Рудольф Сворень - Ваш радиоприемник

Решать эту задачу не придется — ее уже решила сама природа. Она выбрала синусоидальную форму.

Синусоида — это кривая, которую легко получить в результате довольно простых тригонометрических построений — она является графиком определенных тригонометрических зависимостей. Но этим не ограничивается значение синусоиды. С ней связан целый ряд важнейших процессов, например таких, как излучение света, колебания маятника, генерирование переменного тока. Если вы построите графики, которые описывают эти, а также многие другие явления, то во всех случаях получите одну и ту же кривую — синусоиду.

Чем же объясняется такая универсальность синусоиды? Какие общие черты различных процессов отражает она?

К сожалению, мы с вами не можем подробно останавливаться на этом интересном вопросе и вынуждены ограничиться лишь общими положениями. Синусоиду называют гармонической кривой, и этим сказано многое. Она действительно очень гармонична, не имеет каких-либо разрывов, скачков, неожиданных изменений или, наоборот, монотонных ровных участков. Вначале кривая резко нарастает, но затем постепенно «устает» и рост ее все заметнее тормозится. Наконец, все силы иссякли — остановка, кривая достигла наибольшего значения. Это так называемая амплитуда, после которой сразу же начинается отступление — кривая идет вниз. Сначала медленно, как бы сопротивляясь, а затем все быстрее и с максимальной скоростью проскочив нулевое значение, попадает в отрицательную область. Здесь все повторяется сначала: постепенный рост (но теперь уже отрицательных значений), амплитуда, отступление и опять переход через нуль в положительную область.

Отмеченное нами на «житейском» языке достоинство синусоиды — ее гармоничность, имеет четкие математические обоснования. Можно строго доказать, что синусоидальный, гармонический характер изменения является наиболее простым, наиболее естественным для самых различных физических процессов, точно так же, как прямая линия определит кратчайшее расстояние между двумя точками в любых ситуациях, на любых геометрических объектах.

В нашем слуховом аппарате имеется довольно сложная система, которая сразу же расчленяет любой звук сложной формы на простейшие синусоидальные, или иначе, гармонические составляющие. Совершенно ясно, что для разных звуков будет получаться различный спектр, или, проще говоря, различный набор этих составляющих, подобно тому, как в предыдущем примере каменные глыбы различной формы должны быть представлены разными наборами кубов и кубиков. В частности, будут получаться синусоидальные составляющие с разными частотами, разным соотношением амплитуд. Вот простой, точнее, сознательно упрощенный пример.

Уже знакомый нам звук «ля», если он исполнен на флейте, содержит гармонические составляющие с частотами 440, 880 и 1320 гц, причем амплитуды этих составляющих имеют следующие соотношения — 1:0, 5:0,1. Последнее означает, что амплитуда второй синусоидальной составляющей в 2 раза, а третьей в 10 раз меньше, чем амплитуда первой. Тот же звук, если его получить от кларнета, состоит из таких же по частоте составляющих, но уже с другим соотношением амплитуд, например 1:0, 2:0,01. Гитара даст более широкий спектр — в нем будет уже 5 составляющих — кроме указанных выше трех частот, можно будет обнаружить еще 1760 и 2200 гц. Короче говоря, главное отличие одних звуков от других точно отражается в их спектре — в количестве синусоидальных составляющих, в их частотах и амплитудах (рис. 11, д, с, ж).

Обратите внимание на то, что в нашем примере частоты синусоидальных составляющих кратны основной частоте — частоте звука «ля». Это весьма типичное явление, с которым можно встретиться в подавляющем большинстве случаев. Составляющие с кратными частотами называют гармониками и нумеруют в зависимости от соотношения частот. Так, частота 440 соответствует первой гармонике, 880 — второй, 1320 — третьей и т. д. Одним словом, номер гармоники показывает, во сколько раз ее частота больше, чем частота основного колебания, то есть того звука, который мы стараемся представить в виде суммы гармоник.

