Л. Эйхенвальд.
Первые попытки широковещать по радио были сделаны в 1921 г. в Сев. Америке и имели огромный успех. Разочарование пришло несколько позднее.
Пока аудитория удовлетворялась сообщениями о ходе спортивных состязаний, слушанием реклам, чередовавшихся простейшими музыкальными исполнеyиями, все шло очень хорошо. Но при попытке обогатить программу введением в нее номеров более сложных по богатству звукового материала, как, напр., оркестровой музыки, обнаружилась неприспособленность для этой цели имевшихся технических средств.
Потребовалась упорная, систематическая и дорого стоящая работа в различных лабораториях для изучения всех звеньев, участвующих в передаче, начиная с источника звука и кончая слуховым аппаратом слушателя, т. е. ухом. Работы эти далеко не закончены, но достигнутые результаты имеют большой практический и научный интерес.
В этой статье мы, после краткого обзора процессов, происходящих в составных частичках телефонной цепи, — цепь радиовещания не что иное, как телефонная цепь, в которой проволочная линия передачи заменена радио, — остановим наше внимание на оконечных звеньях в передаче, а именно на источнике звука и на слуховом аппарате человека.
Всякая телефонная система состоит из трех (см. рис. 1) основных элементов: в первом — в передатчике происходит преобразование механической энергии звука в электромагнитную, во втором — перенос энергии от передатчика к приемнику и, наконец, в третьем, в приемнике — обратное преобразование электромагнитной в механическую энергию звука. Как известно, всякое преобразование энергии сопровождается потерей более или менее значительной части ее.
Рис. 1.
Кроме того, всякая телефонная передача сопровождается искажениями. Иногда искажаются отдельные слоги, иногда даже целые слова и речь становится неясной. Для коммерческой связи требуется одна лишь ясность передачи, т. е. отсутствие большого числа искаженных слов и слогов. При некотором навыке мы легко научаемся узнавать даже искаженный голос собеседника. Для художественной же передачи необходимо сохранить с возможной полнотой все звуковое содержание передаваемой речи или музыкальной пьесы; но чем богаче звуковой материал, тем труднее обеспечить точное воспроизведение его. Все радиолюбители хорошо знают это явление; не редки жалобы на дребезжащий тон рояля, на придавленность голоса исполнителя; нередко отмечают, что воспроизведенный тон ниже или выше естественного.
Для понимания причин этих искажений необходимо знакомство с физическими свойствами речи и музыки. Некоторые механические колебания воспринимаются нашим ухом в виде звука. Колеблющееся тело, например, звучащая струна, приводит в колебательное состояние окружающий воздух, волны которого возбуждают в нашем слуховом аппарате ощущение звука. Некоторые колебания воспринимаются в виде определенного чистого тона, иные в виде сложных звуков, составные части которого иногда может отметить человек, одаренный очень музыкальным слухом. Некоторые колебания воздуха производят впечатление неопределенных в звуковом отношении шумов.
Звуковые волны, так же как и электрические, отличаются друг от друга своей частотой. Чем выше частота волны, тем выше ее музыкальный тон. Наш слух воспринимает в виде ощущения звука лишь колебания, частота которых не ниже 16 периодов в секунду и не выше 17 000.
Рис. 2. (увеличить)
Обратимся к рисунку 2, на котором изображена клавиатура рояля, с указанием частот, соответствующих отдельным нотам, а также и звуковых пределов, свойственных отдельным музыкальным инструментам и человеческому голосу. Так, напр., кларнет, деревянный духовой инструмент, обнимает полосу частот от 160 до 1 536 периодов в сек.; тенор — от 120 до 480 периодов.
Однако большинство звуков, составляющих музыкальную гамму отдельных инструментов или человеческого голоса, являются сложными звуками, состоящими из сочетания звуков различной высоты, от более или менее низких, т. е. частота которых сравнительно не велика, до высоких, частотою свыше 1 000 периодов. В музыкальных звуках нас интересуют три вопроса, — вопервых, какие простые тона, или частоты, составляют данный музыкальный звук, вовторых, какова интенсивность (т. е. сила) каждой из составных частот и, втретьих, все ли частоты, составляющие один сложный звук, должны быть воспроизведены для того, чтобы получилось впечатление неискаженного звука.
Исследование отдельных звуков, их анализ производился специально сконструированным для этого прибором, снабженным быстро сменяющимися электрическими фильтрами, позволяющими отфильтровать все составляющие данный звук частоты. Этим путем были определены составные части отдельных звуков речи и музыкальных инструментов как по характеру, так и по силе.
