Для характеристики возможностей нашего слуха приведем несколько цифр. Мы отличаем синусоидальные составляющие уже в том случае, когда их частоты разнятся всего на несколько десятых долей процента. Например, установлено, что при звуке средней громкости человек может отличить частоты 997 и 1003 гц от частоты 1000 гц. Наш слух воспринимает звуки самой различной громкости. В частности, самый сильный звук, который мы в состоянии выдержать и который находится на самом пороге «болевого ощущения», и самый слабый звук, который мы уже едва улавливаем, по своей мощности отличаются один от другого в миллиарды раз. А вот характеристика чувствительности — мы слышим такие слабые звуки, которые создают давление на барабанную перепонку с силой всего 0,00000003 грамма! Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десяти миллионной доли миллиметра!

Вся эта изумительная по точности и чувствительности система появилась в результате многовековой эволюции. Она позволяет человеку хорошо ориентироваться в окружающем мире, собирать о нем много ценной информации.

И все же несмотря на очень высокую чувствительность нашего звукового приемника, он не позволяет людям поддерживать непосредственную связь друг с другом на расстояниях больше, чем несколько сот метров, а иногда, например возле бурного водопада или на перроне метрополитена, и нескольких десятков сантиметров. Происходит это потому, что звуковые волны по мере продвижения вперед очень быстро затухают, теряют свою энергию. Кроме того, услышать слабый звук нам, как правило, мешают разные посторонние шумы. И, наконец, скорость звука слишком мала даже для масштабов нашей, как сейчас любят говорить, маленькой планеты. Если бы и удалось построить линию дальней акустической связи, то даже короткий разговор по такой линии занял бы несколько дней, а то и несколько месяцев. Так, москвич, разговаривая с жителем Владивостока, мог бы получить ответ на свой вопрос только через двадцать часов.

Когда думаешь о недостатках линий акустической связи, почему-то вспоминается, как охрип Бывалов — один из героев кинокомедии «Волга-Волга». Он пытался с берега разговаривать с пассажирами застрявшего посреди Волги парома и так громко кричал, что очень быстро сорвал голос. Непосредственная звуковая связь уже при сравнительно небольших расстояниях становится невозможной.

Разговор через переводчика

Итак для передачи сообщений на большие расстояния звуковые волны непригодны. Во-первых, они слишком быстро растрачивают свою энергию, во-вторых, двигаются слишком медленно. Оба эти недостатка легко устраняются в линиях электрической связи, где переносчиком сообщений является электрический ток.

Простейшим представителем систем электросвязи может служить уже знакомый нам карманный фонарик. Установите батарейку и выключатель у себя на столе, а лампочку с помощью длинных проводов введите в комнату к своему товарищу, и действующая модель телеграфа готова. Стоит вам замкнуть выключатель, как в другой комнате тотчас же загорится лампочка. Это значит, что электрический сигнал достиг цели. Теперь остается договориться, на каком условном языке будут передаваться сообщения. Можно, например, замыкать цепь на короткие отрезки времени, посылать в линию, а значит и пропускать через лампочку импульсы тока. В этом случае появляется много различных способов кодировать сообщения. Условимся, например, так: одна вспышка лампочки означает «Приходи в гости», две вспышки — «Иду к тебе», три — «Не забудь, что завтра воскресенье, встречаемся на остановке троллейбуса и едем на стадион».

Есть другой путь, и вы его прекрасно знаете, — это азбука Морзе, или, как ее называют еще иначе, телеграфная азбука. В ней каждой букве, каждой цифре, каждому знаку препинания соответствует определенная комбинация коротких и длинных импульсов тока — точек и тире. Существует и другой распространенный код — код Бодо, в котором используются различные комбинации одних только точек и пауз между ними.

Телеграфная передача очень напоминает разговор с помощью двух переводчиков — сначала мы переводим слова на язык условных знаков — точек и тире, затем превращаем эти знаки в электрические сигналы, то есть, образно говоря, переводим их на электрический язык. В этом отношении телефон — система более простая и, конечно, более удобная. Здесь нет никаких промежуточных превращений — в электрический сигнал преобразуются сами звуковые волны, соответствующие тем или иным словам. Прибор, который осуществляет такой перевод на электрический язык, называется микрофоном.

Чаще всего встречаются два типа микрофонов — угольный и электродинамический (динамический). Если не вдаваться в подробности, то можно сказать, что первый из них — это просто коробочка с угольным порошком, который с помощью двух плоских электродов включается в электрическую цепь последовательно с обычной батарейкой (рис. 12).

Рис. 12

Когда вы говорите перед микрофоном, то звуковые волны воздействуют на угольный порошок. Любое изменение звукового давления меняет плотность порошка, а с изменением плотности меняется и его электрическое сопротивление. Чем сильнее прижаты друг к другу крупинки угля, тем легче двигаться электрическим зарядам, тем, следовательно, меньше сопротивление порошка. Ну, а если меняется сопротивление цепи, то по закону Ома меняется и ток в ней. При этом изменение тока в точности повторяет все изменения сопротивления, а значит и все изменения звукового давления. Так, если на микрофон попадает звук с частотой 400 гц, то ток в цепи будет изменяться также с частотой 400 гц. Если произнести перед микрофоном какое-либо слово, а затем построить два графика — график звука и график тока в микрофонной цепи, то форма кривой на обоих графиках окажется одинаковой. Одним словом, микрофон в точности переводит звук на «электрический язык», создает своего рода электрическую копию звука.

Это преобразование нужно нам лишь для того, чтобы с помощью тока передать сообщение по проводам. Совершенно ясно, что на другом конце линии необходим еще один «переводчик» — нужно совершить обратное преобразование, то есть с помощью изменяющегося тока получить звук. Такой обратный перевод может совершить простейший прибор, в быту называемый наушником, а в литературе головным телефоном или просто телефоном.

Основой телефона являются две соединенные последовательно катушки с большим числом витков медного провода и сердечниками в виде постоянных магнитов. К катушкам, точнее к слегка выступающим сердечникам, прилегает тонкая стальная пластинка — мембрана. Когда по катушке телефона проходит ток, то сердечник дополнительно намагничивается и сильней притягивает к себе мембрану. В простейшей линии телефонной связи наушник (телефон) можно включить последовательно с микрофоном и батарейкой. В этом случае при изменении тока, который проходит через микрофон, меняется и ток в катушке телефона — во всех участках последовательной цепи течет один и тот же ток. При этом, естественно, меняется и сила притяжения мембраны к сердечнику, мембрана колеблется и создает звуковые волны. Все движения мембраны будут в точности следовать за изменениями тока в цепи. Если, например, ток в цепи изменяется с частотой 400 гц, то мембрана создаст звук, имеющий частоту также 400 гц. Достаточно точно сохранится и спектральный состав звука, хотя, откровенно говоря, в этом отношении телефон весьма далек от совершенства.

Кроме угольного микрофона и наушника, «переводчиками» могут служить более совершенные электродинамические системы — динамический микрофон и динамический громкоговоритель. Работают эти, казалось бы, разные приборы на одном и том же принципе и содержат одинаковые основные узлы. Это прежде всего сильный постоянный магнит, расположенная между его полюсами легкая катушка (ее обычно называют звуковой) с небольшим числом витков и прикрепленный к этой катушке диффузор, изготовленный из специального материала, очень напоминающего бумагу или тонкий картон (рис. 13).