Carbon microphone

Введение

Проектирование микрофона Углеродный микрофон, также известный как углеродный кнопочный микрофон, кнопочный микрофон или углеродный передатчик, представляет собой тип микрофона, преобразователя, который преобразует звук в электрический аудиосигнал. Он состоит из двух металлических плит, разделенных гранулами углерода. Одна пластина очень тонкая и обращена к говорящему человеку, действуя как диафрагма. Звуковые волны, попадающие в диафрагму, заставляют ее вибрировать, оказывая различное давление на гранулы, что, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление между пластинами. Большее давление снижает сопротивление, поскольку гранулы сжимаются ближе друг к другу. Постоянный постоянный ток проходит между пластинами через гранулы. Изменение сопротивления приводит к модуляции тока, создавая изменяющийся электрический ток, который воспроизводит изменяющееся давление звуковой волны. В телефонной связи этот волнообразный ток непосредственно передается через телефонные провода в центральный офис. В системах общественного разговора он усиливается звукоусилителем. Частота отклика углеродных микрофонов, однако, ограничена узким диапазоном, и устройство производит значительный электрический шум. До распространения усилителей вакуумной трубки в 1920-х годах углеродные микрофоны были единственным практическим средством получения высокоуровневых аудиосигналов. Они широко использовались в телефонных системах до 1980-х годов, в то время как другие приложения использовали другие конструкции микрофонов намного раньше. Их низкая стоимость, высокая производительность и частотная характеристика хорошо подходили для телефонии. Для обычной старой телефонной службы (POTS) телефоны на основе углеродного микрофона все еще могут использоваться без модификации. Углеродные микрофоны, обычно модифицированные телефонные передатчики, широко использовались в ранних системах радиовещания AM, но их ограниченная частотная отклик, а также довольно высокий уровень шума привели к их отказу в этих приложениях к концу 1920-х годов. Они продолжали широко использоваться для публичных обращений низкого класса, а также для военных и любительских радиоприложений в течение нескольких десятилетий после этого.

Microphone design

The carbon microphone, also known as carbon button microphone, button microphone, or carbon transmitter, is a type of microphone, a transducer that converts sound to an electrical audio signal. It consists of two metal plates separated by granules of carbon. One plate is very thin and faces toward the speaking person, acting as a diaphragm. Sound waves striking the diaphragm cause it to vibrate, exerting a varying pressure on the granules, which in turn changes the electrical resistance between the plates. Higher pressure lowers the resistance as the granules are pushed closer together. A steady direct current is passed between the plates through the granules. The varying resistance results in a modulation of the current, creating a varying electric current that reproduces the varying pressure of the sound wave. In telephony, this undulating current is directly passed through the telephone wires to the central office. In public address systems it is amplified by an audio amplifier. The frequency response of most carbon microphones, however, is limited to a narrow range, and the device produces significant electrical noise. Before the proliferation of vacuum tube amplifiers in the 1920s, carbon microphones were the only practical means of obtaining high level audio signals. They were widely used in telephone systems until the 1980s, while other applications used different microphone designs much earlier. Their low cost, inherently high output and frequency response characteristic were well suited for telephony. For plain old telephone service (POTS), carbon microphone based telephones can still be used without modification. Carbon microphones, usually modified telephone transmitters, were widely used in early AM radio broadcasting systems, but their limited frequency response, as well as a fairly high noise level, led to their abandonment in those applications by the late 1920s. They continued to be widely used for low end public address, and military and amateur radio applications for some decades afterward.

