В переводе на электрический.

(В главное меню)

    Одно из самых сложных спортивных соревнований - марафонский бег, состязание в беге на дистанцию 42 километра 195 метров Столь необычная дистанция, как и само название «марафонский бег», связана с легендой о греческом воине, который почти две с половиной тысячи лет назад пробежал именно такое расстояние из селения Марафон в Афины с вестью о победе полководца Мильтиада над персами. Напрягая последние силы, добежал гонец до окраины Афин, сообщил радостную весть и упал бездыханным Еще каких-нибудь двести лет назад гонцы-скороходы, всадники, мчавшиеся на взмыленных лошадях, почтовые тройки были главными переносчиками информации на большие расстояния Иногда проходило несколько месяцев, пока сообщение о событиях в Петербурге добиралось до отдаленных районов Сибири или Дальнего Востока Лучшие столичные газеты публиковали свежие зарубежные новости недельной давности

    Сегодня телеграмма, отправленная из Ленинграда, уже через час может быть вручена адресату во Владивостоке Редакторы московских газет в любую минуту могут связаться со своими корреспондентами в Тамбове, Париже или Лос-Анджелесе Сидя у своих телевизоров, миллионы людей видят и слышат то, что в данный момент происходит за тысячи километров от их дома

    Все это стало возможно потому, что информацию научились передавать с помощью самого быстрого в мире гонца - с помощью электрических сигналов Если бы древние греки имели в своем распоряжении батарейку, лампочку и достаточное количество провода, то они могли бы построить простейшую линию электросвязи между Афинами и Марафоном, в виде этакого растянутого почти на пятьдесят километров карманного фонарика Лампочку н^жно было бы установить в Афинах, а выключатель-в Марафоне (Р-67. 1) и договориться об условном коде, например о таком один сигнал, одна вспышка лампочки, означает «победа», две вспышки - «поражение»

    Правда, закон Ома напоминает, что создать линию электросвязи с лампочкой на конце не так-то просто Для нормального свечения лампочки нужен сравнительно большой ток, а сопротивление многокилометровых проводов велико, и из-за этого на самой соединительной линии будет теряться большое напряжение Если даже применить сравнительно толстые медные провода, скажем диаметром 1 мм, то и в этом случае общее сопротивление двухпроводной линии протяженностью около 40 км будет больше, 2 кОм Даже при очень слабенькой лампочке для карманного фонарика, которой н^жен ток всего 60 мА, понадобится батарея с напряжением около 120 В, чтобы в цепи с сопротивлением 2 кОм создать этот небольшой ток (120 В 2 кОм = 60 мА)-лампочке достанется 2-3 вольта, остальное-проводам Но оставим пока в стороне электротехнические подробности и вернемся к существу дела - к принципам передачи информации с помощью электрических сигналов

    Хотя настоящий телеграф и похож на нашу линию электросвязи с лампочкой на приемном конце, однако устроен и работает он совсем по-иному Во-первых, сообщения передаются с помощью условного кода, в котором не событию и не отдельному слову, а каждой букве алфавита, цифре или знаку препинания соответствует определенная комбинация электрических сигналов Существует два основных телеграфных кода - код Морзе (иногда говорят-азбука Морзе), в котором используются комбинации «точек» и «тире», то есть коротких и длинных импульсов тока (Р-67, 2), и код Бодо, в котором все импульсы одинаковы, а шифр той или иной буквы отличается только комбинациями импульсов и пауз (Р-67, 6)

    Приемная телеграфная аппаратура, работающая по коду Морзе, записывает принятые сообщения в виде точек и тире Аппаратура, работающая по коду Бодо, сразу печатает буквенный текст Знакомое всем слово «телеграф» можно перевести так-«пишет на расстоянии», а «телетайп»-«печатает на расстоянии»

    Мировой рекорд в марафонском беге чуть меньше 2 часов 18 минут Электрический гонец проходит марафонскую дистанцию за 0,00015 сек-скорость электрического сигнала такая же, как и скорость света-300000 км/сек Не нужно, однако, думать, что с такой гигантской скоростью движутся электроны в электрической цепи - движение свободных зарядов происходит довольно медленно, за секунду они проходят какие-то миллиметры Со скоростью света вдоль проводов движется электрическое поле, оно-то и заставляет двигаться заряды сразу по всей цепи Это несколько напоминает картину трогания с места длинного железнодорожного состава Первый рывок электровоза довольно быстро достигает последнего вагона (подобно электрическому полю) и заставляет сразу все вагоны сдвинуться с места, хотя скорость вагонов вначале очень мала (подобно скорости свободных электронов)

    Другое важное достоинство электрического сигнала - его, если можно так сказать, исключительная пластичность, податливость самым разным видам обработки Делитель или шунт могут уменьшить напряжение или ток, трансформатор может их увеличить Направив два тока в общий провод, можно получить суммарный ток, сложить сигналы, изменив направление одного из токов, вы получите разностный сигнал С помощью фильтров можно разделять сигналы разных частот или отделять постоянные токи от переменных И это лишь небольшая часть операций, которые производят с электрическими сигналами

