2.2.1 电话机的基本原理与工作过程

1.电话机的工作过程

电话通信是一个声能与电能相互转换的过程。电话发送端采集话音的设备叫送话器，电话接收端获取声音的设备叫受话器。当两个用户要进行通信时，最简单的形式就是将发信端的送话器与接收端的受话器用一对线路连接起来，如图2-2所示。下面以炭精砂式送话器和动圈式受话器的通信过程为例来说明电话的通信原理。

1）当发话者拿起电话机的送话器，对着送话器讲话时，声带的振动激励空气振动，形成声波。

2）声波作用于送话器的鼓膜上，使送话器中的炭精砂受到随声波大小变化的挤压。压紧时，电阻增大，松弛时电阻减小。当送话器的两个电极接上电压源时，就会在送话器的两个电极间产生随声音大小变化的电流，称为语音电流。

3）语音电流在电阻两端产生语音电压，经电容耦合，语音电压沿着线路传送到对方电话机的受话器内。

4）对方受话器作用与发方送话器刚好相反，电流流经受话器的电磁线圈，产生随语音电流变化的磁力，吸引受话器上的金属杆运动，并由金属杆带动鼓膜振动，从而将语音电流转化为声波，通过空气传至人的耳朵中。这样，就完成了最简单的通话过程。

在图2-2所示的最简单的通信系统中，A端只能发信，B端只能收信，这种通信方式称为单向通信或单工通信方式。如果要让A端和B端都能发信和收信，就需要两套这样的设备，每一端都有一个送话器和受话器。

通信双方既能发信又能收信的通信方式称为双向通信，或双工通信方式。这时，为实现双向通信就需要四条传输线，故称四线通信方式，此时两根线用作发信，另两根线用作收信，每对线上传输的信号都是单向的。

如果将四条传输线合并为两根线进行传输，称为二线通信方式，此时这两根线上传输的信号是双向的。

在二线通信方式中，如果简单地将每一端的送话器和受话器串接起来，则每端送话器的电流会流过自己一方的受话器，结果自己就能听到很大的自己的讲话声音，而对方的声音由于经过传输线的衰减，声音很弱。当自己听到自己很大的声音时，会自然地减小声音，使对方听到的声音更小。

发信方的声音被自己从受话器中听到，这个声音叫作侧音。侧音对通信是有害的，它不仅消耗了电能，还使发信方听到自己的回声，会感到很难受，并严重影响接收对方信号，必须设法消除。

用于消除侧音的电路叫消侧音电路。消侧音电路可分为感应线圈式和电子式两大类，其基本原理都是将送话器和受话器放在电桥电路的两个对臂方，利用电桥平衡原理使受话器和送话器器件两端的电压差为零，从而消除侧音，如图2-3所示。

传统的机械拨盘式电话机大多采用感应线圈式消侧音电路；现代按键式电话机的通话电路具有放大器，消侧音功能则是由晶体管、电阻和电容等电子元器件组合来完成，故称为电子式消侧音电路，其形式主要为电桥平衡式。下面以感应线圈式消侧音电路为例说明消侧音电路的工作原理。

感应线圈式消侧音电路原理图如图2-4所示，图2-5为对应的等效电路。送话器BM多采用高灵敏度的炭粒式话筒，由于它自身具有放大能力，所以通话电路无需加放大器。炭精砂式话筒需要12~80mA的直流偏置，其电流由外线输入经L₁→N₁→BM→L₂构成回路。感应线圈T具有耦合交流信号、隔直流作用，因此直流电流不会流过受话器BE，可以减少电话网直流损耗。图2-4中的阻容元件R₁、R₂、C₁构成平衡网络，用以平衡线路阻抗Z_L，与感应线圈一起完成消侧音作用。由于电话线阻抗多呈电容性，为了使平衡网络特性接近外线路特性，故平衡网络中加有平衡电容C₁。Z_L代表外线路阻抗，Z_P代表R₁、R₂、C₁组成的平衡网络的阻抗。

消侧音原理：送话时BM为信号源，产生两路电流，一路电流为i_L经N₁→Z_L→B端，该电流是送往对方话机的有效电流；另一路为i_P经N₂→Z_P→B端，该电流消耗在平衡网络内。如果在设计电路时，选择合适的平衡网络元件参数，使流过N₁的电流i_L、与流过N₂的电流i_P大小相等方向相反，则使N₁绕组与N₂绕组的磁通量相等，即i_LN₁=i_PN₂，这样两个绕组的交变磁通就能互相抵消，线圈N₃中便无感应电动势产生，受话器中听不到发话声音，达到消侧音的目的。

