Как звук передается по проводам
Голос по проводам: как изобрели телефон
По задумке изобретателя, такая мембрана замыкала и размыкала бы электрическую цепь, передавая звуковые колебания. Но дальше теории Бурсёль не пошел, поэтому первым человеком, которому удалось проверить эту схему на деле, стал немецкий преподаватель физики Иоганн Филипп Рейс. В 1860 году он продемонстрировал работающий аппарат, который с помощью вязальной спицы, мембраны из пергамента, платиновой фольги и пружинки замыкал и размыкал цепь в такт колебаниям воздуха и был способен передавать звук на расстояние с помощью электричества. Звук — но, увы, не речь! Если музыкальные тона еще более-менее можно было разобрать, то для передачи человеческой речи аппарат Рейса не годился.
В 1870-х свет увидели несколько усовершенствований телеграфа, позволившие передавать по одной паре проводов несколько независимых сообщений одновременно. Вдохновленные успехами «квадруплекса» Томаса Эдисона, многие изобретатели начали эксперименты с «гармоническим телеграфом». Сообщения передавались с помощью набора магнитных стерженьков, каждый из которых колебался со своей частотой. В число экспериментаторов входили Элиша Грей из Огайо и Александр Грэхем Белл из Бостона. Они практически одновременно создали работоспособную схему с использованием уже не размыкателя цепи, а элемента, способного изменять свое сопротивление непрерывно, — электрического провода, опущенного в проводящую жидкость. Оба изобретателя подали заявки на патент в один день — 14 февраля 1876 года, но Белл успел сделать это на пару часов раньше. В результате именно он получил 7 марта 1876 года патент № 174465 с формулировкой «Усовершенствование в области телеграфии».
Изначально Элиша Грей не стал оспаривать решение о выдаче патента Беллу по совету своих юристов, которые посчитали это изобретение малозначительным по сравнению с дальнейшим усовершенствованием «гармонического телеграфа». Правда, позднее этот вопрос послужил причиной множества споров и судебных исков, хотя ни одно расследование не смогло опровергнуть приоритета Белла. Скорее всего, изобретатели независимо пришли к очень похожим решениям. К тому же Белл в своей заявке уделил основное внимание другой схеме — с использованием электромагнитов, фактически прообраза современных динамиков. А схему с проводящей жидкостью он использовал только один раз — чтобы продемонстрировать саму возможность передачи голоса с помощью электричества: 10 марта 1876 года Александр Грэхем Белл включил аппарат и сказал своему помощнику Томасу Уотсону, находившемуся в соседней комнате, фразу, вошедшую в историю техники: «Мистер Уотсон, подойдите ко мне, вы мне нужны!». О фразах, которые Элиша Грей сказал своим юристам, история умалчивает.
Доставляем голос в мобильной сети: шаг 1 — как голос превращается в электрический сигнал
Все мы пользуемся мобильной связью, и не задумываемся, насколько сложный путь приходится пройти нашему голосу, чтобы быть услышанным собеседником, за сотни и тысячи километров. Огромный объем задач выполняется самой простой телефонной трубкой, даже в момент ожидания вызова (когда она лежит у вас на столе), и поневоле проникаешься уважением к тем, кто все это разработал сначала в теории, а потом и воплотил в реальном оборудовании.
За обычными действиями: взять телефон, набрать номер, и услышать голос в трубке, скрывается столько технических деталей, фундаментальных открытий и технологических преобразований, что нам потребуется разбить описание на несколько этапов, и рассмотреть каждый из них отдельно.
Начиналось-то все просто.
Первое что приходит в голову, когда мы пытаемся общаться на большом расстоянии – увеличить громкость источника звука, например с помощью рупора как на рисунке выше, и чувствительность приемника:
Однако, если необходимо передать звук между помещениями, рупоры становятся бесполезны, и пытливый инженерный ум, разработал варианты «воздухопроводов», по которым можно передать сообщение от одной точки до другой.
