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
Рассмотрим, по каким потребительским свойствам формально оценивается телефонный аппарат [1.37].
Государственный стандарт [1.10] определяет следующие измеряемые параметры 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).
| 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
(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
Испытательная установка, показанная на рис. 1.1, содержит [1.5]:
(рис 1.1) Схема установки для испытанийАудиторы 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 $$p_i^Э$$ — сумма предпочтений фраз, принятых по эталонной модели;
$$p_i^И$$ — сумма предпочтений фраз, принятых по испытуемой линии;
$$N$$ — 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.
| 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 $$x_i$$ — результат оценки единичного измерения, $$N$$ — 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).
| 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 |
| 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 |
| Балл | Оценка качества | характеристика оцениваемого тракта |
|---|---|---|
| 5 | Отлично | Понимание содержания речи корреспондента; полное без переспросов (за исключением всплеска шумов в |
| 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]:
На исходящих пунктах в системы автоматизации устанавливаются устройства, производящие следующие действия:
Подобные устройства будут рассмотрены в дальнейшем в разделе, посвященном автоматическим устройствам поддержки эксплуатации (например, автоабонентам).
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] .
(рис 1.2) Диаграмма слухаЗдесь 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 $$I$$ Вт/м2, а в средней части диаграммы показана относительная безразмерная величина — интенсивность, обозначаемая $$L_p$$.
Интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления.
$$L_p$$ величина определяется формулой
$$L_p=2\lg{\frac{\partial_p}{\partial_{p_{ПОР}}}=\lg \frac{I}{I_{ПОР}}$$В определении $$L_p$$ принято использовать стандартный порог слышимости
$$\delta_{P_{ПОР}}=2\times10^{-5} Па$$или $$L_p[дБ]$$, 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.
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:
В качестве основы для преобразования звука в
Микрофоны характеризуются следующими параметрами [1.9].
Чувствительность микрофона ( $$S_м$$ ) — это отношение ЭДС ( $$Е$$ ), развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению ( $$Р$$ ) (
$$S_м = Е/Р$$.
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
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 $$псоф$$ указывает на то, что необходимо учитывать те особенности восприятия звука человеком, которые были рассмотрены в разделе 1.2.
Рассмотрим вначале принцип построения угольного микрофона.
Принцип построения угольного микрофона [1.16] показан на рис. 1.3.
(рис 1.3) Принцип построения угольного микрофонаОн 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 $$2x500$$ 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 повышенное 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.
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
$$I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})-r\sin \omega t}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{vbrh})(1-\frac{r}{R_{пост}+R_{микр}})\sin \omega t}$$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 $$I_0$$ — постоянный ток электропитания микрофона, когда
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.
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
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
(рис 1.4) Внутренняя схема конденсаторного микрофонаОсновным 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.
(рис 1.5) Внутренняя схема электретного микрофонаПоскольку ЭДС, вырабатываемая микрофоном, мала, ее подают на усилитель, который построен на базе МОП-транзистора и получает электропитание по
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).
(рис 1.6) Капсульные микрофоны МК-10 и МК 16Микрофонные капсюли МК-10 (а) и МК-16 (б): 1,3 — электроды, 2 — угольный порошок, 4 —
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
Между мембраной и угольным порошком находится эластичная пленка 9, которая крепится между двумя полыми цилиндрическими стаканчиками подвижного электрода вместе с мембраной. Сверху
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
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
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
(рис 1.7) Частотные характеристики чувствительности угольных микрофоновЧувствительность 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
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.
(рис 1.8) Частотные характеристики чувствительности электретных микрофонов: а) МК-3: МК-378| 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-
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%.
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.
(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
В телефоне, основанном на этом принципе, электромагнитная цепь совместно с механической частью
(рис 1.10) Принцип работы телефона с дифференциальной рабочей цепьюТелефон 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
Некоторые примеры реальных телефонов приведены на рис. 1.11.
(рис 1.11) Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-671 — корпус, 2 — крышка, 3 —
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 $$SТ$$ (Па/мВ) называют величину, которая определяется отношением звукового давления $$Р$$, развиваемого испытуемым телефоном в камере искусственного уха, к переменному напряжению $$U$$, 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
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
На рис. 1.12 приведены основные параметры телефонов ТА-4, ТК-67[1.12].
(рис 1.12) Частотные характеристики чувствительности телефонов
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?
Используя пороговое значение звукового давления, вычислите интенсивности звука.
Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите интенсивности звука.
Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите удельную мощность звука.
Оцените полученные результаты.
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
Рассмотрим, по каким потребительским свойствам формально оценивается телефонный аппарат [1.37].
