Г. Остроумов
Как известно, звук представляет собой чередующиеся сгущения и разрежения воздуха. Таким образом, мы на чертеже легко можем изобразить звук какого-либо простого источника (например камертона) так, как представлено на рис. 1. Где-то далеко за точкой А находится тело, излучающее звук, который распространяется по направлению к В вдоль линии X. В каждой точке, например в точке X1, мы можем изобразить давление в виде отрезка P1. Это давление происходит от действия звуковой волны и налагается прибавлением к тому атмосферному давлению, которое господствует в данной местности во время опыта. В другой точке, напр., Х2 в тот же момент наблюдается разряжение, которое вычитается из атмосферного давления. Иначе то же явление изображено внизу рис. 1, где заштрихованные места означают давление, а белые разрежение.
Не нужно забывать однако, что кроме волн давлений и разрежений имеют место еще и периодические перемещения частиц воздуха, которые совершают колебательные перемещения взад и вперед по линии АВ. Если изобразить для каждой частицы это перемещение от ее первоначального положения на рисунке и обозначить это перемещение через У, то мы получим рис. 2. Таким образом частица, находившаяся в точке X1, в рассматриваемый момент была передвинута на расстояние У1 вперед, т. е. к точке В (масштаб на рисунке для величины У взят гораздо больше, чем для X).
Наиболее важным обстоятельством, на которое надо обратить внимание, является та зависимость обеих величин — давления и перемещения — от частоты или, что то же, от длины волны данного звука. Эта зависимость изображена на рис. 3. Именно, звук данной интенсивности, но более низкий, имеющий поэтому большую длину волны, характеризуется большими амплитудами перемещений (У), чем звук той же интенсивности (прежняя амплитуда давлений P1=Р2), но большей высоты (т. е. с меньшей длиной волны).
Микрофоны — это такие приборы, которые дают переменный электрический ток, когда на них воздействуют звуковые волны. Качество данного микрофона определяется исключительно тем, с какой степенью точности он в электрических колебаниях воспроизводит те акустические (звуковые) колебания, которые его возбуждают.
При оценке этой точности необходимо помнить одно чрезвычайно важное обстоятельство. Оказывается, что человеческое ухо чувствительно только к силе звука и его высоте (частоте), но не чувствительно к фазе, в которой воздействуют на ухо звуковые волны.
Таким образом, если на ухо наблюдателя В воздействует звуковая волна, изображенная на рис. 4, как волна давлений Р1; то наблюдатель получит какое-то ощущение. Это ощущение будет в точности тем же самым, как если бы действовал не тот звук, который в известный момент изображался волной давлений P1, а другой звук, который в тот же момент изображался волной давлений Р2 или P3.
Поэтому и в тех случаях, когда на пути от источника до уха наблюдателя включена сложная электрическая цепь, входным элементом которой является микрофон, для результирующего впечатления не важны те неточности, которые можно мысленно свести к сдвигам фаз тех простых звуков, из которых слагается данная передача. Зато в остальном требуется большая точность воспроизведения первоначального звука.
Для того чтобы оценить эту точность, мы рассмотрим те типичные искажения, которые могут быть внесены микрофоном.
Многим уже известно, что наиболее типичными искажениями, имеющими, например, место в усилительных устройствах, являются те два сорта искажений, которые обусловлены нелинейностью характеристики (амплитудные искажения) и различной чувствительностью к различным частотам (частотные искажения).
