آنچه خواهید خواند
تاریخچه میکروفون؛ از آغاز تا امروز
توسعه و نوآوری در صنعت میکروفون نشان دهنده تلاش مستمر انسان برای بهبود انتقال صدا است. تاریخچه میکروفون و نخستین گامها در این زمینه توسط افرادی چون یوهان فیلیپ رایس و الیشا گری برداشته شد که هرکدام به نوعی به انتقال صدا از طریق امواج الکتریکی کمک کردند. گرچه طرحهای اولیه آنها کاملاً موفقیتآمیز نبودند، اما بستری برای تلاشهای بعدی ایجاد کردند که نهایتاً به اختراع تلفن منجر شد.
با گذر زمان و پیشرفت فناوریها، طراحی میکروفونها نیز پیچیدهتر و کارآمدتر گردید. از میکروفونهای کربنی ادیسون تا میکروفونهای روبانی و خازنی، هر نوآوری جدید، کیفیت صدا و قابلیتهای ضبط را بهبود بخشیده است. در این مقاله به بررسی جزئیات مهمترین نوآوریها و تحولات در تاریخچه طراحی میکروفون خواهیم پرداخت.
در آغاز
یوهان فیلیپ رایس، فیزیکدان آلمانی، یکی از کاندیداهای قوی برای اختراع تلفن است. طراحی او برای فرستنده صوتی، شامل یک نوار فلزی بود که بر روی غشایی قرار داشت و یک نقطه فلزی اتصال را برقرار میکرد و مدار الکتریکی را تکمیل مینمود.
نظریه رایس این بود که وقتی غشا مرتعش میشود، نقطه فلزی بالا و پایین میرود و به این ترتیب «تماس متناوب» ایجاد شده و جریانی متغیر همزمان با ارتعاشات ایجاد میشود. او معتقد بود که ارتفاع پرش و نیروی بازگشت نقطه باعث تغییر در دامنه جریان متناسب با شدت صدا میشود. این سیستم تا حدی کار کرد، اما نه به اندازهای که گفتار قابل فهم منتقل شود!
تلاش ثبت شده بعدی متعلق به الیشا گری، مخترع آمریکایی و یکی از بنیانگذاران شرکت وسترن الکتریک بود. طرح گری به نام «فرستنده مایع» شناخته میشد، که در آن دیافراگم به میلهای رسانا متصل بود که در محلولی اسیدی فرو رفته بود. یک میله ثابت دیگر نیز مدار را از طریق محلول و باتری کامل میکرد. فشار صدا باعث تغییر فاصله بین دو میله شده و مقاومت الکتریکی درون محلول را تغییر میداد و در نتیجه شدت جریان در مدار متناسب با صدا تغییر میکرد.
در 10 مارس 1876، الکساندر گراهام بل طرح مشابهی را برای نخستین انتقال گفتار قابل فهم از طریق یک سیستم تلفن ابتدایی به کار برد. با این حال، مخترع واقعی تلفن مورد مناقشه بود، زیرا بل درخواست ثبت اختراعش را در همان روزی انجام داد که گری نیز درخواست خود را برای اختراع مشابه ثبت کرده بود. در آن زمان هیچیک هنوز موفق به انتقال واقعی گفتار نشده بودند.
انتقاد اصلی این بود که بل در اولین آزمایشهایش از «فرستنده مایع» که قبلاً توسط گری معرفی شده بود استفاده کرده بود، نه مدلی که در درخواست ثبت اختراعش توضیح داده شده بود. اما دادگاه تصمیم گرفت چون درخواست بل چند ساعت زودتر از گری ثبت شده بود، حق اختراع به او تعلق گیرد.
کیفیت پایین «فرستندههای مایع» بسیاری از مخترعین را به جستجوی راههای جایگزین واداشت. دیوید ادوارد هیوز یکی از این افراد بود. هیوز که قبلاً در صنعت نوظهور تلگراف فعال بود، در سال 1855 اختراعی موفق در حوزه تلگراف به ثبت رسانده بود که در آمریکا و اروپا بسیار مورد استقبال قرار گرفت.
در سال 1878 او نوع جدیدی از میکروفون را اختراع کرد که از دانههای کربن در فضایی بسته استفاده میکرد. فشار صدا مقاومت الکتریکی دانههای کربن را تغییر میداد. هرچند کیفیت این میکروفون از دید استانداردهای امروزی ضعیف است (نویز زیاد و اعوجاج بالا)، اما در زمان خود گام بزرگی بود و فناوری اصلی ارتباط صوتی تلفنی محسوب میشد.
