендуемая градация интегральной оценки качества речи, прошедшей через тракт (таблица 1.3), градации качества речи по смысловой разборчивости (таблица 1.4) и градации по узнаваемости (таблица 1.5).

Таблица 1.3. Градации интегральной оценки качества речи, прошедшей через тракт
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	В речи, прошедшей через оцениваемый тракт, незаметны какие-либо дополнительные искажения или помехи по сравнению с речью, прошедшей через эталонный тракт
4	Хорошо	Отличие речи на входе оцениваемого тракта от речи на выходе эталонного тракта не воспринимается как ухудшение, а наличие незначительных искажений и помех не создает затруднений при разговоре
3	Удовлетворительно	В речи на выходе оцениваемого тракта, по сравнению с эталонным трактом, имеются заметные искажения или помехи, несколько затрудняющие ведение разговора и требующие напряженного внимания
2	Неудовлетворительно	Искажения и помехи — сильные. Ощущается чувство утомления и раздражения. Разговор возможен лишь при сильном напряжении внимания и при условии привыкания к звучанию передаваемой оцениваемым трактом речи
1	Плохо	Разговор практически невозможен из-за сильных искажений или помех
Таблица 1.4. Градации качества речи по узнаваемости
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	Голос говорящего узнается без затруднений сразу после начала разговора
4	Хорошо	Голос говорящего узнается без затруднений через некоторое время после начала разговора и при повторных разговорах с данным лицом по оцениваемому тракту. После привыкания к звучанию голоса этого лица по оцениваемому тракту узнавание голоса говорящего не вызывает затруднений
3	Удовлетворительно	Голос говорящего узнается с трудом, больше по манере говорить, чем по звучанию. Голоса разных лиц различаются с трудом
2	Неудовлетворительно	Узнаются только голоса лиц с особо характерной манерой говорить. Тембр звучания речи усредненный не несущий индивидуальных особенностей
1	Плохо	Узнаваемость отсутствует

Таблица 1.5. Градации качества речи по смысловой разборчивости (наличию переспросов, неверно понятых фраз)
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	Понимание содержания речи корреспондента; полное без переспросов (за исключением всплеска шумов в телефонной сети) для любого голоса, в т. ч. для голосов с некоторыми дефектами произношения
4	Хорошо	Понимание речи полное, но возможны переспросы необычных слов, а также фамилий и терминов
3	Удовлетворительно	При разговоре необходимы переспросы отдельных слов и фраз, но в целом ошибочного восприятия принимаемой речи не происходит
2	Неудовлетворительно	Отдельные слова во фразах не понимаются даже после их повторения при переспросе, и их значение приходится объяснять целыми фразами. Разговор приходится вести в замедленном темпе
1	Плохо	Смысл передаваемой информации понимается с трудом, выпадают отдельные фразы

В настоящее время, при появлении цифровых методов преобразования и передачи речи с помощью Internet, процесс определения параметров качества речи желательно автоматизировать. Субъективные оценки с помощью человека требуют большого числа испытаний, поскольку их результаты зависят от множества принципиально случайных факторов (настроения участников, состояния здоровья, времени рабочего дня и т. п.). Для уменьшения влияния этих факторов создаются объективные методы испытаний, основанные на инструментальных средствах. В настоящее время определены несколько модификаций стандартизированных методов измерения качества восприятия речи [1.34, 1.38, 1.39]:

· PSQM (Perceptual Speech Quality Measure) — измерение качества восприятия речи — экспериментальная версия, предназначенная для оценки качества передачи речи в системе сотовой связи GSM [1.38];

· PESQ — Perceptual Evaluating of Speech Quality — оценка качества восприятия речи [1.39].

На исходящих пунктах в системы автоматизации устанавливаются устройства, производящие следующие действия:

1. автоматическое установление соединения;

2. передачу проверочной последовательности;

3. прием этой последовательности после прохождения по сети на звуковую карту;

4. сравнение между собой переданной и принятой последовательностей.

Подобные устройства будут рассмотрены в дальнейшем в разделе, посвященном автоматическим устройствам поддержки эксплуатации (например, автоабонентам).

Акустические свойства человеческого уха

Требования к потребительским характеристикам телефонного аппарата определяются в первую очередь свойствами человеческого уха.

Главные факторы, влияющие на слышимость, — мощность звукового давления и частота колебаний звука.

На рис. 1.2 показана так называемая "диаграмма слуха" [1.1] .

Диаграмма слуха

Рис. 1.2. Диаграмма слуха

Здесь показаны области частот и звуковых давлений. Звуковое давление, обозначенное $\delta$ , измеряется в Паскалях (Па). С правой стороны диаграммы дана удельная мощность в Вт/м2, обозначаемая Вт/м2, а в средней части диаграммы показана относительная безразмерная величина — интенсивность, обозначаемая .

Интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления.

величина определяется формулой

$L_p=2\lg{\frac{\partial_p}{\partial_{p_{ПОР}}}=\lg \frac{I}{I_{ПОР}}$

В определении принято использовать стандартный порог слышимости

$\delta_{P_{ПОР}}=2\times10^{-5} Па$

или , определяемую формулой

$L_p[\partial Б]=20\lg{\frac{\partial_p}{\partial_{p_{ПОР}}}=10\lg \frac{I}{I_{ПОР}}$

В этом определении $L_{p(дБ)} I_{ПОР} = 10-12 Вт/м^2$ в децибелах; это есть безразмерная величина, но название указывает на другой принцип ее определения.

Области показывают звуки, которые воспринимает человеческое ухо. Верхняя кривая показывает порог болевого ощущения, когда волна перестает восприниматься как звук, вызывая в ухе давление и боли. Нижняя кривая показывает порог слышимости. На ней можно увидеть, что в области 1000 Гц звуки воспринимаются в наибольшем диапазоне от наименьшей интенсивности (удельной мощности, звукового давления) до максимального значения. Звук на этой частоте воспринимается при изменении интенсивности от 0 дБ до 140 дБ.

Промежуточные кривые показывают точки субъективного показателя $\beta$ — громкости звука, оценка которого дается человеком (в понятиях "громче", "еще громче", "тише", "еще тише"). Единица измерения громкости называется "фон".

При частоте 1000 Гц этот субъективный показатель совпадает с объективными показателями:

$L_p[\partial Б] = \beta [фон]$

Например, при $\delta = 2$ Па (или, что одно и то же, $I = 10^{-2} Вт/м^{2}$ ). Эти показатели совпадают и равны

$L_p[\partial Б]=20\lg{\frac{2}{2\times10^{-5}}}=10\lg \frac{10^{-2}}{10^{-2}}=100\partial Б$

На уровне порога слышимости (на рисунке 1.2 нижняя кривая) для того чтобы получить одинаково различимый уровень громкости на частоте 16 Гц требуется $\delta = 0,2$ Па ( $I = 10^{4} Вт/м^{2}$ ), а на частоте 1000 Гц $\delta = 2 \times 10^5$ Па ( $I = 10^{12} Вт/м^{2}$ ).

При высоких значениях звукового давления (на рисунке 1.2 верхние кривые) звук на этих же частотах, отклоняющихся от 1000 Гц, воспринимается громче и раньше наступает болевой порог, чем на частоте 1000 Гц.

Например, на частотах 62,5 Гц и 8000 Гц болевой порог наступает при звуковом давлении $\delta = 20$ Па, а на частоте 1000 Гц — при $\delta = 200$ Па.

Есть области звукового давления, где величины громкости и объективные показатели совпадают на больших участках диаграммы. Но, несмотря на это, эффект неравномерной слышимости на различных частотах необходимо учитывать при передаче и приеме речи.

Принципы построения микрофона и телефона

Микрофон

Микрофон предназначен для преобразования акустической энергии звука в электрическую энергию. Основной принцип действия микрофона состоит в том, что в электрическую цепь включается прибор, изменяющий свои параметры (обычно сопротивление, иногда — емкость) под давлением звуковой энергии [1.24]. Микрофоны классифицируются по признаку преобразования акустических колебаний в электрические и подразделяются на:

· угольные;

· электростатические (конденсаторные и электретные);

· пьезоэлектрические.

В качестве основы для преобразования звука в электрический сигнал в микрофоне применялся также кварц и даже световые преобразователи.

Микрофоны характеризуются следующими параметрами [1.9].

Чувствительность микрофона () — это отношение ЭДС (), развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению () (SPL — Sound Pressure Level) при заданной его величине и частоте (как правило, 1000 Гц), и выраженное в милливольтах на Паскаль (мВ/Па):

Величина звукового давления, развиваемая в специальной камере при измерении чувствительности, обычно равна либо 94 дБ (около 2 Па) или 74 дБ (около 0,2 Па) (см. рис.1.2). Например, на расстоянии около метра уровень нормальной речи составляет 60 дБ SPL, уровень 74 дБ SPL — типичная интенсивность звука на расстоянии 30 см от говорящего, 94 дБ SPL — типичная интенсивность звука в 2-3 см от него же.

Уровень чувствительности — эта величина чувствительности, выраженная в относительных единицах (дБ). Уровень определяется относительно 1 В.

Номинальный диапазон рабочих частот — диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

Неравномерность частотной характеристики — разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона (в свободном пространстве, на определенной частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.

Уровень собственного шума микрофона — это выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения шума к напряжению, развиваемому микрофоном, при воздействии на него полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Напряжение шума обусловлено флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами в электрической части микрофона. Согласно задаваемым нормам, напряжение собственного шума должно быть не более $0,5 мВ_{псоф}$ . Индекс указывает на то, что необходимо учитывать те особенности восприятия звука человеком, которые были рассмотрены в разделе 1.2.

