stringtranslate.com

Фотофон

Изображение потемневшей латунной исторической таблички с полосой зеленой коррозии, установленной на внешней стороне кирпичного здания.
Историческая табличка на стене школы Франклина в Вашингтоне, округ Колумбия, которая отмечает одну из точек, с которой демонстрировался фотофон.
Диаграмма из одной из статей Белла 1880 года.

Фотофон — это телекоммуникационное устройство , позволяющее передавать речь с помощью светового луча . Он был совместно изобретен Александром Грэхемом Беллом и его помощником Чарльзом Самнером Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла по адресу 1325 L Street в Вашингтоне, округ Колумбия [1] [2] Оба впоследствии стали полноправными членами Ассоциации лаборатории Вольта , созданной и финансируемой Беллом.

3 июня 1880 года помощник Белла передал беспроводное голосовое телефонное сообщение с крыши школы Франклина в окно лаборатории Белла, находившееся на расстоянии около 213 метров (около 700 футов). [3] [4] [5] [6]

Белл считал, что фотофон был его самым важным изобретением . Из 18 патентов, выданных только на имя Белла, и 12, которыми он поделился со своими коллегами, четыре были на фотофон, который Белл называл своим «величайшим достижением», говоря репортеру незадолго до своей смерти, что фотофон был «величайшим изобретением [из тех, что я] когда-либо делал, более великим, чем телефон». [7] [8]

Фотофон был предшественником волоконно-оптических систем связи, которые получили широкое распространение во всем мире с 1980-х годов. [9] [10] [11] Основной патент на фотофон ( патент США 235,199 «Устройство для сигнализации и связи, называемое фотофоном ») был выдан в декабре 1880 года [5] , за много десятилетий до того, как его принципы нашли практическое применение.

Дизайн

Фотофонный приемник и гарнитура, часть оптической телекоммуникационной системы Белла и Тейнтера 1880 года.

Фотофон был похож на современный телефон, за исключением того, что в качестве средства беспроводной передачи он использовал модулированный свет , в то время как телефон полагался на модулированное электричество, передаваемое по проводящей цепи .

Собственное описание Беллом модулятора света: [12]

Мы обнаружили, что простейшая форма аппарата для получения эффекта состоит из плоского зеркала из гибкого материала, на заднюю часть которого направлен голос говорящего. Под действием голоса зеркало становится попеременно выпуклым и вогнутым и таким образом попеременно рассеивает и концентрирует свет.

Таким образом, яркость отраженного луча света, наблюдаемая с места расположения приемника, изменялась в соответствии с изменениями звуковой частоты давления воздуха — звуковыми волнами, которые действовали на зеркало.

В своей первоначальной форме фотофонный приемник также был неэлектронным, используя фотоакустический эффект . Белл обнаружил, что многие вещества могут быть использованы в качестве прямых преобразователей света в звук. Сажа оказалась выдающейся. Используя полностью модулированный луч солнечного света в качестве тестового сигнала, одна экспериментальная конструкция приемника, использующая только отложение сажи, производила тон, который Белл описал как «болезненно громкий» для уха, прижатого близко к устройству. [13]

В своей окончательной электронной форме фотофонный приемник использовал простой фотодетектор на основе селеновой ячейки в фокусе параболического зеркала. [5] Электрическое сопротивление ячейки (примерно от 100 до 300 Ом ) изменялось обратно пропорционально падающему на нее свету, то есть ее сопротивление было выше при тусклом освещении и ниже при ярком освещении. Селеновая ячейка заняла место угольного микрофона — также устройства с переменным сопротивлением — в цепи того, что в остальном было по сути обычным телефоном, состоящим из батареи, электромагнитного наушника и переменного сопротивления, все из которых были соединены последовательно. Селен модулировал ток, протекающий по цепи, и ток преобразовывался обратно в изменения давления воздуха — звук — наушником.

