инж. В. М. ЛЕБЕДЕВ.
Настоящий обзор принадлежит перу нашего наиболее видного специалиста по громкоговорящим устройствам. Автор в общедоступной форме описывает технические трудности, возникающие в этих устройствах, и способы, какими их преодолевают. Продолжение статьи будет содержать описание выработанных и испытанных типов громкоговорящих устройств большой мощности, которые в ближайшем будущем выпускаются для обслуживания больших клубов, театров и площадей.
То, что мы в настоящее время понимаем под названием громкоговорителей, появилось лишь в самое последнее время, года 2—3, не больше, и обязано своим существованием и блестящим развитием — необычайно высокому состоянию современной усилительной техники.
В числе многих других отраслей радиотехнического производства, вызванных, главным образом, появлением катодной усилительной лампочки, — производство громкоговорителей, особенно за последнее время, получило почти неожиданное развитие. У нас, в русской, особенно любительской практике — это модный вопрос, и спрос на громкоговорящие устройства сейчас, в начале любительского радиопроизводства, далеко превышает предложение.
Общественное, культурное и политическое значение этого достижения в русских современных условиях жизни общеизвестно, и доказывать пользу применения у нас громкоговорителей — это ломиться в открытые двери.
Перед тем как перейти к частностям, хотелось бы лишь остановиться на одной стороне этого вопроса.
Дело в том, что во многих общественных и обывательских кругах несколько переоценивают современные возможности громкоговорения и, сталкиваясь с действительным положением дела, иногда несколько разочаровываются; первоначальное рвение и энтузиазм падают, и дело от этого временно страдает.
Задача, хотя и не легкая, но необходимая "Друга Радио" — постепенно ввести в этот вопрос возможную ясность и, путем, быть может, многократных повторений, научить радиолюбительские массы подходить к этому вопросу с большей сознательностью и спокойствием.
Надо раз навсегда усвоить себе тот факт, что пока радиотехника не осилит своих старейших и злейших врагов — атмосферные и прочие мешающие действия, — до тех пор воспроизведение более или менее художественно речи, пения и музыки на больших расстояниях (свыше 300-400 километров) помощью громкоговорителей — является своего рода удачей, случайностью и для обычной эксплоатационной цели не применимо.
Могут возразить: как же так, а вот мы слышали тогда-то и там-то прекрасно переданный громкоговорителем концерт Парижской или Чельмсфордской (английской) радиотелефонной станции, мы постоянно читаем анонсы о радио-концертах от заграничных станций, мы знаем, что много людей работает над этим вопросом?...
Все это верно: несомненно, что в наиболее благоприятное время суток и года (вечер и зима) удается иногда принять, усилить и передать большой аудитории почти художественно воспроизведенную музыку, пение, реже — человеческую речь, — несомненно случаи такие бывают, но базироваться на них знакомым с коварством и причудливостью атмосферных паразитов — не следует.
Мы должны помнить, что лишь при условии очень сильного начального приема от широковещательной станции есть полная уверенность в надежном воспроизведении концерта для большой аудитории.
А это значит, что либо мощность широковещательных передатчиков должна быть достаточно велика, либо мы не должны в ответственных случаях сильно удаляться от передающей станции. Последнее положение уже вполне осознано за границей, и там, несмотря на все вообще небольшие расстояния, — дальности для надежной передачи концертов при помощи громкоговорителей — принимаются порядка двух-трех сотен километров.
Иностранные станции, о которых идет речь, обладают мощностью около 1,5 киловатта колебательной энергии в антенне и снабжены, по большей части, достаточно высокими мачтами. Если принять еще во внимание то обстоятельство, что модуляция этих станций обычно весьма совершенна, что любительская аппаратура первоклассна, то можно судить о том громадном, особенно с нашей точки зрения, запасе надежности, с каким работает иностранная широковещательная сеть.
Чтобы окончательно выяснить этот вопрос, остановимся еще на одном пункте, именно о возможной степени усиления.
Казалось бы, что современная усилительная техника не должна знать предела возможностей усиления: увеличивай число ступеней, ставь более мощные лампы на конечные ступени — и дело с концом. В действительности дело обстоит совсем не так просто, как это может казаться с первого взгляда.