اصطلاح مدرن «میکروفون» نیز احتمالاً توسط هیوز ابداع شد. او میکروفون خود را با قرار دادن روی جعبهای پر از حشرات نشان داد که صدای آنها تقویت شده به نظر میرسید. گزارش روزنامهها اشاره کردند که این دستگاه برای گوش همان کاری را میکند که میکروسکوپ برای چشم انجام میدهد، به همین دلیل میکروفون نامیده میشود.
توماس آلوا ادیسون نیز به دلیل بهبود میکروفون دانه کربنی شناخته شده است. او در سال 1886 فرستنده دکمه کربنی را معرفی کرد که از محفظهای شامل دانههای زغال آنتراسیت کربنی بین دو الکترود ساخته شده بود که یکی به دیافراگمی آهنی متصل بود. این فرستنده ارزان، ساده و بادوام بود و برای دههها اساس تلفنهای مورد استفاده در سراسر جهان شد.
توسعه ضبط و پخش
ظهور ضبط صفحهای الکتریکی و پخش رادیویی در اوایل دهه 1920 باعث توسعه میکروفونهای کربنی بهتر شد. یکی از معروفترین آنها میکروفون هشتضلعی مارکونی-رایز بود که توسط گئورگ نویمان طراحی شده بود. از سال 1925 بیبیسی از این مدل استفاده کرد که بیش از یک دهه ادامه یافت.
مشکلات پایداری دانههای کربن منجر به استفاده از گزینههایی مانند مبدلهای پیزوالکتریک (کریستالی) شد که از تحقیقات اولیه خانواده کوری نشأت میگرفتند. اولین میکروفون خازنی نیز در سال 1917 توسط ایسی وِنته در آزمایشگاه بل طراحی شد که ابتدا فقط برای اندازهگیری شدت صوت استفاده میشد و از دهه 1920 در ضبط و پخش رواج یافت.
انواع میکروفون الکترومغناطیسی (کویل متحرک، آهن متحرک و روبانی) به علت ضعف آهنرباهای دائمی دیرتر ظاهر شدند. اولین میکروفون کویل متحرک محبوب، مارکونی-سایکس (معروف به “Meat Safe”) بود که توسط بیبیسی در سال 1923 استفاده شد.
آلن بلوملین نیز در دهه 1930 میکروفون کویل متحرکی با نام HB1A طراحی کرد که بعداً نسخه بهبود یافته آن (HB1B) در استودیوهای EMI و بیبیسی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.
نخستین میکروفون روبانی نیز حدود سال 1930 ظاهر شد و گفته میشود که توسط هری اولسون بر اساس یک بلندگوی روبانی اصلاح شده (که در سال 1924 توسط ای. گِرلاخ اختراع شده بود) ساخته شد. نمونههای اولیه این میکروفونها بسیار بزرگ، سنگین و دستوپاگیر بودند، اما کیفیت صدای آنها با میکروفونهای خازنی آن زمان قابل مقایسه بود و به رطوبت حساسیت نداشتند.
میکروفون روبانی BBC/Marconi مدل تایپ A در سال 1935 معرفی شد و به میکروفون اصلی برای سرویسهای رادیویی بیبیسی تبدیل گردید، در حالی که در سرویسهای تلویزیونی، میکروفون کویل متحرک HB1B از شرکت EMI/Blumlein و مدلهای بعدی آن (HB2 و HB3 و HB4C) ترجیح داده میشدند. این تفاوت انتخاب، تا حد زیادی به علت قیمت متفاوت آنها بودو تایپ A نسبتاً ارزان (9 پوند) محسوب میشد، در حالی که HB1B قیمت گزاف 40 پوند داشت!
تنها پس از جنگ جهانی دوم و با در دسترس قرار گرفتن آهنرباهای دائمی قدرتمند بود که اندازه ظاهری میکروفونهای روبانی و کویل متحرک کاهش یافت. نخستین میکروفونهای روبانی از دیافراگمهای بلند و چیندار استفاده میکردند که به آسانی توسط جریان هوای اندک آسیب میدیدند (حتی فوت کردن روی دیافراگم موجب تخریب آن میشد!).