    И еще одно достоинство-самые разные физические, химические, биологические и иные показатели легко перевести на электрический язык, отобразить в виде электрических сигналов fP-11. P-68) Так, например, термопара - два определенным образом подобранных металлических проводника (медь-висмут, железо-константан, медь-константан) - при нагревании создает эд с , и она тем больше, чем сильней нагрета термопара Поэтому любые изменения температуры с помощью термопары отображаются в электрическом сигнале Появление э д с в термопаре объясняется тем, что при нагревании энергия свободных электронов в одном из металлов повышается сильнее, чем во втором, электроны переходят из одного металла в другой, и один из них оказывается заряженным положительно, второй-отрицательно Другой датчик температуры-терморезистор Его сопротивление меняется с температурой сильнее, чему рядовых проводников, и поэтому ток в цепи достаточно хорошо повторяет все изменения температуры терморезистора, включенного в эту цепь-Подобным же образом датчики света - фотоэлемент и фоторезистор - переводят на электрический язык информацию об освещенности Фотоэлемент - это генератор, в нем под действием света происходит обычная электризация электродов попадая на один из них, порции световой энергии просто вырывают электроны из некоторых атомов, превращают их в положительные ионы И в фоторезисторе под действием света увеличивается количество свободных зарядов, а значит, меняется и сопротивление фоторезистора А вот еще один тип датчика-пьезокрнсталл Если сжать такой кристалл, то на определенных его гранях в результате сложных внутренних процессов появятся избыточные электрические заряды, появится э д с Она будет тем больше, чем сильнее сжат кристалл, если заменить сжатие на растягивание, то изменится и полярность э д с Такой пьезокристалл переводит на электрический язык самые сложные движения, перемещения, если они как-то передаются кристаллу

    С одной разновидностью датчиков движения мы сейчас познакомимся несколько более подробно Это микрофоны-собиратели информации об изменениях звукового давления, переводчики звуковых сигналов на электрический язык

    Самый простой и самый распространенный способ перевода звука на электрический язык - это создание точной электрической копни звукового сигнала, создание такого переменного тока или такого переменного напряжения, которые следовали бы за всеми изменениями звукового давления (Р-69) Такое преобразование как раз и осуществляет микрофон Существует несколько разных типов микрофонов, все они решают одну и туже задачу, но используют при этом разные физические процессы Основа угольного микрофона (Р-69, 1) - мелкий угольный порошок Под действием звуковых волн частички порошка то сближаются, то, наоборот, несколько отходят друг от друга При этом меняется сопротивление порошка и ток в цепи, в которую включен микрофон Для включения угольного микрофона могут понадобиться источник постоянного тока и элемент, который сможет отделить постоянный ток от переменного, появившегося под действием звуковых колебаний Роль такого разделителя прекрасно выполняет трансформатор (постоянная составляющая просто не создает напряжения во вторичной обмотке), который одновременно, если нужно, может повысить переменное напряжение

    В пьезоэлектрическом микрофоне под действием звуковых волн несколько деформируется пьезокристалл и создает при этом электрическую копию звука (Р-69, 2 ) В динамическом микрофоне напряжение наводится на легкой подвижной катушке, которую звуковые волны двигают в магнитном поле (Р-69, 3, Т-56) В ленточном микрофоне вместо катушки одиночный проводник, тончайшая алюминиевая ленточка (Р-69, 4) Основа электромагнитного (индукционного) микрофона - магнитная цепь из стали, в которой имеется небольшой воздушный зазор (Р-69, 5) Под действием звуковых волн стальная мембрана колеблется, воздушный зазор меняется, вместе с ним меняется магнитное сопротивление всей магнитной цепи, а значит, и общий магнитный поток (Т-54, Т-60) Этот поток пронизывает витки неподвижной катушки и при изменении магнитного потока в ней наводится э д с , создается электрическая копия звука В конденсаторном микрофоне одна из обкладок подвижна, и под действием звуковых волн она колеблется При этом и емкость конденсатора несколько меняется, повторяя все изменения звукового давления Конденсатор включен в цепь постоянного тока и при изменении емкости происходит заряд или разряд конденсатора если пластины сближаются и емкость растет, то к пластинам движутся дополнительные заряды, если пластины удаляются, то некоторое количество зарядов уходит с них О достоинствах или недостатках того или иного микрофона рассказывают его характеристики Такие, например, как чувствительность - она показывает, какое напряжение появляется на выходе микрофона при изменении звукового давления на 1 Н/мА2 В корпусе некоторых микрофонов находится дополнительное оборудование (трансформатор, микрофонный усилитель), и в этом случае чувствительность указывают для всего комплекса в целом (например, микрофон + трансформатор)

    Еще одна важная характеристика микрофона - диаграмма направленности (Р-69, 6, 7) В некоторых случаях, например, когда микрофон установлен в зрительном зале и собирает "реакцию публики", он должен одинаково хорошо принимать звуки со всех сторон Здесь н^жен ненаправленный микрофон, его часто сокращенно обозначают буквами НН А бывает, что нужно передать только голос певца или оратора, и тогда лучше будет работать однонаправленный микрофон ОН,- по крайней мере, он не будет собирать лишние шумы, которые приходят к нему с разных сторон Другие важные характеристики микрофона удобнее будет представить после того, как мы познакомимся с громкоговорителями

    Многие типы электрических генераторов являются машинами обратимыми - они могут работать двигателями, если подать на них напряжение (Р-72. 1,2) Точно также многие типы микрофонов могут производить обратное преобразование - создавать звуковые волны, используя энергию электрического сигнала Если к определенным граням пьезокристалла подвести напряжение, то в результате все того же пьезоэффекта произойдет некоторая деформация кристалла А если подвести к нему переменное напряжение, то деформация будет идти непрерывно, кристалл будет двигаться и излучать звуковые волны

    Будет двигаться и создавать звук также мембрана электромагнитного (индукционного) микрофона, если по его катушке пропустить низкочастотный переменный ток При изменении тока меняется магнитный поток катушки и мембрана то сильнее, то слабее притягивается к сердечнику электромагнита, совершает колебания (Р-69. 5) Точно также двигается в поле магнита катушка динамического микрофона - она сама, по сути, представляет собой электромагнит Магнитное поле катушки, а значит, и сила ее взаимодействия с внешним постоянным магнитным полем меняется при изменении тока в цепи, заставляя катушку двигаться Именно электродинамическая система («элекгро»- это ясно, что такое, «динамо» - значит движение) постоянный магнит - подвижная катушка есть основа динамического громкоговорителя (динамика), самого распространенного преобразователя электрических сигналов в звук (Р-72, 4)

