Принцип работы угольного микрофона
На рисунке изображен угольный микрофон, где
1 – мембрана (или диафрагма), обычно выполнена из тонкого металла;
2 – подвижный электрод (жестко сцеплен с мембраной);
3 – угольный порошок;
4 – корпус (диэлектрический материал);
5 – неподвижный электрод;
6 – согласованная нагрузка Rн;
7 – ЭДС, батарея.
Принцип работы угольного микрофона основывается на изменение сопротивления угольного порошка, где сопротивление угольного микрофона зависит от следующих величин: ток питания, длительности прохождения ток питания, размеров и формы зерен угольного порошка, положение микрофона в пространстве, например, угла наклона.
За счёт звуковой волны (колебания) образуется давление на мембрану 1 (ввиду того, что она гибкая и упругая), которая приводит в колебательное движение подвижный электрод 2 в результате чего, угольный порошок 3 начинает то сжиматься, то разжиматься при этом его сопротивление или увеличивается, или уменьшается. В цепи через неподвижный электрод 5 начинает протекать пульсирующий ток (постоянный ток и переменный ток) в виде формы синусоиды.
Таким образом, основная функция микрофона – это преобразования звукового колебание в электрическое, а также обладает усилительными характеристиками и может усиливать сигнал в тысячи раз.
Сопротивления угольного микрофона обычно составляет 60-300 Ом, частота — 300-3000 Гц. Микрофон чувствителен к влажности, воздействию грозы.
Формула для определения мгновенного значения э.д.с.:
Rm — амплитуда сопротивления микрофона (переменная величина).
Формула для нахождения электрической мощность РМ, которую отдаёт микрофон согласованной нагрузке Rн: 
Если Rн=RМ и 
то формула примет вид 
RМ — среднее сопротивление микрофона во время его работы
2944
Угольный микрофон.
Необратимый активный преобразователь звуковых колебаний в электрические, принцип действия которого основан на свойстве угольного порошка сопротивление электрическому току в зависимости от величины воздействия на него звукового давления.
2 – подвижный электрод
3 – неподвижный электрод
4 – зёрна угольного порошка
При изменении звукового давления передаваемого угольному микрофону, мембрана совершает колебательные движения, сжимая зёрна угольного порошка с помощью закреплённого к ней подвижного электрода (R уменьшается, I увеличивается). Или при уменьшении величины звукового давления происходит разрыхление угольного порошка, так как подвижный электрод отходит от неподвижного (R увеличивается, I уменьшается). Таким образом, в цепи микрофона протекает постоянный по направлению и переменный по величине ток, переменная составляющая которого наводит переменную ЭДС звуковой частоты во вторичной обмотке трансформатора. Наличие этой переменной ЭДС звуковой частоты приводит к появлению тока в цепи нагрузочного сопротивления Rн.
Угольный микрофон осуществляет преобразования звуковых колебаний в электрические колебания, одновременно усиливая мощность получаемых сигналов примерно в 1000 раз. Это основное достоинство угольного микрофона наряду с простотой конструкции, а соответственно с дешевизной.
1. Гигроскопичность, влажные зёрна угольного порошка слипаются, уменьшается число токопроводимых материалов, т.е. Rн увеличивается.
2. Нестабильность сопротивления и чувствительности микрофона, зависимость этих параметров от положения микрофона в пространстве.
3. Большие не линейные и амплитудно-частотные искажения, а также шумы, вносимые в телефонный тракт.
Некоторые параметры микрофона.
1. Чувствительность микрофона, – отношение действующего значения ЭДС микрофона развиваемый микрофоном к звуковому давлению действующий на мембрану и измеренный в точке, где помещён угольный микрофон.
2. Зависимость от частоты при постоянной величине звукового давления называется частотной характеристикой (ЧХ) чувствительности микрофона
ЧХ имеет неравномерный характер, обусловленный резонансными свойствами отдельных элементов микрофона. Максимальная чувствительность возникает вследствие резонанса, звуковых колебаний собственных частот колебания мембраны.
3. Для оценки качества микрофона используют коэффициент неравномерности ЧХ.
и — максимум и минимум чувствительности микрофона в заданном диапазоне частот
Телефон. Телефонный капсюль (ТК).
Телефон преобразует электрические колебания в звуковые. Наибольшее распространение в телефонных аппаратах нашли телефоны следующих типов:
1. Электромагнитные телефоны с магнитной системой.
2. Электродинамические телефоны.
1 тип. Электромагнитный телефон.
Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом и электромагнитом.
1 – постоянный магнит
2 – полюсные надставки
Мембрана и полюсные надставки изготовлены из мягкого магнитного материала (пермаллой), постоянный магнит из твёрдого магнитного материала (альни). В зависимости от направления тока в обмотке переменный поток либо увеличивает начальную силу притяжения мембраны, либо уменьшает. Изменяющаяся сила вызывает колебание мембраны с амплитудой , что вызывает излучение звуковых волн.
