Реализация приставки, для записи телефонных разговоров

Колебания с частотой ниже 16 герц относят  к инфразвуковым, колебания с  частотой от 20 килогерц до 1000 мегагерц относят к ультразвуковым колебаниям, а свыше 1000 мегагерц – к гиперзвуковым. Резкой границы между этими диапазонами нет, поэтому приведенная классификация является условной, хотя свойства каждого диапазона имеют свои специфические особенности.

Звуковая волна переносит определенную энергию и создает избыточное давление. Достигнув уха человека, она воздействует на барабанную перепонку  и через нее на нервные окончания, которые при их раздражении создают  в сознании человека специфическое ощущение звука. Каждый звук характеризуется высотой (тоном) и громкостью, а сложные звуки еще и тембром.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний: чем больше частота  колебания, тем выше тон звука. Человек  способен различать 3 – 4 тысячи звуков разной высоты.

Громкость звука, воспринимаемого  человеком, определяется его субъективной оценкой и не может быть измерена какими – либо приборами. Однако исследованиями установлено, что громкость звука  связана определенной зависимостью с его интенсивностью. Интенсивностью называется мощность звуковых колебаний, приходящаяся на единицу площади. При распространении звуковой волны интенсивность прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний источника звука и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника звука до данной точки звукового поля. Интенсивность звука также убывает вследствие расхода энергии на сжатие воздуха. Этот процесс носит название поглощение звука. Чем выше частота, тем сильнее поглощение звука средой. Иногда вместо интенсивности удобнее использовать другое понятие – звуковое давление, которое измеряется в паскалях  и связано с интенсивностью, определенной зависимостью.

Ухо человека воспринимает колебания  среды как звук лишь в некотором  интервале не только по частоте, но и по интенсивности. Для каждой частоты звукового диапазона имеется свой интервал интенсивности колебаний, в пределах которого слышен звук. Нижний порог слышимости соответствует интенсивности, при которой человек еще может воспринимать звук. Звуковые колебания меньшей интенсивности находятся за пределами чувствительности уха. Верхний порог слышимости соответствует максимальной интенсивности, выше которой звук не воспринимается. А ощущается боль. Колебания низких частот большой интенсивности вызывают затрудненное дыхание. Следовательно, можно говорить о некоторой области воспринимаемых звуков.

Необходимо отметить очень важный для телефонии факт: ухо человека обладает далеко не одинаковой чувствительностью  к различным частотам звукового  диапазона. Самый низкий порог чувствительности уха отмечается для колебаний с частотами от 1 до 4 килогерц. Для других частот порог чувствительности выше. Порог болевого ощущения также имеет различное значение для колебаний каждой частоты. Более того звуковые колебания с одинаковой интенсивностью, но различными частотами воспринимаются ухом человека с неодинаковой громкостью. Это значит, что если мы хотим добиться, например, ощущения одной и той же громкости звуков с частотами 1000 и 100 герц, то для частоты 100 герц потребуется гораздо большая интенсивность. В течении жизни человека наибольшая чувствительность уха постепенно смещается от частоты 3 – 4 килогерца к частоте 1 килогерц, и это обстоятельство следует учитывать при конструировании аппаратуры, так как телефонной связью пользуются люди различного возраста. На рисунке 1 показаны колебания частот, изменяющиеся по синусоидальному закону

На этом рисунке A – максимальная амплитуда колебания, T – период, то есть время, в течении которого совершается одно полное колебание, P_атм – атмосферное давление. Звуки соответствующие таким колебаниям, называются простыми. В повседневной жизни простые звуки не встречаются, но они могут быть получены при помощи камертонов. Обычно звуки которые слышит человек являются сложными. Сложные звуковые колебания могут быть периодическими и не периодическими. Периодическое колебание можно разложить на ряд простых синусоидальных колебаний, показанных на рисунке 2. первая гармоника имеет период T, совпадающий с периодом сложного периодического колебания. У второй гармоники период колебаний в 2 раза меньше, у третьей в 3 раза и так далее. Сложные непериодические звуковые колебания так же можно разложить на простые, но частотный спектр этих колебаний сплошной. Это означает, что в составе сложного непериодического колебания имеются простые колебания любой частоты. Сложные непериодические колебания отличаются друг от друга только соотношением амплитуд всех или некоторых своих составляющих.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Звуковые колебания

 

Речь человека состоит из гласных и согласных звуков. С достаточной степенью точности можно считать, что при воспроизведении гласных звуков возникают сложные периодические колебания, а при воспроизведении согласных звуков – сложные непериодические. При формировании гласных звуков вибрируют голосовые связки, прерывая периодически воздушный поток, формируя определенные звуковые импульсы.