Наиболее распространенный угольный микрофон в значительной мере обладает обоими этими недостатками. Начнем с первого. Дело в том, что те давления и разрежения, которые образуются непосредственно у мембраны микрофона звуковыми волнами, воздействуют на эту мембрану, вызывая смещения угольной мембраны. В результате этих смещений микрофон изменяет свое сопротивление, вследствие чего изменяется ток, проходящий от батареи через микрофон (рис. 5). Это изменение тока будет зависеть от сопротивления, а тем более от изменяющего его давления очень сложным образом. Оно может быть рассматриваемо, как переменный ток, налагающийся на постоянный средний ток. Даже если предположить, что сопротивление порошка угольного микрофона меняется так же, как меняется сопротивление столбика жидкости постоянного объема V, но переменной длины l, что вероятно справедливо для чрезвычайно медленных колебаний (низких частот), то окажется, что это сопротивление пропорционально не длине l, а ее квадрату. Действительно, припоминая общеизвестную формулу для сопротивлений
| R = ρ | l | , |
| S |
и умножая числитель и знаменатель на l, получаем в знаменателе постоянный объем V, а в числителе l2:
| R = ρ | l · l | = | ρ | l2. |
| S · l | V |
Таким образом в самом изменении сопротивления уже будет заключаться некоторое искажение, которое еще усилится от того обстоятельства, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Этот сложный процесс графически разобран на рис. 6. Зависимость сопротивления от положения мембраны (или что то же — от длины l) изображена в правой верхней части рисунка. В левой верхней части изображено изменение длины l столбика угольного порошка от времени t при колебаниях мембраны.
Из рисунка ясно, что когда длина l меняется в пределах от l1, до l2, то сопротивление R изменяется около начального сопротивления R0 в пределах от R1 до R2. Соответственно этому, сила тока в микрофоне, обусловленная напряжением батареи V, также изменяется около среднего значения I0, в пределах от I2 до I1. Это окончательное изменение I от времени отдельно начерчено справа внизу. Мы видим, как извратилась форма первоначальной синусоиды, что, как мы уже знаем, сводится к появлению в цепи микрофона токов не только с частотой звука, но и с частотой удвоенной, утроенной и т. д.
При высоких частотах картина явлений в угольном микрофоне весьма усложняется, вследствие взрыхления порошка при колебаниях и возникающего поэтому полного разрыва тока в цепи в те моменты, которые на нашем рисунке соответствуют току I2 (I2 = 0).
Искажения, обусловленные описанными причинами, вообще тем слабее, чем меньше амплитуды переменных величин l, R, I.
Следствием только что описанного рода искажений является не столько привнесение добавочных частот (гармоник), сколько возникновение особого рода призвуков, комбинационных тонов, которые особенно портят художественную сторону передач.
Средством для ослабления этих комбинационных тонов при угольном микрофоне — кроме ослабления силы звука — является включение в цепь микрофона большого сопротивления. Правда, этим одновременно ослабляется чувствительность микрофона.
Второй источник искажений, общий для многих приборов, есть неодинаковая чувствительность к различным частотам.
Особенно вредным является способность к собственным колебаниям механических частей микрофона. Например, в том же угольном микрофоне его мембрана обладает некоторым собственным колебанием с определенным периодом и рядом заметных обертонов. Она будет сильно раскачиваться под действием звуков близких частот, и эти звуки будут в передаче подчеркнуты. У слушателя получится впечатление какого-то выкрикивания на отдельных нотах, что, разумеется, искажает передачу и нарушает ее художественность. Способами для ослабления действия собственных тонов механических частей являются ослабление резонансных свойств этих частей и уведение их собственных частот за пределы необходимых для передачи частот (8 000—10 000 пер. в сек.). Первый способ применяется в простом угольном микрофоне. В нем мембрана лежит на куске бумажного войлока, который значительно притупляет резонанс, внося затухание. Одновременно вводится, конечно, ослабление чувствительности. Этот способ не является совершенным; он может ослабить, но не устранить резонанс, и поэтому избавляет от искажений лишь отчасти. Второй способ значительно совершеннее. Зато он труднее осуществим, он требует всемерного сокращения массы мембраны (и прочих подвижных частей микрофона), без ослабления силы упругости. В различных конструкциях микрофона по разному осуществляются эти оба способа.
