РИС. 134. — Приемная аппаратура фотофона.
РИС. 135. — Передающая аппаратура фотофона, использующая ацетиленовое пламя для обеспечения света.
Это свойство ячейки было немедленно применено к созданию фотофона — инструмента, который передает звуки на расстояние с помощью луча света, отраженного на удаленное место от тонкого зеркала, приведенного в вибрацию голосом. Было разработано более пятидесяти различных форм, но наиболее успешная состояла из передатчика, состоящего из стеклянного диска, посеребренного для отражения пучка света, сфокусированного от солнца или дуговой лампы. Этот стеклянный диск использовался в качестве диафрагмы, подобной диафрагме обычного телефонного передатчика, за исключением того, что его задняя сторона была свободна для отражения луча света. Белл использовал для этой цели диски диаметром около двух дюймов и толщиной с обычную бумагу. Приемник состоял из параболического отражателя с селеновой ячейкой, помещенной в его фокусе. Последовательно с ячейкой были помещены батарея и телефонный приемник.
Когда мембрана приходила в вибрацию под действием звуковых волн, она становилась попеременно вогнутой и выпуклой, а нормально параллельные лучи света соответственно сходились и расходились. Приемная станция, таким образом, находилась под влиянием световых лучей быстро меняющейся интенсивности в идеальной фазе с вибрациями голоса. Отражатель концентрировал лучи на селеновой ячейке, и их переменная сила изменяла ее сопротивление и заставляла пульсирующий ток течь через приемник и воспроизводить речь, произведенную на передатчике.
В другой схеме, использованной Беллом и Тейнтером, они использовали лучи мощной электрической дуговой лампы и, изменяя электрический ток, питающий дугу, заставляли свет колебаться и производить те же результаты на приемнике.
Эти изобретательные создатели также разработали метод передачи речи, называемый термофоном. Передатчик оставался таким же, как в фотофоне — тонкая посеребренная мембрана или стеклянная диафрагма, натянутая поперек задней части мундштука и расположенная так, чтобы отражать лучи солнца или свет дуговой лампы.
Приемником служила небольшая стеклянная колба, содержащая пластину слюды, покрытую ламповой сажей, или маленькие обугленные кусочки пробки. Стеклянная колба была помещена в фокус отражателя, который собирал лучи и концентрировал их. Изменения интенсивности теплового излучения заставляли воздух в колбе расширяться или сжиматься с каждой вибрацией. Резиновые трубки тянулись от колбы к ушам наблюдателя, и пульсации воздуха, проходящие через трубку как звуковые волны, ударяли в барабанную перепонку и воспроизводили речь.
РИС. 136. — Мощный прожектор, приспособленный для передачи речи по лучу света.
Оба этих метода были позже значительно улучшены за счет использования манометрического пламени Кенига вместо посеребренного зеркала в качестве передатчика. Как объяснялось в последней главе, речь, произнесенная в мундштук, заставляет газ сжиматься или разрежаться в прямом соответствии со звуковыми волнами, и пламя поднимается и опускается с быстротой, слишком большой, чтобы ее можно было заметить невооруженным глазом. Эти быстрые изменения интенсивности освещения пламени воздействуют на селеновую ячейку и идеально воспроизводят оригинальный голос в телефонном приемнике.
РИС. 137. — Электрическая дуга.
Очевидно, однако, что такие методы способны передавать речь только на очень ограниченные расстояния, и если необходимо преодолеть большие расстояния, для этой цели должны использоваться гораздо более мощные передатчики.
Эрнест Румер после долгих и кропотливых исследований наконец преуспел в передаче речи на многие мили, воспользовавшись говорящей дугой, открытой Саймоном, который заметил, что дуговая лампа издает громкий дребезжащий шум, если ее питание током нарушается. Электрическая дуга состоит из двух угольных стержней, соединенных с генератором. Когда угли на мгновение приводятся в контакт, а затем разводятся на небольшое расстояние, между точками угля возникает своего рода электрическое пламя или дуга, и раскаленные добела точки угольных электродов излучают яркий белый свет.
Румер немедленно заставил дугу служить телефонным приемником и «говорить», используя пульсирующий ток телефонного передатчика для изменения тока, питающего дугу.
РИС. 138. — Схема, показывающая, как устроена поющая дуга.