Рассмотрим вначале принцип построения угольного микрофона.

Угольный микрофон

Принцип построения угольного микрофона [1.16] показан на рис. 1.3.

Принцип построения угольного микрофона

Рис. 1.3. Принцип построения угольного микрофона

Он содержит угольный порошок, который под влиянием звуковой энергии меняет свою плотность. При большом звуковом давлении он уплотняется и сопротивление току уменьшается, при уменьшении величины звукового давления сопротивление вновь увеличивается. Для нормальной работы угольного микрофона требуется ток 30 мА [1.3]. При напряжении 60 В, которое обычно применяется на российских телефонных станциях, такой ток соответствует сопротивлению 2000 Ом. Это значение включает в себя сопротивление шлейфа (шлейф — это пара проводов, соединяющая телефонный аппарат со станцией) и сопротивление цепей электропитания Ом. Это эквивалентно расстоянию примерно 5-7 км (при использовании медной жилы диаметром 0,04 см). Минимальное значение тока в линии составляет около 15 мА, что соответствует сопротивлению около 4000 Ом, и дает возможность обслуживать абонентов на расстоянии около 10 км с приемлемым качеством передачи сигнала. Для больших расстояний (например, в сельской местности) иногда используется повыш енное напряжение электропитания.

Максимальный ток, допустимый в микрофоне, равен 60 мА. Дальнейшее увеличение тока может привести к "спеканию" угольного порошка в сплошную массу и выходу микрофона из строя. Поэтому, чтобы ограничить максимальное значение тока в цепи микрофона, на станции в цепь электропитания включают две обмотки реле с сопротивлением по 500 Ом каждое. Это дает возможность даже на самой короткой линии иметь нормальное значение тока.

Расчет величины тока, проходящего через угольный микрофон

Ток, протекающий через микрофон, зависит от его сопротивления, которое меняется в зависимости от звукового давления. Если принять, что на микрофон воздействует синусоидально изменяющееся звуковое давление, то его сопротивление можно представить в виде

$R=R_{внеш}+R_{микр}-r\sin \omega t$

(заметим, что при этом минимальное значение сопротивления $R=R_{внеш}>+R_{микр}-r$ , а максимальное значение $R=R_{внеш}+R_{микр}+r$

Ток через микрофон равен

$I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})-r\sin \omega t}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{vbrh})(1-\frac{r}{R_{пост}+R_{микр}})}$

используя формулу разложения, получаем

$I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t+\frac{r^2}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin^2 \omega t$

Это уравнение показывает, что ток представляет сумму сигнала с частотой звукового давления

$\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t$

более высокой частоты (высших гармоник), таких как

$\frac{r^2}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin^2 \omega t$

и т .д.

Эти сигналы вносят искажения, которыми можно пренебречь. Тогда ток микрофона определяется формулой

$I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t) \text{ или}\\ I_{микр}=I_0(1+\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t)\\ I_{микр}=I_0+I_o\frac{r}{(R_{пост}+R_{микр})}\sin \omega t)$

где — постоянный ток электропитания микрофона, когда мембрана находится в исходном положении.

Рассмотрим переменную составляющую этой формулы, которая отображает сигнал, порождаемый звуковым давлением.

Поскольку

$I_0=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})}\text{, то}\\ I_{max}=\frac{Er}{(R_{пост}+R_{микр})^2}$

Обычно амплитуду изменения сопротивления микрофона выражают коэффициентом в процентах

$p=\frac{r}{R_{микр}}$ от общей величины сопротивления микрофона $R_{микр}$ . Тогда

$I_{max}=\frac{EpR_{микр}}{(R_{пост}+R_{микр})^2}$

Теперь определим оптимальное значение сопротивления микрофона для обеспечения максимального тока звукового сигнала. Считая $R_{микр}$ переменным, продифференцируем выражение для максимального тока:

$\frac{dI_{max}}{dR_{микр}}=\frac{Ep(R_{пост}+R_{микр})^2-EpR_{микр}2(R_{пост}+R_{микр})}{(R_{пост}+R_{микр})^4}$

приравняв к нулю это уравнение и упростив его, получим

$R_{микр} = R_{пост}.$

В обычных условиях это равенство выполняется редко, но оно позволяет в определенных пределах выбирать параметры микрофона.

Электретные и конденсаторные микрофоны

Хотя угольные микрофоны дают удовлетворительное качество речи, в технике идет постоянное совершенствование работы микрофонов на других физических основах. В современных телефонных аппаратах широко применяются конденсаторные и электретные микрофоны [1.24], которые имеют повышенные электроакустические и технические характеристики:

· широкий частотный диапазон;

· малую неравномерность частотной характеристики;

· низкие нелинейные и переходные искажения;

· высокую чувствительность;

· низкий уровень собственных шумов.

