Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Вы, наверное, видели, как трогается с места железнодорожный состав: паровоз делает рывок, медленно начинает двигаться и почти одновременно с ним начинают двигаться все вагоны. Это несколько напоминает то, что происходит в электрической цепи: сами вагоны, подобно электронам, двигаются медленно, но почти одновременно начинается движение всего состава, так же как почти одновременно начинается электрический ток во всех участках цепи.

Рассказывая о поезде, мы опять не случайно применили слово «почти», и вы можете сами убедиться в том, что без этого слова обойтись нельзя. Движение паровоза не сразу передается всему составу: сначала сдвигается с места первый вагон, за ним — второй, тот увлекает за собой третий, затем сдвигается четвертый, и так, передаваясь от вагона к вагону, рывок, который сделал паровоз, доходит до конца состава.

Лишь через некоторое время последний вагон как бы получит сигнал о том, что паровоз сдвинулся с места. Для железнодорожного состава время это, конечно, невелико, и поэтому мы говорим, что все вагоны начинают двигаться одновременно, но для точности прибавляем слово «почти».

В отдаленных участках электрической цепи электроны начинают двигаться с некоторым опозданием, так же как и отдаленные от паровоза вагоны. Однако, сравнивая электрический ток с движением железнодорожного состава, необходимо отметить два существенных момента.

Во-первых, движение от электрона к электрону передается не благодаря непосредственным толчкам, а в результате взаимодействия электрических сил, а точнее, в результате движения вдоль проводника электрического поля, о котором мы еще поговорим.

И во-вторых, скорость распространения рывка паровоза по железнодорожному составу (обычно несколько десятков километров в час) даже в сравнение не может идти со скоростью распространения по проводу электрического «толчка» — электрический сигнал движется со скоростью 300 000 километров в секунду! Это так называемая скорость света, которая присуща всем без исключения электрическим и магнитным процессам, в том числе и свету, имеющему, как известно, электромагнитную природу (рис. 22).

Рис. 22. Сами электроны (или положительные ионы), образующие ток, двигаются сравнительно медленно, но их движение начинается практически одновременно во всех точках цепи. Скорость распространения «электрического толчка» — 300 000 км/сек (скорость света).

Скорость света является самой высокой скоростью, встречаемой в природе. Она настолько велика, что электрический сигнал, двигающийся со скоростью света из Москвы, через 0,03 секунды придет во Владивосток и менее чем за полторы секунды десять раз обогнет земной шар или доберется до Луны. Да что говорить! Если построить космический корабль, который будет двигаться с такой же скоростью, как и электрический сигнал, то на этом корабле можно будет за каких-нибудь пять минут добраться до Марса!

Наряду с исключительно высокой скоростью у электрического сигнала есть еще одно замечательное достоинство — он очень легко поддается самым различным преобразованиям. Именно это и определило появление таких средств связи, как буквопечатающий телеграф, телефон, фототелеграф. Очень интересные преобразования электрического сигнала лежат в основе радиопередачи и радиоприема. С некоторыми из этих преобразований мы сейчас и познакомимся.

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что представляет собой звук? Каким образом слова, которые вы произносите, доходят до собеседника?

Звуки вашего голоса, так же как и все окружающие нас звуки, представляют собой колебания воздуха или, иначе, звуковые волны (рис. 23).

Рис. 23. Звуки нашего голоса, как и все окружающие нас звуки, представляют собой колебания воздуха или так называемые звуковые волны.

Вы тронули гитарную струну, она пришла в движение и увлекла за собой окружающий воздух: под действием колеблющейся струны воздух вблизи нее то сжимается, то, наоборот, становится разреженным. Эти изменения давления воздуха передаются все дальше и дальше, и во все стороны от струны движутся звуковые волны, подобно тому как по поверхности пруда расходятся волны от брошенного в воду камня.

Примерно то же самое происходит и при разговоре, когда воздушный поток, выдыхаемый легкими, формируется в звуковые колебания с помощью голосовых связок, губ, языка, зубов, гортани и носовой полости. Возникающие при разговоре звуковые волны доходят до вашего собеседника, в ушах которого расположены органы, чувствительные к звуковым колебаниям. Оттуда по тончайшим нервам сигнал поступает прямо в мозг, вызывая у человека определенное ощущение услышанного звука.

