«Ружья» и «пулемёты»
Как упоминалось ранее, Вторая мировая война дала огромный толчок развитию технологий. Мир устроен так, что за военными разработками следует интенсивный рост гражданских изобретений и нововведений – ведь любые боевые действия когда-то закончатся, а прорывные открытия можно будет наконец применить во благо.
Но перед тем, как целиком погрузиться в поствоенные перипетии микрофонной истории, нельзя не упомянуть ещё один интереснейший образчик микрофоностроения – «шотган»-микрофон (дробовик, ружьё, пушка – адаптировать слово shotgun можно на любой вкус, хотя у нас больше прижились «пушки»). Это вариант линейного микрофона с высокой направленностью, сконструированный на основе интерференционной трубки и использующей деструктивную волновую интерференцию, которая и обеспечивает требуемый эффект.
Как и любой другой подвид микрофона, «пушку» не придумали на пустом месте. До него был микрофон-«пулемёт» (machine gun), созданный в недрах Bell Telephone Laboratories Уорреном Мейсоном в конце 20-х годов. Также его иногда называют "органным".
Изначально цель акустического импедансного элемента Мейсона заключалась в обеспечении постоянного акустического сопротивления в широком диапазоне частот. Он добился этого при помощи набора трубок разной длины и запатентовал разработку, изначально не упомянув использование в микрофонах. Тем не менее, Мейсон быстро понял, что из устройства можно создать новый тип высоконаправленного микрофона.
В 1937 году Western Electric, у которой были права на изобретения Bell Labs, представила 618A/E99098 с трубчатым элементом Мейсона в виде насадки для всенаправленного микрофона Western Electric 618A. Модель продавалась как направленный микрофон для киноиндустрии и получила прозвище микрофон-«пулемёт».
И, наконец, в 1941 году небезызвестный нам Гарри Ольсон из RCA получил патент на собственное изобретение, в документации названное «Электроакустическое устройство (Линейный микрофон «Шотган-микрофон»)».
Конструкция представляла собой микрофон с интерференционной трубкой, расположенной перед диафрагмой. Трубка имела тщательно просчитанные прорези для звукового сигнала и отверстие на дальнем конце.
Благодаря этим прорезям звуковые волны, приходящие сбоку, заглушались, а диаграмма направленности микрофона фокусировалась в том направлении, на которое была направлена трубка.
В дальнейшем конструкция Ольсона была значительно усовершенствована и эволюционировала в высокоточные инструментальные микрофоны-«карандаши» (или пальчиковые) с суперкардиоидной и гиперкардиоидной направленностью.
Интересно, что линейные направленные микрофоны довольно часто использовались как подслушивающие устройства, в том числе – в целях разведки и шпионажа.
Транзисторы и электреты
Переходим к открытию, которое качественно изменило мир электронных устройств в целом, и микрофонов в частности. 23 декабря 1947 года американские физики из Bell Laboratories – Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли – презентовали руководству компании рабочий прототип транзистора точечной конструкции. Именно с этот момент принято считать датой рождения транзистора. Уже в следующем году Шокли разрабатывает первый действующий биполярный транзистор с n-p-n переходом, а в 1956 году все трое получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
А началось все ещё в середине 1920-х годов, когда выдающийся физик Юлий Эдгар Лилиенфельд запатентовал самое первое устройство для управления электропотоком основных носителей через электрическое поле, которое предлагал использовать вместо триодных ламп. Это был предшественник так называемого JFET (полевого транзистора с управляющим р-n-переходом), который в дальнейшем стал основным типом транзистора, применяемого в микрофонной технике.
До начала 60-х годов, в связи с нестабильностью работы, транзисторы в микрофонах почти не применялись, но доведение технологии до рабочего состояния и массового производства было делом времени. За 30 лет совершенствования транзисторы практически целиком заменили ламповые конструкции, а схемотехника на них стала намного менее энергозатратной, удобной и миниатюрной.