Государственный стандарт [1.10] определяет следующие измеряемые параметры 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).
| 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
(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
Испытательная установка, показанная на рис. 1.1, содержит [1.5]:
(рис 1.1) Схема установки для испытанийАудиторы 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 $$p_i^Э$$ — сумма предпочтений фраз, принятых по эталонной модели;
$$p_i^И$$ — сумма предпочтений фраз, принятых по испытуемой линии;
$$N$$ — 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.
| 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 $$x_i$$ — результат оценки единичного измерения, $$N$$ — 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).
| 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 |
| 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 |
| Балл | Оценка качества | характеристика оцениваемого тракта |
|---|---|---|
| 5 | Отлично | Понимание содержания речи корреспондента; полное без переспросов (за исключением всплеска шумов в |
| 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]:
На исходящих пунктах в системы автоматизации устанавливаются устройства, производящие следующие действия:
Подобные устройства будут рассмотрены в дальнейшем в разделе, посвященном автоматическим устройствам поддержки эксплуатации (например, автоабонентам).
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] .
(рис 1.2) Диаграмма слухаЗдесь 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 $$I$$ Вт/м2, а в средней части диаграммы показана относительная безразмерная величина — интенсивность, обозначаемая $$L_p$$.
Интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления.
$$L_p$$ величина определяется формулой
$$L_p=2\lg{\frac{\partial_p}{\partial_{p_{ПОР}}}=\lg \frac{I}{I_{ПОР}}$$В определении $$L_p$$ принято использовать стандартный порог слышимости
$$\delta_{P_{ПОР}}=2\times10^{-5} Па$$или $$L_p[дБ]$$, 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.
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:
В качестве основы для преобразования звука в
Микрофоны характеризуются следующими параметрами [1.9].
Чувствительность микрофона ( $$S_м$$ ) — это отношение ЭДС ( $$Е$$ ), развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению ( $$Р$$ ) (
$$S_м = Е/Р$$.
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
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 $$псоф$$ указывает на то, что необходимо учитывать те особенности восприятия звука человеком, которые были рассмотрены в разделе 1.2.
Рассмотрим вначале принцип построения угольного микрофона.
Принцип построения угольного микрофона [1.16] показан на рис. 1.3.
(рис 1.3) Принцип построения угольного микрофонаОн 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 $$2x500$$ 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 повышенное 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.
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
$$I_{микр}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{микр})-r\sin \omega t}=\frac{E}{(R_{пост}+R_{vbrh})(1-\frac{r}{R_{пост}+R_{микр}})\sin \omega t}$$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 $$I_0$$ — постоянный ток электропитания микрофона, когда
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.
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
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
(рис 1.4) Внутренняя схема конденсаторного микрофонаОсновным 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.
(рис 1.5) Внутренняя схема электретного микрофонаПоскольку ЭДС, вырабатываемая микрофоном, мала, ее подают на усилитель, который построен на базе МОП-транзистора и получает электропитание по
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).
(рис 1.6) Капсульные микрофоны МК-10 и МК 16Микрофонные капсюли МК-10 (а) и МК-16 (б): 1,3 — электроды, 2 — угольный порошок, 4 —
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
Между мембраной и угольным порошком находится эластичная пленка 9, которая крепится между двумя полыми цилиндрическими стаканчиками подвижного электрода вместе с мембраной. Сверху
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
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
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
(рис 1.7) Частотные характеристики чувствительности угольных микрофоновЧувствительность 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
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.
(рис 1.8) Частотные характеристики чувствительности электретных микрофонов: а) МК-3: МК-378| 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-
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%.
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.
(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
В телефоне, основанном на этом принципе, электромагнитная цепь совместно с механической частью
(рис 1.10) Принцип работы телефона с дифференциальной рабочей цепьюТелефон 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
Некоторые примеры реальных телефонов приведены на рис. 1.11.
(рис 1.11) Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-671 — корпус, 2 — крышка, 3 —
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 $$SТ$$ (Па/мВ) называют величину, которая определяется отношением звукового давления $$Р$$, развиваемого испытуемым телефоном в камере искусственного уха, к переменному напряжению $$U$$, 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
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
На рис. 1.12 приведены основные параметры телефонов ТА-4, ТК-67[1.12].
(рис 1.12) Частотные характеристики чувствительности телефонов
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?
Используя пороговое значение звукового давления, вычислите интенсивности звука.
Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите интенсивности звука.
Используя пороговое значение удельной мощности, вычислите удельную мощность звука.
Оцените полученные результаты.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.