Таким образом, дугу можно было заставить петь, свистеть или идеально воспроизводить музыку и человеческий голос, если звуки четко передавались в передатчик. Дальнейшие исследования показали, что каждое изменение тока, вызванное действием передатчика, также вызывало изменение интенсивности света и излучения лампы. Поэтому говорящая дуга могла использоваться как идеальный передатчик фотофона, направляя лучи к приемной станции с помощью параболического отражателя.
В 1902 году Румер провел серию экспериментов в Германии на озере Ванзее, недалеко от Берлина. Большой моторный катер «Германия» был оснащен электрическим прожектором, соединенным с микрофоном, чтобы образовать говорящую дугу. Приемная станция располагалась на берегу, так что расстояние между станциями можно было легко увеличить, перемещая лодку.
Приемником служила обычная селеновая ячейка, помещенная в фокус большого отражателя и соединенная с телефонным приемником и батареей. Никаких трудностей при воспроизведении речи на различных расстояниях до трех миль не возникло.
ГЛАВА IX. БЕСПРОВОЛОЧНЫЙ ТЕЛЕФОН.
Применение любой из описанных до сих пор систем беспроволочного телефона очень ограничено, так как в лучшем случае они работают только при самых благоприятных условиях и при этом на довольно ограниченных расстояниях. В случае любой системы, при которой речь должна передаваться по лучу света, большими результирующими ограничениями являются то, что передача может происходить только по прямой линии над водой или открытой местностью, и что штормовая погода или туман прерывают связь.
Ни одно из этих возражений не существует, однако, когда прибегают к герцевым или электромагнитным волнам. Поэтому беспроволочная передача речи последовала за беспроволочной телеграфией, и используемые методы и аппаратура очень похожи.
Некоторые из тех, кто внимательно следил за текстом, могли бы резонно спросить, почему нельзя было бы установить беспроволочную телефонию, просто подключив телефонный передатчик каким-либо образом к обычному беспроволочному телеграфу и, направляя речь в последний, изменять силу излучаемых колебаний.
Такая система на первый взгляд кажется очень правдоподобной, и многие экспериментаторы разработали бесчисленные методы, пытаясь достичь этого результата, но лишь для того, чтобы в конечном итоге потерпеть неудачу. Причина очень проста.
Предположим, что индукционная катушка, имеющая высокоскоростной прерыватель и, следовательно, способная производить очень быстрый поток искр в разряднике, соединена с антенной и землей обычным образом, а телефонный передатчик включен последовательно с заземляющим проводом. Когда катушка приводится в действие, искры перескакивают через разрядник, каждая искра создает серию колебаний. Если речь передается в передатчик, сопротивление на пути колебаний будет изменяться, а соответственно и сила излучаемых волн. Звуки будут в некоторой степени воспроизведены приемником. Свист, определенные музыкальные тона и слова, содержащие много гласных, иногда слышны в приемнике с достаточной отчетливостью, чтобы быть узнаваемыми. Однако голос нельзя услышать во все времена, и система не имеет никакой реальной ценности, кроме как интересный эксперимент.
РИС. 139. — «Логическая» форма беспроволочного телефона, которая непрактична.
РИС. 140. — Аппаратура беспроволочного телефона Де Фореста.
Причина очень проста и легко объяснима. Для ясности предположим, что скорость прерывателя, присоединенного к катушке, составляет 100 в секунду. Следовательно, он будет производить 100 искр в секунду в искровом разряднике, если электроды находятся близко друг к другу. Прохождение искр не является непрерывным, каждая из них занимает лишь очень малое время. Пауза между каждой из них очень отчетлива, хотя ее нельзя обнаружить невооруженным глазом. Десять прямых линий на рис. 141 представляют десять искр, которые покрывают период в одну десятую секунды, так как они проходят со скоростью 100 в секунду. Каждая искра создает серию колебаний, которые устремляются взад-вперед в антенне, однако быстро затухают или становятся затухающими способом, который уже был объяснен.
РИС. 141. — Приемная аппаратура беспроволочного телефона (индукционный метод).
РИС. 142. — Беспроволочный телефон Фессендена, передающий музыку с фонографа.
Теперь можно легко понять, что между искрами есть длинные паузы, когда в антенне нет колебаний, и, следовательно, в эти периоды между передатчиком и приемником не проходят электромагнитные волны.
Волнистая линия C представляет вибрации человеческого голоса при производстве речи. Часть ее представлена сплошной линией, а часть — пунктирной. Части, представленные пунктирной линией, возникают, когда в антенне нет колебаний, и, следовательно, эти части не передаются. Сплошные части — единственные, достигающие приемника. Буквально в голосе есть «дыры», и результат представляет собой мешанину звуков, иногда имеющую сходство с речью, но обычно непереводимую.