То, что звук представляет собой колебания воздуха, доказывают простые опыты. Так, например, если электрический звонок поместить в баллон, из которого выкачан воздух, то никакого звонка слышно не будет, так как в безвоздушном пространстве звук появиться не может.

Самая толстая струна гитары колеблется медленно и создает такие же медленные колебания воздуха. Чем тоньше струна, тем она подвижнее, тем быстрее будут ее колебания и тем, следовательно, чаще (то есть выше по тону) будут создаваемые этой струной колебания воздуха (лист 48). Точно так же мы можем создавать быстрые и медленные звуковые колебания, управляя нашими органами речи в процессе разговора. А из этих колебаний при самом разнообразном их сочетании уже образуются слова.

Для того чтобы не пользоваться такими расплывчатыми понятиями, как «быстрые колебания» или «медленные колебания», введено точное понятие «частота колебаний», которое указывает, сколько колебаний произошло за единицу времени. Единицей измерения частоты служит один герц (сокращенно гц), соответствующий одному колебанию в секунду (лист 46).

Струна, которая в секунду совершает 600 колебаний, создает звук с частотой 600 гц, а если такое же число колебаний произойдет за одну минуту, то есть за 60 секунд, то частота составит 10 гц.

Более крупные единицы частоты — килогерц (кгц) и мегагерц (Мгц). Все эти единицы используются для измерения частоты любых колебаний, независимо от их физической природы. В герцах измеряется и частота колебаний струны, и частота звука, и частота переменного тока.

Воспринимая звуки, мы различаем их по нескольким признакам, в том числе по длительности, громкости и частоте. Определенные сочетания звуков различной длительности, громкости и частоты и образуют прекрасную мелодию, знакомое слово, рокот мотора или шум морского прибоя.

Ухо человека способно слышать звуковые колебания с частотами от 20 гц до 20 000 гц (20 кгц). Звуки с частотой более 20 кгц (ультразвук) и менее 20 гц (инфразвук) мы не слышим (лист 47). Указанные границы, конечно, не являются строгими — для каждого человека они могут отклоняться в ту или иную сторону.

Обычно мы не всегда полностью используем возможности нашего слуха. Так, например, музыкальные инструменты, входящие в симфонический оркестр, в основном создают звуковые колебания с частотами от 25 гц до 13 кгц, и поэтому, слушая оркестр, нам не обязательно воспринимать звуки с более высокими частотами, хотя они и создают определенную «окраску» звучания оркестра.

Если же несколько снизить требования к естественности звучания, то при слушании музыкальных произведений можно ограничиться максимальной частотой 10, иногда даже 5 кгц и минимальной частотой 50—100 гц. Для того же: чтобы удовлетворительно воспринимать разговорную речь, достаточно слышать звуковые колебания с частотами от 300 до 3400 гц. Речь будет оставаться разборчивой даже в том случае, если будут воспроизводиться звуки с частотами всего лишь до 1500 гц.

Все эти данные получены в результате опытов, при которых качество звучания оценивалось большим числом людей. Полученные результаты учитывают при разработке звуковоспроизводящей аппаратуры. Так, например, радиоприемники высшего класса воспроизводят звуки с максимальной частотой 10–12 кгц, в более дешевых приемниках ограничиваются максимальной частотой 5–6 кгц. Это хотя несколько ухудшает качество звучания, но зато позволяет упростить приемник, а значит, и снизить его стоимость. Для аппаратуры телефонной связи верхняя граница воспроизводимых частот всего 2–2,5 кгц.

Человеческое ухо — замечательный прибор. Оно ощущает самые незначительные изменения частоты звука: достаточно частоте измениться всего на несколько десятых долей процента, как ухо тотчас же это услышит. Ухо отличается очень высокой чувствительностью к слабым звукам: оно слышит даже такие слабые звуки, которые оказывают на поверхность барабанной перепонки давление с силой 0,0000003 грамма. Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десятимиллионной доли миллиметра!