|
Введение
Человечество за всю свою историю прошло немало испытаний, однако все это было не зря, ведь в итоге были сделаны великие изобретения, которые в корне поменяли не только взгляды людей на многие явления, но и сам уклад жизни. Секреты некоторых из них были утрачены навсегда, другие же – были доведены до совершенства, и по сей день имеют огромное значение для продуктивной работы в различных областях деятельности. Великие изобретения не всегда считались таковыми в момент их создания. Ученых часто воспринимали как мечтателей и выдумщиков, и лишь спустя некоторое время к ним стали относиться с должным уважением. Одним из самых потрясающих открытий стали изобретения передающие звук, потому что вместе с ними человеческий разум одержал величайшую победу над расстоянием
Гипотеза
Насколько стало значимым для развития человечества изобретения,передающие звук.
Цель:
Провести исследование значимости изобретения устройств, передающих звук для развития человечества.
Задачи:
- Изучить способы и средства передачи аналогового и цифрового звука
- Выяснить, как совершенствовалась техника, что было открыто, кто и когда сделал открытия.
- Выяснить, какие новые изобретения появились в наше время.
Этапы проекта
Из истории
Необходимость обеспечения себя «связью на расстоянии» у человечества возникла еще со стародавних времен. У персидского царя Кира в VI веке до нашей эры для этой цели на службе состояло 30 тысяч человек, именуемых «царскими ушами». Располагаясь на вершинах холмов и сторожевых башен в пределах слышимости, они передавали сообщения, предназначенные царю и его приказания. Как свидетельствует греческий историк Диодор Сицилийский, за день известия по такому телефону передавались на расстояние тридцатидневного перехода.
Во время войны с Цезарем, о продвижении его армии галлы сообщали с помощью расставленных цепочкой крикунов. Эффективность такого способа была налицо: посредством своей «луженой» глотки профессиональные крикуны передавали ценную информацию за день со скоростью около 100 км/ч.. Обычным посыльным для этого требовались недели и даже месяцы. А в средневековых постройках Пскова учёные обнаружили «беспроволочные телефоны» - узкие секретные ходы, проложенные в стенах. С их помощью велись переговоры, передавались и принимались сообщения.
Уже намного позже англичанин Хук придумал устройство, передающее звук посредством натянутой между двумя мембранами бечевки. А французский физик Био изобрёл агрегат, говорить по которому можно было с помощью труб.
|
Что такое звук?
Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду колебания в слышимой области частот.
Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектромчастот. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Громкость звука сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука - не только от частоты, но и от величины звукового давления.
Среди слышимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки и звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.
Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.
|
Аналоговый звук
Графический вид аналогового сигнала (колебания) изображен на Рис.1. Он из себя представляет непрерывно меняющуюся амплитуду по оси времени. Если характер изменения амплитуды через некоторое время повторяется, говорят о периоде повторения, который обозначается как Т. Длительная во времени последовательность повторяющихся периодов колебания формируют сигнал определенной частоты – f, имеющей размерность герц (Гц). Частота сигнала связана с периодом повторения следующей зависимостью f = 1/T .
Колебания в нашей электрической сети имеют частоту 50 гц , период этих колебаний составляет 0,02 сек. Колебания звука частотой 1000 гц имеют период 0,001 сек (1 миллисекунда).
Этот рисунок дает нам временное представление сигнала. Для анализа сигналов более полное представление дает частотное представление, которое принято называть спектром сигналов
На следующем рисунке представлен спектр сигналов для двух сигналов – один сигнал частотой 50 гц и амплитудой 220 вольт, второй - частотой 1000 гц и амплитудой 10 вольт. Такой спектр (в виде одной палочки по оси частот) имеют колебания одной частоты с одинаковой амплитудой от периода к периоду
Звук, издаваемый человеком, имеет переменную громкость (амплитуду) и меняется по частоте. У такого звука спектр будет иметь сложную структуру (Рис.3.). Женский голос будет состоять из множества частот, группирующихся в районе частоты 15000 гц. Мужской голос будет состоять из множества частот, группирующихся в районе частоты 8000 гц., т.е. ниже по оси частот. Набор частот (в данном случае звуков голоса) принято называть спектром, а разница между наивысшей частотой в спектре и наинизшей называется ширина спектра и обозначается как Δf
Характеристики аналогового звука: – значение амплитуды (А), значение частоты (f), ширина спектра Δf , время существования колебаний (t).