Да, действительно, нет пределов теоретического усиления, так как можно построить многоэтажный усилитель, ввести успокаивающие средства против возникновения в самом усилителе вредных шумов и свистов, но беда вся в том, что одновременно с полезным усилением сигналов или вообще работы своего корреспондента мы в еще большей степени усиливаем все посторонние, мешающие приему шумы и трески, присущие атмосферным паразитам, блуждающим земляным токам, экстратокам размыкания телеграфных аппаратов и многим другим вредным для приема электромагнитным возмущениям.
Несмотря на большое обилие всевозможных рецептов освобождения приема от всех этих неприятностей, до сих пор нет ни одного вполне простого и надежного средства полного выделения на приеме только того, что нас интересует. Единственным подходом к решению этого сложного вопроса является увеличение до возможного предела мощности передатчика, уменьшение рекомендуемых расстояний до приемных станций или, что почти то же самое — увеличение силы электромагнитного поля вокруг приемной антенны.
Итак — район серьезного и ответственного, а следовательного и надежного громкоговорения — это три-четыре сотни километров от передающей станции мощностью в 1,5 киловатта в антенне.
Но это вовсе не значит, что на прием концертов и передачу их помощью громкоговорителя на расстояниях свыше 400 км следует наложить полный запрет или по крайней мере дружески их отсоветывать.
Отнюдь нет, и никто, тем более "Друг Радио", не пойдет на такую странную форму популяризации радиотехники. Наоборот, подобные опыты с громкоговорением на дальних расстояниях от передающей станции не только можно, но и обязательно следует производить. Но только опыты, а не ответственную (напр., платную) эксплоатацию, подрывающую доверие широкой любительской массы к достижениям радио и вносящую совершенно ненужное разочарование.
Помня, что вероятность удачи этих опытов 40—50%, повторяя об этом своим слушателям (будущим друзьям радио), повторяя и бесконечно варьируя эти опыты, быть может мы и добьемся в будущем возможности избавления от всяких мешающих действий: в этом, между прочим, можно ожидать большой помощи от радиолюбителей.
Обратимся теперь к деталям громкоговорящих устройств.
Хотя по существу они и мало отличаются, все же полезно разбить их на две главные группы:
а) Громкоговорение в собственном смысле этого слова, т.- е. воспроизведение речи оратора в значительно усиленном виде помощью целого ряда приборов, начиная с микрофона и кончая рупором-репродуктором речи.
б) Прием по радио человеческой речи, пения и музыки и передача в конечном итоге помощью тех же, что и в пункте "а", приборов — на рупор-репродуктор звуков.
Казалось бы, вопросы передачи и усиления человеческого голоса с помощью тех или иных технических средств не лежат в плоскости радиотехники: скорее это задачи телефонной и граммофонной техники.
Это было бы так, если бы для данной цели не применялись совершенно те же усилительные средства, что и в радио-телеграфной практике, поэтому-то никого в настоящее время не удивляет тот факт, что радиотехника интересуется вопросами громкоговорения и не считает их для себя посторонним делом.
Как раз наоборот: вследствие участия радиотехники и ее средств, эти вопросы получили в настоящее время блестящее развитие и разрешение.
Общая схема громкоговорительного устройства для передачи речи оратора изображена на фиг. 1.
На этой фигуре M — означает микрофон (как увидим ниже — специальной конструкции), Б — батарею, обычно сухих элементов (3—4 вольта) для питания цепи микрофона, П. У. — промежуточный усилитель, подымающий энергию микрофона до величины, необходимой для воздействия на следующий усилитель, М. У. — мощный усилитель для питания электромагнитных (или иных) механизмов рупоров-репродукторов. Выводные зажимы мощного усилителя переходят в магистральные провода, от которых ответвляются провода, подводящие ток непосредственно к рупорам. Провода обозначены буквами Л1, Л2 и Л3. Рупора-репродукторы отмечены буквами Р1, Р2 и Р3.
Современные требования, предъявляемые такой схеме, чрезвычайно высоки: мы не ограничиваемся в настоящее время, как это было еще сравнительно недавно, единственным пожеланием чрезвычайно громкой передачи голоса, в десятки раз превосходящей силу нормального человеческого голоса, мы требуем еще кроме того, и главным образом, чистоты передачи и отсутствия каких-либо искажений речи.
Это последнее требование в данном случае просто-таки является непременным условием надежной работы подобного устройства, так как, само собой понятно, нет никакого смысла производить колоссальный шум нечленораздельной речи: этим мы не только не поможем, но и наоборот — затрудним задачу оратора обслужить возможно большую аудиторию.
