Сырье и продукция электроники.
Т-88. Информация играет исключительно важную роль в природных процессах, в работе машин.
В энциклопедическом словаре, изданном еще сравнительно недавно, слово «информация» объясняется так «Информация — сообщение, осведомление о чем-либо, например информация через печать, радио, документальное кино и т п » У нынешнего специалиста в области вычислительной техники, языкознания, космической связи или физиологии подобное определение, скорее всего, вызовет улыбку оно затрагивает лишь небольшую часть того, что сейчас принято называть информацией
Информация—очень широкое понятие И очень глубокое Она признана одной из самых важных, самых универсальных характеристик огромного множества объектов и процессов Появились даже самостоятельные области знаний—кибернетика и информатика, для которых главный объект исследований—информация, но уже, конечно, в современном, широком смысле этого слова
Не будем разбираться в нынешних официальных определениях понятия «информация» Для наших практических целей пока достаточно самого общего представления о ней
Можно было бы сказать, что информация—это некоторые сведения, записанные о каких-либо объектах или процессах
Информация содержится в структуре молекул, и чем сложней молекула, чем разнообразней ее структура, тем больше в ней информации Информация содержится в телевизионной картинке, в музыкальном аккорде, в чертеже, рукописи, зубчатом колесе часов, в шестиграннике гайки, в серии радиосигналов, посланных на космический корабль А вот чистый лист бумаги не несет никакой информации И постоянный ток—тоже И в равномерном потоке воздуха ничего не записано Информация—это всегда какие-то изменения, изменения интенсивности, формы, яркости, частоты, ассортимента, конфигурации
Соединяясь в сложные агрегаты, молекулы узнают друг друга по той информации, которая содержится в их структуре Информация, записанная в рельефе берегов реки, ворочает огромными массами воды, заставляет ее поворачивать то влево, то вправо Возвращаясь из школы, вы открываете дверь квартиры своим ключом только потому, что в сложном узоре данного ключа содержится информация об устройстве данного замка
Можно привести бессчетное множество примеров, подтверждающих, что информационные процессы, информационные взаимодействия играют исключительную роль в природе, в технике И в последнее время все отчетливей понимается, что информация относится к числу фундаментальных характеристик нашего мира, к понятиям такой же важности, как, скажем, вещество и энергия
Т-89. В живых организмах информационные биологические системы осуществляют сбор, переработку и хранение информации.
Когда вы нажимаете кнопку электрического звонка, то передаете звонку некоторую информацию, посылаете сообщение «н^жно звонить»
Информацию эту переносит переменный ток, который при нажатии кнопки поступает в катушки электромагнита и сам же приводит в движение молоточек звонка А вот когда оператор посылает на спутник радиосигнал, который должен включить двигатель коррекции, то этому сигналу самому работать не нужно Он должен только перенести на спутник определенную информацию, передать соответствующую команду, а там уже найдутся другие источники энергии, которые в соответствии с полученной информацией сами включат, что нужно, или выключат В этом втором примере мы встречаемся со специализированной информационной системой, вся работа таких систем только в том и состоит, чтобы собирать, хранить, передавать или перерабатывать информацию Изобретатель первых специализированных информационных систем —живая природа Уже у простейших микроорганизмов есть молекулярные «приборы», собирающие информацию об окружающей среде, и, в зависимости от химических веществ, действующих на эти «приборы», микроорганизмы либо движутся в сторону пищи, либо бегут из вредной для них среды А еще у всех представителей живого, от одноклеточной водоросли до кашалота, есть специализированные хранилища информации — сложные молекулы нуклеиновых кислот, на которых языком химических соединений записана подробнейшая информация об устройстве данного вида живых организмов Только благодаря этим подробным чертежам живые организмы точно воспроизводятся при размножении, и из кошки получается кошка, а не дельфин, не стрекоза и не табуретка
За миллиарды лет биологической эволюции живые организмы усложнялись и совершенствовались, и при этом усложнялись и совершенствовались их информационные системы На какой-то стадии у представителей животного мира появился особый информационный орган, точнее, целая система органов—нервная система Сначала довольно простая, из нескольких нервных клеток, а затем все более сложная, способная выполнять много самых разных задач по сбору, хранению и переработке информации
Наибольшего совершенства достигла эта система у человека В нашем организме миллиарды клеток-рецепторов (собирателей информации) измеряют освещенность, давление, температуру, химический состав, собирают сведения о том, что происходит внутри организма и за его пределами Скажем, о том, в какой степени насыщен кислородом воздух, достаточно ли быстро движется кровь в сосудах, холодно ли на улице или насколько много сахара в чае Вся эта информация по внутренним линиям связи— нервным волокнам — поступает в мозг, там по необходимости к ней добавляются кое-какие сведения из памяти, и все это вместе как-то перерабатывается, превращается в итоге в команды управления Некоторые из этих команд, например «увеличить глубину дыхания» или «добавить в кровь адреналин», выполняются автоматически, а некоторые, например «добавить в чай ложку сахара» или «надеть теплую куртку», мы выполним сознательно Одна из информационных систем человека связана с приемом и обработкой акустической, звуковой информации Слух помогал нашим далеким предкам ориентироваться в сложном и опасном мире, а с появлением речи способствовал объединению людей, становлению общества
Примечательно, что в числе первых достижений радиоэлектроники—помощь нашим природным акустическим линиям связи, увеличение их дальности диктора, говорящего перед микрофоном в радиостудии, люди слышат за тысячи километров
Мы начинаем знакомство со звуковыми информационными системами с типичного источника звука — колеблющейся струны
Т-9О. В процессе свободных колебаний струна меняет скорость и направление, движется то туда, то обратно.
