莫尔斯电码和电话的发明及声电信号转化

电信发展史

在中国古代的商周时期人们就知道用烽火来实现远距离传递消息，大家最熟悉的就是“为博美人一笑，周幽王烽火戏诸侯”的故事。在国际电信联盟出版的《电话一百年》一书中提到，公元968年，中国人发明了一种叫“竹信”的东西，它被认为是电话的雏形。欧洲对于远距离传送声音的研究始于17世纪。英国著名的物理学家和化学家罗伯特·胡克首先提出了远距离传送话音的建议。

1793年，法国人查佩（见图2.3.1）在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。这是一种由16个信号塔组成的通信系统。信号机由信号员在下边通过绳子和滑轮，操纵支架的不同角度，表示相关的信息。当时，法国和奥地利正在作战，信号系统只用一个小时就把从奥军手中夺取埃斯河畔孔代的胜利消息传到巴黎。以后，比利时、荷兰、意大利、德国及俄国等也先后建立了这样的通信系统。

图2.3.1　查佩

而在1796年，休斯提出了用话筒接力传送语音信息的办法，并且把这种通信方式称为—Telephone，一直被延用至今。

1832年，美国医生杰克逊在大西洋中航行的一艘邮船上，给旅客们讲电磁铁原理，旅客中41岁的美国画家莫尔斯被深深地吸引住了。当时法国的信号机体系只能凭视力所及传讯数英里，莫尔斯梦想着用电流传输电磁信号，瞬息之间把消息传送到数千英里之外。从此以后，莫尔斯的生活发生了根本的转变。

莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实得到启发：如果将电流截止片刻发出火花作为一种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字，文字就可以通过电流在电线中传到远处了。1837年，莫尔斯终于设计出了著名的莫尔斯电码，它是利用“点”“划”和“间隔”的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，莫尔斯亲手操纵着电报机，随着一连串的“点”“划”信号的发出，远在64千米外的巴尔的摩城收到由“嘀”“嗒”声组成的世界上第一份电报。

电话发明人是贝尔，他是在1876年2月14日在美国专利局申请电话专利权的。其实，就在他提出申请两小时之后，一个名叫E.格雷的人也申请了电话专利权。

在他们两个之前，欧洲已经有很多人在进行这方面的设想和研究。早在1854年，电话原理就已由法国人鲍萨尔设想出来了，6年之后德国人赖伊斯又重复了这个设想。原理是：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音时，金属片振动，变成电，传给对方。但这仅仅是一种设想，问题是送话器和受话器的构造，怎样才能把声音这种机械能转换成电能，并进行传送。

最初，贝尔用电磁开关来形成一开一闭的脉冲信号，但是这对于声波这样高的频率，这个方法显然是行不通的。最后的成功源于一个偶然的发现，1875年6月2日，在一次试验中，他把金属片连接在电磁开关上，没想到在这种状态下，声音奇妙地变成了电流。

表2.3.1　分层学习要求

在我国古代，流传有“顺风耳”的神话传说，它反映了人们想要冲破空间的阻隔，互通信息的美好向往。

“人的声音是通过空气的振动传递的。如果把这一振动转换成电流的强弱而传送，再把电流转换成声音，也许就能把说的话传送到很远的地方。”1860年，德国的莱斯提出这样的猜想。

1876年，贝尔（Alexander Graham Bell）发明了电话（telephone），实现了莱斯的梦想。你知道电话是怎样工作的吗？让我们沿着科学家的足迹，探索声与电转换的奥秘吧！