Для примера – переговорные устройства, которые до сих пор можно встретить на больших кораблях:
Все эти ухищрения, позволяют передать звуковые колебания (из которых собственно и состоит наша речь), на немного большие расстояния, чем задумано природой. Но нам требуется обеспечить передачу голоса практически на неограниченное расстояние, через любые препятствия!
Так появляется идея не передавать оригинальные звуковые волны, а провести промежуточное преобразование в другую передающую среду, которая сохранит необходимую информацию без потери данных, и позволит восстановить ее на принимающей стороне. В качестве промежуточной среды могут быть использованы различные материалы или физические явления.
В детстве, вероятно, многие занимались изготовлением «телефонов» из подручных средств, например пара коробков и обычная нить:
При всей простоте решения, звук из одного коробка, через упругие колебания нити, отлично передается на второй, где его можно отчетливо расслышать. Однако минусов в этом решении намного больше плюсов: для передачи упругих колебаний от коробка по нити, требуется натянуть нить и обеспечить, чтобы она ни к чему не прикасалась; максимальное расстояние, на которые можно передать голос с использованием таких упругих колебаний – всего десятки метров и т.д. Все это исключает возможность использования этого, и подобных ему, преобразований, в качестве реального переговорного устройства.
Описанные выше поиски вариантов передачи голоса, приводят нас к необходимости выбора подходящей промежуточной среды, и методов качественного преобразования звуковых колебаний – в параметры новой среды и обратно. Из всего многообразия физических явлений и материалов, лучше всего соответствует данным требованиям электрический сигнал, и здесь, наконец, можно начать описание первого преобразования, которое осуществляется в современных беспроводных сетях:
Первое преобразование: Голос – Электрический сигнал
Для выполнения преобразования «Звуковые колебания – Электрический сигнал», применяется устройство названное «Микрофон», от греческого микрос – маленький, фон – звук.
Попробуем описать основные вехи в развитии технологии преобразования звука в электрический сигнал.
1. Жидкостный передатчик «liquid transmitter» Александра Бэлла
Считается, что именно с него началась разработка преобразователей звук-электричество. Александр Бэлл проводил эксперименты в 1876 году, и даже сумел по проводам передать свой голос, на небольшое расстояние.
В рупор расположенный наверху необходимо было говорить, тонкая игла (или проволока) крепилась к нижней части диафрагмы закрепленной на рупоре, и перемещалась под воздействием звуковых колебаний. В нижней емкости находился раствор воды с небольшим количеством кислоты (для улучшения электропроводности), игла при перемещении с диафрагмой больше или меньше погружалась в жидкость, и менялось сопротивление системы, которое отслеживалось на устройстве с катушкой и магнитом.
Недостатки решения видны невооруженным взглядом – громоздкое устройство, наличие жидкостей, низкая точность преобразования. Все это не позволило применять опытное устройство для коммерческих проектов, но начало было положено.
Пытливый читатель может попытаться воспроизвести такое устройство, например, по рекомендациям с этого сайта: Пошаговые рекомендации для изготовления «жидкостного передатчика Бэлла»
2. Угольный (стержневой) микрофон Дэвида Хьюза
Спустя несколько лет, Дэвид Хьюз представил другой вариант микрофона, в котором в качестве преобразователя звук-электричество использовался угольный стержень. Под воздействием звуковых колебаний, изменялась площадь контакта угольного стержня с металлической площадкой, и пропорционально изменялось сопротивление стержня. Это устройство уже применялось в практических целях, для реальной передачи голоса. Но наступала эра продвинутого решения на основе углерода (того же угля что применял Хьюз в своем стержне).
3. Угольный (порошковый) микрофон Эдисона
Первенство в разработке данного микрофона оспаривалось долго, между американскими инженерами Беллом, Берлинером и Эдисоном, есть также данные о том, что российский инженер Михальский, примерно в то же время, изготовил схожее устройство.