Физические, химические, биологические и всякие иные процессы могут протекать по-разному В одних случаях мы видим нарастание какой-либо величины — нарастает скорость падающего камня, температура поставленного на плиту чайника с водой, вес зреющего на поле арбуза В других же процессах мы наблюдаем уменьшение чего-либо, убывание — убывает вода в дырявом ведре, напряжение пружины часов, скорость автомобиля, у которого на ровной дороге заглох двигатель А есть еще и такие процессы, в которых происходит непрерывная смена нарастаний и убываний, процессы, которые без всякого вмешательства извне меняют свое направление, сами по себе идут то туда. то обратно Это так называемые свободные колебания, примером которых могут слоить колебания гитарной струны (Р-62)
Вы слегка оттянули гитарную струну и передали ей некоторую порцию энергии Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда двигаем по столу книгу, ударяем спичкой по коробке или ногой по футбольному мячу И всякий раз отданная нами энергия сразу находит своего главного потребителя, расходуется на какое-нибудь полезное дело — на получение тепла, на борьбу с трением или сопротивлением воздуха
Иначе обстоит дело с оттянутой струной Здесь мы встречаемся сразу с несколькими потребителями энергии, причем два из них, взаимодействуя друг с другом, как раз и заставляют струну совершать колебательные движения Когда мы оттягиваем стальную струну, отводим ее от условной средней линии (Р-62), то затраченную нами на это энергию сразу же захватывает первый из двух потребителей—упругая деформация стали
Упругая деформация — явление сложное, оно связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью Когда мы сгибаем, то есть деформируем (меняем форму), стальную пружину или сжимаем, деформируем резиновый мяч, то затрачиваем энергию именно на то, чтобы преодолеть силы внутренней упругости Но энергия эта не пропадает безвозвратно Деформированное упругое тело, как только у него появится возможность, вернется в свое первоначальное состояние и почти полностью (обратите внимание на это слово «почти», о нем придется поговорить особо) вернет полученную энергию
Это хорошо видно на примере часов когда вы заводите их, то пружина деформируется и запасает определенную энергию, а затем в течение суток почти полностью отдает ее, вращая шестеренки часового механизма И также ведет себя оттянутая стальная струна Она не потребляет, а лишь накапливает энергию и при первой возможности отдает ее Отдает, но кому?
Спортсмен, который обычно прыгает в длину на семь-восемь метров, не преодолеет и четырех, если лишить его возможности разбега, заставить прыгать с места Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый запас энергии, который в момент прыжка добавляет к силе своих мускулов Физика очень точно определяет этот запас — это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в нашем примере — бегущий человек Чем больше масса тела и его скорость, тем больше этот запас, больше кинетическая энергия Это легко поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции Шоферы хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем сильнее он нагружен, тем труднее машину остановить, то есть погасить в тормозах ее кинетическую энергию
Кинетическая энергия у какого-либо тела, конечно, не появляется сама собой Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха—словом, с помощью любых источников энергии, способных толкать, двигать, вращать, способных «создавать скорость»
Теперь можно сказать, кто же этот второй потребитель энергии, участвующий в колебаниях струны Это движение Если, оттянув струну, вы отпустите ее на свободу, то силы упругой деформации постараются сразу же вернуть ее в исходное положение, к условной средней линии
При этом струна начнет двигаться и набирать скорость, а значит, увеличивать запасы кинетической энергии Но и эти запасы струна не хранит у себя, а постепенно отдает их И опять тотже вопрос—кому? В поисках ответа мы сейчас прокрутим — разумеется, условно, мысленно—небольшой учебный кинофильм
В зале медленно гаснет свет Звучит музыкальное вступление, и на экране появляются пляшущие буквы Буквы постепенно вытягиваются в три ровные линии, мы читаем название фильма «Свободные колебания струны» И тут же слышим голос диктора «Замечательная техника современного кино позволяет нам увидеть колебания гитарной струны, замедленные в несколько тысяч раз» На экране струна, натянутая между двумя массивными стойками Откуда-то со стороны выплывает рука, указательным пальцем цепляет струну и оттягивает в сторону На том месте, где только что была струна, остается пунктирная линия, и тут же возле нее появляется надпись «Линия покоя» Снова голос диктора «Оттянув струну, мы затратили некоторую энергию»
Палец отпускает струну Она начинает двигаться, сначала медленно, затем все быстрее Двигаясь, струна в какой-то момент сливается с пунктирной «линией покоя» Голос поясняет «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя Но остановиться здесь она не может почти вся энергия, которую мы передали струне, оттянув ее, теперь перешла в кинетическую энергию, и, только потеряв ее, струна сможет вновь обрести покой А пока она продолжает двигаться»
Проскочив пунктирную «линию покоя», струна продолжает двигаться и вновь изгибается, оттягивается, но теперь уже сама И конечно, изгибается в противоположную сторону Струна изгибается все сильнее Скорость ее уменьшается Голос диктора «Сейчас струна, истратив свою кинетическую энергию, остановится Но это лишь кажущийся покой — струна вновь деформирована, и силы упругости снова начинают двигать ее, вновь приближая струну к «линии покоя»
Диктор сказал правду мы действительно видим, как струна движется к пунктирной линии, вновь сливается с ней на какое-то неуловимое мгновение и, проскочив эту линию, продолжает двигаться Вот она уже почти на том же месте, куда когда-то оттянул ее палец Неуловимая остановка, и, изменив направление на обратное, снова в путь, снова к «линии покоя»
Однако не будем утомлять себя этим однообразным зрелищем Покинем на время кинозал и попробуем устроить небольшое обсуждение фильма.
Т-91. Свободные колебания—чрезвычайно широкий класс процессов, в которых происходит обмен энергией между двумя ее накопителями.