Речь обнимает полосу колебаний от 60 до 6 000 периодов в сек., приэтом наибольшей энергией обладают гласные, частота которых лежит ниже 3 000 пер. в сек. (см. рис. 3). Согласные звуки по количеству энергии, которой они обладают, значительно уступают гласным; но они вносят те характерные особенности, без которых речь становится непонятной, нечленораздельной. Эти звуки обнимают полосу частот до 6 000 пер., даже несколько выше. На рис. 3 изображена диаграмма анализа некоторых музыкальных звуков. Звук А при пении обнимает полосу частот до 3 000 пер.; приэтом весьма сильна частота 280, 450, 650; менее сильна 900 и 1 800; очень слаба 1 550, 2 050, 2 250, 2 450 и 2 700. Простое протяжное О обнимает лишь полосу частот до 1 000 пер., причем отдельные частоты 250, 450, 650 и 900 все почти одинаково сильны. Из особенно большого числа тонов состоят звуки рояля, напр., звук «до» составлен из 18 отдельных частот. Мощность отдельных звуков вообще чрезвычайно мала; она в среднем не превышает 0,0000125 ватт. Чтобы наглядно представить себе ничтожность этой величины, вообразим, что энергию звука мы хотим использовать для нагревания воды. Для вскипячения небольшой чашки воды потребовалась бы непрерывная речь одного миллиона людей втечение полутора часов.
Рис. 4 дает относительную силу звука гласных английского алфавита для мужского и женского голоса; последний, как видим, обладает в общем большей интенсивностью.
Рис. 3.
Если мы взглянем на диаграммы, изображающие разложенный на составные части музыкальный звук (рис. 3), видим, что по силе своей (по амплитуде) отдельные составные части сильно отличаются друг от друга. В человеческой речи сила звука колеблется от 1 до 1 000, в музыке же, особенно оркестровой, эти колебания еще значительно шире, примерно от 1 до 100 000.
Рассмотрим, в чем заключается причина искажений звука.
Главная причина искажений заключается в том, что различные частоты неодинаково ослабляются при прохождении по звеньям цепи радиовещания; между тем как одна частота сравнительно мало поглощается, иные поглощаются целиком. Так, например, обыкновенная телефонная система передает частоты лишь от 500 до 2 000 периодов, все же остальные ею поглощаются. Этих частот достаточно для того, чтобы речь была воспроизведена вполне понятно, членораздельно; но для сохранения красоты музыкального тона, характерных оттенков голоса требуется более широкая полоса частот, примерно от 16 до 10 000 периодов.
Рис. 4.
Ознакомившись с характером музыкальных звуков, легко будет понять всю трудность точного их воспроизведения.
Слуховой аппарат человека также вносит искажения. Человеческое ухо, состоит из ряда основных частей: наружного, среднего и внутреннего уха, так называемого лабиринта. Только последний заключает в себе чувствующие органы; наружное же и среднее ухо играют роль звуконаправляющего аппарата. Весьма незначительного давления в 1/1000 дины на см2 достаточно для возбуждения ощущения звука. Такое давление соответствует весу человеческого волоса длиною в 3/100 мм.
Однако ухо неодинаково чувствительно к различным частотам. Ухо воспринимает частоты от 20 до 2 0000 периодов в сек.; но вблизи этих пределов для возбуждения ощущения звука необходимо количество энергии в сотни миллионов раз больше, чем средних частот, от 1 000 до 5 000 пер.
Внутреннее ухо обладает способностью в определенных пределах применяться к данной частоте, т. е. настраиваться на определенные тона. С другой стороны, отдельные части имеют свои собственные колебания. Поэтому, если увеличить силу простейшего звука выше некоторого предела, то в среднем ухе и в лабиринте возникают обертона, которые в свою очередь возбуждают основную пленку (мембрана базилларис), являющуюся органом, возбуждающим ощущение звука, не в тех местах, которые соответствуют заданному тону. Таким образом ухо вводит субъективные тона, не соответствующие оригиналу.
Другое явление, приводящее также к искажению оригинального звука, выражается в замаскировании одного тона другим. Сильный звук низкой частоты (низкий тон) покрывает собою более слабые звуки более высокой частоты (высокие тона); но сильный высокий тон не в состоянии покрывать слабый низкий тон. Это явление также объясняется возникновением высоких субъективных тонов под влиянием несоразмерно сильного низкого тона. Ухо является таким образом также при известных условиях источником искажений.
Радиовещание является весьма сложной технической задачей. Для достаточно удовлетворительного воспроизведения музыкальной пьесы или художественной речи необходима передача довольно широкой полосы частот и сохранение соотношения в силе отдельных частот. Источники искажения рассеяны по всем трем этапам цепи широковещания.
