Устройство, принципы работы и электропитания, эксплуатация аналогового пользовательского (оконечного) оборудования сетей ПТС

1.

Тема 1 Устройство, принципы работы и
электропитания, эксплуатация аналогового
пользовательского (оконечного) оборудования
сетей ПТС и АТС-ОГВ
Занятие 1.2 (лекция)
Акустические преобразователи

2.

Цели занятия (ПК-19):
1. Способствовать формированию
систематизированных научных знаний по учебной
дисциплине, раскрывать общие принципы работы
(функционирования), современное состояние и
перспективы развития систем телефонии.
2. Углубленное изучение классификации и
принципов действия акустических преобразователей
различных систем.
3. Раскрыть современное состояние и перспективы
развития акустических преобразователей.
2

3.

Учебные вопросы:
1. Классификация акустических преобразователей
2. Принципы работы основных систем акустических
преобразователей
3

4. Межпредметные связи

4
Межпредметные связи
обеспечивающие дисциплины: "Математика", "Общая физика",
"Основы построения сетей связи", "Теория электрической связи",
"Цифровая обработка сигналов".
обеспечиваемые дисциплины: "Сети и системы
информации", "Системы и комплексы специальной связи".
передачи

5. Введение

1. Качественное повышение уровня предоставляемых услуг
за счет внедрения передовых технологий
2. Преобразование в удобную для передачи по сетям электросвязи
форму с помощью преобразователей
3. Изучаются электроакустикой,
называются электроакустическими преобразователями
5

6. Проверка подготовки к занятию

Вариант №1
1. Что определяет частота основного тона по отношению к голосу?
2. Как формируются звуковые форманты?
3. Что считается паузой в речевом сигнале и почему?
4. Какой динамический диапазон рекомендован для передачи по телефонным
трактам?
5. Что называется порогом слышимости?
6. Дайте определение понятию «спектр речи».
Вариант №2
1. Как образуется частота основного тона?
2. Назовите основные свойства звуковой форманты.
3. В каких частотных пределах распределены все форманты?
4. Что собой представляет динамический диапазон речи?
5. Что такое эффект маскировки при слуховом восприятии?
6. Что понимается под термином «спектр формант»?
6

7. Проверка подготовки к занятию

7
Вариант №1
1. Частота основного тона определяет тип голоса говорящего .
2. Рот, нос, зубы, губы, язык при формировании звуков речи выступают в качестве
системы резонаторов, за счет которой образуются форманты.
3. Паузой в речи считается ее отсутствие в течение более чем 350 мс (потому что это максимальная
длина звука).
4. Для передачи речи рекомендовано D = 30 ÷ 40 дБ
5. Минимальные значения интенсивности колебаний воспринимаемых ухом, как звук называют
порогом слышимости
6. Зависимость среднего в течение длительного времени спектрального уровня от частоты .
Вариант №2
1. Частота основного тона образуется путем колебаний голосовых связок.
2. Форманты позволяют отличать звуки и содержат большую часть общей энергии звука, имеют
ср. частоту и амплитуду.
3. В области от 200 до 10 000 Гц.
4. Динамический диапазон речи - разность между максимальным и минимальным уровнями
5. Маскировка - при воздействии двух звуков различной интенсивности, более громкий звук
заглушает слабый и ухо воспринимает только один звук.
6. Спектром формант - зависимость наивероятнейшего в течение длительного времени
спектрального уровня формант от частоты.

8. 1. Классификация акустических преобразователей

Преобразователи в телефонных трактах связи предназначены
для преобразования акустической энергии речи в электрическую
на передающем конце тракта и обратного преобразования
электрической энергии в акустическую на приёмном конце
тракта.
Виды преобразований:
акустоэлектрическое;
электроакустическое;
механико-электрическое.
Классификация бывает:
1- по принципу действия;
2- по назначению.
8