实际上，由于电话用户距电信公司的距离不同，电话线的长度是不同的，而平衡网络的阻抗是固定的，故不能做到对所有话机中消侧音电路的电桥平衡，所以要完全消除侧音是不可能的，因此电话机受话回路中仍存在微弱的侧音。在实际使用中，也不要求将侧音完全消除，只要把侧音减弱到原来的1/20~1/40，已足够消除侧音的干扰作用，剩余微小的侧音可便于监听话机的送话情况是否正常，维修时也是利用侧音来判断检查通话电话是否良好。

受话时，语音信号从L₁输入，语音电流通过N₁→BM→L₂端和N₁→N₂→平衡网络→L₂端，在N₁、N₂上感应电压方向相同，通过铁（磁）心将信号耦合到二次N₃，受话器BE发声。

除侧音外，在拨号期间产生的脉冲信号或双音频信号也会传送到受话放大器，使耳机发出震耳的声音，因此必须设法消除拨号音。消除拨号音的方法分为全静噪方式和部分静噪方式两种。全静噪方式采用静噪电子门，它在电话机拨号期间将通话电路阻断，避免过强的拨号信号输入受话器。部分静噪方式是指拨号期间不将通话电路全部断开，只切断受话回路来消除拨号音的方法。

通话性能较好的电话机，还具有自动音量调节功能，其作用类似于收音机、电视机的AGC电路。当通话距离远近不同时，通话信号强弱差异较大，通过自动调节送话与受话电路的增益，能使通话音量保持相对稳定。图2-6为话机中包括各功能模块的框图。

2.送话器的结构与原理

送话器常称为话筒或“麦克风”（MIC）。送话器是在声波作用下，产生与输入声波相对应的电信号的声/电转换器件。送话器的种类很多，电话机早期普遍采用的是炭精砂粒送话器，目前广泛使用的是驻极体送话器和动圈式送话器。

（1）驻极体送话器

驻极体送话器具有非线性失真小、频带宽、噪声小和价格低廉等特点，现已广泛应用在按键式电话机上。

①基本结构

驻极体送话器是采用驻极体材料制作的声/电转换器。通常物体在外加电场的作用下，其表面会产生极化电荷，而且大多数物体在外加电场撤去后，其表面电荷随之消失。但有些物质即使电场撤除，其表面的电荷却几乎能永久地保留下来。这种在外电场作用下极化带电并能几乎永久保持这种状态的物质称为驻极体材料。

驻极体送话器由驻极体头和阻抗变换器组成，其基本结构如图2-7所示。送话器的振动膜片由驻极体材料制成，膜片卡在一个金属环上，然后固定在外壳上。膜片的一面镀有金属层作为话筒的前电极，膜片的后侧装有金属平板作为后电极，膜片与后电极间有一间隔为几十微米的空气隙。驻极体头具有高达几百兆欧的输出阻抗，因此要在它的输出端接一阻抗匹配网络，以降低其输出阻抗，通常是用场效应晶体管输出电路来实现这一功能。实际的驻极体送话器总是把场效应晶体管装在圆柱形的送话盒里，装配结构如图2-8所示。

驻极体膜片与后电极相距很近且相互绝缘，组成了一个电容器，容量一般为10~30pF。

②工作原理

由于驻极体表面极化电荷的作用，在金属极板表面产生异号感应电荷。当膜片在声波作用下向内弯曲时，驻极体与后电极间的空气隙减小，后电极上的感应电荷增多，两电极之间的电位差升高；反之，膜片振动向外弯曲时，驻极体与后电极间的空气隙增大，后电极板上感应电荷减少，两电极之间的电位差降低。这样就产生了随声波变化的音频信号。这一微弱的信号电压直接输入场效应管栅极（G），经放大后由漏极（D）或源极（S）输出。

③驻极体送话器的使用

驻极体送话器的外形如图2-9所示。目前国内生产的送话器常见尺寸有ϕ9.7mm×6.7mm和ϕ10.5mm×7.8mm两种。驻极体送话器的引出线有两条和三条之分，如图2-10所示，两条引线是将驻极体头的接地端与场效应晶体管的源极连接在一起，只能接成漏极输出方式。三条引线是将驻极体头的接地端、场效应晶体管的漏极和源极分别引出，可接成源极输出方式或漏极输出方式。由于送话器内部包含有场效应晶体管，因此必须外加1.5～12V的直流电压才能工作，电路的各种接法如图2-11所示。驻极体送话器的A端是与金属屏蔽外壳相接通的，因此无论哪种接法，A端都应良好接地，否则可能会产生交流干扰声。

