Вы говорите в микрофон, а на другом конце зала отвечает громкоговоритель. По проводу между ними не бежит воздух из вашего рта. Передаётся электрический сигнал, и уже возле слушателя возникает новая звуковая волна. Чтобы понять эту цепочку, нужно заглянуть туда, где движение впервые становится напряжением, а затем снова превращается в движение.
Катушка следует за мембраной
В катушечном динамическом микрофоне звуковое давление заставляет колебаться тонкую мембрану. К ней прикреплена лёгкая катушка провода, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. Мембрана двигает катушку, и в движущемся проводнике возникает электродвижущая сила. На выводах появляется меняющееся напряжение, которое можно подать на вход усилителя.[1]
Магнит здесь обычно неподвижен. Его задача состоит в том, чтобы создать поле в области движения катушки. Сигнал появляется благодаря движению проводника в этом поле: при изменении направления движения меняется и полярность возникающего напряжения. Самому такому преобразователю внешнее питание для создания сигнала не требуется. Энергию сообщает звуковая волна, хотя для дальнейшего усиления уже нужен отдельный источник питания.[1, 6]
Давайте проследим все звенья: давление действует на мембрану, мембрана двигает проводник, магнитное поле обеспечивает преобразование. Если вы хотите понять, насколько точно выходное напряжение передаст исходный звук, одной ссылки на электромагнитную индукцию мало. Нужно учесть, как сама мембрана с катушкой откликается на звук и какую электрическую нагрузку к ней подключили. Между физическим принципом и хорошим микрофоном помещается вполне содержательная инженерная работа.
В 1931 году Эдвард Венте и Альберт Турас описали катушечные микрофон и телефонный приёмник для качественной передачи звука. Они использовали лёгкие подвижные детали и специально подбирали акустическую нагрузку мембраны, то есть условия, в которых воздух противодействует её движению. По данным авторов, это позволило получить приблизительно равномерный отклик от 40 до 10 000 герц без потери чувствительности.[7] Катушка и без такой настройки умеет создавать сигнал. Только вместе с голосом она охотно передаст особенности собственной механики. Поэтому чертёж «мембрана, катушка, магнит» объясняет принцип, но ещё не обещает хорошую запись.
Конденсатор слышит изменение зазора
В конденсаторном микрофоне мембрана имеет проводящую поверхность. Очень близко за ней находится неподвижный электрод. Вместе они образуют конденсатор: две проводящие поверхности, разделённые зазором. Звук сдвигает мембрану, зазор меняется, а с ним меняется электрическая ёмкость. Чем ближе поверхности друг к другу, тем она больше.[2]
Но как из изменения ёмкости получить напряжение? Рассмотрим распространённую схему с внешней поляризацией. Капсюль заряжают через очень большое сопротивление. Заряд не успевает заметно измениться за один период звуковых колебаний и остаётся почти постоянным. Напряжение равно заряду, делённому на ёмкость: ёмкость выросла, напряжение уменьшилось; ёмкость упала, напряжение выросло. Так движение мембраны превращается в электрический сигнал.[3]
Снять его обычным входом неудобно: капсюль способен отдать совсем небольшой ток. Поэтому рядом ставят электронный каскад с очень высоким входным сопротивлением, который мало нагружает капсюль и позволяет передать сигнал дальше. Электронике требуется питание, часто подаваемое по микрофонному кабелю. У электретного варианта поляризацию обеспечивает заранее заряженный материал, но встроенной электронике питание по-прежнему нужно.[2, 4]
Почему двигается диффузор
В обычном электродинамическом громкоговорителе снова встречаются катушка и постоянный магнит. Только теперь усилитель пропускает ток по виткам. На проводник с током в магнитном поле действует сила. Поле в кольцевом зазоре направлено так, что силы на витках складываются и толкают катушку вдоль её оси. Ток меняет направление, и сила меняет направление вместе с ним.[5]
Катушка соединена с диффузором, а гибкий подвес удерживает подвижную систему и стремится вернуть её к положению равновесия. Диффузор двигает прилегающий воздух; изменения давления распространяются наружу. Здесь полезно ещё раз проследить энергию: питание усилителя обеспечивает электрическую мощность, а та превращается в движение и звук. Постоянный магнит создаёт необходимые условия для преобразования. Запаса песен внутри него нет.[5]
Есть и обратное действие: движущаяся катушка сама создаёт напряжение, влияющее на ток. Электрическая и механическая стороны устройства связаны в обоих направлениях.[5] Та же выходная цепочка позволяет превратить рисунок на киноплёнке в звук кинозала: способ получить исходный электрический сигнал там совсем другой.
Где меняется запись
Теперь понятнее, почему качество тракта нельзя свести к положению ручки громкости. У мембран и подвесов есть масса, упругость и потери, поэтому их отклик зависит от частоты. У микрофона важна ещё направленность: звук спереди и сбоку может передаваться неодинаково.[3]
Электроника добавляет собственный шум и имеет предел допустимого сигнала. Если перегрузить вход, а потом убавить громкость, возникшие искажения уже останутся в записи. У динамика большие перемещения могут вывести катушку в область другого магнитного поля и изменить связь между током и силой. Тогда к исходным частотам добавляются новые составляющие.[5, 6]
Поэтому полезно спрашивать не только «насколько громко?», но и «что случилось с сигналом по дороге?». Микрофон, усилитель и громкоговоритель последовательно участвуют в ответе.
