Сворень Рудольф Анатольевич
«Шаг за шагом.
Усилители и радиоузлы»
Звук — конечный продукт всех радиоаппаратов, о которых будет рассказано в этой книге. Радиоузел, усилитель низкой частоты, радиограммофон, приемник, магнитофон, радиола — все они предназначены для создания определенных звуковых колебаний, чаще всего для воспроизведения музыки. Все эти аппараты, так сказать, работают на одного потребителя — на человеческое ухо. И в конечном счете наш слух выставляет им главную оценку — за качество звучания.
Качество звучания звуковоспроизводящей аппаратуры зависит от многого: в частности, от выбранной схемы и конструкции, от того, как собран усилитель, как он налажен. И конечно, качество звука очень сильно зависит от подбора и расположения самих излучателей звуковых волн — громкоговорителей. Именно с них мы и начнем знакомство со звуковоспроизводящей аппаратурой. Для этого прежде всего нужно изучить продукцию, которую должен выпускать громкоговоритель, выяснить, что представляют собой звуки, которые он воспроизводит. Попутно мы коротко познакомимся с настоящими источниками звука — с некоторыми музыкальными инструментами. Не сможем мы обойтись и без знакомства с потребителем излучаемого звука — слуховым аппаратом (органом слуха) человека. Очень важно знать, как наше ухо воспринимает звуки, по каким признакам их различает, какие искажения и в какой степени фиксирует. Конечно, нужно нам поговорить и о самом звуке, о том, как возникают звуковые колебания, какими величинами характеризуются, чем похожи и чем отличаются звуки, полученные от различных источников, в чем проявляются искажения звука, как можно оценить степень этих искажений.
Именно с этих вопросов мы, пожалуй, и начнем.
Вы тронули гитарную струну…
Когда нужно найти лаконичное и четкое объяснение какого-либо слова, люди обычно обращаются к энциклопедическому словарю. Поступив подобным образом, мы сразу же запишем: «Звук — распространяющиеся в упругих средах — газах, жидкостях и твердых телах — механические колебания, воспринимаемые ухом». Оставим пока в стороне жидкости и твердые тела и посмотрим, что представляют собой звуковые колебания в газах, в частности в воздухе.
Источником звука могут быть различные колеблющиеся тела: например, хорошо известная струна. Вы тронули гитарную струну, и она пришла в движение. Струна вибрирует, быстро отклоняется то в одну, то в другую сторону от своего среднего положения, от положения покоя. Это один из примеров очень интересного вида движений, которые мы называем свободными колебаниями. Вам наверняка хорошо знакомы и другие примеры свободных колебаний, движений туда-обратно — колебания маятника, качелей, стальной линейки, зажатой в тиски.
Отчего же возникают колебательные движения? Попробуем разобраться в этом хотя бы в самых общих чертах.
Вы тронули гитарную струну и передали ей некоторую порцию энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда вращаем педали велосипеда, передвигаем по столу книгу или ударяем ногой по футбольному мячу. И всякий раз отданная нами энергия расходуется на какое-нибудь важное дело — на создание тепла, на борьбу с трением или сопротивлением воздуха. Одним словом, энергия сразу находит своего главного потребителя, который в основном ее и поглощает.
Иначе обстоит дело с натянутой струной. Здесь имеется сразу несколько главных потребителей энергии, причем два из них представляют для нас особый интерес — именно они заставляют струну совершать колебательные движения.
Когда мы оттягиваем струну, отводим ее от условной средней линии (рис. 1), то, естественно, затрачиваем на это какую-то энергию. Ее сразу же захватывает первый потребитель, чтобы превратить в так называемую упругую деформацию. Явление это связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью.
Рис. 1. В процессе свободных колебаний струны энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию, которая затем опять переходит в энергию упругой деформации, и т. д. При этом струна отклоняется то в одну, то в другую сторону и изменяется скорость движения струны.
Когда мы сгибаем (деформируем, то есть изменяем форму) стальную пружину или сжимаем (деформируем) резиновый мяч, то затрачиваем свою энергию именно на то, чтобы преодолеть силы внутренней упругости. Но затраченная энергия не уходит безвозвратно. Упругое тело, как только у него появится возможность, вернется в первоначальное состояние и почти полностью отдаст полученную энергию.
Лучше всего это видно на примере обычных часов. Заведенная пружина запасает определенную порцию энергии, а затем постепенно отдает ее, вращая многочисленные шестеренки часового механизма. Таким же образом ведет себя и упругая струна: она не потребляет, а лишь накапливает энергию и при первой возможности возвращает ее обратно. Возвращает, но кому?
Спортсмен, который обычно прыгает в длину на 7–8 м, едва перепрыгнет 3–4 м, если его лишить возможности предварительного 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 весьма точно определяет этот запас: это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в том числе и бегущий человек. Чем больше масса тела и скорость его движения, тем больше запас кинетической энергии. Это хорошо поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции. Шоферы хорошо знают, что, чем больше скорость автомобиля и чем больше он нагружен, тем труднее его остановить.
Само собой разумеется, что во всех случаях кинетическая энергия не появляется сама собой. Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха, электрических сил, химических реакций, с помощью самых различных источников, способных работать, толкать, двигать, способных создавать скорость, а значит, и запасать кинетическую энергию.
Теперь можно назвать и второй потребитель энергии в колеблющейся струне. Это — движение. Энергия, которую вы передаете струне во время первого толчка, или какая-то часть ее должна быть затрачена на то, чтобы привести струну в движение, создать у нее некоторый запас кинетической энергии. Правда, запас этот струна долго в себе не хранит.
В процессе колебаний она очень часто останавливается: всякий раз, когда попадает в крайнее правое или крайнее левое положение и после этого начинает двигаться в обратную сторону. Остановка длится ничтожное, неуловимое мгновение, но это настоящая остановка, полная потеря скорости. О колеблющейся струне так и говорят: в крайних точках ее скорость равна нулю. А это означает, что, попав в крайнюю точку, струна полностью теряет свой запас кинетической энергии, точнее, полностью отдает его. Кому?
Мы с вами познакомились с двумя потребителями энергии, которые существуют в натянутой струне. Было отмечено, что ни один из этих потребителей полученную энергию вечно в себе не хранит. В обоих случаях мы сказали, что энергия куда-то передается, но не сказали, куда именно. Для того чтобы выяснить это, просмотрим (разумеется, условно) небольшой учебный кинофильм.
…В зале медленно гаснет свет. Звучит музыкальное вступление. На экране одна за другой появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в три ровные горизонтальные линии. Наконец, можно прочесть название фильма: «Свободные колебания струны». Буквы тускнеют, музыка стихает. Звучит голос диктора: «Замечательная техника современного кино позволяет показать колебания обычной струны, замедленные в несколько тысяч раз».
На экране героиня фильма — струна, натянутая вертикально между двумя массивными стойками. Струна неподвижна. Появляется рука с вытянутым указательным пальцем, который оттягивает струну в сторону. На том месте, где только что была струна, остается пунктирная прямая линия. Возле нее возникает надпись: «Положение покоя».
Голос диктора: «Натянув струну, мы затратили какую-то энергию».
Палец отпускает струну. Она начинает сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее возвращаться к своему первоначальному положению, а затем сливается с пунктирной линией.
Диктор объясняет: «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя. Но она уже не может остановиться: почти вся энергия, которую вы передали струне, теперь превратилась в кинетическую энергию движения. Только потеряв этот подарок, струна сможет вновь обрести покой».
Проскочив пунктирную линию, струна продолжает двигаться дальше и вновь изгибается, но уже в противоположную сторону. Скорость струны уменьшается.
