雷金纳德·费森登和声纳的发明

一位无线电先驱如何改变了海上生活。

通过詹姆斯Dinneen| 2020年5月19日
画在波涛汹涌的海上沉船

南塔开特海难(风暴后南塔开特海难)美国艺术家威廉·布拉德福德(约1860-1861)

大都会艺术博物馆

1899年,当纵帆船上的船员沿着熟悉的路线去波士顿时爱德华丰富在浓雾中迷失了方向这艘船它撞在防波堤的岩石上,破碎的橡木船壳很快就被水填满了。船员们仍在海岸的视野之内,任由那艘毁坏的船在海浪中颠簸。

这次沉船意义重大,因为它是普通的。在1890年到1900年间,一千多艘像爱德华丰富在多雾的北美海岸沉没。灯塔有时装上铃铛和警报器,在黑暗中警告船只,但灯塔所能做的也就这么多了,而且它们对保护船只免受水下障碍物或漂浮冰山的伤害毫无作用。也没有准确的海底地图来帮助飞行员在盲航时导航。一艘船在雾中挑战命运。

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海岸线彩色地图

美国灯塔局出版的一份地图的细节,显示沿马萨诸塞海岸安装的灯塔网络,1898年。

纽约公共图书馆

1901年,一组工程师成立了海底信号公司(SSC)来解决雾的问题。他们的计划是由美国灯塔委员会在12年前提出的,是创建一个水下钟系统,引导船只绕过最危险的岩石、暗礁和浅滩。装有水下麦克风(被称为水听器)的船只会听到钟声的声音,并循着声音驶往安全的港口。因为声音在水中传播的距离比在空气中传播的距离要远,所以这种沉重的水下钟的声音的传播范围要比灯塔发出的任何声音的传播范围大得多。

到1912年,SSC已经在北美、欧洲和亚洲的海岸线上安装了一百多个钟形阵列。生意很稳定,但并不兴旺。1912年4月14日,一艘巨型轮船在横渡大西洋的处女航中撞上冰山沉没,1500多人丧生,公众的注意力转向了海上安全。在两年内,SSC将拥有一种可以防止另一场此类灾难的技术——一种利用水下回声测量距离的设备。尽管SSC缓慢地意识到该设备的潜力,但这项发明最终将改变海战和我们对海洋的理解。

幸运的是,被SSC选中建造这个装置的顽固发明家对无线电的了解比他对海洋的了解还要多。

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灯塔和大海的黑白照片

灯塔和码头,勒阿弗尔,法国摄影师古斯塔夫·勒·格雷(Gustave Le Gray, 1857年)

保罗·盖蒂博物馆


四天前《泰坦尼克号》SSC高管哈罗德·费伊(Harold Fay)在波士顿火车站偶遇老熟人雷金纳德·奥布里·费森登(Reginald Aubrey Fessenden)。几年前,费伊在贝尔实验室遇到了这位令人印象深刻的红发加拿大人。费森登曾来贝尔实验室为他的“无线电话”(也就是我们所说的无线电)实验寻找功率更大的发射机。当时,费森登是一位著名的发明家,他是第一个成功使用无线电波传输声音的人,也是第一个在1906年实现跨大西洋双向广播的人。

费伊认为费森登也许能解决SSC的门铃系统的问题,于是他邀请那位工程师第二天早上到公司的办公室来。SSC的水下钟工作得很好,但基于托马斯·爱迪生设计的麦克风的水听器需要改进。他们捕捉到的频率范围太广,钟声的声音被溅起的水和轮船引擎的轰鸣声掩盖了。船只常常不得不完全停止航行,以便水听器操作员听到钟声并计算方向。

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男孩卖报纸的黑白照片

报童内德·帕费特在白星航运公司伦敦办事处外《泰坦尼克号》1912年4月16日。

维基共享

当被吸引到聚光灯下时《泰坦尼克号》菲森登对商业伙伴持怀疑态度,因为他们似乎总是干涉他的发明。他要价1万美元,这是一笔不小的数目。他还宣称,与其改进水听器,他想制造一种更好的“钟”,一种能产生连续音调的“钟”,他怀疑这种声音在水下比仅仅是一个烟斗更容易听到。

费伊驳回了费森登荒谬的费用和他对新发射机的推销。SSC只致力于改进水听器。一反常态,Fessenden妥协。正如他的妻子兼传记作者海伦后来解释的那样,他无法抵抗这种挑战,他机智地战胜了“那些岩石和浅滩、冰山和雾等无声的危险,以及大自然无声的威胁和毁灭。”而且,他需要一份工作。


