...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич. Страница 18

Графики давления звуковых волн, создаваемых человеческим голосом, имеют еще более сложную форму.

Человек набрал в легкие воздух и издал звук. Что же произошло? Воздух, выходя из легких, заставляет вибрировать голосовые связки. От них колебание воздуха передается через гортань голосовому аппарату, заканчивающемуся ротовой и носовой полостями. Последние выполняют роль резонаторов — они усиливают колебания воздуха, подобно тому как полый корпус гитары или скрипки, также являясь резонатором, усиливает звуки струн. Колебания воздуха из голосового аппарата человека передаются окружающему воздуху. Возникает звуковая волна. Характер издаваемого звука определяется натяжением голосовых связок, формой ротовой полости, положением языка, губ и т. д.

Из описания голосового аппарата человека нетрудно понять, что голосовые связки играют роль своеобразных струн, только они создают более обильное количество обертонов. При преобладании в человеческом голосе высоких обертонов над низкими мы слышим "звучание металла". Люди, у которых в голосе преобладают низкие обертоны, говорят мягким, бархатным голосом. Частоты основных тонов и обертонов при произнесении различных звуков разными людьми лежат в пределах 80-6 000 Гц. Это значит, что при замене непрерывной кривой звукового давления человеческой речи его отсчетные значения необходимо брать с частотой не ниже 12000 Гц (поскольку последний обертон имеет частоту 6000 Гц), или, другими словами, не реже чем через 1/12000 = 0,0000833 с = 83,3 мкс.

Итак, мы выяснили, что вся богатейшая информация, содержащаяся в звуках музыки, человеческой речи, в шумах и т. п., заключена, по сути дела, в форме кривой давления звуковой волны на пластину, поставленную на ее пути.

Может показаться, что проблема кодирования речи двоичной последовательностью 0 и 1 принципиально нами уже решена: измеряй каждые 83,3 мкс или чаще звуковое давление и полученные десятичные числа переводи в двоичный код! Теоретически все верно. Но как это реализовать практически? Мы только тогда сможем передать звуки или "законсервировать" их в электронной памяти, когда превратим двоичные цифры в импульсы электрического тока. Как выполнить такое превращение? И как из двоичного кода снова "извлечь" звук?

Нередко решение сложных инженерных задач подсказывала живая природа — самая удивительная в мире биологическая лаборатория. Например, во время первой мировой войны на кораблях английского флота устанавливали гидрофоны — приборы для прослушивания шума гребных винтов немецких подводных лодок. Чтобы движение воды у приемного отверстия не создавало мешающий шум, ему придавали форму ушной раковины тюленя, который хорошо слышит при движении в воде.

Вот уже два столетия ученые пытаются раскрыть тайны восприятия звука слуховыми органами человека. До сих пор еще не ясно, каким образом наше ухо может улавливать звуки, различающиеся по силе давления в 10¹³раз. Если бы существовали весы с таким же диапазоном измерений, то на них удалось бы взвешивать и горошину, и железнодорожный состав. Остается пока загадкой для ученых и то, каким образом человеческое ухо способно разбираться в совокупности тонов и обертонов, отличать один тембр звука от другого.

 В 1842 г. Берлинский медико-хирургический институт выпускал очередную группу подготовленных в его стенах врачей. Среди них выделялся блистательный молодой человек, уже на 21-м году жизни зарекомендовавший себя зрелым ученым, сделав свое первое открытие — нейрон. Это был Герман Гельмгольц (1821–1894). Свою карьеру он решил начать с военной службы врачом-хирургом в гусарском эскадроне. Но вскоре Герман понял, что его призвание — наука, и решил расстаться с гусарской службой. Слава Гельмгольца-ученого росла удивительно быстро.

Блестящие открытия в физике, физиологии, анатомии, математике, психологии позволили ему при жизни стать "великим", признать его одним из величайших ученых XIX в. Будучи профессором университетов в Кенигсберге, Бонне, Берлине, обладая широким кругозором, разнообразием знаний, Г. Гельмгольц сделал очень много и для изучения слухового аппарата человека.