РИС. 143. — Схема, иллюстрирующая причину, по которой затухающие колебания не будут нести голос.
Ошибка заключается в методе создания колебаний, которые являются затухающими и поэтому не существуют непрерывно. Если бы их можно было заставить продолжать колебаться и с достаточно высокой скоростью, чтобы их тон был неслышимым и не путал речь, проблема была бы решена. Другими словами, для успешной работы беспроволочного телефона необходимы три вещи.
Средство создания и излучения потока незатухающих электрических волн, достаточно непрерывных для передачи верхних гармоник голоса, от которых зависит качество и узнаваемость речи.
Средства для изменения или модуляции потока электрических волн в соответствии со звуковыми волнами.
Приемник, непрерывно реагирующий и способный с достаточной быстротой соответствовать гармоникам речи.
Чтобы получить желаемый результат, прибегают к дуговой лампе как генератору незатухающих высокочастотных колебаний.
Когда дуга правильно соединена с конденсатором и катушкой индуктивности, она будет издавать музыкальный тон. Тон обусловлен быстрыми изменениями в дуге, что является очень важным фактором, который привел к ее признанию как ценности в беспроволочной телефонии.
РИС. 144. — Как звуковые волны голоса накладываются на незатухающие колебания.
Когда конденсатор и индуктивность шунтируют дугу, питаемую постоянным током, конденсатор немедленно заряжается, и ток через дугу уменьшается. Разность потенциалов на последней поэтому мгновенно увеличивается, стремясь еще больше зарядить конденсатор. Это увеличение заряда реагирует на дугу, увеличивая ее ток. Конденсатор разряжается через катушку индуктивности и заряжается в противоположном направлении, точно так же, как пружина, которая, будучи освобожденной, выходит за пределы своего нормального положения, а затем возвращается.
Операция повторяется много раз в секунду (обычно более 1 000 000), создавая устойчивые незатухающие колебания.
РИС. 145. — Устройство говорящей дуги.
Возможно, лучшее представление о том, как постоянный ток, такой как тот, который питает дугу, может превратиться в переменный ток, вибрирующий взад-вперед, можно получить путем сравнения с устойчивым движением смычка скрипки, которое производит движение струн взад-вперед.
РИС. 146. — Схема, показывающая, как устроена передающая система беспроволочного телефона.
Позже Поульсеном было обнаружено, что если один из электродов дуги охлаждать, сделав его из меди и пропуская через него воду, эффективность значительно повышается. Дальнейшее улучшение было получено путем горения дуги в атмосфере светильного газа или водорода. Окружая дугу мощным магнитным полем, ее сопротивление значительно увеличивается, а напряжение повышается.
РИС. 147. — Аппаратура беспроволочного телефона Поульсена. Конденсатор, шунтирующий дугу, обычно состоит из ряда металлических пластин, расположенных одна над другой в баке с изоляционным маслом. Индуктивность — это просто одиночный геликс или голый провод.
Подключив телефонный передатчик к дуге таким же образом, как он подключен к говорящей дуге, колебания можно изменять в соответствии с вибрациями голоса. Аппаратура соединяется с антенной и землей посредством слабосвязанного геликса, образованного путем обеспечения геликса, включенного последовательно с дугой и конденсатором, вторичной обмоткой.
РИС. 148. — Передатчик беспроволочного телефона Майораны.
Обычный угольный передатчик в своей обычной форме не подходит для работы беспроволочного телефона из-за его неспособности справляться с большими мощностями. Было разработано много модификаций, причем обычная процедура заключается в том, чтобы сделать его в большем масштабе.
Одной из самых интересных форм, и, вероятно, лучшей, является та, которую разработал итальянский изобретатель Майорана.
Его действие будет понятно из иллюстрации. T — это трубка, в которой вода или какая-либо другая жидкость течет в направлении стрелки. Дно трубки сужено, так что поток выходит в виде тонкой струи. Трубка сделана из прочного, жесткого материала, за исключением одного места, D, где отверстие закрыто тонкой эластичной диафрагмой. Эта диафрагма соединена с помощью короткого стержня со второй диафрагмой, которая снабжена мундштуком. Вода обычно вытекает из струи в виде гладкого, неразрывного столба, распадаясь на капли примерно в точке A. Однако, как только она каким-либо образом нарушается, расстояние от выхода трубки до точки, где начинаются капли, сокращается. Вибрации голоса, направленные в мундштук и ударяющие в диафрагму, передаются на мембрану через посредство маленького стержня и таким образом вызывают соответствующие изменения давления жидкости в трубке. Каждое изменение или возмущение давления увеличивает или уменьшает длину потока до того, как он распадется на капли.
