8 Звук. Органы речи и слуха. Элементы схем та.
Звуковым давлением называется избыточное по сравнению с атмосферным давление в данной точке звукового поля, создаваемой источником звука.
Р = Рат + Р (t),
где Рат - атмосферное давление;
Р(t) - избыточное давление.
Простой гармонический звук характеризуется выражением Р(t) = PmSinwt.
Единица измерения – Паскаль (Па) или Ньютон/м2 (Н/м2).
Музыка представляет собой несинусоидальную периодическую функцию. Речь - несинусоидальная непериодическая функция.
Величина звукового давления: источник звука – (5-10см) - (1-1,5)Н/м2;
источник звука – (1м) – (0,05-0,1)Н/м2.
Интенсивностью звука называется удельная мощность, переносимая звуковой волной (мощность, приходящаяся на единицу площади) J = P*V (Вт/м2)
Для удобства расчетов и сравнения используются не абсолютные значения звукового давления и интенсивности звука, а их уровнями, соответствующим определенным физиологическим ощущениям.
За начальные значения Р и J принимают: J0 = 10-12 Вт/м2; Р0 = 2*10-5 Па.
Звук воздействуя на барабанную перепонку вызывает слуховое ощущение. Ухо человека воспринимает спектр частот 16Гц – 20кГц. Минимальная интенсивность, когда возникает слуховое ощущение, называется порогом слышимости (ПС). Кривая, соединяющая точки порога слышимости разных частот, называется кривой ПС. Максимальная интенсивность звука, вызывающая болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения (ПБО).
Каждая кривая рисунка соответствует тонам разных частот, имеющих равную громкость.
|
|
|
|
При f=1000Гц минимальная и максимальная интенсивности равны: Jmin = 10-12 и Jmax =1 соответственно.
Логарифм отношения этих величин, равный 120 дБ, представляет собой динамический диапазон слуха.
Человеческое ухо обладает свойством изменять свою чувствительность, приспосабливаясь к громкости воспринимаемого звука вследствии изменения порога слышимости. Это свойство называется адаптацией слуха. На восстановление порога слышимости требуется время восстановления равное 3 – 5 секунд. При воздействии звуков разной громкости происходит маскировка звука. Маскировкой звука называется уменьшение уровня звука одной или нескольких частот при воздействии уровня одной или нескольких частот большей громкости, действующих одновременно.
Звуки речи характеризуются – частотным спектром;
- временными параметрами;
- энергетическими параметрами.
Речь любого человека характеризуется основным тоном звука. Бас характеризуется спектром частот 80 – 320 Гц, сопрано 250 – 1200 Гц. Независимо от спектра частот 65% энергии передается в спектре до 500Гц. Речь представляет собой основной тон и гармонические составляющие. Речевой аппарат одни гармонические составляющие усиливает, а другие ослабляет. Всплески гармонических составляющих называются формантами. Количество их в любой речи – 6 из которых первые две основные. Разборчивость речи определяется тем, сколько формант дошло до уха слушающего. Области, лежащие между формантами, характеризуют индивидуальные особенности голосового аппарата.
Русская речь характеризуется спектром 80 – 12000Гц. Основные тоны лежат в спектре 80 – 350Гц. Диапазон формант 200 – 8600 Гц. Большая часть формант находится в спектре 300 -–3400Гц, чем и объясняется выбор спектра низкочастотного канала. Примеры формант:
«звук Э» спектр 600 – 1000 Гц (первая форманта), 1600 –2500 Гц (вторая форманта); «звук А» спектр 1100 - 1400 Гц (первая и основная форманта), вторая за частотой 3400Гц.
«звук Ж» спектр 200 – 600 Гц(первая форманта), 1350 – 6300 Гц (вторая форманта);
«звук Ф» спектр 7000 – 12000 Гц (первая форманта лежит за пределами частоты 3400 Гц).
Временные характеристики звуков речи: средняя длительность звуков речи от 20 до 260 мс.
Длительность звучания гласных больше длительности звучания согласных и достигает значения 350 мс. Из всего времени разговора на паузу приходится до 16% .
Энергетический параметр характеризует мощность звуковых колебаний. Мощность звуковых колебаний мала и составляет для шепота – 0,01 мкВт, нормальный разговор порядка 10 мкВт и крик составляет – 5000 мкВт. Логарифм отношения максимального и минимального значения мощности оценивают динамический диапазон речи человека и равен 57 дБ. Хорошей передаче соответствует диапазон 40 дБ.
Коммутационная аппаратура рассчитывается на диапазон в 40 дБ.
Элементы схем ТА.
Основными элементами схема ТА являются электроакустические (ЭАП) и акустико-электрические преобразователи (АЭП), называемые ЭАП и вызывные приборы. По принципу действия ЭАП делятся на электромагнитные, электродинамические, электростатические (конденсаторные), пьезоэлектрические, угольные, транзисторные и т.д.
