Занимательная радиотехника

Раздел: Техника

Вы сидите в театре. Сцена за сценой проходит перед вашими глазами. Нежный шопот влюбленных сменяется громкими песнями, за еле слышными голосами разведчиков следует громовое «ура!» атакующих бойцов и оглушительная пальба.

Теперь представьте себе на минуту, что кто-то снивелировал все звуки спектакля: шопот усилился до громкости обычного разговора, выстрелы превратились в негромкие хлопки, а герой-бойцы шли в атаку осторожно, вполголоса выкрикивая свое «ура!» Не правда ли, как сразу поблекли бы краски спектакля, насколько серым, бледным, неестественным показался бы он нам.

На языке акустики разница в громкости звучания называется динамическим диапазоном. То, чему мы мысленно были свидетелями в театре, представляло бы собой с точки зрения акустики нарушение естественного динамического диапазона. «Живые» звуки окружающего нас мира изменяют свою громкость во много раз. Отношение между наибольшей и наименьшей громкостью звучания выражают обычно в децибелах. Динамический диапазон окрестра характеризуется «полосой» громкости в 60—70 децибел. В переводе на электрическое напряжение это составляет разницу в 1 ООО—3 ООО раз.

Чтобы передать без искажений такой динамический диапазон, у передатчика должна быть обеспечена возможность модуляции в пределах от 100% (форте-фортис- симо) до 100:3 000 = 0,03% (пиано-пианиссимо). Но такая ничтожная глубина модуляции, как 0,03%, находится уже на уровне собственного фона передатчика, причем уменьшение уровня фона даже до такой величины связано с большими трудностями. Тем не менее снижение фона является единственный средством расширения динамического диапазона передатчика, так как повысить глубину модуляции свыше 100% невозможно.

Еще большие трудности возникают при приеме. Наибольшая громкость звучания определяется максимальной неискаженной мощностью приемника, а наименьшая — его собственными шумами и фоном. По ГОСТ у первоклассных -приемников уровень фона и шумов должен быть по крайней мере на 46 децибел ниже максимальной выходной мощности. Этим и определяется динамический диапазон приемников. У приемников он ограничен значительно более узкими границами, чем у передатчиков. Еще больше «сжимают» динамический диапазон разного рода помехи, особенно сильные в городах.

Таким образом, проблема передачи по радио естественного динамического диапазона еще не решена, а без этого невозможно получить естественное воспроизведение. Одним из намечающихся выходов из этого положения является перевод части радиовещания на ультракороткие волны (с частотной модуляцией). Возможность глубокой модуляции и отсутствие помех позволяют передать и воспроизвести ультракоротких волнах более широкий диапазон громкости, чем на длинных, средних или коротких волнах.

Эта особенность передач с частотной модуляцией заметна при работе телевизоров. Именно поэтому телевизоры звучат хорошо даже тогда, когда в них установлены громкоговорители, применяющиеся в радиоприемниках самых низких классов.

Сила звука в акустике и радиотехнике определяется величиной звукового давления и выражается в барах. Есть ли что-либо общее между звуковым давлением- и атмосферным давлением, для измерения которого применяются барометры?

Между звуковым и атмосферным давлением по существу нет принципиальной разницы. Звуковые волны представляют собой чередующиеся зоны с повышенным и пониженным давлением относительно нормального атмосферного давления в данном месте и в данное время. Когда через какую-нибудь точку пространства проходит звуковая волна, атмосферное давление в ней увеличивается и уменьшается относительно среднего значения на определенную величину, которую мы и называем звуковым давлением.

Различие между атмосферным и звуковым давлением состоит в том, что атмосферное давление сравнительно постоянно, его изменения весьма медленны. Изменение атмосферного давления на 3 мм ртутного столба в час считается метеорологами очень резким, тогда как частота изменения звукового давления доходит до многих тысяч в секунду, а наиболее медленные изменения звукового давления происходят десятки раз в секунду.

