Загнать звук в бутылку

Поговорим еще немного о только что обнаруженной нами второй профессии винтов и клиньев, а именно — об их способности изменять направление движения. Что происходило, когда с помощью клина мы поднимали автомобиль? Сам клин перемещался в горизонтальной плоскости прямолинейно и равномерно. Автомобиль при этом перемещался также прямолинейно и равномерно, но вертикально вверх.

Заметим теперь, что прямолинейное и равномерное движение автомобиля определялось формой поверхности клина, по которой он скользил. Эта поверхность представляла собой плоскость — отсюда и равномерное движение. Посмотрим теперь на конструкцию, показанную на рисунке.

На горизонтальной плоскости лежит дощечка. Нижняя поверхность дощечки (на рисунке она показана в разрезе) также представляет собой плоскость. А вот верхняя поверхность совсем не плоская. Она вся состоит как бы из холмов и впадин. В верхнюю поверхность дощечки упирается штифт, который благодаря подшипнику может совершать движения только вверх или вниз.


Под действием собственного веса кончик штифта прижимается к поверхности дощечки. Если мы начнем перемещать дощечку прямолинейно и равномерно в направлении, показанном стрелкой, то штифт будет двигаться хотя и прямолинейно, но отнюдь не равномерно. Он станет то подниматься, то опускаться, причем с различными скоростями.

Подобные конструкции получили название копиров. Копиры очень широко используются в различных областях техники, в частности, при конструировании металлообрабатывающих станков-автоматов. Когда нужно изготовить деталь очень сложной формы, делают сначала копир, форма которого в точности повторяет профиль детали. Затем при обработке настоящей детали заставляют резец перемещаться, следуя за профилем копира точно так же, как в нашем опыте с дощечкой и штифтом.

Но, пожалуй, самое интересное применение копиров — это запись звука. Здесь мы должны напомнить читателю, что звук, воспринимаемой нашими ушами, это колебания воздуха или, точнее, изменения давления воздуха. Эти изменения воспринимаются барабанной перепонкой уха: давление больше — перепонка прогибается больше, давление меньше — прогиб меньше. А колебания барабанной перепонки воспринимаются нами как звуки. Таким же точно образом колеблется под действием звука любая тонкая и легкая пластинка. Подобные пластинки называют мембранами.

Рассмотрим следующую конструкцию. На рисунке изображен рупор, в узкой части которого установлена мембрана. Когда мы подносим рупор ко рту и произносим какие-либо слова, при каждом звуке мембрана колеблется под действием изменяющегося давления воздуха. Колеблется и рычажок, укрепленный в центре мембраны.

Возьмем теперь плоскую пластинку и покроем ее тонким слоем воска. Пластинку поместим так, как показано на рисунке, под иглой. Игла укреплена на конце рычажка, связанного с мембраной. Начинаем перемещать пластинку в горизонтальной плоскости прямолинейно и равномерно в направлении, перпендикулярном к перемещениям иглы. Игла прочертит на поверхности воска сложную кривую линию. Эта линия представляет собой не что иное, как точную запись колебаний мембраны, а следовательно, изменений во времени давления воздуха.


Правда, слышимые звуки заставляют воздух, а значит, и мембрану совершать до пятнадцати тысяч колебаний в секунду. Если мы хотим, чтобы записанный голос был разборчив и можно было узнать говорящего, мы должны сохранить хотя бы колебания, совершающиеся с частотой до пяти тысяч в секунду. Иначе говоря, мы должны записать на поверхности пластинки до пяти тысяч колебаний в секунду.

Запись мы производим с помощью острия иглы, вычерчивающего очень тонкую линию. Но все же размеры острия не могут быть слишком малыми, иначе игла сломается (вспомним, что мы говорили об острие клина). Пусть ширина линии, вычерчиваемой на пластинке, равна десяти миллионным долям метра, то есть десяти микронам. Тогда для записи одного полного колебания нам потребуется примерно сто микронов. Это значит, что в секунду пластинка должна переместиться на полметра. А чтобы записывать звук в течение минуты, нужно иметь пластинку длиной тридцать метров.