声信号与电信号的互相转化

我们做两个实验，模拟电话的话筒和听筒。

实验探究：

把声音信息转换为电流信息

在图2.3.2所示的装置中，纸片上粘着一个线圈，线圈的两端用导线引出，接在能测出微小电流的仪器——示波器上，线圈置于磁铁的磁极附近。

图2.3.2　声电信号转化

1.当你对着线圈大声说话时，示波器上的图形有什么变化？

实验发现，当对着线圈说话时，示波器上出现了与声音变化相对应的图形，你能解释这种现象吗？

根据电磁感应，当置于磁极附近的线圈在声音推动下做切割磁感线振动时，线圈中会产生与声音变化相应的感应电流，这样就把声音转变成相应的电流变化。

那么怎样把电流信息还原成声音信息呢？

实验探究：

把电流信息还原成声音信息

用图2.3.3所示的装置来探究，在纸片上撒少许碎纸屑，将线圈的两根引线，与电池的两极瞬间接触，仔细观察，粘着线圈的纸片，会有什么反应？

图2.3.3　电声信号转化

2.你能描述一下声音信号是怎么转换成电信号的吗？

3.电信号又是通过什么原理转换成声信号呢？

在实验中我们发现：如果通过线圈的是由声音转化而来的变化电流，根据通电导线在磁场中受力的原理，通电导线会受到大小变化的力，继而引起纸片振动发出声音，即将声音还原。上面两个实验结合起来，就设计出了电话的话筒和听筒。

电话的构造

贝尔（见图2.3.4）于1876年发明了电话，100多年来，电话技术有了很大的发展，现在，我们的生活已经离不开电话了。

如图2.3.5所示，老式电话的话筒中，有一个装着炭粒的小盒子。当你对着话筒讲话时，由于声音的振动，使膜片时紧时松的压迫炭粒，内部电阻也随之发生改变，流过炭粒的电流就会相应改变，于是形成了随声音变化的电流信号。

图2.3.4　亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell） 1847—1922年，美国发明家、企业家。

图2.3.5　电话结构示意图

4.听筒中的电磁铁用软铁还是硬铁做铁芯呢？(www.xing528.com)

除话筒外，电话还有一个听筒。听筒内有一个电磁铁，电磁铁吸引一薄铁膜片。由于线圈中电流不断变化，电磁铁对膜片的作用也随之变化，使膜片随之振动，在空气中形成声波。这样就可以听到对方的讲话了。

用软铁做铁芯，听筒中的拨片因为受到电磁铁强弱不同的吸引而发生振动产生声音，但由于磁性较弱，使声音轻微。更重要的是，听到的声音失真较大，这就好像是没有上紧的琴弦，既不能弹出较强的声音，又不能弹出准确的音符一样。而如果用永磁铁做铁芯，听筒中的薄铁片，就会像绷紧的琴弦一样，在发生振动时，声音清晰，洪亮而且保真性好。

现在除了炭粒话筒外，还有其他许多种类的话筒，他们都能把声信号转换成电信号，听筒的种类也有很多，都是把电信号转换成声信号。

电话的历史如图2.3.6所示。

图2.3.6　电话的历史

话筒与扬声器

如图2.3.7所示，动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的，当声波使膜片振动时，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在磁场里振动并切割磁感线，就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个电流信号经放大器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

扬声器应用于生活中许多常见的电器中，比如说收音机、电视、高度保真的音响系统等，图2.3.7所示是扬声器的结构图。

图2.3.7　动圈式话筒与扬声器

扬声器包含了一个线圈，这个线圈依附在扬声器的圆锥体后面，它松弛地沿着圆柱形永久磁体的中心轴缠绕，使得此线圈在一个强磁场中。当携带声信号的电流进入线圈时，线圈会受到磁场力的作用，使其锥形纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振（共鸣）而发出声音。

5.你会分析扬声器的工作原理吗？

传感器

不仅声信息能转换为电信息，光信息、热信息、力信息等都可以转化为电信息，这些实现其他信息转换成电信息的器件，叫做传感器。随着自动化的发展，传感器的种类越来越多，不仅应用在高科技领域，在日常生活中也有着广泛的应用，如图2.3.8所示。

图2.3.8　生活中传感器的应用

6.你知道生活中还有哪些地方用到了传感器吗？你能简要说明他们的功能吗？

传感器不仅在日常生活中有广泛应用，计算机和传感器结合，在科学研究和中学理科实验探究中，也有很多应用，如图2.3.9所示。

图2.3.9　各式各样的传感器

自我评价

1.电话是由话筒和听筒组成，话筒的工作原理与发电机相同，它是根据____________原理工作的，而听筒的工作原理与电动机相同，它工作时，是把电能转化为_________能。

