Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Рассказывают, что известный итальянский дирижер Артуро Тосканини однажды остановил репетицию большого симфонического оркестра и сделал замечание какому-то скрипачу — одна из струн его скрипки имела чуть-чуть пониженную частоту.
Изумительной способностью слухового аппарата анализировать спектры сложных звуков пользуется каждый из нас. Именно благодаря этой способности мы различаем звуки речи и можем обмениваться информацией по линиям акустической связи, проще говоря, можем разговаривать друг с другом.
Звуки речи имеют очень сложную форму кривой и очень сложный спектральный состав (рис. 7, 6). Формируются эти звуки голосовым аппаратом, который часто называют самым совершенным музыкальным инструментом. Звук образуется с помощью воздушного потока, который создают легкие.
После глубокого вдоха человек может выдохнуть около 4000 см3 воздуха, а при спокойном дыхании объем этот уменьшается в 5—10 раз. Когда мы поем, то расходуем 50—100 см3 воздуха в секунду, а при разговоре воздух расходуется еще экономнее. Интересно, что при тихом пении (пиано) опытные певцы расходуют в два раза больше воздуха, чем при громком (форте).
Легкие, подобно мехам баяна, продувают воздух через главный генератор звуковых колебаний — голосовые связки. Когда человек дышит, то голосовые связки раздвинуты, и образовавшаяся между ними щель легко пропускает воздух. Когда же мы говорим или поем, то щель сужается, а сами связки вибрируют и создают звук (рис. 7, 6, а, б). Управляют голосовыми связками особые мускулы, получающие сигналы из мозга. Меняя натяжение и длину связок, эти мускулы изменяют и основную частоту звуковых колебаний.
рис. 7, 6, а, б
Далее звуковая волна проходит через сложные резонансные полости (рот, носоглотка), где окончательно формируется спектр звука. В этом процессе главную роль играют губы, язык, зубы, нос, нёбо, с помощью которых подчеркиваются определенные составляющие сложного звука, то есть создаются определенные форманты. Так, в частности, для звука «о» характерна одна формантная область, середина которой может лежать в пределах от 550 до 850 гц; для звука «а» обнаружены две форманты — 550–850 гц и около 3 кгц; для звука «у» три форманты — около 550, 1900 и 2990 гц.
Сложнее обстоит дело с согласными звуками — некоторые из них произносятся без участия голосовых связок, а только с помощью полости рта. Для ряда согласных характерны составляющие сочень высокими частотами: для «ш» — до 4 кгц, для «с» — до 8 кгц. Для согласной «р» характерна составляющая с очень низкой частотой — около 20 гц.
Несколько слов о характеристиках певческого голоса. Прежде всего мы различаем голоса певцов по их частотному диапазону (табл. 6).
Приведенные в таблице цифры — это весьма условные границы, и их нельзя считать пределом. Так, например, около двухсот лет назад Моцарт слушал певицу Бастарделлу, которая довольно легко брала си третьей октавы (частота 1975 гц). А несколько лет назад в нашей стране гастролировала перуанская певица Има Сумак, которая пела не только в диапазонах женских голосов, но могла перейти в область тенора, баритона и даже баса [2].
Важная характеристика певческого голоса — вибрато. Так называют сравнительно медленное, с частотой около 6 гц, «качание» голоса. При меньшей частоте это качание кажется очень неприятным, при большей частоте в голосе слышится какая-то дрожь.
Красота звучания голоса в большей степени зависит от певческой форманты, которая лежит в области 2800 гц для мужских и в области 3200 гц для женских голосов. Значительное повышение частоты этой форманты придает голосу крикливость.
Процессы образования звуков речи и формирования певческого голоса еще далеко не изучены. Пока мы еще не можем полностью разобрать на части такую сложную характеристику, как красота певческого голоса. И вместе с тем такие точные показатели, как частота вибрато, сила голоса, частотные границы, средние частоты формантных областей, помогают оценивать голосовые данные, помогают формировать красивые голоса при обучении певцов.
