Для школьников.
Мы живём в век чуда. Можем в любой момент поговорить с людьми, находящимися далеко от нас, послушать интересующую нас речь, музыку и т. д. Люди всегда мечтали о таких возможностях, но эти мечты стали осуществляться только в последней четверти 19 века.
Сейчас поговорим о том, как пришли к мысли о возможности передачи звука по проводам.
Передача звука на расстояние по проводам. Электроакустические приборы
Изобретателем проводного вещания считается американский физик Белл, предложивший в 1876 году способ передачи звука с помощью электромагнитной индукции.
Прежде чем говорить об опытах Белла, вспомним теорию, рассмотренную нами ранее, и нужную сейчас.
А ранее мы говорили о том, что заряженные тела (точечные заряды) взаимодействуют с силой Кулона и могут механически перемещаться;
что проводники с током тоже взаимодействуют (с силой Ампера) и тоже могут совершать механическое движение;
что в электродвигателях благодаря электрическим силам появляется механическое движение.
По аналогии можно предположить, что электрические колебания могут порождать механические колебания звуковых частот (звуковые колебания), и наоборот.
Что называют электрическими колебаниями?
Электрические колебания совершаются, когда электрическая величина (сила тока, напряжение и др.) может периодически повторять свои движения.
Так, переменный ток в городской сети есть электрические гармонические колебания силы тока. Графически он изображается так же, как и гармонические звуковые колебания, то есть синусоидой.
Теперь посмотрим какова суть опытов Белла.
Намотав катушку из изолированной проволоки на намагниченный железный сердечник и поднеся к сердечнику звучащий камертон, Белл обнаружил появление в катушке переменного тока.
Получается, что звуковые колебания камертона породили электрические колебания тока в катушке. Объясним это явление.
В отсутствие колебаний камертона, в катушке, намотанной на сердечник, тока нет, так как нет изменения магнитного потока через витки катушки (магнитное поле сердечника постоянно).
Когда камертон колеблется (он то приближается к торцу сердечника, то отдаляется от него), то меняется магнитный поток через камертон. В камертоне возникает индукционный переменный ток, который порождает своё переменное магнитное поле.
Это поле меняет магнитное поле сердечника, то усиливая его, то ослабляя. В результате меняется магнитный поток через витки катушки, намотанной на сердечник, и в ней возникает переменный ток (электрические колебания).
Белл продолжил опыты, взяв два таких сердечника с катушками и установив вблизи торцов обоих сердечников по камертону, а концы катушек соединил. Белл обнаружил, когда первый звучащий камертон возбуждал ток в своей катушке, начинал звучать и второй камертон.
Затем Белл заменил камертоны тонкими проводящими пластинками (мембранами).
Колебания первой пластинки под действием голоса воспроизводились второй пластинкой. Для преобразования акустических колебаний в электрические Беллом был применён угольный микрофон.
Пользуясь описанной установкой, Белл пригласил к себе друга. Расстояние между ними было небольшим, и звук был слабым, но стало понятно что звук можно передавать на расстояние по проводам.
Белл говорил в микрофон (под действием его голоса колебалась первая мембрана), а его друг слышал колебание второй мембраны (телефона). (Слово телефон было введено Беллом).
Проводное вещание
Описанное выше по существу объясняет проводное вещание, передаваемое от вещательной станции слушателям посредством электрических колебаний, распространяющихся по проводам.
Проводное вещание впервые появилось в нашей стране. Первый узел проводного вещания мощностью 40 Вт был создан в Москве в 1925 году. Он обслуживал 50 громкоговорителей, установленных на улицах.
Проводное вещание отличалось высоким качеством передач, надёжностью, экономичностью, поэтому оно получило быстрое распространение. Почти в каждом доме, каждой квартире были динамики (краткое название электродинамического громкоговорителя).
Динамик - это электроакустический прибор, служащий для преобразования энергии переменного тока (электрических колебаний низкой частоты) в энергию звуковых колебаний.
На рисунке ниже показано устройство электродинамического громкоговорителя:
В динамике имеется сильный постоянный магнит М с магнитной цепью в виде буквы Ш. Около одного конца его центрального стержня имеется зазор, в котором помещается лёгкая звуковая катушка ЗК. В звуковую катушку поступает ток низкой частоты, благодаря взаимодействию переменного магнитного поля этой катушки с постоянным полем магнита возникают колебания катушки вдоль зазора.
Чтобы звуковая катушка была расположена точно в середине зазора и не касалась стенок магнита, применяют специальную центрирующую шайбу ЦШ, которая изготовляется из гибкого материала. Края шайбы приклеены к краям каркаса звуковой катушки. Своей серединой шайба укрепляется на центральном стержне магнита так, чтобы центры стержня и шайбы совпадали совершенно точно.
К каркасу звуковой катушки приклеен конусный диффузор Д из бумаги, края которого имеют гибкое крепление к кольцевому корпусу динамика.
При прохождении по катушке переменного тока звуковой частоты, происходит его взаимодействие с магнитным полем постоянного магнита. Возникают механические (звуковые) колебания диффузора - слышна речь.