Несколько особый вид искажений вносит такой статический микрофон, который имеет легкую свободно подвешенную мембрану. Эта мембрана столь легка, что не представляет для звуковой волны воздуха твердого препятствия и потому не вызывает отражения этой волны: она перемещается вместе с частицами воздуха. Таким образом в противовес остальным микрофонам, реагирующим на давление, она реагирует на перемещения частиц воздуха, а последние, как мы видим вначале, больше у низких частот, чем у высоких. Поэтому такой микрофон, не имея никаких других причин для искажения передаваемого звука, подчеркивает и выделяет низкие тона.
Кроме описанных видов искажений угольным микрофонам присущи еще искажения, обусловленные двумя причинами: своеобразным гистерезисом (остаточным эффектом) и наличием порога чувствительности. Эти обе причины несколько связаны друг с другом физически и влекут за собой следующие последствия. Пусть мембрана в спокойном состоянии занимает некоторое положение. Тогда сопротивление микрофона имеет какое-то определенное значение. Если теперь надавить на мембрану, и затем предоставить микрофон самому себе, то окажется, что теперь сопротивление микрофона уже не то, что было раньше, а несколько меньше. Происходит это вследствие сыпучести порошка и проявляется сравнительно сильнее при слабых звуках. При еще более слабых звуках скажется другой эффект: сопротивление вовсе не будет меняться и чувствительность микрофона совсем исчезает, — сила звука находится ниже порога чувствительности микрофона.
Искажения, обусловливаемые обеими этими причинами, вызывают, хотя и небольшие, но очень сложные нарушения в передаче, которые не могут быть уложены в рамки простых представлений. Во всяком случае относительная роль их возрастает с ослаблением силы звука, и они принуждают поэтому избегать тех слабых звуков, при которых как раз слабее сказывается возникновение комбинационных тонов.
Мы не будем останавливаться на конструкции обычного угольного микрофона (рис. 5), тем более, что он принадлежит к числу наименее совершенных приборов. Мы остановимся на усовершенствованиях, внесенных в идею угольного микрофона, которые сделали его уже весьма удовлетворительным прибором.
Прежде всего нужно отметить Вестерновский микрофон. Он представляет собой (рис. 7) сдвоенный угольный микрофон, мембраной которого является сильно растянутая стальная пластинка. Количество угольного порошка в нем относительно увеличено, так что он находится в почти спресованном состоянии. Этот тип микрофона представляет большие преимущества перед обычным угольным микрофоном. Металлическая, сильно растянутая мембрана имеет очень высокий собственный период колебаний (порядка 10 000 периодов в секунду и выше), поэтому чувствительность микрофона при нужных для передачи частотах (до 6 000—8 000 периодов в сек.) практически не зависит от частоты. Схема включения сдвоенного микрофона также сдвоенная, причем для приключения батареи питания используется средняя точка микрофона и средняя точка микрофонного трансформатора (рис. 8). Недостатком микрофона является некоторый собственный шум, который делается заметным при очень слабых звуках.
Попытки устранить собственные колебания мембраны угольного микрофона привели к постройке мраморного микрофона Рейсса, не имеющего вовсе мембраны. Большое количество порошка, заключено в корпус, сделанный из мрамора, причем для устранения собственных колебаний мембраны, последняя заменена тонкой сеткой из прочного материала (рис. 9 и 10). Под действием звуковых волн сами зерна приходят в движение, чем и обусловливается микрофонный эффект. Недостатком микрофона Рейсса является его небольшая чувствительность, она раз в тысячу меньше, чем у обычного микрофона.
Особый род микрофонов начинает собой ленточный микрофон («Банд-микрофон» по-немецки). В сильном магнитном поле помещается тонкая металлическая лента. Она приходит в движение от действия звуковых волн и т. к. при этом пересекает силовые линии, в ней наводится электродвижущая сила соответствующего переменного тока. Эта эдс используется для питания микрофонного усилителя. Применение последнего совершенно необходимо, так как напряжения, даваемые ленточным микрофоном, сами по себе совершенно ничтожны. Последнее обстоятельство, а также трудности устранения собственных колебаний являются недостатками ленточного микрофона.