При разговоре и пении человек расходует на создание звуковых волн очень небольшую мощность — даже для громких звуков она не превышает 1 вт. Но лишь очень небольшая часть этой небольшой мощности передается самим звуковым колебаниям, так как коэффициент полезного действия (к. п. д.) нашего речевого аппарата составляет 0,2–1 %. Таким образом, расходуя мощность 1 вт, мы излучаем звуковые колебания мощностью не более 0,01 вт (10 мет). Попутно заметим, что к. п. д. большинства музыкальных инструментов также очень мал: как правило, меньше 0,1 %.
По мере удаления от излучателя сила звука резко убывает. Здесь действует так называемая квадратичная зависимость: если увеличить расстояние в два раза, то сила звука уменьшится в четыре раза; при увеличении расстояния в десять раз сила звука падает в сто раз.
Все приведенные цифры говорят о том, что уху достаются очень слабые звуковые сигналы. Это особенно сильно ощущается, если собеседник находится далеко от нас и его голос теряется на фоне различных посторонних шумов. Когда уровень этих шумов невелик, например в ночное время, дальность разговорной связи заметно возрастает. Однако даже в самых благоприятных условиях наибольшее расстояние, на котором люди могут переговариваться или «перекрикиваться», не превышает нескольких тысяч метров.
Звуковой связью пользуются многие представители живого мира. Примитивной звуковой связью пользовались и первобытные люди. А затем она послужила основой для развития разумной речи, для развития мышления.
Очень четко об этом сказал Фридрих Энгельс: «Сначала труд, а затем и вместе с ним членораздельная речь явились двумя самыми главными стимулами, под влиянием которых мозг обезьяны постепенно превратился в человеческий мозг…»
Но если наших далеких предков вполне устраивала звуковая связь, то ее оказалось явно недостаточно в наш век — век больших скоростей, могучей промышленности, в век сложных экономических связей между отдаленными районами. На помощь медленному звуку пришел электрический сигнал, который мгновенно и без устали проходит огромные расстояния. С помощью такого замечательного союзника древнейшее изобретение природы — звуковая связь — начало совершенно новую жизнь.
В линиях акустической связи звуковые волны переносят информацию. Но каким образом записана эта информация, чем отличаются одни звуковые сигналы от других, как закодирована звуковая «телеграмма»?
Мы уже знаем, что различные звуки имеют разную форму кривой графиков, то есть различный спектральный состав. Именно в форме кривой звука, в его спектральном составе «записаны» знакомые слова, именно набором синусоидальных составляющих звук, несущий «да», отличается от звука, несущего «нет».
По образцу звуковых колебаний можно создать электрические колебания с такой же формой кривой, а значит, и с таким же спектром. В этом случае в электрических колебаниях будет записана та же информация, что и в звуковых. Электрическую копию звука можно передать на большие расстояния, отправить на длительное хранение («записать»), во много раз усилить ее мощность и, наконец, когда это понадобится, вновь превратить в звук.
В следующей главе мы познакомимся с некоторыми участниками этих интересных преобразований.
Глава II
БРИГАДА ПЕРЕВОДЧИКОВ
Общая схема передачи звука с помощью электрических сигналов выглядит так.
Первое. На передающей стороне с помощью звуковых волн создают переменный ток, график которого в точности соответствует графику звукового давления. Иными словами, на передающей стороне создается электрическая копия звука, звуковые колебания переводят на электрический «язык».
Второе. Копия звука — переменный ток — передается по линии связи. Не будем пока думать о том, как происходит эта передача. Отметим лишь, что электрический сигнал двигается со скоростью 300 000 000 м/сек, то есть почти в миллион раз быстрее звука, и легко преодолевает большие расстояния.
Третье. На приемной стороне с помощью переменного тока создают звук, колебания переводят с электрического «языка» на акустический. Вам, конечно, хорошо известны такие системы электросвязи, как телефон и радиотелефон. Обе они как раз и работают по схеме «звук — электричество — звук». При телефонной связи электрическая копия звука передается по проводам. В системе радиосвязи электрическая копия путешествует от передатчика к приемнику в виде электромагнитных волн. Однако независимо от способа передачи электрического сигнала, в любой из этих систем должны быть переводчики, превращающие звуковые колебания в электрические (передающая сторона) и электрические в звуковые (приемная сторона).
