Угольный микрофон , также известный как угольный кнопочный микрофон , кнопочный микрофон или угольный передатчик , представляет собой тип микрофона , преобразователя , который преобразует звук в электрический аудиосигнал . Он состоит из двух металлических пластин, разделенных гранулами углерода . Одна пластина очень тонкая и обращена к говорящему человеку, действуя как диафрагма . Звуковые волны , ударяющие в диафрагму, заставляют ее вибрировать, оказывая различное давление на гранулы, что, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление между пластинами. Более высокое давление снижает сопротивление, поскольку гранулы сближаются друг с другом. Между пластинами через гранулы пропускают постоянный постоянный ток . Изменение сопротивления приводит к модуляции тока, создавая переменный электрический ток, который воспроизводит изменяющееся давление звуковой волны. В телефонии этот волнообразный ток напрямую передается по телефонным проводам в центральный офис . В системах громкой связи он усиливается усилителем звука . Однако частотная характеристика большинства угольных микрофонов ограничена узким диапазоном, и устройство производит значительный электрический шум .
До распространения ламповых усилителей в 1920-х годах угольные микрофоны были единственным практическим средством получения аудиосигналов высокого уровня. Они широко использовались в телефонных системах до 1980-х годов, тогда как в других приложениях гораздо раньше использовались микрофоны другой конструкции. Их низкая стоимость, высокая выходная мощность и частотная характеристика хорошо подходили для телефонии. Для обычной старой телефонной связи (POTS) телефоны с угольным микрофоном по-прежнему можно использовать без модификаций. Углеродные микрофоны, обычно модифицированные телефонные передатчики, широко использовались в ранних системах радиовещания AM , но их ограниченная частотная характеристика, а также довольно высокий уровень шума привели к отказу от них в этих приложениях к концу 1920-х годов. В течение нескольких десятилетий после этого они продолжали широко использоваться для недорогих систем громкой связи, а также для военных и любительских радиоприложений . [1]
Первым микрофоном, который позволил обеспечить полноценную голосовую телефонию, был угольный микрофон со свободными контактами (тогда он назывался передатчиком). Он был независимо разработан примерно в 1878 году Дэвидом Эдвардом Хьюзом в Англии и Эмилем Берлинером и Томасом Эдисоном в США. Хотя Эдисон получил первый патент в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многими свидетелями несколькими годами ранее, и большинство историков приписывают ему это изобретение. [2] [3] [4]
В устройстве Хьюза использовались свободно упакованные углеродные гранулы - изменяющееся давление, оказываемое на гранулы диафрагмой со стороны акустических волн , вызывало пропорциональное изменение сопротивления углерода, что позволяло относительно точное электрическое воспроизведение звукового сигнала. Хьюз также придумал слово «микрофон». Он продемонстрировал свой аппарат Королевскому обществу , увеличив звук царапанья насекомых через звуковой ящик. В отличие от Эдисона, Хьюз решил не получать патент; вместо этого он сделал свое изобретение подарком миру. [5]
В Америке Эдисон и Берлинер вели долгую судебную тяжбу по поводу патентных прав. В конечном итоге федеральный суд предоставил Эдисону полные права на изобретение, заявив, что «Эдисон опередил Берлинера в передаче речи… Использование углерода в передатчике, вне всякого сомнения, является изобретением Эдисона», а патент Берлинера был признан недействительным. [6] [7]
Угольный микрофон является прямым прототипом современных микрофонов и сыграл решающую роль в развитии телефонии, радиовещания и звукозаписывающей индустрии. [8] Позже между углеродными пуговицами стали использовать углеродные гранулы. Углеродные микрофоны широко использовались в телефонах с 1890 по 1980-е годы. [7]
