Текст книги "Звук за работой"

Автор книги: Александр Коробко-Стефанов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 6 страниц)

Звук путешествует

Первое путешествие звука началось в XIX веке в лаборатории американского физика Белла. Он во что бы то ни стало решил отправить звук путешествовать по проводам. Скучно было телеграфистам расшифровывать длинные бумажные ленты точек и тире азбуки Морзе, перебрасываясь фразами, не слыша голоса собеседника.

Прежде чем отправить звук путешествовать, Белл тщательно подбирал ему надежных помощников.

Ими оказались: явление электромагнитной индукции и результаты опытов немецкого физика Хладни. Познакомимся с ними поближе.

Майкл Фарадей

Явление электромагнитной индукции, открытое английским физиком Фарадеем в 1831 году, состоит в том, что в замкнутом проводнике, к которому подносят магнит, возникает электрический ток. Ток в катушке будет тем больше, чем быстрее мы подносим к ней магнит. Если магнит удалять, то в катушке тоже возникает ток, но противоположного направления.

И вот Белл намотал проволоку на намагниченный стержень и, замкнув концы проволоки, обнаружил, что если к одному из его концов поднести звучащий камертон, то в катушке возникает ток переменного направления. Если теперь концы проволоки соединить с концами другой такой же катушки, намотанной на стержне, перед которым поставить такой же камертон, то ножки второго камертона придут в движение. Он будет звучать. Переменный ток, протекая по второй катушке, намагничивает находящийся внутри нее стержень. А тот в такт изменению тока то сильнее, то слабее притягивает находящуюся вблизи него ножку камертона, заставляя ее совершать колебания. Теперь надо было подумать о передаче человеческой речи.

Опыты Белла

Немецкий физик Хладни изучал звучание колеблющихся пластин. Он приводил их в колебательное движение с помощью обычного смычка, того самого, который вы часто видите в руках скрипачей. Хладни интересовало, каким образом колеблются различные участки пластин. Для этого он изучал затейливые узоры, образованные посыпанным на пластины песком.

Для одинаковых тонов эти узоры всегда повторялись. Это означало, что пластина колеблется каждый раз совер шенно одинаково.

Опыт Хладни

Повторяя опыты Хладни, Белл заметил, что пластины отзываются и на звук человеческого голоса. А это значит, что пластина колеблется под действием звуковой волны человеческой речи. Тогда Белл выбрал пластинки соответствующей толщины и расположил их вместо камертона.

Под действием звука человеческого голоса одна из таких пластин приходила в колебательное движение, создавая в катушке импульсы электрического тока. Эти импульсы передавались в другую катушку. При этом стержень, на который она была намотана, перемагничивался. Расположенная перед ним вторая пластина пришла в движение и в точности воспроизвела звук первой, то есть человеческую речь!

«Передаватель» Белла

«Приемник» Белла

Так звук стал путешественником. Изобретенное Беллом устройство названо телефоном. Слово телефон означает «видимый звук». Такое название устройству Белла дано потому, что звуковые колебания, воспринятые пластинкой, становились видимыми, если ее посыпать песком, как делал Хладни.

Легко понять, что принципиальная конструкция, позволяющая передавать речь на расстояние, так остроумно решенная Беллом, в то время обладала большими техническими недостатками.

Первоначально два лица, соединенные телефоном, говорили по очереди. Один говорил, а другой слушал. Затем говорил другой, а первый слушал, используя для этого одно и то же устройство – телефон. Устранил это неудобство микрофон изобретателя Юза.

Микрофон Юза

Микро означает «малый», а фон – «звук». Устройство Юза улавливало самые малые, совсем незначительные звуки и передавало по телефону, делая их хорошо слышимыми.

Микрофон Юза представлял собой две угольные чашечки, внутрь которых был помещен стерженек из угля. Малейшее сотрясение вызывало дрожание этого стерженька. Чашечки соединялись с полюсами батареи. Сила тока в этой цепи из-за дрожания стержня менялась, ибо при этом менялось сопротивление из-за переменных контактов между стержнем и чашечками. Изменение силы тока, разумеется, происходило в такт дрожанию стержня. А его колебания легко возбуждались звуками человеческой речи. Объединением микрофона и пластинки телефона была создана телефонная трубка. Со временем угольный стерженек был заменен угольным порошком, сопротивление которого очень резко менялось с изменением величины давления.