На этом же принципе основан магнетофон, который представляет собой целую катушечку, состоящую из большого числа витков тонкой изолированной проволоки или ленты, прикрепленной к мембране, или же она сама является мембраной и колеблется в сильном магнитном поле. Этот вид микрофонов также требует большого добавочного усиления. Сверх того трудностью в его постройке является устранение резонансных свойств мембраны или заменяющих ее частей. Это устранение достигается войлочными подушками или прокладками.
Наконец, к тому же роду микрофонов должен быть отнесен и микрофон с неподвижными катушками, но с подвижной железной мембраной, т. е. тот первоначальный телефон Белля, который явился родоначальником всех современных электроакустических механизмов и который в этой роли выполняет роль звукоприемника. Недостатками его являются как малая чувствительность, так и особенно резкие резонансные свойства.
Отдельный класс микрофонов представляют электростатические микрофоны.
Первоначальный вид таких микрофонов представляет собой плоский конденсатор, одна обкладка которого тверда и неподвижна (аа на рис. 11), вторая же легка, тонка и подвижна (бб). При воздействии на последнюю звуковых волн она перемещается и изменяет свое расстояние до неподвижной обкладки. Для устранения реакции упругости воздуха, заключенного между обеими обкладками, в твердой обкладке делаются отверстия. Схема присоединения такого микрофона к усилителю изображена на том же рисунке. При сближении обкладок и соответственном увеличении его емкости через конденсатор проходит зарядный ток, увеличивающий напряжение на сетке входной лампы усилителя. При удалении появляется разрядный ток, дающий обратное напряжение. Такой микрофон обладает хорошими акустическими свойствами благодаря исключительно легкой и тонкой мамбране; однако электрические его свойства не высоки — он требует огромного усиления и склонен к выделению комбинационных тонов. Попытки увеличения чувствительности, сводящиеся к сокращению зазора между обкладками и повышению вольтажа батареи, приводят к угрозе прилипания обкладок, в силу электростатического притяжения их друг к другу.
Для предотвращения этого обстоятельства в другом виде электростатических микрофонов легкая подвижная мембрана заменена тонкой стальной сильно растянутой. Это позволяет очень сильно сблизить обкладки, однако ухудшает акустические свойства микрофона.
Наконец, в последнем виде микрофонов применены две неподвижных обкладки с отверстиями (аа и бб на рис. 12), между которыми свободно помещена промежуточная подвижная обкладка вв (сусальное золото, наклеенное на кисею). Обе неподвижные обкладки соединяются с полюсами высоковольтной батареи, средняя точка которой подается на нить входной лампы. Подвижная обкладка соединяется с сеткой этой лампы. Перемещения мембраны в электрическом поле между неподвижными пластинками вызывают изменения напряжения на сетке входной лампы. Этот вид микрофонов совершенно свободен от той нелинейности, которая вызывает возникновение комбинационных тонов. Трудностями, которые приходится преодолевать при его изготовлении, является выбор числа и расположения отверстий в неподвижных пластинках, обеспечивающий хорошие акустические свойства.
Разумеется чувствительность всех электростатических микрофонов чрезвычайно мала, и они требуют огромного усиления.
Мы не будем здесь останавливаться на особого рода микрофонах, например катодофоне, не имеющих заметного распространения.
Мы видим, что принципиальные вопросы, на которых основывается действие микрофонов, разъяснены наукой достаточно полно. Однако практическое оформмление различных микрофонов требует компромисса между чувствительностью и чистотой передачи. Таким образом все хорошие микрофоны, начиная с Вестерновского, требуют дополнительного применения усилителей. Можно даже сказать вообще, что чем микрофон совершеннее в смысле чистоты передачи, тем большего добавочного усиления он требует. Это добавочное огромное усиление привносит свои искажения (устранение которых, впрочем, в свою очередь, не представляется недостижимым) и свои призвуки (ламповые шумы), которые начинают уже портить общее качество передачи. Таким образом задача микрофонов принципиально должна считаться решенной, практическая же задача переносится в усилительное устройство.