    В больших городах сотни тысяч, миллионы абонентов, и, конечно, даже и думать нельзя о шаговых искателях с таким гигантским количеством неподвижных контактов (не говоря ^ке о том, что невозможно было бы посылать «заказ» из нескольких тысяч электрических импульсов) Поэтому используется ступенчатый принцип соединения по разрядам, напоминающий нашу систему десятичного счета, с переходом от одного разряда к другому (Р-71. 2) Первая цифра, первая серия импульсов, приводит в действие первый шаговый искатель, первую декаду этой многоступенчатой системы Этот искатель выбирает один из десяти искателей следующей «ступени», тот выбирает один искатель из следующего десятка, итакдотехпор, пока линия не подключается к последнему искателю, который как раз и производит окончательное соединение с нужным абонентом Сигналом для перехода к следующему разряду, для отключения электромагнита работавшего декадного счетчика и включения электромагнита декадного счетчика следующего разряда, сложит сравнительно длинная пауза между набором соседних цифр (длинная в сравнении с паузами между импульсами одной цифры) Во многих городах имеется несколько АТС, связанных друг с другом большим числом соединительных линий Первые цифры номера, первые серии импульсов выводят вас на АТС того района, где находится вызываемый абонент (Р-71, 3) В последнее время широкое распространение получило и автоматическое соединение с другими городами В этом случае первые набираемые цифры - код города - выводят на линию междугородной связи, по которой вы соединяетесь прямо с АТС вызываемого города, а затем уже приводите в действие именно ее коммутаторы, набирая номер своего далекого абонента На Р-70. 5 очень упрощенно показана схема телефонного аппарата Его номеронабиратель при вращении диска разрывает контакты, и в линию идут импульсы тока, которые как раз и приводят в движение шаговые искатели на АТС Когда на телефонном аппарате лежит трубка, то к соединительной линии подключена его вызывная цепь, проще говоря, электрический звонок - именно на него поступаете центральной станции сигнал вызова А после того, как трубка снята, звонок автоматически отключается, к линии присоединяется микрофон и телефон (громкоговоритель), и можно вести разговор

    Микрофон создает электрическую копию звука Громкоговоритель создает звуковую копию тока Оба они вместе - микрофон и громкоговоритель - позволяют построить линию телефонной связи, в которой происходит преобразование-звук-ток-звук, и информация со скоростью света переносится по проводам на огромные расстояния, практически недоступные звуковой волне Телефон имеет много общего с телеграфом (Т-107) И здесь и там есть передающее устройство - микрофон и телеграфный ключ Есть приемники информации - мигающая лампочка (самопишущий аппарат) или громкоговоритель И здесь и там информация путешествует по проводам в виде электрического сигнала Но только в телеграфе мы нагружаем электрический сигнал информацией с помощью условного кода, придуманного Самюэлем Морзе или Жаном Бодо, а в телефоне используем код, придуманный самой природой

    Что такое звуковые волны, которые мы выбрасываем в пространство, когда произносим те или иные слова? Это - звуковые сигналы, в характере изменения которых как раз и записана, закодирована та или иная смысловая информация (Т-99) Телеграфисты должны знать код, с помощью которого они передают сообщения, а вот телефонисты и знать не знают, каким именно способом, в каких именно изменениях звука скрывается «люблю», а в каких «ненавижу» У телефонистов лишь одна задача - копировать, в микрофоне создавать меняющийся ток, точную копию звука, а в громкоговорителе создавать звук, точную копию тока И если производить копирование точно, не изменяя, не искажая спектр звукового или электрического сигнала, то этот сигнал в итоге создаст точно такой же звук, какой на передающей стороне попал в микрофон (Р-70, 1) И что человеческий голос зашифровал в этом звуке, то и получит человеческое ухо

    Несколько слов о том, как работает «первоисточник» - как рождаются звучащие слова Все начинается с голосовых связок, они находятся в глубине гортани, на пути постоянного воздушного потока, идущего из легких Подобно двустворчатой двери, связки расходятся при дыхании, а для образования звука смыкаются и начинают колебаться в воздушном потоке - их размеры и натяжение определяют частоту родившегося звука Так у детей и женщин связки короче (18-20 мм, у мужчин-20-24 мм) и голос более высокий Но рождение звука связками - это лишь полдела Дальше в действие вступают язык, небо, зубы, губы Они, как и сами связки по нервным волокнам получают сигналы управления, перемещаются мышцами и, воздействуя на спектр начального звука, формируют произносимое слово

    Формально телефон не относится к электронике, но мы все же уделим ему некоторое внимание Хотя бы потому, что каждый человек должен иметь представление о своем верном помощнике-телефоне

    Линия телефонной связи упрощенно показана на Р-70, 2 Одно из упрощений состоит в том, что на рисунке абонентов соединяют четыре провода а в действительности удается обойтись двумя проводами В телефонных аппаратах имеется устройство, благодаря которому свой собственный сигнал резко ослабляется и не заглушает голос далекого абонента Поэтому-то свой собственный микрофон и можно подключать к тому же проводу, по которому к тебе издалека приходит сравнительно слабый «ч^жой» сигнал Кроме того, в современных системах телефонной связи источник постоянного тока, как правило, находится не в телефонном аппарате, а на центральной станции, и постоянное напряжение подается к абонентам по тем же проводам, по которым идут электрические сигналы (Р-70, 3) На центральной станции находится и коммутатор, он позволяет любому абоненту большой телефонной сети соединиться с любым другим абонентом (Р-70, 4) Когда-то на станциях стояли ручные коммутаторы - абонент просил телефонистку «Соедините меня, пожалуйста, с таким-то номером », и она вручную производила необходимые для этого переключения линий Сейчас соединения абонентов производится автоматически, и телефонные станции поэтому называют автоматическими, АТС