В настоящее время существует несколько типов микрофонов. Но они похожи на первый микрофон Юза.

Так когда-то разговаривали по телефону

Спустя четверть века после изобретения телефона немецкий физик Герц получил электромагнитные волны, существование которых предсказал великий английский ученый Максвелл.

Велико было торжество научной теории. Но еще значительнее стала победа, когда электромагнитные волны заставили служить человеку.

Одно из величайших открытий в этой области было сделано русским физиком Александром Степановичем Поповым.

Александр Степанович Попов

Изучение электромагнитных волн Герца, как их тогда называли, привело Попова к мысли, что благодаря быстрому распространению в пространстве эти волны можно использовать для передачи сигналов. И он создал первые в мире передатчик и приемник электромагнитных колебаний – радиоволн. Вначале это были сигналы азбуки Морзе: короткие – точки, длинные – тире.

Приемник Попова

Но как быть с музыкой и человеческой речью?

Звуковые колебания можно превратить в колебания электрического тока, но передать их без проводов нельзя. Дело в том, что электромагнитные колебания можно излучать в пространство лишь в том случае, когда их частота будет значительно больше, чем верхний предел числа слышимых колебаний.

Эта трудность была устранена весьма остроумным и в то же время простым способом.

Электрические колебания высокочастотного передатчика сложили с электрическими колебаниями, которые возбуждает звук, и вот эту смесь стали излучать в пространство. Звук как бы оседлал электромагнитную волну. Добравшись на ней до приемника, который отделяет электрические колебания звуковой частоты от электрических колебаний высокой, он поступает в телефон, заставляя пластинку этого аппарата совершать звуковые колебания и излучать звук в окружающее пространство. Так звук садится на «коня», называемого несущей частотой, и мчится на нем до приемника. А там он спрыгивает и двигается самостоятельно, давая нам возможность услышать далекую музыку.

Подарок Эдисона

В Москве, в музее Льва Николаевича Толстого, хранится интересный подарок, который был ему сделан знаменитым изобретателем Томасом Эдисоном.

Томас Эдисон прислал в подарок Льву Николаевичу Толстому слепок со звука, или, как в то время говорили, говорящее письмо.

Каким же образом удалось жителю Америки прислать через океан в далекую от него Россию запись своего голоса?

Звук издают тела, колеблющиеся в какой-либо среде, например в воздухе. Но если на пути распространения звука поместить тонкую пластинку, то она под действием колебания окружающей среды сама приходит в движение. Это явление и было использовано Томасом Эдисоном для записи звука.

Он укрепил на такой пластинке иглу из сапфира; игла едва касалась небольшого цилиндра. При вращении цилиндра она слегка царапала его поверхность, покрытую листом олова. Глубина царапины при этом была одинаковой. Но если на пластинку падала звуковая волна, след иглы становился неравномерным, так как под действием звука пластинка вместе с иглой колебалась и прижимала иглу к поверхности цилиндра с различной силой. Для того чтобы после одного оборота игла не попадала снова в проделанную ею борозду, цилиндр при вращении смещался по оси. И борозда, которую царапала игла на поверхности цилиндра, извивалась спиралью.

Таким образом Эдисону удалось записать речь в виде царапин на поверхности цилиндра. Для ее воспроизведения достаточно было поместить такую же иглу в начале борозды. При вращении цилиндра игла начинает скользить вдоль борозды, все время подпрыгивая, и заставляет пластинку, к которой она прикреплена, колебаться. А колеблющаяся пластинка прекрасно воспроизводила записанную ранее речь.

Этот прибор был назван фонографом. Его вскоре усовершенствовали. Оловянную поверхность цилиндра заменили восковой, что значительно удешевило прибор.

Фонограф Эдисона по сути дела был усовершенствованием такого же устройства для записи звука, изобретенного в 1859 году англичанином Скоттом.

Прибор Скотта назывался фонавтографом. В нем звук записывался на закопченную бумагу иглой, соединенной с пластинкой – мембраной.

Вся беда фоноавтографа была в том, что воспроизвести записанный звук было совершенно невозможно. Запись по сути дела пропадала. Но вскоре прибор был усовершенствован, и вращающийся цилиндр заменен пластинкой, на которую заранее были нанесены борозды одинаковой глубины. Эти борозды образовали сворачивающуюся спираль.

