Н. М. Изюмов.
Почти все телефоны, применяемые в нашей радиопрактике, имеют примерно следующий принцип устройства: мембрана, приготовленная из железа и закрепленная по краям, подвергается механическому воздействию магнитного потока сердечника (рис. 1). Магнитный поток изменяется в соответствии с изменениями силы тока, проходящего по обмоткам сердечника. Если ток в обмотках отсутствует, то все же мембрана оказывается несколько вогнутой внутрь благодаря постоянному («остаточному») магнетизму, который сообщается сердечнику предварительным намагничиванием.
Своими колебаниями мембрана подталкивает в ту и другую сторону частицы окружающего воздуха, являясь таким образом источником звуковых волн. Важно, чтобы звук соответствовал изменениям тока в катушках телефона, так как эти изменения в свою очередь созданы звуковыми колебаниями где-то далеко, — на передающей радиостанции.
Но вот вопрос: для чего же нужен «остаточный» магнетизм? Разве без него мембрана не будет колебаться? Постараемся этот вопрос выяснить в первую очередь.
Магнитный поток, выходящий из северного наконечника («башмака») сердечника, стремится вернуться в южный по наиболее короткому и легкому пути. Железо представляет собою легкий путь, и потому поток входит в мембрану; стремясь сократиться, силовые магнитные линии притягивают мембрану к полюсам. И притяжение будет происходить совершенно независимо от того, какой именно из двух полюсов является северным и какой южным (рис. 2).
Теперь представим себе, что постоянный поток в сердечнике отсутствует (телефон «размагнтился»). Тогда за каждые полпериода переменного тока, питающего магнит, мембрана будет притянута и отпущена обратно, то есть совершит свой полный период. Правда, здесь следует ввести условие, что мембрана «апериодична», то есть не имеет собственных колебаний (к чему обычно и стремятся при конструировании телефонов).
В результате частота колебаний мембраны будет вдвое больше частоты тока, питающего телефон, а потому звук телефона перестает соответствовать звукам, передаваемым по радио. Эту неудачную зависимость можно изобразить кривыми рис. 3. Фактически, надо заметить, явление несколько осложняется.
Помочь горю очень просто: стоит лишь намагнитить сердечник, и чем сильнее — тем лучше. Тогда уже мембрана не будет безразлична к направлению тока в катушках. Если за какую-то одну половину периода ток усиливает магнитное поле сердечника и увеличивает притяжение мембраны, то другая половина, то есть обратное направление тока, размагничивает сердечник и отпускает мембрану вниз (рис. 4) за ее среднее положение, определяемое постоянным магнитным потоком. Картина получается совсем иная: полный цикл движения мембраны соответствует одному полному периоду тока, как это иллюстрируется рисунком 4, и ток сигналов передастся телефоном без искажений. Вот почему необходим постоянный поток сердечника.
Схемы телефонов, данные на предыдущих рисунках, вовсе не являются идеальными. В них следующие основные недостатки: вопервых, наличие в «магнитопроводе» двух воздушных промежутков (от N до мембраны и от мембраны до S), что уменьшает густоту магнитного потока, а следовательно, и силу действия его на мембрану; вовторых, «глухое закрепление» краев мембраны, затрудняющее ее изгибы и вызывающее излишние потери энергии на трение частиц ее металла друг о друга.
Первым шагом к улучшению конструкции телефона является устранение одного из воздушных промежутков. Для этого следует один полюс сделать опорою краев мембраны (рис. 5), заставив силовые линии сходиться к ее центру и далее — во второй полюс. Такая мысль использована в телефонах нашей радиопромышленности.
Но желательно также уменьшить и внутренние трения в мембране. Обычно ее зажимают между двумя плоскостями, создавая тем самым «глухое» крепление. Однако гораздо легче было бы изгибать мембрану, зажав ее края между остриями, как примерно показывает рис. 6. Тогда из всей энергии, сообщаемой мембране, более значительная доля переходила бы в звук. Впрочем, такая конструкция опять-таки встречает возражения: удовлетворяя механическим требованиям, она пренебрегает магнитными, открывая силовым линиям слишком узенький путь через нижнее острие в мембрану. В новейших телефонах стремятся примирить эти противоречия, по возможности удовлетворяя всем поставленным требованиям.
В любом приемнике телефон выполняет ту конечную задачу, ради которой в сущности и сооружается вся установка: телефон превращает электрическую энергию в звуковую. Таким образом телефон для электрической части устройства является «потребителем», питающимся от какого-то источника энергии (генератора). Генератором может явиться лампа, управляющая энергией анодной батареи (рис. 7), или детекторный контур (рис. 8), или, наконец, просто машина переменного тока звуковой частоты (рис. 9.); принципиально между этими случаями разницы нет.