در سال 1958، یوجین بایر این شرایط را با معرفی اولین میکروفون روبانی «دیافراگم کوتاه» مقاوم در جهان تغییر داد. کپسول طراحی شده او ابعادی مشابه کپسولهای کویل متحرک آن زمان داشت و طراحی اولیه او همچنان در تولیدات امروزی نیز به کار میرود.
نخستین میکروفون کربنی و خازنی دستگاههایی با الگوی قطبی همهجهته (عملیات فشاری) بودند، در حالی که میکروفونهای روبانی، عملیات اختلاف فشار را معرفی کردند. یعنی دیافراگم از هر دو طرف در معرض صدا بود و الگوی قطبی هشتشکلی ایجاد میشد. اما RCA به سرعت میکروفون روبانی کاردیوییدی را توسعه داد که بخش بالایی دیافراگم آن از هر دو طرف باز بود (اختلاف فشار)، ولی بخش پایینی از یک سمت بسته بود (عملیات فشاری).
یک روش جایگزین دیگر، که توسط Western Electric و ST&C بکار گرفته شد، استفاده همزمان از یک کپسول روبانی (اختلاف فشار، هشتشکل) و یک کپسول کویل متحرک (عملیات فشاری، همهجهته) درون یک دستگاه واحد بود. دیافراگمهای این دو کپسول در مجاورت یکدیگر قرار داشتند و خروجیهای آنها به صورت سری ترکیب میشد و یک الگوی قطبی کاردیویید ایجاد میکرد. هرچند بزرگ بودند، اما استحکام و عملکرد مناسبی داشتند و در سیستمهای اولیه ضبط تلویزیونی بسیار کاربرد داشتند.
بعدها روش سادهتری برای ایجاد پاسخ کاردیویید توسعه یافت که از یک ترانسدیوسر با شبکه آکوستیکی عقب برای تغییر فاز استفاده میکرد. این روش به سرعت توسط شرکتهایی مثل Shure و Electrovoice در آمریکا و Neumann و AKG در اروپا به کار گرفته شد. در آلمان، این تکنیک به شکل کپسولهای خازنی با دو دیافراگم تکامل یافت که امکان تغییر الگوهای قطبی متنوع را فراهم میکرد.
با پیشرفت صنعت فیلم و تلویزیون، نیاز به میکروفونهایی با جهتپذیری بالاتر متناسب با لنزهای دوربینهای دوربرد احساس شد. تلاشهای اولیه برای افزایش جهتپذیری، به روشهای ساده تداخلسنجی با چندین میکروفون همهجهته و سپرهای بزرگ متکی بود. بعدها از میکروفونهای همهجهته در کانون بازتابندههای سهموی استفاده شد، اما در اواخر دهه 1930، Western Electric و RCA سیستم کاربردیتری را توسعه دادند که از مجموعهای از لولههای باریک و بلند در جلوی دیافراگم استفاده میکرد. این تکنیک به تدریج به توسعه میکروفونهای شاتگان امروزی انجامید.
یکی از مشکلات اولیه میکروفونهای خازنی، حساسیت زیاد آنها به رطوبت بود. در سال 1924، ریگر اصل میکروفون خازنی RF را معرفی کرد که از مدار تشدید فرکانس رادیویی برای کاهش حساسیت به رطوبت بهره میبرد. این روش بعداً توسط هال و زالبِرگ وان زِلست بهبود یافت و در دهه 1960 توسط سنهایزر برای میکروفونهای ضبط حرفهای به کار گرفته شد.
کوچکسازی میکروفونهای خازنی مرسوم، تنها با پیدایش ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) با امپدانس بالا امکانپذیر شد. تلاشهای دیگر برای کوچکسازی شامل یکپارچه کردن کپسول با مدار تقویتکننده بود. برای مثال، اولسون در دهه 1950 دیافراگم را مستقیماً به یک الکترود داخلی لامپ خلأ متصل کرد. بعداً از تکنیکهایی مثل اتصال مستقیم دیافراگم به منطقه امیتر ترانزیستور یا استفاده از سنسورهای مخصوص فشار استفاده شد.
امروزه میکروفون خازنی سنتی، که زمانی نماد کیفیت بود، به تدریج جای خود را به میکروفونهای الکترت پیشرفته داده است. سری مشهور B&K (اکنون DPA) 4000 از اولین میکروفونهای الکترت مورد پذیرش در ضبط حرفهای بودند، و اخیراً AKG نیز مدل C4000 خود را به عنوان اولین میکروفون الکترت چند دیافراگمی با قابلیت تغییر الگوی قطبی معرفی کرده است.