    РисунокР-71, 1 поясняет, как работает один из самых первых типов автоматических коммутаторов-декадный (на десять абонентов) шаговый искатель С телефонного аппарата к нему поступает цифра, закодированная количеством электрических импульсов - от одного до десяти Каждый такой импульс быстро втягивает сердечник электромагнита, заставляет подвижный контакт искателя сдвинуться на один шаг вперед Сразуже после этого пружина возвращает сердечник в исходное положение, а подвижный контакт остается на месте в ожидании следующего импульса (Подвижный контакт вернется в начальное положение только по окончании разговора, после того, как в линию пойдет сигнал «отбой» ) Подвижный контакт искателя сделает столько шагов, сколько импульсов тока придет к электромагниту, а значит, он по заданному числу импульсов осуществит соединение с нужным абонентом

    Рассказывая о телефонной связи, мы допустили некоторую терминологическую неточность, назвав громкоговорителем прибор, превращающий ток в звук В действительности же его так называть не следовало бы, так как, во-первых, в телефоне этот прибор создает сравнительно слабый звук и здесь скорее подошло бы название «тихоговоритель» или, в крайнем случае, название без оценок-«говоритель» Прибор этот нельзя называть громкоговорителем еще и потому, что у него есть узаконенное название-телефонный капсюль, или головной телефон, или, наконец, просто телефон Это, конечно, большое неудобство - одним и тем же словом «телефон» называть две совершенно разные вещи и всю систему для передачи звука на расстоянии, и только одну ее часть-преобразователь тока в звук Чтобы каждый раз не делать лишних пояснений, пришлось воспользоваться словом «громкоговоритель», временно применив его не по назначению Сейчас справедливость можно восстановить-отныне громкоговорителями, как и принято, будем называть устройства, которые создают действительно громкий звук в приемниках, телевизорах, магнитофонах, хотя и здесь мы допустим некоторую неточность в терминологии (Т-112).

    Устройство электродинамического громкоговорителя, или, короче, динамического громкоговорителя, или, еще короче, динамика, показано на Р-72; 4 Несколько лет назад громкоговоритель стали называть динамической головкой прямого излучения, а название «громкоговоритель» передали мощным акустическим системам, в них обычно входит несколько таких головок, которые мы по старинке будем все же называть громкоговорителями - десятки лет существовало такое название, оно навсегда осело в миллионах радиолюбительских книжек и статей С тыльной стороны корпуса - магнитная система В нее входит кольцеобразный магнит из магнитных сплавов или из магнитной керамики - определенным образом спрессованных и «спеченных» порошков, которые содержат ферромагнитные вещества - ферриты В магнитную цепь входят также стальные фланцы и стальной цилиндр - керн Только в одном месте стальная магнитная цепь разорвана, имеет кольцеобразный воздушный зазор - именно в этом зазоре находится подвижная катушка, ее обычно называют звуковой катушкой Чтобы не ослаблять магнитное поле, охватывающее витки звуковой катушки, зазор для нее делают очень небольшим, расстояние между катушкой и стенками «туннеля», в котором она ходит, измеряется долями миллиметра, в худшем случае миллиметрами Катушка подвешивается на эластичной центрирующей шайбе, и даже небольшое ее случайное смещение приводит к одному из самых тяжелых повреждений громкоговорителя - катушка начинает задевать за фланец, начинает затирать

    Другая возможная неисправность - сползание витков катушки с ее тонкого картонного каркаса (катушка намотана в два, а иногда и в четыре слоя) Устранить эту неисправность очень сложно, бывает, что остается лишь выбросить громкоговоритель, у которого сползли витки звуковой катушки

    К катушке прикреплен конический диффузор, спрессованный или отлитый из особой бумажной массы Именно он, двигаясь вместе с катушкой, подобно поршню насоса, увлекает за собой основную массу воздуха На самом диффузоре закреплены две медные заклепки - к ним подпаяны выводы звуковой катушки От этих заклепок отходят два гибких медных многожильных провода, которыми катушка соединяется с внешним миром Распространенное и устранимое повреждение - обрыв одного из выводов - легко обнаружить, внимательно осмотрев громкоговоритель

    Чтобы громкоговоритель излучал звуковые волны, к его звуковой катушке нужно подвести низкочастотный электрический сигнал - переменное напряжение Под действием этого напряжения по звуковой катушке пойдет низкочастотный переменный ток, он создаст магнитное поле катушки, оно начнет взаимодействовать с полем постоянного магнита, и катушка придет в движение Каким будет этот ток, а значит, и интенсивность движения диффузора, зависит не только от напряжения В соответствии с законом Ома, это еще зависит от сопротивления звуковой катушки Сопротивление это - характеристика сложная, его величину определяют несколько физических процессов. Здесь и обычное активное сопротивление проводов, и те затраты энергии, которые связаны с излучением звуковых волн, и, наконец, индуктивное сопротивление катушки-она, правда, содержит лишь несколько десятков витков, имеет небольшую индуктивность 1_зв, однако же на самых высших звуковых частотах и эта индуктивность создает заметное индуктивное сопротивление (Т-78. Р-72. 6), которое прибавляется к чисто активному, как иногда еще говорят, омическому сопротивлению проводов катушки R3B