В своей речи перед Американской ассоциацией содействия развитию науки в августе 1880 года Белл отдал должное первой демонстрации передачи речи с помощью света мистеру А. К. Брауну из Лондона осенью 1878 года. [5] [14]

Поскольку устройство использовало лучистую энергию , французский ученый Эрнест Меркадье предложил назвать изобретение не «фотофоном», а «радиофоном», поскольку его зеркала отражали лучистую энергию Солнца в нескольких диапазонах, включая невидимый инфракрасный диапазон . [15] Белл некоторое время использовал это название, но его не следует путать с более поздним изобретением « радиофоном », который использовал радиоволны . [16]

Первая успешная беспроводная голосовая связь

Иллюстрация фотофонного передатчика, показывающая путь отраженного солнечного света до и после модуляции.
Иллюстрация фотофонного приемника, иллюстрирующая преобразование модулированного света в звук, а также его источника электропитания (P)

Во время медового месяца в Европе со своей невестой Мейбл Хаббард Белл, вероятно, прочитал о недавно открытом свойстве селена, имеющего переменное сопротивление при воздействии света, в статье Роберта Сабина, опубликованной в Nature 25 апреля 1878 года. В своих экспериментах Сабин использовал измеритель, чтобы увидеть эффекты воздействия света на селен, подключенный в цепи к батарее. Однако Белл рассудил, что, добавив телефонную трубку в ту же цепь, он сможет услышать то, что Сабина могла только видеть. [17]

Поскольку бывший коллега Белла, Томас Уотсон , был полностью занят работой суперинтенданта производства в зарождающейся телефонной компании Bell в Бостоне, штат Массачусетс, Белл нанял Чарльза Самнера Тейнтера , изготовителя инструментов, который ранее был назначен в Комиссию США по прохождению Венеры 1874 года , для своей новой лаборатории на улице «L» в Вашингтоне , по ставке 15 долларов в неделю. [18]

19 февраля 1880 года пара сумела создать функциональный фотофон в своей новой лаборатории, прикрепив набор металлических решеток к диафрагме, при этом луч света прерывался движением решеток в ответ на речевые звуки. Когда модулированный световой луч падал на их селеновый приемник, Белл в своих наушниках мог ясно слышать, как Тейнтер поет Auld Lang Syne . [19]

В эксперименте 1 апреля 1880 года в Вашингтоне, округ Колумбия , Белл и Тейнтер общались на расстоянии около 79 метров (259 футов) по переулку к заднему окну лаборатории. Затем, несколько месяцев спустя, 21 июня им удалось четко общаться на расстоянии около 213 метров (около 700 футов), используя в качестве источника света простой солнечный свет , практическое электрическое освещение только что было введено в США Эдисоном . Передатчик в их последних экспериментах использовал солнечный свет, отраженный от поверхности очень тонкого зеркала, расположенного на конце переговорной трубы; когда произносились слова, они заставляли зеркало колебаться между выпуклостью и вогнутостью, изменяя количество света, отраженного от его поверхности к приемнику. Тейнтер, который находился на крыше школы Франклина , говорил с Беллом, который был в своей лаборатории и слушал, и который подал сигнал Тейнтеру, энергично помахав шляпой из окна, как и было запрошено. [6]

Приемником было параболическое зеркало с селеновыми ячейками в фокусе. [5] Проведенная с крыши школы Франклина в лабораторию Белла на улице «L» 1325, это была первая в мире формальная беспроводная телефонная связь (вдали от их лаборатории), что сделало фотофон самой ранней в мире известной голосовой беспроводной телефонной системой, [ требуется ссылка ] по крайней мере на 19 лет раньше первых разговорных радиоволновых передач. До того, как Белл и Тейнтер завершили свои исследования, чтобы перейти к разработке графофона , они разработали около 50 различных методов модуляции и демодуляции световых лучей для оптической телефонии. [20]

Прием и усыновление

Сам телефон все еще был чем-то вроде новинки, а радио было еще в десятилетиях от коммерциализации. Социальное сопротивление футуристической форме связи фотофона можно увидеть в комментарии New York Times за август 1880 года : [21] [22]

Обычный человек... столкнется с некоторыми трудностями в понимании того, как следует использовать солнечные лучи. Намерен ли профессор Белл соединить Бостон и Кембридж... линией солнечных лучей, подвешенных на телеграфных столбах , и, если да, то какого диаметра должны быть солнечные лучи... [и] необходимо ли будет изолировать их от непогоды... пока (публика) не увидит человека, идущего по улицам с катушкой солнечных лучей № 12 на плече и подвешивающего их от столба к столбу, возникнет общее ощущение, что в фотофоне профессора Белла есть что-то, что подвергает человеческую доверчивость колоссальному испытанию.