Продолжительность каждого импульса составляет всего несколько миллисекунд. Импульсы следуют друг за другом с  определенной частотой, лежащей обычно в пределах 100 – 300 герц. Каждый импульс имеет сложную форму и может быть разложен на несколько синусоидальных составляющих. Наибольшую амплитуду имеют колебания в диапазоне от 0,1 до 0,5 килогерц. В импульсе всегда можно выделить основную составляющую. У мужчин она имеет частоту в среднем 140 150 герц, а у женщин – 230 – 250 герц.

Возникшие звуковые импульсы проходят через ряд резонансных полостей, образуемых во рту и носу. Объем  и форма некоторых полостей могут  меняться. Например, когда произносится звук О, то округляются губы и опускается нижняя челюсть, образуя так называемые форманты. Число и взаимное расположение основных формантов в частном диапазоне для разных звуков различны. Число основных формантов в каждом звуке не велико (1 – 3). Большинство основных формантов расположено в диапазоне от 300 до 3000 герц. Наряду с основными формантами присутствуют и дополнительные, имеющие гораздо меньшую амплитуду. Дополнительные форманты придают гласным звукам особую окраску (тембр), благодаря чему можно узнать человека по голосу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Сложные периодические  колебания

 

Образование звонких согласных  звуков также связано с работой  голосовых связок. При формировании глухих звуков и при разговоре шепотом голосовые связки не работают.

Считается, что весь спектр частот речи занимает диапазон от 80 до 10000 герц, хотя специальными измерениями обнаружены частотные составляющие небольшой  амплитуды даже в ультразвуковой области.

При передаче речи с использованием телефона очень важно обеспечить ее хорошую разборчивость, которая  определяет достоверность принятой информации. Разборчивость зависит  от целого ряда факторов. Ее нельзя измерить, поэтому оценка разборчивости является всегда приблизительной.

Существуют различные методы определения  разборчивости . широко применяется  метод слоговой артикуляции. Его  суть заключается в следующем. Один из абонентов, используя специальные  карточки, передает различные слоги  с нормальной громкостью, а другой на приемном конце принимает и записывает их в том же порядке. Если количество правильно принятых слогов составляет 75 – 80 процентов числа переданных, то разборчивость считается хорошей.

Специальными исследованиями установлена  прямая зависимость разборчивости речи от диапазона передаваемых частот. Если передавать весь спектр частот от 80 до 10000 герц, то качество передачи и разборчивость при прочих равных условиях будут наиболее высокими. Однако при это резко  возрастут затраты на изготовление широкополосных электрозвуковых преобразователей.

 

 

1.3 Принцип телефонной передачи

 

 

 

Изобретение телефона позволило  не только передавать речь на большие  расстояния, но, что не менее важно, осуществлять такую передачу практически  мгновенно. Огромная скорость телефонной передачи объясняется тем, что речевой сигнал в виде звуковых волн проходит очень короткий путь от речевого аппарата человека до телефонной трубки. Затее энергия звуковых волн преобразуется в энергию электрических сигналов, которые передаются по проводам со скоростью, близкой к скорости света. На приемном конце происходит обратное преобразование электрических сигналов в звуковые. Принцип телефонной передачи заключается в преобразовании звуковых колебаний в электрические на передающем конце и электрических в звуковые на приемном. Прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические, называется микрофоном, а прибор, преобразующий электрические колебания в звуковые – телефоном. Схематически принцип телефонной передачи показан на рисунке 3, где i – мгновенное значение тока в линии, BM – микрофон, BF – телефон.