    Общее сопротивление, которое образуется и чисто активным, и реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным или обоими одновременно), называют комплексным сопротивлением и обозначают буквой г Поскольку индуктивная составляющая комплексного сопротивления катушки Тзв , как и всякая другая индуктивная составляющая, меняется с частотой (Т-78), то и общее комплексное сопротивление катушки тоже меняется с частотой В справочных таблицах (С-13) сопротивление звуковой катушки Тзв указывают для частоты 1000 Гц Обычно оно всего на 10-20 процентов больше чисто активного сопротивления катушки R3B, и поэтому, смирившись с некоторой погрешностью, можно считать сопротивлением звуковой катушки именно величину R3B Это очень удобно, потому что R3B можно легко измерить омметром (Р-72, 7)

    Другая важная характеристика громкоговорителя-его мощность Р В данном случае понятие «мощность» имеет тотже смысл, что и для любого другого потребителя энергии указанная на громкоговорителе или в справочной таблице величина мощности Р-это та граница, которую нельзя переходить, то есть та мощность, которую нельзя превышать, подобно тому как нельзя подводить к электрической лампочке, двигателю или электронагревателю мощность большую, чем та, на которую они рассчитаны

    В справочных таблицах мощность громкоговорителя иногда указывают в непривычных для нас единицах измерения-вольт-амперах (ВА) Произведение тока 1 А на напряжение 1 В дает единицу мощности 1 Вт, то есть можно сказать, что вольт-ампер и ватт-это одно и то же Для чего же понадобилось иметь две одинаковые единицы мощности'? Только для того, чтобы подчеркнуть, что бывает мощность двух видов - активная и реактивная Активная-это та, которая тутже потребляется нагрузкой и тутже преобразуется в тепло, свет, механическую работу А реактивная мощность-это та, которую потребляют от генератора реактивные элементы, катушка и конденсатор, и через какое-то время возвращают ее генератору (Т-76) Так вот, когда речь идет о реактивной мощности или о комплексной (в нее входит и активная и реактивная), то пользуются единицей вольт-ампер-В * А А когда мощность чисто активная, то ее измеряют в ваттах Мощность, потребляемая громкоговорителем,-это комплексная мощность (опять-таки в основном за счет индуктивного сопротивления катушки), в справочных таблицах она приводится для частоты 1000 Гц и, естественно, указывается в вольт-амперах-В* А Но комплексная мощность на частоте 1000 Гц весьма близка к чисто активной мощности Р Поэтому можно смело считать, что громкоговоритель потребляет именно столько, сколько потребляет активное сопротивление R3B его звуковой катушки

    В заключение-несколько слов горькой правды Динамический громкоговоритель-очень плохой преобразователь энергии, он превращает в звуковые волны лишь два-три процента подводимой электрической мощности, коэффициент полезного действия громкоговорителя составляет 2-3 процента Это значит, что, получая электрическую мощность 10 Вт, громкоговоритель создает звуковые волны мощностью 0,2-0,3 Вт Правда, кэтому^касающему факту разбазаривания энергии н^жно сделать два примечания, в какой-то мере утешительных Во-первых, на расстоянии в несколько метров мы удовлетворительно слышим звук, если его излучатель создает акустическую мощность около 1-3 мВт То есть мы услышим звучание громкоговорителя, к которому подведена электрическая мощность 50-100 мВт А это величины сравнительно небольшие-такие мощности подводятся к громкоговорителю карманного приемника, мощность, потребляемая лампочкой карманного фонаря, в несколько раз больше Для того чтобы создать громкий звук в достаточно большой комнате, вполне хватает электрической мощности 5-10 Вт

    Хуже дело обстоит в установках для озвучивания больших помещений, концертных залов, кинотеатров Здесь ^ке н^жны звуковые мощности в десятые доли ватта и даже в несколько ватт А поэтому к громкоговорителям приходится подводить электрическую мощность 5-10-20 Вт или даже 20-50-100 Вт

    И второе утешительное примечание-можно было бы разными способами повысить коэффициент полезного действия громкоговорителя, но при этом ухудшилась бы способность точно, без искажений, изготавливать звуковую копию электрического сигнала А именно это качество - воспроизведение звука без искажений, а не коэффициент полезного действия - важнее всего для громкоговорителя И действительно, какой толк в том, что громкоговоритель дает более мощный звук, если вместо «А» он воспроизводит «У» или вместо мелодичного вальса - рев мотоциклетного мотора

    Начнем с примера, не имеющего прямого отношения к громкоговорителю Шофер нажимает на педаль акселератора, или, как ее часто называют, педаль газа, и автомобиль набирает скорость Первый из этих двух процессов (нажимание на педаль) есть причина, второй (увеличение скорости автомобиля)-следствие О их взаимосвязи можно рассказать словами или формулой, но проще всего с помощью графика График (Р-72. 8) покажет, что чем больше угол а отклонения педали, тем выше скорость автомобиля-водитель сильнее нажимает на педаль, в цилиндры двигателя поступает больше горючей смеси Вначале с увеличением угла а скорость увеличивается довольно резко, но затем график идет все более полого В значительной мере это объясняется тем, что с ростом скорости автомобиля возрастают разного рода потери энергии, например потери, связанные с завихрениями встречного воздуха Да и мощность двигателя приближается к своему пределу

    Аналогичный график (Р-72, 9) «причина-следствие» хорошо иллюстрирует и работу громкоговорителя Причиной здесь будем считать ток в звуковой катушке, следствием-то избыточное давление воздуха, которое создает диффузор (Т-112) Для начала рассмотрим крайне упрощенную картину - диффузор помещен в небольшую замкнутую камеру и совсем уже напоминает поршень насоса Чем больше ток в звуковой катушке, тем сильней она втягивается в магнитное поле постоянного магнита, тем дальше выдвигается диффузор и тем, следовательно, больше давление перед ним А если поменять направление тока (это обратное направление тока условно считаем отрицательным), то катушка будет выталкиваться из магнитного поля, диффузор уйдет назад и перед ним уже появится разряжение, то есть отрицательное давление

