浅谈电话发明之前的理论基础

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  电话的需求并不是明确的需求

  电报的发明在理论基础完成之后,面临着很迫切的需求,那就是铁路,在指针式电报机发明之前,铁路上就已经在用多线缆来传递列车控制信号,但是这种通信系统最大的弱点就是工程部署困难,工作量大,并且通信机器不可靠,故障率高。在指针式式电报机(1837年)和莫尔斯电报机(1844年)的时间差中,惠斯通和库克主要的应用也是铁路,而面向公众的电报服务启动还是比较晚的。而在电报发明后的10-20年里面,英国及欧洲都大量的建设电报网络,使得电报通信已经比较完善,各电报运营商和电报供应商只是成本和工作效率高与低的差异,而围绕电报的改进,也都是围绕如何提高效率的问题,这个从后续的电话发明的章节里面也有提及。

  当时的欧洲电报网络已经初具规模,虽不说遍布城乡,但是1866年大西洋电报电缆都已经铺设运营,欧美都已经联网,亚洲也已经联网,而当时的商业活动基本都还是聚集在大城市,有电报已经基本能够满足需求,并没有提出电话的需求。就像100多年前,福特公司的创始人亨利·福特先生到处跑去问客户:“您需要一个什么样的更好的交通工具?”几乎所有人的答案都是:“我要一匹更快的马”,因为当时只有马车和马作为个人交通工具,并不存在汽车。电话与电报就是马和汽车的关系。

  电磁学的基础

  由于法拉第发现了电磁感应的定律,使得电学的研究从静电到流电方向发展,之后才有了电报的发明和使用。实际上电磁感应的应用是分为两个方面,一个是电报的基础,也就是电能够产生磁,另外一个最主要的作用就是转动的磁力也会产生电流,也就是能够通过动能产生电能。

  浅谈电话发明之前的理论基础

  先说电产生磁,通过电报的应用,研究与改进,对电产生磁的方法,控制都有比较好实践和理论基础,而在法拉第发现电磁感应定律之后,发表的著作《电学实验研究》,法拉第是实验大师,有着常人所不及之处,但唯独欠缺数学功力,所以他的创见都是以直观形式定性表达的。这个时候,另外一个天才物理学家麦克斯韦出现了,麦克斯韦被认为是在牛顿和爱因斯坦之间也就是19世纪最伟大的物理学家,在1873年发表科学名著《电磁理论》,系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,并预言了电磁波的存(无线部分在后续章节再讲),在这巨著发表之前,他发表了《论法拉第的力线》(1855年至1856年),《论物理的力线》(1861至1862年),《电磁场的动力学理论》(1864年),对前人和他自己的工作进行了综合概括,将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来,也就是后来别人称为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。也就是说对电磁场的理论已经基本有了,并且也知道如何计算和预估(因为电和磁都是一样看不见摸不着的,必须要有相应的理论之后才能有相应的测量方法)。

  再说磁产生电,虽然真正广泛实用的特斯拉交流发电机发明是在1886,但是在1831法拉利发表电磁感应定律之后,法拉第首先自己制作了一个法拉第圆盘发电机,1832年法国人皮克希制作了手摇式直流发电机,虽然电力在工业应用方面还由于电力不够强大,但是作为能够随时产生电的发电机已经诞生,并且已经有了初步应用,这对研究肯定是有莫大的帮助的,到了19实际6,70年代,已经有了稳定的研究实验电力的供应。

  声学的基础(声音是振动,声音的频率,声音的响度,声音的传播)

  电磁学理论和应用虽然进步很大,但是电话发明还需要另外一个理论基础,也是最关键的基础,那就是声学的研究,因为本质上,电话就是传播声音,如果没有声学的理论基础,连要传播的东西是什么都没搞清楚,怎么可能去转换和还原呢?因此没有声学的基础,电话肯定是发明不了的。

  声音是人类最早研究的物理现象之一,声学是经典物理学中历史最悠久,并且当前仍处在前沿地位的物理学分支学科。虽然研究的时间长,但是直到19世纪末,声源仅限于人声、乐器、自然声和哨子。频率限于可听声范围内,接收声波的“仪器”还只有人耳。声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质,可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质;机械波是指质点运动变化的传播现象(摘自百度百科)。

  浅谈电话发明之前的理论基础

  从人类有历史起直到19世纪,人们都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声,声成文谓之音”,“音和乃成乐”。西方国家也是如此,英文的的词源来源于希腊文,意思就是“听觉”。在古代,在东西方,都认为声音是由物体运动产生的,在空气中以某种方式传到人耳,引起人的听觉。

  对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。伽利略先研究出了摆的等时性,即从观察得知的单摆周期与其振幅无关的性质。伽利略明确指出,单摆的摆动周期或频率仅由其摆长决定而不能随意改变,周期与摆长的平方根成正比的规律。同时伽利略观察到,当奏起中提琴的低音弦时,会使得在邻近的一只薄壁的高脚酒杯发生共鸣,只要这只酒杯具有相同的固有振动周期。然后,伽利略发现,单纯用手指尖摩擦酒杯的边缘,也可以使它发出同样的音调。与此同时,当在酒杯里盛上水的时候,可以从水面上的波纹看到酒杯振动的表现。这样,伽利略就通过一系列的观察和推理,证实声音确是一种机械振动。

  浅谈电话发明之前的理论基础

  在这一基础上,为了进一步定量地研究乐音的音高同哪一个物理量相联系,伽利略设计了“酒杯实验”和 “铜板实验”,并以钢琴做为基准音,从而推断出人类的发声器官必定经历着一种类似的铜板实验中铁锹的振动过程以及音程的比例不是由弦的长度、粗细或者张力直接决定的,而是由两个频率的比例直接决定的,即由撞击到耳朵鼓膜并使其以同一频率振动的空气波动的脉冲数目决定的,通俗的讲,就是音调的高低是由振动的频率决定的。

  声音响度主要与声源的振幅有关,例如同样的鼓,用力敲打,鼓面振幅大,声音的响度就大;这个人们很早就知道的道理,只不过原来人们并不知道声音是振动而已,在知道声音是振动之后,自然就可以得出结论,振幅越大,响度也越大。响度还与声源的距离有关:离声源越近,响度越大,例如,手机铃声,离人近,响度大.另外,响度跟声音传播过程中声能的散失也有关:声能散失越少,响度越大,例如同样的喊声,在相同的距离内,通过喇叭喊,响度大。

  关于声音的传播媒质,在亚里斯多德时代人们就已猜到空气是声音的通常媒质。音的通常媒质。但在抽气机发明之前,这仅仅是猜测。17世纪中叶,作为抽气机发明人的盖里克最早进行了关于空气和我们对声音的感知两者间关系的实验。他将一容器中放人可用时钟机构敲响的铃,并用抽气机抽去容器中的空气。随着容器中空气的稀薄,铃声越来越小。而18世纪初,F.豪克斯贝则沿着相反的思路改进了上述实验,他发现当容器中的空气为一个大气压时,铃声可传到30码以外;两个大气压时,铃声可传到60码以外;三个大气压时则可传到90码以外。在做这一实验的1705年,他还用实验证明了声音可在水中传播。

  在1635年起,有人就用远地枪声测声速,以后方法又不断改进,到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量,测得结果声速为332米/秒,与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%,这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下,的确是了不起的成绩。

  至此,对于声音研究的几个要素,声音的产生,音调高低,响度高低及传播的理论基本建立起来,对于发明电话的对声音的技术解读也就不存在困难了。