Полезно знать Звук Передача звука на расстоянии и его усиление

Передача звука на расстоянии и его усиление

граммофон, старый рупорЗа несколько десятилетий до того, как Эдисон записал звуковые сигналы на фонограф, люди научились передавать звук на дальние расстояния. Они заставили его странствовать по проводам.

В середине прошлого века, когда быстро развивалась электротехника, был изобретен телеграф.


Электрические сигналы в течение долей секунды доносились по проводам из одного города в другой, из одной страны в другую. Связь между людьми на Земле значительно улучшилась. Если самые быстроходный корабль доставлял почту из Европы в Америку примерно через неделю, то проложенный по дну Атлантического океана в конце XIX века телеграфный кабель сделал связь между этими континентами таким же быстрым как между Парижем и Марселем или между Лондоном и Ливерпулем.

И все же телеграф имеет один существенный недостаток. Он нуждается в квалифицированных телеграфистов на обоих концах линии связи, которые переведут любое сообщение на специальный язык - систем точек и тире, так называемую азбуку Морзе, передадут этой азбукой сообщения по проводам, а потом снова переведут его на обычный человеческий язык. Этот процесс требует определенного времени и значительного количества работников-телеграфистов.

А нельзя передавать не систему точек и тире, а обычные звуковые сигналы? Над этим вопросом думали многие ученые. Среди них был и американский физик Белл 1. Он рассуждал примерно так. Телеграфный аппарат отличался от от современного звукового оборудования использует явление электромагнитной индукции. Его открыл в 1831 году английский ученый Майк Фарадей. Это явление заключается в том, что когда к любому замкнутого проводника преподнести магнит, то в проводнике возникнет электрический ток. Напротив, когда пропустить ток через катушку с проволокой, в катушке и вокруг нее возникнет магнитное поле. Телеграфист, работая ключом, то включает, то выключает ток. Нажал на ключ, краткий миг, в проводнике «побежал» короткий импульс тока (точка), подержал ключ нажатым несколько дольше и передается длинный импульс (тире). На приеме ток проходит через катушку электромагнита. Магнитное поле как при этом возникает, то притягивает, то отпускает сердечник-якорь. На бумажной ленте появляются телеграфные знаки - точки и тире.

«Что будет, когда заменить ключ электромагнитом? - Подумал Белл - Не удастся передать таким сжатием?».

И тогда были проведены следующие опыты. Два одинаковых электромагниты включили в электрическое поле и поместили в соседних комнатах (рис. 1). Близко от электромагнитов приладили камертоны. Двери между комнатами плотно закрыли. Так что никакой звук из комнаты в комнату проходил. И вот в одной комнате разбудили камертон и преподнесли его совсем близко к электромагнитной катушки. И в это время, в другой комнате камертон также зазвенел! Вышло так, что звук можно передавать с помощью электромагнитов.

Белл знал об электромагнитной индуктивности, и легко объяснил результаты своего опыта. Камертон 1 колебался в магнитном поле электромагнита 2, и в такт его колебаниям менялась величина магнитного поля. В обмотке электромагнита возникал индукционный ток, что менялся с частотой колебаний камертона. Проходя по обмотке электромагнита 4, этот ток создавал в его сердцевине переменное магнитное поле. Сила притяжения между ножками камертона 5 и сердечником электромагнита менялась в такт звуков первого камертона. Второй камертон начинал колебаться. Поскольку оба камертона были одинаковы, то возникало явление резонанса.

 

камертоны электромагниты батарея

Рис. 1. Схема экспериментов Белла: 1,5 - камертоны; 2,4 -электромагниты; 3 - батарея


Для передачи звуков человеческой речи Белл на передающем и приемном концах заменил камертоны тонкими стальными пластинками-мембранами. Под действием звуковых волн мембрана передающего аппарата начинала колебаться и выполняла те же функции, что и камертон. Она меняла величину магнитного поля, и в обмотке электромагнита возникал переменный ток индукции. В приемном электромагните этот ток заставлял колебаться такую же мембрану, которая возбуждала в воздухе звуковые волны. Так родился телефон. Слово «телефон» означает «дальний звук». Благодаря опытам Белла звук начал странствовать от одного населенного пункта к другому.

Сначала разговаривали по телефону по очереди. Когда один из собеседников говорил, то второй прикладывал ухо к аппарату и слушал. Впоследствии прибор усовершенствовали. В него встроили специальное устройство, названный микрофоном. Микро означает «малый», фон - «звук». Если слово «телефон» полностью соответствует его, так сказать, назначению - быть «далеким звуком», то название микрофон менее удачна, поскольку назначение микрофона - превращать звуковые сигналы в электрические, а не только улавливать слабые звуки. Кстати, даже современные микрофоны не всегда способны улавливать слабые, то есть едва слышные звуки.