|
Передача
Изобретения
|
Телефонная связь
02.01.2011
Датой рождения первого электрического телефона считается 14 февраля 1876 г. В этот день в американское патентное ведомство поступило две заявки на аппарат для передачи звуков на расстояние посредством электрического тока. Первая принадлежала американскому преподавателю школы глухонемых А. Г. Беллу. Вторая, поступившая на два часа позже, – американскому физику И. Грею.
Обе заявки были вовсе не подобные, а принципиально различны. Белл сконструировал электромагнитный передатчик (микрофон), в котором передаваемый в линию ток изменялся вследствие изменения магнитного потока. Грей же предлагал совершенно иной метод изменения тока – вследствие изменения при колебаниях мембраны электрического сопротивления столбика проводящей жидкости. Не останавливаясь на сопоставлении достоинств и недостатков обоих устройств, отметим главное. Белл патентовал почти готовое устройство. Грей же подал лишь предварительное уведомление о намерении изобрести устройство с указанием предлагаемого принципа его действия.
Но было бы несправедливо приписывать лавры отца телефонии только лишь А. Беллу. Его изобретению предшествовали работы многих ученых. Прообраз телефонного аппарата, так называемую «ворчащую проволоку», в 1837 году создал американский ученый Ч. Пейдж. Он обнаружил явление, названное им гальванической музыкой, – прерывистый ток, протекающий по обмотке электромагнита и вызывающий звуки определенного тона.
В 1860 г. учитель физики школы г. Фридрихсдорфа (Германия) Филипп Рейс (1834–1874), в старом школьном сарае из подручных средств (пробка от бочонка, вязальная спица, старая разбитая скрипка, моток изолированной проволоки и гальванический элемент) создал аппарат для демонстрации принципа действия уха. Его аппарат состоял из передатчика, гальванической батареи, соединительного провода и приемника. Под воздействием звуковых волн перепонка передатчика приходила в колебание, то погружая в ртуть, то извлекая из нее платиновый штифт, связанный линейным проводом с одним концом медной обмотки катушки приемника. Другой конец заземлялся. При этом в цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался и размагничивался, что и обусловливало его звучание. Свой аппарат, назвав «телефоном», он продемонстрировал 26 октября 1861 г перед членами Физического общества Франкфурта. По сути это был «музыкальный телефон» передающий звуки по проводам, но это были лишь отдельные звуки с искаженным тембром. Именно поэтому электрический телефон Рейса никакого успеха не имел. В печати появилось несколько полуиронических и полусерьезных статей, а немецкий журнал «Гартенлаубе» дал в 1863 г. его описание как игрушки. Механик из Германии изготовил в разном оформлении 10–20 телефонов Рейса. Несколько из них даже продал. Один из экземпляров очутился в шотландском университете в Эдинбурге, в котором в то время учился американец английского происхождения Александр Грэхем Белл.
В Германии Рейс не был ни оценен, ни признан. Тогда он отправился в Америку, где его арестовали как шарлатана, пытающегося вымогать деньги на сомнительную затею – «на постройку аппарата, с помощью которого будто бы можно будет передавать человеческую речь по проводам на любое расстояние. Свой аппарат он специально назвал «телефоном», явно подражая названию «телеграф», чтобы было легче обмануть людей, слышавших об успехах телеграфного аппарата, но не знающих принципа его действия. Специалисты считают, что нельзя посылать голос по проводам, как передают азбуку Морзе. Впрочем, если бы это и было возможным, то так и не имело бы никакого практического применения», писала газета «Метрополиен» .
