Сложно поспорить с фактом полной и бесповоротной зависимости современного мира от микрофонов. Эти электроакустические устройства встречаются буквально повсюду – на различных театральных и концертных сценах, в студиях звукозаписи, в смартфонах, наушниках и компьютерных гарнитурах. С их помощью люди исследуют подводные акустические колебания, общаются друг с другом в космосе, получают ЦУ или нагоняй от руководства – да что только не проходит через всеслышащее микрофонное ухо!
В этом материале мы расскажем, как появились эти искусственные слухачи и как мы дошли до такого микрофонного безумия.
Что было в начале?
Стаканчики, соединённые нитью… Образ, который подавляющее большинство современных людей видели в кино, читали описание в книгах, а кто-то в детстве и сам пробовал соорудить подобное нехитрое изобретение. Аналогичные устройства люди использовали аж тысячу лет назад (например, индейцы Южной Америки), и вполне возможно, что учёные найдут такие безделушки у более ранних цивилизаций. Это элементарный, но гениальный в своей простоте акустический девайс, основанный на передаче звуковых вибраций по простейшей струне-трансмиттеру. Несмотря на доподлинные свидетельства существования ранних «акустических телефонов», пионером в передаче звука этим способом многие учёные считают английского физика и естествоиспытателя Роберта Гука.
Само слово "микрофон" появилось лишь в XIX веке. Придумал термин в 1827 году англичанин сэр Чарльз Уитстон – член Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук, весьма значительная и заметная фигура в научных кругах того времени. Он одним из первых догадался о волновой природе звука, создал несколько устройств для усиления звуковых колебаний и поименовал их «микрофонами» (от греч. mikros – «маленький», и phone – «звук», «голос»).
В 1861 году, после нескольких лет работы, немецкий учёный Иоганн Филипп Рейс представил на суд общественности электрический телефон, преобразовывавший звук в электросигналы. Затем эти сигналы передавались по проводу на аналогичное устройство, которое снова преобразовывало их в звук.
«Микрофонная» часть устройства Рейса работала следующим образом: поверх закрытой деревянной коробки горизонтально натягивалась пергаментная диафрагма. Спереди в корпус был врезан рупор, откуда звук поступал в коробку.
Над диафрагмой располагались две латунные полоски: одна, с контактом из капельки ртути, – по центру диафрагмы, другая, с платиновым контактом, – непосредственно над первой.
Когда через рупор в устройство поступали звуковые волны, пергамент вибрировал, а сопротивление между двумя контактами пропорционально изменялось. В результате электрический сигнал передавался на импровизированный "динамик".
Рейс активно занимался усовершенствованием телефона, бескорыстно делясь открытиями с научным сообществом. К сожалению, сам изобретатель так и не смог окончательно доработать своё детище по причине слабого здоровья и раннего туберкулёза, и скончался в 1874 году, прожив всего 40 лет. Тем не менее, ранний телефон Рейса вполне можно утвердить в качестве начальной точки для всех последующих изобретений в микрофонной области. И вот…
Битва титанов
…и вот грянул 1876. Этот год без преувеличения стал определяющим во всей истории микрофона. Предыдущие события просто обязаны были прийти к этой отсечке, ключевой метке, когда маховик прогресса начал неумолимо наращивать обороты. На бурлящих полях изобретательских и, главное, патентных сражений наметились главные игроки. Пойдём по действующим лицам последовательно, чтобы избежать излишней путаницы.
Первым героем научного прорыва был Александр Грэм Белл – урождённый шотландец, а впоследствии – один из известнейших мыслителей, инноваторов и предпринимателей Америки.
В 1876 году Александр Белл ворвался в ещё не оформившуюся область телекоммуникации со своим оригинальным запатентованным изобретением – первым телефонным аппаратом с жидкостным передатчиком. Сейчас считается, что «водяной микрофон» был совместным изобретение А. Г. Белла и Элиши Грея (хотя ряд исследователей утверждают, что Белл фактически украл идею у Грея), а связанный с получением патента сюжет похож на лихо закрученный экономический триллер. Так или иначе, 7 марта 1876 года на Белла был оформлен патент «Усовершенствования в телеграфии», который будет признан самым дорогостоящим в истории.
Жидкостный передатчик Белла изготавливался из металлического рупорообразного резервуара, наполненного водой с небольшим количеством серной кислоты для электропроводности. Поверх рупора располагалась пергаментная мембрана, к которой крепилась металлическая игла (или стержень). Другой конец иглы был погружён в жидкость, не касаясь при этом стенок резервуара. Колебания иглы или стержня в воде вызывали изменение сопротивления раствора.
Отдельно подведённый провод, едва касающийся жидкости, передавал на приёмник электрический сигнал и преобразовывался в звук.
Главными недостатками конструкции Белла были слабая передача звука при увеличении расстояния и плохая конвертация акустического сигнала в электрический. Кроме того, жидкостный микрофон был откровенно неудобен и не выгоден с коммерческой точки зрения. Стало очевидно, что для налаживания массового производства устройство требовало доработки.
Пристально следившие за разработками Рейса и Белла Эмиль Берлинер и Томас Эдисон тут же взялись за дело. Результатом этой работы стал первый настоящий микрофон – угольный.