Пара тонких проводов вставлена в поток там, где сужения наиболее сильны.
Соединение между проводами устанавливается жидкостью. Если поток узкий, его сопротивление будет больше, чем если бы он был расширен в этой точке. Суженная часть жидкости будет прыгать вверх и вниз вместе с вибрациями голоса и, таким образом, изменять величину протекающего тока.
Приемная аппаратура состоит из какой-либо формы детектора, телефонного приемника и батареи. Обычной формой используемого детектора является электролитический. Токи, генерируемые в приемной антенне входящими волнами, варьируются по амплитуде вместе с токами передающей антенны и, находясь в идеальном соответствии с вибрациями, передаваемыми в передатчик, заставляют детектор и телефонный приемник идеально воспроизводить речь.
Эксперименты в области беспроволочной телефонии привели к разработке интересного типа детектора, известного как «Аудион». Он состоит из шестивольтовой лампы накаливания малой мощности, имеющей небольшую никелевую пластину, закрепленную на небольшом расстоянии от нити накала, и «сетку», согнутую из проволоки, помещенную посередине между ними. Когда нить накала зажигается от батареи, она испускает поток чрезвычайно малых частиц, заряженных электричеством и называемых «ионами».
Эти ионы проходят через сетку и разряжаются на пластину. Когда антенна соединена с «сеткой», а пластина — с землей, поток ионов переносит ту часть переменного тока в антенне, которая течет в том же направлении, через себя, но не позволяет току, стремящемуся пройти в противоположном направлении. В действительности это клапан или «выпрямитель», открывающийся в одну сторону и закрывающийся в другую; таким образом, превращая ток в прерывистый постоянный ток, способный проявлять себя в телефонном приемнике.
РИС. 149. — Показ кистевого разряда от трансатлантической антенны Маркони ночью.
Аудион — очень чувствительное устройство, которое широко используется для целей беспроволочного телефона.
С такой системой было обнаружено, что можно передавать речь и музыку на расстояние двухсот миль. На самом деле, были покрыты даже большие расстояния, и, похоже, нет никакой веской причины, почему она ограничена каким-либо диапазоном.
Передача по беспроволочному телефону значительно отчетливее, чем по проводной линии, и тонкие интонации голоса передаются гораздо лучше.
В отличие от обычного линейного телефона, не слышно никаких грохочущих или ревущих шумов, которые путают речь, и в приемнике беспроволочного телефона царит абсолютная тишина, кроме случаев, когда идет разговор. Любые шумы или звуки, производимые на передающей станции, такие как ходьба по комнате или дыхание человека, говорящего в передатчик, верно воспроизводятся на приемной станции за много миль.
ГЛАВА X. ЗАМЕЧАНИЯ. ТЕОРИЯ. ДОСТИЖЕНИЯ. ОТКРЫТИЕ МАКСВЕЛЛА И ГЕРЦА. БУДУЩЕЕ.
История беспроволочной телеграфии и телефонии — яркий пример того, как ученые, работающие в области чистых исследований и стимулируемые накопленными знаниями и воображением, могут прийти к открытиям самого жизненно важного значения. Генрих Герц и Джеймс Клерк Максвелл в экспериментальных усилиях по достижению других результатов невольно заложили фундамент этого искусства.
В 1867 году Максвелл выдвинул теорию о том, что свет — это не просто механическое движение эфира, а электрические колебания. Эти колебания являются частично магнитными и частично электрическими. Более того, согласно этой теории, явления электромагнетизма, а также света обусловлены определенными видами движения в эфире: электрические токи и магнетизм объясняются вихрями или смещениями частиц в веществе эфира, в то время как свет обусловлен колебательными движениями.
Двадцать лет спустя Герц обнаружил наиболее убедительные экспериментальные доказательства замечательной теории Максвелла и преуспел в создании электромагнитных волн таким образом, что их распространение в пространстве можно было исследовать. Это легко показало, что, хотя они были намного длиннее обычных световых волн, они обладали теми же свойствами, были способны отражаться, поляризоваться, преломляться и т. д., а также распространялись с той же скоростью.