Практически параллельно, в 1869 году профессором Харьковского университета Ю. И. Морозовым был разработан передатчик, представляющий собой сосуд, наполненный токопроводящей жидкостью с двумя опущенными в нее электродами. Один из них был изготовлен в виде металлической пластинки с жестко укрепленным концом. При ее колебании между ней и неподвижным электродом по синусоидальному закону изменялось электрическое сопротивление. Соответственно изменялся и ток в цепи. Передатчик Морозова представлял собой прообраз микрофона.
Еще в годы учебы, ознакомившись с телефоном Рейса, Белл решил создать аппарат, превращающий звуки в световые сигналы. Он надеялся с его помощью научить говорить глухих детей. Начиная с 1873 г. он пытался сконструировать гармонический телеграф, способный передавать по одному проводу одновременно семь телеграмм (по числу нот в октаве). Для этого он использовал семь пар гибких металлических пластинок, подобных камертону, при этом каждая пара настраивалась на свою частоту. Во время одного из опытов 2 июня 1875 г. свободный конец одной из пластинок на передающей стороне линии приварился к контакту. Помощник Белла механик Томас Ватсон, безуспешно пытаясь устранить неисправность, чертыхался. Находящийся в другой комнате и манипулировавший приемными пластинками Белл своим чутким натренированным ухом уловил звук, дошедший по проводу. Самопроизвольно закрепленная на обоих концах пластинка превратилась в своеобразную гибкую мембрану и, находясь над полюсом магнита, изменяла его магнитный поток. Вследствие этого поступавший в линию электрический ток изменялся соответственно колебаниям воздуха, вызванным бормотанием Ватсона. Практически, это и был момент зарождения телефона.
Патентную заявку на этот телефон он подал 14 февраля 1876 г., а 7 марта получил патент. Спустя три дня –10 марта 1876 г. – по 12-метровому проводу, соединявшему квартиру Балла с лабораторией на чердаке, состоялась передача первой членораздельной фразы, ставшей исторической: «Мистер Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны!». Несмотря на положительный результат, изобретение долгое время не находило практического применения.
Правда, будучи уже знаменитым и богатым, Белл сказал: «Я изобрел телефон благодаря своему незнанию электротехники. Ни один человек, хотя бы элементарно знакомый с электротехникой, ни за что бы не изобрел телефона». Зерно истины в этом заявлении есть, так как его аппарат был необыкновенно прост, а если следовал бы Белл всем законам электротехники, конструкция должна была быть намного сложнее…
Как упоминалось выше, первый телефон с постоянным магнитом, являющийся прообразом нынешнего, был создан в 1878 г. и получил название «трубки Белла». В цилиндрическом деревянном корпусе располагался стержневой магнит с обмоточной катушкой на конце – вблизи металлической мембраны. Выводные концы обмотки через медные стержни соединялись с зажимами телефонной цепи. Рупор служил для концентрации колебаний воздуха, как при передаче речи, так и ее прослушивании. При ведении переговоров трубку Белла необходимо было прикладывать попеременно то ко рту, то к уху, либо пользоваться двумя трубками одновременно. Поэтому в общественных местах, где был установлен телефон, висело предупреждение: «Не слушайте ртом, не говорите ухом». Аппаратом заинтересовались деловые круги, которые и помогли изобретателю основать «Телефонную компанию Белла». Впоследствии она превратилась в могущественный концерн.
В 1878 г. Д. Э. Юз доложил Лондонскому королевскому обществу, членом которого он состоял, об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефоне. Испробовав контакты, изготовленные из различных материалов, он убедился, что эффект с наибольшей силой проявляется при применении контактов из прессованного угля. Основываясь на этих результатах, Юз в 1877 сконструировал телефонный передатчик, названный им микрофоном. «Компания Белла» использовала новое изобретение Юза, так как эта деталь, отсутствовавшая в первых аппаратах Белла, устраняла основной их недостаток – ограниченность радиуса действия.
