Угольный микрофон

Угольный микрофон — это тип микрофона, преобразующий звуковые колебания в изменения электрического тока посредством изменения электрического сопротивления угольного порошка под действием звукового давления. Относится к классу электромеханических преобразователей сопротивления (реостатных микрофонов). Является одним из первых типов микрофонов, получивших широкое практическое применение, в частности, в телефонии и радиовещании на ранних этапах развития.

История

Изобретение и первые патенты

Принцип действия угольного микрофона был открыт в 1856 году французским изобретателем Шарлем Бурселем, который обнаружил, что сопротивление угольного порошка меняется при механическом воздействии. Однако практическая реализация была осуществлена позже. В 1878 году независимо друг от друга американские изобретатели Томас Эдисон (патент США № 203013) и Эмиль Берлинер (патент США № 199141) подали заявки на конструкции угольных микрофонов. Эдисон использовал угольные диски, сжатые между металлическими пластинами, а Берлинер — угольные блоки. Впоследствии Эдисон усовершенствовал конструкцию, применив угольный порошок, что значительно повысило чувствительность и стабильность работы.

Развитие в телефонии

Угольный микрофон стал ключевым элементом первых телефонных аппаратов. В 1878 году компания Bell Telephone Company начала использовать угольные микрофоны в коммерческих телефонных линиях. Конструкция Эдисона, известная как «угольный передатчик», обеспечивала достаточную громкость и разборчивость речи для передачи на расстоянии до нескольких десятков километров. К 1880-м годам угольные микрофоны вытеснили более ранние конструкции (например, жидкие микрофоны Элиши Грея) и стали стандартом в телефонной связи на протяжении более ста лет.

Применение в радиовещании и звукозаписи

В первой половине XX века угольные микрофоны использовались в радиовещательных студиях и для записи звука на ранних граммофонных пластинках. Однако их недостатки — высокий уровень собственных шумов, нелинейные искажения и ограниченный частотный диапазон (обычно 200–4000 Гц) — привели к постепенному вытеснению более совершенными типами микрофонов: конденсаторными (изобретены в 1916 году) и динамическими (изобретены в 1931 году). Тем не менее, в телефонии угольные микрофоны оставались основными до 1980-х годов, а в некоторых странах — до начала 2000-х.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Конструкция угольного микрофона включает три ключевых компонента:

• Угольный порошок (обычно гранулы размером 0,1–0,5 мм из кокса или антрацита), помещённый в герметичную камеру.
• Неподвижный электрод (задняя стенка камеры, металлическая или угольная пластина).
• Подвижный электрод (мембрана, обычно из тонкой металлической фольги или латуни, которая колеблется под действием звуковых волн).

Принцип работы

Звуковые волны воздействуют на мембрану, которая передаёт механическое давление на угольный порошок. При увеличении давления (сжатии) порошка количество контактов между гранулами возрастает, что приводит к уменьшению электрического сопротивления. При уменьшении давления сопротивление возрастает. Таким образом, микрофон работает как переменный резистор, модулирующий ток в цепи, к которой он подключён (обычно через трансформатор и источник постоянного тока напряжением 1,5–6 В). Изменения тока создают электрический сигнал, который усиливается и передаётся по линии связи.

Электрическая схема

Угольный микрофон не может работать без внешнего источника питания. Типовая схема включения включает:

• Источник постоянного тока (батарея или блок питания).
• Угольный микрофон (переменное сопротивление).
• Повышающий трансформатор для согласования с линией передачи (в телефонии) или для подачи сигнала на вход усилителя.
• Нагрузочный резистор (иногда интегрированный в конструкцию).

Характеристики

Частотный диапазон

Угольные микрофоны имеют ограниченный частотный диапазон — от 200 до 4000 Гц. Этого достаточно для разборчивой передачи речи, но недостаточно для высококачественной записи музыки. Верхняя граница частотного диапазона определяется инерционностью угольного порошка и резонансными свойствами мембраны.

Чувствительность

Чувствительность угольных микрофонов относительно высока (до 100 мВ/Па) по сравнению с динамическими микрофонами того же периода, что достигается за счёт прямого преобразования механического давления в изменение сопротивления. Однако чувствительность сильно зависит от стабильности контактов между гранулами порошка и температуры.

Нелинейные искажения

Коэффициент нелинейных искажений (THD) угольных микрофонов составляет 5–15% при нормальном уровне звукового давления, что значительно выше, чем у конденсаторных (менее 1%) или динамических (1–3%) микрофонов. Основная причина — гистерезис угольного порошка (запаздывание изменения сопротивления при быстрых колебаниях) и нелинейная зависимость сопротивления от давления.