История

Первым микрофоном, который позволил сделать правильную голосовую телефонию, был (свободный контактный) углеродный микрофон (тогда называемый передатчиком). Это было независимо разработано около 1878 года Дэвидом Эдвардом Хьюзом в Англии и Эмилем Берлинером и Томасом Эдисоном в США. Хотя Эдисону был выдан первый патент в середине 1877 года, Хьюз продемонстрировал свое рабочее устройство перед многими свидетелями несколько лет назад, и большинство историков приписывают ему его изобретение. Устройство Хьюза использовало свободно упакованные гранулы углерода, изменяющееся давление, оказываемое на гранулы диафрагмой от акустических волн, вызывало пропорциональное изменение сопротивления углерода, позволяя относительно точное электрическое воспроизведение звукового сигнала. Хьюз также придумал слово "микрофон". Он продемонстрировал свой аппарат Королевскому обществу, увеличив звук насекомых, ковыряющихся в звукозаписывающей коробке. В отличие от Эдисона, Хьюз решил не брать патент; вместо этого он сделал свое изобретение подарком миру. В Америке Эдисон и Берлинер вели долгую судебную битву за патентные права. В конечном счете федеральный суд предоставил Эдисону полные права на изобретение, заявив, что "Эдисон опередил Берлинера в передаче речи. Использование углерода в передатчике является, вне всяких споров, изобретением Эдисона", и патент Берлинера был признан недействительным. Углеродный микрофон является прямым прототипом современных микрофонов и сыграл важную роль в развитии телефонии, вещания и звукозаписывающей промышленности. Позже между углеродными пуговицами стали использоваться углеродные гранулы. Углеродные микрофоны широко использовались в телефонах с 1890 года до 1980-х годов. Эта возможность использовалась в ранних телефонных ретрансляторах, что позволило осуществлять телефонные звонки на большие расстояния в эпоху до усилителей вакуумной трубки. В этих ретрансляторах магнитный телефонный приемник (электрический механический преобразователь) был механически соединен с углеродным микрофоном. Поскольку углеродный микрофон работает, изменяя проходящий через него ток, вместо того, чтобы генерировать напряжение сигнала, как у большинства других типов микрофонов, эта компоновка может использоваться для усиления слабых сигналов и отправки их по линии. Эти усилители были в основном оставлены с развитием вакуумных труб, которые предлагали более высокую отдачу и лучшее качество звука. Даже после того, как вакуумные трубки стали широко использоваться, углеродные усилители продолжали использоваться в течение 1930-х годов в портативном аудио оборудовании, 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. Такие углеродные усилители не требовали тяжелых громоздких батарей и источников питания, используемых вакуумными трубчатыми усилителями. К 1950-м годам углеродные усилители для слуховых аппаратов были заменены миниатюрными вакуумными трубками (только вскоре их заменили транзисторы). Однако углеродные усилители все еще производятся и продаются. Иллюстрацией усиления, обеспечиваемого углеродными микрофонами, была колебание, вызванное обратной связью, что привело к слышимому скрипу со старого "телефона-свечника", если его наушник был помещен рядом с углеродным микрофоном.

The first microphone that enabled proper voice telephony was the (loose contact) carbon microphone (then called transmitter). This was independently developed around 1878 by David Edward Hughes in England and Emile Berliner and Thomas Edison in the US. Although Edison was awarded the first patent in mid 1877, Hughes had demonstrated his working device in front of many witnesses some years earlier, and most historians credit him with its invention. Hughes' device used loosely packed carbon granules the varying pressure exerted on the granules by the diaphragm from the acoustic waves caused the resistance of the carbon to vary proportionally, allowing a relatively accurate electrical reproduction of the sound signal. Hughes also coined the word microphone. He demonstrated his apparatus to the Royal Society by magnifying the sound of insects scratching through a sound box. Contrary to Edison, Hughes decided not to take out a patent; instead, he made his invention a gift to the world. In America, Edison and Berliner fought a long legal battle over the patent rights. Ultimately a federal court awarded Edison full rights to the invention, stating "Edison preceded Berliner in the transmission of speech The use of carbon in a transmitter is, beyond controversy, the invention of Edison" and the Berliner patent was ruled invalid. The carbon microphone is the direct prototype of today's microphones and was critical in the development of telephony, broadcasting and the recording industries. Later, carbon granules were used between carbon buttons. Carbon microphones were widely used in telephones from 1890 until the 1980s. This capability was used in early telephone repeaters, making long distance phone calls possible in the era before vacuum tube amplifiers. In these repeaters, a magnetic telephone receiver (an electrical to mechanical transducer) was mechanically coupled to a carbon microphone. Because a carbon microphone works by varying a current passed through it, instead of generating a signal voltage as with most other microphone types, this arrangement could be used to boost weak signals and send them down the line. These amplifiers were mostly abandoned with the development of vacuum tubes, which offered higher gain and better sound quality. Even after vacuum tubes were in common use, carbon amplifiers continued to be used during the 1930s in portable audio equipment such as hearing aids. The Western Electric 65A carbon amplifier was 1.2" in diameter and 0.4" high and weighed less than 1.4 ounces. Such carbon amplifiers did not require the heavy bulky batteries and power supplies used by vacuum tube amplifiers. By the 1950s, carbon amplifiers for hearing aids had been replaced by miniature vacuum tubes (only to be shortly replaced by transistors). However, carbon amplifiers are still being produced and sold. An illustration of the amplification provided by carbon microphones was the oscillation caused by feedback, which resulted in an audible squeal from the old "candlestick telephone" if its earphone was placed near the carbon microphone.