Упрощенная схема телефонного аппарата с дисковым НН.
Телефонный трансформатор разделяет цепи питания микросхемы микрофона и переменного тока телефона, предотвращая насыщение магнитной системы телефона, обеспечивает согласование сопротивления разговорных приборов и входного сопротивления абонентской линии, имеет 3 обмотки:
ДНН: контакт 6 – 7 НН – импульсные контакты; контакты 4 – 5 НН – шунтирующие контакты (размыкаются при заводе диска и замыкаются после создания числа размыканий). 3 – 4 НН и 1 – 2 НН – шунтируют во время набора номера соответственно разговорную часть телефонного аппарата и обмотки телефонного аппарата. В современных схемах телефонных аппаратов с ДНН контактная пружина 5 и 1 – 2 отсутствуют.
Для борьбы с местным эффектом в данном телефонном аппарате используется противоместная схема мостового типа. Элементами балансного контура являются элементы , , выполняют функции искрогасительного контура, т.к. подключены параллельно импульсным контактам 6 – 7 НН.
Местный эффект – это явление прослушивания собственного голоса и шумов помещений в собственном телефоне.
Угольный микрофон — Carbon microphone
В угольный микрофон, также известный как угольный микрофон кнопки, кнопка микрофон, или же углеродный передатчик, это тип микрофон, а преобразователь что обращает звук к электрическому звуковой сигнал. Он состоит из двух металл пластины, разделенные гранулами углерод. Одна пластина очень тонкая и обращена к говорящему, действуя как диафрагма. Звуковые волны удары по диафрагме заставляют ее вибрировать, вызывая различные давление на гранулах, что, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление между пластинами. Более высокое давление снижает сопротивление, поскольку гранулы сдвигаются ближе друг к другу. Устойчивый постоянный ток проходит между пластинами через гранулы. Различное сопротивление приводит к модуляция тока, создавая переменный электрический ток, который воспроизводит изменяющееся давление звуковой волны. В телефония, этот волнообразный ток напрямую передается по телефонным проводам к Центральный офис. В публичный адресс систем он усиливается аудио усилитель. В частотный отклик большинства угольных микрофонов, однако, ограничены узким диапазоном, и устройство производит значительные электрический шум.
До распространения вакуумная труба усилители 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 другой конструкции гораздо раньше. Их низкая стоимость, изначально высокая мощность и частотная характеристика хорошо подходили для телефонии. За старая добрая телефонная служба (POTS) телефоны с угольным микрофоном можно использовать без изменений. Углеродные микрофоны, обычно модифицированные телефонные передатчики, широко использовались в начале AM радиовещание системы, но их ограниченная частотная характеристика, а также довольно высокий уровень шума привели к тому, что к концу 1920-х годов от них отказались. Они по-прежнему широко использовались для громкоговорителей низкого уровня, а также для военных и любительское радио приложения в течение нескольких десятилетий после этого. [1]
Содержание
История
Первым микрофоном, который обеспечил правильную голосовую телефонию, был угольный микрофон (тогда называемый передатчиком). Это было независимо разработано около 1878 г. Дэвид Эдвард Хьюз в Англии и Эмиль Берлинер и Томас Эдисон 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 его изобретение. [2] [3] [4]
В устройстве Хьюза использовались неплотно упакованные гранулы углерода — переменное давление, оказываемое на гранулы диафрагмой со стороны акустические волны вызвал пропорциональное изменение сопротивления углерода, что позволило относительно точно воспроизвести электрический звуковой сигнал. Хьюз также придумал слово «микрофон». Он продемонстрировал свой аппарат Королевское общество усиливая звук царапанья насекомых через звуковую коробку. 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 за патентные права. В конечном итоге федеральный суд предоставил Эдисону полные права на изобретение, заявив, что «Эдисон предшествовал Берлинеру в передаче речи . Использование углерода в передатчике, вне всяких сомнений, 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, радиовещания и звукозаписи. [8] Позже между угольными пуговицами стали использовать угольные гранулы. Углеродные микрофоны широко использовались в телефонах с 1890 по 1980-е годы. [7]
Использовать как усилитель
Углеродные микрофоны могут использоваться как усилители. [9] Эта возможность использовалась в ранних телефонные повторители, что сделало возможным междугородние телефонные звонки в эпоху до появления ламповых усилителей. В этих репитерах используется магнитная телефонная трубка (электромеханический преобразователь ) был механически соединен с угольным микрофоном. Угольный микрофон работает, изменяя ток, проходящий через него, а не генерирует сигнал. Напряжение как и в случае с большинством других типов микрофонов, это расположение можно использовать для усиления слабых сигналов и их передачи по линии. От этих усилителей в основном отказались с развитием вакуумные трубки, который предлагал более высокие прирост и лучше качество звука. Даже после того, как электронные лампы стали широко использоваться, угольные усилители продолжали использоваться в течение 1930-х годов в портативном звуковом оборудовании, таком как слуховые аппараты. Углеродный усилитель Western Electric 65A имел диаметр 1,2 дюйма, 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 (вскоре их заменили транзисторы). [ нужна цитата ] Однако углеродные усилители все еще производятся и продаются. [11]
Иллюстрацией усиления, обеспечиваемого угольными микрофонами, были колебания, вызванные обратной связью, что привело к слышимому визгу от старых «подсвечник телефон «если его наушники были помещены рядом с угольным микрофоном.