Мы видели, что струна сама по себе двигалась то туда, то обратно, то есть совершала свободные колебания Струна двигалась относительно некоторого устойчивого состояния, относительно «линии покоя» В процессе колебаний по синусоиде менялась скорость струны, по синусоиде менялось ее отклонение от средней линии Первопричина всего этого — обмен энергией между двумя накопителями, между силами упругости и движением Оба накопителя энергии существуют в натянутой струне не каждый сам по себе, они взаимосвязаны—упругая деформация стремится двинуть струну, создать у нее запас кинетической энергии, а кинетическая энергия стремится изогнуть струну, запасти в ней энергию в виде упругой деформации Поэтому, как только мы передали струне порцию энергии, накопители сразу же начали перебрасывать ее друг другу Начались свободные колебания
Все эти особенности характерны и для любых других видов свободных колебаний (Р-62. 6, 7) В колебаниях зажатой в тиски линейки участвуют незнакомые нам накопители — упругость и движение, в колебаниях маятника или качелей один из накопителей тот же — движение, а вместо упругой деформации работает поднятие маятника (качелей) на некоторую высоту чем выше поднято тело, тем больше энергии оно запасает и затем может отдать ее, двигаясь вниз
Свободные колебания — вид движений, очень распространенный и в природе, и в технике Можно наблюдать химические колебания, когда «туда-обратно» меняются концентрации определенных веществ Очень скоро мы увидим, как протекают электромагнитные колебания—обмен энергией между конденсатором и катушкой Даже в поведении человека нередки колебания, когда есть два накопителя, два решения, между которыми приходится выбирать
Есть у всех и всяких систем, в которых происходят свободные колебания, еще одна общая черта — частота колебаний f зависит от параметров накопителей энергии
Т-92. Чем медленнее накопители принимают и отдают энергию, тем ниже частота собственных колебаний.
Для свободных колебаний понятие «частота» имеет тотже смысл, что и для переменного тока (Т-68) — время полного цикла свободных колебаний называется периодом, а число периодов в секунду—частотой И единицы измерений те же для периода—секунды (сек), для частоты—герцы (Гц) Каким будет период свободных колебаний, какой будет частота, зависит оттого, насколько быстро обмениваются энергией ее накопители Так, например, чем больше масса струны, тем медленнее она набирает скорость и медленнее останавливается, двигаясь по инерции И поэтому с увеличением массы струны частота f свободных колебаний уменьшается Вот почему более толстые, более массивные струны колеблются медленнее, чем тонкие (Р-62. 8)
Частота колебаний струны зависит также от ее гибкости чем меньше натянута струна, тем более вяло протекает и поэтому дольше тянется процесс ее деформации и тем медленнее деформированная струна возвращается в исходное состояние Поэтому с уменьшением силы натяжения струны, то есть с ростом ее гибкости, податливости, частота собственных колебаний уменьшается Сущность этих зависимостей всегда одна и та же—частота свободных колебаний зависит только от параметров колеблющейся системы (часто говорят, колебательной системы) и, меняя эти параметры, можно менять частоту собственных колебаний
А теперь вернемся на несколько минут в наш кинозал, где колеблющаяся на экране гитарная струна поможет сделать еще один важный общий вывод
Т-9З. Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем выше ее добротность, тем дольше продолжаются свободные колебания.
Мы возвращаемся в кинозал и, как и следовало ожидать, видим на экране знакомые кадры струна по-прежнему движется туда-обратно и знакомый голос произносит все те же фразы « струну заставляет двигаться энергия упругой деформации » « она уже не может остановиться » « кинетическая энергия израсходована на то, чтобы вновь деформировать струну »
И все-таки что-то изменилось в движениях струны Теперь она чуть медленнее проходит мимо «линии покоя» и отклоняется от этой линии чуть меньше, чем в самом начале Еще несколько минут наблюдений — и уверенный вывод колебания постепенно затухают Ну что ж, это естественно, струна не может колебаться вечно Причину затухания колебаний тоже можно понять — это потери энергии Каждый раз при перекачивании энергии из одного накопителя в другой часть ее теряется на то, чтобы преодолеть трение воздуха, преодолеть внутреннее трение в самой струне В итоге запасы энергии, которые когда-то струна получила, постепенно иссякают, энергия превращается в тепло, которое, как в бездонную бочку, уходит в просторы воздушного океана
Чтобы оценить, насколько же бережно струна расходует свои запасы энергии, вводится специальная характеристика — добротность Q Чем больше энергии струна запасает по сравнению с тем, что она теряет при каждом перекачивании, тем выше добротность, тем, следовательно, медленнее затухают и дольше длятся свободные колебания (Р-62. 10,11)
Среди нескольких видов потерь энергии у струны есть, если можно так сказать, полезные потери Во всяком случае, эти потери, точнее говоря, затраты энергии, просто необходимы настоящей гитарной струне, которая должна создавать звук
Т-94. В процессе колебаний струна излучает звуковые волны.
Вы тронули гитарную струну, она пришла в движение, увлекла за собой окружающий воздух и во все стороны от струны пошли звуковые волны Их рождение в самом упрощенном виде можно представить себе так Двигаясь вперед, струна сжимает впереди себя воздух, создает повышенное давление Разумеется, область с повышенным давлением не может оставаться изолированной, давление передается соседним участкам, и от струны катится вал сжатого воздуха (Р-63)
Через какое-то время струна пойдет обратно, начнет возвращаться к «линии покоя», и в том месте, где она только что сжимала воздух, появится область разрежения, область несколько пониженного давления Область пониженного давления также не остается изолированной, и вслед за валом сжатия в пространство уходит вал разрежения А поскольку струна совершает колебания, непрерывно меняет свое направление, движется туда-обратно, то волны сжатия и разрежения будут уходить от струны одна за другой Такие волны сжатия и разрежения в воздухе или в другой среде— это как раз и есть звук
Т-95. Основные характеристики звука: период, частота, скорость, звуковое давление, сила звука.