Согласно общепринятой версии, изобретателем считается Эдисон, а основным разработчиком и популяризатором – лаборатория Белла (которая выкупила ранний патент Берлинера, и приняла изобретателя на работу, но затем Эдисон в суде доказал свое первенство). Принцип действия данного микрофона, основан на том, что измельченный в мелкий порошок уголь, меняет электрическое сопротивление, в зависимости от своей плотности. Таким образом – мембрана под воздействием звуковых волн меняет плотность угольного порошка, что приводит к изменению характеристик проходящего через него электрического тока. Микрофон оказался настолько удачен, что применялся с конца 19 века вплоть до начала 21, в аппаратах, где используется аналоговая передача голоса (о Цифро Аналоговых Преобразованиях мы будем говорить в следующей части).
4. Динамические и конденсаторные микрофоны
Дальнейшее развитие технологий, привело к разработке конденсаторных и динамических микрофонов, примерно в 20-30х годах 20 века. В конденсаторном микрофоне изменение параметров электрического тока, происходит за счет изменения емкости конденсатора, одна из токопроводящих пластин которого выполнена в виде мембраны, двигающейся под воздействием звуковых волн.
Динамический микрофон состоит из неподвижного магнита, и обмотки, которая перемещается вместе с мембраной, создавая, таким образом, электрический ток.
Оба варианта микрофонов обладают своими преимуществами и недостатками, и сейчас применяются конструкции как конденсаторные, так и динамические. Эти микрофоны позволяют уловить такие частоты звуковых колебаний, которые недоступны для восприятия человеческим ухом, таким образом, для наших целей – преобразования голоса в электрический сигнал, их возможностей хватает с лихвой. Необходимо лишь уместить эту конструкцию в корпус мобильного телефона. Для этого инженерам пришлось еще немного поломать голову.
5. Электретные микрофоны
Основное требование к микрофонам, для использования в составе сотового телефона – минимальные размеры, и приемлемое качество преобразования. Для таких целей наилучшим образом подошел один из вариантов конденсаторного микрофона: электретный микрофон. В нем одна обкладка выполнена из электретного материала, который способен долго сохранять поляризованное состояние, после снятия внешнего воздействия.
Первые модели электретных микрофонов выполнялись в виде капсюлей, и уже могли применяться в трубках сотовых телефонов:
Микроэлектромеханические системы — МЭМС и поверхностный монтаж — SMD
Дальнейшая миниатюризация, приводит нас к новому классу компонентов — МЭМС, где объединяются на одной печатной плате механические и электронные устройства. Позднее, с появлением и развитием технологий поверхностного монтажа печатных плат (SMD), миниатюризация микрофонов достигла максимальных значений, и мы, наконец, можем уместить наш микрофон в телефоне толщиной менее 10 мм.
Итак, благодаря техническому прогрессу и инженерной мысли, у нас есть миниатюрное и качественное устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал:
Это лишь первое преобразование нашего голоса в процессе его передачи через сотовую сеть, и каждый следующий шаг будет требовать все более сложных технических устройств и продвинутого математического аппарата. Следующая часть — необходимые преобразования полученного электрического сигнала, пока еще внутри телефона, для подготовки его к передаче в радиоэфир, с краткими историческими экскурсами – как развивалось наше понимание данных процессов.
КАК ЗВУК ПЕРЕДАЁТСЯ ПО ПРОВОДАМ
Знаете ли вы, как устроен и работает обычный телефон?
Представьте себе два небольших магнита, удалённых друг от друга на значительное расстояние. На каждый из магнитов надета катушка с несколькими слоями тонкой изолированной проволоки. Обе катушки соединены между собой проводами. Вблизи магнитов закрепляются тонкие и упругие стальные пластинки — мембраны (рис. 19).
Рис. 19. Схема, пэясняюшая устройство телефона.
Прерывно меняться в зависимости от колебания стальной пластинки.
Проходя по катушке второго магнита, электрический ток будет в большей или меньшей степени подмагничивать его. При этом вторая мембрана будет сильнее или слабее
Угольная Коробка На ЭТ0М *ВЛ6НИИ
Угольная колодка, макрофона. Угольный А основана работа те-
Притягиваться к магниту. Она будет в точности повторять колебания первой мембраны. Приложив к ней ухо, мы ясно услышим звуки, которые производятся у первой мембраны.