نوآوریها
علاقه فعلی به سیستمهای دیجیتال با نرخ نمونهبرداری بالا (مانند 96kHz ،192kHz و فرمت DSD سونی) باعث شده تا تولیدکنندگان میکروفون به سمت طراحی میکروفونهایی بروند که بتوانند از این کیفیت جدید بهره بگیرند. میکروفون C2 شرکت سونی با سه کپسول، ادعا میکند که پهنای باند 100 کیلوهرتزی دارد و در برخی از ضبطهای DSD استفاده شده است.
همچنین شرکت سنهایزر نسخهای جدید از میکروفون خازنی بسیار معتبر MKH80 با نام MKH800 ارائه کرده که تا فرکانس بالای 50 کیلوهرتز پاسخ فرکانسی صاف دارد. بسیاری از میکروفونهای Earthworks نیز پاسخ فرکانسیشان به بیش از 40 کیلوهرتز میرسد.
یکی از مهمترین نوآوریها در طراحی میکروفون، کپسول Soundfield بود که در دهه 1970 برای تولید صدای فراگیر Ambisonic طراحی شد. این تکنیک توسط مایکل گِرزُن (از مؤسسه ریاضی آکسفورد) و پروفسور فلگت (از دانشگاه ریدینگ) توسعه یافت. اصول بنیادی Ambisonic نسبتاً ساده هستند (و از پژوهشهای قبلی بلوملین درباره استریوی همزمان نشأت میگیرند)، اما پیادهسازی آنها بسیار پیچیده و ریاضیاتی است.
میکروفون Soundfield شامل چهار کپسول خازنی با الگوی نیمه-کاردیویید است که به صورت آرایهای چهاروجهی قرار گرفتهاند و سیگنالهایی تحت عنوان «A-format» تولید میکنند. این سیگنالها بهصورت الکترونیکی (با جبران فاصله فیزیکی بین کپسولها) به «B-format» تبدیل میشوند.
این سیگنالها خروجی چهار میکروفون مجازی ایدهآل را نشان میدهند: سه میکروفون دوطرفه عمود بر هم (چپ/راست X، جلو/عقب Y و بالا/پایین Z) و یک میکروفون همهجهته (W). میتوان این روش را به عنوان توسعه سهبعدی تکنیک MS بلوملین در نظر گرفت. دیکودر Ambisonics مشخص میکند که کدام ترکیب از سیگنالهای B-format به کدام بلندگو ارسال شود تا صدای سهبعدی و واقعی تولید گردد.
بعدها، رمزگشای خاصی طراحی شد که میتوانست خروجی B-format را به پنج بلندگوی استاندارد در سیستمهای 5.1 تبدیل کند. یکی از کاربردهای آن ضبط واقعی صدای فراگیر در مکان فیلمبرداری یا استودیوی تولید جلوههای صوتی (Foley) برای تولید فیلم است. این تکنیک مستقیماً پنج خروجی بلندگو را برای سیستم 5.1 استاندارد فراهم میکند.
با توسعه صنعت فیلم و تلویزیون، نیاز به میکروفونهایی با جهتپذیری بیشتر احساس شد. تلاشهای اولیه برای افزایش جهتپذیری از طریق نصب چند میکروفون همهجهته روی صفحات بزرگ انجام شد. بعدها استفاده از بازتابدهندههای سهموی و در نهایت لولههای تداخل مطرح شد.
در اواخر دهه 1930، وسترن الکتریک و RCA با استفاده از مجموعهای از لولههای باریک و بلند، جهتپذیری صدا را افزایش دادند. این تکنولوژی به تدریج تکامل یافت و میکروفونهای شاتگان امروزی را ایجاد کرد. هرچند جهتپذیری در فرکانسهای پایین هنوز چالش بزرگی است، اما تکنیکهای دیجیتال همراه با چند کپسول مختلف (مانند میکروفون جهتدار AT895 شرکت Audio Technica) میتواند این مشکل را حل کند.