9. 1. Классификация акустических преобразователей

9
1. Классификация акустических
преобразователей
По принципу преобразования акустических колебаний
Электромагнитные
простые
Т-3
(СТА-4)
ТА-56
(ПСС-К)
ТА-4
ТК-47, 67
Угольные
дифференци
альные
ДЭМШ-1А (ТА57)
ДЭМК-6А (ТА-57)
ТКЭД-8Т (ТАЭ-4)
КЭД-2Э
(АБОНЕНТ-5, 5М)
Пьезоэлектрические
Электростатические
конденсатор
ные
электретные
МК-12, МК13М, МК-16,
МК-18
Электродина
мические
МКЭ-2, МКЭ-3,
МКЭ-4М,
МКЭ-100, МКЭ211С
ленточные
катушечные
МЛ-19, МЛ-20
МЛ-51
МДК-1-А (Абонент-5, 5М, Нефрит)
МД-200, 201 (быт. маг.)
МДМ-1…5 (малогаб.);ММ-5 (миниатюр.)
ТДК-1 (СДС-4); ТДМ-1Э (Престиж)

10. 1. Классификация акустических преобразователей

Назначение преобразователей
Передающие:
микрофоны
(ларингофоны)
Приемные:
телефоны
громкоговорители
Свойство обратимости преобразователей
10

11. 1. Классификация акустических преобразователей

11
1. Классификация акустических
преобразователей
ДЭМШ-1А
МД-200
МКЭ-3
МК-16
ДЭМК-6А
МДК-1А
КЭД-2Э
МД-52А
МЛ-19

12. Итоги 1 вопроса Классификация акустических преобразователей

Рассмотрено
общее
понятие
преобразователей,
свойство
обратимости
и
классификация
преобразователей
по
принципу
преобразования
акустических колебаний и по назначению.
12
12

13.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
Любой акустический преобразователь состоит из трех частей:
акустической (излучатель или приёмник звуковых колебаний),
механической (колебательная система, смещение которой и вызывает процесс
преобразования энергии),
электрической (выход или приёмник электрического сигнала).
Электрическая
часть
Механическая
часть
Акустическая
часть
Микрофон
Акустическая
часть
Механическая
часть
Электрическая
часть
Телефон
13

14.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
мембрана
Ф0 – постоянный
1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
магнитны поток;
P на взаимодействии постоянного
Принцип действия основан
магнитного
I – переменный
ток,
потока, создаваемого магнитом, и переменного магнитного
потока,
х
создаваемого током в обмотке
δ0 протекающий по
Fдпреобразователя.
По построению магнитной цепи бывают преобразователи :обмотке преобразоI
вателя;
простой магнитной системы;
Фпер – переменный
дифференциальной магнитной системы.
магнитный поток;
полюсные
надставки
e, u
Фпер
N
Fд – сила притяжения мембраны;
Р – звуковое
давление;
Ф0
S
Акустический преобразователь с простой магнитной
системой
х – амплитуда
колебаний
мембраны
14

15.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
Вопрос:
Как определяется направление магнитного потока,
создаваемого током в обмотке преобразователя?
Ответ: Направление магнитного потока, создаваемого током в обмотке
преобразователя, определяется по правилу правой руки, известному из
курса физики.
Если положить правую руку ладонью на катушку (соленоид) так, чтобы ток
проходил по виткам в направлении вытянутых четырех пальцев, тогда
отогнутый большой палец покажет направление магнитного потока
внутри катушки (соленоида).
15

16.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
Сила FМ, действующая на мембрану:
Ф 02
Ф 2m 2Ф 0 Ф m
Ф 2m
FM
sin t
cos 2 t.
μ 0 S 2μ 0 S
μ0S
2μ 0 S
Вывод формулы представлен в рекомендуемой литературе (разобрать на СР).
где Ф - магнитный поток; S - площадь сечения сердечника; µ0 = 4 10-7 Г/м – магнитная
постоянная.
первые два слагаемых - постоянная составляющая тягового усилия;
третье слагаемое - полезная составляющая силы, изменяющейся с частотой
принимаемого сигнала;
четвертое слагаемое - вторая гармоника полезного сигнала, представляющая собой
нелинейные искажения, возникающие при работе преобразователя.
Вопрос 1. Откуда в формуле берутся выражения синуса и косинуса?
I = Im sin ωt
Ф~ = Фm sin ωt
Вопрос 2. Каково условие наиболее эффективной работы такого
преобразователя? (Fм = max)
Наибольшая эффективность работы преобразователя с простой
магнитной системой достигается при Фо >> Фm . Каковы пределы?
15

