Устройство и параметры микрофонов

С давних пор у людей было желание увеличить громкость голоса, чтобы говорить с большими группами людей.

Самые ранние известные устройства для достижения этой цели датируется 600 г. до н.э. с изобретением масок со специально разработанными отверстиями для рта, чтобы акустически усилить голос в амфитеатре.

В 1665 году английский физик Роберт Гук был первым, кто сконструировал устройство, из натянутой проволоки с чашками прилагавшейся на каждом конце. Звуковые колебания голоса, поступавшего в одну чашку, по проволоке передавали во вторую.

Немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс разработал первый звуковой передатчик, который использовал металлическую полоску, прикрепленную к колебательной мембране, которая создавала переменный ток.

Лучшие результаты были достигнуты с «жидкостным передатчиком «Александра Белла в 1876 — диафрагма была прикреплена к проводящему стержню в растворе кислоты. Однако, эти системы, давали очень плохое качество звука.

4 марта 1877 года американский изобретатель Эмиль Берлинер создал первый угольный микрофон. Развитие микрофон получил у американского изобретателя Дэвида Юза (в мае 1878 года). Микрофон Юза содержал угольный стержень с заострёнными концами, упиравшийся в две угольные же чашечки, и соединённый с подвижной мембраной. Площадь контакта угольного стержня с чашечками сильно менялась при колебаниях мембраны, соответственно менялось и сопротивление угольного микрофона, а с ним и ток в цепи. Микрофон Юза совершенствовался многими изобретателями. Весьма значительно усовершенствовал этот тип микрофонов Эдисон. Он предложил использовать угольный порошок вместо угольного стержня, т. е. изобрёл новый вид угольного микрофона с угольным порошком. Автор наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона — Энтони Уайт (1890).

Угольный микрофон практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Из-за этого свойства угольные микрофоны использовались до недавнего времени в телефонных аппаратах (с дисковым номеронабирателем). Однако угольный микрофон отличается плохой амплитудно-частотной характеристикой (он нечувствителен к слишком низким и слишком высоким частотам). Кроме того, в отличие от наиболее распространённого динамического микрофона, угольный требует питания постоянным током.

В Америке между Томасом Эдисоном и Эмилем Бердинером велась долгая судебная тяжба по патентному праву на первый микрофон.

В конечном счете, федеральный суд присудил Эдисон полные права на изобретения, заявив, что «Эдисон предшествует Берлинеру в передаче речи. «Использование углерода в передатчике есть, неоспоримо, изобретение Эдисона» и патент Берлинер сделали недействительным. Идея эта была продолжена американскими изобретателями Александром Беллом и Эмилем Берлинером, последний в 1877 году запатентовал конструкцию микрофона, построенную по такому же принципу. Однако качество передачи речи было довольно низким.

Значительным шагом вперед была конструкция микрофона, запатентованная в 1876 году знаменитым изобретателем А. Беллом, которая представляла собой «жидкостный передатчик». Принцип его устройства был довольно прост: в металлический сосуд был налит водный раствор с небольшим количеством серной кислоты, в котором «плавала» пергаментная диафрагма с присоединенной иглой (позднее — медным стержнем). Когда человек говорил в рупор, диафрагма начинала двигаться вверх-вниз, игла больше или меньше погружалась в раствор, и соответственно менялось сопротивление электрической цепи, к которой был подключен сосуд (изменение сопротивления было обратно пропорционально размеру мениска вокруг погруженной в раствор иглы). Такой «микрофон» был продемонстрирован на выставке в Филадельфии в 1876 году и подтолкнул целую группу изобретателей (Э. Берлинера, Д. Хьюга и Т. Эдисона) к созданию угольного микрофона.

Угольный микрофон, запатентованный в 1886 году Томасом Эдисоном, представлял собой чашку, заполненную угольными гранулами, сверху находилась металлическая диафрагма. Электрическое напряжение, приложенное между электродами, обуславливало слабый постоянный ток через гранулы. Когда диафрагма начинала колебаться под действием падающей звуковой волны, гранулы сжимались, увеличивалась площадь контактов между ними, и электрическое сопротивление между электродами падало. В результате изменения сопротивления под действием звукового сигнала на выходе трансформатора появлялся переменный ток, который усиливался и подавался к другим элементам оборудования.

Такие микрофоны имели узкий диапазон воспроизводимых частот, значительные нелинейные искажения, со временем в них появлялось большое количество тресков и шумов и т. д. Однако они были очень просты в изготовлении, создавали достаточно высокий уровень выходного сигнала (что позволяло использовать их без усилителя) и поэтому получили очень широкое распространение, особенно в телефонии. Массовое производство таких микрофонов продолжалось примерно до 1920 года, однако для некоторых специальных целей (в основном, для телефонов) они используются до настоящего времени.

Первый «ленточный» микрофон «44А» изобретён в 1942 году сотрудниками американской компании RCA. Ему суждено было стать одним из самых популярных микрофонов для студийных записей. Собственно говоря, больше он нигде и не применялся: слишком тяжёл (3,5 килограмма). Однако он обладал и рядом заметных преимуществ: высокая чувствительность и узкая направленность, за счёт чего отсекались посторонние шумы.

В микрофоне использовалась лента длиной 50 мм и шириной 2,4 мм, которая двигалась в магнитном поле в соответствии со звуковым давлением. Впоследствии вес ленточных микрофонов значительно уменьшился, а для увеличения чувствительности стали использовать два ленточных капсюля сразу.

В настоящее время в профессиональной практике используются только динамические и конденсаторные микрофоны. Первый динамический микрофон ДМК изготовили на заводе «Октава» в 1936 году. Динамический микрофон — это наиболее распространённый тип конструкции микрофона. Диафрагма динамического микрофона связана с катушкой, находящейся в зазоре вокруг магнита.

