6-17. Общие рассуждения о волнах и частицах
Сита для зерна (исправные, конечно) дают абсолютное отделение.
Крупные зерна никак не могут пройти сквозь мелкие отверстия сита.
Совсем по-иному ведут себя фильтры, в которых разделяются колебания, безразлично механические или электрические.
Для колебаний не существует ни абсолютного пропускания, ни абсолютного запирания. Сопротивление фильтра для колебаний изменяется с частотой этих колебаний, но это сопротивление всегда остается конечным. Нет абсолютно прозрачных и нет абсолютно непрозрачных фильтров для колебаний. Сито же, пропускающее частицы с поперечником, скажем, в 1 мм, абсолютно прозрачно для всех более мелких частиц и абсолютно непрозрачно для всех более крупных. Можно сказать, что коэффициент фильтрации у фильтра для частиц равен бесконечности.
В волновом же фильтре коэффициент фильтрации может быть весьма велик, но бесконечным он не будет.
В природе нет ни «чистых» волн, ни «чистых» частиц. Все процессы природы имеют и волновую, и «зернистую» структуры. Лучи света преломляются призмами, отражаются зеркалами, при этом они ведут себя как волны. Чтобы разделить лучи разных частот, применяют светофильтры.
Рис. 6-12г. Кривые поглощения некоторых веществ, применяемых в качестве светофильтров.
1 — хлористый кобальт в алкоголе; 2 — пленка металлического калия; 3 — хлористый празеодим; 4 — хлористый неодим; 5 — уранин (натровая соль флюоресцина); 6 — аммиачная медь; 7 — кобальтовое стекло; 8 — красное сигнальное стекло; 9 — стекло сорта С34; 10 — зеленое стекло; 11 — зеленое сигнальное стекло; 12 — азотистокислый натрий (насыщенный раствор 2 см); 13 — стекло сорта 984В; 14 — стекло 985В; 15 — стекло 986Л; 16 — цианозин; 17 — хромовокислый калий; 18 — азотнокислая медь; 19 — стекло 9586; 20— хлористый кобальт в ацетоне; 21 — сернокислый кобальт в воде; 22 — хлористый никель; 23 — йод в ССЦ; 24 — нитродиметиланилин в воде; 25 — пары брома; 26 — хлор. От размера и структуры молекул зависят резонансные частоты их колебаний. Эти частоты определяют полосы пропускания и поглощения.
Зелено-бутылочные очки, которые носят альпинисты на сверкающих ледниках, темно-синие щитки сварщиков, желтые насадки для фотообъективов, рубиново-красные стекла фонарей в фотолабораториях — все это колебательные системы, только в них вместо гирь и пружин, вместо катушек и конденсаторов колебания совершают молекулы вещества. В зависимости от размеров молекул, от сил связи между ними у них разная резонансная частота — частота собственных колебаний. Поэтому они и пропускают разные полосы частот. Тонкие листы эбонита, например, непрозрачны для световых лучей, но свободно пропускают тепловые лучи, длинные инфракрасные волны.
Фильтры для световых и тепловых лучей подчиняются тем же законам, что и фильтры из гирь и пружин, или из катушек и конденсаторов.
В светофильтрах отношение прошедшей энергии к энергии посланной — это прозрачность. А отношение величин прозрачностей для двух разных частот — это коэффициент фильтрации. Увеличивая толщину слоя вещества, через которое идут лучи, можно увеличивать коэффициент фильтрации, подобно тому как его увеличивают для радиочастот, включая последовательно все большее количество ячеек, состоящих из L и С. Такое увеличение фильтрации сопряжено с увеличением потерь, с уменьшением прозрачности.
Заметим здесь же кстати, что и для радиоволн, получаемых в электронных лампах, не всегда применяются фильтры из катушек и конденсаторов. Для сантиметровых волн хорошо работают как фильтры металлические полости, напоминающие акустические фильтры. А можно еще применять для этих волн просто объем, заполненный достаточно крупными, имеющими соответствующие резонансные частоты молекулами. Для каждой волны можно подобрать соответствующее химическое соединение.
Но и волны света, и более длинные радиоволны в некоторых процессах ведут себя так же как и частицы. Энергия электромагнитных колебаний может излучаться и поглощаться только определенными порциями — квантами. Можно сообщить телу или отобрать от него только целое число квантов.
Чем крупнее частица, тем меньше выражены ее волновые свойства, а чем больше ячеек в фильтре для колебаний, тем ближе он по своим свойствам к ситу для частиц.
6-18. Снова о зерновой смеси
За рассуждениями о фильтрах для колебаний был забыт изобретатель «нового метода транспорта», который тем временем продолжает донимать своими предложениями различные инстанции, доказывая, как выгодно перевозить различные сорта зерен в виде смеси и затем эту сложную смесь сортировать на ситах.
Чтобы окончательно сразить настойчивого автора, некий хитроумный эксперт задал такой вопрос:
— Предположим, все сорта зерен имеют одинаковый размер. Они могут отличаться только цветом —как желтый и зеленый горошек, или вообще не иметь внешних отличительных признаков, как, например, разные сорта пшеницы. Как разделить на ситах зерна одинакового размера?
Аналогичная задача стоит перед строителями линий многократной многоканальной телефонной связи.
Человеческая речь состоит из набора различных звуковых колебаний с частотой от нескольких десятков до нескольких тысяч герц. Микрофон, возбуждаемый звуковыми волнами, отдает набор электрических токов таких же частот.