Над усовершенствованием телефона трудились многие изобретатели (В. Сименс, Адер, Говер, Штэкер, Дольбир, П. М. Голубицкий и др.). Российский ученый Михальский в 1879 году первым в мире применил угольный порошок в микрофоне. Это принцип используется до настоящего времени. Впервые введя в схему телефонного аппарата индукционную катушку и применив угольный микрофон из прессованной ламповой сажи, Эдисон обеспечил передачу звука на значительное расстояние.
Первая телефонная станция была построена в 1877 г. в США по проекту венгерского инженера Т. Пушкаша (1845– 1893), в 1879 г. телефонная станция была сооружена в Париже, а в 1881 г. – в Берлине, Петербурге, Москве, Одессе, Риге и Варшаве . Однако телефонная связь оказалась настолько низкокачественной, что в 1883 г. на Мюнхенской электротехнической выставке официальная экспертиза вынуждена была признать, что телефон «пригоден для передачи звуков только на расстояния до десяти километров».
Конструкции многополюсных телефонов, которые успешно выдержали испытания при переговорах на расстояния, превышающие 350 км, впервые создал русский физик Павел Михайлович Голубицкий. В 1883 г. он проанализировал причины неудовлетворительной работы телефонной связи и обнаружил, что низкая чувствительность и неустойчивость работы телефона объясняются расположением магнита одним полюсом против центра мембраны, поскольку именно в центре мембраны образуется узел колебаний. Простейший из созданных Голубицким телефонов – с двумя полюсами, расположенными эксцентрично относительно центра мембраны, прочно вошел в эксплуатацию. В 1883 г. во Франции успешно прошла проверка аппаратов Голубицкого на линии Париж – Нанси. Русский изобретатель получил извещение, что комиссия французского морского министерства признала его телефоны непревзойденными.
К числу изобретений Голубицкого относятся: многополюсный телефон, телефон-фонограф, микрофон с угольным порошком (1883) и с гребенчатым расположением углей (1885), рычаг переключения с вызова на разговор, объединение телефона и микрофона в единое устройство–трубку, поездной телефонный аппарат, система центральной батареи для питания абонентских аппаратов .
Для последующего развития телефонных сетей имела большое значение предложенная П. М. Голубицким (1845 – 1911) в 1885 г. схема телефонной станции с электропитанием от центральной батареи, расположенной на самой станции. Эта система питания телефонных аппаратов позволяла создать центральные телефонные станции с десятками тысяч абонентских точек. В 1882 г. П. М. Голубицкий изобрел высокочувствительный телефон и сконструировал настольный телефонный аппарат с рычагом для автоматического переключения схемы с помощью изменения положения телефонной трубки. Этот принцип сохранился во всех современных аппаратах. В 1883 г. им же был сконструирован микрофон с угольным порошком.
В 1887 г. русский изобретатель К. А. Мосницкий создал «самодействующий центральный коммутатор»[13] – предшественник автоматических телефонных станций (АТС). Он не представлял собой АТС в современном понимании, так как коммутация соединений на станции хотя и выполнялась без телефонистки, однако, управлялась самими абонентами. В 1889 г. американский изобретатель А. Г. Строунджер получил патент на автоматическую телефонную станцию.
В 1893 г. русские изобретатели М.Ф. Фрейденберг (1858 – 1920) и С. М. Бердичевский – Апостолов предложили «телефонный соединитель». Демонстрация макета этой станции на 250 номеров, изготовленного в мастерской Одесского университета, не получила одобрения в России. В дальнейшем Фрейденберг, находясь уже в Англии, в 1895 г. запатентовал одним из важнейших узлов декадно-шаговых АТС – предыскатель (устройство для автоматического поиска вызываемого абонента), а в 1896 г. – искатель машинного типа. В том же году Бердичевский – Апостолов создал оригинальную систему АТС на 11 тысяч номеров.