Вкратце проясним, что же такое транзистор. Это активный полупроводниковый прибор, способный усиливать, генерировать, коммутировать и преобразовывать электрические сигналы. Полевой транзистор имеет три вывода: исток, откуда идёт поток электронов (или положительно заряженных дырок), затвор, управляющий потоком носителей заряда, и сток, где носителю накапливаются. Очень доступно и подробно о транзисторах рассказывается здесь: https://www.ruselectronic.com/polevoj-tranzistor-vvedenie/#_JFET-__PN
Транзисторы используются в схемотехнике активных ленточных и неламповых конденсаторных микрофонов, чтобы ослабить сигнал с высоким сопротивлением до приемлемого уровня и для увеличения напряжения, а, следовательно, усиления микрофонного сигнала.
На фоне достижений в конструировании эффективных JFET-транзисторов и открытий в области электретных материалов инженеры Bell Labs Герхард Сесслер и Джеймс Уэст в 1961 году разработали электретный плёночный микрофон. Изобретение было запатентовано в 1962 году и положило начало массовому производству одного из самых распространённых типов микрофонов.
Здесь для звукоулавливающей диафрагмы использовалась тонкая электретная пленка, способная держать на себе постоянный поверхностный заряд. Колебания диафрагмы при поступлении звукового сигнала приводили к изменению ёмкости, а соответственно – напряжения на конденсаторе.
Благодаря отсутствию необходимости в поляризующем напряжении, электретные микрофоны на стоят гораздо дешевле, чем конденсаторные микрофоны с внешней поляризацией.
Использование полевых транзисторов в качестве предусиления привело к появлению недорогих, эффективных и небольших по размерам электретных микрофонов, которые быстро захватили потребительский рынок.
Больше микрофонов
Рассмотрим ещё несколько важных открытий, значительно повлиявших на микрофонный мир.
Одно из них – создание микрофонов с несколькими диаграммами направленности. Первенство здесь принадлежит Георгу Нойману и его компании Georg Neumann GmbH с их конденсаторным капсюлем M7. Он использовался во многих изделиях компании, например, в знаменитой модели U-47. С помощью двух диафрагм в этом микрофоне реализована комбинация всенаправленной (обе стороны капсюля поляризованы) и кардиоидной диаграммы (поляризована только одна сторона капсюля).
Мультипаттерновые микрофоны позволяют экспериментировать со звукозаписью, подстраиваться под особенности исполнителя, создавать уникальные звуковые образы. Сейчас многие лидеры рынка предлагают самые разные решения в зависимости от стоящих перед звукорежиссёром задач – от микрофонов со сменными «головами» до устройств с переключателями, меняющими направленность.
В 1959 году инженер Shure Чарльз Эрнест «Эрни» Зелер разработал кардиоидный однонаправленный капсюль Unidyne III, и компания представила модель 545 – первый в мире цилиндрический микрофон top-address, который улавливал звук не сбоку, а сверху.
Конструкция Unidyne III позволила разместить его в верхней части микрофона и получить кардиоиду с нулевой точкой внизу.
Главным преимуществом симметричного цилиндрического микрофона была равномерная диаграмма направленности, обеспечивающая лучшее усиление сигнала и меньший уровень шума. Конструкция Зелера позволила использовать более мощные и громкие акустические системы и работать на больших по площади концертных площадках. Позже с капсюлем Unidyne III был разработан один из самых популярных в мире микрофонов Shure SM57, который величают «главным героем рок-музыки».
Ещё одна запутанная история (сколько уже их было за время нашего путешествия!) связана с изобретением беспроводных радиомикрофонов. На первенство тут претендуют и McClelland Sound, и Shure, и Sennheiser.