Относительно силы передачи мы также ставим непременным условием существование серьезной аппаратуры этого рода: эффект передачи во всяком случае должен быть значительно выше максимального эффекта человеческих голосовых средств.
В одном лишь случае это последнее обстоятельство не играет решаюшей роли при выборе той или иной системы приборов.
Вообразим себе, что мы желаем передать вполне понятно речь оратора, находяшегося в одном каком-либо центральном пункте, в другое (или несколько других) место, значительно отстоящее от этого "центра говорения", при чем в данном случае количество слушателей у конечных пунктов передачи может быть невелико.
Здесь условия ясности передачи имеют гораздо большее значение, чем сила передачи.
Вообще же говоря, такого рода устройства предназначаются для возможного расширения площади хорошей слышимости оратора, и в таком случае все аппараты этой системы должны находиться тут же, вблизи оратора, а два из приборов схемы — именно микрофон и рупора, — как это вытекает из их назначения, должны находиться в помещении (или на площади), где произносится речь.
Американская практика давно уже (года два тому назад) ввела в широкое употребление такого рода громкоговорение, которое в некоторых случаях является неизменным атрибутом выборных речей, больших митингов, бегов и всевозможного рода спортивных состязаний.
В Америке громкоговорение доведено до высшей степени совершенства как в смысле необычайной силы звука (особое даже название рупора — звуко-прожектор), так и по ясности передаваемой речи, которая звучит без всякого искажения, с полным сохранением тембра голоса оратора.
Многие читатели "Друга Радио" вероятно слышали передачу речей помощью американской системы громкоговорителя фирмы "Вестерн Компани", неоднократно помогавшей ленинградским ораторам надежно обслужить аудиторию, значительно превышающую их голосовые средства.
По чистоте и силе передачи человеческой речи эта система пока не заставляет желать ничего лучшего. Я говорю пока потому, что при чрезвычайно строгом отношении к этому делу может показаться и это устройство не полным идеалом. Сила его передачи не вызывает никаких сомнений (покрывает площадь для массы более 10.000 человек!), но в ясности передачи желательны еще некоторые, правда, незначительные, улучшения. Словом, техника и здесь не сказала еще своего последнего слова, и русским изобретателям есть еще над чем поработать.
Громадная сила передачи голоса достигается, вообще говоря, без особых затруднений: увеличивай число ступеней усиления, вводи лампы большой мощности для конечного усиления, и дело как будто сделано.
Но обычные методы построения усилителей не дают возможности разрешения также просто другой задачи — сохранения тембра и устранения всяких искажений речи. Трудно сказать, что именно из всех аппаратов схемы громкоговорителя наиболее склонно к искажениям всевозможного рода.
Можно сказать вообще, что все органы схемы весьма склонны не только к искажению речи, но и в некоторых случаях к добавлению целого ряда посторонних звуков и шумов.
Полное решение задачи может итти двумя путями: либо устранение искажений в каждом из приборов, входящих в схему, либо комбинация, вообще говоря, искажающих аппаратов, составленных в такой последовательности, чтобы искажение предыдущего исправлялось последующим искажением, так сказать, обратного смысла.
Существуют системы, работающие по тому и другому принципу, но мы остановимся на более распространенной, в которой все приборы оказываются вполне совершенными и свободными от искажений.
Рассмотрим поочереди все органы схемы, изображенной на фиг. 1.
Устройство микрофона общеизвестно, но для выяснения некоторых его специфических качеств, так сказать, таящих в себе причины искажений, освежим в памяти в самых кратких чертах принцип его действия.
Фигура 2 изображает принципиальную схему микрофона.
А — так называемая "мембрана" — тонкий диск из проводящего или непроводящего материала. В последнем случае на середине мембраны приделывается проводящий контактный кружок Б.
В — войлочное или ватное кольцо из мягкого материала, закрывающее порошковую камеру. Г — угольный порошок из граненых или шаровидных зерен.
Д — металлическая коробка, служащая основанием угольной камеры.
От воздействия звуковой воздушной волны, ударяющей в мембрану, эта последняя начинает колебаться в такт звуковой волне, колебания ее вызывают последовательное сжатие и расширение всей массы угольного порошка, что в свою очередь меняет электрическое сопротивление этой массы. Проходящий через микрофон ток меняет свою силу, так сказать, в такт со звуковыми колебаниями, что дает возможность передать их в виде так называемого "разговорного тока" — на далекие расстояния по проводам.
