2.1. Телефонная связь

2.1.1. Общие сведения о звуке

Источником звука является любое колеблющееся тело. Эти колебания вызывают чередующиеся сгущения и разрежения среды, приводящие к возникновению звуковых волн. Звуковые волны - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

Человеческий голос характеризуется громкостью, высотой и тембром. Порог слышимости - это минимальная величина интенсивности, различаемая слухом. Эта величина зависит от частоты. Область восприятия звука органами слуха человека ограничивается порогом слышимости и порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения - это максимальная величина интенсивности, при которой возникают болевые ощущения. Эта величина от частоты почти не зависит.

Все звуки в пределах от порога слышимости до порога болевого ощущения составляют динамический диапазон. Речь человека состоит из сочетаний гласных и согласных звуков, имеющих довольно сложную частотную структуру. При этом понятность и узнаваемость речи определяется ее гласными звуками, а разборчивость - четкостью произносимых согласных. Основной диапазон частот звуков речи 70 - 13000 Гц. Расстояние, на которое можно непосредственно передавать речь, ограниченно - 100-150 метров.

В служебной связи используются часть частотного и динамического диапазонов речи. Исследования показали, что без заметного снижения понятности речи можно исключить звуковые частоты, лежащие ниже 300 Гц. При этом обеспечивается необходимая узнаваемость корреспондента. Разборчивость речи остается вполне удовлетворительной при исключении частот выше 3400 Гц. Таким образом, служебные системы связи должны обеспечивать передачу частот 300-2700 Гц при динамическом диапазоне 10-15 дБ.

Телефонная аппаратура, предназначенная для общей служебной связи, должна обеспечивать передачу и воспроизведение частот в пределах 300 - 3000 Гц (тональный спектр частот).

Принцип передачи речи на расстоянии заключается в том, что звуковые колебания, вызываемые голосовыми связками, при помощи передатчика (микрофона) преобразуются в колебания электрического тока, затем передаются по проводам на приёмную станцию. На приёмной станции приёмник (телефонный капсюль) обратно преобразует колебания электрического тока в звуковые колебания. Абоненты слышат друг друга. При разговоре звуковые волны приводят в колебательное движение мембрану микрофона. Мембрана сжимает угольный порошок, сопротивление его при сжатии уменьшается, а сила тока в цепи возрастает. Когда мембрана перестаёт сжимать угольный порошок - сопротивление увеличивается, а значит, сила тока в цепи уменьшается.

Скорость звуковой волны в различных средах неодинакова вследствие неодинаковой плотности сред и различия сил взаимодействия отдельных частиц среды между собой. При нормальных условиях она составляет: в воздухе - 331 м/с, в воде – 1500 м/с, а в стали – 6000 м/с.

При прохождении звуковых волн через среду в ней возникает звуковое давление. Количественно звуковое давление, Па, оценивается силой действия волны на площадку, расположенную перпендикулярно к направлению распространения.

Звуковое давление Р_зв определяется по формуле

Р_зв = F_зв /S

где F_зв - сила действия звуковой волны, Н; S - площадь препятствия, м².

Звуковые волны с большой амплитудой изменения звукового давления воспринимаются человеческим ухом как громкие звуки, с малой амплитудой изменения звукового давления – как тихие. Следует различать понятия интенсивности и громкости звука. Интенсивность звука является величиной объективной, а громкость - субъективной. Громкость звука представляет собой субъективное ощущение данного звука. Для сравнения громкости звуков и в расчетах пользуются величиной L_N, измеряемой в децибелах (дБ), которая называется уровнем громкости звука:

L_N = 20 lg (P_эф / Р₀),

где Р₀ - порог слышимости для звука частотой 1 кГц (20 мкПа); Р_эф - звуковое давление, создаваемое исследуемым звуком.

Звуковая волна при своем распространении переносит определенное количество звуковой энергии, которая определяет одну из характеристик звука - интенсивность. Интенсивность звука - это величина равная количеству звуковой энергии, которая проходит в одну секунду через поверхность в 1 м², расположенную перпендикулярно направлению распространения звука.

Интенсивность звука определяется по формуле

J = W/tS,

где J - интенсивность звука, Вт/м²; W - количество переносимой энергии, Дж;

t - время , с.

Сравнение различных источников звука также осуществляется в относительном логарифмическом масштабе:

N = 10 lg (J / J₀),

где N - уровень звука, дБ; J - интенсивность сравниваемого звука, Вт/м ²;

J₀ - интенсивность звука при пороге слышимости, Вт/м².

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, можно представить в виде синусоидального колебания (рис. 2.2), которому присущи характерные параметры волн (амплитуда, период и т.д.). Амплитуда колебаний A - это наибольшее слияние колебаний точки от положения покоя. Период колебаний T - это время одного полного колебания. Частота колебаний - это число колебаний за одну секунду: f = 1/Т.

Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны, которая имеет прямую связь со скоростью волны ν и периодом колебания λ = ν · Τ.

Звуки определенной частоты воспринимаются человеком как тон. Колебания высокой частоты имеют высокий тон, колебания низкой частоты - низкий тон. В системах связи тональные сигналы звуковой частоты используются в качестве вызывных или управляющих сигналов.

Рис. 2.2. График синусоидального колебания

Человек с нормальным слухом способен различать частоты в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки, имеющие частоту менее 20 Гц, принято называть инфразвуком, а звуки с частотой выше 20 кГц - ультразвуком. Человеческая речь состоит из сочетания гласных и согласных звуков, имеющих довольно сложную частотную структуру. Основной диапазон частот звуков речи лежит в пределах 50-10000Гц, причем гласные звуки лежат ниже согласных по частоте и определяют узнаваемость голоса, а согласные, составляющие верхний частотный диапазон речи, – разборчивость речи. Проводимые эксперименты показали, что без заметного снижения понятности речи можно исключить звуковые частоты, лежащие ниже 300 Гц. При этом обеспечивается необходимая узнаваемость голоса. Разборчивость речи остается удовлетворительной (слоговая – около 90 %, фразовая – более 99 %) при исключении частот выше 3400 Гц. Таким образом, в связи для передачи речевой информации стал использоваться частотный диапазон 0,3-3,4 кГц. В некоторых системах для улучшения показателя разборчивости речи верхний предел стандартного телефонного канала может быть расширен до 4 кГц. В системах звукового вещания полоса пропускания канала может составлять 30-18000 Гц.

Звуковые волны обладают рядом свойств, характерных для волновых процессов: отражения, дифракции, интерференции, преломления и т.д. Данные свойства звука и законы его распространения учитываются при проектировании и монтаже различных систем акустической связи.