Конец XIX – начало XX в. были связаны с бурным строительством сети телефонной связи. Первые сети телефонной связи создавались в городах. Сначала устанавливалась одна телефонная станция. Это означает, что первые городские телефонные сети (ГТС) были нерайонированными. Система связи состояла из трех элементов: терминал, сеть доступа и коммутатор, работа которого была невозможна без участия человека. Сеть доступа представляла собой совокупность абонентских линий (АЛ). Первые АЛ были созданы на базе воздушных линий связи. В литературе приводятся интересные сведения о строительстве телефонной сети в Санкт-Петербурге: «… вся сеть проектировалась на столбах по однопроводной схеме с использованием проволоки диаметром 2,2 мм». Подобный подход был типичен для конца XIX века и начала прошлого столетия. Провода обычно подвешивались на столбах. Подведение проводов к телефонной станции осуществлялось через специальные стойки. Суммарное число проводов, которые должны были подключаться к коммутаторам, исчислялось десятками и даже сотнями. Высота соответствующих стоек достигала на некоторых телефонных станциях 13 метров. Внутри городов связь осуществлялась как по проводам воздушной телефонной сети, так и посредством прокладки подземных кабелей, для чего использовали трубопроводы и кабельные колодцы.
Для обеспечения связи между городами прокладывались магистральные линии связи. Наиболее протяженными телефонными линиями тогда были: Париж – Брюссель (320 км), Париж – Лондон (498 км) и Москва – Петербург (660 км). Последняя линия, построенная в 1898 г. являлась самой протяженной воздушной телефонной магистралью. На междугородной телефонной магистрали Москва – Петербург в сутки осуществлялось до 200 переговоров.
В 1915 г. инженер Б. И. Коваленков разработал и применил в России первую дуплексную телефонную линию связи на триодах. Установка на линии телефонной связи промежуточного усилительного пункта позволяла значительно увеличить дальность передачи. К этому времени в мире было установлено около 10 млн телефонных аппаратов, а общая длина телефонных проводов достигла 36,6 млн км. На каждую тысячу человек в разных странах приходилось от 10 до 170 абонентов. К концу первого десятилетия ХХ в. уже действовало свыше 200 тысяч АТС.
About these ads
Хранение
Изобретения
.....
|
Передача
Изобретения
.....
|
Хранение
Изобретения (Носители цифрового звука)
CD – компакт-диск или оптический диск – болванка 12 см в диаметре, с отверстием в центре. Принцип воспроизведения компакт-диска очень похож на своего предшественника – виниловый диск: информация записывается спиралевидной дорожкой, а затем последовательно считывается, только вместо иглы используется лазерный луч, отсюда ещё одно из устаревших названий этого носителя – «лазерный диск».
Формат цифровых данных компакт-диска представляет собой PCM (импульсно-кодовая модуляция), два канала (стерео) в 16 бит, с частотой дискретизации 44,1 кГц. Объём хранимой информации около 700 Мб или 80 минут аудио-звучания. Спецификация и технология изготовления компакт-дисков была разработана компаниями Sony и Philips еще в 1979 году, но первый именно «музыкальный» CD был выпущен в 1982-м. Легенда гласит, что на нем был записан альбом группы ABBA «The Visitors».
Позднее, в связи с развитием персональных компьютеров, появились CD-ROM – диски для хранения данных, а также диски для записи в домашних условиях: CD-R (Compact Disc Recordable) для однократной записи и CD-RW (Compact Disc ReWritable) для многократной. Следует также вскользь упомянуть о VideoCD и SVCD (Super Video CD), а также о многочисленном семействе DVD-дисков, но все эти устройства и форматы предназначены для хранения и воспроизведения цифрового ВИДЕО, что стоит несколько за рамками темы данной статьи.
Digital Audio Tape (1987)
DATDAT (digital audio tape – цифровая аудио-лента) этот формат записи и воспроизведения был представлен Sony в 1987 году, как видно по названию и фото – это небольшая кассета с плёнкой шириной 4 мм, на которую производится запись не аналогового, а цифрового сигнала, разрядностью 16-бит, PCM, без сжатия, как и у компакт-диска, только частота дискретизации CD строго 44,1 кГц, а DAT может работать с частотами 48; 44,1 или 32 кГц.