Все было бы хорошо, если бы явление в действительности происходило так, как мы здесь вкратце изложили его теоретически.
В действительности мембрана, представляя из себя упругую систему, склонную к собственным колебаниям, вследствие явлений резонанса (см. "Друг радио" № 2, статью проф. Львовича), — будет, так сказать, охотнее откликаться на те колебания, которые она сама смогла бы производить. У нее будут, если так можно выразиться, "любимые" колебания, которые она будет с особым удовольствием воспроизводить и которые, следовательно, будут давать наиболее значительные изменения микрофонного тока. Для чистой передачи это совершенно не приемлемо. При пользовании некоторыми микрофонами даже в обычных проволочных микротелефонных устройствах — вместо ясной речи иногда получается что-то вроде лая: микрофон особенно сильно откликается на букву "а", выделяет ее и совершенно портит чистоту передаваемой речи.
Существуют три возможности устранения этого дефекта:
а) необычайно сильное натяжение колеблющейся мембраны,
б) чрезвычайно слабое натяжение мембраны,
в) устройство приспособления, сильно затрудняющего быстрые колебания мембраны.
При весьма сильном натяжении мембраны можно добиться того, что собственные ее колебания будут чрезвычайно высоки, т. е. мембрана будет вследствие резонанса откликаться охотнее всего на колебания с большим числом периодов (см. статью проф. Львовича). Если это число сделать близким к 10000 (и больше), то наше ухо не услышит таких быстрых колебаний, да и в звуках, произносимых перед микрофоном, таких колебаний почти не будет.
При таком большом натяжении мембрана, следовательно, будет одинаково хорошо (или одинаково плохо, что все равно) отзываться на звуковые колебания любой частоты, и поэтому сохранится полная пропорциональность между воздействием звука и отклонением мембраны, а это и есть главный залог чистоты передачи речи.
Натягивая мембрану очень слабо, мы добьемся другой крайности: она будет резонировать на столь низкие звуки, которые уже плохо различаются человеческим ухом и. с другой стороны, в человеческой речи (музыке, пении) не встречаются. Опять-таки все остальные звуки более высоких колебаний будут воздействовать на микрофон более или менее равномерно, и мы в результате получим полную чистоту передачи.
Известно, что человеческое ухо слышит звуки с колебаниями от 14—16 в секунду и до 10000 в секунду. Следовательно, в этом случае необходимо дать мембране число собственных колебаний не выше 14 в секунду.
Наконец, само собой понятно, что если затруднить каким-либо способом появление собственных колебаний мембраны, то задача разрешается весьма просто.
Существуют вполне совершенные микрофоны (или устройства, их заменяющие), работающие согласно этих трех принципиальных методов.
Одним из наиболее распространенных типов микрофона без искажений является система американской фирмы "Вестерн К-о".
Мембрана этого микрофона изготовлена из чрезвычайно прочного и упругого материала (крепость стали), провальцованного в тонкий листок толщиной почти в бумажный лист. Кружок такой "металлической бумаги" натягивается помощью простого устройства, изображенного схематически на фиг. 3.
Помощью зажимных винтов Г и кольца Б с конической внутренней поверхностью тонкая металлическая пластинка В натягивается на другое кольцо А — с наружным конусом. Регулируя нажим винтов Г, можем получить то или иное натяжение мембраны, вызывающее желаемую частоту ее собственных колебаний.
Другое решение этой задачи встречается также в американских приборах той же фирмы (но для несколько другой цели).
Если изготовить мембрану из очень тонкой материи, пропитанной каким-либо эластичным лаком (напр., лучшим японским копаловым масляным лаком) и выштампованной в волнистую поверхность, изображенную в разрезе на фиг. 4, то можно получить систему с очень небольшим (6—8) числом собственных колебаний.
Применение такой мембраны для микрофона может дать также вполне удовлетворительные результаты, но вследствие других соображений, о которых, за отсутствием места в данной статье, мы не упоминаем, — чаще и с большим успехом применяются мембраны металлические с очень высоким числом собственных колебаний.
В приборах третьего типа нет, собственно говоря, того, что мы привыкли понимать под названием мембраны, и микрофоны этого типа построены по несколько иному принципу.
Более близким к обычному угольному микрофону является новый немецкий прибор, заменяющий его и названный "катодофоном".