Первый микрофон изготовил ученый Юз. В этом микрофоне (рис.2) между двумя угольными чашечками 1, 4, разделенными кольцом из мягкой резины 3, был тонкий угольный стержень 2. Чашечки проводниками соединялись с батареей. Они улавливали малейшие колебания воздуха и тоже начинали колебаться. Сила прижима стержня к чашечек изменений. Одновременно менялась и площадь контакта между стерженьком и чашечками. Следствием этого было изменение тока, проходившего через микрофон, потому сопротивление устройства менялось в такт звуковому. Так происходило преобразования звуковых колебаний в переменный электрический ток.

 

Элементы микрофона Юза

Рис. 2. Элементы микрофона Юза


В угольных микрофонах, которые применялись во всех телефонных аппаратах 80-х годов, угольные чашечки заменены металлической коробочкой с изолированной от корпуса тоненькой мембраной. Между мембраной и корпусом насыпан мелкозернистый угольный порошок, который при колебаниях сжимается, то больше то меньше, его сопротивление меняется, а следовательно изменяется и ток. Имея высокую чувствительность, угольные микрофоны наиболее соответствуют своему названию, однако не могут обеспечить высокого качества звукопередачи. Для магнитной записи использовали совершенный динамический микрофон. В профессиональном звукозаписи (грамзапись, кино, радиовещание) применяют высококачественные конденсаторные и ленточные микрофоны. Современные электромагнитные телефоны (рис. 3) также значительно отличаются от своих предшественников, сконструированных Беллом. Они состоят из корпуса 1, закрывается крышкой 4 с отверстием 5. Колебания возбуждается электромагнитом 2, насаженный на намагниченный стальной стержень и мембраной 3. Зачем в телефонах ненамагниченный сердечник? Дело в том, что магнит притягивает к себе мембрану с определенной силой. Когда по обмотке проходит ток звукового сигнала, то сила притяжения растет, либо уменьшается в зависимости от направления тока. Мембрана колеблется в такт звуку. Если бы магнита не было, то мембрана течение одного периода колебаний дважды привлекалась бы к сердечнику при каждом росте тока, независимо от его направления. Она колебалась бы вдвое чаще, вследствие чего возникали значительные искажения.

 

Строение электромагнитного телефона

Рис. 3. Строение электромагнитного телефона

 

С изобретением радио и телевидения странствия звука значительно расширились. Он стал преодолевать огромные расстояния и нести людям не только информацию о событиях в мире, но и музыку, пение. По всей нашей стране еще до войны была создана сеть радиотрансляции.

Радио пришло в каждый дом. Слушать радиопередачи с помощью головных телефонов стало неудобно. Куда удобнее было бы, если бы телефоны громкоговорящие, т.е. говорили так громко, чтобы их одновременно могли слышать несколько слушателей. Такие громкоговорящие телефоны, или громкоговорители, были сконструированы еще в 20-х годах. Электромагнитный громкоговоритель отличается от телефонов тем, что в нем звуковые волны в воздухе возбуждает не мембрана, а соединенный с мембраной бумажный рупор - диффузор. Ваши родители и бабушки хорошо помнят громкоговорители типа «Рекорд», которые большими черными глыбами висели на стенах комнат. Впоследствии их заменяет совершенные динамические громкоговорители, которые звучали значительно качественнее.

 

громкоговоритель

Рис. 4. Динамичный громкоговоритель (динамик)

 

Динамический громкоговоритель 2 (рис. 4) состоит из диффузора 6, дифузородержателя 5, центрирующий шайбы 4, звуковой катушки 3, и магнитной системы 1, 2, 8. Бумажный конус-диффузор 6 приклеен к металлическому или пластмассовому дифузородержателю 5 своим краем (гофром) 7 и центрирующий шайбой 4, назначение которой - центрировать положение звуковой катушки 3 в зазоре магнитной системы.Кольцевой магнит 2 и сердечника 1 (так называемый керн) приклеены к дифузородержателю 5 и шайбы из мягкого железа 8. Между керном 1 и магнитом 2 является зазор 0,5 ? 2,0 мм, в котором создается сильное магнитное поле. На бумажном кольце, приклеенном к узкой части диффузора, намотанная тонким изолированным проводом (40-80 витков), звуковая катушка. Концы катушки приклеены к диффузору и соединены гибким проводом с выводами.