Электрический фильтр, прозрачный для токов звуковых частот, т. е. пропускающий токи с частотой от десятков до тысяч герц, пропустит сквозь себя любой разговор, и самое высокое колоратурное сопрано, и самый низкий бас.
Фильтр же, непрозрачный для токов звуковых частот, вообще никакого разговора -пропустить не может.
Как же тогда отделять электрическими фильтрами один разговор от другого?
Изобретатель транспорта зерновой смеси нашел ответ на задачу коварного эксперта.
6-19. Отличая создавать искусственно
Прежде чем смешивать зерна, их надо обвалять в растворе глины. На каждом отдельном зерне наращивается глиняная корочка. Каждый сорт зерен обваливается разное время, и толщина корочки получается разная у разных сортов. Эту глиняную оболочку можно сделать в несколько раз толще, чем само зерно. Отдельные сорта зерен могут резко отличаться по толщине своей оболочки.
Транспортироваться будет смесь глиняных шариков разных размеров. Эти шарики затем легко сортируются, рассеиваются на ситах.
При обсуждении этого ценного рационализаторского предложения было предложено еще одно усовершенствование: не снабжать каждое отдельное зерно своей оболочкой, а складывать каждые 10 или 50 кг зерен в свой особый ящик или мешок. И на ящике писать, какой именно сорт зерен в нем находится. Патент на это изобретение, правда, получить не удалось.
Для дальней телефонной связи применяется метод, имеющий нечто сходное с упаковкой зерен в ящики и мешки. Дальнюю связь производят при помощи наложенных токов. Из телефонных аппаратов разговорные токи направляются не сразу в линию дальней связи. Эти токи звуковой частоты предварительно насаживаются на какую-то более высокую частоту. Или, если придерживаться нашего сравнения, можно выразиться, что токи звуковой частоты упаковываются в высокую частоту. Берут телефонный разговор, состоящий из смеси токов с частотой, скажем, от 300 до 3 000 Гц, и упаковывают его в частоту, к примеру, 100 000 Гц.
Процесс упаковки низкочастотных колебаний в высокочастотные, процесс наложения низких частот на высокие в электротехнике называется модуляцией.
Упаковка — великая вещь. Прочный ящик с зерном можно перебросить на далекое расстояние. Электрические колебания звуковой частоты трудно далеко передать, а упакованные в высокую частоту они свободно перебрасываются вокруг всего земного шара. Множество колебаний в разных «упаковках» можно направить в одну линию, а на месте приема легко рассортировать отдельные разговоры и направить каждый к своему абоненту. Модулированные высокочастотные колебания широко применяются для многоканальной телефонной связи.
6-20. Модуляция колебаний
Много тысяч авторских свидетельств выдано в Советском союзе на различные способы упаковки низкой частоты в высокую — на различные способы модуляции. Множество существует также методов демодуляции, т. е. обратного извлечения низкой частоты из высокочастотной оболочки.
Термин «модуляция» издавна применялся в музыке для обозначения перехода из одной тональности в другую — смены ладов. Есть и существительное от этого корня — модуль1. Механики называют модулем отношение диаметра шестерни к числу ее зубцов. В архитектуре слово модуль также имеет свое значение.
В электротехнике модуляция — это изменение какой- нибудь из характеристик электрического тока — его силы, частоты, фазы, в соответствии с колебаниями какого-либо другого тока.
Модуляция — это не просто смешение токов, а такое сочетание высокочастотного и низкочастотного токов, когда низкочастотный ток как бы отпечатывает свою форму на высокочастотном.
Ток высокой частоты, на который накладывается телефонный разговор, называется модулируемым током, модулируемой частотой. Говорят также «несущая частота». Это удачное название. Оно хорошо показывает сущность процесса. Высокая частота после модуляции несет на себе (или в себе) отпечаток тока низкой частоты.
Впрочем, специалисты по дальней проводной связи — «дальники» предпочитают пользоваться термином — преобразование частоты. Выражением же модуляция пользуются главным образом радисты. В радиотелефонии несущая, модулируемая частота обычно во много раз превышает модулирующую частоту. Во многих случаях насаживают звуковые токи на очень высокую несущую частоту — в миллионы раз превышающую звуковую частоту.
1 Слово «модуль» происходит от латинского словa modulus (модулюс), что значит «мерка». Употребляется оно часто в смысле «делитель». Постоянные, которые входят в знаменатель различных физических и технических формул, часто называются модулями: например, модуль упругости, модуль Юнга и т. д.
Самый процесс модуляции тока высокой частоты звуковыми (или иными) токами можно выполнять разными способами: различают амплитудную, фазовую, частотную модуляции.
Рис. 6-13. Амплитудная модуляция высокочастотного тока при· помощи переменного сопротивления.
В обеих формулах величина т носит название коэффициента модуляции. На рисунке представлен случай т=0,5.
Верхняя кривая — несущая частота, под ней результирующий модулированный ток, а рядом с ним схематическое представление его спектра.
Простой и часто применяемый способ модуляции — это амплитудный способ, когда сила высокочастотного тока (его амплитуда или действующее значение) меняется в такт звуковым колебаниям. Для этого микрофон управляет силой колебательного тока лампового высокочастотного генератора.
В дальней проводной связи применяется исключительно амплитудная модуляция.