Мембрана ‘/ лефона — аппарата,
Существуют различные типы микрофонов. Вот как устроен один из них, так называемый угольный микрофон (рис. 20). Главной его деталью является тонкая круглая пластинка, сделанная из угля, — мембрана. Мембрана
закреплена в специальной коробочке, изготовленной из пластмассы или металла. Внутри коробочки, почти касаясь мембраны, установлена угольная колодка, на которой сделано несколько углублений — вырезов. В эти вырезы насыпают мелкозернистый уголь.
Микрофон включается в электрическую цепь так, что мембрана соединяется с одним концом этой цепи, а угольная колодка с другим. Таким образом, угольный порошок является составным звеном электрической цепи. В эту же цепь включается источник постоянного электрического тока — батарея, а также телефонная трубка, воспроизводящая звуки.
Меняющийся по силе ток поступает в телефонную трубку. Магнит колеблет упругую стальную мембрану, и в трубке вновь рождаются произнесённые перед микрофоном звуки.
Таким образом, современный телефонный аппарат сочетает в себе микрофон, превращающий звуковые колебания в электрические, и электромагнитную телефонную трубку, в которой совершается обратный процесс — превращение колебаний электрического тока в звуковые.
Успешный опыт использования электрического тока для передачи звука на большие расстояния заставил исследователей поработать и над тем, чтобы применить электричество для записи звуковых колебаний.
Что на самом деле происходит в наушниках. Срываем покровы
Нас окружают сотни потрясающих и уникальных явлений, мы каждый день сталкиваемся с ними, но даже не задумываемся, как они работают. Одно из таких явлений – звук.
Для нас с вами звук – это воспринимаемые слухом колебания воздуха.
Звуки состоят из смеси вибраций, разной силы и частоты. Вибрировать могут голосовые связки человека, струны в музыкальном инструменте, любые окружающие предметы далее вибрация распространяется в воздухе и передается на барабанную перепонку в ухе, а наш мозг воспринимает эти колебания как звуки.
Но как все устроено с цифровым звуком?
Как звук становится цифровым
Звук имеет аналоговую природу, он распространяется в воздушном пространстве. Колебания воздуха преобразовываются в электрические колебания посредством микрофона, а затем специальный преобразователь фиксирует их и кодирует на цифровом языке.
Именно в процессе кодирования задается дальнейшее качество цифровой копии воспроизводимого звука. Чем меньше шаг выборки при оцифровке звука, тем больше информации о звуке переведется в цифровой формат.
Как хранится цифровая музыка
Сейчас подавляющее большинство музыки хранится в цифровом виде, ведь так проще, удобней и надежней. Один раз закодированный по определенному алгоритму файл не потеряет свои свойства и не утратит качество.
Изначально закодированное качество звука нельзя существенно улучшить при помощи программ, колонок или наушников.
Цифровой звук можно бесконечно копировать, при этом его свойства не теряются, а качество остается неизменным.
Как воспроизводится цифровой звук
Для передачи на наушники или колонки необходимо произвести обратный процесс конвертации.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) в том или ином виде присутствует на всех смартфонах, плеерах и компьютерах. Он нужен для того, чтобы перевести цифровую музыку в аналоговый формат.
Последовательность нулей и единиц, понятных для компьютеров и смартфонов, превращается в набор электических сигналов, заставляющих динамики издавать звук.
Чем мощнее ЦАП, тем более качественный звук получается на выходе. Большинство современной электроники редко оснащают серьезными преобразователями. Появление ЦАП от именитого бренда в смартфоне – всегда большое событие.
Настоящие аудиофилы предпочитают специализированные недешевые музыкальные плееры, например, модель Astell&Kern KANN. Это устройство оснащено просто царским ЦАПом высокого качества, как в серьезной Hi-Fi аппаратуре
По сути это Hi-Fi плеер и мощный усилитель в одном устройстве, которое может воспроизводить цифровую музыку с кодированием до 32 бит / 384 кГц. KANN выдает до 7В на балансном выходе, это не только легко «раскачает» высокоомные наушники, но и позволит подключить низкоомные громкоговорители.