17.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
Ф0 – постоянный
магнитны поток;
Многополюсный
телефон Голубицкого
Коммутатор для попарного
соединения нескольких
телефонных линий
Настенный телефонный
Голубицкого
аппарат конструкции
П. М. Голубицкого
16

18.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
мембрана
Фпер
полюсная
надставка
шток
якорь
F1
N
W
S
17
Акустический
преобразователь
с дифференциальной
магнитной системой
Ф0
F2
N
e;u
S
В преобразователях с дифференциальной магнитной системой теоретически допустимо
неограниченное
повышение
силы преобразователя
постоянного магнита
без опасностивперенасыщения
якоря,
Сила
действующая
на якорь
работающего
качестве телеа также
большое увеличениеравна:
амплитуды полезного сигнала, без возникновения нелинейных
фона
(громкоговорителя)
искажений. Используют диффер. эл-магнитный шумостойкий (ДЭМШ) и дифф-ный
электромагн. капсуль (ДЭМК)
2Ф 0 Ф m
F
sin являются:
t
Достоинствами преобразователей
с ДМС
M
μ0S
высокая чувствительность;
отсутствие нелинейных искажений.

19.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
2.1 Катушечные
P
F
1
F
2
мембрана
W
N
N
S
S
Телефон: F=B×I×i
B – величина магнитной индукции; I – длина проводника катушки; i – сила
протекающего тока.
Микрофон: E=B×l×v
B – величина магнитной индукции; l – длина проводника катушки; v – скорость
колебательного движения катушки
Достоинства:
1) равномерность частотной характеристики чувствительности;
2) небольшая величина нелинейных искажений.
Используют ТДК и МДК – телефон и микрофон динамический капсульный
18

20.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
2.2 Ленточные
Гофрированная алюминиевая лента
является аналогом провода катушки
индуктивности (ширина ленты 2 мм,
длина 20 – 50 мм).
19

21.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
3. Угольные преобразователи
подвижный
электрод
угольный
порошок
корпус
неподвижный
электрод
l - линия
P
мембрана
Трансформатор
Принцип работы угольного преобразователя
При увеличении давления мембрана прогибается внутрь. Подвижный
электрод, закрепленный на мембране, сжимает угольные зерна. Площадь контактов между зернами увеличивается и сопротивление
порошка уменьшается. При уменьшении давления воздуха на мембрану
микрофона угольный порошок в камере разрыхляется, сопротивление
микрофона растет и ток в цепи становится меньше.
В настоящее время угольные преобразователи не
выпускаются
20
Угольные
преобразователи
Впервые
были
сконструированы
в 1878 г. русским
ученым
М.
Махальским
и
независимо от него в 1883 г.
Павлом Михайловичем
Голубицким.
Данные микрофоны
Использовались во всех
аналоговых ТА ОП.
Принцип действия
угольного преобразователя
основан на свойстве
угольного порошка изменять
свое сопротивление
электрическому току в
зависимости от величины
давления на порошок,
вызывающего его
уплотнение или разрежение.

22.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
21
3. КОНДЕНСАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
(используются в качестве микрофонов)
изолирующее
мембрана
кольцо
Минус
питания
d
RН
RИ
электрод
U0
Устройство: воздушный конденсатор, одна обкладка - мембрана из тонкого листового
металла, вторая - массивная обкладка.
Вопрос:
Как зависит емкость конденсатора от толщины
диэлектрика между обкладками?
Мембрана совершает колебания под действием звуковых волн => изменяется толщина
диэлектрика (слоя воздуха) => изменяется емкость. Изменение ёмкости микрофона
вызывает появление зарядных и разрядных токов, которые на сопротивлении R создают
переменное напряжение.

23.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
Способы повышения чувствительности
Увеличить поляризующее
напряжение
Увеличить площадь
мембраны
пробой
увеличиваются
размеры,
уменьшается
направленность
Недостаток:
большое напряжение
собственных шумов
22

24.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
4. ЭЛЕКТРЕТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
изолирующее кольцо мембрана электрет
d
Устройство: постоянное напряжение обеспечивается
зарядом электрета, нанесенного тонким слоем на
мембрану и сохраняющимся продолжительное время
(свыше 30 лет).
Используют: МКЭ и МЭК.
электрод
Электретные микрофоны обладают высоким выходным сопротивлением, для
его уменьшения используют аналогичный подход, что и в конденсаторных
преобразователях (в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на
полевом n-канальном транзисторе с р-n переходом).
Достоинства:
широкий диапазон, высокая чувствительность,
низкий уровень шумов, малая неравномерность частотной характеристики.
23

25.