Однако во время их прорыва в феврале 1880 года Белл был невероятно горд этим достижением, вплоть до того, что он хотел назвать свою вторую дочь «Фотофон», что было тонко оговорено его женой Мейбл Белл (вместо этого они выбрали «Мариан», а «Дэйзи» было ее прозвищем ). [23] Он писал с некоторым энтузиазмом: [4] [24]

Я слышал членораздельную речь солнечного света! Я слышал, как луч солнца смеялся, кашлял и пел! ...Я мог слышать тень и даже воспринимал на слух прохождение облака по диску солнца. Вы — дедушка фотофона, и я хочу поделиться своей радостью от своего успеха.

—  Александр Грэхем Белл , в письме к своему отцу Александру Мелвиллу Беллу от 26 февраля 1880 г.

Белл передал права интеллектуальной собственности на фотофон компании American Bell Telephone Company в мае 1880 года. [25] Хотя Белл надеялся, что его новый фотофон сможет использоваться на кораблях в море, а также заменит множество телефонных линий, которые процветали вдоль оживленных городских бульваров, [26] его конструкция не смогла защитить передачи от внешних помех, таких как облака, туман, дождь, снег и тому подобное, которые могли легко нарушить передачу света. [27] Такие факторы, как погода и отсутствие света, препятствовали использованию изобретения Белла. [28] Вскоре после изобретения лаборатории в Bell System продолжили совершенствовать фотофон в надежде, что он сможет дополнить или заменить дорогостоящие обычные телефонные линии . Его самое раннее неэкспериментальное использование произошло в военных системах связи во время Первой и Второй мировых войн, его ключевым преимуществом было то, что его световые передачи не могли быть перехвачены противником.

Белл размышлял о возможном научном использовании фотофона в спектральном анализе искусственных источников света, звезд и солнечных пятен . Позже он также размышлял о его возможных будущих применениях, хотя он не предвидел ни лазерной , ни волоконно-оптической телекоммуникации : [24]

Можете ли вы представить себе, какое будущее ждет это изобретение!... Мы сможем общаться с помощью света на любом видимом расстоянии без каких-либо проводов... В общей науке с помощью фотофона будут сделаны открытия, о которых сейчас и не мечтают.

Дальнейшее развитие

Эрнст Румер на своей «фотоэлектрической» оптической телефонной станции. (1905) [29]

Хотя исследователи Bell Telephone внесли несколько скромных усовершенствований в конструкцию Белла и Тейнтера, радиопередачи Маркони начали значительно превосходить максимальную дальность фотофона уже в 1897 году [8] , и дальнейшее развитие фотофона было в значительной степени приостановлено до начала немецко-австрийских экспериментов на рубеже 20-го века.

Немецкий физик Эрнст Румер считал, что повышенная чувствительность его усовершенствованных селеновых ячеек в сочетании с превосходными приемными возможностями «говорящей дуги» профессора Х. Т. Саймона сделает фотофон практичным для передачи сигналов на большие расстояния. Румер провел серию экспериментальных передач вдоль реки Хафель и на озере Ванзее с 1901 по 1902 год. Он сообщил о достижении расстояния передачи в хороших условиях в 15 километров (9 миль), [30] с одинаковым успехом и днем, и ночью. Он продолжал свои эксперименты вокруг Берлина до 1904 года совместно с немецким флотом, который поставлял мощные прожекторы для использования в передачах. [31]

Немецкая компания Siemens & Halske увеличила дальность действия фотофона, используя модулированные током угольные дуговые лампы, которые обеспечивали полезный диапазон около 8 километров (5,0 миль). Они производили устройства на коммерческой основе для немецкого флота , которые были дополнительно адаптированы для увеличения их дальности до 11 километров (6,8 миль) с использованием голосовых модулированных корабельных прожекторов . [5]

Исследования Британского Адмиралтейства во время Первой мировой войны привели к разработке вибрационного зеркального модулятора в 1916 году. Более чувствительные молибденитовые приемные ячейки, которые также имели большую чувствительность к инфракрасному излучению, заменили старые селеновые ячейки в 1917 году. [5] Правительства Соединенных Штатов и Германии также работали над техническими усовершенствованиями системы Белла. [32]

