Здесь мы писали, что человек, желая осуществить свою вековую мечту — видеть на расстоянии, задался целью: создать искусственный глаз и искусственное ухо.
Однако до сих пор мы больше писали о его усилиях по созданию искусственного глаза. Об искусственном ухе мы даже как будто забыли. Поэтому сейчас наступила очередь описать и эту часть работы человека над созданием телевидения, ибо оно никогда не мыслилось немым.
Разобравшись в волнах, частотах и некоторых других вещах, мы коротко рассмотрим, что такое «электрическое ухо», как оно работает и все, что связано с его применением, в частности с радио.
Кроме того, многое, относящееся к колебаниям* низкой частоты, может оказаться полезным и для понимания колебаний высоких частот.
Человек уже давно подметил, что очень сильные звуковые колебания вызывают колебания расположенных вблизи предметов. Во время грома или сильной стрельбы звенят стекла в окнах, дрожит посуда на столе и вибрируют, даже отдельные части зданий. И чем сильнее звук, тем сильнее это его действие. Поэтому, когда много позже ученые стали изучать сопротивление различных веществ и порошков электрическому току и обнаружили, что мелкий порошок каменного угля меняет свое электрическое сопротивление в зависимости от того, насколько плотно или слабо он сжат, то, естественно, родилась мысль: нельзя ли использовать это явление для регистрации электрическим путем звуков — например, речи человека, — действуя на порошок звуковыми колебаниями.
Так в 1876 году появился первый угольный микрофон, способный звуковые колебания превращать в электрические. Принцип действия угольного микрофона мы уже описали выше.
Почти одновременно с микрофоном был изобретен телефон, могущий, наоборот, электрические колебания прекращать в звуковые. Изобрести телефон было значительно проще, ибо задолго до этого существовал электрический звонок, который по сути дела уже являлся прообразом телефона, так как он по сходному способу превращает колебания (прерывание) тока в звук.
Если переменный электрический ток подвести к электромагниту, перед которым укреплена легкая железная пластинка , то, проходя через обмотку электромагнита, ток будет то усиливать, то ослаблять его общее магнитное поле. Железная пластинка, притягиваясь то больше, то меньше к электромагниту, будет колебаться. Эти колебания и услышит наше ухо.
Такой простой прибор и будет обычным электромагнитным телефоном.
Теперь остановимся на несколько более сложном вопросе, относящемся к форме сложных колебаний, таких, в которых смешаны вместе колебания разных частот. Для облегчения задачи рассмотрим сначала сложные колебания низкой частоты.
Если взглянуть на кривые записи слышимых ухом сложных звуков (такая запись получается, например, на граммофонной пластинке или на кинопленке в звуковом кино), то в одних случаях мы увидим очень простые кривые. Это будут записи чистых звуков, являющихся колебаниями одной, строго определенной частоты. В этом случае звуки отличаются друг от друга только числом колебаний в секунду. На слух это отличие будет сказываться только в высоте слышимого звука. В других случаях кривые имеют очень сложную форму. Иногда в них с первого взгляда даже трудно обнаружить закономерность. В этом случае можно вполне законно предположить, что в таком сложном звуке одновременно присутствует сразу очень много простых однородных колебаний, которые, смешавшись все вместе, и создали суммарную кривую столь сложной формы.
Существуют способы любую такую сложную кривую разложить на ее составные простые кривые. Как это происходит, мы проследим на рисунке. Здесь кривая а является увеличенной записью чистого звука какой-либо низкой частоты — допустим, 200 колебаний в секунду. Назовем эту частоту основной. Кривая б представляет такой же чистый звук, но уже с частотой 400 колебаний в секунду; кривая в — еще один чистый звук с частотой 800 колебаний. Теперь смешаем вместе первых два звука: с частотой 200 и 400 колебаний в секунду. В результате смешения получим кривую уже новой формы — г. Рядом с ней, на кривой д, показана запись звука, который издает музыкальный инструмент гобой. Она очень похожа на предыдущую кривую г, полученную сложением основной частоты а (200 колебаний) с так называемой второй гармоникой б (400 колебаний).
Смешав звук основной частоты а (200 колебаний) с частотой в (800 колебаний, или четвертой гармоникой), получим кривую е, которая сходна с кривой ж — звука другого инструмента — рожка. Наконец, смешав основной тон а (200 колебаний) с частотой 1600 колебаний, или восьмой гармоникой, получим новую кривую з, которая очень похожа на звук флейты и, и т. д.