Также KANN оснащен четырёхконтактным 2,5 мм балансным выходом. Такое решение позволяет подавлять практически все шумы и получить большую амплитуду за счет удвоения передаваемого сигнала.
Что происходит потом
Далее все просто: электрический ток из преобразователя проходит через усилитель и подается на контакты динамика. Далее ток попадает на катушку, которая толкает мембрану. Смена направлений подаваемого тока зависит от частоты звуковых колебаний музыки (или других воспроизводимых звуков).
ФАКТ: во время воспроизведения музыкальной композиции чередование направления тока может происходить более двадцати пяти тысяч раз в секунду.
Громкость звука прямо пропорциональна силе подаваемого на катушку тока. При этом чем выше напряжение, тем выше сила тока в катушке. От этого прослушивание музыки на большой громкости быстрее разряжает батарею мобильного устройства.
Что внутри динамика
Все мы знаем, что два магнита на определенном расстоянии друга от друга начинают взаимодействовать между собой: притягиваться или отталкиваться. Это же явление используется в любом аудио-динамике.
Внутри динамика находится постоянный магнит, выполненный в форме круга. В отверстие посредине и помещают катушку из медной проволоки, которую соединяют с мембраной (легким и жестким конусом). На проводник с переменным током в магнитном поле действует переменная сила, которая и двигает катушку и закрепленный на ней диффузор.
Движение мембраны создает сжатие и разрежение воздуха, что способствует появлению звука.
ФАКТ: принцип работы динамика срабатывает и в обратную сторону. Если создавать колебания катушки наушника, то поле постоянного магнита будет создавать внутри неё меняющий направление ток. Если подключить наушник у аудио-входу компьютера, получится микрофон.
В компьютерах, смартфонах, гарнитурах и наушниках для экономии места чаще всего используют один широкополосный динамик, который отвечает за воспроизведение всего звукового диапазона.
Никакой принципиальной разницы между динамиком в колонке или наушнике нет. Отличия между ними в размере и звукоизоляции.
А как в bluetooth-наушниках
В цепи между цифроаналоговым преобразователем звука и динамиком появляется еще одно звено. Хоть наличие bluetooth и не влияет на принцип работы динамика, очень часто при передаче музыки без проводов качество становится хуже.
Чтобы обойти это досадное ограничение, можно использовать компактный усилитель для наушников + ЦАП от Astell&Kern. Он позволяющий сделать проводные наушники беспроводными.
Любой аудиофил подтвердит, что проводные наушники или колонки звучат чище и детальнее, музыка, воспроизводимая через них, более насыщенная. Это происходит из-за того, что звук повторно подвергается сжатию для передачи по bluetooth.
В каждую секунду времени получается уместить лишь ограниченное количество информации о звуке, в результате чего, теряются некоторые детали.
ФАКТ: потеря пакетов и минимальное время на раскодировку ухудшают звук в большинстве bluetooth-гарнитур.
Ранее для повышения качества звука, передаваемого по Bluetooth, использовали кодек aptx. Его дальнейшим развитием стал формат aptx HD. Он поддерживает передачу звука высокого разрешения и на сегодняшний день является единственным способом получить хорошее звучание при использовании беспроводных наушников. Конечно для этого и плеер и наушники должны поддерживать aptx HD.
Кто помог нам с этим разобраться
Далеко не все современные флагманы поддерживают этот крутой кодек. Ставку на звук делают лишь некоторые производители в единичных моделях.
На рынке плееров технология aptX HD встречается чаще, пионером в этом направлении стала компания Astell&Kern. Поддержка aptX HD уже есть в моделях AK380, AK320, AK300 и AK70. Выделяется наличием новомодной опции и свежий Astell&Kern KANN, о котором мы уже упоминали и, конечно же, новый флагман A&Ultima SP1000.
Среди устройств, способных принимать по блютус сигнал, закодированный в aptx HD, в ассортименте Astell&Kern есть ЦАП-усилитель XB10, позволяющий сделать любые наушники беспроводными.
Вот такое небольшое чудо происходит даже в самых миниатюрных наушниках, а мы слышим голос собеседника или любимый трек.