Физическая природа звука. Преобразование звука в электромагнитные колебания

Технические предпосылки изобретения и реализации радиосвязи

Луиджи Гальвани (1737-1798), итальянский физиолог, один из основателей учения об электричестве, заметил, что лапка лягушки время от времени производит сокращения (мышцу лягушки исследователь соединил с проводом — прообраз современной антенны, а нерв — с проводом, опущенным в колодец, — заземление). На основании этого Гальвани сделал вывод о том, что на тело лягушки воздействуют электрические токи, и связал это с атмосферными явлениями, но позднее, в 1774 г., исследователь понял, что сокращения вызывало собственное «животное электричество». В 1791 г. им был опубликован «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Алессандро Вольта (1745-1827), итальянский физик и физиолог, понял, что наблюдаемые Луиджи Гальвани явления связаны с наличием в цепи двух разнородных металлов и жидкости. (На основе этого им был изобретен источник длительного постоянно го тока).

Майкл Фарадей (179l-1867), английский физик, создатель учения об электромагнитном поле, в письме от 12 марта 1832 г. предположил, что распространение магнитного поля похоже на распространение волн по водной поверхности. Позднее, в 1865 г., английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) на основании многолетних исследований предположил, что и свет имеет электромагнитную природу, что было экспериментально доказано немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894) в 1887-88 гг.

Дэвид Юз (1831-1900), английский физик, профессор музыки в Бардстаунском колледже (шт. Кентукки), изобретатель буквопечатающего телеграфного аппарата и угольного микрофона — в 1879-1880 гг. демонстрирует передачу радиосигнала на расстояние сотни метров.

Попытки осуществить радиосвязь предпринял Томас Эдисон (1847-1931) в 1885 г. (патент № 465971), но его опыты не имели практического использования, а в 1892 г. английский химик и физик У. Крукс (1832-1919) подробно описал принципы осуществления радиосвязи.

Александр Степанович Попов (1859-1905/06), преподаватель физики и электротехники в минном офицерском классе (г. Кронштадт), после публикаций Г. Герца об электромагнитных волнах осуществил первую публичную демонстрацию радиосвязи 7 мая 1895 г. А. С. Попов изобрел радиоприемник, который в дальнейшем оказался пригодным для записи грозовых разрядов. 12 марта 1896 г. исследователь передал первую в мире радиограмму: «Генрих Герц».

В 1895 г. Гульельмо Маркони (1874-1937) впервые передал без проводов на расстояние 2,4 км сигнал посредством азбуки Морзе, в качестве радиопередатчика используя искровой излучатель Герца. В 1897 г. им была осуществлена радиосвязь с военным кораблем на расстояние 19 км. В 1897 г. Маркони зарегистрировал в Англии Компанию беспроводного телеграфирования и сигнализации, в 1899 г. основал Американскую компанию беспроводной и телеграфной связи, а в 1900 г. — Международную компанию морской связи. В декабре 1901 г. им была осуществлена радиотелеграфная передача через Атлантический океан.

Споры о первенстве изобретения радиосвязи, или, как ее называли в то время, беспроводного телеграфа, не смолкают до сих пор. Видимо, они трудноразрешимы, так как А. С. Попов проводил свои опыты в обстановке секретности (этого требовало военно-морское ведомство), и не запатентовал свое открытие. Поэтому, например, энциклопедия «Британника» отдает первенство Г. Маркони, а Большая Советская энциклопедия — А.С. Попову. Обратимся к оценкам современников этого поистине великого изобретения, когда его история еще не была искажена политическими или экономическими факторами.

 

В августе 1903 г. в Берлине собралась первая в истории Международная конференция по радиосвязи, в которой участвовали делегации девяти наиболее развитых в то время стран. Приведем цитату из выступления на церемонии открытия конференции официального представителя Германии государственного секретаря М. Кретке: «...После того, как знаменитый Фарадей узнал, как формируются и распространяются в пространстве электрические волны, Максвелл создал теорию их передачи и выяснил скорость их распространения. Надо отдать должное гению Герца, подтвердившего эти теории в своих исследованиях. Лорд Кельвин смог изучить феномены, создаваемые разрядкой лейденских банок, установить колебательный их характер и зависимость от значения самоиндукции и емкости. В 1890 году Бранли впервые исследовал воздействие колебательного разряда на трубку с металлической стружкой. Развивая эти исследования, Лодж указал на возможность обнаружения таким способом электрических волн.

В 1895 году Попов во время исследования электрических разрядов в атмосфере придумал формирование телеграфных сигналов с помощью волн Герца; именно ему мы обязаны первым радиотелеграфным аппаратом. Маркони, впервые применивший антенну для передатчика, открыл новые пути практического использования беспроводной телеграфии. В то же время многочисленные изобретатели старались совершенствовать новое средство связи. Имена Брауна, Дюкре, де Фореста, Фессендена, Рижи, Слаби, Арко, Тесла известны всему миру. И этот список далеко не полон».

 

Звук — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн; человек воспринимает звук с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Звук с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц — ультразвуком.

Звуковые колебания распространяются в пространстве, называемом звуковым полем. В каждую точку звукового поля поступает множество звуковых волн, как прямых (от непосредственных источников звука), так и отраженных от различных предметов. Наложение волновых колебаний называется интерференцией, а способность звуковых волн огибать препятствия — дифракцией. За препятствием образуется акустическая тень.

Человек воспринимает звуковые колебания посредством слуховой системы: ушная раковина, подобно антенне, фокусирует и усиливает звуковой сигнал; среднее ухо выполняет функцию микрофона; внутреннее ухо — функцию слухового анализатора, а высшие отделы головного мозга напоминают преобразователь аналоговой информации в цифровую. Слуховое восприятие определяется восприятием громкости, высоты тона и тембра звука. Высота тона наиболее близко связана с частотой звука: чем больше частота, тем выше тон. Предельная громкость (интенсивность) звука может вызвать болевые ощущения, называемые болевым порогом. Минимальный порог слышимости находится на частотах 3 000-3 500 гц. Наибольший диапазон слышимости находится на средних частотах. Громкость звука связана с частотой, звуковым давлением и временем воздействия на слуховую систему. Тембр позволяет отличать звучание различных источников звука.

Для осуществления радиовещания необходимо преобразовать звуковые колебания в электрические сигналы, для этого применяются микрофоны. Первую удачную попытку создания «механического уха» осуществил немецкий учитель физики Иоганн Филипп Рейс (1834-1874) в 1861 г. роль барабанной перепонки выполнял кусок кожи с укрепленной посередине пластинкой, имеющей углубление, наполненное ртутью. Под влиянием звуковых волн «перепонка» начинала колебаться, погружая или извлекая платиновый штифт из ртути. В цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался или размагничивался, создавая звучание. Поскольку устройство Рейса неудовлетворительно передавало тембр звука, оно не нашло практического применения. Усовершенствовать аппарат удалось американскому профессору Дэвиду Юзу (1831-1990) в 1878 г. Мембрана в микрофоне Юза давила на угольный порошок, изменяя сопротивление между электродами, таким образом, звуковые волны преобразовывались в электрические сигналы. Угольные микрофоны до сих пор используются в телефонии.