    С увеличением тока в звуковой катушке диффузор вначале выдвигается вперед (или при отрицательном токе уходит назад) и увеличивает (уменьшает) давление, как говорится, по линейному закону-давление прямо пропорционально току Но затем давление начинает увеличиваться все медленнее и медленнее, график загибается, идет все более и более полого Наконец, дело доходит до того, что с увеличением тока диффузор вообще перестает смещаться и давление перед ним остается неизменным Вот одна из причин этого загиба характеристики - центрирующая шайба все сильнее сопротивляется деформирующей силе и, наконец полностью исчерпав свои запасы эластичности, вообще перестает изгибаться Здесь самый момент прекратить эксперименты, приостановить дальнейшее увеличение тока Иначе катушку может просто-напросто вырвать из системы подвеса Или из-за слишком большого тока она может перегреться и перегореть. Самое важное, о чем рассказали наши простейшие мысленные эксперименты с громкоговорителем, так это то, что на его характеристике есть линейные и нелинейные участки (изгибы)

    В нашем конкретном примере (Р-72. 9) линейный участок соответствует токам от-2А до +2А За этими пределами, то есть при токах более сильных, чем +2А и-2А, характеристика загибается, становится нелинейной Протяженность линейного участка практически и определяет ту электрическую мощность, которую можно подводить к громкоговорителю, а значит, и мощность излучаемого звука

    Сейчас нам предстоит произвести довольно простую операцию - совмещение графиков, рассказывающих о том, что происходит в громкоговорителе В дальнейшем мы будем часто выполнять точно такие же операции применительно к другим устройствам - трансформаторам, транзисторам, электронным лампам,- и есть смысл на примере громкоговорителя внимательно посмотреть, как это делается, чтобы потом уже не касаться технической стороны дела

    Будем считать, что в нашем распоряжении есть график электрического сигнала, график, который показывает, как именно меняется ток в звуковой катушке стечением времени А задача сводится к тому, чтобы узнать, каким будет звуковой сигнал, который создаст громкоговоритель То есть задача сводится к тому, чтобы построить график этого звукового сигнала, описать его изменение во времени

    За основу берем характеристику «ток-давление» (Р-72; 9, Р-73. 1) - именно она показывает, как зависит давление перед диффузором от тока в звуковой катушке, а значит, именно эта характеристика позволит узнать, каким будет звуковой сигнал, как будет меняться звуковое давление, если меняется ток К характеристике «ток - давление» пристыковываем график тока (Р-73, 2), повернув его, положив его на бок с таким расчетом, чтобы ось тока этого графика совместилась с осью тока на характеристике «ток-давление» (Р-73, 1) Эта операция всего лишь стремление к удобству теперь мы сможем легко и быстро от одного графика переходить к другому, для этого достаточно провести между ними короткую пунктирную линию

    Отметим, например, что в момент 2 сек ток в звуковой катушке равен 2А, и тут же перейдем к характеристике «ток-давление», определим, что под действием тока 2А громкоговоритель создаст звуковое давление 0,2 Н/мА2 И подведем итог - в момент 2 сек перед диффузором будет давление 0,2 Н/мА2 Отсюда ^ке остается буквально один шаг до графика звукового сигнала Пристыковав к характеристике «ток-давление» две перпендикулярные оси (Р-73, 3), будем определять звуковое давление для разных моментов времени и строить график звукового сигнала

    Совмещенные графики-характеристики «ток-давление», график тока и график звука - подробно рассказывают, как создается звуковой сигнал и каким он получается Говорят они, в частности, о том, что частота звука равна частоте тока, что с увеличением амплитуды тока растет и амплитуда звукового сигнала, что характер изменения звука, форма его графика, в точности повторяет график электрического сигнала (Р-73. 2, 3) Этот последний вывод, однако, справедлив только в случае, если ток не выходит за пределы линейного участка характеристики «ток-давление» Если же ток заходит в область загибов этой характеристики, то прямая пропорциональная зависимость между током и давлением нарушается и график звука уже становится непохожим на график тока (Р-73, 4, 5) Такое искажение сигнала называется нелинейным

    В результате нелинейных искажений в спектре сигнала появляются новые составляющие, в частности новые гармоники, составляющие с частотами, кратными основной частоте (Т-100) Практически мы слышим нелинейные искажения в виде различных посторонних хрипов и скрежетов, звук из-за них становится грязным, хрипловатым Здесь, правда, все еще зависит оттого, насколько далеко ток зашел в нелинейную область характеристики, насколько велики нелинейные искажения

    Чтобы оценить, насколько же сильно искажается сигнал, можно просуммировать всю появившуюся «грязь», просуммировать мощность всех новых, никому не нужных составляющих, и посмотреть, каков удельный вес этой мощности в выходном сигнале Именно об этом и говорит коэффициент нелинейных искажений-Кни Чтобы определить его, на вход устройства (в данном случае речь идет о громкоговорителе, но, как мы скоро увидим, нелинейные искажения могут возникать и в других элементах электронной аппаратуры) подают чистую синусоиду, а на выходе раздельно измеряют мощность этой синусоиды и мощность гармоник, которые появились в результате нелинейных искажений Определенное соотношение этих мощностей (Р-73. 7), выраженное в процентах, и есть коэффициент нелинейных искажений Кни Чаще Кни выражают не через мощности, а через звуковое давление, от которого, как известно, и зависит мощность звука