Сейчас звуковое вещание, в своё время широко распространённое в нашей стране, почти полностью вытеснено беспроводным радиовещанием.
Кроме проводного вещания существуют проводные телефонные аппараты.
Посмотрим как они работают на примере прежнего городского телефонного аппарата с цифрами.
В трубке телефонного аппарата содержится микрофон (располагается вблизи губ при разговоре) и телефон (располагается при разговоре около уха).
В корпусе телефонного аппарата размещено вызывное устройство ( в рассматриваемом аппарате это звонок) и номеронабиратель, цифрами выходящий наружу.
Микрофон и телефон - это электроакустические приборы.
Микрофон служит для преобразования звуковых колебаний речи в электрические колебания звуковой частоты, а телефон, наоборот, предназначен для преобразования электрических колебаний в звуковые.
На следующем рисунке схематически показано устройство электромагнитного телефона.
В корпусе К телефона находится постоянный стальной магнит с полюсными наконечниками из мягкой стали, на которые насажены электромагнитные катушки ЭК с большим числом витков из тонкой проволоки. На корпусе лежит тонкая жестяная мембрана ЖМ. Между мембраной и полюсными наконечниками имеется небольшой воздушный зазор. Мембрана прижимается по краям к корпусу навинчивающейся крышкой А, имеющей в центре отверстие.
Когда в катушках телефона нет тока, под действием постоянного магнита мембрана притягивается к полюсам и несколько прогибается (рис. б).
Когда по катушкам проходит переменный ток, сила притяжения постоянного магнита всё время меняется. Положительная полуволна переменного тока усиливает магнит, так как создаёт в полюсных наконечниках магнитное поле, складывающееся с магнитным полем постоянного магнита, и мембрана прогибается сильнее.
Отрицательная полуволна переменного тока создаёт магнитное поле, противоположное по направлению полю постоянного магнита - получается ослабление магнита, и мембрана отходит (рис. б).
В результате мембрана колеблется в обе стороны от первоначального положения с частотой переменного тока, проходящего по катушкам телефона, и ухо, к которому приложен телефон, слышит звук.
Так же устроен электромагнитный микрофон, только в нём, наоборот, энергия звуковых колебаний преобразуется в энергию электрических колебаний.
А именно, под действием звука мембрана микрофона колеблется, изменяется магнитный поток через неё. Возникший в мембране переменный ток создаёт переменное магнитное поле, изменяющее магнитное поле постоянного магнита.
В результате изменяется магнитный поток через витки катушек, и в катушках возникает переменный ток, частота которого равна частоте звуковых колебаний мембраны.
Возвращаемся к телефонному аппарату.
Провода микрофона и телефона, находящихся в концах трубки телефонного аппарата, соединяются при наборе номера абонента на телефонной станции (а не в самой телефонной трубке).
Рассмотрим принцип работы квартирного звонка.
На рисунке ниже показана схема включения звонка в электрическую сеть:
Для работы звонка нужно низкое напряжение 36 В, поэтому звонок подключается к электрической сети с напряжением 220 В через понижающий трансформатор.
При нажатии кнопки К электрическая цепь звонка замыкается - ток проходит через обмотку электромагнита 1, якорь 2 электромагнита (якорь электромагнита - это подвижная часть магнитопровода) и винт самопрерывателя 3.
При этом якорь притягивается к сердечнику электромагнита, и боёк, связанный с ним, ударяет по чашечке звонка.
При притягивании якоря между ним и винтом 3 образуется зазор, ток прерывается, электромагнит обесточивается, и якорь силой плоской пружины 4 возвращается в исходное положение. Цепь электромагнита при этом снова замыкается, и боек ещё раз ударяет по чашечке. Так периодически повторяется работа звонка, пока кнопка нажата.
(Про электромагнит. Электромагнит обычно состоит из проводящей обмотки и ферромагнитного сердечника (неподвижной части магнитопровода). При пропускании по обмотке электрического тока сердечник намагничивается. Электромагниты используются в основном для создания магнитного потока (в электрических машинах) и для создания усилия (в приводных механизмах). Во втором случае электромагнит содержит якорь - подвижную часть магнитопровода).
После открытия радио русским физиком и изобретателем А.С. Поповым появилось беспроводное радиовещание - передача звука с помощью электромагнитных радиоволн. Про них будем говорить позднее, в теме "Электромагнитные волны".
В настоящее время широчайшее распространение получила мобильная связь. О мобильной связи можно послушать, пройдя по ссылке:
Запись звука и его воспроизводство
Возможности записывать звуки (речь, музыку) и воспроизводить их (слушать) появилась только в 1878 году, когда американским учёным Эдисоном был изобретён фонограф и сделана первая звуковая запись.
Фонограф Эдисона работал следующим образом. Звуковые колебания через рупор приходили на тонкую металлическую пластинку с укреплённой на ней иглой. Игла едва касалась поверхности цилиндра, покрытого оловянным листом.
