CC BY
208
Микрофоны. От первых изобретений к современным разработкам
А.О.Субботкин, НИИСФ РААСН Ш.Я.Вахитов, СПб ГИКиТ, Санкт-Петербург
В настоящее время многие отрасли техники весьма сложно представить без микрофонов. Различные типы микрофонов широко применяются в разных отраслях: акустических измерениях, в том числе измерениях шума - акустической экологии (в городах, на железных дорогах, в аэропортах), исследованиях акустических свойств залов и спортивных арен разного назначения, системах связи и звукоусиления.
История микрофонной техники насчитывает уже более ста тридцати лет. За это время в технической акустике сформировалось отдельное направление, изучающее электроакустические преобразователи - электроакустика. На сегодняшний день существуют десятки крупных международных компаний - производителей микрофонной техники, предлагающих широкий выбор микрофонов, различающихся по типу преобразователя, характеристикой направленности, размерами, способу применения и т.д. Точное количество отдельных моделей уже невозможно определить.
Несмотря на это, полной и однозначной истории развития микрофонной техники до сих пор не сформировано, а данные, которые приводятся в отечественной литературе, не структурированы и местами противоречивы.
В ходе работы над статьей авторами было проработано не менее двадцати письменных источников (книг, монографий, учебников) ряда отечественных и иностранных авторов (в том числе на языке оригинала) за период с 1931 по 2015 год. Полного, однозначного и проработанного раздела, посвященного истории и проблематике развития микрофонной техники ни в одном из изученных источников не оказалось.
В настоящей работе будут представлены первые результаты анализа работ ряда отечественных и зарубежных авторов, отражающие историю развития некоторых типов микрофонов.
В отечественных источниках [1-9] вопросы истории отсутствуют практически полностью. То же наблюдается в проработанном зарубежном источнике [10].
Частично вопросы развития техники (в основном связанные с историей развития методов расчётного проектирования) встречаются в текстах отечественных источников [11-15]. Стоит отметить, что выделенный тематический раздел в этих учебниках и монографиях отсутствует и упоминания разбросаны по тексту.
Классический труд Лео Беранека «Акустические измерения» [16] (Beranek Leo L. «Acoustic Measurements» [17])
был переведён не полностью. Например, в отечественное издание [16] не попала интереснейшая глава об истории становления акустики как науки, где, в частности, упоминались общие моменты истории развития микрофонной техники в самый ранний период (XIX век). Упоминания идут в контексте основной тематики книги, то есть акустических измерений.
Основную информацию (хотя и довольно лаконичную) об истории развития микрофонной техники из письменных источников удалось почерпнуть в труде А.В. Римского-Кор-сакова [18], а также И.А. Алдошиной и Роя Приттса [19]. Стоит заметить, что информация эта достаточно неоднозначна, а местами и противоречива: авторы описывают историю развития микрофонной техники, опираясь только на разработки, сделанные на американском континенте, в то время как А.В. Римский-Корсаков [18] приводит данные, где отмечаются заслуги инженеров из Европы, в том числе российских и советских инженеров.
История развития микрофонов
Угольный микрофон. На заре развития
Можно сказать, что история микрофонов начинается в 1876 году, когда Александр Белл (A. Bell) продемонстрировал на выставке в Филадельфии жидкостной преобразователь. В это же время он запатентовал обратимый преобразователь с подвижной арматурой [17; 19]. Однако по ряду причин эти аппараты не нашли широкого практического применения.
Наибольшее распространение получил появившийся почти одновременно с преобразователями А. Белла угольный микрофон.
Авторство этого изобретения приписывается в разной литературе разным учёным в разные временные промежутки. Угольный микрофон был разработан в период с 1878 по 1888 год:
- 1878-1888 годы. США, Хайес, Берлинер, Блейк (Hughes, Berliner, Blaker) [18; 19];
- 1878-й, 1883-й годы. Россия, Генрих Махальский, Павел Голубицкий [20].
В источнике [18] авторство этого изобретения приписывается английскому ученому Дэвиду Эдварду Хайесу (1878, David Edward Hughes1).
1 В некоторых источниках встречаются русские транскрипции Юз и Хьюз.
В источнике [19] указано, что угольный микрофон был разработан в результате работ Хайеса (в источнике указана транскрипция Хьюз), Берлинера и Блейка (Hughes, Berliner, Blaker) в 1881-1888 годах на фирме «Белл Телефон Систем» (Bell Telephone System).