Как видно из характеристик, DAT – полностью профессиональный формат записи и хранения цифрового аудио, а возможность повторной записи и легкого копирования данных сделала его «стандартом» для студий звукозаписи. В настоящее время, безусловно, DAT «скинут с пьедестала» более доступными и дешёвыми «компьютерными» носителями HDD и Flash, но до сих пор, в «приличных» студиях у вас без проблем примут материал для мастеринга на DAT-кассетах.
MiniDisc (1992)
MiniDiscMD или MiniDisc – небольшой диск диаметром 6,5 см в пластиковом футляре, защищающем его от внешних воздействий. Мини-диск был анонсирован Sony в 1991 году, и представляет собой магнито-оптический носитель информации, т.е. данные не «прожигаются» лазером, а лишь «намагничиваются», что позволяет многократную перезапись без каких либо потерь качества звучания. Но чудес не бывает, и при гораздо меньшем размере и примерно равном с CD временем звучания, мини-диск использует технологию сжатия аудио-данных ATRAC, т.е. сжатие с потерями (примерно как Mp3). Кроме того технологии «long play» LP2 и LP4 позволяют хранить, соответственно, на одном мини-диске до 2-х и 4-х CD-альбомов.
Однако, из-за удобства использования и мобильности, мини-диск был широко распространён в полу-бытовой\полу-профессиональной сферах. Фонограмму на мини-диск можно легко записать с любого (цифрового или аналогового) носителя. Широкие возможности для редактирования, «подрезки и склейки», запись названий трэков и исполнителей песен. А буферная память в несколько секунд позволяет мгновенно находить нужную дорожку на диске и «не скачет» при воспроизведении, как у некоторых музыкальных центрах на CD. Из-за этих своих возможностей MD в 90-е годы был незаменим в концертной деятельности певцов и музыкантов.
DVD-Audio (2000)
DVD-Audio_Logo_Black
DVD-Audio – цифровой формат записи на DVD-носитель. В силу больших объемов DVD-диска, позволяет хранить и воспроизводить оцифрованную звуковую информацию в очень высоком качестве, вплоть до 24 бит\ 192 кГц и не только стерео-дорожки, но и многоканальную запись в 5.1, что позволяет позиционировать звук в трёхмерном пространстве.
USB flash drive (как аудио-формат, 2004)
USB_Flash_DriveUSB-флешка – накопитель информации, подключаемый к компьютеру или иному считывающему устройству через стандартный порт USB. Компактность, малый вес и большой объём переносимой информации, простота копирования сделали USB-flash очень популярным носителем информации. Однако, из-за ограниченного количества циклов записи-стирания, этот носитель больше подходит только для быстрого обмена музыкальными файлами.
Для долговременного хранения лучше использовать CD\DVD и HDD-диски.
Hi-MD (2004)
Sony_Hi-MDВ январе 2004 года Sony представляет свой усовершенствованый формат, получивший название Hi-MD. Теперь в форм-факторе мини-диска размещается носитель, объемом почти в 1 Гб («старый» мини-диск имел 140 Мб). Теперь на дисках Hi-MD можно хранить до 45 часов музыки со сжатием ATRAC, либо любые «компьютерные» файлы (диск форматируется в FAT-32 и распознается как съемный носитель)
Кстати, поддерживается «обратная совместимость», т.е. Hi-MD-плейер «читает» и воспроизводит «обычные» 74-минутные мини-диски
SlotMusic (2008)
MicroSD_cardSlotMusic – так условно назовем «новый» носитель цифровых аудио-данных. Он пришел к пользователю и меломану в связи с распространением и тотальным удешевлением миниатюрных флеш-карт и вполне может рассматриваться как «сменный носитель» для телефонов и портативных Mp3-плееров. Пальму первенства держит формат microSD, разработанный SanDisk. Sony, как флагман цифровых технологий, и здесь не остается в стороне, но продвигаемый Sony формат Memory Stick менее популярен из-за высокой цены и «закрытости» для сторонних разработчиков.
|
|