Когда в звуковой катушке громкоговорителя проходит ток, то возникает магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянным полем магнитной системы и катушка втягивается или выталкивается из зазора (в зависимости от направления тока). Под воздействием электрического звукового сигнала катушка колеблется в такт звука и так же колеблется диффузор. Он толкает прилегающие слои воздуха и возбуждает в нем звуковые волны.

Громкость звучания зависит от поданной на громкоговоритель мощности звукового сигнала и чувствительности громкоговорителя. Каждый громкоговоритель характеризуется такими показателями, как чувствительность, номинальная мощность, рабочий диапазон частот, резонансная частота механической системы и коэффициент нелинейных искажений.

Чувствительность, или так называемый стандартное звуковое давление, показывает, какое давление (в Па) создается в среднем на расстоянии и в направлении оси громкоговорителя при подведении к нему мощно 0,1 Вт на определенных звуковых частотах. Эта величина для различных динамиков различна и составляет чаще 0,1-0,3 Па.

Номинальная мощность показывает, какую мощность можно подавать на громкоговоритель, чтобы искажения не превышали заданного уровня (как правило, до 5-7%). По рабочим диапазоном частот громкоговорители разделяются на низкочастотные (40 ? 500 Гц), среднечастотные (2004 ? 5000 Гц), высокочастотные (1000 ? 20 000 Гц) и широкополосные (63 ? 12 500 Гц).

Поскольку центрирующая шайба и гофр диффузора имеют определенную упругость, то колебательная система громкоговорителя на определенной частоте, называемой резонансной, имеет наибольшую амплитуду колебаний. Резонансная частота современных громкоговорителей составляет от 20-30 до Гц 1-2 кГц (в зависимости от типа). Исследования ученых показали, что все громкоговорители эффективно воспроизводят только частоты, высокие из резонанса. Поэтому для низкочастотных динамиков резонансную частоту стараются по возможности снизить.

Любой громкоговоритель излучает колебания не только тех звуковых частот, представленные на него, но и более высокочастотные. Это происходит вследствие определенной нелинейности его подвижной части. Возникают так называемые нелинейные искажения и звуки становятся хриплыми или напоминающие металлический призвук. Нелинейные искажения не превышают 2%, человек практически не улавливает. На низких частотах искажения еще менее заметны, поэтому на частотах 20 ? 30 Гц искажения допускается до 5 ? 7%. Нелинейные искажения снижаются при снижении подведенной к громкоговорителю мощности. Вот почему высококачественные акустические системы работают на мощностях, гораздо меньших номинальной.

Порой можно услышать, что чем большую мощность имеет усилитель и громкоговоритель, тем лучше. Действительно ли так? Не совсем. Большая мощность громкоговорителя, когда ее полностью использовать, может вызвать ряд нежелательных и даже опасных явлений, таких как расстройство нервной системы и заметное ухудшение слуха. Радиотрансляционный динамик имеет мощность всего 0,25 Вт, а подводится к нему еще меньше - не более 0,15 Вт. Однако, громкости вполне достаточно, чтобы хорошо было слышно как языковые, так и музыкальные передачи. Отсюда можно сделать вывод, что в бытовых помещениях вполне достаточной является мощность звуковоспроизводящего устройства до нескольких ватт. Даже имея мощные усилители и громкоговорители, мы не пользуемся большей мощностью, потому что слишком громкие звуки раздражают и подавляют нас. Зачем же тогда выпускают бытовые приборы большой мощности? Прежде всего, для того чтобы воспроизведение не приводило к большим искажениям и можно было вводить частотную коррекцию, не боясь перегрузок.

Еще одним важным параметром громкоговорителя, от которого зависит мощность, выделяемая на громкоговорители, является полное сопротивление звуковой катушки. Это сопротивление звуковой катушки в переменном токе частотой 1 кГц. Современные динамические громкоговорители имеют сопротивление 4, 6, 8, 10 Ом. Для улучшения звуковоспроизведения (особенно на низких частотах) громкоговорители помещают в деревянные ящики, заполненные звукопоглотителем. Чем большего размера ящик, тем лучше громкоговоритель воспроизводит низкие частоты. Поскольку один громкоговоритель не может качественно воспроизвести весь диапазон звуковых частот, то в современных высококачественных акустических системах содержащих по несколько громко - вещателей - отдельно для низких, средних и высоких частот. Такие акустические системы называют трехголосными.


- сноски -
1 Тот самый, с чьим именем связано децибел (дБ).

2 Последним временем говорят «динамическая головка прямого излучения». Мы сохраняем старое название, как более понятное.

 

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Форма обратной связи

...