Статья в Большой советской энциклопедии [20] приписывает создание угольного микрофона русским инженерам Генриху Махальскому (1878, Львов) и Павлу Голубицкому (1883, Санкт-Петербург). Их микрофоны применялись в российской железнодорожной отрасли. По всей видимости, есть основания полагать, что изобретатели пришли к своим результатам одновременно независимо друг от друга.
Кстати, сам термин «микрофон» для электроакустических приемников был предложен Дэвидом Хайесом (D. Hughes) [19].
Так или иначе, после многолетних доработок и усовершенствований (наиболее значительные усовершенствования ввели А. Белл и Энтони Уайт в 1880 году) такой тип микрофонов за счёт своей надёжности и дешевизны до сих пор находит применение в различных областях современной техники (например, в стационарных телефонах).
Преобразователи первой половины XX века
В 1920-х годах произошла настоящая революция в области микрофонной техники. Широкие возможности, открывшиеся для усиления электрических колебаний с изобретением электронно-вакуумных, а затем и полупроводниковых приборов, позволили применять совершенные принципы электроакустического преобразования и разработать пригодные для практики микрофоны и громкоговорители. Появление радиовещания, звукового сопровождения кино и развитие граммофонной записи стимулировали поиски инженеров в области создания совершенных электро-акустических аппаратов, дающих возможность художественно полноценно передавать, записывать и воспроизводить музыку и речь [18].
Были изобретены те виды электроакустических преобразователей, которые используются в современных профессиональных микрофонах: электростатический (конденсаторный и электретный), электродинамические (катушечный, ленточный и т.д.).
Микрофоны с электростатическим преобразователем.
Конденсаторный микрофон
На сегодняшний день конденсаторный микрофон (наравне с катушечным) является наиболее распространённым в профессиональной сфере (под профессиональной сферой понимается область звукозаписи, кино-радио-телепроизводства и т.д.). Конденсаторные микрофоны вместе с катушечными составляют 93-95% микрофонного парка в студиях звукозаписи и системах звукоусиления [11].
Разные источники приписывают изобретение одномем-бранного конденсаторного микрофона разным учёным в период с 1917 по 1928 год:
- 1917 год. США, на фирме «Вестерн Электрик» (Western Electric) инженером Эдвардом Вентом (E. Wente) [16; 19];
-1922-1928 годы. Вент Э., Тренделенбург, русский инженер Яковлев А. И. [18].
В 1929-1930 годы сотрудниками ленинградского Научно-исследовательского института радиоприема и акустики им. Попова (в то время называвшегося центральной радиолабораторией, в настоящее время ИРПА не существует) В.Н. Лебедевым, М.Н. Мухачевым, И.Н. Щегловым были разработаны первые советские серийные и для того времени высококачественные конденсаторные микрофоны КС-2 и КМ-3, которые использовались при съемках первого советского звукового кинофильма «Путевка в жизнь» [21].
На западе серийный выпуск одномембранных конденсаторных микрофонов начался в 1947 году, когда фирма «AKG» запустила в производство свой первый конденсаторный микрофон [19].
Говоря о конденсаторных микрофонах, невозможно не упомянуть о наиболее высококачественном его типе - акустически комбинированном двухмембранном конденсаторном микрофоне, который был разработан в конце 1920-х годов немецкими акустиками Вебером и Браунмюллером [14].
Электретный микрофон
Для поляризации мембраны конденсаторного микрофона требуется наличие источника питания. В первой половине XX века подобное оборудование было крайне громоздким, что ограничивало использование микрофона в стационарных условиях.
Проблему удалось решить японскому физику М. Ягучи. В середине 1920-х годов учёный обнаружил, что некоторые материалы имеют свойство сохранять электрический заряд на своей поверхности длительное время (кстати, такое предположение было сделано английским ученым 0. Хевисайдом еще в 1896 году) [13]. Это свойство удалось использовать в конструкциях микрофонов с электростатическим преобразователем. Использование электретной пленки с уже имеющимся на ней электрическим зарядом избавило от необходимости поляризации мембраны извне.
В 1962 году появился электретный микрофон фирмы «Белл Лаб» (Bell Lab) [инженеры Сесслер, Вест (Sessler, West)] [19].
Промышленный выпуск электретных микрофонов начался в 70-е годы XX века в Японии и практически в это же время в СССР, США, Германии [13].
Сегодня электретные микрофоны за счет своей дешевизны являются наиболее распространённым типом микрофонов в бытовой технике.
Микрофоны с электродинамическим преобразователем.
Ленточный микрофон
Среди микрофонов с электродинамическим преобразователем наибольшее распространение в профессиональной звукотехнике получили микрофоны так называемого ленточного и катушечного (динамического) типа.
Большая часть авторов приписывает изобретение ленточного микрофона американскому инженеру Г. Олсону, но встречаются и другие данные:
- 1920-е годы на фирме «Western Electric» (США) инженером Г. Олсоном [19];
- 1924-1931 годы. Г. Олсон, Ч. Райс и Э. Келлог (Chester Rice, Edward Kellogg), Э. Вентэ и Тюрас А.Л. (L. Albert Thuras) [18];
- 1924-1931 годы. ИРПА им. Попова, сотрудники А.А. Харкеич, К.А. Ламагин, Б.Н. Можжелов, М. Е. Шевелова [21].
В СССР методика расчёта микрофона ленточного типа была предложена А.А. Харкевичем. Начиная с 1931 года, сотрудниками ЦРЛ Б.Н. Можжевеловым и М.Е. Шевеловой был выполнен ряд разработок микрофонов данного типа [21].
В 1942 году был выпущен ленточный микрофон фирмы «RCA», модель 44A (изобретатель Г. Олсон) [19]. Микрофон весил 3,5 килограмма.
Катушечный микрофон
Несколько позже, в 1930-х годах, появился электродинамический микрофон катушечного типа. В 1931 году американские инженеры Эдуард Венте и Альберт Тёрэс (Albert L. Thuras) изобрели динамический микрофон с катушкой [20]:
- 1931 год. США, Э. Вент и А. Л. Терёс;
- 1933 год. СССР, Р. Л. Волков.
В СССР методика расчёта динамического микрофона была разработана в Центральной радиолаборатории Ленинграда её сотрудником Л.Я. Гутиным, а первый катушечный микрофон был разработан в 1933 году Р.Л. Волковым. Первый
микрофон с постоянным магнитом был сконструирован В.К. Иофе в 1935 году [9].
Дальнейшее развитие микрофонной техники в XX веке
Электростатический и электродинамический типы преобразователей были разработаны в первой трети XX века, однако они до сих пор успешно применяются в современных микрофонах. Позднее были попытки разработать другие типы преобразователей (например, лазерные микрофоны), но они не нашли широкого применения в профессиональной звукотехнике.
Несмотря на тот факт, что способ преобразования звука за последние сто лет принципиально не изменился, нельзя сказать, что микрофонная техника развивается медленно. Развитие происходило не только в качественном ключе.
Однонаправленные микрофоны
Первые угольные одно-мембранные конденсаторные микрофоны являлись приёмниками давления, то есть были ненаправленными. Появившейся в 20-х годах прошлого века электродинамический ленточный микрофон имел двустороннюю характеристику направленности, то есть «восьмерку».
Первые попытки реализовать одностороннюю характеристику направленности при помощи электрически комбинированных капсюлей ненаправленных микрофонов предпринимались в 30-40-х годах XX века. При этом реальная однонаправленность получалась только в узкой полосе частот. Массовое распространение однонаправленные микрофоны получили только в 1950-е - 1960-е годы [11].
Примерно в это же время стали появляться микрофонные системы, реализующие остронаправленный приём, в частности, остронаправленный микрофон интерференционного типа или микрофон бегущей волны, так называемая «пушка».
Рис. 1. Жидкостной преобразователь А. Белла
Рис. 2. Реализация угольного микрофона в телефоне А. Белла
Рис. 3. Ленточный микрофон RCA 44A
Цифровые микрофоны
Отдавая дань моде, скажем пару фраз и о цифровых микрофонах.
Микрофон является устройством для преобразования механических колебаний мембраны, вызванных звуковым давлением, в колебания переменного напряжения в электрическом контуре. В профессиональных микрофонах (а также в подавляющем количестве бытовых микрофонов и микрофонах специального назначения) принципиально это преобразование осуществляется посредством изменений характеристик электрического поля или колебания проводника в магнитном поле.