Один из принципов построения микрофона основан на применении конденсатора, который имеет одну подвижную обкладку и меняет величину емкости в зависимости от звукового давления (рис. 1.4). При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты, и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Внутренняя схема конденсаторного микрофона

Рис. 1.4. Внутренняя схема конденсаторного микрофона

Основным недостатком этого принципа является необходимость подключения источника электропитания (мини-аккумулятора). Дальнейшее усовершенствование этого направления — электретные микрофоны.

На рис. 1.5 показан один из способов включения электретного микрофона. Электретные микрофоны работают так же, как и конденсаторные, но они предварительно накапливают постоянное напряжение с помощью заряда электрета, тонким слоем нанесенного на мембрану и сохраняющего этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет). Поэтому они не нуждаются в дополнительном элементе электропитания. Электретные микрофоны сегодня более предпочтительны, чем угольные, они более чувствительны и дешевы. Однако они имеют недостаток. Они чувствительны к внешним воздействиям, таким, например, как помехи бытовых электроприборов.

Внутренняя схема электретного микрофона

Рис. 1.5. Внутренняя схема электретного микрофона

Поскольку ЭДС, вырабатываемая микрофоном, мала, ее подают на усилитель, который построен на базе МОП-транзистора и получает электропитание по абонентской линии. Это также позволяет снизить выходное сопротивление до величины не более $3\div 4$ кОм и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона. Кроме этого, МОП-транзистор обеспечивает последовательное протекание тока, что очень важно для работы микрофона в цепи электропитания станции.

Некоторые примеры исполнения микрофонов

Мы рассмотрели теоретические принципы построения микрофонов. На практике приходится решать множество вопросов, связанных с условиями эксплуатации (климатические воздействия, возможность переноса микрофона, акустические требования) и особенностями конкретных материалов, из которых изготавливаются микрофоны.

Поэтому рассмотрим некоторые весьма распространенные в России типы капсульных микрофонов МК (микрофон капсульный) модели МК-16 и МК-10 [1.9, 1.26].

Корпус МК-10 (рис. 1.6а) изготовлен из латуни, а внутренняя поверхность покрыта изоляционным лаком. В штампованном корпусе 5 укреплен латунный цилиндрический электрод 1, покрытый сверху слоем палладия. В корпус засыпан угольный порошок 2 (1,25 г).

Капсульные микрофоны МК-10 и МК 16

Рис. 1.6. Капсульные микрофоны МК-10 и МК 16

Микрофонные капсюли МК-10 (а) и МК-16 (б): 1,3 — электроды, 2 — угольный порошок, 4 — мембрана, 5, 14 — латунный и фенопластовый корпуса, 6 — основание, 7, 8 — крышки, 9, 13 — влагозащитная и капроновая прокладки (пленки), 10 — изолирующая втулка, 11 — контакт, 12 — ободок

Электрод 1 изолирован от корпуса шайбой и втулкой 10. Электрод 3, выполненный из тонкой латуни в виде пустотелой чашечки, укреплен в центре легкой металлической рупорообразной мембраны 4, края которой закреплены кольцом. Электрод 3 погружен в угольный порошок 2 (поверхность электрода, соприкасающаяся с угольным порошком, покрыта слоем палладия).

Между мембраной и угольным порошком находится эластичная пленка 9, которая крепится между двумя полыми цилиндрическими стаканчиками подвижного электрода вместе с мембраной. Сверху мембрана завальцована крышкой 8 с отверстиями для прохождения звуковых волн. Над крышкой 8 находится вторая крышка 7, которая задерживает влагу.

В микрофоне даже в горизонтальном положении сохраняется цепь прохождения тока от одного электрода к другому, так как почти весь объем камеры микрофона заполнен порошком, в который глубоко погружены электроды. Поэтому микрофонный капсюль МК-10 считается безобрывным, обладает удовлетворительной влагостойкостью и достаточной механической прочностью.

В телефонных сетях применяют низко, средне - и высокоомные микрофоны. Различное сопротивление микрофонов зависит от величины зерен угольного порошка и их термической обработки.

В микрофонном капсюле МК-16 (рис. 1.6б) основание 6 имеет форму фигурного кольца с двумя бортиками по окружности. На верхнем бортике (с большим диаметром) расположена мембрана 4 из фольги, на которой укреплен латунный электрод 3, имеющий форму колпачка. Мембрана 4 сверху покрыта влагозащитной пленкой 9. Внутри нижнего бортика с меньшим диаметром расположен корпус 14 с отверстием в середине. Полый латунный электрод 1 завальцован внутрь корпуса 14. Верхняя часть электрода имеет сферическую форму, а нижняя часть — трубчатую. Латунный колпачковый контакт 11 завальцован с внешней стороны в латунный электрод 1.