В телефонных аппаратах и телефонно  – микрофонных  гарнитурах используются главным образом электромагнитные телефонные капсюли и угольные микрофоны, также разработаны электроконтактные, электродинамические, конденсаторные, пьезоэлектрические, ионные, электретные преобразователи. Все указанные преобразователи, кроме электроконтактных и ионных, могут использоваться в качестве передатчиков и в качестве приемников. Электромагнитные, электродинамические, пьезоэлектрические и электретные преобразователи получили название пассивных. Пассивные преобразователи преобразуют энергию поступившего на вход сигнала из одного вида в другой и не требуют для своей работы дополнительных источников электрической энергии. В соответствии с законом сохранения энергии сигнал, полученный на выходе пассивного преобразователя, не может обладать энергией, большей, чем сигнал, подведенный к его входу. Фактически преобразуется только часть подведенной энергии, а остальная часть теряется и переходит в конечном итоге в тепло. Электроконтактные, конденсаторные и ионные преобразователи получили название активных. Они требуют для своей работы подключения дополнительного источника электрической энергии. Входной сигнал при этом используется для управления расходом этой энергии. Поэтому у сигнала на выходе может быть большая энергия, чем у сигнала, подведенного к входу.

 

                                                                                                                                

 

 

Рисунок 3 – Принцип телефонной передачи.

 

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 в паскалях звуковой волны на его входе. Для телефонов чувствительность выражается отношением звукового давления на выходе преобразователя к подведенному напряжению звуковой частоты. Частотные искажения появляются в нарушении в процессе преобразования соотношения амплитуд сигналов с различными частотами.

Если, например, на вход преобразователя  были поданы сигналы различных частот, одинаковые по амплитуде, то на выходе получатся сигналы тех же частот, но амплитуды у них будут разные. При нелинейных искажениях на выходе преобразователя появляются дополнительные составляющие сигнала с частотами, которых не было на входе. Искажения изменяют первоначальную форму сигнала, что приводит к заметному изменению на  слух тембра и снижению разборчивости речи.  

 

 

 

 

1.4 Схемы телефонной передачи

 

 

 

На рисунке 4 представлена простейшая схема телефонной передачи.

 

Рисунок 4 – схема телефонной передачи

 

У каждого абонента в  пунктах А и Б имеется простейшее устройство, состоящее из угольного  микрофона, BM и электромагнитного телефона BF, соединенных последовательно. Эти устройства включены в двухпроводную линию. В последовательную цепь также включена батарея, состоящая из двух сухих элементов или аккумуляторов. Батарея необходима для питания микрофонов и располагается в одном из пунктов.

Когда никто не говорит, по цепи проходит постоянный ток. Если абонент в пункте А начал говорить перед микрофоном, то звуковые волны попадая на мембрану, изменяют сопротивление микрофона. Соответственно изменяется и ток в последовательной цепи. Источником переменной составляющей является микрофон BM. Переменный ток при прохождении через электромагнитный телефон вызывает колебания его мембраны. Следовательно абонент в пункте А слышит речь абонента, находящегося в пункте Б. описанная схема телефонной передачи предельно проста и применяется только связистами при проверке жил кабеля или проводов на обрыв. Для организации связи между абонентами эта схема не применяется из за ряда присущих ей серьезных недостатков:

- необходимость подбора  напряжения источника питания  микрофонов, в зависимости от длины линии, которая определяет сопротивление цепи;

- прохождение через катушки  электромагнитных телефонов постоянного тока, создающего дополнительный магнитный поток, в результате чего усиливается или ослабляется магнитный постоянного магнита и качество передачи существенно снижается;

- наблюдаемого при передаче  “местного эффекта”, то есть  прослушивания в телефоне собственной речи;

- неэффективной работе  микрофона как генератора переменного  тока звуковых частот.

Дело в том, что при  телефонной передаче всегда стремятся  получить на нагрузке максимальную мощность сигнала, а в данной схеме этого  добиться невозможно.

Для устранения этих недостатков  применяется схема двусторонней телефонной передачи с трансформаторами. Трансформатор состоит из стального  сердечника, на который надета катушка  с несколькими обмотками из изолированного медного провода. В простейшем варианте трансформатор имеет две обмотки: первичную и вторичную. Находят применение схемы телефонной передачи с трансформаторами, построенных по системам с местной батареей (МБ) и с центральной батареей (ЦБ). Эти схемы показаны на рисунке 5.