Микрофоны. Часть первая: Исторические заметки

Микрофон, как техническое устройство, имеет давнюю историю. Первоначально главной целью изобретателей было создание телефона - того самого, без которого немыслима нынешняя жизнь. Для решения этой задачи необходимы были три составляющие: преобразователь звуковых колебаний в другой вид энергии, поддающийся передаче на расстояние, переносчик этой преобразованной энергии (как мы теперь бы сказали, канал связи), и обратный преобразователь, воссоздающий звуковой сигнал. Что касается канала связи, то уже в начале XIX века стало ясно, что он должен быть электрическим. Оставалось "всего лишь" изобрести преобразователи звукового сигнала в электрический и электрического в звуковой. Это и была главная задача изобретателей телефона.

Насколько известно, первая электрическая система телефонирования была предложена в середине прошлого века вице-инспектором парижского телеграфа инженером-механиком Шарлем Бурселем. Идеи Бурселя так и остались на бумаге, а первое устройство реально изготовил Филипп Рейсе (1834-1874), немецкий учитель физики из Франкфурта-на-Майне. Рейсе продемонстрировал своё изобретение на съезде Франкфуртского физического общества 26 октября 1861 года. В его устройстве приёмник звуковых колебаний представлял собой ящик с большим круглым отверстием в верхней крышке. В отверстии была натянута перепонка, к которой прикреплён платиновый контакт. Напротив него закреплён другой контакт, и оба контакта были включены в разрыв цепи, идущей к источнику тока и излучателю. Когда под действием звуковых волн перепонка колебалась, контакты то замыкали, то размыкали электрическую цепь. Таким образом, аппарат Рейсса мог реагировать только на моменты замыкания контакта (т. е. на высоту тона), но не сохранял форму звуковой волны. Иначе говоря, он вёл себя подобно плохой distortion-приставке, включенной в современный микрофонный тракт. Понятно, что "микрофон" Рейсса так и остался техническим курьёзом.

Первое устройство, которое имело право называться микрофоном в нынешнем понимании этого слова, было сконструировано спустя пятнадцать лет (в 1876 году) создателем телефона - Александром Грехемом Беллом (рис. 1). Принцип его действия следующий: при колебаниях мембраны изменяется воздушный зазор в магнитной цепи, а, следовательно, и магнитный поток в ней. Изменение же магнитного потока, проходящего через катушки, намотанные на полюса магнитной цепи, приводит к появлению электрического сигнала на концах катушек. Качество такого микрофона было невысоким, особенно вначале, но речь понять было можно. Сейчас подобный электромагнитный принцип используется преимущественно в головках звукоснимателей для виниловых пластинок.

Рис. 1. Конструкция электромагнитного микрофона

 Важным шагом вперёд в изобретении Белла было то, что его микрофон в отличие от своих предшественников позволял получить электрический сигнал, форма волны которого более или менее соответствовала форме волны звуковых колебаний.

После создания телефона началась лавина усовершенствований и патентных войн за право использования столь прибыльного изобретения. Крупная телеграфная фирма Western Union наняла известнейшего изобретателя тех времён Томаса Эдисона с тем, чтобы он изобрёл аналогичную по свойствам (но отличающуюся по устройству, то есть патентно-чистую) систему телефонии. В результате Эдисон среди прочего изобрёл сразу два новых микрофона.

В обоих использовался тот факт, что сопротивление угольного контакта электрическому току зависит от силы давления. В первом микрофоне использовался шарик из угля, к которому прилегала графитовая или жестяная мембрана - совсем как у Рейсса. Когда мембрана колебалась, контакт становился то лучше, то хуже, тем самым менялось сопротивление контакта, и, соответственно, величина тока через микрофон (угольный микрофон требует источника питания – батареи). Отголосок этой конструкции сохранился в обозначении микрофона на электрических схемах (рис. 2). Работал такой "шариковый" микрофон отвратительно: слышимость - как с того света. Поэтому Эдисоном (и независимо от него Дэвидом Юзом в Англии в 1878 г.) почти сразу же был предложен другой микрофон (рис. 3), получивший название капсюльного1. В нем колебания мембраны изменяли давление на столбик угольного порошка, отчего изменялось его сопротивление. Этот угольный микрофон был намного "громче" электромагнитного, а потому получил повсеместное применение в телефонии. Поскольку число контактов между зёрнами порошка было намного больше, чем между угольным шариком и мембраной, такая конструкция оказалась гораздо надёжнее и дожила в телефонии до наших дней.

