Тема №4 (2 часа): основы проводной связи. Телефонная связь. Общие сведения о звуке.
4.1. Проводная связь.
Связь, при которой сообщения передаются по проводам с использованием электрических сигналов, называется проводной.
Способы организации и технической реализации проводной связи приведены на рис. 4.1 [2]
Проводная связь, в настоящее время являющаяся ведущим видом электросвязи по объемам трафика, находит применение практически во всех областях жизнедеятельности человека. Проводная связь получила свое «историческое» название в связи с тем, что в качестве среды распространения сигналов между пунктами передачи и приема в начале эры электрической связи использовались проводные, в основном воздушные, ЛС [1]
| Проводная связь |
| Телефонная связь |
| Телеграфная связь |
| Фототелеграфная связь |
| Громкоговорящая связь |
| Связь сигнализации |
Рисунок 4.1 – Способы организации и технической реализации проводной связи
Для осуществления проводной связи используют оконечную аппаратуру, формирующую передаваемый сигнал из сообщения на передаче и выделяющую сообщение из электрического сигнала на приеме, наземные или подземные кабели связи, воздушные ЛС. Кроме того, могут использоваться промежуточные усилители сигналов, которые включают в разрывы кабелей для обеспечения большей дальности связи.
Проводную связь подразделяют на дальнюю (междугородную) и местную (городскую).
Классическими видами проводной связи являются телефонная и телеграфная связь. Так как телефонная связь является наиболее распространенным видом проводной электрической связи и имеет довольно развитую инфраструктуру ЛС, то разработка и реализация многих современных СП предусматривает использование в качестве линий имеющиеся телефонные ЛС (факсимильная связь, системы передачи данных).
Проводная связь при обеспечении пожарной безопасности в городах и населенных пунктах по объему выполняемых задач занимает ведущее место.
Системы проводной связи устанавливаются на диспетчерских пунктах для приема сообщений о ЧС от населения или с объектов, для взаимодействия со службами жизнеобеспечения (милицией, скорой помощью, городскими аварийными службами) при ликвидации ЧС и их последствий, для организации связи между подразделениями. Большинство систем сигнализации объектов, в том числе и пожарной, в настоящее время также являются проводными.
Для обмена служебной неоперативной информацией в повседневной деятельности наибольший объем выполняемых задач решается с использованием систем проводной связи. Для оперативной работы чаще применяется телефонная связь, а в повседневной деятельности используются и другие разновидности проводной связи (телеграфная, факсимильная, передача данных).
Проводная связь в современной литературе часто именуется фиксированной связью. Понятия проводной и фиксированной связи достаточно близки и часто взаимозаменяемы. Но, тем не менее, в некоторых случаях следует их разделять.
Сущность фиксированной связи составляет привязка технических средств связи к определенному территориальному расположению, что, впрочем, характерно для проводной связи, т.к. оконечная и коммутационная аппаратура, использующая проводные ЛС, имеет стационарное оборудование. Но есть ряд средств, которые могут обеспечивать абонентам и связь в движении, используя при этом проводные ЛС, например, специальные переговорные устройства СПУ - 3А. Поэтому понятия проводной и фиксированной связи отождествлять не всегда правильно: понятие фиксированной связи используется в более широком смысле.
К системам фиксированной связи, кроме упомянутых выше систем проводной связи, можно отнести системы телевидения, системы оповещения и звукового вещания, системы волоконно-оптической связи и даже некоторые системы радиосвязи.
4.2. 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 Рзв определяется по формуле:
Рзв = 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 LN, измеряемой в децибелах (дБ), которая называется уровнем громкости звука:
LN = 20 lg (P эф / Р 0),
где Р 0 - порог слышимости для звука частотой 1 кГц (20 мкПа); Рэф – 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. 4.2), 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 числоколебаний 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. 4.2. 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.
4.3. Системы телефонной связи
Телефонная связь – вид электросвязи, предназначенный для обмена информацией преимущественно путем разговора с использованием телефонных аппаратов. Однако сегодня через эту сеть можно передавать речь, цифровые данные, изображения, видео и другие виды информации.
Телефонная связь – наиболее доступный, удобный и массовый вид электросвязи, позволяющая вести переговоры людям, находящимся друг от друга практически на любом расстоянии, с помощью сравнительно простых и дешевых систем передачи, реализующих этот вид связи.
Телефонная связь является наиболее распространённым средством связи в пожарной охране. Вид электрической связи, предназначенный для передачи речевых (звуковых) сообщений, называется телефонной связью . Передача речи на большие расстояния стала возможна только после появления передатчик речи - микрофона и приёмника речи - телефонного капсюля. Простейшая телефонная система включает в себя оконечные устройства, соединенные линиями связи (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Схема телефонной передачи: ВМ – микрофон (передатчик речи); ВР – телефонный капсюль (приемник речи); Е – постоянно включенный в цепь источник питания; Л1, Л2 – линии связи.
Принцип передачи речи на расстояние заключается в том, что звуковые колебания при помощи передатчика речи (микрофона) преобразуются в колебания электрического тока, затем передаются по проводам на приёмную станцию. На приёмной станции приёмник речи (телефонный капсюль) преобразует колебания электрического тока в звуковые колебания.
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. Таким образом, в цепи создаются электрические колебания, передающиеся по проводам.
Телефонные аппараты состоят из 2-х групп приборов: разговорных и вызывных. Разговорная группа состоит из микрофона и телефонного капсюля.
Вызывная группа состоит из звонка переменного тока, номеронабирателя (дискового, кнопочного) и трансформатора.
Телефонный капсюль (рис. 4.4) имеет пластмассовый корпус 1, в дно которого впрессован постоянный магнит 11 с 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.
Рис. 4.4. Телефонные капсюли: а) ТА-4; б) ТК-67; 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – мембрана; 4 – полюсные надставки; 5 – электрообмотки; 6 – каркас катушки; 7 – отверстие; 8 – защитная прокладка; 9 – резьба; 10 – контактный винт; 11 – постоянный магнит
Для оценки качества телефона как преобразователя электрических колебаний в звуковые используют понятие чувствительности. Чувствительностью S (Па/В) телефона называют величину, определяемую 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, имитирующий среднюю акустическую нагрузку на телефон, создаваемую ухом человека).
Частотная характеристика чувствительности телефона показывает зависимость чувствительности телефона от частоты при постоянном значении напряжения, приложенного к его зажимам. Частотная характеристика чувствительности наиболее неравномерна по сравнению с телефонами, имеющими специальные акустические перегородки.
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 мембраны на резонансной частоте и тем самым выравнивает частотную характеристику чувствительности телефона.