Попробуем поставить на пути звуковой волны измеритель давления — манометр Причем отрегулируем его так, чтобы прибор показывал только изменение давления по сравнению с атмосферным Это значит, что при нормальном атмосферном давлении манометр будет показывать нуль, при некотором сжатии воздуха стрелка прибора пойдет вправо, при разрежении — влево (Р-63, 1) А под действием звуковой волны стрелка будет все время отклоняться от нуля то влево, то вправо Если бы мы успевали следить за всеми движениями стрелки и построили бы график звукового давления, то он оказался бы точной копией графика свободных колебаний струны А разве могло быть иначе? Звуковая волна рождена колеблющейся струной, поэтому изменение давления в любой точке, куда приходит звук, в точности повторяет все действия струны по сжатию и разрежению воздуха
Это позволяет прежде всего ввести такую характеристику звука, как частота—число полных циклов (периодов) изменения звукового давления в единицу времени Частота звука, естественно, равна частоте свободных колебаний создавшей его струны Если струна каждую секунду посылает в пространство 10 «сгустков» сжатия, то через любую точку пространства каждую секунду пройдет именно 10 таких «сгустков» Другая характеристика звука — скорость распространения — не требует, по-видимому, особых пояснений Нужно лишь отметить, что в воздухе скорость звука при 0 град С — около 330 м/сек,, что с повышением температуры она несколько повышается и что в других средах скорость звука может быть во много раз больше или меньше, чем в воздухе (Р-63, 6)
Зная скорость звука и его частоту, можно найти еще одну характеристику—длину звуковой волны Длина волны—это то расстояние, которое волна успевает пройти за время одного полного периода колебаний Так, например, при частоте 1 Гц, то есть при периоде 1 сек, длина волны составит в воздухе 330 м, в воде — около полутора километров, в стали — 5 километров, в резине — всего 50 метров С увеличением частоты длина волны, конечно, уменьшается чем меньше длится период, тем меньше расстояние успеет пройти волна (Р-63, 3,4) Звуковые волны иногда сравнивают с волнами на поверхности воды— гребень морской волны чем-то похож на область сжатого воздуха, впадина — на область разрежения Когда говорят о длине морской волны, то обычно имеют в виду расстояние между двумя ее соседними гребнями, и по аналогии можно сказать, что длина звуковой волны — расстояние между двумя соседними точками наибольшего сжатия У этого определения нет никакого противоречия с предыдущим — чем выше частота звука, тем чаще одна за другой следуют области сжатия и тем, естественно, меньше расстояние между двумя такими соседними областями
Работоспособность звуковой волны, ее энергетические запасы принято характеризовать двумя показателями звуковым давлением и силой звука Звуковое давление, также, скажем, как и переменная э д с , непрерывно меняется, и поэтому следовало бы говорить о его амплитуде, мгновенном и эффективном значениях Этой последней характеристикой пользуются чаще всего, и если нет никаких оговорок, то нужно считать, что речь идет об эффективном звуковом давлении, которое составляет 70% от амплитуды Единица давления получается, как единица силы (веса), отнесенная к единице площади, в системе СИ — это паскаль (Па), соответствующий одному ньютону на квадратный метр (Н/мА2) Оценить реальное значение этой единицы позволит такое сравнение если на стандартный лист фанеры (площадь около 2 мА2) вылить стакан воды (масса — около 200 г, вес—примерно 2 Н), то, равномерно распределившись по листу слоем толщиной примерно 0,05 мм, вода создаст давление как раз 1 Па = 1 Н/мА2 Как видите, 1 паскаль (1 Па) в наших житейских масштабах—очень небольшая величина, это всего лишь давление слоя воды более тонкого, чем лист бумаги В то же время звуковое давление 1 Па создает ощущение невыносимо громкого звука (С-11) Единицей звукового давления Па стали пользоваться сравнительно недавно, и в литературе недалекого прошлого можно еще встретить другую единицу — бар Она в десять раз меньше, чем Н/мА2,то есть 1 бар = 0,1 Па = 0,1 Н/мА2 или 1 Па = 1 Н/мА2 = 10 бар
Другая характеристика работоспособности — сила звука — указывает ту мощность, которую проносит звуковая волна через единичную поверхность, и поэтому измеряется в ваттах на квадратный метр, Вт/мА2 Справочная таблица С-11 иллюстрирует обе единицы Н/мА2 и Вт/мА2, оценивая с их помощью некоторые реальные источники звуковых волн Обратите внимание, что звуковое давление и сила звука связаны квадратичной зависимостью (Т-32) увеличьте давление в десять раз, и сила звука возрастет в сто раз Точно такой же зависимостью связаны напряжение и мощность или ток и мощность в электрической цепи (Т-41) И еще обратите внимание на третью колонку таблицы С-11, в которой приведены незнакомые нам децибелы (Т-82)
Т-96. Звуковое давление и силу звука часто измеряют в децибелах.
Звуки, создающие давление меньше, чем 0,00002 Н/мА2, мы просто не слышим Такое звуковое давление и соответствующую ему силу звука 10А(-12) Вт/мА2 называют порогом слышимости Естественно, что все остальные слышимые звуки во сколько-то раз выше порога слышимости, и, чтобы оценить это «во сколько-то раз», можно пользоваться децибелами (дБ) Специалисты по акустике иногда вообще забывают о единицах звукового давления и силы звука и оценивают эти величины сразу в децибелах, начиная отсчет от порога слышимости. Так и говорят «Сила звука — 90 децибел » (вместо 0,001 Вт/мА2) или «Звуковое давление 60 децибел » (вместо 0,02 Па = 0,02 Н/мА2) Пользоваться децибелами особенно удобно, когда приходится оценивать усиление или ослабление звука Скажем, известно, что вблизи струны сила звука 60 дБ и что по мере продвижения вперед она уменьшается на 0,1 дБ на каждом метре пути Сразу же можно подсчитать, что на расстоянии 500 м от струны сила звука уменьшится на 50 дБ и составит уже всего 10 дБ, что близко к громкости звучания шепота на расстоянии одного метра (С-11)
Т-97. Струна-излучатель и струна-приемник образуют простейшую линию звуковой связи.