Рис. 2. А вот так микрофон обозначается на схемах

Рис. 3. Устройство угольных микрофонов «шарикового» и капсюльного

До начала тридцатых годов других микрофонов, кроме электромагнитных и угольных, в продаже практически не было, несмотря на то, что громкоговорители приличного качества стали появляться с середины двадцатых годов. Так, Райе и Келлог (Rice&Kellog) выпустили в 1925/26 годах в Англии свой Radiola Loudspeaker, конструкция которого лежит в основе всех современных диффузорных громкоговорителей. В 1926 году на Берлинской выставке был продемонстрирован электростатический громкоговоритель, воспроизводивший полосу частот от 60 Гц до 15 кГц, и в том же году Ридгер в Германии создал свой Blatgaller, прототип изодинамического (или ортодинамического) громкоговорителя.

Главное отличие изодинамического громкоговорителя от традиционного (диффузорного) состоит в том, что в нем совмещены источник механической силы и поверхность, создающая звуковые волны. Если в диффузорном громкоговорителе звуковая катушка раскачивает диффузор, а он – частицы воздуха, то в изодинамическом громкоговорителе витки звуковой катушки распределены по всей площади мембраны. Благодаря этому жесткости от мембраны не требуется, и она может быть очень тонкой и легкой, точно передающей звук. При этом, в отличие от электростатических, изодинамические громкоговорители не боятся пыли и влаги, могут развивать большое звуковое давление. Прямые потомки ридгеровского детища сейчас известны под названием магнепланаров (Magnepan. громкоговоритель Касаткина-Фельдмана).

В результате создалась парадоксальная ситуация: качество звукоусилительной техники (которая к тому времени получила применение в театрах и звуковом кино) ограничивалось качеством первого звена - микрофонов. Качество звукозаписи, которая с середины 20-ых годов тоже стала электроакустической, при электроакустическом воспроизведении также в значительной степени стало определяться качеством микрофона, использованном при записи. Несколько утрируя, можно сказать: чем воспроизвести - уже было, чем записать - ещё нет.

Предпринималось несколько попыток усовершенствования угольных (мраморных2) и электромагнитных микрофонов, но все они оказались не слишком удачными. Угольные микрофоны (представлявшие собой, по существу, множество плохих контактов) шипели, хрипели и хрустели, как и свойственно плохому контакту. Электромагнитные же микрофоны имели чрезвычайно "жестяной" звук, обусловленный резонансами относительно толстой мембраны. Уменьшить её толщину не позволял принцип действия электромагнитного микрофона - магнитный поток насыщает тонкую мембрану, а магнитное насыщение приводит к резкому падению магнитной проводимости материала и сильному снижению чувствительности. Динамические микрофоны, представляющие собой, по сути дела, "динамик наоборот", тоже были в младенческом возрасте.

Поэтому предпосылки для высококачественной звукозаписи появились только в начале тридцатых годов после изобретения в 1931 году Гарри Олсоном (США) ленточного микрофона и доводки конструкций конденсаторных микрофонов до практического использования.

Справедливости ради стоит упомянуть, что работоспособный конденсаторный микрофон впервые был описан в 1917 году Вентом в Англии, а идея его устройства высказывалась еще раньше.

Однако у американцев подобные изобретения (например, искусственная голова — «ушастик» Флетчера) были скорее «научной игрушкой», промышленного интереса у тогдашних дельцов от радиовещания и звукозаписи (кроме RCA) они не вызывали3. В Германии же рассудили иначе. С одной стороны, чувствительные микрофоны интересовали военных (то есть шпионское ведомство), с другой стороны - набирал силу лозунг "Немецкое – лучшее в мире". Немаловажно и то, что с конца двадцатых годов экспорт грампластинок стал одной из важных статей дохода германского бюджета. Поэтому серийные высококачественные микрофоны первыми начали производить именно немцы и австрийцы, а не американцы.

В начале тридцатых годов два друга, инженеры-механики Байер (Beyer) и Георг Нойман (Georg Neumann), (после того, как Байер "выбил" казённую субсидию на разработки), занялись производством микрофонов. Байер разрабатывал более понятные ему динамические микрофоны, а Нойман для разработки конденсаторных микрофонов привлёк д-ра Шепса (Shoeps), который долго был "мозговым трестом" на фирме, где Нойман служил администратором. Не дремали и в Австрии: Вайнгартнер из AKG заложил основы теории и инженерного расчёта микрофонов, а во второй половине тридцатых годов на фирме Зеннхайзера (Sennheizer) изобрели схему высокочастотного (радиочастотного) питания капсюлей конденсаторных микрофонов, что позволило резко уменьшить влияние сеточного тока ламп, вызывающего характерный низкочастотный шум обычного конденсаторного микрофона ("шум моря"). Благодаря этому удалось без роста шума уменьшить диаметр микрофонных капсюлей с 35...50 мм до 20...25 мм, улучшив их характеристики и звучание на высших частотах4.