же, между прочим, мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Когда мы слушаем духовой оркестр на большом расстоянии, до нас доносятся звуки барабана, а не флейты. Таким образом, существует разница в проходимости сигналов высоких и низких частот при распространении звуковых волн по воздуху; в случае же подводного кабеля эта разница значительно возрастает.
Она может быть несколько скомпенсирована повышением напряжения высоких частот передачи; примерно с той же целью мы регулируем тональность, слушая радиопередачу через приёмник. Но при передаче по подводному кабелю наступает такой момент, когда и эта мера не помогает.
Вторая причина, препятствовавшая нормальной передаче человеческой речи по подводному кабелю, причём причина более серьёзная и коварная, чем первая, состоит в том, что сигналы разных частот проходят по кабелю с различной скоростью. К счастью, в обычной жизни, когда звуки передаются по воздуху, это практически мало заметно. В противном случае были бы просто ужасные результаты. Музыку, например, мы воспринимать бы не могли. В симфоническом оркестре инструменты звучат одновременно, но до нас звуки отдельных инструментов доходили бы в различные моменты времени, и вместо музыкального произведения человеческое ухо слышало бы бессмысленный хаос звуков. Даже разговорная речь была бы возможна только на определённом расстоянии. Если, скажем, в этих условиях произнести слово 'нонсенс', то высокочастотный звук 'с' достигнет ушей слушателя раньше, чем низкочастотное 'н', и произнесённое слово полностью исказится, превратясь в то, что оно и означает (нонсенс - глупость, бессмыслица).
Это явление происходит в подводном кабеле в результате его значительной электрической ёмкости, о чём мы уже упоминали в пятой главе. Однако кабель характеризуется не только ёмкостью, но и индуктивностью. Двумя другими характеристиками кабеля - сопротивлением его токопроводящих жил и проводимостью изоляции - мы пренебрегаем, так как они несоизмеримо малы по сравнению с ёмкостью и индуктивностью [46]. Эквивалентным понятием в механике является инерция. Электрическая цепь в этом смысле напоминает материю, обладающую определённой инертностью; требуется некоторое время для того, чтобы величина тока в цепи изменилась при изменении приложенного напряжения. У подводного кабеля очень малая индуктивность, что на первый взгляд может показаться фактором положительным. Но когда Хевисайд завершил исследование данного вопроса с помощью математического анализа, он, к своему удивлению, обнаружил, что с увеличением индуктивности передающие способности кабеля улучшаются. Нематематическим путём объяснить эту закономерность трудно. Но можно просто сказать, что индуктивность кабеля и его ёмкость находятся в противодействии.
Подобранные соответствующим образом, они могут полностью друг друга нейтрализовать, и получится то, что Хевисайд назвал 'линией без искажений', т.е. линия, по которой сигналы всех частот передаются с одинаковой скоростью и с одинаковым затуханием.
Но лишь спустя десять, а то и более лет инженеры по-настоящему оценили это выдающееся открытие; возможно, и они с недоверием отнеслись к результатам, полученным Хевисайдом, так же, как в своё время - математики. Но в конечном счёте опыт подтвердил, что характеристики кабеля можно улучшить, если искусственно увеличить его индуктивность, либо установив по длине кабельной линии через равные интервалы специальные катушки, либо обмотав центральную медную токопроводящую жилу стальной проволокой.
Это открытие Хевисайда, применённое на практике Михаилом Пупином в Америке и Крарупом в Дании (в соответствии с пословицей, Хевисайд не стал пророком в своём отечестве), сделало возможной подводную телефонную связь на расстояние в несколько сот километров. Способ искусственного увеличения индуктивности был применён и к телеграфному кабелю, эффективность передачи по которому значительно возросла. Скорость прохождения сигналов по изготовленному таким образом трансатлантическому телеграфному кабелю стала в пять раз больше.
Так уравнения Хевисайда ещё при его жизни стали приносить телеграфным компаниям тысячи фунтов стерлингов дохода в день. Математика часто преподносит большие суммы денег, но они редко попадают в руки математиков.