По назначению ЭАП могут быть передающими (микрофоны и ларингофоны) и приемными (телефоны и громкоговорители). По частотным свойствам ЭАП делятся на резонансные и широкополосные. Наибольшее распространение в силу простоты и дешевизны получили электромагнитные телефоны и угольные микрофоны.
Электромагнитный телефон.
Основными элементами его конструкции являются: 1)постоянный магнит (ПМ), 2) катушка электромагнита на полюсной надставке (ПН) и 3) мембрана (М). При отсутствии сигнала (состояние покоя) мембрана находится в прогнутом состоянии за счет силы постоянного магнита. При воздействии синусоидального тока (рабочее состояние) в катушке индуктивности создается переменный магнитный поток, взаимодействующий с потоком постоянного магнита. Суммарный магнитный поток то уменьшается, то увеличивается и приводит в колебательное движение мембрану по закону поступающего электрического сигнала.
1). i~ = 0 ; F = Kп * (Ф=)2 ; Кп =1/4 S – коэф. конструкции. 2). i~ 0 ; F = Kп(Ф=+ Ф~sint)2 = Kп Ф=2+2 Ф= Ф~sint+ Kп Ф~2 sin2t
|
Рисунок - Электромагнитнный телефон
Преобразователь должен вносить минимальные нелинейные искажения (до 5%), для чего постоянный магнитный поток должен быть больше переменного магнитного потока. Но если постоянный поток будет очень большим, то мембрана залипнет и переменный магнитный поток не раскачает мембрану. Если из конструкции убрать постоянный магнит, то при поступлении переменного электрического сигнала мембрана будет колебаться с удвоенной частотой, т.к. простая не магнитная система не различает знака полуволны плюс или минус и в обоих случаях будет притягиваться. Примерами наиболее употребимых телефонных капсюлей являются: ТА-4, ТК-67 и т.д.
Телефонный капсюль характеризуется чувствительностью. Чувствительностью телефона Sт называется отношение величины звукового давления Р, развиваемое в камере искусственного уха (ИУ) к величине действующего значения переменного напряжения Ит, приложенного к его зажимам
Sт = Р/Ит Па/В
Зависимость Sт от f называется частотной характеристикой чувствительности телефона.
Частотная характеристика неравномерна.
Неравномерность частотной характеристики Sт измеряется в дБ определяется логарифмом максимальной чувствительности к минимальной. Для сравнения разных телефонов используется понятие среднего значения чувствительности.
Sт ср =20lg Sтmax/ Sтmin, Дб.
Оценками качества телефонов являются Sт ср и ST
Для увеличения Sт ср размер и материал мембраны выбирают так, чтобы частота f ее собственных колебаний находилась в диапазоне передаваемых частот. Для выравнивания частотной характеристики в механическую систему вводят акустическую перегородку.
Уменьшить нелинейные искажения преобразователя и даже свести их к нулю можно с помощью дифференциальной конструкции магнитной системы преобразователя (капсюль типа ДЭМК-6 и ДЭМК-7Т.
Ниже приводятся основные характеристики некоторых типов капсюлей:
ТА-4 f = 0,3 – 3,0 кГц Sт ср = 6 Па/В Sт = 14
ТК-67 f = 0,3 – 3,5 кГц Sт ср = 15 Па/В Sт = 20
ДЭМК-7Т f = 0,3 – 3,5 кГц Sт ср = 22 Па/В Sт = 8
Простейшим АЭП является угольный микрофон, принцип действия которого основан на изменении сопротивления угольного порошка при изменении давления на мембрану.
Понять принцип работы микрофона как преобразователя можно из рисунка, представленного ниже:
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
||
При воздействии на микрофон синусоидального звукового давления мембрана оказывает воздействие на угольный порошок. Под воздействием этого давления меняется сопротивление «мостиков» между зернами угольного порошка, а следовательно и сопротивление микрофона. В первичной обмотке трансформатора (см.рис.) появляется пульсирующий ток, изменяющийся по времени . При этом во вторичной обмотке наводится ЭДС и в нагрузке (телефоне на приемном конце) появляется переменный ток. Микрофон характеризуется сопротивлением статическим (покоя) Rст , динамическим – средним значением сопротивления в рабочем состоянии Rд и переменной составляющей сопротивления в рабочем состоянии, зависящей от звукового давления, действующего на мембрану r м. В зависимости от конструкции и диаметра зерен угольного порошка они подразделяются на низкоомные (НО), среднеомные (СО) и высокоомные (ВО).