Двигаясь в пространстве, звуковая волна натыкается на разные предметы, частично отражается от них, а частично отдает им свою энергию Давайте для определенности предположим, что звуковая волна наткнулась на какую-нибудь струну Сначала область повышенного давления волны двинет струну вперед, затем область пониженного давления потянет ее назад, затем опять повышенное давление, опять вперед, и снова пониженное давление, снова назад Одним словом, звуковая волна, отдавая такой струне-приемнику часть своей энергии, заставит ее совершать колебания (Р-63. 5) С какой частотой1? Конечно, с частотой самого звука, то есть с частотой струны-передатчика Потому что именно струна-передатчик определяет, насколько часто сменяют друг друга сжатия и разрежения в звуковой волне, насколько часто эта волна будет двигать вперед-назад нашу струну-приемник И ее колебания, в отличие от собственных, свободных колебаний, называют вынужденными — струна-приемник вынуждена двигаться именно с той частотой, которую навязывает ей звуковая волна
Т-98. Используя в струне-приемнике явление резонанса, можно резко повысить ее чувствительность.
Слово «резонанс» в популярных книгах иллюстрируют очень старинным и не очень веселым примером Шла рота солдат по мосту, шла в ногу, четко отбивая шаг И вдруг мост рухнул Рухнул именно из-за этого вышагивания в ногу Дело в том, что мост, подобно гитарной струне, совершает колебания, причем с очень малой амплитудой и очень небольшой частотой Разрушение моста оказалось результатом трагического совпадения — частота вышагивания роты совпала с частотой собственных колебаний моста Солдаты раскачивали мост в такт с его собственными колебаниями, подобно тому, как мы в такт подталкиваем качели, желая раскачать их как можно сильнее Вот это самое подталкивание в такт, раскачивание с частотой, равной частоте собственных колебаний, как раз и называют резонансом Можно настроить струну-приемник в резонанс с частотой звука, и в этом случае амплитуда колебаний струны резко увеличится Первая же порция звуковой энергии заставит струну совершать свободные колебания, и все остальные действия звуковой волны будут поддерживать эти собственные колебания Теперь достаточно будет даже очень слабого звука, чтобы сильно раскачать струну (Р-63. 5) Чувствительность струны-приемника, ее способность приходить в движение под действием слабых звуков зависит от уже знакомой нам характеристики—добротности Чем больше добротность, то есть чем меньше собственные, внутренние потери энергии в струне, тем более слабый звук сумеет раскачать ее, тем, следовательно, лучше струна будет выполнять свои функции приемника звуковых волн
Т-99. У реальных звуковых сигналов звуковое давление меняется сложным образом, и именно формой графика одни сигналы отличаются от других.
До сих пор график звукового давления мы рисовали в виде синусоиды, что было некоторым искажением истины График колебаний реальной струны, а значит, график излучаемого ею звука, похож на синусоиду, однако все же отличается от нее А графики реальных природных звуков, в частности звучание музыкальных инструментов и человеческого голоса, всегда имеют очень сложную форму Именно в этой сложности изменений звукового давления, а значит, в форме графика, записана информация, которую переносит звук Только характером изменения, формой кривой графика—чаще всего для краткости говорят «форма кривой» — отличается звук «а» отзвука «о», только характер изменения, форма кривой отличает звуки одинаковой частоты (одна и та же нота), взятые на разных музыкальных инструментах Придется признать, что, путешествуя по зоопарку, мы не заметили слона изучая звук, не научились оценивать форму кривой, самую важную его характеристику Но как только мы захотим исправить эту ошибку, то сразуже столкнемся с непреодолимыми, казалось бы, трудностями Действительно, как можно точно оценить форму кривой графика? В каких единицах ее измерять? Как сравнивать и различать разные по форме кривые, отмечать их сходство или различие?
Т-100. Спектр сигнала-эквивалентный ему набор синусоидальных составляющих.
Для начала попробуем решить подобную задачу из другой области Предположим, что нам нужно, пользуясь картой, измерить площадь Черного моря (Р-64. 1) Проще всего, наверное, это можно сделать так заполнить очертания моря квадратами, подсчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить На карте разместятся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов С помощью набора стандартных составляющих-квадратов - можно измерить площадь любой геометрической фигуры, имеющей сложные очертания
Подобным же образом, чтобы оценить характер изменения, то есть форму кривой графика, какого-либо сложного звука, можно представить этот звук как сумму не которых стандартных составляющих-звуков с разными амплитудами, частотами и фазами, но с одинаковой стандартной формой кривой Чтобы дать точное описание любого сложного звука, достаточно будет назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут данный сложный звук То, что сложную геометрическую фигуру можно сложить из более простых фигур, в частности квадратов, ясно и без особых рассуждений А вот можно ли подобную операцию суммирования производить со звуковыми волнами? Можно ли считать, что сложный звук состоит из определенного набора простых?
Оказывается, можно Если в точку, где расположен измеритель звукового давления, направить две звуковые волны, то прибор не будет в отдельности реагировать на каждую из них, а покажет суммарное давление Потому что в какой-либо точке пространства звук не помнит, какие силы его создавали и сколько было этих сил Важен лишь конечный результат, важна сумма сил, подобно тому, как для покупателя важен суммарный вес гирь, которые стоят на чаше весов В качестве стандартной составляющей для измерения площади сложных геометрических, фигур мы выбрали квадрат, потому что очень просто определить его площадь В качестве стандартной составляющей для описания сложного звука выбрана синусоида Причин несколько, вот две из них, достаточно веские
В начале прошлого века французский математик Жан Батист Жозеф Фурье нашел способ вычислять набор синусоидальных составляющих - именно синусоидальных! - сумма которых может дать сложный звук определенной формы Такой набор составляющих получил название спектр Если известно математическое описание сложного звука, то по формулам Фурье можно найти его спектр - найти частоты, амплитуды и фазы стандартных синусоидальных звуков, которые, сложившись, воспроизведут сложный звук во всей его сложности и неповторимости (Р-64, 3) Разработанные Фурье удобные математические приемы определения спектра - это есть первое «за» в части выбора синусоиды на роль стандартной составляющей сложных звуков А вот и второе «за»- существу ют устройств а, которые могут уже не на бумаге, не с помощью математических формул, а реально, в натуре разделить сложный звук на сумму синусоидальных составляющих и выделить любую из них из сложного звука Одно из таких устройств - наше ухо. Кстати, Фурье установил, что если сложный звук периодически повторяется, то его спектр состоит из синусоидальных составляющих с кратными частотами Музыканты называют эти составляющие обертонами, радисты - гармониками, имея в виду второе имя синусоиды - «гармоническая зависимость» Так, например, если частота сложного звука f = 30 Гц, то в спектр войдут составляющие с частотами f = 30 Гц (первая гармоника), 2f = 60 Гц (вторая гармоника), 3f = 90 Гц (третья гармоника), 4f= 120 Гц (четвертая гармоника) ит д Амплитуды гармоник могут быть самые разные, это-то как раз и зависит от формы кривой сложного звука (Р-64, 3)
Т-101. Орган слуха-высокочувствительный приемники анализатор сложных звуковых сигналов.