Цифровой микрофон отличается от микрофона «обычного» наличием в его электрической подсистеме аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Это было продиктовано необходимостью быстрого соединения микрофона с интерфейсом персонального компьютера или мобильного устройства без применения дополнительной звуковой карты. В профессиональной звукозаписи такие микрофоны используются редко.
Первыми совместить микрофон и АЦП, а затем и продемонстрировать первый цифровой микрофон удалось в 2000-м году немецкой фирме Нойман (Neumann) [19].
На основании анализа имеющихся источников, в том числе и [21], можно сделать вывод, что развитие микрофонной техники шло параллельно и во многом независимо друг от друга на разных континентах и даже в разных странах Европы.
В ходе работы над статьей было установлено, что в настоящее время в отечественной литературе вопросы истории развития микрофонной техники нельзя назвать до конца проработанными и в достаточной мере освещён-ными. Данное утверждение позволяет поставить задачу по систематизации информации, разбросанной по различным источникам за последний век, а также по её анализу.
Структурированное понимание пути развития микрофонной техники и методов расчётного проектирования, по мнению авторов, поможет более эффективно развивать различные направления науки «электроакустика», а также разрабатывать более совершенные теории и, как следствие, более совершенные технические образцы, то есть микрофоны.
Литература
1. Сапожков, М.А. Электроакустика: учебник для вузов / М.А. Сапожков. - М.: Связь, 1978. - 272 с.
2. Иофе, В.К. Электроакустика / Иоффе В.К. - М.: Связь-издат, 1954. - 184 с.
3. Фурдуев, В.В. Электроакустика / В.В. Фурдуев. - Л.: ОГИЗ, 1948.-515 с.
4. Фурдуев, В.В. Акустические основы вещания / В.В. Фурдуев. - М.: Связьиздат, 1960. - 319 с.
5. Харкевич, А.А. Теория электроакустических аппаратов / А.А. Харкевич. - М.: Связьиздат, 1940. - 364 с.
6. Харкевич, А.А. Электромеханические аналогии / А.А. Харкевич // Журнал технической физики. - 1931. - Т. 1. -Вып. 2-3.
7. Харкевич, А.А. Теория преобразователей / А.А. Харкевич. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. - 188 с.
8. Харкевич,А.А. Электроакустическая аппаратура / А.А. Харкевич. - Л.: Энергоиздат, 1933.- 252 с.
9. Дрейзен, И.Г. Электроакустика и звуковое вещание / Дрейзен И.Г. - М.: Связьиздат, 1961. - 544 с.
10. Хаясака, Т. Электроакустика / Т. Хаясака. - М.: Мир, 1982. - 246 с.
11. Вахитов, Ш.Я. Современные микрофоны. Теория, проектирование // Ш.Я. Вахитов. - СПб.: СПбГУКиТ, 2003. - 396 с.
12. Вахитов, Ш.Я. Микрофоны. Телефоны. Гарнитуры. Теория, расчёт, конструирование, эксплуатация / Ш.Я. Вахитов, Я.Ш. Вахитов. - СПб.: СПбГУКиТ, 2010. - 261 с.
13. Акустика: учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов, А.А. Фадеев, Ю.А. Ковалгин, Ю.П. Щевьев. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - Г. 6, 7, 8.
14. Вахитов, Ш.Я. Электроакустика: учебное пособие / Ш.Я. Вахитов. - СПб.: СПбГИКиТ, 2015. - 210 с.
15. Вахитов,Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура / Я.Ш. Вахитов. - М.: Искусство, 1982. - 415 с.
16. Беранек, Л. Акустические измерения / Л. Беранек; перевод с английского, под ред. Н.Н. Андреева. - М.: Издательство иностранной литературы, 1952. - 627 с.
17. Beranek, L. Acoustic Measurements / L. Beranek - New York: John Wiley & Sons, Inc. - London: Chapman & Hall, Limited , 1949. - 914 с.
18. Римский-Корсаков, А.В. Электроакустика / А.В. Рим-ский-Корсаков. - М.: Связь, 1973. - 272 с.
19. Алдошина, И.А. Музыкальная акустика: учебник / И.А. Алдошина, Р. Приттс. - СПб.: Композитор Санкт-Петербург, 2006. - 720 с.