    Без лишних рассуждений можно сказать, что, чем меньше Кни, тем лучше, тем чище звук Наше ухо замечает нелинейные искажения уже в 3-5 процентов, а искажения в 8-10 процентов сильно ухудшают качество звучания музыки При воспроизведении речи Кни может быть несколько больше К сожалению, если сигнал проходит последовательно несколько устройств (микрофон, линия, громкоговоритель), то нелинейные искажения суммируются Это, правда, не простая арифметическая сумма, суммирование производится более сложным образом, но во всех случаях чем больше «слагаемые», чем больше искажения на отдельных участках, тем больше и суммарные искажения Вот почему нелинейные искажения стараются свести к минимуму в любом участке тракта, по которому путешествует сигнал, и часто ведут борьбу не только за каждый процент коэффициента нелинейных искажений, но даже за каждую десятую долю процента

    Нелинейные искажения ограничивают и максимальную громкость звучания громкоговорителя Он, может быть, мог бы создавать и более мощный звук, но при этом нелинейные искажения были бы недопустимо большими Мощность была бы получена слишком дорогой ценой Вот почему, указывая мощность громкоговорителя, часто делают оговорку «При нелинейных искажениях не более стольких-то процентов» К сожалению, линейные участки характеристики «звук-давление» тоже не идеальны, они тоже имеют некоторую кривизну И поэтому нелинейные искажения, правда небольшие, возникают во всех режимах работы громкоговорителя Но, конечно, очень сильные искажения появляются при перегрузке громкоговорителя, когда к нему подводится чрезмерно мощный электрический сигнал

    Другой вид искажений формы сигнала, с которым мы встречаемся в громкоговорителе, а затем еще не раз встретимся в других устройствах,-это частотные искажения Здесь никакие новые составляющие в спектре не появляются, а меняются соотношения между «старыми» составляющими сигнала (Р-74)

    Наш слух очень сильно ощущает частотные искажения Из-за них меняется тембр звука, неузнаваемыми становятся голоса певцов, из оркестра исчезают целые музыкальные инструменты Если ослабляются составляющие низших частот, то едва слышен барабан, куда-то далеко уходит контрабас, звук становится сухим, резким А если ослабляются составляющие высших частот, то слабо звучат флейты, скрипки, звук становится глухим, бубнящим, пропадает его чистота и прозрачность

    Откуда появляются частотные искажения? Кто виноват в нарушении пропорций между составляющими спектра? Конечно же, эти искажения могут появиться в некоторых цепях переменного тока, по которым путешествует электрический сигнал Вспомните, что реактивные элементы- катушка и конденсатор - имеют различное сопротивление на разных частотах (Т-76, Т-78), а значит, эти элементы по самой своей природе будут создавать частотные искажения И только некоторые особые меры помогают уменьшить эти вредные действия реактивных элементов или даже полностью их компенсировать

    В этом отношении частотные искажения в принципе отличаются от нелинейных Если в сигнале появились новые гармоники, новые составляющие, то полностью избавиться отних уже невозможно А вот если какой-либо участок тракта создает частотные искажения, то на другом участке их можно искусственно скомпенсировать, поднять чрезмерно ослабленные составляющие Это, кстати, делают с помощью все тех же реактивных элементов, чаще всего с помощью определенным образом подобранных конденсаторов И получается, что в одном месте реактивные элементы создают частотные искажения, а в другом месте специально введенные другие реактивные элементы (элементы коррекции) уменьшают эти искажения Таковы самые общие, самые предварительные замечания О том, как все происходит в конкретных электрических цепях,-речь впереди (Т-199)

    С частотными характеристиками мы уже встречались, когда пытались выяснить, как ведут себя те или иные элементы электрической цепи при изменении частоты переменного тока (Т-80) Для того чтобы получить частотную характеристику громкоговорителя, нужно подвести к нему переменное напряжение, менять частоту этого напряжения (поддерживая все время одинаковой его амплитуду, число вольт) и одновременно измерять звуковое давление (Р-74, 1) Желаемая частотная характеристика громкоговорителя - прямая линия, она говорит о том, что громкоговоритель будет одинаково хорошо преобразовывать ток в звук на всех частотах Пусть даже не на всех На всех, пожалуй, и не нужно, идеальным вполне можно было бы назвать громкоговоритель, если бы его частотная характеристика была прямой в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 кГц, то есть в том диапазоне, в котором слышит человеческое ухо Однако же таких громкоговорителей, к сожалению, не бывает

    Одна из причин частотных искажений в громкоговорителе - сама звуковая катушка С частотой ее индуктивное сопротивление растет, ток в катушке падает, а значит, она слабее взаимодействует с внешним магнитным полем Но это далеко не самое страшное В громкоговорителе есть механические колебательные системы, напоминающие гитарную струну Это прежде всего сам диффузор, который, как и струна, обладает определенной массой и упругостью Колебательные системы громкоговорителя, как и любые колебательные системы, на определенных частотах резонируют, и из-за этого на частотной характеристике появляются острые выбросы «пиков» Но и это еще не все Частотные характеристики громкоговорителя с большим диффузором имеют понижение, или, как принято говорить, завал, в области высших частот(С-13)-за счет большой инерции большому диффузору, захватывающему большие объемы воздуха, с увеличением частоты все труднее следовать за изменениями тока Но зато громкоговорители с большим диаметром диффузора хорошо воспроизводят низшие звуковые частоты, и их так и называют низкочастотными А маленькие диффузоры, наоборот, легко двигаются на высших частотах, но плохо излучают на низших, за что их и называют высокочастотными Есть громкоговорители универсальные, они удовлетворительно воспроизводят и весьма высокие частоты, и довольно низкие Однако же если хотят воспроизвести очень широкую полосу звуковых частот, то создают акустические агрегаты, куда входят и низкочастотные громкоговорители, и высокочастотные (Р-74, 8)