Наземная станция метро - это лишь небольшая часть того, что мы называем словом «метро», главные же его сооружения-прекрасные дворцы-станции, бесконечные туннели, эскалаторы, поезда, системы электроснабжения и связи - все это скрыто под землей Воттакито, что мы привыкли называть ухом, это не более чем своего рода наземная станция метро Главные же части нашего звукоприемника - среднее и внутреннее ухо - нам не видны, они спрятаны глубоко и защищены костями черепа (Р-65)
Попав в ушную раковину, звуковые волны пробегают извилистый слуховой проход (его длина около 2,5 см) и, попав на барабанную перепонку, приводят ее в движение (также, как звук заставлял двигаться струну-приемник (Р-63) Движение барабанной перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня, стремечко, общий вес около 0,05 г) передается в самый главный отдел внутреннего уха - в улитку Такое название эта "деталь" получила потому, что у млекопитающих она похожа на спиралевидный домик улитки (постепенно сдающаяся трубка длиной около 3 см, закрученная на 2,7 оборота) Уживотных, которые стоят на низших ступенях развития улитки еще нет, ее место занимает более простая «деталь», похожая на изогнутую луковицу Улитка - это конечная станция, куда поступают механические колебания от слуховых косточек Здесь, в улитке, эти колебания преобразуются в серии нервных импульсов, которые по нервным волокнам поступают в слуховой нерв, а по нему^ке прямо в слуховые отделы головного мозга «Деталь» внутреннего уха, где происходят эти преобразования, по имени одного из первых ее исследователей А Корти, получила название орган Корти или кортиев орган
Кортиев орган находится в спиральном лабиринте улитки и чем-то напоминает спиралевидный и плоский слоеный пирог Нижний слой, основание «пирога»,- лента основной мембраны, сотканная из двадцати пяти тысяч тонких поперечных нитей, которые часто сравнивают со струнами рояля или арфы По мере того как основная мембрана расширяется, нити-струны становятся длиннее у основания улитки, в районе овального окна, к которому примыкает стремечко, длина нитей-около 0,1 мм, а у вершины улитки- около 0,5 мм Изучение органов слуха началось давно, но и сегодня в этой области очень много неясного Так, в частности, пока не удалось проследить все стадии преобразования звуковых колебаний в нервный импульс Не очень ясно, каким именно образом кортиев орган анализирует форму кривой сложного звука, хотя установлено, что именно он разделяет сложный звуковой сигнал на синусоидальные составляющие Долгое время широким признанием пользовалась резонансная теория слуха, которую около ста лет назад разработал блестящий физик и физиолог Герман Гельмгольц Основную идею этой теории можно проиллюстрировать простым опытом Откройте крышку рояля, нажмите правую педаль и с большими паузами пропойте над струнами несколько нот Вы услышите, как рояль вторит пению, причем после разных нот звучат разные струны Происходит это потому, что каждая струна резонирует в основном лишь на одной синусоидальной составляющей сложного звука И поэтому для разных звуков, то есть для разных спектров, набор откликающихся струн будет различным Гельмгольц считал, что наше ухо определяет спектр сложных звуков таким же способом, а роль резонирующих струн он отводил нитям основной мембраны они имеют разную длину, а значит, разные резонансные частоты (Т-92) Эксперименты, казалось бы, полностью подтверждали это предположение Так, например, было установлено, что при повреждении вершины улитки, где находятся более длинные, то есть более низкочастотные, волокна, подопытные животные перестают слышать только низкочастотные звуки А повреждение основания улитки приводит к потере слуха в области высших частот В пользу резонансной теории говорили и некоторые другие эксперименты И все же под давлением фактов, особенно полученных в последнее время, от простой и удобной модели уха-рояля пришлось отказаться Вот лишь одно из непреодолимых затруднений резонансной теории для того чтобы перекрыть весь диапазон слышимых частот, натяжение самых длинных и самых коротких нитей основной мембраны должно различаться в десять тысяч раз, а на практике такой огромной разницы не обнаружено Тот факт, что кортиев орган разделяет сложный звук на синусоидальные составляющие, не вызывает сомнений, но как именно это происходит, еще предстоит выяснить
Самые низкие и самые высокие слышимые частоты у разных людей разные, но в среднем можно считать, что нижняя граница слышимых звуков - это 16-20 Гц, а верхняя- 18-22 кГц (18000-22000 Гц) Кстати, верхняя граница сильно смещается с возрастом, и нередко пожилые люди слышат звуки лишь до 10-12 кГц В то же время встречаются, хотя и очень редко, рекордсмены-люди, которые слышат частоты вплоть до 28-30 кГц Официальной границей слышимых звуков, как правило, считают 20 Гц-20 кГц Более низкочастотные неслышимые звуки - это инфразвук, более высокочастотные - ультразвук То, что мы не слышим ультразвуки и инфразвуки, разумеется, никакие влияет на их природу Это точно такие же, как и слышимый звук, чередующиеся волны сжатий и разрежений воздуха или какой-либо иной среды
Одна из самых замечательных особенностей нашего слуха - огромный диапазон улавливаемых звуковых давлений Самый слабый звук, который мы слышим, тот, что находится на пороге слышимости, несет всего 10А(-2) Вт/мА2 Самый сильный звук несет 10 Вт/мА2, он находится уже на пороге нестерпимой боли или даже повреждения тонких механизмов слуха Таким образом наш слух воспринимает звуки, мощность которых различается в 10000000000000 раз Если бы удалось построить весы с таким рабочим диапазоном, то они одинаково хорошо взвешивали бы и каплю воды, и огромный океанский корабль массой в десятки тысяч тонн
Особенно поражает высокая чувствительность нашего слуха, его способность улавливать очень слабые звуки Судите сами на пороге слышимости общее давление на барабанную перепонку не превышает 0,000 000 3 г, амплитуда ее колебаний измеряется миллионными долями сантиметра, амплитуда колебаний основной мембраны оказывается в несколько раз меньше, чем размеры самого маленького атома - атома водорода
Т-102. Закон Вебера-Фехнера: ощущение громкости пропорционально логарифму силы звука.
