Угольный микрофон , также известный как угольный пуговчатый микрофон , пуговичный 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, ударяющиеся о 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 прижимаются ближе друг к другу. Между пластинами через гранулы проходит постоянный постоянный ток . Изменяющееся сопротивление приводит к модуляции тока, создавая переменный электрический ток, который воспроизводит переменное давление звуковой волны. В телефонии этот волнообразный ток напрямую передается по телефонным проводам в центральный офис . В системах оповещения он усиливается аудиоусилителем . 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, в то время как другие приложения использовали микрофоны других конструкций гораздо раньше. Их низкая стоимость, изначально высокая выходная мощность и частотная характеристика хорошо подходили для телефонии. Для обычной телефонной связи (POTS) телефоны на основе угольных микрофонов все еще можно использовать без модификации. Угольные 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. Они продолжали широко использоваться для низкоуровневых публичных выступлений, а также военных и любительских радиоприложений в течение нескольких десятилетий после этого. [1]
Первым микрофоном, который позволил вести полноценную голосовую телефонию, был угольный микрофон (со свободным контактом) (тогда он назывался передатчиком). Он был независимо разработан около 1878 года 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 работающее устройство перед многими свидетелями несколькими годами ранее, и большинство историков приписывают ему его изобретение. [2] [3] [4]
Устройство Хьюза использовало свободно упакованные углеродные гранулы - изменяющееся давление, оказываемое на гранулы диафрагмой от акустических волн, заставляло сопротивление углерода изменяться пропорционально, что позволяло относительно точно электрически воспроизводить звуковой сигнал. Хьюз также придумал слово микрофон. Он продемонстрировал свой аппарат Королевскому обществу , усилив звук насекомых, царапающихся через звуковую коробку. В отличие от Эдисона, Хьюз решил не брать патент; вместо этого он сделал свое изобретение подарком миру. [5]
В Америке Эдисон и Берлинер долго вели судебную тяжбу за патентные права. В конечном итоге федеральный суд присудил Эдисону полные права на изобретение, заявив: «Эдисон опередил Берлинера в передаче речи... Использование углерода в передатчике, вне всякого сомнения, является изобретением Эдисона», и патент Берлинера был признан недействительным. [6] [7]
Угольный микрофон является прямым прототипом современных микрофонов и сыграл решающую роль в развитии телефонии, вещания и звукозаписывающей промышленности. [8] Позднее угольные гранулы стали использоваться между угольными кнопками. Угольные микрофоны широко использовались в телефонах с 1890 по 1980 годы. [7]
Углеродные микрофоны могут использоваться в качестве усилителей . [9] Эта возможность использовалась в ранних телефонных ретрансляторах , что делало возможными междугородние телефонные звонки в эпоху до ламповых усилителей. В этих ретрансляторах магнитный телефонный приемник (электромеханический преобразователь ) был механически соединен с угольным микрофоном. Поскольку угольный микрофон работает, изменяя проходящий через него ток, вместо того, чтобы генерировать напряжение сигнала , как в большинстве других типов микрофонов, это расположение могло использоваться для усиления слабых сигналов и отправки их по линии. Эти усилители были в основном заброшены с развитием ламповых усилителей , которые обеспечивали более высокий коэффициент усиления и лучшее качество звука . Даже после того, как лампы стали широко использоваться, угольные усилители продолжали использоваться в 1930-х годах в портативном аудиооборудовании, таком как слуховые аппараты. Углеродный усилитель Western Electric 65A имел диаметр 1,2 дюйма и высоту 0,4 дюйма и весил менее 1,4 унции. [10] Такие угольные усилители не требовали тяжелых громоздких батарей и источников питания, используемых ламповыми усилителями. К 1950-м годам угольные усилители для слуховых аппаратов были заменены миниатюрными электронными лампами (которые вскоре были заменены транзисторами). [ необходима цитата ] Однако угольные усилители все еще производятся и продаются. [11]
Иллюстрацией усиления, обеспечиваемого угольными микрофонами, являются колебания, вызванные обратной связью, которые приводили к слышимому визгу старого « телефона-свечи », если его наушник помещался рядом с угольным микрофоном.
Ранние радиопередатчики AM использовали угольные микрофоны для голосовой модуляции радиосигнала. В первых аудиопередачах на большие расстояния Реджинальдом Фессенденом в 1906 году непрерывная волна от генератора Александера подавалась непосредственно на передающую антенну через охлаждаемый водой угольный микрофон. Более поздние системы, использующие ламповые генераторы, 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 областей и стран, 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 своей широкой совместимости с существующим оборудованием. [13]
Главное преимущество угольных микрофонов перед другими конструкциями микрофонов заключается в том, что они могут производить высокоуровневые аудиосигналы от очень низкого постоянного напряжения, не нуждаясь в каком-либо дополнительном усилении или батареях. Угольный микрофон, благодаря использованию источника питания, обеспечивает усиление мощности. Это можно легко продемонстрировать, подключив последовательно батарею, микрофон и наушник. Если микрофон и наушник приводятся в соприкосновение, система будет колебаться. Это возможно только в том случае, если усиление мощности вокруг петли больше единицы. Низковольтные характеристики микрофона особенно полезны в удаленных местах, обслуживаемых очень длинными телефонными линиями, где электрическое сопротивление проводов может привести к сильному падению постоянного напряжения. 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 углеродным передатчиком будут продолжать работать при напряжении до доли вольта. Даже там, где они работают, электронные телефоны также страдают от так называемого « эффекта обрыва », когда они резко перестают работать, когда напряжение в линии падает ниже критического уровня. В частности, это означает, что один телефон на « партийной линии » может иметь тенденцию «забирать» весь ток линии , отключая другие. С угольными микрофонами все приемники на одной линии будут продолжать работать, хотя и с уменьшенным выходом .
Углеродные микрофоны также широко используются в критически важных для безопасности приложениях, таких как горнодобывающая промышленность и химическое производство , где более высокие напряжения в линии не могут быть использованы из-за риска искрения и последующих взрывов . Углеродные телефонные системы также устойчивы к повреждениям от высоковольтных переходных процессов, таких как те, которые возникают при ударах молнии , и электромагнитных импульсов типа тех, которые возникают при ядерных взрывах , и поэтому до сих пор поддерживаются в качестве резервных систем связи на критически важных военных объектах.