Пространство между электродами наполняется угольным порошком. Нижняя кромка латунного корпуса 5 и кромка колпачкового контакта 11 изолированы друг от друга и помещены в выемке корпуса 14. Микрофонные капсюли импортных телефонных аппаратов отличаются от отечественных капсюлей в основном размерами. Поэтому при установке импортных капсюлей в отечественные микротелефоны применяют специальные кольца и шайбы.

Микрофонный капсюль МК-16, устанавливаемый в телефонных аппаратах системы центральной батареи (ЦБ), имеет сопротивление 180 Ом.

По степени устойчивости к климатическим воздействиям микрофонные капсюли подразделяются на нормальные (Н) и устойчивые (У) для таксофонов.

Основным электроакустическим параметром, определяющим качество работы микрофона как преобразователя, является его чувствительность.

Зависимость чувствительности микрофона от частоты при постоянных значениях звукового давления и тока питания микрофона называют частотной характеристикой микрофона. На рис. 1.7 приведен пример частотных характеристик чувствительности угольных микрофонов [1.26].

Частотные характеристики чувствительности угольных микрофонов

Рис. 1.7. Частотные характеристики чувствительности угольных микрофонов

Чувствительность угольного микрофона на различных частотах различна. Резкое возрастание чувствительности на определенной частоте разговорного спектра обусловлено резонансом, возникающим при совпадении частоты звуковых колебаний с частотой собственных колебаний мембраны. Неравномерный характер частотной характеристики вызывает амплитудно-частотные искажения, которые воспринимаются на слух как искажение тембра голоса при телефонном разговоре. Но изменением акустической системы микрофона можно изменять характер частотной зависимости чувствительности микрофона.

Качество микрофона характеризуется также зависимостью переменной ЭДС, развиваемой микрофоном, от изменения звукового давления, действующего на мембрану. Эта зависимость называется амплитудной характеристикой микрофона. Она (в определенном диапазоне звуковых колебаний) должна быть линейной, т. е. переменная ЭДС изменяется пропорционально звуковому давлению. Чем больше диапазон звуковых давлений, в котором эта пропорциональность сохраняется, тем лучше микрофон. Крик или разговор повышенной громкости перед микрофоном хотя и увеличивает отдаваемую микрофоном мощность, однако не всегда приносит пользу, так как ясность (разборчивость) речи при этом снижается из-за появления искажений.

На рис. 1.8 показаны примеры частотных характеристик уровня чувствительности для некоторых типов электретных микрофонов [1.24]. Они измеряются относительно 1В и указаны в дБ на Па. Неравномерность частотной характеристики чувствительности в номинальном диапазоне частот для микрофона МКЭ-3 не более 12 дБ, а для МКЭ-378 — не более +2 дБ.

Частотные характеристики чувствительности электретных микрофонов: а) МК-3: МК-378

Рис. 1.8. Частотные характеристики чувствительности электретных микрофонов: а) МК-3: МК-378

Таблица 1.6. Технические характеристики электретных микрофонов
микрофон	Чувствительность, мВ/Па, не менее	Номинальный диапазон рабочих частот, Гц	Уровень собственного шума, дБ, не более
МКЭ-3	4 $\div$ 20	50 $\div$ 15000	30
МКЭ-84	6 $\div$ 20	300 $\div$ 3400	30
МКЭ-378А	6 $\div$ 12	30 $\div$ 18000	33
МКЭ-378Б	10 $\div$ 202	30 $\div$ 18000	33

Размытые линии на диаграмме показывают разброс параметров, который может быть значительным. При этом надо учитывать, что электретные микрофоны содержат усилители в виде МОП-транзисторов (рис. 1.5).

Потребляемый ток микрофонов — не более 70 мкА. Коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц при звуковом давлении 3 Па для микрофонов МКЭ-378 — не более 1%.

Принципы построения электромагнитного телефона

Наиболее распространенной является электромагнитная схема телефона (рис. 1.9а).

При этом телефон содержит электромагнит, состоящий из обмотки, сердечника и железной пластинки. Под влиянием тока, приходящего из линии, в телефоне вырабатывается электромагнитная энергия, которая приводит в действие металлическую пластину. Движение этой пластины порождает звук. Рассматриваемая конструкция имеет один недостаток. Он заключается в том, что порождаемое магнитное поле не зависит от полярности проходящего тока. На любое увеличение тока электромагнит отвечает увеличением магнитной силы, независимо от полярности, и на синусоидальный сигнал порождает однополярный поток (рис. 1.9б), который вызывает искажение речи. Поэтому вводится постоянное подмагничивание.