При вращении цилиндра игла слегка царапала его поверхность, а сам цилиндр смещался вдоль своей оси. Под действием звукового давления пластинка колебалась, прижимая иглу к цилиндру с различной силой, оставляя в виде спирали борозду переменной глубины (фонограмму).
На рисунке ниже показан сильно увеличенный разрез звуковой борозды.
Профиль дна борозды показывает колебание конца иглы. Запись этих колебаний на цилиндре, полученная Эдисоном, и есть запись звука.
Чтобы воспроизвести эти звуки, иглу помещали в начало спирали и с той же скоростью вращали цилиндр. От пластинки (мембраны) колебания передавались воздуху и были слышны записанные на цилиндр звуки.
При усовершенствовании фонографа олово на поверхности цилиндра заменили воском. Затем цилиндр заменили восковой пластинкой, на которую борозда также наносилась по спирали, но колебания иглы шли не в глубину борозды, а по её ширине.
Этот усовершенствованный прибор был назван граммофоном, а пластинки граммофонными пластинками.
С развитием науки и техники улучшалось качество пластинок и качество записи звука на них.
Рассмотренная запись звука называется механической. Механическая запись на граммофонных пластинках получила очень широкое распространение из-за простоты воспроизведения звука.
Ниже показана схема механической звукозаписи и её воспроизведения:
С развитием науки и техники появились фотографическая и магнитная способы записи звука.
При фотографической звукозаписи в такт со звуковыми колебаниями изменяется сила или форма светового луча, падающего на движущуюся киноплёнку. В результате звук оказывается "сфотографированным":
После химического проявления на плёнке образуется затемнённая дорожка записи, её прозрачность или ширина изменяются по длине плёнки в соответствии с записанными колебаниями.
Для произведения звукозаписи фотографическую фонограмму, которая двигается с той же скоростью, с какой двигалась плёнка при записи, просвечивают лучом света, проходящим сквозь дорожку записи. Проходящий через плёнку свет становится то ярче, то тусклее. Мигающий свет превращают в ток с помощью фотоэлемента.
Фотоэлемент - это прибор, использующий явление фотоэффекта. Подробно о фотоэффекте будем говорить много позднее. Сущность фотоэффекта заключается в том, что свет способен вырывать из некоторых металлов электроны, заряжая при этом металл (металлическую пластинку) положительно.
Как происходит воспроизведение звука, записанного на фотографической фонограмме?
Узкий пучок света проходит через звуковую дорожку на фотоэлемент. Фотоэлемент преобразует колебания силы света в электрические колебания. Вызванный им электрический ток идёт по обмотке электромагнита. И тот с различной силой (в зависимости от яркости упавшего на элемент света) притягивает мембрану и заставляет её воспроизводить звуковые колебания.
Запись звука светом применяется в кино. Звуковая дорожка находится на краю киноленты: свет, проходящий через неё, направляется не на экран, а на фотоэлемент.
Позднее стали применять магнитную запись звука.При магнитной записи в такт со звуковыми колебаниями намагничиваются отдельные участки носителя - магнитной ленты, покрытой тончайшим слоем ферромагнитного порошка, движущейся через магнитное поле.
Лента намагничивается тем сильнее, чем больший ток возбуждён в катушке звуком. Магнитное поле создаётся магнитной головкой, через обмотку которой проходят усиленные электрические токи микрофона.
При воспроизведении происходит обратное преобразование: движущаяся магнитная фонограмма возбуждает в магнитной головке электрические сигналы. В обмотке возникнет ток, изменяющий свою величину в зависимости от намагниченности ленты. После усиления этот ток пропускают через обмотку другого электромагнита, который заставляет мембрану совершать колебания, и звук воспроизводится.
У магнитной записи есть существенные преимущества перед световой. Магнитную запись можно прослушать, а затем стереть с плёнки. Для этого достаточно протянуть плёнку около магнита, по которому течёт быстро изменяющийся переменный ток. При этом плёнка многократно перемагнитится, следы записанного звука исчезнут, и можно делать новую запись. Для записи и воспроизводства звука был создан удобный прибор, названный магнитофоном.
В 1979 г был создан новый носитель звука - оптический диск. Благодаря лазерному лучу звуковые сигналы записывались на вращающийся диск цифровым методом. На диске образовывалась спиральная дорожка, состоящая из гладких участков и неровностей.
При воспроизводстве звука лазерный луч перемещался по поверхности диска и считывал записанную информацию. При прочтении впадин были 0, а ровные участки, отражающие свет, соответствовали 1. Такая запись даёт качественный звук. (Про лазеры будем говорить много позднее).
Компьютер воспринимает только цифровую информацию, закодированную в двоичной системе исчисления. Поэтому появилась необходимость преобразовывать аналоговый звуковой сигнал в цифровой - он сохраняется на жёстком диске в компьютере. При прослушивании сделанной записи её надо снова преобразовать из цифрового сигнала в аналоговый.
О преимуществах и недостатках аналогового и цифрового звука услышите, пройдя по ссылке:
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Звуковые колебания. Тембр звука. Акустический резонанс.
Следующая запись: Незатухающие колебания. Автоколебания.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .