Музыкальный телеграф Элайши Грея

В отличие от Телгармониума Кэхилла, который был предназначен исключительно для музыки, музыкальный телеграф Грея – это побочный продукт целого комплекса научных приборов для изучения способов передачи звуков с помощью электричества. Современным языком говоря – это концепт.

Оригинал англоязычной статьи я почти полностью перевёл, но представленная версия – это сокращённый вариант с упором на техническую часть. Я думаю, что особо не интересно читать про судебные тяжбы Грея с Беллом и обо всём, что с этим связано. Также я подробно не останавливался на фирме Грея – Western Electric Manufacturing Company, которая занималась производством приборов и комплектующих для телеграфов в промышленных масштабах. Кому интересны эти подробности – всё без труда ищется в Интернете (на английском языке, естественно). Да и без этой информации довольно большая статья получилась.

Перевод, конечно, вышел слишком любительским. Ну, уж какой есть...

Я нашёл источник, из которого бралась информация для оригинальной англоязычной статьи. Это очень интересная книга Michael E. Gorman "Transforming Nature: ethics, invention and discovery". Электронный вид есть на books.google.com и доступен только для чтения.

В качестве бонуса помещаю мой перевод патента в части технического описания изобретения. Тоже довольно любопытно.

Небольшие примечания.

По поводу использования человека в схеме или животной ткани (в оригинале - animal tissue) – не очень понял, зачем это надо. В качестве нагрузки, что ли?

Клопфер (в оригинале – sounder) – (нем. Klopfer, от klopfen — стучать), простейший телеграфный аппарат для приема на слух знаков кода Морзе. Представляет собой электромагнит с двумя катушками и якорем, оттягиваемый спиральной пружиной. Размах отклонений рычага якоря ограничивается винтами. Стук рычага о них слышит телеграфист. Для усиления звука клопфер помещают в акустический резонатор.

Реотом – любое устройство, прерывающее электрический ток.

Электротом – частный случай реотома. Электромеханическое устройство для преобразования постоянного тока в переменный. Состоит из механической части – генератора частоты, и электрической части – катушки индуктивности.

Элайша Грей родился 2 августа 1835 года в городе Барнесвилль, штат Огайо. В 10 лет он соорудил работающую модель телеграфа Морзе. Но после смерти отца и серьёзных проблем со здоровьем у матери, Элайша в свои 12 лет сделался единственным кормильцем в семье. Он бросает школу; однако, позже он закончит частную среднюю школу и отучится два года в Обрерлинском Колледже, одновременно подрабатывая плотником. В колледже Грей был очарован электричеством, и при серьёзной поддержке своего научного руководителя Чарльза Черчилля, возобновляет исследования в области электроники и телеграфа.

Грей часто переутомлялся, вплоть до возникновения проблем со здоровьем. Благодаря умению работать руками он извлекал очень многое для своей учёбы: "Пока я изучал естественную философию, у меня была привычка делать и приносить с собой в класс такие аппараты, которые можно было легко собрать и которые служили бы наглядным пособием на уроке. Моей чертой было конструировать всё то, что я видел или о чём читал, настолько насколько позволяли мои возможности. Это было лучшим способом закрепить у себя в уме принципы работы различных устройств и механизмов".

В 1867 году Элайша Грей получил свой первый патент за изобретение телеграфного реле, которое автоматически адаптировалось к изменению сопротивления изоляции на телеграфной линии. Затем он приступил к разработке автоматических ретрансляторов, но они практически не использовались. За свою жизнь Грей получил около 70 патентов.

Элайша Грей был работоспособным профессиональным изобретателем с хорошей репутацией. Однако, каждый изобретатель подозревал другого в краже тех или иных своих идей. Грей подал заявку на патент по сложному гармоническому телеграфу 23 февраля 1875 года. Два дня спустя Белл точно так же подал заявку на подобное изобретение. Этот небольшой конфликт позже перерос в серьёзное противостояние между Беллом и Грэем.

Позже Грей заявил, что именно у него в 1867 году возникла идея передавать телеграфные сообщения, используя музыкальные тоны, когда он использовал вибрирующий металлический язычок или реотом в цепи с электромагнитом и телеграфным ключом. Когда он замыкал ключ, он "заметил поющий звук в электромагните, и работая [телеграфным] ключом как при передаче сообщения азбукой Морзе, при этом был слышен производимый магнитом сигнал в виде длинных и коротких звуков, аналогичный точкам и тире кода Морзе".

Благодаря удаче Грэю удалось-таки получить звук в своих экспериментах. Но надо сказать, что к этому времени он вполне вероятно слышал или даже присутствовал при демонстрации первого телефона, сконструированного Филиппом Рейсом в Германии в 1854 году. Это устройство было разработано для передачи музыкальных звуков. Передатчик состоял из рычага с контактом, опирающимся на мембрану. Когда звучала одна нота, мембрана вибрировала, разрывая контакт рычага с кусочком платины в середине мембраны.

Этот прерывающийся ток поочерёдно намагничивал и размагничивал приёмный электромагнит, который воспроизводил любой звук, попадающий в мембрану. Аппарат Рейса был широко известен в то время. Грей позже говорил о своём музыкальном телеграфном приборе как о телефоне. В отличие от Белла, он не документировал свои источники, следовательно, довольно тяжело выяснить, кто же именно натолкнул Грея на создание его изобретения.

Одна история о том, как была открыта электрическая генерация звуков, уже заслуживает особого внимания. Как говорил Пастер, шанс даётся лишь подготовленному уму. В случае Грея, его детская игра с аппаратом Морзе породила в уме идею музыкального телеграфа. В конце января, или в начале февраля 1874 года, Грей проводил опыты в ванной комнате и заметил, что если электрическую цепь с вибрирующим реотомом соединить одним концом вторичной катушки с оцинкованной подкладкой для ванны, другой конец взять в руку, а свободной рукой водить вдоль этой подкладки, то она будет производить воющий звук той же частоты, что и реотом. А если водить рукой сильнее, то шум будет даже громче, чем тот что производит реотом. При изменении частоты реотома аналогичным образом менялся и шум.

Вскоре Элайша Грей улучшил своё изобретение и заменил ванну на деку от скрипки с приделанным сзади металлическим листом.

В апреле 1874 года Грей сделал попытку запатентовать музыкальный телеграф, который состоял из двухтонового передатчика и двух однополюсных электромагнитов с вибрирующим якорем. Каждый якорь замыкает и размыкает платиновый контакт, по которому течёт ток на катушку; каждый электромагнит имеет разное электрическое сопротивление. Таким образом получается, что на каждом якоре будет разное магнитное притяжение, что приводит к разнице частот, с которыми колеблются якоря.

Каждая комбинация катушки и якоря контролировалась своим собственным телеграфным ключом так, что частоты могут быть переданы по отдельности, либо одновременно. Эти электромагниты были соединены с катушкой индуктивности, которая работала как современный трансформатор, усиливая ток, передающийся по телеграфной линии. Под цинковую ванну Грей подложил заземлённый кусочек оцинкованной жести. В патенте изображен человек – возможно, это сам Грей – держащий в руке провод от катушки, а другой рукой прикасающийся к жести.

Передатчик посылает два разных слышимых тона, которые воспроизводятся жестяной пластиной приёмника, как только человек коснется её. Патентное бюро вначале отвергло эту заявку, так как в патенте не могла участвовать схема, включающая человека. Так Грей преобразовал человека в отдельный модуль, внутрь которого он помещал разные животные ткани, начиная от раковины устрицы и заканчивая выделанной кожей. В конечном итоге, его изобретение было запатентовано в феврале 1976 года.

К тому времени Грей продвинулся ещё дальше. Он расширил свой двухтоновый передатчик до двухоктавного устройства, которое могло передавать уже 24 звука разной высоты (две октавы) по телеграфной линии. Каждый тон генерировался единичным тоновым передатчиком, настроенным на определенную высоту. Грей часто использовал некоторые однотоновые передатчики внутри больших сложных устройств, способных на передачу составных тонов, таких как его двухоктавный передатчик и печатающий телеграф.

Музыкальный телеграф Грея давал возможность играть в две октавы, имея отдельные однотоновые осцилляторы. Поздние модели обладали простым тоновым колесом-контроллером. В 1874 году Грей разъезжал по США со своим изобретением, и даже воодушевил Белла на доработку его электрической арфы для передачи речи по телефонной линии, используя инструмент Грея в качестве основы.

Начиная с этого времени Элайша Грей знал, как сгенерировать и передать звук электрическим способом. Он задавался вопросом "а смогу ли я передать, скажем, аккорды или множество нот, либо других сигналов, по одной телефонной линии?.." Для демонстрации передачи аккордов Грей построил банк из 8-ми осцилляторов с управлением от рояльной клавиатуры. Очень скоро эти технические демонстрации начали увлекать интересующихся музыкой людей. Так, Грей усовершенствовал двухоктавную версию "гармонического телеграфа" и демонстрировал ее чуть ли не на всей территории Соединённых Штатов. Успех генерации звука и его передачи изменили интересы Грея – вместо совершенствования сложной техники он заинтересовался самим звуком и, особенно, голосом.

Также Грей разработал особые приемники для замены малоудобной в использовании животной ткани. Его задумкой было улучшение телефонного приемника, разработанного Филиппом Рейсом. По мнению Грея, приемником Рейса служило устройство, в котором "катушка с проводом обмотана вокруг железной болванки, либо сердечника электромагнита. Если по ней пустить электрический ток, то упомянутая болванка будет немного удлиняться, и если эти токи будут сменять друг друга с достаточной скоростью, то вибрирующее движение перейдёт к болванке, что приведёт к образованию музыкального тона".

Во всех приёмниках Грея воплощён этот принцип и, следовательно, они способны воспроизводить каждый тон единовременно, но усиление вибрации сердечника электромагнита было реализовано различными способами. Например, Грей использовал различные полости для усиления звука. У него была идея использовать жестяной барабан, в комбинации с жестью он использовал также животную ткань, как описано в патенте, он также экспериментировал с металлическим листом и декой от скрипки. Он постоянно проверял каждый тип приемника на совместимость со своим двухоктавным передатчиком. Эти инструменты Грей демонстрировал несколько раз в Нью-Йорке и Вашингтоне в мае и июне 1874 года, и они вполне произвели впечатление на публику. После этого он вернулся домой, в Чикаго.

Грей утверждал, что до возвращения в Чикаго он работал над проблемой создания надёжного гармонического передатчика. Его двухоктавный передатчик теоретически мог быть использован для такой цели, но Грей считал, что он больше подходит для передачи сложных тонов, чем одиночных посланий. Проблему передатчика он решил, используя "обычный электромагнит и язычок от часовой пружины, один конец которого зафиксирован на одном полюсе магнита, а другой свободен и находится над другим полюсом на коротком расстоянии от него, так как располагается якорь".

Каждая из этих пружин может быть настроена на конкретную частоту. Эти пружины производят качественный тон в течение короткого времени, "но незначительное изменение настройки, даже дребезжание стола, могут прерывать колебания и быть причиной того, что нота аккорда или октавы может "уплыть" от основного тона".

Для того, чтобы улучшить монтаж язычка для передачи единичного тона, Грей приделал пружину к тяжелому металлическому язычку, зафиксировал его конец, настроив его, и добавил маленькую пружинку для демпфирования вибраций. Для однотонового или анализирующего приёмника он сперва попробовал использовать камертон, присоединив его к одному из полюсов электромагнита. Далее он попробовал стальную ленту, закреплённую с обоих концов: "длинна и размер ленты рассчитывались для каждой ноты, которую мы хотели принять. Если это была высокая нота, мы делали ленту тоньше и короче, для низкой ноты – длиннее и толще. Эта лента настроена таким образом, чтобы при механической вибрации воспроизвести конкретную ноту. При передаче основного тона ноты через соответствующий электромагнит лента среагирует и будет вибрировать в унисон с передающейся нотой. Если передающаяся нота будет отличаться от основного тона, то пружина не будет реагировать. Если послан составной тон, то пружина среагирует только при условии, что та нота, на которую она настроена, будет частью составного тона, но как только эта нота перестаёт быть частью составного тона, пружина немедленно останавливается. Таким образом я смог выбирать и показывать, когда какая либо нота передаётся, другими словами - анализировать составной тон, передающийся по линии".

У Грея была идея конфигурации язычка таким образом, чтобы он служил как в качестве передатчика, так и в качестве приёмника.

Грей хотел запатентовать всё разнообразие передатчиков и приёмников, которые он придумал и которые могли бы использоваться в различных сочетаниях. Манера работы Грея в этом и заключалась – он воплощал идеи для передатчика и приёмника множеством способов, проверял, и патентовал их комбинации.

А что же касается Белла и его изобретения... В эксперименте по передаче звука человеческого голоса по проводу он использовал жидкий передатчик-микрофон, который ранее придумал Грей и который даже не упомянут в патенте Белла. Также Белл использовал электромагнитный приёмник с металлической диафрагмой, который Грей публично демонстрировал несколькими месяцами ранее. Грей был бы официально признан изобретателем телефона, если бы Белл не подал заявку на патент всего лишь за несколько часов ранее до него.

Элайша Грей умер в Ньютонвилле, штат Массачусетс 21 января 1901 года. Обнаруженная среди его вещей записка свидетельствовала о сильной досаде и разочаровании относительно телефона. Там сказано, что "история телефона никогда не будет написана полностью... Правда частично сокрыта в глубине времён... а частично лежит в сердцах и на совести тех, чьи уста запечатаны - у одних смертью, у других золотой защёлкой, чей замок даже более крепок".