На фиг. 5 схематически представлено устройство немецкого "катодофона", применяемого между прочим на Мюнхенской широковещательной радиостанции.
Из магнезии выпрессовывается небольшой цилиндрик В, внутри которого заделывается платино-иридиевая проволочка, прогреваемая током 16-вольтовой батареи. Поверхность этого магнезиевого цилиндрика покрыта азотнокислым кальцием и при сильном нагревании излучает поток электронов в воздушный зазор между накаленным телом В и мелкой металлической сеткой Б, служащей анодом этого "газового микрофона". Кроме батареи накала в 16 вольт имеется еще анодная батарея в 450 вольт, соединенная положительным полюсом с металлической сеткой-анодом и отрицательным через первичную обмотку трансформатора М с минусом накала. В цепь анода, во избежание дугообразования, включено очень большое сопротивление в 200000 омов. Человеческая речь, произнесенная перед рупором А, производит вибрации воздуха, которые воздействуют на ионизированный воздух в промежутке Б—В, сопротивление которого поэтому изменяется совершенно пропорционально силе воздействия звуковой волны. Ток батареи в 450 вольт поэтому меняется в ритм звукам, и получается идеальная передача помощью обычного микрофонного трансформатора М (о котором речь впереди).
Само собой понятно, что ни о какой инерции или резонансе здесь не может быть и речи, поэтому человеческая речь, музыка и пение передаются таким "газовым микрофоном" вполне совершенно. Кому удастся слышать работу Мюнхенской радиостанции (германский Компочтель), тот может на практике убедиться в совершенстве ее передачи. Другие немецкие, а также французские техники разрешают ту же задачу несколько иначе.
Немецкий так называемый "ленточный микрофон" изображен на фиг. 6 (схематически).
Между полюсами очень сильного магнита (или электромагнита) N-S подвешена тонкая гофрированная металлическая лента А, показанная в разрезе под буквой А'. Провода Б идут к первой ступени промежуточного усилителя.
При воздействии воздушной звуковой волны на ленту А, она начинает колебаться в такт со звуковыми колебаниями, при чем, находясь в сильном магнитном поле и разрезая во время колебаний силовые линии этого поля, она вызывает своими колебаниями индуктированные токи,идущие в том или ином направлении вдоль ее длины. Взаимодействие магнитного поля этого тока с главным полем производит сильное эл-магнитное торможение, устраняющее всякую возможность свободных колебаний ленты, которая колеблется, следовательно, лишь так называемыми "вынужденными" колебаниями под влиянием действий воздушных толчков звуковой волны.
В этом приборе имеет место также полная пропорциональность между силой звуковых колебаний и силой разговорного тока, — другими словами этот электромагнитный телефон также передает человеческую речь практически без всяких искажений.
Французские техники решили ту же задачу несколько иным путем, принципиально мало отличающимся от немецкого решения.
Схема французского электромагниткого микрофона изображена на фиг. 7.
В цилиндрическом панцырном электромагните A с катушкой Б между полюсными наконечниками (кольцевой формы) S и N образуется вследствие прохождения тока от батареи Д — сильное магнитное поле радиальной формы.
На катушку Б положен слой мягкого войлока или ваты, сверх которой свободно лежит плоская спиральная катушка, намотанная из тонкой алюминиевой проволоки.
Концы Ж этой катушки идут к первой ступени промежуточного усилителя.
При воздействии на эту плоскую катушку воздушных толчков звуковой волны катушка начинает колебаться в такт со звуковыми колебаниями, вследствие чего в ней возникают индуктированные электрические токи того или иного направления. Величины этих токов строго пропорциональны воздействиям звуковой волны, и кроме того плоская катушка вследствие тормозящего взаимодействия ее поля с главным полем не может иметь практически никаких собственных колебаний — поэтому все приспособление работает чрезвычайно чисто и передает человеческую речь без всяких искажений.
Из всего изложенного, станет вполне понятным тот факт, что обычный микрофон с металлической или угольной мембраной, обладающей резко выраженными собственными колебаниями, никоим образом не годится для художественного воспроизведения человеческой речи. Только помощью тех усовершенствований, о которых мы говорили выше, удается вполне решить задачу ясной и чистой передачи речи оратора.
Рассмотрением других органов общей схемы громкоговорителя мы займемся в следуюшем номере нашего журнала.