1866年,费森登出生在说法语的魁北克,家庭成员都是狂热的英国效忠者。20岁时,他在发明家托马斯·爱迪生的纽约市发电机和电机工厂找到了第一份科学工作。不到一年,费森登就搬到了爱迪生位于新泽西州西奥兰治的新实验室,在那里,他发明了一种电线阻燃涂层,并因此晋升为首席化学家。但两年后,爱迪生陷入财政困境,他发现自己失业了。尽管Fessenden在他的余生中都将爱迪生奉为偶像,但这一事件让他对私营企业产生了不信任,而且在随后的几年里,这种不信任只会加剧。他后来抱怨道:“在大企业中,似乎出现了日益严重的干旱、官僚主义和愚蠢的主动牺牲,尤其是恐惧。”

在西屋电气公司(Westinghouse)从事发电机研究并担任电气工程教授一段时间后,Fessenden被美国气象局(U.S. Weather Bureau)要求着手研究当时尚未得到验证的无线通信技术,即上世纪的5G。他、海伦和他们的儿子搬到了波托马克河上的一个小岛上,在那里,费森登证明了声音可以通过振幅调制(现在更广为人知的是AM)通过无线传输。

1902年,在他看来,美国气象局试图接管他的专利,受够了这种做法,Fessenden辞职,并与匹兹堡的两位百万富翁联手,使无线信号在商业上可行。尽管技术上取得了进展,但两国关系也出现了恶化。1910年,由于仍不愿与商业伙伴妥协,费森登被解雇了。

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一群人的黑白照片

雷金纳德Fessenden (坐着)和他的儿子(抱着猫)和位于马萨诸塞州布兰特罗克的国家电力信号公司的员工,他在那里研究跨大西洋无线电报(1906年)。

北卡罗莱纳州档案馆

历史学家加里·l·弗罗斯特(Gary L. Frost)写道:“尽管费森登拥有非凡的技术想象力,但他常常无法掌握理解他人观点的技巧。”海伦对这个男人的看法更能说明问题:“他认为自己的判断比大多数人更明智,做出决定后,他会竭尽全力让这个决定坚持下去。”半是自负,半是顽固,这不会是费森登的职业生涯最后一次因为他的个性而受到影响。

匹兹堡合资企业的后果使得Fessenden实际上被禁止在无线领域工作。他发现自己无所事事,毫无灵感,无休止地捍卫自己的专利。然后他的老朋友哈罗德·费伊问他是否想研究水下声学,每个人都在谈论《泰坦尼克号》。

在SSC,菲森登一如既往地顽固。他和费伊签了一份改进水听器的合同,但三个月后,他回来了,却没有一台水听器,至少不完全是。相反,他发明了一种既能发送声音又能接收声音的新型换能器。费森登在他的雇主的指令中发现了一个漏洞:他按照承诺,同时创建了一个接收器,他认为,这是一种发射器,有许多潜在的应用价值。他最终将其命名为Fessenden振荡器,以免人们忘记它的起源。

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黑白照片上的人与设备在船上

潜艇信号公司工程师罗伯特·威廉姆斯在拖船上测试Fessenden振荡器苏茜D在波士顿港,1914年。

美国国家海洋和大气管理局中央图书馆

振荡器本身看起来就像一个大喇叭,可以安装在船体上,也可以直接放进水里。在一个重达1200磅的钢筒内,有一根空心铜管紧紧地缠着电线。当交流电流通过导线时,管子会迅速振动。连接管子一端的钢板或隔膜以相同的频率振动,发出响亮的“砰”声。该系统还可以作为一种聚焦麦克风反向工作,调谐设备以挑选出它产生的相同频率。用于调整振荡器线圈的技术直接受到Fessenden早期无线电接收器调谐实验的启发。

在他的职业生涯中,他一直在通过无线电传送声音。现在他要在水下做。


在向SSC提交振荡器两年之后,Fessenden发现自己回到了加拿大的家,登上了切割机迈阿密在哈利法克斯港。在波士顿港进行的测试证明,该振荡器成功地在拖船之间发送和接收莫尔斯电码。现在Fessenden和两名SSC工程师想要在真实的冰山上测试它的回声测距能力。Fessenden不相信其他人能进行测试,坚持要加入探险队。

迈阿密1914年4月7日,在纽芬兰大浅滩(Grand Banks of Newfoundland)附近的浮冰上,一艘被他称为“矮胖小船”(tubby little boat)的小船驶去。对于四肢修长的费森登来说,船太小了,他的头不停地撞东西。在写给海伦的信中,他抱怨说,4月14日,当他看到第一块冰原时,他的“stocies”已经用完了,他渴望继续进行测试。