Давайте и мы с вами рассмотрим этот сложнейший, созданный природой приемник звуковых сигналов.

Звуковая волна, пройдя через ушную раковину — наружное ухо, наталкивается на туго натянутую, перекрывающую слуховой проход барабанную перепонку (мембрану) и оказывает на нее давление. (Вспомните пластину, поставленную на пути звуковой волны!) Барабанная перепонка под давлением звука начинает колебаться. Чем сильнее звук — тем сильнее колеблется перепонка.

С другой стороны перепонки расположено среднее ухо. Здесь находятся три маленькие косточки — молоточек, наковальня и стремечко, которые как рычажный механизм передают колебания другой барабанной перепонке, отделяющей среднее ухо от внутреннего. Эти две барабанные перепонки еще не являются органами слуха: с их помощью звуковое давление преобразуется в механические колебания, которые передаются во внутреннее ухо.

Если вы видели когда-нибудь улитку, то можете легко представить строение внутреннего уха. Это костная полость, свернутая улиткой и наполненная жидкостью. Внутри костного "домика" улитки и спрятан орган слуха, или кортиев орган, названный так по имени итальянского анатома А. Корти, впервые обнаружившего его. Основой кортиева органа является очень тонкая перепонка — мембрана (опять мембрана!), соприкасающаяся с 25–30 тысячами слуховых нервных волокон. Звуковое давление от средней барабанной перепонки через жидкость в улитке передается мембране кортиевого органа. Она начинает колебаться и раздражать слуховые нервные волокна. Вот здесь-то и происходит преобразование механических колебаний мембраны в серию нервных импульсов, которые по нервным волокнам "бегут" в мозг.

— Все ясно, — воскликнет читатель, знакомый с научно-популярной литературой, — авторы подвели нас к мысли, что звуковое давление нужно преобразовать сначала с помощью тонкой пластины (мембраны) в механические колебания, а затем в импульсы, но не нервные, а электрические, как это сделал изобретатель телефона А.Г. Белл!

Верно, читатель. Рассказ о том, как Белл (1847–1922) подарил миру телефон, можно встретить во многих изданиях. Символично, что в переводе с английского слово "bell" означает колокол, звонок.

 Белл был учителем в школе глухонемых в американском городе Бостоне. Чтобы помочь людям, лишенным слуха и речи, он пытался создать слуховой аппарат, которым могли бы пользоваться его ученики. Рассказывают, что как-то раз 26-летний Александер Белл познакомился с английским физиком Ч. Уитстоном, который находился уже в весьма преклонном возрасте, и тот заинтересовал его идеей передачи звука с помощью электрического тока. Белл со всей энергией принялся за дело. Прежде всего он решил узнать, как человеческое ухо воспринимает звуки. Белл присутствовал на операциях у знакомого врача, изучал строение уха. Возможно, именно тогда у него и родилась мысль построить "электрическую гортань", издающую звуки, и "электрическое ухо", способное их воспринимать.

"Электрическое ухо" Белла состояло из картонного рупора, выполнявшего роль ушной раковины, ко дну которого была прикреплена круглая пластинка из тонкой жести — мембрана, наподобие барабанной перепонки в ухе. Точно такой же вид имела и "электрическая гортань".

Если в рупор "уха" произносили слова, его мембрана колебалась в такт звуковому давлению. Чтобы преобразовать механические колебания в колебания электрического тока, мембрана жестко соединялась с металлическим сердечником, расположенным внутри катушки. Через катушку пропускался постоянный ток от батареи. Когда мембрана колебалась, сердечник тоже колебался и тем самым изменял магнитное поле катушки. Белл был, безусловно, знаком с явлением электромагнитной индукции, открытым в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем, и знал, что любое изменение магнитного поля катушки вызывает такое же изменение тока, протекающего в ней. Именно поэтому колебания электрического тока повторяли колебания мембраны. Таким образом, от "уха" по проводам бежал ток, являющийся электрической копией звукового давления.