Принципы построения электромагнитного телефона. На рис. А и В сплошные линии показывают исходное состояние мембраны, а прерывистые – колебания мембраны. На рис. А колебания односторонние. На рис. В исходное положение мембраны из-за исходного подмагничивания вогнутое и колебания идут в две стороны

Рис. 1.9. Принципы построения электромагнитного телефона. На рис. А и В сплошные линии показывают исходное состояние мембраны, а прерывистые – колебания мембраны. На рис. А колебания односторонние. На рис. В исходное положение мембраны из-за исходного подмагничивания вогнутое и колебания идут в две стороны

Дифференциальный принцип построения телефона

В телефоне, основанном на этом принципе, электромагнитная цепь совместно с механической частью мембраны построена таким образом, что передает различные полярности значений тока колебаниями мембраны в различные стороны от нейтрального положения (рис. 1.10).

Принцип работы телефона с <a title= дифференциальной рабочей цепью" width="288" height="279"/>

Рис. 1.10. Принцип работы телефона с дифференциальной рабочей цепью

Микрофон содержит дифференциальную систему, а обмотки создают два противоположных потока. Имеются также рычаги, один из которых воздействует на мембрану вверх и вниз до нейтрального положения, а другой — вниз и вверх до нейтрального положения. Таким образом, в зависимости от полярности тока мембрана принимает два различных положения. При этом искажения, которые возникают в обычной цепи без подмагничивания, устраняются за счет усложнения механической системы.

Некоторые примеры выполнения телефонов

Некоторые примеры реальных телефонов приведены на рис. 1.11.

Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-67

Рис. 1.11. Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-67

1 — корпус, 2 — крышка, 3 — мембрана, 4 — полюсные надставки, 5 — электрообмотки, б — каркас катушки, 7 — отверстие, 8 — защитная прокладка, 9 — резьба, 10 — контактный винт, 11 — постоянный магнит.

Телефонный капсюль имеет пластмассовый корпус 1, в дно которого впрессован постоянный магнит 11с полюсными надставками 4. На свободные концы надставок надеты катушки электромагнита телефона. Обмотки катушек соединены последовательно, а их свободные концы припаяны к штифтам, которые впрессованы в корпус телефона. С нижней стороны в штифты ввернуты контактные винты, с помощью которых телефон подключается к схеме ТА. Сверху телефонный капсюль закрыт крышкой 2, которая навинчивается на корпус. В крышке имеются отверстия 7.

Для оценки качества телефона как преобразователя электрических колебаний в звуковые используют понятие чувствительности телефона. Чувствительностью телефона (Па/мВ) называют величину, которая определяется отношением звукового давления , развиваемого испытуемым телефоном в камере искусственного уха, к переменному напряжению , приложенному к его зажимам. Искусственным ухом называется измерительный прибор, акустические параметры которого соответствуют уху человека (прибор, который имитирует среднюю акустическую нагрузку на телефон, создаваемую ухом человека).

Частотная характеристика чувствительности телефона показывает зависимость чувствительности телефона от частоты при постоянном значении напряжения, приложенного к его зажимам. Частотная характеристика чувствительности неравномерна по сравнению с телефонами, имеющими специальные акустические перегородки.

Для выравнивания частотной характеристики чувствительности телефона в его механико-акустическую систему вводят пластмассовую перегородку, которая делит на две части объем под мембраной. Перегородка имеет форму диска с двумя отверстиями, затянутыми шелком, и двумя отверстиями для полюсных надставок, и кладется в специальный паз корпуса таким образом, чтобы полюсные надставки выступали над ней. Объем воздуха между мембраной и акустической перегородкой вместе с воздухом, колеблющимся в отверстиях перегородки, демпфирует (уменьшает) колебание мембраны на резонансной частоте и тем самым выравнивает частотную характеристику чувствительности телефона.

На рис. 1.12 приведены основные параметры телефонов ТА-4, ТК-67, ТК-67 [1.12].

Частотные характеристики чувствительности телефонов

Рис. 1.12. Частотные характеристики чувствительности телефонов

Краткие итоги

· Основные потребительские характеристики — это получаемые параметры речи: слоговая, фразовая разборчивость, качество речи по смыслу и узнаваемости.

· Слоговая и фразовая разборчивость зависит не только от телефонного аппарата, но и от всей системы передачи.

· Слоговая (фразовая) разборчивость определяется отношением правильно принятых по испытуемому тракту слогов (фраз) к общему числу принятых и выражается в процентах.

· Узнаваемость речи — это возможность слушателя по звучанию голоса определять конкретного человека, известного ему ранее.

· Смысловая разборчивость — степень правильного определения информационного содержания речи.

· Интегральное качество — общее впечатление слушателя от воспринимаемой речи.

· Для определения качества речи применяется испытательная установка, содержащая телефонный аппарат, переключатель, искусственные абонентскую и соединительную линии.

· Искусственные абонентская и соединительная линии содержат элементы, позволяющие имитировать основные параметры этих линий (прямое сопротивление и сопротивление между проводами (сопротивление утечки), емкость линии) и дают возможность имитировать помехи, воздействующие на эти линии.