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黑白照片上的男人和设备在绳子上

雷金纳德·费森登和他1915年的振荡器科学美国人补充。

NOAA照片库

4月27日迈阿密靠近一座浮出海面130英尺的冰山。船长吹响了汽笛,费森登和SSC的一名工程师在栏杆旁聆听着回音。但是冰墙却沉默不语。在雾中它是看不见的。

两人把振荡器吊到冰冷的水中,然后扔到10英尺深的地方。他们能用声音来观察冰吗?他们能把这件事做得足以使一艘载着二千四百个人的轮船相信吗?费森登拿出他的秒表。准备,设置. . . .

ping信号在寒冷的海水中以每秒4800英尺的速度疾驰而过:在540赫兹的频率下,它的音调与a拨号音但吵。声波撞击冰山,以不同的角度折射。一秒钟多一点后,回声回到振荡器上,提示费森登停止手表。距离等于速度乘以时间。回声ranging-sonar-was诞生了。

第二天早上,船员们做了另一个实验,把振荡器对准海底进行回声测深。在相对较浅的水域,回声返回的速度太快,秒表几乎无法准确记录,但信号强烈而清晰,足以让甲板下的船员听到回声返回。这意味着:几个世纪以来,通过将砝码下放到海底进行深度测量的辛苦而不准确的做法正在消亡。

除了在导航方面的价值外,回声测距和回声测深最终将被证明对潜艇战、海洋学和商业捕鱼至关重要。特别是回声测深所提供的准确性和效率,使详细测绘海底地图成为可能,揭示裂缝带和海底山、深海平原和环绕世界的火山脊,而这些地方曾经被认为是平坦的、毫无特色的平原。这些水深地图会直接影响20世纪60年代的板块构造革命,甚至今天的回声探测仍然是新发现的源泉

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中世纪船上水手的木刻画

在这幅来自瑞典制图师奥劳斯·马格纳斯的木刻版画中,水手们用铅线测量深度这是我们的历史《北方民族描述》(1555年)

维基共享

但令Fessenden懊恼的是,SSC没有追求这些能力,至少没有立即。在第一次世界大战的筹备过程中,该公司成功地向世界各国的军队推销了这种设备,但只是作为一种水下信号装置,而不是回声测距仪或回声测深仪。尽管该公司的股价上涨了一倍多,费森登,他是为了防止一场灾难,就像发生在《泰坦尼克号》,非常愤怒。他写道:“直到宣战前不久,我和公司的关系一直是非常融洽的。”

最让英国忠实者恼火的是,SSC向同盟国和同盟国推销这款振荡器,直到美国在1917年参战。SSC的主管们也有自己的不满。在一次去英国的销售之旅中,Fessenden秘密地试图向皇家海军出售振荡器的测距能力,尽管接到命令不能这样做。

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老年男子的黑白照片肖像

Reginald Fessenden(约20世纪20年代)

加拿大图书馆和档案馆

尽管在英国差点因为胡闹而被解雇,Fessenden继续推广他的振荡器的回声测距能力。在战时管理潜艇技术开发的新成立的潜艇委员会的监督下,他傲慢的态度和对企业政治的嘲笑,再次成为敌人。1919年凡尔赛条约签署后,他被赶出了南苏丹委员会。1923年,在Fessenden的旁观下,SSC终于开始将这种振荡器推广为“测深仪”,一种回声探测设备。

由于他的振荡器的成功和几次关于专利权的斗争的有利结论,日渐衰老的费森登变得富有起来,他转向了写作、哲学化和使阴谋论永垂不朽。他宣称,一个名为“研究理事会”(Research Council)的国际组织正在策划控制像他这样的天才个人的发明。他提出了一种关于发明创造的基因或“孟德尔式”起源的种族主义理论,该理论支持特定的“种族”因素,比如像他自己一样是盎格鲁-撒克逊人。他还写了一本书推测失落的亚特兰蒂斯城的位置。

1928年,费森登和妻子在百慕大买了一套房子,他们多年前就在那里相识。1932年,他死在那里,在接下来的8年里,海伦为他写传记,Fessenden:未来的建设者。她的书出版于1940年,为保存她经常被冷落的丈夫的记忆(和尖刻)做了很多。他的遗产包括数百项专利,但他最被人记住的是他在广播领域的工作。费森登振荡器就在表面之下。

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雾气弥漫的海景油画,隐约可见船只

Meeresstrand im Nebel(雾中的海滨),德国画家卡斯帕·大卫·弗里德里希,约1807年。

瞭望台