К 1935 году немецкая компания Carl Zeiss начала производить инфракрасные фотофоны для танковых батальонов немецкой армии , используя вольфрамовые лампы с инфракрасными фильтрами, которые модулировались вибрирующими зеркалами или призмами. Они также использовали приемники, которые использовали детекторные ячейки и усилители на основе сульфида свинца , увеличивая их дальность до 14 километров (8,7 миль) при оптимальных условиях. Японская и итальянская армии также пытались разработать аналогичные световые телекоммуникации до 1945 года. [5]

Несколько военных лабораторий, в том числе в Соединенных Штатах, продолжали исследования и разработки в области фотофона в 1950-х годах, экспериментируя с паровыми лампами высокого давления и ртутными дуговыми лампами мощностью от 500 до 2000 Вт. [5]

Поминки

С ВЕРХНЕГО ЭТАЖА ЭТОГО ЗДАНИЯ
3 ИЮНЯ 1880 ГОДА
ПО ЛУЧУ СВЕТА НА СТРИТУ «L» ДОМ 1325
ПЕРВОЕ В МИРОВОЙ ИСТОРИИ БЕСПРОВОДНОЕ ТЕЛЕФОННОЕ СООБЩЕНИЕ
.
АППАРАТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ ДЛЯ ОТПРАВКИ СООБЩЕНИЯ,
БЫЛ ФОТОФОН, ИЗОБРЕТЕННЫЙ АЛЕКСАНДРОМ ГРЭМОМ БЕЛЛОМ, ИЗОБРЕТАТЕЛЕМ ТЕЛЕФОНА . ЭТА ТАБЛИЧКА БЫЛА ПОМЕЩЕНА ЗДЕСЬ
АЛЕКСАНДРОМ ГРЭМОМ БЕЛЛОМ ГЛАВА ТЕЛЕФОННЫЕ ПИОНЕРЫ АМЕРИКИ 3 МАРТА 1947 ГОДА СТОЛЕТИЕ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ Д-РА БЕЛЛА





Маркер на здании школы Франклина, посвященный первому официальному судебному разбирательству

3 марта 1947 года, в столетие со дня рождения Александра Грэхема Белла , Американские пионеры телефонной связи установили историческую отметку на стене одного из зданий, школы Франклина , которую Белл и Самнер Тейнтер использовали для своего первого официального испытания на значительном расстоянии. Первоначально Тейнтер стоял на крыше школьного здания и передавал Беллу сигнал из окна своей лаборатории. Отметка не признавала научный и инженерный вклад Тейнтера. [ оригинальное исследование? ]

19 февраля 1980 года, ровно через 100 лет после первой фотофонной передачи Белла и Тейнтера в их лаборатории, сотрудники Смитсоновского института , Национального географического общества и Bell Labs компании AT&T собрались на месте бывшей лаборатории Белла Вольта по адресу 1325 «L» Street в Вашингтоне, округ Колумбия, чтобы отметить это событие. [11] [33]

Празднование столетия фотофона впервые было предложено исследователем электроники и писателем Форрестом М. Мимсом , который предложил его доктору Мелвиллу Беллу Гросвенору , внуку изобретателя, во время визита в его офис в Национальном географическом обществе. Историческая группа позже отметила столетие первой успешной лабораторной передачи фотофона, используя демонстрационный фотофон, сделанный вручную Мимсом, который функционировал аналогично модели Белла и Тейнтера. [20] [Примечание 1]

Mims также построил и предоставил пару современных ручных светодиодных приемопередатчиков на батарейках , соединенных 100 ярдами (91 м) оптоволокна . Ричард Гундлах из Bell Labs и Эллиот Сивович из Смитсоновского института использовали устройство на памятной церемонии, чтобы продемонстрировать одного из современных потомков фотофона. Национальное географическое общество также организовало специальную образовательную выставку в своем Зале исследователей, выделив изобретение фотофона оригинальными предметами, заимствованными из Смитсоновского института. [34]

Смотрите также

Ссылки

Сноски

  1. ^ Демонстрационная модель была копией в принципе, но не идентичной модели Белла и Тейнтера. Передатчик памятной модели представлял собой тонкое зеркало, приклеенное к короткой алюминиевой переговорной трубке, а ее приемник — кремниевый солнечный элемент и аудиоусилитель, оба установлены в корпусе фонаря.