Из всего, что мы говорили, можно сделать очень важный вывод. Для того чтобы создать копию какого-либо звука, нужно создать звук с кривой той же формы, или, иначе, с таким же спектральным составом. Наш слуховой аппарат, куда входит также и «быстродействующая счетная машина», — особый отдел мозга, ведающий слуховыми восприятиями и анализом звуков, не только с высокой степенью точности разделяет любой звук на гармонические составляющие, но и сразу же производит анализ полученного спектра — определяет частоты составляющих и соотношение их амплитуд. Таким образом мы и различаем отдельные сложные звуки.

Для характеристики возможностей нашего слуха приведем несколько цифр. Мы отличаем синусоидальные составляющие уже в том случае, когда их частоты разнятся всего на несколько десятых долей процента. Например, установлено, что при звуке средней громкости человек может отличить частоты 997 и 1003 гц от частоты 1000 гц. Наш слух воспринимает звуки самой различной громкости. В частности, самый сильный звук, который мы в состоянии выдержать и который находится на самом пороге «болевого ощущения», и самый слабый звук, который мы уже едва улавливаем, по своей мощности отличаются один от другого в миллиарды раз. А вот характеристика чувствительности — мы слышим такие слабые звуки, которые создают давление на барабанную перепонку с силой всего 0,00000003 грамма! Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десяти миллионной доли миллиметра!

Вся эта изумительная по точности и чувствительности система появилась в результате многовековой эволюции. Она позволяет человеку хорошо ориентироваться в окружающем мире, собирать о нем много ценной информации.

И все же несмотря на очень высокую чувствительность нашего звукового приемника, он не позволяет людям поддерживать непосредственную связь друг с другом на расстояниях больше, чем несколько сот метров, а иногда, например возле бурного водопада или на перроне метрополитена, и нескольких десятков сантиметров. Происходит это потому, что звуковые волны по мере продвижения вперед очень быстро затухают, теряют свою энергию. Кроме того, услышать слабый звук нам, как правило, мешают разные посторонние шумы. И, наконец, скорость звука слишком мала даже для масштабов нашей, как сейчас любят говорить, маленькой планеты. Если бы и удалось построить линию дальней акустической связи, то даже короткий разговор по такой линии занял бы несколько дней, а то и несколько месяцев. Так, москвич, разговаривая с жителем Владивостока, мог бы получить ответ на свой вопрос только через двадцать часов.

Когда думаешь о недостатках линий акустической связи, почему-то вспоминается, как охрип Бывалов — один из героев кинокомедии «Волга-Волга». Он пытался с берега разговаривать с пассажирами застрявшего посреди Волги парома и так громко кричал, что очень быстро сорвал голос. Непосредственная звуковая связь уже при сравнительно небольших расстояниях становится невозможной.

Разговор через переводчика

Итак для передачи сообщений на большие расстояния звуковые волны непригодны. Во-первых, они слишком быстро растрачивают свою энергию, во-вторых, двигаются слишком медленно. Оба эти недостатка легко устраняются в линиях электрической связи, где переносчиком сообщений является электрический ток.

Простейшим представителем систем электросвязи может служить уже знакомый нам карманный фонарик. Установите батарейку и выключатель у себя на столе, а лампочку с помощью длинных проводов введите в комнату к своему товарищу, и действующая модель телеграфа готова. Стоит вам замкнуть выключатель, как в другой комнате тотчас же загорится лампочка. Это значит, что электрический сигнал достиг цели. Теперь остается договориться, на каком условном языке будут передаваться сообщения. Можно, например, замыкать цепь на короткие отрезки времени, посылать в линию, а значит и пропускать через лампочку импульсы тока. В этом случае появляется много различных способов кодировать сообщения. Условимся, например, так: одна вспышка лампочки означает «Приходи в гости», две вспышки — «Иду к тебе», три — «Не забудь, что завтра воскресенье, встречаемся на остановке троллейбуса и едем на стадион».

Есть другой путь, и вы его прекрасно знаете, — это азбука Морзе, или, как ее называют еще иначе, телеграфная азбука. В ней каждой букве, каждой цифре, каждому знаку препинания соответствует определенная комбинация коротких и длинных импульсов тока — точек и тире. Существует и другой распространенный код — код Бодо, в котором используются различные комбинации одних только точек и пауз между ними.