Как создавали микрофон: от телефонных разговоров до маленьких приборов
Эдисон столкнулся с полезным для микрофона свойством угля, когда занимался телеграфом. В его лабораторных моделях линий стеклянные трубки с углём создавали электрическое сопротивление. Только сопротивление не держалось постоянным: оно менялось от шума и движения.
Такой элемент мешал опытам с телеграфом. Зато для передачи голоса как раз требовалось, чтобы звук вызывал изменения в электрической цепи. Подсказка пригодилась Эдисону, когда он взялся за телефон.
Как дать голосу управлять током
К середине 1870-х изобретатели уже искали способы воспроизвести речь на расстоянии. Разговор предъявлял к линии другие требования, чем телеграфные точки и тире. Приёмнику требовались изменения тока, соответствующие звуковым колебаниям.
В передатчике Белла магнит и катушка позволяли получить такой сигнал от звука. Проблемой оставалась его слабость: она ограничивала дальность разговора. Эдисон использовал батарею как источник тока, а голосу поручил управлять его силой.
Для этого под мембраной передатчика помещали угольный элемент. Когда мембрана колебалась от голоса, давление на уголь менялось. Менялось сопротивление, и батарея посылала в цепь то больший, то меньший ток. Чувствительность угольного материала к механическому воздействию оказалась частью решения.
В этом была заинтересована Western Union, крупная телеграфная компания. В марте 1877 года она обеспечила регулярное финансирование лаборатории Эдисона в обмен на права на будущие телефонные и телеграфные патенты. Предстояло довести передачу речи до аппаратуры, которую можно испытывать на настоящих линиях.
Почему пришлось перебирать материалы
Опыты с давлением на уголь Эдисон начал в январе 1877 года. В мае исследовал графитные смеси. Осенью менял состав дисков: сначала графит с резиной, затем сажа с резиной. От материала зависело, насколько заметно слабые движения мембраны смогут менять ток.
Была и другая трудность: хороший микрофон должен сохранять разборчивость слов. В декабрьской статье 1878 года инженер Джордж Прескотт описал опыты с несколькими соприкасающимися кусочками угля. Громкость росла, но речь становилась менее разборчивой. Добавление контактов не решало задачу само по себе.
Опытные микрофоны Эдисона с несколькими угольными контактами. Рисунки 9–11 из статьи Джорджа Прескотта, Popular Science Monthly, декабрь 1878 года. Автор рисунка не указан; Wikimedia Commons.
В рабочем передатчике, полученном к концу 1877 года, под мембраной стояла маленькая таблетка из сажи. Её делали из налёта на стёклах керосиновых ламп: сажу счищали и прессовали. Положение мембраны и таблетки Эдисон доработал в феврале 1878-го. Угольная конструкция впоследствии надолго закрепилась в телефонной связи.
Как слабое соединение стало микрофоном
В Англии Хьюз исследовал связь звука с сопротивлением проволоки. Пока натянутая проволока оставалась целой, нужного эффекта он не обнаруживал. Он заметил изменения после её разрыва, когда концы касались друг друга. Для чувствительного контакта оказалось нужно небольшое постоянное давление.
В 1878 году Хьюз описывал устройства с разными проводниками, в том числе с тремя железными гвоздями. Звук воздействовал на место их соприкосновения и менял ток. Железные контакты, однако, вскоре окислялись; Хьюз предпочитал искать материал, который избавит от этого неудобства.
Его опыты и телефонный передатчик Эдисона были разными разработками одного времени. В обоих случаях путь к устройству проходил через подбор контактов. Из общего знания, что звук заставляет предметы колебаться, ещё не следовало, как получить достаточно хороший сигнал для разговора.
Что позволило уменьшить микрофон
Позднее появился другой путь к чувствительному устройству. В конденсаторном микрофоне колеблющаяся мембрана находится очень близко к неподвижной металлической пластине. Когда расстояние меняется под действием звука, меняются электрические свойства этой пары, и получается сигнал. Обычной конструкции требуется постоянное поляризующее напряжение.
В 1960 году в Bell Labs Герхарду Зесслеру и Джеймсу Уэсту поручили разработать компактный, долговечный и недорогой микрофон. Материалы, надолго сохраняющие электрическую поляризацию, называют электретами. Раньше их часто делали из воска, но получить из него достаточно тонкую и подвижную мембрану было трудно. Зесслер и Уэст использовали тонкую полимерную плёнку: после обработки сильным электрическим полем она долго сохраняла поляризацию.
Современная схема электретного микрофона: 1 — мембрана, 2 — неподвижная пластина, 3 — корпус, 4 — звуковое давление, 5 — металлический слой, 6 — электретная плёнка. CLI, 2009; Wikimedia Commons.
У чувствительной части теперь был собственный сохраняющийся заряд. Отдельный источник поляризующего напряжения становился не нужен, хотя усилителю сигнала питание по-прежнему требуется. Это позволяло делать небольшие микрофоны для приборов, в которых важен каждый лишний узел.
В 1962 году конструкция была завершена, а к 1968-му вышла в широкое производство. Её применили в телефонах, слуховых аппаратах, магнитофонах и видеокамерах.
Источники
Если вам интересны такие материалы, загляните в мой Дзен. Буду признателен за подписку.