Ниже представлены характеристики некоторых микрофонных капсюлей (МК), имеющих разное сопротивление.
|
Сопротивление, Ом |
Ток питания. МА |
Диаметр зерна, мм |
Область применения |
НО |
35 – 65 |
20 – 80 |
0,35 |
ТА МБ
|
СО |
65 – 145 |
25 – 60 |
0,2 |
ТА ЦБ до 6 км
|
ВО |
145 – 300 |
12 – 25 |
0,2 |
ТА ЦБ более 6км
|
Микрофон, как источник переменной ЭДС вырабатывает ток, который определяется по схеме рисунка ниже и по формуле:
|
|
|
|
m = rm/R – коэффициент модуляции, современные микрофоны имеют m 0,2 , что соответствует нелинейности 15-20% |
Микрофон работает как преобразователь с минимальными линейными искажениями при воздействии звукового давления от 0,003 до 10 Па. Микрофон как преобразователь характеризуется чувствительностью. Чувствительностью микрофона Sм называется отношение действующего значения ЭДС Ем, развиваемого микрофоном к звуковому давлению Р, действующему на его мембрану и измеренному в той же точке поля, в которой помещен микрофон
Sм = Ем/Р В/Па
Зависимость чувствительности микрофона Sм от f называется частотной характеристикой чувствительности микрофона. Зависимость неравномерна. Среднее значение чувствительности микрофона и коэффициент неравномерности определяются аналогично телефонному капсюлю с учетом обратного преобразования.
Ниже приводятся характеристики некоторых угольных микрофонов:
Диапазон частот, кГц. Средняя чувствительность В/Па Неравномерность
МК-10 0,3 – 3,5 25 – 30 34,5
МК-16 0,3 – 4,0 45 - 55 12 - 15
Угольные микрофоны существуют второе столетие благодаря простоте конструкции, дешевизне и, самое главное, .усилительной способности. Однако они обладают и рядом недостатков: гигроскопичность, зависимость от положения в пространстве, отрицательный температурный коэффициент.
Телефонные аппараты – ТА. Служат в качестве оконечных терминалов телефонных сетей.
Классификация:
- по назначению ТА могут быть общего пользования (обычные и таксофоны) и специального назначения (шахтные, корабельные, военно-полевые, с запоминающим устройством, с громкоговорителем и т.д.);
- по способу питания ТА местной (МБ) и центральной (ЦБ) батареи;
- по способу обслуживания вызова ТА РТС, ТА АТС;
- по конструкции стационарные и переносные.
Основные элементы схемы: разговорные приборы (телефон, микрофон, трансформатор); вызывные приборы (звонок, номеронабиратель).
Звонок служит устройством, оповещающим абонента о входящем вызове. Звонок представляет собой простое электромагнитное устройство основанное на взаимодействии магнитных потоков постоянного магнита и магнитного потока. создаваемого поступающим вызывным сигналом. Частота звонка 25 Гц.
Простейшим устройством выдачи адресной информации с ТА служит номеронабиратель, который может быть дисковым (ННД) и кнопочным (ННК).
ННД – выдача адресной информации осуществляется простым замыканием и размыканием шлейфа абонентской линии с помощью импульсных контактов. Частота импульсов 10 имп/с с допустимыми отклонениями плюс- минус один импульс. Период выдачи импульсов Т = 100 мс, импульсный коэффициент « К « отношения разомкнутого состояния импульсных контактов к замкнутому равно 1,66. Среднее время набора одной цифры равно 1,5 с. Для обеспечения нормальной работы приборов систем коммутации в конструкцию ННД заложены два холостых импульса, позволяющих увеличить межсерийное время. Эти импульсы в линию не выдаются, т.к. шунтируются контактами холостого хода.
Если абонент завел ННД на цифре «5», то ННД импульсными контактами генерирует 7 импульсов, первые пять из которых выдаются в линию, а два последних шунтируются контактами холостого хода. Контакты холостого хода включены параллельно импульсным контактам. Выдача импульсов в тракт осуществляется при возвратном движении диска ННД.
Это сделано для того, чтобы скорость манипуляций абонента не сказывалась на параметрах,. выдаваемых с ТА импульсов.
Для удобства абонентов и для ускорения выдачи импульсов с ТА. используется ННК.
Время выдачи одной цифры с такого номеронабирателя 0,75 с (что в два раза быстрее скорости выдачи цифр с ННД). Информация с ННК может выдаваться батарейным способом как с ННД, но может выдаваться и ускоренным двухчастотным кодом. Для этого в ТА предусматривается два транзисторных генератора с самовозбуждением Г1 и Г2. Каждый из генераторов обеспечивает организацию четырех частот своей группы.
Первая группа част от: 1209, 1336, 1477, 1633 Гц
Вторая группа частот: 697, 770, 852, 941 гц.
Каждой цифре соответствует одна частота из первой группы и одна частота из второй группы (например, цифра «5» – частоты 1336 Гц и 770 Гц). Сама комбинация частот имеет длительность в соответствии с многочастотным кодированием от 30 до 50 мс. Время выдачи цифры с ННК равное 0,75 с. определяется скоростью манипуляций абонента. В ННК предусматриваются четыре резервные комбинации, кроме того, есть комбинация «сброс» и повторная выдача последней набранной комбинации.
Перевод схемы ТА из режима «прием вызова» в режим «разговор» или «выдача адресной информации» осуществляется рычажным переключателем или переключающей схемой.