    Частотная характеристика громкоговорителя должна представлять собой график зависимости звукового давления (или силы звука) от частоты переменного напряжения, которое подводится к звуковой катушке Но часто характеристику эту изображают иначе Звуковое давление на некоторой частоте, обычно на частоте 1000 Гц, принимают за единицу и на частотной характеристике показывают лишь изменения силы звука (звукового давления) по отношению к этой средней величине Возле вертикальной оси ставят букву К или Кчи, обозначая таким образом коэффициент частотных искажений-он показывает, на сколько децибел (во сколько раз) звуковое давление на данной частоте больше (положительный Кчи) или меньше (отрицательный Кчи), чем на средней частоте 1000 Гц (Р-74, 3) У идеального громкоговорителя звуковое давление на всех частотах одинаково, а значит, Кчи всегда равен нулю, частотных искажений нет

    Когда диффузор движется вперед, он создает перед собой область сжатия, а позади - область разрежения Во время обратного движения диффузора область сжатия появляется с тыльной стороны громкоговорителя, а впереди него-область разрежения Иными словами, громкоговоритель одновременно излучает две звуковые волны (Р-75. 1), причем сдвинутые по фазе на полпериода, на 180 град И если обе эти волны одновременно придут к нашему уху, то мы вообще ничего не услышим - противофазные волны просто скомпенсируют друг друга В реальном случае полного взаимного «пожирания» звуковых волн не происходит (хотя бы потому, что диффузор вперед излучает эффективнее, чем назад), но ослабить друг друга они могут весьма заметно Причем главным образом в области низших частот Дело втом, что звуковая волна, которую создает тыльная, задняя поверхность диффузора, приходит к слушателю путем несколько более длинным, чем основная волна, и появляется некоторый дополнительный сдвиг фаз между этими звуковыми волнами На высших звуковых частотах, которым соответствуют более короткие волны, даже небольшой разницы в путях от диффузора до уха достаточно, чтобы в прошлом противофазные волны пришли к станции своего назначения-к уху-в полном согласии, в фазе А вот на самых низших частотах и даже на средних частотах дополнительный сдвиг фаз получается небольшим и звук заметно ослабляется Способ борьбы с этой довольно-таки серьезной неприятностью напрашивается сам собой нужно просто удлинить путь, по которому «задняя» звуковая волна идет к уху Иногда это делают с помощью акустического экрана (Р-75, 2)-достаточно толстой (10-20 мм) доски фанеры.деревянной доски или древесно-стружечной плиты

    Если когда-нибудь вам придется конструировать приемник или радиолу, то проделайте простой эксперимент сначала послушайте громкоговоритель, не вставляя его в ящик, на весу, а затем вставьте громкоговоритель в ящик и послушайте его еще раз Вы наверняка отметите огромную разницу в звучании «голый» громкоговоритель звучит значительно тише, средние и особенно низшие частоты сильно завалены, их почти не слышно Деревянный ящик - это не просто декоративная деталь, он сильно влияет на качество звучания, причем сразу несколькими «рычагами» Во-первых, он выполняет роль акустического экрана (Р-75. 3) Во-вторых, ящику передаются колебания диффузора, и он сам превращается в излучатель звука Излучатель довольно большой, а значит, увеличивающий звуковую мощность, особенно в самой трудной области - на низших звуковых частотах Вот почему, конструируя ящики для акустических агрегатов, думают не только о красоте форм или о внешней отделке Главное внимание обращается на то, как использовать ящик для улучшения качества звучания, в частности для выравнивания частотной характеристики

    Есть несколько приемов формирования необходимых акустических характеристик ящика Один из них - размещение громкоговорителей не только на передней стенке, но и на боковых Это улучшает диаграмму направленности акустического агрегата, он более равномерно излучает звук во всех направлениях, создает ощущение объемного звучания В некоторых случаях ящик заполняют звукопоглотителем, например ватой или стеклянной ватой, и этим несколько ослабляют неприятные резонансные явления в системе громкоговоритель - ящик Для подъема частотной характеристики в области низших частот в ящике делают специально рассчитанные акустические лабиринты и фазо-инверторы (Р-75, 5)-устройства, которые определенным образом поворачивают фазу звуковой волны, создают условия для складывания, суммирования звуков, излучаемых разными участками акустического агрегата

    На Р-75, 6,10 приведены типичные схемы акустических агрегатов Такие агрегаты, или, как их чаще называют, звуковые колонки, рассчитаны на разные типы громкоговорителей, на разную подводимую мощность В зависимости от способов соединения громкоговорителей может быть различным и их общее сопротивление (Р-75, 9,10) Кстати, соединяя громкоговорители в группы, нужно их фазировать - нужно, чтобы все диффузоры одновременно двигались в одну и туже сторону Фазировку проще всего осуществить с помощью гальванического элемента, наблюдая, куда смещается диффузор (Р-74, 7, 8) Мощности, указанные на Р-74, 9,10, дают нам повод (таких поводов, правда, и раньше было довольно много) задуматься над проблемой, которая неизбежно ведет к следующей главе Для создания достаточно громкого звука нужен электрический сигнал мощностью в несколько ватт, а то и в несколько десятков ватт А теперь попробуем подсчитать мощность, которую могут обеспечить наши главные поставщики электрической копии звука - микрофоны Даже сравнительно громким звукам (60 дБ) соответствует мощность звуковой волны всего 0 000001 Вт/мА2 = 10А(-6) Вт/мА2 Если предположить, что площадь воспринимающей части микрофона составляет 10 смА2 (10А(-3) мА2),то окажется, что микрофон получает от звуковой волны всего 10А-9 Вт, то есть одну миллиардную ватта Это - мощность звука, который поступает в микрофон, а мощность электрического сигнала на его выходе еще во много раз меньше - коэффициент полезного действия микрофона всего несколько процентов Из этого можно сделать только один вывод На пути от устройства, где рождается электрическая копия звука, до устройства, где электрический сигнал создает звук, необходим еще один элемент - усилитель

(В главное меню)