Цитаты

  1. ^ Брюс 1990, стр. 336
  2. ^ Джонс, Ньюэлл. Первое «радио», построенное жителем Сан-Диего, партнером изобретателя телефона: ведет дневник впечатлений от Белла, архив 2002-02-19 в Wayback Machine , San Diego Evening Tribune, 31 июля 1937 г. Получено с веб-сайта исторического факультета Университета Сан-Диего, 26 ноября 2009 г.
  3. ^ Брюс 1990, стр. 338
  4. ^ ab Carson 2007, стр. 76–78
  5. ^ abcdefghi Грот, Майк. Photophones Revisted, журнал «Amateur Radio», Wireless Institute of Australia , Мельбурн, апрель 1987 г., стр. 12–17 и май 1987 г., стр. 13–17.
  6. ^ ab Mims 1982, стр. 11.
  7. ^ Филлипсон, Дональд Дж. К. и Нильсон, Лора Белл, Александр Грэм, Канадская энциклопедия онлайн. Получено 06.08.2009
  8. ^ ab Mims 1982, стр. 14.
  9. ^ Морган, Тим Дж. «Волоконно-оптическая магистраль», Университет Северного Техаса , 2011.
  10. ↑ Миллер, Стюарт Э. «Световые волны и телекоммуникации», American Scientist , Sigma Xi, Научно-исследовательское общество, январь–февраль 1984 г., т. 72, № 1, стр. 66–71, Issue Stable URL.
  11. ^ ab Галлардо, Артуро; Мимс III, Форрест М. Волоконно-оптическая связь началась 130 лет назад, San Antonio Express-News , 21 июня 2010 г. Доступ 1 января 2013 г.
  12. ^ Кларк, Дж. Введение в связь с оптическими носителями, IEEE Students' Quarterly Journal, июнь 1966 г., т. 36, вып. 144, стр. 218–222, ISSN  0039-2871, doi :10.1049/sqj.1966.0040. Получено с веб-сайта IEEExplore 19 августа 2011 г.
  13. ↑ Белл, Александр Грэм (28 мая 1881 г.). «Производство звука лучистой энергией». Science . 2 (48): 242–253. doi :10.1126/science.os-2.49.242. JSTOR  2900190. PMID  17741736 . Получено 11 октября 2022 г. .
  14. ^ Белл, Александр Грэм . «О производстве и воспроизведении речи светом», American Journal of Science , октябрь 1880 г., т. 20, № 118, стр. 305–324.
  15. ^ Гросвенор и Вессон 1997, стр. 104.
  16. ^ Эрнест Виктор Хейн, Огонь гения: изобретатели прошлого века: на основе файлов Popular Science Monthly с момента его основания в 1872 году, Anchor Press/Doubleday – 1976, стр. 74
  17. ↑ Мимс 1982, стр. 6–7.
  18. ↑ Мимс 1982, стр. 7.
  19. ↑ Мимс 1982, стр. 10.
  20. ^ ab Mims 1982, стр. 12.
  21. ↑ Редакционная статья, The New York Times , 30 августа 1880 г.
  22. ↑ International Fiber Optics & Communication, июнь 1986 г., стр. 29.
  23. ^ Карсон 2007, стр.77
  24. ^ ab Брюс 1990, стр. 337
  25. ^ Брюс 1990, стр. 339
  26. ↑ Хехт, Джефф. Волоконная оптика вызывает прошлое, New Scientist , 12 января 1984 г., стр. 12–13.
  27. ^ Карсон 2007, стр. 77–78.
  28. ^ Карсон 2007, стр.78
  29. ↑ Обложка Technical World , март 1905 г.
  30. ↑ «Переписка: Беспроводная телефония» (письмо Эрнста Румера от 30 октября 1902 г.), The Electrician , 7 ноября 1902 г., стр. 111.
  31. ↑ Беспроводная телефония в теории и практике Эрнста Румера, 1908, страницы 55–59.
  32. ↑ Мимс 1982, стр. 14–17.
  33. ^ Хехт, Джефф. «Пряжи из технологических джунглей: кремниевые соединения: становление в электронную эру», New Scientist , 27 февраля 1986 г., стр. 50–51.
  34. ↑ Мимс 1982, стр. 6 и 12.

Библиография

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите слово «фотофон» в Викисловаре, бесплатном словаре.