Телефонный капсюль: принцип работы, конструкция и историческое значение

Основная функция приемного преобразующего устройства. Приемное преобразующее устройство, также известное как телефонный капсюль или просто телефон, выполняет ключевую функцию в тракте телефонной связи. Оно преобразует изменяющийся электрический ток, представляющий переданный речевой сигнал (обозначенный на рис. 2.7 как IT), в колебания давления воздуха. Эти акустические колебания определенной частоты точно соответствуют исходному сигналу и воспринимаются человеческим ухом как звук. Таким образом, данный преобразователь является конечным и одним из важнейших элементов в цепи воспроизведения речи.

Конструкция стандартного электромагнитного капсюля. Конструкция стандартного электромагнитного телефонного капсюля подробно показана на рис. 2.10а. Его основу составляют катушки индуктивности, имеющие большое количество витков из очень тонкого изолированного провода. Эти катушки намотаны на сердечник, который является постоянным магнитом, изготовленным из магнитомягкого материала. Непосредственно под сердечником расположен якорь, который одновременно выполняет функцию диафрагмы. Эта диафрагма также изготавливается из магнитомягкого материала, что является критически важным для ее работы.

Рис. 2.10. Устройство телефонного капсюля

Принцип работы и роль подмагничивающего поля. Ключевое требование к электромагнитному преобразователю заключается в наличии постоянного подмагничивающего поля. Постоянный магнит создает это поле, относительно которого совершает работу переменное электромагнитное поле от катушек. Без этого поля как положительные, так и отрицательные полупериоды тока вызывали бы движение якоря лишь в одном направлении. Изменяющийся электрический ток речевого сигнала (IR на рис. 2.7), протекая по катушкам, генерирует переменное магнитное поле. Это поле попеременно то складывается с полем постоянного магнита, то вычитается из него, как наглядно демонстрирует рис. 2.10б.

Процесс преобразования и воспроизведения звука. Взаимодействие магнитных полей приводит к модуляции общего магнитного потока, воздействующего на диафрагму. В результате магнитное поле попеременно усиливается и ослабляется, заставляя диафрагму колебаться синхронно с изменениями тока. Эти механические колебания передаются массе воздуха, воспроизводя речь, которая изначально вызвала изменения тока в микрофоне передающей стороны. Данный физический принцип действия, основанный на использовании поля смещения от постоянных магнитов, нашел широкое применение и в обычных громкоговорителях для многих классов электроакустического оборудования.

Альтернативная конструкция капсюля. На рис. 2.10в представлена альтернативная конструкция телефонного капсюля. Ее работа аналогична описанной, однако имеет важное конструктивное отличие. В данном устройстве якорь представляет собой отдельную деталь, механически соединенную с конической диафрагмой, которая изготовлена из немагнитного материала, например, алюминия. Качающиеся движения якоря под действием магнитных сил напрямую передаются на эту диафрагму, заставляя ее колебаться и воспроизводить первоначальный речевой сигнал с высокой точностью.

Исторический контекст и изобретение. Исторически электромагнитный телефонный капсюль стал фундаментальным элементом, лежащим в основе одного из самых значительных изобретений XIX века. Именно этот принцип преобразования был ключевым в первом патенте на телефон, который получил Александр Белл. Это подчеркивает не только практическую значимость, но и революционность данной технологии для своего времени, заложившей основы дальнейшего развития средств связи.

Физическая основа преобразования сигнала. С физической точки зрения, приемное преобразующее устройство воспроизводит звук за счет изменения силы взаимодействия двух магнитных полей. Первое поле индуцируется изменяющимся по величине током речевого сигнала, а второе создается постоянным магнитом. Взаимные притягивания и отталкивания, возникающие при взаимодействии этих полей, создают механическое усилие. Это усилие заставляет диафрагму совершать вынужденные колебательные движения, которые в точности соответствуют форме электрического сигнала, и, в конечном счете, воспроизводить исходный звук.

Эволюция и современное применение технологии. Эволюция конструкции от монолитной магнитной диафрагмы к раздельному якорю и легкой конической мембране позволила значительно улучшить акустические характеристики устройства. Подобные усовершенствования были направлены на расширение частотного диапазона, повышение чувствительности и снижение нелинейных искажений. Несмотря на появление новых технологий, таких как пьезоэлектрические и динамические преобразователи, описанный электромагнитный принцип остается актуальным в ряде специализированных применений, демонстрируя свою надежность и эффективность.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.