Улучшение качества изоляционных материалов, специальные сплавы для повышения индуктивности позволили в конце 20-х годов всерьёз подумать о подводной телефонной связи через Атлантический океан. Пионером в этой области был Е.О. Бакли, работавший в научном центре - 'Лабораториях Белла'. В 1928- 1931 годах Бакли совместно с Британским ведомством связи проделал у побережья Ирландии и в Бискайском заливе ряд опытов с подводными кабелями различных образцов. К сожалению, один кабель мог быть использован для передачи через Атлантику только одного разговора, что, конечно, неэкономично. Для повышения эксплуатационных возможностей линии впервые предусматривалось применение усилителей. Последние проектировались в виде плавучих шаров, удерживаемых в заданных точках трассы на якорях, и были рассчитаны на бессменную работу в течение шести месяцев. Эти громоздкие сооружения явились прообразами подводных усилителей современного трансатлантического телефонного кабеля.
Но в те годы подводный кабель как средство телефонной связи не получил дальнейшего развития. Причинами этого были, во-первых, экономический кризис 30-х годов - никто не решался вкладывать деньги в это, на первый взгляд, сомнительное с точки зрения техники предприятие, - и, во-вторых, - развитие радио, позволившее осуществить связь на большие расстояния совершенно новым неожиданным способом.
По этой последней причине нам предстоит сделать экскурс в область, на первый взгляд, далёкую от подводной связи. Дело в том, что человеческий голос был передан через Атлантику с помощью радио за 40 лет до того, как это было сделано с помощью подводного кабеля. И система подводной телефонной связи не могла бы существовать, если бы при её разработке не были использованы технические достижения в области радио.
Итак, экскурс необходим, а перемена декораций будет нам приятна - мы двинемся из холодных и тёмных глубин океана в бурлящий электрический котёл ионосферы.
Необходимо несколько дополнить рассказ Кларка об открытии, сделанном Хевисайдом в 1893 г., так как оно имеет исключительно важное значение для линий дальней (да и не только дальней) связи. Действительно, электрический ток, передаваемый по линии с частотой, равной частоте основных тонов человеческой речи, постепенно ослабляется или, как принято говорить в технике, затухает. Величина затухания тока на каждый километр длины линии а зависит в основном от трёх электрических характеристик кабеля: сопротивления R, ёмкости С и индуктивности L.
Можно приближенно записать, что a = [R(С)1/2] / [2 (L)1/2] (проводимостью изоляции пренебрегаем). Для того чтобы дальность передачи телефонных разговоров, определяемая качеством слышимости, была как можно больше, затухание a должно быть, естественно, как можно меньше. Уменьшить простую дробь можно, либо уменьшив её числитель, т.е. величину R или С, либо увеличив её знаменатель, т.е. L. Первый способ был известен давно, к нему прибегали ещё в годы прокладки телеграфных кабелей. Трансатлантический телеграфный кабель конструкции 1865-1866 гг. отличался от кабеля 1857 - 1858 гг., в частности, тем, что сечение токопроводящей жилы было увеличено в три раза. Благодаря этому её сопротивление уменьшилось в три раза, а ёмкость почти в полтора раза (индуктивность же раза в полтора возросла). В целом затухание сигналов, передаваемых по кабелям 1865- 1866 гг., было примерно в 6 раз меньше, чем при передаче по недолговечному кабелю 1858 года.
Однако для телефонной связи, использующей в десятки раз более высокие, чем телеграфная, частоты, со значительно ббльшим затуханием передаваемых сигналов на единицу длины линии, подобная компенсация затухания (в несколько раз) не решала проблемы дальней междугородной и, в частности, подводной телефонии. Кроме того, этот способ был весьма неэкономичным, так как требовал значительного увеличения размеров кабелей и, следовательно, расхода материалов для их изготовления.
Хевисайд был первым, кто указал на принципиальную возможность достичь успеха, идя по второму пути и увеличивая знаменатель дроби, т.е. индуктивность кабельной линии. Если не касаться сферы материальных ресурсов и денежного обращения, то подчас увеличить какую-либо величину оказывается намного проще, чем её уменьшить. Подобную благоприятную ситуацию и открыл Хевисайд в теории кабелей связи. При этом искусственно увеличивать индуктивность можно уже не в несколько раз, а в несколько десятков раз. Теоретическое открытие О. Хевисайда о возможности снижения потерь в линии путём искусственного увеличения её индуктивности было встречено, как отмечает А. Кларк, с большим недоверием и реализовано лишь 8 лет спустя, в 1901 г., когда американский инженер (серб по национальности) М. Пупин