На приготовленной таким образом восковой пластинке производилась запись резцом. Но колебания резца происходили не по глубине, а поперек борозды. Этот прибор изобрел в 1894 году немецкий физик Берлинер. Он был назван граммофоном.

Граммофон имел огромное преимущество перед фонографом Эдисона, так как была открыта возможность копировать звук, записанный на диск.

Первый граммофон

В настоящее время запись делают на дисках из мягкого материала. Затем пластинка копируется на металл, а после этого делаются ее оттиски. Таким образом можно получить много экземпляров одной и той же записи звуков и разослать «живые письма» во все части света.

Такое письмо и подарил Эдисон Льву Николаевичу Толстому. Звук по почте был перевезен через океан в Россию. Вместе с «письмом» Толстой получил фонограф и запас восковых валиков для записи звуков. Льву Николаевичу подарок очень понравился. На одном из валиков были записаны его слова, обращенные к ученикам-школьникам.

И теперь в музее имени великого писателя можно услышать его живую речь.

Заря звукового кино

«Великий немой» – немое кино – не долго удовлетворял людей. Люди на экране во всем напоминали живых. Но они не умели говорить. И ученые всех стран начали лихорадочно искать способы, как научить людей на экране говорить. Для этого было использовано несколько совершенно различных по своей природе явлений.

Вы все, без сомнения, хорошо знакомы с фотографией. Рассматривая фотопленку, легко заметить, что резких границ между темными и светлыми местами нет. Вместо них существует плавный переход. Это значит, что светочувствительная пленка способна различать слабый и сильный свет. На это обстоятельство и обратили внимание, когда решили осуществить запись звука при помощи света. Для этого сначала необходимо было превратить звуковые колебания в колебания электрического тока, питающего лампочку. В цепь этой лампочки включили микрофон.

Перед лампой двигалась фотографическая пленка. После обработки пленки на ней оказалась светлая полоса различной прозрачности. Где больше упало света, полоса была темней, а там, где света упало меньше, – светлей. Одним словом, так получают негатив. Ведь прозрачность пленки обратна силе звука – чем сильнее звук, тем света будет больше, а на пленке эта часть будет затемненной. Значит, надо пленку отпечатать. Эта новая позитивная пленка и будет фотографией звука. Так записывается звук на кинопленку.

Схема записи звука на пленку

Теперь познакомимся с тем, каким образом, имея фотографию звука, осуществить его воспроизведение. Освещая эту фотографию обычным светом, можно получить свет мигающий. Для этого достаточно пропускать узкий пучок света от лампочки постоянной яркости через движущуюся пленку. Так как полоса различной прозрачности, то прошедший свет будет то ярче, то тусклее.

Схема воспроизведения звука

Но как теперь этот мигающий свет, колебания яркости которого совпадают с колебанием мембраны микрофона, превратить в звук?

Знаменитый немецкий физик Генрих Герц открыл интереснейшее явление, названное фотоэффектом.

Это явление заключалось в том, что, как оказалось, световые лучи могут выбивать из различных тел заряженные частицы – электроны. Вы, наверное, слышали это слово – фотоэлемент. Так называется прибор, использующий это явление.

Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, внутри которого расположены две пластинки. Одна из них, которая освещается светом, соединяется с отрицательным полюсом электрической батареи и поэтому заряжена отрицательно. Другая пластина соединяется с положительным полюсом батареи.

Под действием света с отрицательно заряженной пластинки вылетают электроны, которые тотчас притягиваются другой, положительно заряженной пластинкой. Таким образом, в сосуде появляется направленное движение зарядов – электрический ток. Сила тока в цепи изменяется в такт с изменением количества света, падающего на отрицательно заряженную пластинку.

Принцип работы фотоэлемента

Сейчас созданы фотоэлементы, весьма чувствительные к ничтожным количествам света. Получаемый при этом электрический ток усиливают специальными усилителями.

Вот, имея в распоряжении такой фотоэлемент, можно заставить зазвучать фотографический снимок звука. На кинопленке эта запись называется звуковой дорожкой. Когда пленка движется, узкий пучок света просвечивает звуковую дорожку, и фототок будет точно следовать за всеми изменениями интенсивности света.

После усиления фотоэлектрический ток проходит по обмотке электромагнита, который, притягивая с различной силой мембрану, приводит ее в колебание – заставляет звучать.

Так воспроизводится звук, записанный на фотопленку.