2. Принципы работы основных систем
акустических преобразователей
5. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Используется пьезоэлектрический эффект.
Р
В пластине пьезокристалла один из ее концов колеблется,
а на ее электродах образуется переменная ЭДС
(микрофон).
~Е
На электроды пластины подается переменное напряжение
Uпер вызывающее ток I, и пластина будет колебаться
(телефон).
Достоинства:
возможность непосредственного подключения ко входу усилителей;
малые массогабаритные показатели;
небольшие искажения.
Недостатки:
низкая прочность и чувствительность к влаге.
24

26. 2. Принципы работы основных систем акустических преобразователей

5. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. Поверхность плоского излучателя
В настоящее есть две технологии,
основанные на принципе плоских
динамиков:
собственно плоские динамики
SurfaceSound и технология
прозрачных динамиков – SoundVu.
SoundVu – это технология, которая, как
предполагается, позволит преобразовать стекло
компьютерных мониторов и пластик ЖК-дисплеев
мобильных и настольных компьютеров в
громкоговоритель. По сути, SoundVu является
развитием SurfaceSound, с той лишь разницей, что
первая позволит заставить звучать гибкие,
прозрачные, почти бесцветные пластины.
Рис. Реализация
плоских динамиков
25

27. Итоги 2 вопроса Принципы работы основных систем акустических преобразователей

Рассмотрены
основные
системы
электроакустических
преобразователей:
с простой и дифференциальной магнитной системой;
электродинамические преобразователи;
угольные преобразователи;
электростатические (конденсаторные, электретные);
пьезоэлектрические.
Указаны их особенности, достоинства и недостатки.
27
27

28.

Учебные вопросы и цели занятия:
Цели занятия (ПК-19) :
1. Способствовать формированию систематизированных научных знаний
по учебной дисциплине, раскрывать общие принципы работы
(функционирования), современное состояние и перспективы развития
систем телефонии.
2. Углубленное изучение классификации и принципов действия
акустических преобразователей различных систем.
3. Раскрыть современное состояние и перспективы развития акустических
преобразователей.
Учебные вопросы:
1. Классификация акустических преобразователей
2. Принципы работы основных систем акустических
преобразователей
28

29. Заключение

В первом вопросе показана классификация акустических преобразователей.
Было отмечено, что они классифицируются по принципу действия и по
назначению.
Во втором вопросе показан принцип действия основных систем акустических
преобразователей, дана их оценка с точки зрения качества воспроизведения
разговорных сигналов, кратко показана история развития и вклад русских ученых
в их разработку и совершенствование.
Полученная информация имеет важное значение для дальнейшего изучения
техники связи.

30.

Задание на СР:
проработать материал занятия, дополнить конспекты;
закрепить и углубить полученные знания по данному материалу;
быть готовым для ответа по вопросам для самоконтроля.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дать определение преобразователя в трактах телефонной передачи речи.
2. В чем заключается свойство обратимости акустических преобразователей?
3. Классификация преобразователей по принципу действия?
4. Какое устройство называют микрофоном?
5. На чем основан принцип действия электродинамического, электромагнитного,
конденсаторного, ленточного и пьезоэлектрического микрофонов?
6. Почему необходимо иметь микрофоны с различными сопротивлениями и где они
применяются?
7. Почему используются микрофоны с различным способом преобразования
колебаний?
8. Каковы достоинства и недостатки известных вам микрофонов?
9. Приведите примеры использования микрофонов в технике и быту.
10.Какое устройство называется телефоном?
11.Поясните принцип работы телефонов с простой и дифференциальной
электромагнитными системами и сравните их.

31. Заключение

Рекомендуемая литература:
1. Теоретические основы электроакустики и построения оконечных
устройств телефонии : учебное пособие / [В. Р. Кравченко, М. В.
Илюшин, А. В. Королев, А. Г. Коркин]. – Орел : Академия ФСО
России, 2018. – 217 с. : ил.
2. Алдошина, И.А. Электроакустика и звуковое вещание. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2007. – 872 с.