麦克风的历史简介
- 作者：Hugh Robjohns
- 出处：https://micpedia.com/brief-history-of-microphones/
- 编译：TinG
今天，在人类社会中看似“并不起眼”的麦克风已然陪伴我们走过了一个多世纪，并且距离其发源阶段已经过去了很久。若要追溯麦克风的第一位发明者，并不是一件容易的事情，而且很大程度上还要结合使用的定义来说。
历史的开端
而德国物理学家Johann Philipp Reis（1834-1874）就很有可能是其中一位。他曾设计过一款“声音传输器”（大约在1861年又进行了优化），里面用到了一根金属条，通过金属触点的方式与振膜接触，从而完成了整个电路的设计。在Reis的理论中，随着振膜的震动，金属触点也会随之上下跳动，从而形成断续的连接，因此，就会产生和震动同步的电流。他相信，触点上下跳动的高度与回落的势差，正是造成电流脉冲的振幅变化与声音强度成正比关系的原因。虽然这种原理是存在的，但对于演讲应用来说，还是不够的。
下一项涉及麦克风历史的记录，来自于一位美国发明家Elisha Gray（1835-1901），他是后来成为西方电气公司的公司前身的创建人之一。Gray所设计的产品被称之为“液体传输器”（Liquid Transmitter），其结构为将一片振膜连接在浸泡在酸性溶液中的导电棒上；然后还有第二根固定的导电棒并排放在第一根旁边，也浸泡在酸液中，并用电池连接二者，形成完整的电路。声压变化在振膜上引起的震动，会导致两棒之间的分离程度与声音变化成正比，并使电池中的电阻发生变化，所以，流过电路的电流也会相应发生变化。
在1876年3月，Alexander Graham Bell在第一台可清晰演讲的初级电话系统中，就采用了与以上非常类似的传输器设计，于是就出现了那次非常著名的历史事件——Bell对他的助手说：“Watson先生，过来一下，我需要你。”然而，就在Bell准备申请电话专利的同一天，Gray也提交了关于同一发明的“警告”（这种警告叫做Caveat，意在申请完全专利之前对知识进行保护），所以究竟谁才是电话的第一发明者，是有争议的。但同时，不管是哪个人，真正的发明者都从未在使用电话系统传输语音时取得过真正的成功！在Bell首次描述他的电话用到了“液体传输器”时，此系统之前的发明者、展示者Gray提交了投诉，而且Bell的专利申请并不是同一类型。然而，由于Bell比Gray提前几个小时提交了书面申请，所以法庭最终宣判Bell获得了专利。
Bell的液体传输器麦克风原型
这种“液体传输器”的质量很低，促使许多发明家开始寻求新的设计方法。David Edward Hughes（1831-1900）就是其中之一。当时他已经涉足了刚起步的电报行业，并于1855年获得了打字电报机的专利。他的设计在美国非常成功，并在欧洲也存在广泛的改版设计。到1878年，他设计出了一种全新的麦克风，原理是用碳颗粒松散地填充在封闭的空间中。随着声音振膜上压力的变化，碳颗粒的电阻也会成比例地相应改变。虽然从今天的标准来看，这种麦克风的性能还是很差（伴有高失真的固有噪声），但这在当时是一种巨大的进步，并且开启了语音电话的新技术篇章。
我们现代所用的“麦克风”（Microphone）术语，似乎也是Hughes所提出的。在演示他的传输器时，Hughes把传输器安装在了一个“声音盒子”上，这个盒子里放了一些昆虫，这样昆虫的行动就会被捕捉到，然后进行“放大”。当时报纸上的报道是这样形容该设备的：“......就像显微镜（Microscope）之于眼睛一样，麦克风是针对耳朵来说的，所以它才叫Microphone。”
Thomas Alva Edison（1847-1931）因为重新定义了碳颗粒麦克风而为人所熟知，他在1886年制造出了”碳按钮传输器”。其由在一对电极之间填满了碳化无烟煤颗粒的空腔组成，其中一级电极连接在较薄的铁振膜上。Edison的传输器在制造上非常简单，且成本低廉，同时还十分高效与耐用，成为了上个世纪中百万主流电话的电话传输器基础。
在录音与广播中的发展
1920年代早期出现的电子唱片录音与广播直播，刺激了发展更高质量的碳麦克风的需求。其中最出名的，或许就要数早期广播电台中常见的那种八角设计了，也就是Marconi-Reisz的“横流”（Transverse-Current）碳麦克风。它是由德国Reisz公司的一名年轻雇员发明的，叫做Georg Neumann（后面他用自己的名字生产了许多麦克风）。在1925年，Marconi-Reisz设计的产品被最近成立的BBC公司所广泛采用，并在后续十多年中一直承担着其公司的日常业务使用。
然而，碳颗粒本身松散的特性，使得人们开始寻求更好的替代品。其中一种就是压电（晶体）换能器，基于居里夫妇前一个世纪的基础研究而被发现。这些传输器最初所使用的，还是石英或罗谢尔盐晶体，当时的音质并不是非常好。直到今天，接触式麦克风中的压电箔片已经换成了专门的陶瓷，所以音质变得非常好了。
世界上第一支电容麦克风（以及相关的阻抗转换器和话放套）是由EC. Wente在1917年研发出来的，他借鉴了美国贝尔实验室的研究成果。原本只是一种在实验室中测量声强的工具，后来直到1920年早期，人们才开始生产用于录音和广播的、具有精密拉伸振膜的电容麦克风。其中有一个非常关键的元素，叫做“热电子管”（也即“真空管”，由Lee de Forest在1907年发明），它负责电容麦克风所需的阻抗转换功能，除此之外，任何其它方式都无法实现阻抗的转换。自从1926年，BBC就在某种程度上开始使用电容麦克风了，由于易受潮气影响而出现“油炸般的噪音”，所以电容麦克风自此获得了“喜怒无常”的评价。