Поэтому и приборы, служащие для измерения атмосферного давления, непригодны для измерения звуковых давлений; они рассчитаны на измерение постоянного давления и не могут реагировать на быстрые его изменения. В данном случае можно провести почти полную аналогию с измерительными приборами постоянного и переменного тока.

Прибор постоянного тока «не успевает» следовать за быстрыми изменениями направления тока и стрелка такого прибора, включенного в цепь переменного тока, только дрожит, чуть отклоняясь от среднего положения.

Звуковое давление измеряется барами. Давление в 1 атмосферу равняется 981 ООО бар или, в круглых циф- pax, 1 ООО ООО бар. Таким образом, 1 бар равен одной миллионной доле атмосферного давления К

Из этого сопоставления можно видеть, что изменения атмосферного давления, происходящие при распространении звуковых волн, весьма малы. Звуковые давления измеряются долями бара или десятками бар, редко — сотнями бар, что соответствует изменению атмосферного давления всего лишь на миллионные доли. Вот несколько цифр:

Порог слышимости              0,0002 бара —2-10 10 атмосферы

Шопот на расстоянии 1 м   0,002   „ — 2-10~~9

Разговор на расстоянии 1 м            0,2       „ — 2•10 7

Оркестр на расстоянии 10 м           2,0       • -2-Ю-6

Авиамотор на расстоянии 10 м      300,0   . -0,0003

Болевой предел        650,0   „ -0,0006

По действующему у нас стандарту радиовещательный приемник 1-го класса должен развивать на расстоянии 1 м звуковое давление не меньше 20 бар, т. е. 2«10~5 атмосферы, а наиболее экономичные приемники 4-го класса с батарейным питанием должны развивать на расстоянии 1 м звуковое давление не меньше 1,5 бара или 1,5- 10 ~6 атмосферы.

Быстрое изменение давления примерно на 20 ООО бар (0,02 атмосферы) может привести к разрыву барабанных перепонок уха.

Звуковая волна представляет собой колебательное двг'кение частиц воздуха. Частота этих колебаний определяет собой частоту (тон) звука, а от амплитуды колебаний зависит громкость звука. Амплитуды эти чрезвычайно малы.

Ухо наиболее чувствительно к частоте 2 300 герц. Порог слышимости на этой частоте составляет 10~10 микроватт/сж2, что соответствует звуковому давлению 2-10 4 бара. Смещение частиц воздуха при громкости звука на пороге слышимости равно всего 0,1 ангстрема, т. е. меньше поперечника атома (см. стр. 9).

Колеблющиеся частицы воздуха передают свою энергию барабанной перепонке нашего уха, которая сама начинает колебаться с амплитудами примерно такого же порядка. Однако этих ультрамикроскопических амплитуд достаточно для того, чтобы слуховой перл получил определенное раздражение, в результате которого у пас рождается ощущение звука.

Наше ухо (равно как и наш глаз) является исключительно чувствительным прибором. Эта чувствительность позволяет нам слышать такие звуки, мощность которых крайне мала.

Амплитуды колебания барабанной перепонки продолжают оставаться очень малыми даже при значительно более громких звуках. Когда мы разговариваем с нормальной громкостью, не повышая голоса, то звуки голоса нашего себеседника заставляют барабанную перепонку колебаться с амплитудой всего несколько микрон.

Смещение частиц воздуха при громкости, достигающей болевого предела, довольно велико; оно измеряется миллиметрами. До такой амплитуды доходит смещение частиц воздуха, вызванное, например, работающим на расстоянии нескольких метров авиационным мотором.

Как ответить на такой вопрос: потому, что диффузор колеблет воздух, или потому, что звуковая катушка громкоговорителя колеблет диффузор? А, может быть, потому, что в громкоговоритель поступают из приемника токи звуковой частоты?

Звуковая катушка представляет собой некоторое количество витков провода, скрепленых с каркасом катушки и находящихся в сильном магнитном поле. Когда через обмотку катушки не протекает электрический ток, она не испытывает действия каких-либо сил, стремящихся привести ее в движение. Между магнитным полем и звуковой катушкой отсутствуют взаимодействия, могущие вывести ее из положения равновесия.