Поэтому в любом очень сложном звуке, каким, например, является человеческая речь или музыка, мы всегда можем разложить суммарную кривую на составляющие ее основные колебания, найти в ней очень много чистых тонов самой различной частоты, начиная от самой низкой основной частоты до самой высокой кратной ей частоты, или гармоники. Так, колебания звуков человеческой речи лежат в пределах от 16 (самый низкий бас) до 3—4 тысяч колебаний в секунду (колоратурное сопрано) и даже выше, включая все тонкие дополнительные колебания. Эти колебания, иногда трудно улавливаемые даже специальными приборами, придают человеческому голосу ту окраску, благодаря которой мы отличаем одни голоса от других и узнаем голоса родных и знакомых.
Поэтому, передавая звуки музыки при помощи электромагнитных колебаний высокой частоты (радиоволн), мы на несущую частоту в несколько сот тысяч или даже миллионов колебаний в секунду должны «посадить верхом» все колебания, начиная от самых низких и простых звуков (16 колебаний в секунду) до самых высоких звуков (16 тысяч колебаний в секунду), и бесконечно большое число разнообразных колебаний, происходящих от смешения вместе всех этих звуков, то-есть обеспечить место для сплошной полосы колебаний от 16 до 16 тысяч в секунду.
Отсюда мы можем сделать один очень важный вывод: чем больше различных частот содержит в себе передаваемый сигнал, тем шире должна быть отводимая для их модуляции полоса частот.
Такой простой прибор и будет обычным электромагнитным телефоном.
Теперь остановимся на несколько более сложном вопросе, относящемся к форме сложных колебаний, таких, в которых смешаны вместе колебания разных частот. Для облегчения задачи рассмотрим сначала сложные колебания низкой частоты.
Если взглянуть на кривые записи слышимых ухом сложных звуков (такая запись получается, например, на граммофонной пластинке или на кинопленке в звуковом кино), то в одних случаях мы увидим очень простые кривые. Это будут записи чистых звуков, являющихся колебаниями одной, строго определенной частоты. В этом случае звуки отличаются друг от друга только числом колебаний в секунду. На слух это отличие будет сказываться только в высоте слышимого звука. В других случаях кривые имеют очень сложную форму. Иногда в них с первого взгляда даже трудно обнаружить закономерность. В этом случае можно вполне законно предположить, что в таком сложном звуке одновременно присутствует сразу очень много простых однородных колебаний, которые, смешавшись все вместе, и создали суммарную кривую столь сложной формы.
Существуют способы любую такую сложную кривую разложить на ее составные простые кривые. Как это происходит, мы проследим на рисунке. Здесь кривая а является увеличенной записью чистого звука какой-либо низкой частоты — допустим, 200 колебаний в секунду. Назовем эту частоту основной. Кривая б представляет такой же чистый звук, но уже с частотой 400 колебаний в секунду; кривая в — еще один чистый звук с частотой 800 колебаний. Теперь смешаем вместе первых два звука: с частотой 200 и 400 колебаний в секунду. В результате смешения получим кривую уже новой формы — г. Рядом с ней, на кривой д, показана запись звука, который издает музыкальный инструмент гобой. Она очень похожа на предыдущую кривую г, полученную сложением основной частоты а (200 колебаний) с так называемой второй гармоникой б (400 колебаний).
Смешав звук основной частоты а (200 колебаний) с частотой в (800 колебаний, или четвертой гармоникой), получим кривую е, которая сходна с кривой ж — звука другого инструмента — рожка. Наконец, смешав основной тон а (200 колебаний) с частотой 1600 колебаний, или восьмой гармоникой, получим новую кривую з, которая очень похожа на звук флейты и, и т. д.
Поэтому в любом очень сложном звуке, каким, например, является человеческая речь или музыка, мы всегда можем разложить суммарную кривую на составляющие ее основные колебания, найти в ней очень много чистых тонов самой различной частоты, начиная от самой низкой основной частоты до самой высокой кратной ей частоты, или гармоники. Так, колебания звуков человеческой речи лежат в пределах от 16 (самый низкий бас) до 3—4 тысяч колебаний в секунду (колоратурное сопрано) и даже выше, включая все тонкие дополнительные колебания. Эти колебания, иногда трудно улавливаемые даже специальными приборами, придают человеческому голосу ту окраску, благодаря которой мы отличаем одни голоса от других и узнаем голоса родных и знакомых.
Поэтому, передавая звуки музыки при помощи электромагнитных колебаний высокой частоты (радиоволн), мы на несущую частоту в несколько сот тысяч или даже миллионов колебаний в секунду должны «посадить верхом» все колебания, начиная от самых низких и простых звуков (16 колебаний в секунду) до самых высоких звуков (16 тысяч колебаний в секунду), и бесконечно большое число разнообразных колебаний, происходящих от смешения вместе всех этих звуков, то-есть обеспечить место для сплошной полосы колебаний от 16 до 16 тысяч в секунду.
Отсюда мы можем сделать один очень важный вывод: чем больше различных частот содержит в себе передаваемый сигнал, тем шире должна быть отводимая для их модуляции полоса частот.