· Оценка проводится по таблицам предпочтений при сравнении речи, полученной по эталонному и реальному трактам.

· Для оценки параметров качества речи по пятибалльной системе предлагаются таблицы критериев.

· Испытания могут проводиться в нескольких режимах.

o Нормальный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 2,4 с.

o Ускоренный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 1,5-1,6 с.

· Процесс оценки качества речи может быть автоматизирован.

· Главные факторы, влияющие на слышимость, — это мощность звукового давления и частота колебаний звука.

· Эти величины определяются с помощью трех взаимосвязанных характеристик.

o Звуковое давление, обозначенное $\delta$ , измеряется в Паскалях (Па).

o Удельная мощность, обозначаемая — , измеряется в Вт/м2.

o Интенсивность (относительная безразмерная величина, обозначаемая и измеряемая в децибелах).

· В определении принято использовать стандартный порог слышимости $\partial_{p_{ПОР}} = 2\times10^{-5} Па$ , а соответствующее ему значение минимальной удельной мощности $I_{ПОР} = 10^{-12} Bm/м^2$

· В области 1000 Гц звуки воспринимаются в наибольшем диапазоне от наименьшей интенсивности (удельной мощности, звукового давления).

· Для преобразования акустической энергии в электрическую служит микрофон.

· Для преобразования электрической энергии в акустическую служит телефон.

· Микрофоны бывают угольные, конденсаторные, пьезоэлектрические.

· Угольный микрофон содержит угольный порошок, который под влиянием звуковой энергии меняет свою плотность.

· Конденсаторные микрофоны основаны на применении конденсатора, который имеет одну подвижную обкладку и меняет величину емкости в зависимости от звукового давления.

· Электретные микрофоны предварительно накапливают постоянное напряжение с помощью заряда электрета, тонким слоем нанесенного на мембрану и сохраняющего этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет).

· Пьезоэлектрические микрофоны вырабатывают ЭДС при воздействии звукового давления.

· Конструкция угольных микрофонов обеспечивает устойчивость к внешним условиям и безобрывность микрофона при его различных положениях.

· Чувствительность угольного микрофона на различных частотах различна. Резкое возрастание чувствительности на определенной частоте разговорного спектра обусловлено резонансом, возникающим при совпадении частоты звуковых колебаний с частотой собственных колебаний мембраны.

· Амплитудная характеристика микрофона характеризует зависимость переменной ЭДС, развиваемой микрофоном, от изменения звукового давления, действующего на мембрану.

· Частотные характеристики уровня чувствительности микрофонов измеряются относительно 1 В.

Задачи и упражнения

1. Используя рис. 1.1, нарисуйте схему автоматизированного испытания методом сравнения с устройством, устанавливающим соединение и принимающим речевые образцы на приеме.

Какие устройства должны быть на исходящем конце для передачи образцов речи?

Какие устройства должны быть на приемном конце для приема образцов речи?

По каким параметрам может проводиться анализ совпадения этих образцов?

2. Как будет воздействовать ускорение темпа речи на качество ее передачи при различных скоростях передачи цифрового тракта? Например, для низкоскоростного (скорость цифрового потока менее 16 КГц) и высокоскоростного трактов (скорость цифрового потока более 16 КГц).

3. Какие из факторов, перечисленных в этом разделе, влияют (улучшают, ухудшают) на качество речи?

4. Как, по вашему мнению, на качество речи влияет увеличение мощности передачи речи?

5. Пусть заданы значения звукового давления:

1. $\partial = 200 Па$

2. $\partial = 20 Па$

3. $\partial = 2 Па$

4. $\partial = 2 \times 10^{-2} Па$

5. $\partial = 2 \times 10^{-3} Па$

6. $\partial = 2 \times 10^{-4} Па$

7. $\partial = 2 \times 10^{-5} Па$

Используя пороговое значение звукового давления, вычислите интенсивности звука.

6. Пусть заданы значения звукового давления:

4. $I = 10^{-2} Вт/м^2$

5. $I = 10^{-3} Вт/м^2$

6. $I = 10^{-4} Вт/м^2$

7. $I = 10^{-5} Вт/м^2$

Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите интенсивности звука.

7. Пусть заданы значения интенсивности в дБ:

Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите удельную мощность звука.

8. Определите по рис. 1.7 уровень чувствительности микрофона МК-10 (в дБ) при следующих частотах:

o 0,3 КГц

o 2 КГц;

o 3 КГц.

9. Определите неравномерность уровня чувствительности микрофона МК-10.

10. Определите рис. 1.7 уровень чувствительности микрофона МК-16 (в дБ) при следующих частотах:

o 0,3 КГц;

o 2 КГц;

o 3 КГц.