（2）动圈式送话器

①基本结构

动圈式送话器的基本结构与普通扬声器类似，如图2-12所示。圆形的振动膜片外缘固定在送话器外壳上，振动膜片的中间粘连着一个线圈，线圈处于永久磁铁与极靴的间隙中，当膜片振动时，带动线圈沿磁铁轴向往复振动。

动圈式送话器与扬声器的不同之处在于，它的线圈阻抗比扬声器高，通常为200~300Ω。由于线圈与振动膜片粘在一起振动，为了提高送话灵敏度，要求线圈越轻越好。线圈大多是无骨架的，用很细的漆包线自粘而成。漆包线一层一层紧凑地排线，绕制的精度极高。另外，扬声器的振动膜片是采用纸盆，而动圈式送话器的振动膜片通常用的是聚酯塑料薄膜，它是由热压成型再冲切而成的。

②工作原理

根据电磁感应定律，在一个恒定的磁场中，线圈切割磁力线运动时，在线圈中产生感应电流。当声波作用于送话器的振动膜片，膜片带动线圈做切割磁力线运动时，线圈中就会产生音频电流。由于线圈的振动是由声波推动的，所以产生的感应电流的频率取决于声波的频率，感应电流的振幅也取决于振动的幅度。

③电气性能

动圈式送话器音频响应相当宽，一般为60~6000Hz，而且频率响应曲线平坦、光滑，是一种音质很好的声/电转换器件。动圈式送话器要用较大的永久磁体才能获得较高的灵敏度，一般可通过提高电话机送话电路的放大倍数来降低对送话器灵敏度的要求。另外，动圈式送话器不适于在交变电磁场较强的环境中使用，会受干扰而产生交流声。

3.受话器的结构与原理

受话器也称为听筒或耳机，是一种电/声转换器件，它能按音频电流的变化规律产生相应的声波振动。按照能量转换原理及结构，受话器可分为动圈式、压电式和电磁式等类型。

（1）动圈式受话器

动圈式受话器的工作原理与普通电动扬声器相同，基本结构可参见动圈式送话器。当线圈通过音频电流时，线圈受磁场作用力将垂直磁场移动。在图2-12中，当音频电流从线圈Y₁端流入，从Y₂流出时，根据左手定则，线圈将向下移动；当音频电流方向改变时，则线圈向上移动。线圈上、下运动就带动膜片发出声音。

（2）压电式陶瓷受话器

将压电材料经高温烧制为陶瓷，再加直流高压极化，就成了压电陶瓷片。当给压电片加上交变电压时，压电片会变形产生机械振动，这种现象称为负压电效应；反过来，如果给压电片加上机械压力使它变形，则又会产生电压，这种现象称为正压电效应。压电受话器正是利用了压电片的负压电效应来实现电/声转换的。

①基本结构

压电式陶瓷受话器主要由振动片、卷口铜圈、前盖板和基座组成，图2-13所示为常见压电式陶瓷受话器的内部结构图和零件图。

压电式陶瓷片是用氧化铅、氧化钛和少量的锆作为原料加进胶合剂，经一定的工序制成薄圆片，并经电压极化处理，使压电陶瓷片的两个面具有一定的电压极性，两表面还涂有银层作为电极。然后将两片压电陶瓷片按相反的极性对称地粘在一个直径稍大一点的薄铜圆片的上、下两面，使之成为一体，作为受话器的振动膜片。两压电陶瓷片的外层相连作为一个引出端，中间铜片作为另一个引出端，振动膜片的示意图如图2-14所示，用两条细引线分别接至受话盒的接线柱上。

②工作原理

在单个压电陶瓷片上加入一交流电压，当外加电压与极化方向相同时，就使极化强度增大，压电片沿径向伸长，如图2-15a所示。反之，当外加电压与极化方向相反时，压电片沿径向收缩，如图2-15b所示。

如果薄铜片两面粘着一对极化方向相反的压电陶瓷片，当音频电流为正半周时如图2-15c所示，加到振动片引线的电压极性为左正右负，外加电压方向与上陶瓷片的极化方向一致，与下陶瓷片的极化方向相反，因而使上陶瓷片径向伸张，下陶瓷片径向收缩，则整个振动片向上凸出。当音频电流为负半周时如图2-15d所示，加到振动片引线的电压极性为右正左负，由于电压方向改变了，此时上陶瓷片径向收缩，下陶瓷片径向伸张，则整个振动片向下凸出。当输入为不断变化的音频电流时，使电压方向不断变化，则振动薄片随着弯曲振动，从而激励空气发出声音来。