Наше ухо улавливает звуки, столь сильно отличающиеся по мощности, благодаря некоторой системе автоматической регулировки чувствительности по мере того как сила звука нарастает, чувствительность слуха уменьшается Иными словами, улавливая слабые звуки, наш слух в состоянии почувствовать разницу звуковой мощности на какие-то триллиардные доли ватта, а улавливая очень громкие звуки, ухо замечает различие в громкости, если она изменилась на несколько ватт (во всех случаях речь идет не о ваттах вообще, а о силе звука, о ваттах на квадратный метр) Экспериментальные исследования показали, что зависимость ощущения громкости от силы звука подчиняется логарифмическому закону Напомним, логарифм (десятичный) какого-либо числа-это есть показатель степени, в которую нужно возвести 10, чтобы получить данное число Сокращенно это записывается, например, так Ig100 = 2, то есть логарифм числа 100 равен 2 Действительно, если возвести 10 в квадрат (в степень 2), то как раз и получится 100 Точно также нетрудно понять и другие записи - Ig 1 000000 = 6, Ig2 = 0,3 и т д Логарифм, то есть, попросту говоря, цифра, забравшаяся на место показателя степени, с огромной силой влияет на результат Так, например, если увеличить логарифм всего на две единицы, скажем с 2 до 4, то само число увеличится в 100 раз, а именно со 100 до 10 000 (Ig 100 = 2, Ig 10000 = 4) Можно сказать об этом и другими словами резкое изменение какого-либо числа приводит к сравнительно небольшому изменению его логарифма И опять тотже пример, но ^ке прочитанный в обратном направлении если увеличить какое-либо число в 100 раз, то его логарифм увеличится всего на две единицы (10000 больше, чем 100, в 100 раз, a Ig 10000 больше, чем Ig 100, всего на две единицы) Зависимость логарифма от самого числа, к которому он относится, называется логарифмической зависимостью Именно на нее и похожа зависимость ощущения громкости от силы звука, похожа и по форме (Р-65. 2), и по существу сильное изменение силы звука приводит к сравнительно небольшому изменению ощущения громкости Эта зависимость, характерная, кстати, не только для слуха, но и для других «приемников» живой природы, получила название закона Вебера - Фехнера, по имени открывших ее ученых, математика и физиолога В нашей практической деятельности наступит такой момент, когда мы неотвратимо должны будем вспомнить закон Вебера - Фехнера, чтобы правильно выбрать важный элемент в одной из распространенных электронных схем А многие музыканты каждодневно собственными мускулами чувствуют справедливость этого закона Например, скрипачи и пианисты очень легко увеличивают громкость звучания инструмента в области тихих звуков, а вот повышение громкости в области громких звуков требует незначительных усилий, большой физической работы, в самом прямом смысле этих слов
Т-103. Бинауральный эффект позволяет определить распределение источников звука в пространстве.
Для чего человеку два уха? Для резерва? Возможно Однако же в сложной системе нашего слуха оба уха работают одновременно, и именно поэтому мы можем определить местонахождение источника звука Правильнее было бы сказать «вычислить», хотя, конечно, сознательно никаких вычислений мы не производим, все, что н^жно, автоматически подсчитывает мозг и выдает нам готовый результат Например, в виде ощущения, что гитарист в оркестре сидит слева, а пианист-справа Или что автомобиль приближается к нам сзади (Р-66) Информация, необходимая для таких вычислений, появляется именно потому, что мы слушаем одновременно двумя ушами На низших звуковых частотах регистрируется разность фаз, с которой звуковая волна приходит к правому и левому уху, на высших частотах - время запаздывания звука Если, например, источник звука находится справа от нас, то к левому уху звуковая волна придет на несколько десятитысячных долей секунды позже, чем к правому Так способность определять местонахождение источника звука получила название бинауральный эффект, то есть эффект слушания двумя ушами
Т-104. Органы слуха развивались как средство сбора информации, а затем стали основой для звуковой связи людей.