11. Определите неравномерность уровня чувствительности микрофона МК-16 и сравните ее с величиной по п. 2.

12. Проведите такие же вычисления по рис. 1.8 для микрофонов МКЭ-3 и МКЭ-378, взяв частоты крайних точек рабочего диапазона.

13. Рассчитайте максимальный ток, порождаемый звуковым давлением, если:

§ исходное сопротивление микрофона 400 Ом;

§ коэффициент изменения сопротивления при звуковом давлении ;

§ сопротивление линии 1000 Ом.

§ исходное сопротивление микрофона 400 Ом;

§ коэффициент изменения сопротивления при звуковом давлении ;

§ сопротивление линии 400 Ом.

§ исходное сопротивление микрофона 1000 Ом;

§ коэффициент изменения сопротивления при звуковом давлении ;

§ сопротивление линии 1000 Ом.

§ исходное сопротивление микрофона 400Ом;

§ коэффициент изменения сопротивления при звуковом давлении ;

§ сопротивление линии 1000 ОМ.

Оцените полученные результаты.

14. Определите по рис. 1.12 уровень чувствительности телефонов ТК-47, ТК-67, ТА-4 (в дБ) при следующих частотах:

o 0,3 КГц;

o 2 КГц;

o 3 КГц.

15. Укажите элементы микрофона на рис. 1.3 и на рис. 1.7.

16. Укажите элементы телефона на рис. 1.9а и на рис. 1.11.

Основные порталы (построено редакторами)

Домашний очаг

Дом • Дача • Садоводство • Дети • Активность ребенка • Игры • Красота • Женщины • (Беременность) • Семья • Хобби
Здоровье: • Анатомия • Болезни • Вредные привычки • Диагностика • Народная медицина • Первая помощь • Питание • Фармацевтика
История: СССР • История России • Российская Империя
Окружающий мир: Животный мир • Домашние животные • Насекомые • Растения • Природа • Катаклизмы • Космос • Климат • Стихийные бедствия

Справочная информация

Документы • Законы • Извещения • Утверждения документов • Договора • Запросы предложений • Технические задания • Планы развития • Документоведение • Аналитика • Мероприятия • Конкурсы • Итоги • Администрации городов • Приказы • Контракты • Выполнение работ • Протоколы рассмотрения заявок • Аукционы • Проекты • Протоколы • Бюджетные организации
Муниципалитеты • Районы • Образования • Программы
Отчеты: • по упоминаниям • Документная база • Ценные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темам • Финансы • города Российской Федерации • регионы • по точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминология • Финансовая • Экономическая
Время: • Даты • 2015 год • 2016 год
Документы в финансовой сфере • в инвестиционной • Финансовые документы - программы

Техника

Авиация • Авто • Вычислительная техника • Оборудование • (Электрооборудование) • Радио • Технологии • (Аудио-видео) • (Компьютеры)

Общество

Безопасность • Гражданские права и свободы • Искусство • (Музыка) • Культура • (Этика) • Мировые имена • Политика • (Геополитика) • (Идеологические конфликты) • Власть • Заговоры и перевороты • Гражданская позиция • Миграция • Религии и верования • (Конфессии) • Христианство • Мифология • Развлечения • Масс Медиа • Спорт (Боевые искусства) • Транспорт • Туризм
Войны и конфликты: Армия • Военная техника • Звания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работы • Научно-технический прогресс • Педагогика • Рабочие программы • Факультеты • Методические рекомендации • Школа • Профессиональное образование • Мотивация учащихся
Предметы: Биология • География • Геология • История • Литература • Литературные жанры • Литературные герои • Математика • Медицина • Музыка • Право • Жилищное право • Земельное право • Уголовное право • Кодексы • Психология (Логика) • Русский язык • Социология • Физика • Филология • Философия • Химия • Юриспруденция

Мир

Регионы: Азия • Америка • Африка • Европа • Прибалтика • Европейская политика • Океания • Города мира
Россия: • Москва • Кавказ
• Регионы России • Программы регионов • Экономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • Банки • Богатство и благосостояние • Коррупция • (Преступность) • Маркетинг • Менеджмент • Инвестиции • Ценные бумаги: • Управление • Открытые акционерные общества • Проекты • Документы • Ценные бумаги - контроль • Ценные бумаги - оценки • Облигации • Долги • Валюта • Недвижимость • (Аренда) • Профессии • Работа • Торговля • Услуги • Финансы • Страхование • Бюджет • Финансовые услуги • Кредиты • Компании • Государственные предприятия • Экономика • Макроэкономика • Микроэкономика • Налоги • Аудит
Промышленность: • Металлургия • Нефть • Сельское хозяйство • Энергетика
Строительство • Архитектура • Интерьер • Полы и перекрытия • Процесс строительства • Строительные материалы • Теплоизоляция • Экстерьер • Организация и управление производством