Угольные микрофоны можно использовать в качестве усилителей . [9] Эта возможность использовалась в первых телефонных ретрансляторах , делая возможными телефонные звонки на большие расстояния в эпоху, когда еще не существовало ламповых усилителей. В этих репитерах магнитная телефонная трубка (электромеханический преобразователь ) была механически соединена с угольным микрофоном. Поскольку угольный микрофон работает за счет изменения тока, проходящего через него, вместо генерации напряжения сигнала, как в большинстве других типов микрофонов, это устройство можно использовать для усиления слабых сигналов и передачи их по линии. От этих усилителей отказались в основном с появлением электронных ламп , которые обеспечивали более высокий коэффициент усиления и лучшее качество звука . Даже после того, как электронные лампы стали широко использоваться, угольные усилители продолжали использоваться в 1930-х годах в портативном аудиооборудовании, таком как слуховые аппараты. Карбоновый усилитель Western Electric 65A имел диаметр 1,2 дюйма, высоту 0,4 дюйма и весил менее 1,4 унции. [10] Такие углеродные усилители не требовали тяжелых громоздких батарей и источников питания, используемых в ламповых усилителях. К 1950-м годам угольные усилители для слуховых аппаратов были заменены миниатюрными электронными лампами (их вскоре заменили транзисторы). [ нужна цитация ] Однако углеродные усилители все еще производятся и продаются. [11]
Иллюстрацией усиления, обеспечиваемого угольными микрофонами, были колебания, вызванные обратной связью, которые приводили к слышимому визгу старого « телефона-подсвечника », если его наушник находился рядом с угольным микрофоном.
Ранние радиопередатчики AM использовали угольные микрофоны для голосовой модуляции радиосигнала. При первой передаче звука на большие расстояния Реджинальдом Фессенденом в 1906 году непрерывная волна от генератора переменного тока Александерсона подавалась непосредственно на передающую антенну через угольный микрофон с водяным охлаждением. Более поздние системы, в которых использовались генераторы на электронных лампах , часто использовали выходной сигнал угольного микрофона для модуляции смещения сетки генератора или выходной лампы для достижения модуляции.
Помимо устаревших телефонных установок в различных условиях в зависимости от региона и страны, угольные микрофоны все еще могут использоваться сегодня в определенных нишевых приложениях, хотя производители прекращают распространение. Например, Shure 104c [12] все еще пользовался спросом в конце 2010-х годов из-за его широкой совместимости с существующим оборудованием. [13]
Основное преимущество угольных микрофонов перед микрофонами других конструкций заключается в том, что они могут воспроизводить аудиосигналы высокого уровня при очень низком постоянном напряжении без необходимости использования какого-либо дополнительного усиления или батарей. Угольный микрофон за счет использования источника питания дает прирост мощности. Это можно легко продемонстрировать, подключив последовательно аккумулятор, микрофон и наушники. Если микрофон и наушники соприкоснутся, система начнет колебаться. Это возможно только в том случае, если коэффициент усиления мощности в контуре больше единицы. Характеристики микрофона при низком напряжении особенно полезны в удаленных местах, обслуживаемых очень длинными телефонными линиями, где электрическое сопротивление проводов может привести к серьезному падению напряжения постоянного тока. Большинству полностью электронных телефонов для работы требуется не менее трех вольт постоянного тока, и поэтому они часто становятся бесполезными в таких ситуациях, тогда как телефоны с датчиком углерода будут продолжать работать при напряжении до долей вольта. Даже там, где они работают, электронные телефоны также страдают от так называемого « эффекта обрыва », при котором они внезапно перестают работать, когда напряжение в сети падает ниже критического уровня. В частности, это означает, что один телефон на « партийной линии » может иметь тенденцию «захватывать» весь ток линии , отключая остальные. При использовании угольных микрофонов все приемники на одной линии будут продолжать работать, хотя и с пониженной выходной мощностью .
Углеродные микрофоны также широко используются в критически важных для безопасности приложениях, таких как горнодобывающая и химическая промышленность , где нельзя использовать более высокие сетевые напряжения из-за риска искрения и последующих взрывов . Телефонные системы на основе углерода также устойчивы к повреждениям от переходных процессов высокого напряжения, например, вызванных ударами молнии , и электромагнитных импульсов типа ядерных взрывов , и поэтому до сих пор используются в качестве резервных систем связи на критически важных военных объектах.