Угольный микрофон был официально представлен общественности в 1877 году. Он состоял из пары металлических пластинок, между которыми были помещены угольные гранулы. Всё это заключалось в герметичную капсулу. Одна пластинка – та, что потолще – крепилась неподвижно, а другая – очень тонкая – играла роль мембраны. Попадая на мембрану, звуковые волны заставляли её вибрировать и оказывать давление на угольный порошок. При этом менялась площадь контакта между зёрнышками угля, а это, в свою очередь, приводило к изменению электрического сопротивления между пластинками.
На пластинки подавался постоянный ток. Изменения сопротивления приводили к электромодуляциям напряжения, зависящим от звукового давления на мембрану.
Споры о том, кто конкретно из двух американцев первым создал угольный микрофон, не утихают по сей день. Кто-то отдаёт авторство Берлинеру, кто-то – Эдисону. 4 июня 1877 года Эмиль Берлинер подал патентную заявку, но делопроизводство завязло в бюрократических интригах. Как бы там ни было, годом позже, в 1878, Александр Белл за кругленькую сумму в 50 000 долларов покупает у Берлинера патент в надежде улучшить собственный телефон. Затем ассистент Белла, Томас Уотсон, приглашает Эмиля на работу в свою компанию Bell Telephone Company of Massachusetts (BTC) и фактически монополизирует производство телефонов, так как на тот момент никто не смог сконструировать микрофона, не затрагивая технологию Берлинера. А в 1892 г. в ходе жаркой и неоднозначной юридической дискуссии Верховный суд США постановил, что изобрел микрофон всё-таки Томас Эдисон. Первоначальный патент был аннулирован и передан Эдисону.
С именем Томаса Эдисона связан ещё один интересный факт из области телефонии. Именно он в 1877 году предложил использовать в начале переговоров слово "hullo" – видоизменённое "hello", которое в русском прижилось как "алло". До того свой вариант "ахой" - корабельное приветствие - пытался внедрить и Белл, но в итоге "алло" Эдисона оказалось более жизнеспособным.
Надо сказать, что параллельно с главным американским дуэтом в далёкой Англии тот же тип микрофона создал известный физик Дэвид Эдвард Хьюз. Более того, свою конструкцию Хьюз показал раньше Берлинера и Эдисона, но не стал получать патент, окрестив изобретение «даром всему миру».
Микрофон Хьюза представлял собой горизонтальную пластину с закреплёнными вертикально угольными стержнями. На верхней части стержней были углубления, в которых горизонтально помещался третий стержень. Движение мембраны провоцировало колебание пластины, а соответственно, и угольной перекладины, которая то сильнее, то слабее прикасалась к двум другим стержням. В местах соприкосновения происходило соответствующее изменение сопротивления, а значит, силы тока. Этот процесс транслировал колебания на мембрану приемника.
В 1890 году Энтони К. Уайт создал доработанный микрофон с использованием таблетки из гранулированного угля, размещенной между неподвижным электродом и подвижной мембраной. В итоге подобная конструкция будет использоваться во всех телефонах Bell вплоть до 1980-х годов.
В связи с угольным микрофоном нельзя не упомянуть и двух других изобретателей – польского инженера Генриха Махальского и русского – Павла Михайловича Голубицкого. Оба они конструировали усовершенствованные версии телефонов на угольных микрофонах в первую очередь для нужд железнодорожников.
Махальский всю жизнь работал на железных дорогах – сначала на линии Краков — Вена, а потом на линии Львов — Черновцы- Яссы. В 1879 он запатентовал собственный порошковый микрофон, который послужил основой его телефонной системы. 30 апреля 1881 телефон Махальского впервые использовался для передачи звука концерта, проходившего в городе Жолква, за 25 км во Львов. Потом это устройство так и продолжили использовать на линии Львов — Черновцы.
П. М. Голубицкий известен своими усовершенствованиями телефонов Белла, которые использовались на железных дорогах Российской империи. Павел Михайлович окончил физико-математический факультет Петербургского университета и с юного возраста увлекался электронными разработками и телефонией.
Он тщательно изучил проблемы использовавшихся американских телефонов, главными из которых были малая дальность связи (около 10 км), а также не лучшее качество сигнала, и 1882 году изобрёл многополюсный телефон.
Голубицкий понял, что проблемы работы устройств Белла кроются в воздействии магнитного поля на центр мембраны. Он доработал конструкцию, собрав микрофон из двух токопроводящих пластин с угольным порошком между ними.
После демонстрации на линии Париж — Нанси в 1883-м его изобретение поразило европейцев –телефонные аппараты Голубицкого справились с организацией сообщения на расстоянии более 350 км.
В дальнейшем, Павел Михайлович активно занимался телефонизацией железных дорог. Именно он разработал аппараты, позволявшие звонить из вагонов поезда на вокзалы и станции. На долгое время они стали главным оперативным средством связи на железных дорогах.
XIX век подходил к концу, наступала новая эра, а мир подспудно готовился к глобальному технологическому скачку. В первой половине века XX начался настоящий микрофонный бум. Во второй части статьи поговорим о главных изобретениях этого периода.