Л. — Все это потребует немало объяснений. Мой дядюшка и я сам сможем теперь приступить к этим вопросам, так как ты постиг основы общей электротехники.
Комментарий профессора Радиоля
РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ И РАДИОПРИЕМНИКИ
Как звуки преобразуют в электрические сигналы? Как эти сигналы вводят в электромагнитные волны? Как эти волны принимают, выделяют, усиливают? Как из них извлекают звуковые сигналы и как эти сигналы вновь преобразуют в звуки? Все это объясняет профессор Радиоль.
Слушая вашу последнюю беседу, я убедился, что вы подошли непосредственно к радиотехнике. Не вдаваясь в детали, я попытаюсь изложить вам основные принципы этой области знаний.
Звуковые волны
С помощью электромагнитных волн устанавливают связь между передатчиком и приемниками. И ты, Незнайкин, хотел бы знать, каким образом эти волны передают звуки и изображение?
Ток высокой частоты, изображенный на рис. 47, а, имеет постоянную амплитуду и частоту; он не несет никакой информации, а только порождает высокочастотные волны. Конечно, передавая такие волны с перерывами, т. е. короткими отрезками времени, соответствующими точкам, и несколько более продолжительными отрезками времени, соответствующими тире, можно передавать сигналы азбуки Морзе; это типичная телеграфия без проводов.
Рис. 47. Форма тока высокой частоты, не модулированного (а) и модулированного звуковым сигналом (б).
Я же хочу объяснить тебе принцип радиотелефонии, позволяющей передавать звуки. Не знаю, имеешь ли ты представление об элементарных понятиях акустики.
Что такое звук? Это последовательность волн, распространяющихся в воздухе со скоростью около 340 м/с. Они могут излучаться нашими голосовыми связками (это и происходит сейчас, когда я говорю), вибрирующими струнами музыкальных инструментов, а говоря в общей форме — всеми возбуждениями, приводящими поочередно к сжатию и разрежению воздуха. Частота колебаний звуков, которые мы слышим, находится в пределах от 16 до 20 000 Гц. Они охватывают всю гамму звуков — от самых низких, имеющих небольшие частоты, до самых высоких. Впрочем, по мере увеличения возраста человек хуже воспринимает самые высокие звуки; верхняя граница слышимых частот снижается до 15 000 или даже до 12000 Гц. Такое изменение объясняется тем, что у пожилых людей барабанные перепонки становятся менее эластичными, а именно эти перепонки приходят в колебание под воздействием звуков. Их колебания, действуя на слуховые нервы, создают в нашем мозгу ощущение звуков. Попутно можешь отметить некоторую аналогию между излучением и приемом радиоволн и излучением и восприятием звуков.
А теперь рассмотрим, как звуки могут передаваться с помощью электромагнитных волн. Для этой цели прежде всего необходимо преобразовать звуки в электрические сигналы, а затем наложить их на токи высокой частоты, порождающие радиоволны (рис. 47, б).
При приеме токи обычно бывают очень слабыми, следовательно, их нужно усилить. Затем из них нужно извлечь звуковые сигналы. После этого эти сигналы необходимо усилить и преобразовать в звуковые волны.
Как выполнить все эти операции? У меня нет времени описывать их все, но я тем не менее покажу тебе их общий характер.
Различные микрофоны
Для начала рассмотрим, как можно преобразовать звуки в электрические сигналы. Ты догадываешься, что для этой цели пользуются микрофонами. Все преобразователи независимо от принципа работы имеют эластичную мембрану, вибрирующую под воздействием звуковых волн. Как ты видишь, микрофон в принципе можно уподобить электрическому уху. Для преобразования вибраций мембраны в переменный электрический ток или напряжение нужно заставить мембрану своими движениями воздействовать на активное сопротивление, индуктивность или емкость. Микрофон, используемый в домашних телефонах, относится к первому случаю. Пространство между металлической мембраной и металлической коробочкой заполнено угольным порошком. Под воздействием переменного давления мембраны сопротивление этого порошка изменяется: при каждом сжатии оно уменьшается, а затем, когда мембрана перестает сжиматься, вновь увеличивается (рис. 48). Теперь достаточно приложить напряжение между мембраной и коробочкой и мы получим ток, сила которого изменяется в такт звуковым волнам и пропорционально их амплитуде.