2.传感器：实现其他信息转换成_________的器件。

3.如图2.3.10所示，两个小朋友用“土电话”通话的情形。“土电话”与我们现代电话机的传声原理不同。“土电话”靠_________传声，现代电话机靠__________传声。（均填“固体”或“电流”）

图2.3.10　土电话

录音机的基本结构和原理

录音机主要用于声音的记录和重放，常用的磁带录音机分为盘式和盒式两种。盒式录音机以其录音、放音操作简便、价格便宜、性能优良等特点，在教育领域得到广泛的应用。盒式录音机按其功能可分为单放机、录放机、收录机、立体声收录机以及录音座等。

（1）录放原理。

磁带录音机的录音和放音是一个电— 磁的转换过程。录音时，音频电信号经放大后送入磁头线圈，就地在磁头铁芯中产生交变的磁通，在磁头的工作缝隙处形成随音频而变化的磁扬。当磁带紧贴着通过磁头缝隙时，磁力线穿过磁带上的磁性层，将它磁化，从而便留下了剩磁。随着磁带的恒速移动，就在磁带上留下极性和强弱随音频信号变化的连续性剩磁磁迹，如图2.3.11所示，使声信号以剩磁的形式记录下来。放音时，当录有磁迹的磁带以与录音时相同的速度通过磁头的工作缝隙时，由于磁头铁芯的导磁率比空气高得多，磁带上的剩磁场的磁力线将通过磁头铁芯而成闭合磁路。因磁带上的剩磁强度和方向都是随所录声音信号变化的，磁头铁芯内的磁通量也相应变化，从而在线圈中便产生对应磁通量变化的感应电动势。

图2.3.11　录音机的基本结构

（2）偏磁录音原理。

铁磁材料被磁化后，即使除去外磁场，铁磁材料仍保留一定的磁性Br，我们称Br为剩磁。外加磁场强度H越大，剩磁Br也越大，直至铁磁质达致饱和，画出Br与H的关系曲线，这就是该铁磁质的剩磁曲线。剩磁曲线只有中间一段是直线。在录音时，如果将音频信号直接送入磁头，在剩磁曲线起始的非直线段将产生剩增信号的严重非线性失真。

为了克服这种非线性失真，在一些普及型录音机中采用直流偏磁录音方式，即在录音信号中加一直流偏磁电流而使音频信号的工作点上移至剩磁曲线的直线段，但直流偏磁方法动态范围较小，噪音较大。在中高档录音机中普遍采用的是交流偏磁方式，即在音频信号中叠加一个比音频信号最高频率高5倍以上（常为45～100 kHz），振幅大5～25倍的超音频振荡电流，如图2.3.12所示。

这样就使音频信号工作点移到剩磁曲线的上下两段直线部分，交流偏磁方式具有灵敏度高、杂音小、动态范围大、保真度好的优点。

图2.3.12　震荡电流

（3）抹音原理。

抹音就是对磁带进行消磁，将磁带上的剩磁去掉。目前，较多采用的是交流抹音的方法。交流抹音又称超音频抹音。抹音磁头的基本结构与录放磁头相同，只是工作缝隙宽度大约为录放磁头的10倍。抹音时，超音频振荡器给抹音头线圈提供超音频电流，使磁头缝隙处产生一个交变次数足够多的磁场，磁带上各段在逐渐接近缝隙中心的过程中逐渐增强的交变磁场反复作用，使剩磁逐渐减小到零。磁带上原录有的磁迹就完全抹掉了。

另一种抹音方法是直流饱和抹音法，它是让直流电流通过抹音头线圈产生一个足以使磁带上性材料饱和磁化的磁场。当磁带通过抹音头缝隙时，磁带上所有磁性材料复印的剩磁都达到饱和。这样磁带上各处磁通量一致，放音时就不可能产生感应电信号了。这种抹音方式常与直流偏磁方式线结合采用，使录音机简单而经济。