Энергия, созданная генератором, расходуется частью бесполезно в нем самом на «внутреннее» сопротивление, частью же поглощается телефоном. Телефон, следовательно, как бы вносит в цепь свое сопротивление, измеряемое некоторым числом омов. И схема рис. 9 может быть заменена равноценною схемой рис. 10. Витки L служат напоминанием о том, что не только «потребляющее» сопротивление телефона оказывает препятствие току, но также создаваемая в его витках электродвижущая сила самоиндукции.
Как же представить себе физически «потребляющее» сопротивление? Этот вопрос является основным в нашем исследовании. Допустим такой невероятный случай, что обмотки телефона лишены омического сопротивления, то есть на их нагревание энергия не расходуется: кроме того допустим, что пульсации магнитного тока не влекут за собою никаких потерь в железе магнитопровода, связанных с трением частиц металла друг об друга и с возникновением паразитных «блуждающих» токов в железе. Тогда в нашей цепи останется из всех потребляющих сопротивлений лишь одно полезное. Это — так называемая «реакция мембраны».
Объяснение начнем издалека. Пусть перед нами имеется батарея аккумуляторов, заряжаемая от машины (рис. 11). Ток, отправляющийся на зарядку, встречает препятствие в виде собственной электродвижущей силы батареи, направленной навстречу напряжению машины. И если величину встречной электродвижущей силы разделить на силу тока, мы получим результат в омах, который и назовем «полезным сопротивлением» батареи аккумуляторов. Для машин окажется совершенно безразлично, вести ли зарядку такой батареи, или просто нагревать реостат (рис. 12), число омов которого равно указанному выше «сопротивлению» аккумуляторов; только в первом случае энергия электрическая переходит в химическую, во втором же она целиком тратится на тепло.
Возьмем и другой пример, более близкий к нашему случаю. Вместо аккумуляторов включим в нашу цепь электромотор, приводящий во вращение какой-нибудь станок и т. п. (рис. 13). Полезный эффект здесь заключается в переводе электрической энергии в механическую. Вращающийся мотор подобно всякой динамо-машине дает свою электродвижущую силу, но направлена она навстречу основной. И если эту противоэлектродвижущую силу разделить на силу тока, мы получим омы того «полезного сопротивления», которое равноценно переходу электрической энергии в механическую.
А теперь вернемся к нашему вопросу. Замкнем накоротко обмотку телефона, то есть удалим из его цепи источник энергии (рис. 14). Дальше приведем мембрану в колебание, например, нанося по ней щелчки. Приближаясь к полюсу, мембрана уменьшит воздушный промежуток магнитопровода, и тем вызовет прирост потока; при удалении мембраны магнитный поток уменьшается. Эти изменения магнитного потока, наведут («индуктируют») в катушках телефона переменную электродвижущую силу, способную послать в цепь свой ток.
Наконец, взглянем вновь на рис. 4. Здесь мембрана колеблется под действием магнита; но эти колебания в свою очередь оказывают обратное действие на магнитное поле, как это было разобрано в предыдущем примере. И такое обратное действие, такая «реакция» опять-таки индуктирует в катушках электродвижущую силу, направленную, грубо говоря, всегда навстречу основному напряжению питающего источника. Тем самым уменьшается сила тока через телефон, то есть как бы в цепь вносятся «омы» того полезного сопротивления, которое мы считаем равноценным переходу энергии в механические колебания мембраны.
И если бы в действительности можно было создать такой телефон, в котором отсутствуют вредные потери, в котором нет индуктивных свойств (см. рис. 10), а полезные «омы» равны численно внутреннему сопротивлению питающего генератора, то подобный прибор был бы идеалом.
Посмотрим, насколько мы далеки в действительности от такого идеала.
Те самые «полезные омы», которыми при данной силе питающего тока определяется количество энергии, перешедшей в звук, характеризуют собою пригодность телефона для выполнения своей задачи. Величина этих «омов» зависит от многих причин: на нее влияет и конструкция мембраны, и устройство магнитов с катушками, и сила питающего тока, и т. д. Вот, например, мы еще не говорили о катушке, составляющей «электрическую» часть телефона. Ее задача сводится к созданию возможно более глубоких пульсаций магнитного потока, приводящих мембрану в движение. Чем полнее колебание мембраны, тем громче звук и, следовательно, тем больше «полезное сопротивление», внесенное в цепь телефона.