Ранние приложения для радио
Рано ЯВЛЯЮСЬ радиопередатчики полагались на угольные микрофоны для голосовой модуляции радиосигнала. В первой дальней аудио передачи Реджинальд Фессенден в 1906 г. непрерывная волна из Генератор Alexanderson подавалась непосредственно на передающую антенну через угольный микрофон с водяным охлаждением. Более поздние системы, использующие вакуумная труба генераторы часто использовали выход угольного микрофона для модуляции смещение сетки генератора или выходной лампы для достижения модуляции.
Текущее использование
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] был по-прежнему востребован в конце 2010-х 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 низких напряжениях постоянного тока без необходимости какого-либо дополнительного усиления или батарей. Угольный микрофон за счет использования источника питания дает прирост мощности. В этом легко убедиться, последовательно подключив аккумулятор, микрофон и наушники. Если микрофон и наушник соприкоснутся, система начнет колебаться. Это возможно только в том случае, если усиление мощности вокруг контура больше единицы. Низковольтные характеристики микрофона 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, в то время как телефоны с углеродным передатчиком будут продолжать работать до долей вольта. Даже там, где они работают, электронные телефоны также страдают от так называемого «эффект обрыва «, в результате чего они резко прекращают работу, когда напряжение в сети падает ниже критического уровня. В частности, это означает, что один телефон на»линия партии «может иметь тенденцию» сворачивать «все линейный ток, отрезая остальных. С угольными микрофонами все приемники на одной линии по-прежнему будут работать, хотя пониженная производительность.
Углеродные микрофоны также широко используются в критически важных для безопасности приложениях, таких как добыча полезных ископаемых и химическое производство, где нельзя использовать более высокие линейные напряжения из-за риска искрения и, как следствие, взрывы. Телефонные системы на углеродной основе также устойчивы к повреждениямпереходные процессы напряжения, например, произведенные молния забастовки, и электромагнитные импульсы типа, генерируемого ядерные взрывы, и поэтому до сих пор используются в качестве резервных систем связи на важнейших военных объектах.
Устройство угольного микрофона
Микрофон – это устройство, предназначенное для преобразования звуковых колебаний в электрические. По конструкции и принципу преобразования колебаний микрофоны подразделяются на угольные, электродинамические, электромагнитные, электростатические (конденсаторные и электретные) и пьезоэлектрические. В ТА в основном используются угольные, электретные и электродинамические.
М К ПЭ УП НЭ
Рис. 4. Устройство угольного микрофона
Работа угольного микрофона основана на изменении сопротивления угольного порошка под действием звуковых колебаний. Угольный микрофон включается в цепь постоянного тока (батарея Б) и нагружен на сопротивление Rн (представляющее собой почти весь тракт телефонной передачи).
Преобразование звуковых колебаний в электрические рассмотрим на графике изменения звукового давления Р, сопротивления угольного порошка Rн и тока в цепи микрофона Iм.
Когда на мембрану звуковые колебания не воздействуют (состояние покоя), угольный порошок микрофона имеет сопротивление R0 и в цепи микрофона проходит ток I0 (отрезок времени 0 – t1). В момент времени t1 на микрофон начинает воздействовать увеличивающееся давление. Мембрана микрофона вместе с подвижным электродом ПЭ начинает передвигаться в сторону неподвижного электрода НЭ, угольный порошок будет сжиматься и сопротивление микрофона уменьшается, а ток, проходящий через микрофон, увеличивается. В момент времени t2 давление на мембрану и величина тока будут максимальны, а сопротивление минимально. С момента t2 давление уменьшается, мембрана микрофона и подвижный электрод удаляются от неподвижного электрода, проходят исходное состояние и в момент t3 расстояние между электродами будет максимальным. Угольный порошок при этом имеет наибольшее сопротивление, а ток наименьшее значение.
Анализируя наши графики можно сделать вывод: под действием звукового давления в цепи микрофона протекает пульсирующий ток, следовательно, микрофон преобразует звуковые колебания в электрические.
Средняя мощность звуковых колебаний Рзв , действующая на мембрану во время разговора, равна примерно 1 мкВт, а средняя мощность, отдаваемая микрофоном на согласованную нагрузку, — 1-2 мВт. Поэтому угольный микрофон является не только преобразователем одного вида энергии в другой, но и усилителем мощности с акустическим коэффициентом усиления К равным 1000-2000. Угольный микрофон управляет величиной тока в цепи батареи Б. Поэтому в цепи угольного микрофона можно получить большую мощность переменного тока звуковой частоты, чем падающая на него мощность звука.
P