Вакуум, конденсаторы, кристаллы
Первая половина XX века принесла с собой огромное количество разнообразных инноваций в области телефонии и электронных коммуникаций. Не обошла волна прогресса и микрофоны. Посмотрим на самые главные изобретения, прямо или косвенно сформировавшие нынешний микрофонный рынок.
В 1904 году сэр Джон Амброз Флеминг, английский инженер-электрик и физик, изобрел первую вакуумную трубку – устройство-выпрямитель тока на двухэлектродной вакуумной электронной лампе. Флеминг назвал её осцилляторным вентилем (также распространилось наименование «диод») и попытался запатентовать, но Верховный суд США признал патент недействительным, поскольку к тому времени технология уже была известна благодаря ряду ранних экспериментов Эдисона, Теслы, Голдштейна и других.
В 1906 году Ли де Форест создал триод, или аудион, представлявший собой доработанную версию вакуумного диода Флеминга. Триод имел очень важное значение в деле создания дальней телефонной и радиосвязи, радаров и первых электронных цифровых вычислительных машин.
Его конструкция состояла из трех электродов – нити накаливания, или катода, сетки и пластины (анода), расположенных внутри вакуумной стеклянной капсулы.
С помощью вакуумных ламп изобретатели смогли улучшить качество микрофонных электрических сигналов. Триодные вакуумные лампы играли роль преобразователей тока и усиливали слабые звуковые сигналы, порождаемые микрофонными капсюлями. Они и сегодня используются в некоторых радиопередатчиках и промышленном оборудовании.
И тут вы спросите: что за трубки, какие лампы, о чём вообще мы читаем? Где наши «майки» – самое главное, для чего все здесь собрались?
Вам ответит Эдвард Кристофер Венте (нет, не тот Венте, который египтолог, его незачем приплетать) – создатель первого конденсаторного микрофона, который по сей день является одним из самых популярных типов микрофонных устройств для студийной звукозаписи.
Имя Венте прочно ассоциируется с двумя основными телефонными компаниями Америки – Western Electric и Bell Telephone Laboratories, в инженерных отделах которых он проработал на протяжении всей своей карьеры вплоть до 1954 года.
В 1916 году, в рамках задачи по улучшению качества звука в телефонных аппаратах, он представил первый по-настоящему высококачественный передатчик на основе электроконденсатора, который наконец позволил улавливать звуки для передачи или записи с недоступной до того точностью и естественностью.
В конструкции конденсаторного микрофона, как и в его угольном предшественнике, используются две пластины – неподвижный электрод, на который подаётся постоянный ток, и тонкая звукоулавливающая мембрана с пустым пространством между ними (фактически, простейшим диэлектриком). Вместе они образуют конденсатор, который при попадании звуковой волны на мембрану, изменяет свою ёмкость. Любые изменения ёмкости вызывают обратно пропорциональное изменения напряжения, которые и формируют полезный сигнал, идущий с микрофона на модуль усиления.
Из-за своей высокой чувствительности, большого динамического диапазона и обязательного внешнего питания традиционные конденсаторные микрофоны целесообразно использовать только в специально оборудованных студиях. Взамен эти передатчики дают высокое качество звука с небольшим количеством искажений и равномерную АЧХ.
В дальнейшем микрофоны конденсаторного типа получили множество усовершенствований, и к ним мы будем возвращаться ещё не раз.
Следующий тип микрофона, с которым нам предстоит познакомиться – пьезоэлектрический или кристаллический.
Первенство в разработке пьезомикрофона принято отдавать французскому физику Полю Ланжевену, который в 1917 году первым использовал пьезоэлектрические кристаллы в звукоулавливающей системе. Устройство Ланжевена использовалось для обнаружения подводных лодок в сочетании с ультразвуковым излучателем.
Свой вариант в 1919 году создал Александр Николсон. Он использовал рошельскую соль (основной пьезоэлемент) в различных громкоговорителях, фонографах и микрофонах, хотя так и не добился создания коммерчески успешного устройства.
Параллельно в СССР пьезоэлектрический микрофон сконструировали один из основоположников отечественной акустики Сергей Николаевич Ржевкин и Александр Иванович Яковлев, в 1928 году оформившие на него патент.
Принцип действия этих устройств основан на пьезоэлектрическом эффекте, т.е. напряжении, возникающем в отдельных кристаллах, испытывающих механическое воздействие.
К диафрагме крепится огранённый пьезокристалл, и когда диафрагма под воздействием звука выгибает или деформирует его, с каждой стороны возникают противоположные заряды. В то время, как большинство микрофонов улавливают звуковые вибрации в воздухе и переводят их в электросигнал, пьезоэлектрические преобразователи работают на основе акустического воздействия на структуру твёрдого материала. Из-за этого их ещё называют контактными микрофонами.
Кристаллические микрофоны 1930-х годов из-за использования рошельской соли были чувствительными к влаге и теплу. Эту проблему решили только к 1950-м заменив соль на керамические материалы: титанат бария и цирконат свинца, которые не теряли своих полезных свойств под воздействием высокой температуры или влажности.
Несмотря на высокую мощность, по частотным характеристикам пьезоэлектрические микрофоны уступали профессиональным динамическим и конденсаторным устройствам, а, соответственно, они никогда не были популярны в студийной среде. Тем не менее, кристаллические элементы широко использовались в телефонных трубках и громкоговорителях public address, а керамические версии применялись в индустрии радиовещания. Несколько последних десятилетий многие именитые производители, такие как Shure, возвращают отдельные модели в производство и делают их доступными для широкой публики.