В середине 40-х годов беспроводные конструкции предлагали в американских журналах Популярная наука и Популярная механика (Popular Science и Popular Mechanics, соответственно). В 1947 году Редж Мур, британский фигурист и инженер Королевских ВВС, придумал вполне рабочий прототип для использования в ледовой постановке «Алладин на льду», прошедшей на ледовом стадионе Брайтона. Запатентовать идею ему не удалось, поскольку для своего устройства Мур незаконно использовал радиочастоту 76 МГц.
Спортивные референсы на этом не заканчиваются. В 1951 для судей бейсбольных матчей свой радиомикрофон соорудил Герберт Макклеланд из McClelland Sound.
В 1953 Shure выпускают на рынок систему Vagabond «88», которая включала в себя микрофон, приемник, батареи и сопутствующую коммутацию. Реклама устройства громко вещала: "...первая применимая на практике беспроводная микрофонная система… никаких кабелей! ...никаких нательных проводов! ... лицензия на пользование станцией не требуется!".
В 1957 году немецкая компания Sennheiser (тогда называвшаяся Lab W) вместе с индустрийным гигантом Telefunken представила свою беспроводную микрофонную систему. С 1958 года она продавалась под с наименованием Mikroport.
В 1958-м уже Sony создают модель CR-4 для театральных и клубных представлений.
Ещё одни немцы – Beyerdynamic – утверждают, что первым беспроводным микрофоном был так называемый "транзистофон", запущенный в производство в 1962 году и использовавшийся для съёмок кино.
И вот, в конце концов, калифорнийский инженер-электрик Рэймонд Литке из Государственного колледжа Сан-Хосе получает первый патент на портативную систему, которую он изобрёл в 1957-м. На выбор предлагались традиционный ручной и миниатюрный петличный микрофоны, а сама система была задумана для использования на телевидении, радио и учебных аудиторий. Корпорация Vega Electronics изготовила конструкцию в 1959 году, выпустив ее под названием Vega-Mike. Впервые устройство было применено журналистами на Национальных съездах Демократической и Республиканской партий 1960 года, чтобы брать интервью у участников, включая кандидатов в президенты Джона Ф. Кеннеди и Ричарда Никсона.
Отдельного упоминания также заслуживают микрофоны типа MEMS (микроэлектромеханические системы), широко использующиеся, например, в смартфонах, видеокамерах, переносных компьютерах и планшетах. По сути, это микрочип, имеющий чувствительную диафрагму, впечатанную в кремниевую полупроводниковую плату. MEMS в основном имеют электретные капсюли, обычно оснащаются встроенными предусилителями и аналогово-цифровыми преобразователями.
Состоит микрофон из интегральной схемы специального назначения (ASIC) и MEMS-датчика, обрабатывающего звуковой сигнал. Принцип действия MEMS примерно такой же, как у обычного конденсаторного микрофона: под давлением диафрагма смещается, ёмкость датчика изменяется и выводится на интегральную схему в виде электрического сигнала. Затем ASIC в свою очередь преобразует сигнал в слышимый звук.
Изобрели MEMS-микрофон в 1983 году знакомый нам Герхард Сесслер, к тому моменту переехавший из Америки домой в Германию, и его коллега Дитмар Хом.
В заключение хотелось бы процитировать знаменитого специалиста по микрофонам, автора замечательной книги The Microphone Book, Джона Иргла:
«Сами по себе микрофоны сейчас развиты настолько высоко, что зачастую сложно понять, где требуются конкретные усовершенствования базовых механизмов». Будущее микрофонов лежит в области цифровой обработки сигнала, развитии сложных конференц-систем, управлении крупными микрофонными массивами и дальнейших исследованиях, связанных с изменяемыми диаграммами направленности.
Конечно, история микрофона помнит ещё немало персоналий, изобретений и открытий, которые трудно вместить в один материал. Отдельного внимания заслуживают наши отечественные разработки, о которых имеет смысл говорить отдельно. Здесь мы постарались охватить основные моменты и ключевые вехи и надеемся, что вам было интересно. Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые статьи!