Шумы

Угольные микрофоны имеют высокий уровень собственных шумов (40–60 дБА), обусловленных флуктуациями контактов между гранулами порошка (так называемый «угольный шум»). Этот шум проявляется как шипение или треск в паузах между речевыми сигналами.

Виды угольных микрофонов

По конструкции мембраны

• С плоской мембраной — наиболее распространённый тип, где мембрана представляет собой тонкий металлический лист, закреплённый по периметру.
• С конической мембраной — мембрана имеет коническую форму для увеличения жёсткости и улучшения передачи высоких частот.
• С двойной мембраной — используется для снижения резонансных эффектов и расширения частотного диапазона.

По типу угольного наполнителя

• С порошковым наполнителем — наиболее распространённый тип, где гранулы угля свободно пересыпаются в камере.
• С прессованным наполнителем — угольный порошок спрессован в таблетку, что снижает уровень шума, но уменьшает чувствительность.
• С угольными дисками — используется в ранних конструкциях (Эдисона), где вместо порошка применяются угольные пластины.

По назначению

• Телефонные микрофоны — оптимизированы для передачи речи в диапазоне 300–3400 Гц, имеют низкую стоимость и высокую надёжность.
• Радиовещательные микрофоны — более чувствительные и широкополосные (до 5000 Гц), использовались в студиях до 1930-х годов.
• Специальные микрофоны — для военной связи, подводных аппаратов или шахт, где важна устойчивость к вибрациям и перепадам давления.

Применение

Телефония

Угольные микрофоны были основным типом передатчиков в телефонных аппаратах с конца XIX века до 1980-х годов. В СССР они использовались в аппаратах серий ТА-68, ТА-72 и других. В современных телефонных аппаратах угольные микрофоны заменены на электретные (конденсаторные) микрофоны, которые обеспечивают лучшее качество звука и не требуют внешнего питания.

Радиосвязь

В ранних радиопередатчиках (до 1920-х годов) угольные микрофоны использовались для модуляции несущей частоты. Однако из-за высокого уровня шумов и искажений они были вытеснены более совершенными типами модуляторов.

Специальные области

В некоторых случаях угольные микрофоны продолжают применяться благодаря их простоте и устойчивости к электромагнитным помехам:

• В системах громкой связи на промышленных объектах (например, в шахтах).
• В военной технике (например, в танковых переговорных устройствах, где важна надёжность при вибрациях).
• В учебных целях для демонстрации принципов преобразования звука в электрический сигнал.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — не требует сложных технологий производства.
• Высокая выходная мощность — сигнал от угольного микрофона может передаваться на большие расстояния без предварительного усиления (до 10–20 км в телефонных линиях).
• Устойчивость к электромагнитным помехам — в отличие от конденсаторных микрофонов, угольный микрофон не чувствителен к внешним полям.
• Низкая стоимость — дешёвые материалы (уголь, металл) и простая сборка.

Недостатки

• Высокий уровень шумов — «угольный шум» ухудшает качество сигнала.
• Ограниченный частотный диапазон — не подходит для высококачественной записи.
• Нестабильность характеристик — сопротивление порошка меняется со временем из-за износа гранул и окисления.
• Зависимость от положения — при наклоне микрофона порошок может пересыпаться, изменяя сопротивление.
• Требование внешнего питания — не может работать без источника тока.

Интересные факты

• В 1878 году Томас Эдисон продемонстрировал угольный микрофон, который позволял передавать голос на расстояние до 100 км, что было рекордом для того времени.
• В конструкции некоторых угольных микрофонов использовались угольные стержни от дуговых ламп, что делало их дешёвыми и доступными.
• В СССР в 1950-х годах выпускались угольные микрофоны для телефонных аппаратов, которые могли работать при температуре от -40 до +50 °C.
• Угольный микрофон является предшественником современных угольных датчиков давления, используемых в промышленности.

Источники

• История развития микрофонов. — М.: Радио и связь, 1985.
• Справочник по электроакустике / под ред. И. Г. Дрейзена. — Л.: Энергия, 1972.
• Патенты Т. Эдисона и Э. Берлинера (1878–1880).
• Телефонная связь: от угольного микрофона до цифровых технологий. — СПб.: Политехника, 2001.
• Стандарты телефонной связи (ГОСТ 7153-85, МСЭ-Т).