Работа аппарата. Отрывок из оригинального патента.

В сопроводительных рисунках на фигуре 1 представлена схема части передатчика. На фигуре 2 – передняя сторона его же, а на фигуре 3 показан монтаж составных частей, который доходчиво иллюстрирует мое изобретение.

Передающий аппарат смонтирован, как принято, на основании А. Катушка индуктивности (В) обычной конструкции содержит первичную и вторичную обмотки. Общий вибрирующий электротом (С) имеет свою собственную прерывающую пружину (а) определённой длины и толщины, настроенную таким образом, что своей вибрацией производит музыкальный тон определённой высоты.

Очевидно, что аппарат может работать с одним электротомом, высота тона которого настраивается. Но если необходимо использовать разные по высоте тона, то я предлагаю использовать набор элетротомов, настроенных на колебания определённой частоты.

Два электротома С и С1, идентичной конструкции и настроенные на разную частоту, показаны на рисунке. По некоторым причинам я предлагаю использовать комплект электротомов, которые дают тоны диапазоном в две и более октавы. Эти электротомы размещены в первичной обмотке катушки индуктивности и в процессе работы возбуждают вторичные токи или импульсы, равные числу колебаний в пружине электротома.

Обычный телеграфный ключ, расположенный в первичной цепи, замыкает и размыкает контакт с батареей. Каждый электротом должен иметь соответствующий ключ. На рисунке изображены два ключа D и D1, соединённые, так же как и электротомы, в первичной цепи.

На фигуре 3 показан монтаж схемы. Основная схема F соединена с батареей Е и проходит через ключи D и D1, магниты элеткротомов и первичную обмотку катушки индуктивности В. Одна клемма вторичной цепи G тянется от катушки индуктивности к приёмной станции, через животную ткань к соответствующему резонансному проводнику электричества, в данном случае это полый металлический цилиндр (Н), который соединён с землёй. Другой контакт (I) катушки индуктивности заземлён обычным способом.

Животная ткань, находящаяся между проводами и звучащим приемником, завершает схему. На схеме, показанной на рисунке, этой тканью является тело телеграфиста, который должен быть изолирован от земли. Но возможно использование и другого вещества, обладающего особыми свойствами для передачи электричества. Вещество должно быть мягким и эластичным и иметь поверхность с хорошим электрическим сопротивлением.

Подобными характеристиками обладает кожа человека, кожаные изделия, смоченные подкислённой водой; плоть животных, покрытых перепончатой оболочкой; кожа свиньи, особенно куски, взятые с уха или хвоста; кожаные перчатки, и некоторые другие субстанции, которые можно и не перечислять, так как они не обладают такими хорошими свойствами, как уже перечисленные.

Работа прибора состоит в следующем.

Нажимается любая клавиша - тем самым замыкая основную цепь от батареи через электротом, соединённый с нажатой клавишей - и изолированная от цепи пружина упомянутого электротома немедленно начинает вибрировать, с определённой частотой генерируя музыкальный тон конкретной высоты, зависящий от длины и толщины пружины. Тон будет звучать, пока вибрация тока в основной цепи индукционного аппарата не будет прервана. Импульсы электротома вызывают соответствующий вторичный ток во вторичной цепи индукционного прибора, и эти вторичные токи (импульсы) передаются на приёмную станцию.

Например, если пружина электротома, прерывающая цепь, вибрирует с частотой 128 колебаний в секунду, то звучит тон, известный как "основное до". Пока чередующиеся импульсы с указанной частотой индуцируют ток во вторичной цепи индукционного аппарата и передают сигнал через животную ткань, как часть указанной схемы, к приёмнику, то приёмник зазвучит с такой же частотой.

Металлический лист с натянутой металлической струной над резонирующей полостью, такой например, как дека обычной скрипки, может быть использован с хорошим эффектом для передачи вибраций, вместо упомянутого выше пустотелого цилиндра.

Из вышеизложенного следует возможность получения музыкальных тонов на передающей станции и одновременного получения тех же тонов на приёмной станции независимо от расстояния. При одновременном, или последовательном, нажатии двух или более клавиш, полученная гармония или мелодия будет передана на приёмную станцию.

Вызывающие индукцию вторичные токи прерывания в основной цепи могут быть получены с помощью прерывателя, обладающего необходимой скоростью. Таким прерывателем может быть вращающееся колесо или колеблющийся язычок от органа с контактными точками. При вибрации язычка будут передаваться импульсы той частоты, которая соответствует издаваемой органом ноте.