Поиски новых принципов преобразования для микрофонов постоянно продолжались. В 1917 году Эдвард Венте в лаборатории Bell Labs (США) создал конденсаторный микрофон, который использовался вначале только для измерительных целей. С 1926 года BBC начала применять такого типа микрофоны в радиовещании, чему помогло появление ламповых усилителей (способных работать на емкостной нагрузке), изобретенных в 1907 году Ли де Форестом. В 1932 году Neumann создал модель конденсаторного микрофона CMV3, которая затем модифицировалась в модель М-7 и др. В 1947 году компания AKG представила свою первую модель лампового конденсаторного микрофона C1 (который затем модифицировался в модель CK-12), а с 1962 года начала их массовое производство. Сейчас конденсаторные микрофоны составляют основную долю в промышленном выпуске и широко используются в звукозаписи, радиовещании, на телевидении и др.

Принцип их устройства довольно прост — он представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя сторона, обращенная к источнику звука, выполнена в виде тонкой круглой металлизированной изнутри диафрагмы, скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика. Второй обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основание. К обкладкам подводится постоянное поляризующее напряжение. Когда под действием звуковой волны диафрагма начинает колебаться, меняется емкость конденсатора, соответственно меняется заряд и генерируется переменный ток.

Конденсаторные микрофоны имеют ряд преимуществ, которые позволяют широко использовать их в студийной практике. К числу основных из них можно отнести следующие: низкий уровень переходных искажений (из-за малой массы диафрагмы), широкий частотный диапазон, малая чувствительность к магнитным помехам. Однако они обладают меньшей механической и климатической стойкостью, чем динамические микрофоны, требуют дополнительного напряжения поляризации и имеют более высокую стоимость.

Электродинамические микрофоны появились сравнительно поздно из-за отсутствия достаточно мощных постоянных магнитов, нужную величину напряженности магнитного поля приходилось создавать с помощью больших электромагнитов.

Первый ленточный электродинамический микрофон был сделан Гарри Олсоном примерно в 1930 году, хотя принцип его был описан раньше, в 1924 году (Эрвин Герлах и Вальтер Шотке на фирме Siemens). Промышленный образец появился в 1942 году в компании RCA. В нем использовалась слегка гофрированная металлическая ленточка, которая двигалась под действием звуковой волны в магнитном поле, между полюсами постоянных магнитов, при этом в ней индуцировался переменный электрический ток. Первая модель такого микрофона, RCA PB-31, а затем и PB44А произвели своего рода революцию в звукозаписи, поскольку позволяли получить значительно лучшие характеристики и качество звучания.

Микрофоны такого типа выпускаются до настоящего времени в относительно больших количествах. Они обеспечивают довольно широкий диапазон частот, чистое и «теплое» звучание, поэтому широко используются в звукозаписи.

Динамический катушечный микрофон был реализован Аланом Блюмлайном в 30-х годах на фирме EMI с применением электромагнитов (хотя идея такого микрофона была запатентована В. Сименсом еще в 1878 году). Он использовал диафрагму из целлюлозы, покрытой алюминиевой фольгой, и прикрепленную к ней катушку из анодированного алюминия. С 1936 года модель такого микрофона HB1A начала использоваться в звукозаписи на новой телевизионной студии BBC и звукозаписывающей студии фирмы EMI.

Позднее, после войны, с появлением мощных постоянных магнитов начался промышленный выпуск динамических катушечных микрофонов на фирмах AKG, Neumann и др., и в настоящее время это один их самых массовых типов микрофонов.

Принцип действия электродинамических катушечных микрофонов основан на том, что при воздействии звуковой волны на легкую диафрагму она начинает колебаться и приводит в движение связанный с ней проводник (звуковую катушку), помещенный в постоянное магнитное поле. При движении проводника с током в магнитном поле в нем индуцируется электрический сигнал, который затем усиливается и передается для дальнейшей обработки.

Электродинамические микрофоны обладают рядом преимуществ: устойчивостью к перегрузкам, стабильностью работы в различных климатических условиях, прочностью конструкции и др.

Электретные пленочные микрофоны были разработаны Герхардом Сесслером и Джеймсом Вестом в 1962 году на фирме Bell Labs. В них для подвижной диафрагмы использовалась тонкая металлизированная поляризованная пленка, способная держать заряд, что позволило отказаться от устройств, обеспечивающих высокое постоянное напряжение (фантомное питание) на пластинах конденсатора. Это значительно облегчило технологию их изготовления и снизило стоимость. Поэтому электретные преобразователи в настоящее время нашли широкое применение в петличных микрофонах, сотовых телефонах, компьютерах и др.

Наряду с совершенствованием принципов преобразования постоянно проводились работы по созданию микрофонов с регулируемой характеристикой направленности: первые конденсаторные и угольные микрофоны были ненаправленными, ленточный микрофон имел направленность в виде «восьмерки». Впервые на фирме Western Electric была создана конструкция микрофона с характеристикой направленности в виде кардиоиды, объединяющая в одном капсюле ленточный микрофон («восьмерка») и динамический (ненаправленный). На фирмах Neumann, AKG и др. были разработаны модели конденсаторных микрофонов с двумя диафрагмами, позволяющими создавать различные варианты характеристик направленности (круг, кардиоида, восьмерка, суперкардиоида и др.). Компания AKG в 1953 году выпустила первую модель микрофона C-12 со сдвоенными мембранами, ламповым усилителем и специальным блоком, позволяющим переключать характеристики направленности. Он выпускался до 1963 года, затем на смену ему пришла модель ELAM 251, которая пользовалась популярностью почти до настоящего времени.

микрофон акустический динамический конденсаторный.