Но вот в витках звуковой катушки появляется электрический ток: свободные электроны, находящиеся в металле провода катушки, начали организованно двигаться в одну сторону.

Между движущимся электроном и магнитным полем существует определенное взаимодействие. Если электрон движется не точно в направлении поля, то на него будет действовать сила, стремящаяся изменить направление его движения. Направление действия этой силы легко определить по правилу правой руки: если правую руку расположить в магнитном поле так, чтобы ладонь была обращена к северному полюсу, а четыре сложенных пальца указывали направление движения электрона, то отогнутый большой палец укажет направление силы.

Электроны, начав свое движение в проводе звуковой катушки громкоговорителя, немедленно испытывают действие магнитного поля, стремящегося вытолкнуть их из магнитного зазора, и, подчиняясь ему, изменяют направление движения. Если электроны были бы действительно полностью свободными, то они вырвались бы из провода и устремились вон из магнитного зазора громкоговорителя. Началась бы своеобразная «магнитная эмиссия» электронов из провода с током.

Но свобода электронов в проводе относительна. Электроны могут передвигаться в толще металла провода, но при этом они испытывают определенное сопротивление с его стороны; электронам приходится протискиваться между атомами металла и сталкиваться с ними. Оособенно большие затруднения встречают электроны у поверхности провода. Движение электрона, стремящегося покинуть провод, в этой зоне встречает сильнейшее противодействие со стороны других электронов и ионов металла. Когда электрон находится во внутренних пространствах толщи провода, его взаимодействие с другими элементарными частицами уравновешивается, потому что они окружают электрон со всех сторон. В пограничной зоне, толщина которой около 10~7 мм, электроны испытывают сильнейшее притягивающее действие со стороны положительных ионов металла, которое не только ничем не уравновешивается, но, наоборот, усиливается отталкивающим действием пограничного слоя электронов атомных оболочек. Оба эти действия стремятся втянуть электрон обратно в провод.

Таким образом, электроны, которые в силу взаимодействия с магнитным полем «хотят» покинуть провод, не могут сделать этого из-за действия сил, существующих в пограничной зоне у поверхности проводника.

Но электроны не могут не подчиняться действию выталкивающей силы магнитного поля. Они начинают двигаться в направлении этой силы и, не будучи в состоянии вырваться из провода, увлекают его с собой.

Поэтому на поставленный вопрос надо ответить так: динамический громкоговоритель работает потому, что электроны, образующие электрический ток в звуковой катушке, взаимодействуя с магнитным полем в зазоре громкоговорителя, стремятся вырваться за пределы поля. Однако действующие в проводнике внутренние силы пе позволяют им покинуть проводник. В результате электроны увлекают проводник с собой. Проводник в свою очередь увлекает скрепленный с ним каркас катушки, а катушка увлекает скрепленный с ней диффузор.

По такой же точно причине работаки все электромоторы, рамки измерительных приборов и пр. Ротор мотора мощного электровоза, как и звуковую катушку громкоговорителя, движут электроны, которые, повинуясь магнитному полю, стремятся вырваться из провода, но не будучи в состоянии сделать это, увлекают за собой провод.

В заключение надо сделать маленькую оговорку. Из нарисованной здесь картины можно сделать вывод, что при отсутствии тока электроны в проводе не движутся. Это, конечно, неверно. При отсутствии тока в проводе происходит тепловое движение электронов и эти электроны также взаимодействуют с магнитным полем. Но в тепловом движении электронов нет какого-либо преимущественного направления. Отдельные электроны движутся в различные стороны и, взаимодействуя с магнитным полем, стремятся увлечь с собой провод и вытолкнуть его из зазора в обоих направлениях: и в сторону диффузора и в противоположную сторону. Такие силы взаимно уравновешивают друг друга, поэтому провод остается неподвижным. Лишь при организованном движении больших масс электронов в одном направлении, каким является электрический ток, возникают силы, увлекающие провод в определенную сторону.