Рис. 48. Активное сопротивление угольного порошка в микрофоне изменяется под воздействием звуковых волн.
Можно также сделать микрофон, прикрепив к мембране маленькую катушку, помещенную в магнитное поле постоянного кольцевого магнита. Имеющий такую конструкцию динамический микрофон отличается высокой верностью воспроизведения (рис. 49). Легко понять, что перемещение катушки в результате пересечения силовых линий магнитного поля создает в катушке токи, точно соответствующие звуковым колебаниям.
Рис. 49. Динамический микрофон, в котором катушка колеблется в поле постоянного магнита.
И, наконец, воздействием звуковых волн можно изменять емкость электростатического микрофона. Такой микрофон состоит из очень тонкой мембраны, помещенной совсем близко к плоскому и параллельному ей электроду (проводнику). Под воздействием звуковых волн мембрана изменяет емкость конденсаторов, который она образует вместе с плоским электродом; емкость составляет несколько десятков пикофарад. К обкладкам этого конденсатора прилагается напряжение. Ты легко понимаешь, что таким образом изменения емкости определяют зарядные и разрядные токи конденсатора, характер изменения которых точно соответствует звуковым колебаниям.
Устройство передатчика
Микрофон любого типа позволяет нам получить токи низкой частоты (НЧ) или, иначе, звуковой частоты, которые используются для модуляции тока высокой частоты, создающего радиоволны. Модуляция заключается в изменении в соответствии с формой тока НЧ одной из двух основных характеристик тока высокой частоты (ВЧ): его амплитуды или частоты. На этом основаны два разных вида радиовещания: передачи с амплитудной модуляцией и передачи с частотной модуляцией. В первом случае частота тока, порождающего волны, остается постоянной; изменяется лишь амплитуда ее различных периодов (рис. 50).
Рис. 50. При амплитудной модуляции изменяется амплитуда тока в соответствии с изменением модулирующего сигнала (а), а при частотной модуляции — частота высокочастотных колебаний (б).
При частотной модуляции амплитуда тока высокой частоты остается постоянной. Изменения претерпевает сама частота, которая отклоняется в ту или иную сторону от своего среднего значения. Модулированный ток усиливается и только после усиления подается в передающую антенну, вокруг которой создает переносящие звук радиоволны (рис. 51).
Рис. 51. Структурная схема радиотелефонного передатчика.
Устройство приемника
Последуем за радиоволнами и посмотрим, что происходит с ними в приемниках. В приемных антеннах наши волны порождают токи, имеющие такую же форму, что и токи в передающих антеннах, но бесконечно уступающие им по величине. В самом деле, представьте себе, что мощность, которая в больших радиовещательных передатчиках может достигать нескольких сотен киловатт, затем рассеивается во всех направлениях на сотни и даже тысячи километров. Ты, несомненно, понимаешь, что твоя антенна примет лишь ничтожную долю энергии; исключение может иметь место в том случае, когда владелец радиоприемника живет в непосредственной близости от передатчика, но к тебе это, как мне известно, не относится.
Прежде всего необходимо усилить принятый слабый ток. Но усиливать надо не любой ток: ведь в одной и той же антенне наводятся токи от волн многочисленных передатчиков. Для отбора волны передатчика, который ты желаешь послушать, необходимо воспользоваться избирательностью входного колебательного контура, настроив его на частоту нужного передатчика.
Обычно для обеспечения хорошей избирательности в высокочастотной (ВЧ) части приемника используют несколько настроенных контуров. После того, как ток достаточно усилен, нужно выделить из него ток НЧ, который был использован для модуляции. Для этой цепи применяют демодулирующую схему, роль демодулятора в которой выполняет детектор (рис. 52). После выделения тока НЧ или, как принято говорить, детектирования его нужно усилить и затем преобразовать в звук.
