Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Т-98. Используя в струне-приемнике явление резонанса, можно резко повысить ее чувствительность. Слово «резонанс» в популярных книгах иллюстрируют очень старинным и не очень веселым примером. Шла рота солдат по мосту, шла в ногу, четко отбивая шаг. И вдруг мост рухнул. Рухнул именно из-за этого вышагивания в ногу. Дело в том, что мост, подобно гитарной струне, совершает колебания, причем с очень малой амплитудой и очень небольшой частотой. Разрушение моста оказалось результатом трагического совпадения — частота вышагивания роты совпала с частотой собственных колебаний моста. Солдаты раскачивали мост в такт с его собственными колебаниями, подобно тому, как мы в такт подталкиваем качели, желая раскачать их как можно сильнее. Вот это самое подталкивание в такт, раскачивание с частотой, равной частоте собственных колебаний, как раз и называют резонансом.

Можно настроить струну-приемник в резонанс с частотой звука, и в этом случае амплитуда колебаний струны резко увеличится. Первая же порция звуковой энергии заставит струну совершать свободные колебания, и все остальные действия звуковой волны будут поддерживать эти собственные колебания. Теперь достаточно будет даже очень слабого звука, чтобы сильно раскачать струну (Р-63;5).

Чувствительность струны-приемника, ее способность приходить в движение под действием слабых звуков зависит от уже знакомой нам характеристики — добротности. Чем больше добротность, то есть чем меньше собственные, внутренние потери энергии в струне, тем более слабый звук сумеет раскачать ее, тем, следовательно, лучше струна будет выполнять свои функции приемника звуковых волн.

Т-99. У реальных звуковых сигналов звуковое давление меняется сложным образом, и именно формой графика одни сигналы отличаются от других. До сих пор график звукового давления мы рисовали в виде синусоиды, что было некоторым искажением истины. График колебаний реальной струны, а значит, график излучаемого ею звука, похож на синусоиду, однако все же отличается от нее. А графики реальных природных звуков, в частности звучание музыкальных инструментов и человеческого голоса, всегда имеют очень сложную форму. Именно в этой сложности изменений звукового давления, а значит, в форме графика, записана информация, которую переносит звук. Только характером изменения, формой кривой графика — чаще всего для краткости говорят «форма кривой» — отличается звук «а» от звука «о», только характер изменения, форма кривой отличает звуки одинаковой частоты (одна и та же нота), взятые на разных музыкальных инструментах.

Придется признать, что, путешествуя по зоопарку, мы не заметили слона: изучая звук, не научились оценивать форму кривой, самую важную его характеристику. Но как только мы захотим исправить эту ошибку, то сразу же столкнемся с непреодолимыми, казалось бы, трудностями. Действительно, как можно точно оценить форму кривой графика? В каких единицах ее измерять? Как сравнивать и различать разные по форме кривые, отмечать их сходство или различие?

Т-100. Спектр сигнала — эквивалентный ему набор синусоидальных составляющих. Для начала попробуем решить подобную задачу из другой области. Предположим, что нам нужно, пользуясь картой, измерить площадь Черного моря (Р-64;1). Проще всего, наверное, это можно сделать так: заполнить очертания моря квадратами, подсчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить. На карте разместятся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов. С помощью набора стандартных составляющих — квадратов — можно измерить площадь любой геометрической фигуры, имеющей сложные очертания.

Р-64

Подобным же образом, чтобы оценить характер изменения, то есть форму кривой графика, какого-либо сложного звука, можно представить этот звук как сумму некоторых стандартных составляющих — звуков с разными амплитудами, частотами и фазами, но с одинаковой стандартной формой кривой. Чтобы дать точное описание любого сложного звука, достаточно будет назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут данный сложный звук.

То, что сложную геометрическую фигуру можно сложить из более простых фигур, в частности квадратов, ясно и без особых рассуждений. А вот можно ли подобную операцию суммирования производить со звуковыми волнами? Можно ли считать, что сложный звук состоит из определенного набора простых?

Оказывается, можно.