Ранние радиоприложения

Ранние радиопередатчики AM полагались на углеродные микрофоны для голосовой модуляции радиосигнала. В первой аудиопередаче на большие расстояния Реджинальдом Фессенденом в 1906 году непрерывная волна от генератора Александерсона подавалась непосредственно на передающую антенну через углеродный микрофон с водяным охлаждением. Позже системы, использующие вакуумные осцилляторы, часто использовали выход из углеродного микрофона для модуляции сетевого смещения осциллятора или выходной трубки для достижения модуляции.

Текущее использование

Помимо устаревших телефонных установок в различных условиях в зависимости от областей и стран, углеродные микрофоны могут по-прежнему использоваться сегодня в некоторых нишевых приложениях, хотя производители прекращают распространение. Например, Shure 104c, все еще был востребован в конце 2010-х годов из-за его широкой совместимости с существующим оборудованием. Основное преимущество углеродных микрофонов перед другими микрофонами заключается в том, что они могут производить высокоуровневые аудиосигналы с очень низких напряжений постоянного тока без необходимости каких-либо дополнительных усилий или батарей. Углеродный микрофон, используя источник питания, дает увеличение мощности. Это можно легко продемонстрировать, подключив батарею, микрофон и наушники в серии. Если микрофон и наушники соприкоснутся, система будет колебаться. Это возможно только в том случае, если увеличение мощности вокруг петли больше, чем единство. Низковольтное исполнение микрофона особенно полезно в отдаленных местах, обслуживаемых очень длинными телефонными линиями, где электрическое сопротивление проводов может привести к серьезному падению напряжения постоянного тока. Большинство электронных телефонов требуют, по крайней мере, трех вольт постоянного тока для работы, и поэтому часто становятся бесполезными в таких ситуациях, тогда как углеродные передатчики телефонов будут продолжать работать до доли вольта. Даже там, где они работают, электронные телефоны также страдают от так называемого "эффекта скалы", при котором они внезапно прекращают работать, когда напряжение линии падает ниже критического уровня. В частности, это означает, что один телефон на "партийной линии" может "закупать" весь линейный ток, отключая другие. При использовании углеродных микрофонов все приемники на одной линии будут работать, хотя и с уменьшенной мощностью. Углеродные микрофоны также широко используются в критически важных для безопасности областях, таких как добыча полезных ископаемых и химическая промышленность, где не могут использоваться более высокие напряжения линий из-за риска искр и последующих взрывов. Углеродные телефонные системы также устойчивы к повреждению от переходных высоковольтных элементов, таких как удар молнии, и электромагнитные импульсы типа, генерируемых ядерными взрывами, и поэтому до сих пор используются в качестве резервных систем связи в критических военных установках.

Apart from legacy telephone installations in various conditions according to areas and countries, carbon microphones may be still used today in certain niche applications although manufacturers are discontinuing distribution. For example, the Shure 104c, was still in demand in the late 2010s because of its wide compatibility with existing equipment. The principal advantage of carbon microphones over other microphone designs is that they can produce high level audio signals from very low DC voltages, without needing any form of additional amplification or batteries. The carbon microphone, by virtue of using a power supply, gives a power gain. This can readily be demonstrated by connecting a battery, microphone and earphone in series. If the microphone and earphone are brought in contact the system will oscillate. This is only possible if the power gain around the loop is greater than unity. The microphone's low voltage performance is particularly useful in remote locations served by very long telephone lines, where the electrical resistance of the wires can lead to severe DC voltage drop. Most all electronic telephones need at least three volts DC to work, and so will often become useless in such situations, whereas carbon transmitter telephones will continue to work down to a fraction of a volt. Even where they do work, electronic telephones also suffer from the so called "cliff effect", whereby they abruptly stop working when the line voltage falls below the critical level. In particular, this means that one telephone on a "party line" may tend to "hog" all the line current, cutting the others off. With carbon microphones, all receivers on the same line will still operate, albeit with reduced output. Carbon microphones are also widely used in safety critical applications such as mining and chemical manufacturing, where higher line voltages cannot be used, due to the risk of sparking and consequent explosions. Carbon based telephone systems are also resistant to damage from high voltage transients, such as those produced by lightning strikes, and electromagnetic pulses of the type generated by nuclear explosions, and so are still maintained as backup communication systems in critical military installations.