Из каждого уха по слуховому нерву в мозг поступают особые электрохимические сигналы, нервные импульсы, в которых каким-то образом записана информация об услышанном звуке, в частности о его силе и спектре Слуховой нерв состоит из многих тысяч нервных волокон, в нем самом уже имеется несколько «узлов связи», где происходит предварительная обработка нервных импульсов Однако основная их обработка и расшифровка осуществляется в специальных участках коры головного мозга, расположенных в височных частях обоих больших полушарий
Очень немного известно о том, как именно мозг анализирует поступающие в него нервные импульсы, в частности те, что приходят по слуховому нерву Можно лишь сказать, что обработку нервных импульсов производят сложные клеточные и молекулярные машины, которые работают по сложным и совершенным программам Их совершенством, поразительным и пока непостижимым, объясняется то, что мы по неуловимым звуковым оттенкам узнаем голос человека, которого не слышали много лет Или распознаем слова независимо оттого, каким голосом, в каком темпе, с какой громкостью и даже с каким акцентом они произнесены Органы слуха появились у животных позже всех других систем сбора информации Специалисты говорят, что произошло это сравнительно недавно, всего сто-двести миллионов лет назад, когда наиболее смелые представители подводного мира стали выбираться на берег, постепенно превращаясь в сухопутных животных В земных условиях звуковые волны приносят исключительно ценную информацию-журчание ручья, рычание приближающегося хищника, различные шорохи
Развились органы слуха из боковой линии рыб, своеобразного органа давления, точнее, целой цепочки органов, вытянувшихся по обеим сторонам рыбьего тела от головы до хвоста Боковая линия реагирует на медленные изменения давления, помогает рыбам в темноте огибать препятствия, чувствовать приближение рыб и даже слышать некоторые звуки У рыб в основном наблюдаются простейшие реакции на звук обычно они просто бегут от источника звука Более поздние творения эволюции-земноводные-умеют уже выделять наиболее важные для них звуковые сигналы Еще лучше развит слух у птиц И наконец, у млекопитающих, к классу которых относимся и мы с вами, прием звуковых сигналов и особенно их обработка достигают высочайшего совершенства, становятся одним из главных средств добывания информации об окружающем мире
А вот совсем уже недавно-может быть, миллион лет назад, а может быть, и того меньше - произошли события исключительной важности совершенный орган слуха стал основой для появления и развития устной речи Появились принципиально новые возможности общения людей, возможности человеческого взаимодействия И главное, развитие звуковой связи, появление звуковых сигналов - слов подняло на совершенно новую ступень одну из наших систем переработки информации - человеческое мышление Человек стал мыслить короткими, экономными описаниями самых сложных явлений и предметов вместо подробной картины падающей со скал воды- короткое слово «водопад», вместо детального портрета льва - короткое слово «лев» Можно смело сказать, что человек стал человеком в значительной мере благодаря именно этому умению мыслить словами, которое, появилось у наших далеких предков с развитием звуковой связи
Т-105. Природные информационные системы стали основой мышления, а научившись мыслить, человек стал придумывать для себя искусственные информационные системы.
Как человек стал великаном? Что помогло ему пройти этот гигантский путь от вечно голодного обитателя темной, сырой пещеры до жителя благоустроенных городов и сел? От дикости, страха и суеверия до нынешнего могущества науки, до антибиотиков, операций на сердце, полетов на Венеру
Среди многих важных и важнейших слагаемых человеческого прогресса едва ли не самое важное - информация В процессе труда, в процессе общения людей совершенствовались их собственные природные информационные системы А потом человек научился помогать этим творениям природы, научился сам создавать искусственные информационные системы, машины, приборы, приспособления, увеличивая тем самым главную свою силу-силу мышления
К числу первых искусственных информационных приспособлений нужно, наверное, отнести древнейшие наскальные рисунки, первое продолжение человеческой памяти От них пошло иероглифическое письмо, а затем письмо буквенное, слоговое, это величайшее из человеческих изобретений, позволившее в итоге создавать хранилища неограниченных объемов информации
Появлялись устройства, помогающие человеку перерабатывать информацию Типичный представитель таких устройств - электронный калькулятор, он умеет выполнять арифметические операции-складывать, вычитать, умножать и делить, то есть умеет делать то, что, казалось бы, относится к монополии нашего мозга В числе бессчетного многообразия явлений, с которыми встречается человек, есть так называемые лавинообразные процессы Их главная особенность в том, что, развиваясь, эти процессы сами себя поддерживают, сами себя ускоряют Типичный лавинообразный процесс - цепная реакция деления урана Свободный нейтрон, попав в ядро атома урана, разрушает его При этом из ядра выбрасываются три новых свободных нейтрона, которые могут разрушить еще три соседних ядра Каждое из них выбросит свои три нейтрона и т д
Число распавшихся атомных ядер будет лавинообразно нарастать в уране пойдет цепная реакция деления, лавинообразный процесс К числу лавинообразных процессов наверняка следует отнести и человеческий прогресс в использовании информации Совершенствуя методы мышления и создавая новые информационные системы, человек увеличивает свое информационное могущество, а это в свою очередь приводит к дальнейшему прогрессу в части создания и совершенствования информационных систем Для иллюстрации один лишь только пример-математика Рождением математики, по сути дела, было появление некоторых новых приемов мышления, новых приемов переработки информации Лавинообразно развиваясь, они привели к появлению новых математических методов и в итоге позволили решить большое число научных и технических задач, которые без математики решить было бы невозможно
Т-106. Основная профессия радиоэлектроники - сбор, передача, переработка и хранение информации.
Если внимательно присмотреться к окружающим нас электронным приборам и аппаратам, то можно легко увидеть, что все они помогают человеку, усиливают его природные способности в части сбора, передачи, хранения и переработки информации Что делает радиолокатор? Он позволяет капитану в густом тумане видеть встречные корабли и очертания берегов, позволяет видеть невидимое А что делает радиотелефон? Он дает нам возможность переговариваться на таких расстояниях, которые никак не смогла бы пройти звуковая волна Магнитофон дал нам новые хранилища информации, расширив тем самым нашу память Электронная вычислительная машина считает, сравнивает, сопоставляет информацию, выполняет логические рассуждения, помогает нашему мозгу Основное сырье, которое поступает в электронные приборы и аппараты, также как и основная продукция, которую они выпускают, - это не что иное, как информация
За несколько десятилетий своего существования электроника научилась делать множество самых разных дел, освоила много профессий Какой только нет электроники - медицинская, космическая, геофизическая, авиационная, биологическая, промышленная, сельскохозяйственная И во всех этих областях электронные приборы доведены до очень высокого совершенства Они измеряют микроскопические перемещения вплоть до миллиардных долей миллиардной доли миллиметра, передают изображение прямо с поверхности планет, поддерживают ритм сокращения сердечной мышцы, находят в земле полезные ископаемые, ведут самолеты на посадку при нулевой видимости, регистрируют нервные импульсы в одиночной живой клетке
Основная особенность всех электронных приборов и аппаратов, в значительной мере определившая их удивительные возможности и огромную популярность, состоит в том, что любая информация живет в этих приборах и аппаратах в виде электрических сигналов И главные операции с информацией ее передача, переработка, записывание в память, извлечение из памяти - в итоге сводятся к некоторым прекрасно отработанным операциям с электрическими сигналами