Глубина пульсаций магнитного потока зависит от силы тока и от числа витков катушки. В приемных устройствах мы обычно имеем дело с такими «источниками» переменного тока (детектор, лампа), которые большой силы его создать не могут. В распоряжение телефона направляются тысячные и даже миллионные доли ампера. Значит, приходится итти путем увеличения числа витков. В радиотехнике мы встречаем телефоны, в катушках которых имеется по нескольку тысяч витков (примерно от трех до десяти тысяч). Тонкая проволока этих обмоток сразу уводит нас далеко от намеченного идеала: катушки обладают вредным омическим сопротивлением, как видно из надписей на трубках, порядка от двух до четырех тысяч омов. И если радиолюбитель стремится приобрести «высокоомный» телефон, то вовсе не гонясь за этими вредными омами, а видя в них указание на большое число витков.
Если телефонную трубку включить в цепь постоянного тока, и измерить ее сопротивление — мы получим именно ту величину, которая на ней написана; будем помнить, что это — один из видов вредных сопротивлений в телефоне.
Но если телефон включить в цепь переменного тока (в котором ему и приходится работать), то величина сопротивления окажется совсем иной. Вместо написанных двух тысяч омов при частоте около 1 000 периодов в секунду (средняя звуковая частота) мы получим от 4 000 до 10 000 омов, и эта величина, будет изменяться при изменениях силы и частоты тока. Откуда же берется такое сопротивление, и почему оно не оказывается постоянным? Частично на этот вопрос мы уже ответили: сюда входит «реакция мембраны», то есть полезное сопротивление, зависящее от указанных выше факторов.
Но, к сожалению, среди добавившихся в переменном токе омов это полезное сопротивление играет очень малую роль; в эту сумму входят еще вредные потери, связанные с изменением магнитного потока в железе. Они вносят в цепь свое противодействие току подобно тому, как его вносит мембрана, и это противодействие может быть оценено несколькими тысячами омов. Потери в железе растут с увеличением силы и частоты тока: забота об их уменьшении проявляется в специальном подборе и конструкции сердечника.
Кроме всего этого, в качестве противодействия переменному току телефон дает свою электродвижущую силу самоиндукции, свойственную любой катушке. Коэффициент самоиндукции телефона также непостоянен: при данной конструкции он зависит от установки и величины размахов мембраны. Грубо можно считать для различных систем радиотехнических телефонов коэффициенты самоиндукции в пределах от 0,2 до 1 генри и отсюда сделать вывод, что среди слагаемых полного сопротивления телефона ваттные виды, связанные с потреблением энергии, играют преобладающую роль для низких и средних звуковых частот.
Итак, все наши расссуждения создают уже иную схему, равноценную телефону с точки зрения питающего его генератора, вместо изображенной на рис. 10.
Телефон имеет по крайней мере три вида ваттных сопротивлений: реакцию мембраны, омическое сопротивление катушек и сопротивление потерь в железе; сверх того в нем имеется безваттное индуктивное сопротивление. Равноценная схема получает вид, показанный на рис. 15.
Этот вопрос лучше было бы и не поднимать, так как результаты получаются очень печальные. Под электрическим коэффициентом полезного действия телефона подразумевается дробное число (или проценты), показывающее, какую долю всей подведенной к нему знергии составляет перешедшая в колебание мембраны; совершенно тот же ответ мы получим, если определим, какую долю от полного ваттного сопротивления составляет сопротивление реакции мембраны. Уже эта дробь очень невелика, но она еще не характеризует достоинств (или недостатков) телефона. От нее самой нужно взять такую долю, которая из всей созданной механической энергии перешла в звук; вот тогда перед нами будет полный электро-акустический коэффициент полезного действия. Ведь не следует забывать, что часть механической энергии уходит на бесполезные трения частиц металла мембраны, то есть создает тепло.
Полный коэффициент полезного действия телефона надлежит считать не выше одного процента.
И все-таки правило, высказанное в начале статьи, остается в силе: желательно комбинировать между собою такие генераторы и телефоны, чтобы их ваттные сопротивления были по возможности величины одного порядка. Пусть при этом много энергии уходит на бесполезные затраты; все-таки и тот куш, который достается полезному потребителю — мембране, — будет наибольшим из всех значений.
Совершенно особую группу могут составить телефоны с резонансовой мембраной, охотно воспроизводящей ток одной определенной высоты. Их коэффициент полезного действия оказывается значительно больше, но для радиолюбителя, принимающего речь и музыку, такие телефоны не нужны.
1) В виду того, что автор рассматривает некоторые вопросы о телефоне не с обычной точки зрения, редакция просит читателей высказаться по затронутым в ней вопросам.