Читатель уже, несомненно, догадался, как можно решить подобную задачу. Возьмем вместо пластинки цилиндр и заставим конец иглы вычерчивать на его поверхности винтовую линию. Ось вращающегося цилиндра закрепим в неподвижных подшипниках, а рупор вместе с мембраной и иглой будем перемещать относительно цилиндра с помощью ходового винта.

Пластинка с нацарапанной на ней линией представляет собой не что иное, как уже известный нам копир или, точнее, два копира, сложенные вместе. Мы просто намотали копир на поверхность цилиндра, как раньше поступили с клином.

Для того чтобы услышать записанный звук, нам не нужно ничего нового. После окончания записи надо передвинуть рупор с мембраной и иглой в исходное положение, поместить иглу в начало прорезанной бороздки и заставить цилиндр вращаться. Кончик иглы будет следовать за изгибами бороздки, а противоположный конец рычажка заставит мембрану колебаться в точности так же, как она колебалась под воздействием звуков. Колебания мембраны передаются по воздуху, а воздух донесет их до нашего уха.

Все то, что было сказано до сих пор, это точное описание первого аппарата для записи звука, названного фонографом. Всем известно, что фонограф изобрел Томас Эдисон. Однако существует и другая версия. Весной 1877 года некий Шарль Кро подал во Французскую академию заявку с описанием аппарата для записи и воспроизведения речи, названного им палеофоном. А через несколько месяцев появилась статья с описанием изобретения Кро. В этой статье слово «палеофон» было заменено более благозвучным, по мнению автора, словом «фонограф». 10 декабря того же 1877 года Томас Эдисон получает первый в Америке патент на «усовершенствование инструмента для контролирования и воспроизведения звуков». На следующий день в журнале «Рапель» появилась заметка под игривым заголовком «Господин Шарль Кро загнал звук в бутылку», посвященная фонографу Кро.

Правда, историю соперничества двух изобретателей можно считать законченной 17 декабря 1877 года, когда Эдисон подал в Париже заявку на фонограф и получил на него французский патент. Заявка Кро так и осталась пылиться в архивах французской академии.

Кто бы ни изобрел фонограф, но, за исключением мембраны, он использовал в нем все уже известные нам вещи и идеи. Здесь и острие, и ходовой винт, а главное — это идея намотать копир на поверхность цилиндра.

Современные аппараты для записи и воспроизведения звука, конечно, сильно отличаются от своего прародителя. Во-первых, в них используются не цилиндры, а плоские диски, на которых канавка, или, как теперь говорят, звуковая дорожка, располагается не по винтовой, а по спиральной линии. Запись производят по-прежнему на поверхность воска, но затем с помощью электрохимического процесса гальванопластики с поверхности воска снимают несколько последовательных металлических копий. С последней из этих копий (ее называют матрицей) штампуют пластмассовые граммофонные пластинки.

Записываемый звук сначала с помощью микрофона преобразуется в колебания электрического тока. Эти колебания усиливаются электронным усилителем и затем превращаются в механические колебания иглы. При воспроизведении звука колебания иглы снова преобразуются в колебания электрического тока, которые опять-таки усиливаются и затем уже приводят в действие громкоговоритель.

Качество получаемого таким образом звука, конечно, гораздо лучше, чем в первом фонографе. И все же мы легко отличаем звучание музыкального инструмента, воспроизводимое с пластинки, от реального звучания этого же инструмента.

Наверное, именно поэтому в конце тридцатых годов во всем мире были очень модными работы, связанные с так называемым рисованным звуком.

Изобретатели рисованного звука рассуждали примерно так. Создавая музыку, композитор записывает ее на бумаге с помощью нотных знаков. Затем музыкант исполняет музыку, и она снова превращается в рисунок, на сей раз рисунок звуковой дорожки граммофонной пластинки. А не проще ли сделать так, чтобы композитор сразу записывал свое произведение не нотными знаками, а в виде отдельных фрагментов звуковой дорожки? На этом пути делалось много интересных опытов, однако серьезного развития рисованный звук все же не получил.