20. Никонов, А.В. Микрофон / А.В. Никонов // Большая Советская энциклопедия / гл. ред. А.М. Прохоров. - 3-е изд. - М.: Советская энциклопедия, 1969-1978.
21. Бренёва, И.В. Центральная радиолаборатория в Ленинграде / И.В. Бренёва. - М.: Советское радио, 1973. - 272 с.
22. Вейценфельд, А.И. Устройство и технические параметры микрофонов // Звукорежиссёр. - 2000. - № 1.
Literatura
1. SapozhkovM.A. Elektroakustika: uchebnik dlya vuzov / M.A. Sapozhkov. - M.: Svyaz', 1978. - 272 s.
2. Iofe V.K. Elektroakustika / Ioffe V.K. - M.: Svyaz'izdat, 1954. - 184 s.
3. Furduev V.V. Elektroakustika / V.V. Furduev. - L.: OGIZ, 1948.-515 s.
4. Furduev V.V. Akusticheskie osnovy veshhaniya / V.V. Furduev. - M.: Svyaz'izdat, 1960. - 319 s.
5. Harkevich A.A. Teoriya elektroakusticheskih apparatov / A.A. Harkevich. - M.: Svyaz'izdat, 1940. - 364 s.
6. Harkevich A.A. Elektromehanicheskie analogii / A.A. Harkevich // Zhurnal tehnicheskoj fiziki. - 1931. - T. 1. - Vyp. 2-3.
7. Harkevich A.A. Teoriya preobrazovatelej / A.A. Harkevich. - M.-L.: Gosenergoizdat, 1948. - 188 s.
8. Harkevich A.A. Elektroakusticheskaya apparatura / A.A. Harkevich. - L.: Energoizdat, 1933.- 252 s.
9. Drejzen I.G. Elektroakustika i zvukovoe veshhanie / Drejzen I.G. - M.: Svyaz'izdat, 1961. - 544 s.
10. Hayasaka T. Elektroakustika / T. Hayasaka. - M.: Mir, 1982. - 246 s.
11. Vahitov Sh.Ya. Sovremennye mikrofony. Teoriya, proektirovanie // Sh.Ya. Vahitov. - SPb.: SPbGUKiT, 2003. - 396 s.
12. Vahitov Sh.Ya. Mikrofony. Telefony. Garnitury. Teoriya, raschet, konstruirovanie, ekspluatatsiya / Sh.Ya. Vahitov, Ya.Sh. Vahitov. - SPb.: SPbGUKiT, 2010. - 261 s.
13. Akustika: uchebnik dlya vuzov / Sh.Ya. Vahitov, A.A. Fadeev, Yu.A. Kovalgin, Yu.P. Shhev'ev. - M.: Goryachaya liniya-Telekom, 2009. - G. 6, 7, 8.
14. Vahitov Sh.Ya. Elektroakustika: uchebnoe posobie / Sh.Ya. Vahitov. - SPb.: SPbGIKiT, 2015. - 210 s.
15. Vahitov Ya.Sh. Teoreticheskie osnovy elektroakustiki i elektroakusticheskaya apparatura / Ya.Sh. Vahitov. - M.: Iskusstvo, 1982. - 415 s.
16. Beranek L. Akusticheskie izmereniya / L. Beranek; perevod s anglijskogo, pod red. N.N. Andreeva. - M.: Izdatel'stvo inostrannojliteratury, 1952. - 627 s.
18. Rimskij-Korsakov A.V. Elektroakustika / A.V. Rimskij-Korsakov. - M.: Svyaz', 1973. - 272 s.
19. Aldoshina I.A. Muzykal'naya akustika: uchebnik / I.A. Aldoshina, R. Pritts. - SPb.: Kompozitor Sankt-Peterburg, 2006. - 720 s.
20. Nikonov A.V. Mikrofon / A.V. Nikonov // Bol'shaya Sovetskaya entsiklopediya / gl. red. A.M. Prohorov. - 3-e izd. - M.: Sovetskaya entsiklopediya, 1969-1978.
21. Breneva I.V. Tsentral'naya radiolaboratoriya v Leningrade / I.V. Breneva. - M.: Sovetskoe radio, 1973. - 272 s.
22. Vejtsenfel'd A.I. Ustrojstvo i tehnicheskie parametry mikrofonov // Zvukorezhisser. - 2000. - № 1.