В 1920 году произошло ещё одно открытие, значительно опередившее своё время – японский учёный и инженер Ёгучи сконструировал конденсаторный микрофон с электретной пластиной. Материал-диэлектрик, из которого была изготовлена пластина, мог долго сохранять поляризованное состояние и поддерживать постоянный заряд конденсатора.
К сожалению, в то время электреты ещё не были достаточно изучены, микрофон оказался дорогим в производстве и имел очень высокое выходное сопротивление. Только через 40 с лишним лет в недрах Bell Laboratories электретную технологию довели наконец до эффективного уровня, позволявшего использовать её в продукции массового производства.
Динамические микрофоны
История ещё одного самого распространённого типа микрофонных преобразователей – динамических микрофонов – началась со знаменитого немецкого промышленника и инженера Эрнста Вернера фон Сименса. В 1877 году основатель всемирно известной компании Siemens и обладатель огромного списка революционных электротехнических изобретений создал и запатентовал первый в мире микрофон с подвижной катушкой.
До серьёзного практического применения эта технология добралась в 1923 году благодаря капитану Генри Джозефу Раунду, возглавлявшему инженерный отдел компании Гульельмо Маркони и бывшему его личным ассистентом. Раунд разработал так называемый катушечный «магнитофон», который широко использовался в лондонских студиях BBC вплоть до начала 1930-х.
Устройство было изготовлено из железного стакана с магнитным стержнем, установленным в центре. Приёмная бумажная диафрагма в виде кольца прикреплялась к окружности стакана с внешней стороны и к магнитному стержню – с внутренней.
Вокруг магнита располагалась свободно висящая алюминиевая катушка, соединённая с диафрагмой.
При колебаниях диафрагмы катушка смещалась в магнитном поле, и на ней индуцировалось переменное электрическое напряжение – собственно, микрофонный сигнал.
Затем электросигнал проходил через два усилительных каскада, состоявших из входного трансформатора, нескольких вакуумных ламп, конденсаторов, резисторов и выходного трансформатора, и на выходе получался аудиосигнал.
В 1931 году уже известный нам по изобретению конденсаторного микрофона Эдвард Венте вместе с Альбертом Тюрасом придумали микрофон с подвижной катушкой в том виде, в котором он дошёл до наших дней. Это была знаменитая модель Western Electric 618A от Bell Labs, после которой катушечные микрофоны начали по-настоящему завоёвывать аудиорынок.
Для того, чтобы проиллюстрировать принцип работы изобретения, процитируем отрывок из статьи в журнале Microphones Explained for Beginners (по-современному, «Микрофоны для чайников») от августа 1938 года, представленный в материале на сайте Shure:
“В микрофонах с подвижной катушкой используется комбинация диафрагмы/звуковой катушки/магнита, которые образуют миниатюрный электрический генератор, приводимый в действие звуком. Акустические волны воздействуют на тонкую пластиковую мембрану (диафрагму), заставляя её вибрировать. Маленькая проволочная катушка (звуковая катушка), прикрепленная к задней части диафрагмы, вибрирует вместе с ней. Небольшой постоянный магнит создает магнитное поле вокруг звуковой катушки. Движение этой катушки в магнитном поле генерирует электрический сигнал сообразно звуку, приходящему на динамический микрофон.”
В сравнении с популярными в то время угольными микрофонами, вариант с подвижной катушкой не требовал внешнего источника питания. Долговечность, высокое качество звукопередачи, малые искажения на высоком звуковом давлении – всё это поспособствовало массовому распространению данной конструкции.
А теперь вернёмся в 1924 год. Тайны электромагнетизма привлекают всё больше практиков и порождают новых устройств-чудовищ, претендующих на захват микрофонного мира.
Очередная изобретательская волна начинается с сумрачного немецкого гения в лице Вальтера Шоттки и его помощника Эрвина Герлаха, которые создали самый первый ленточный микрофон.
Их идея состояла в том, чтобы очень тонкую гофрированную ленту из алюминия, дюралюминия или другого проводящего материала поместить в электромагнитное поле между полюсами. Когда эта лента-диафрагма под воздействием звука начинает колебаться, она генерирует переменное напряжение (звуковой сигнал), которое снимается контактами на концах ленты.
В 1930-х годах, с появлением более мощных магнитов, ленточные микрофоны получили заслуженное признание. Ключевые разработки на этом фронте принадлежат Гарри Фердинанду Ольсону – инженеру Американской радиокорпорации (RCA).
В 1931 году он сконструировал первую коммерчески успешную модель ленточного типа – RCA Photophone Type PB-31. Акустические характеристики этого микрофона на тот момент превосходили все известные конденсаторные устройства, и знаменитый манхэттенский Радио Сити Мьюзик Холл в Рокфеллер-центре закупил PB-31 для своих нужд. На волне успеха уже в следующем году вышел без преувеличения легендарный RCA 44A, положив начало 44 серии, за разработку которой Гарри Ольсон в 2005 году был введён в Зал Славы TEC.
Главным плюсом ленточного микрофона перед конкурентами на раннем этапе развития отрасли считается превосходная АЧХ, способность детально и мягко улавливать высокочастотные детали без чрезмерной агрессии и «хрустальных» всплесков.
Несмотря на бурное развитие технологий (а может, в некотором роде, и благодаря им) мир неумолимо двигался к пропасти, имя которой – Вторая мировая война. Как и любое глобальное потрясение, она инициировала мощнейший технологический скачок, о котором – в следующей части. Разберёмся с шотган-микрофонами, догоним электретную схему и, наконец, оценим всё разнообразие современных технологий.
Если вам было интересно, подписывайтесь. Нам это важно, правда!