یکی از مشکلات میکروفونهای خازنی اولیه حساسیت زیاد آنها به رطوبت بود، زیرا کپسول با امپدانس بسیار بالا کار میکند و هوای مرطوب مسیر کمامپدانسی برای تخلیه بار ایجاد کرده و باعث تولید نویز میشد. در سال 1924، ریگِر اصول میکروفون خازنی RF را معرفی کرد که تغییرات ظرفیت کپسول خازنی را با استفاده از مدار تشدیدی فرکانس رادیویی به خروجی صوتی تبدیل میکرد. این روش در دهه 1940 توسط هال و زالبِرگ بهبود یافت و نهایتاً در دهه 1960 توسط سنهایزر به میکروفونهای ضبط تجاری راه یافت.
کوچکسازی میکروفونهای خازنی تا زمان معرفی ترانزیستورهای اثر میدان (FET) به تعویق افتاد، زیرا این ترانزیستورها با امپدانس ورودی بسیار بالا به خوبی جایگزین لامپهای خلأ بزرگ شدند. تلاشهای دیگری نیز برای یکپارچهسازی مستقیم کپسول و مدار تقویتکننده صورت گرفت. برای مثال، اولسون در دهه 1950 از اتصال مستقیم دیافراگم به الکترود داخلی لامپ خلأ استفاده کرد. بعدها سیکورسکی این روش را با اتصال دیافراگم به یک پین یاقوت متصل به ناحیه امیتر یک ترانزیستور بهبود داد و راجرز نیز در دهه 1960 از دیود تونلی استفاده کرد.
سرانجام، پیشرفت فناوری میکروفون نوری (اپتیکی) در دهه اخیر قابل توجه بوده است. در این فناوری از لیزرهای کمقدرت و تکنیکهای تداخلسنجی برای ثبت جابهجایی دیافراگم استفاده میشود. سنهایزر اخیراً میکروفون اپتیکال فشردهای ساخته که در حال حاضر از نظر کیفیت نزدیک به میکروفونهای سنتی است. به دلیل توسعه قطعات مینیاتوری در صنعت مخابرات، امکان ساخت میکروفونهای اپتیکال با کیفیت بالا فراهم شده و این فناوری به تدریج راه خود را به سمت صنعت ضبط و پخش حرفهای باز میکند.
همچنین، امروزه سری جدیدی از میکروفون از سوی برند جی بی ال وارد بازار شده که توجه زیادی را به خود جلب کرده است. برای مثال، میکروفون بی سیم JBL Wireless Microphone Set، جزء تجهیزات حرفهای برای کسانی است که به دنبال کیفیت صدای بینظیر و وضوح صدای استثنایی هستند. این مجموعه، با بهرهگیری از تکنولوژی پیشرفته JBL، صدایی با کیفیت اصلی و وضوح بالا را ارائه میدهد که هر نوع تاخیر، نویز یا اعوجاجی را به حداقل میرساند.
از طرفی میکروفون پارتی باکس جی بی ال مدل Wireless Mic با استفاده از فناوریهای پیشرفته، قادر است صدایی شفاف و باکیفیت ارائه دهد که هم در محیطهای بسته و هم در فضای باز به خوبی عملکرد دارد. طراحی ارگونومیک این میکروفون، استفاده طولانیمدت از آن را بدون ایجاد خستگی در دستها ممکن میسازد. همچنین، جنس بدنه محکم و مقاوم در برابر ضربه، این محصول را به یک انتخاب مناسب برای مهمانیها و رویدادهای خارج از خانه تبدیل کرده است.
کلام آخر
تحولات و نوآوریها در صنعت میکروفون نشان دهنده رشد و پیشرفت دائمی این فناوری است. از مدلهای اولیه و ساده گرفته تا فناوریهای پیچیده و مدرن امروز، میکروفون همواره ابزاری کلیدی برای انتقال و ضبط بهتر صدا بوده است. اکنون نیز با توسعه فناوریهای اپتیکی و دیجیتالی، آینده این صنعت بسیار روشن و نویدبخش است.
با توجه به مسیر پیشرفت کنونی، انتظار میرود که فناوریهای نوظهور همچون میکروفونهای اپتیکی و تکنولوژیهای دیجیتال پیشرفتهتر به تدریج جایگاه میکروفونهای سنتی را بگیرند. این تحولات، زمینهساز تجربهای بینظیر در کیفیت ضبط و پخش صدا برای نسلهای آینده خواهند بود.
پاسخگوی سوالات شما هستیم
دیدگاهی وجود ندارد!