Током звуковой частоты неудобно питать электрическую лампочку, свет которой не успевает меняться вслед за изменением тока из-за того, что нить накала не успевает остывать (тепловая инерция). Для этой цели удобнее всего использовать так называемый керр-эффект.

Сущность этого явления слишком сложна, и мы не будем о нем рассказывать. Скажем только, что в этом случае никакой инерции нет – свет моментально изменяется вслед за изменением тока микрофона.

Другой способ световой записи звука на кинопленку называют «поперечной записью». В этом случае интенсивность света, который падает на пленку, остается все время одинаковой, но световой пучок в виде узкой ленточки во время движения пленки освещает ее неодинаково по ширине.

Для этого световой зайчик должен все время бегать от одного края к другому, в такт колебаниям тока звуковой частоты, создаваемого в микрофоне.

Но это еще не все.

Сравнительно недавно удалось получить магнитную фотографию звука на проволоке.

Тут воспользовались явлениями, которые нам уже хорошо знакомы. Мы знаем, что звуковые колебания воздуха мембрана микрофона преобразует в механические. Благодаря этому она изменяет свое положение относительно магнита. И вот в обмотке возникает электрический ток звуковой частоты. Этот ток можно передать по проводам, как это сделал в свое время Белл, а затем заставить другую мембрану совершать колебания, чтобы воспроизвести звук.

Но с другой стороны, если этот ток будет проходить через обмотку другого магнита, вблизи которого движется проволока, то ее различные участки будут намагничиваться то сильнее, то слабее, в зависимости от силы тока, протекающего через обмотку магнита. После этого каждый участок проволоки долгое время остается намагниченным. Таким образом, звуковые колебания вначале преобразуются в колебания силы тока, а затем в колебания намагниченности различных участков проволоки. Так звук записали на проволоку. Чтобы воспроизвести его, необходимо эту проволоку вновь перемещать с прежней скоростью вблизи обмотки электромагнита. При этом в обмотке магнита будет возникать ток, сила которого все время меняется. После усиления этот ток проходит по обмотке другого магнита, который заставляет свою мембрану совершать колебания.

И мы услышим записанный на магнитной проволоке звук. Легко усмотреть преимущество магнитной записи звука. Когда запись сделана светом, требуется проявить и отпечатать фотопленку. Только после этого возможно воспроизведение звука. А магнитная запись этого не требует: звук, записанный на проволоку, может быть тотчас воспроизведен и затем «стерт».

Стирается записанный звук весьма просто. Для этого достаточно проволоку, на которой он записан, протягивать мимо магнита, по обмотке которого течет быстропеременный ток. Проволока при этом размагничивается, а следы записанного на ней звука исчезают бесследно.

И проволока снова пригодна для записи звука. После технического усовершенствования магнитного метода был создан замечательный прибор – магнитофон. Он и записывает звук и воспроизводит его. Вместо проволоки в приборе используется специальная лента, изготовленная из пластической массы. Поверхность ленты покрыта мелкозернистым порошком, магнитные свойства которого намного выше, чем у стальной проволоки.

Устройство магнитофона

Портативный магнитофон

Лента, на которой записан звук, представляет собой не что иное, как магнитное письмо. Читать это письмо при помощи магнитофона можно много раз. Однако не следует забывать, что скорость движения ленты при воспроизведении должна обязательно быть такой же, как и при записи.

Магнитные письма на проволоке широко использовали во время Великой Отечественной войны для передачи приказов и донесений в целях сохранения военной тайны.

Магнитная запись применяется в радиовещании. Все, что нужно передать по радио, предварительно записывают на пленку, прослушивают и спокойно устраняют всевозможные недостатки. Почти все радиопередачи, которые вы слышите, предварительно записаны на пленку и отрегулированы по времени.

Так люди научились записывать звук.

* * *

Ну вот мы и закончили нашу небольшую экскурсию в такой знакомый и в то же время такой загадочный мир звуков.

Действительно, мы сделали много открытий, познакомились с замечательными приборами, удивительными явлениями природы, с работой ученых в области акустики.

И столько неожиданного открылось нам в самых обычных, окружающих нас вещах. Воздух оказался упругим, летучая мышь – хитрым современным аппаратом, рыбы – поющими.

Но книга жизни неизмеримо богаче любой напечатанной книги. Надо только научиться читать ее.