而电磁麦克风（Electromagnetic Microphones，可动的线圈、铁或铝带）的应用则要相对较晚，这是由于永磁体当时比较弱，只有电磁铁才能产生足够的磁通密度。因此，第一支具有可动线圈的麦克风体积非常大，并且需要供电才能运行！此类麦克风的第一支流行款，是Marconi-Sykes的Magetophone（由Sykes在1920年获专利开发），BBC在1923年采购了同款型号，也即后来为大家所熟知的“Meat Safe”。它使用悬挂在棉絮上的薄而扁平的环形铝线圈作为振膜和动圈，而其磁场是由一个使用4A/8V电池的大型电磁铁所产生的。
大名鼎鼎的Alan Blumlein，在受雇于Columbia Graphophone公司（也即后来的EMI公司）期间，也设计过动圈麦克风，用来完成他自己的电子唱片切割系统。对于振膜，他使用了轻木（浸渍赛璐珞）和铝箔片层压而成。他将一个阳极氧化铝动圈铆接在振膜上，然后在第一次测试中，从同事那里借来了汽车的电池，对电磁铁进行供电。他的第一支麦克风HB1A（该名称来自两位主要发明者Blumlein和Holman）于1930年11月进行了测试，并直接与当时的行业标杆——西方电气公司的Condenser Transmitter（CT）麦克风分庭抗礼。经过多次沿革，包括调整螺丝紧度系统以调整振膜共鸣，最终HB1A麦克风被EMI公司的录音棚所广泛采用，并且被1936年亚历山德拉宫新开张的BBC电视台所采用。
Blueleim的HB1
而历史上第一支铝带麦克风，也是在1930年附近出现的，铝带麦克风据说是Harry Olson基于一台定制过的铝带扬声器（由E. Gerlach于1924年发明）所研发出来的。在早期设计中，铝带麦克风十分巨大、笨重，不过音质可与当时的电容麦克风所比肩，而且还不容易受潮。BBC/Marconi Type A铝带麦克风于1935年推出，尽管当时电视台更喜欢EMI/Blumlein的HB1B动圈麦克风，不过Type A还是成为了BBC广播服务的首选。形成这种市场格局的原因，部分在于两支麦克风的价格对比：Type A只要非常便宜的9英镑，而HB1B的价格则高达40英镑！
经过第二次世界大战，出现了更为强劲的永磁体，这时铝带麦克风（还有动圈麦克风）的体积才得以缩小。最早的铝带麦克风使用的是相对较长的波纹振膜，只要出现非常小的空气扰动，就会使之变形或者损坏（向振膜吹气会损坏振膜）。在1958年，Eugen Beyer为世界带来了他的首款“短振膜”铝带麦克风，十分结实耐用，从此改变了一切。其振膜舱的尺寸与当时的动圈换能器接近，而且Beyer的原始设计直到今天都依然在被不断生产着。
之前先出现的碳颗粒麦克风和电容麦克风都是全指向的（压力驱动），而铝带麦克风则首次带来了振膜两侧暴露时压力存在梯度的表现，导致出现了8字型极性。不过，RCA很快又开发出了一款心型指向的铝带麦克风，其上部分振膜两侧皆为开放（压力梯度），但下部分后面则是封闭的。
Western Electric和ST&C公司则采取了另一种方法，在同一产品中使用了铝带振膜舱（压力梯度，8字指向）和单独的动圈振膜舱（压力驱动，全指向）。两个振膜舱的振膜非常接近，二者的输出以电气方式串联组合，就产生了心型的指向。尽管体积偏大，但这种设计坚固耐用，实际运行状况良好，成为了早期电视扩音设备的中流砥柱。随后，又出现了一种更加实用的心型指向方法，那就是使用一个背部带有相移声学网络的换能器。该方案很快就被美国的Western Electric、Shure和Electrovoice公司所采用，还有欧洲的Neumann、AKG、ST&C公司等等。在德国，随着双振膜电容舱的出现，此技术得到了进一步发展。人们最终使用一对背向的心型振膜舱的输出，通过电气形式进行组合，并改变振膜舱的极化电压，这样就获得一系列不同的麦克风极性。
随着电影和电视行业的发展，为了配合长焦距摄像机镜头，人们需要更大方向性的麦克风。增加方向性的首次尝试，是基于将多个全指向麦克风安装在大型平面隔音板上并使用粗糙干涉技术的。后续的改进包括在抛物面反射器的焦点处安装一支全指向麦克风，但在1930年年代，Western Electric和RCA公司开发了一个更加实用的系统。这种系统使用的是一长束窄口径管道，安装在振膜平面前方并与之垂直。对于轴向的声音，声波会通过这些束管连续地传递至振膜，因此束管并无太大的影响。不过离轴的声音会从距离振膜不同的位置进入不同的束管，所以在到达振膜时就会非常地不连贯，于是会出现很明显的抵消现象。
多年来，这项技术一直在得到改进，直至出现了今天我们所广泛使用的干涉管（Shotgun，短枪式）麦克风。然而不幸的是，除非干涉管特别长，否则低频的方向性依然会出现问题。不过数字信号处理技术与多振膜舱技术的结合，应该可以推动这个问题的解决。Audio Technica就采取这种方法发明了他们的AT895定向麦克风。
早期电容麦克风中泛滥的问题之一就是对湿度的过于敏感。从原理上讲，振膜舱需要非常高的阻抗来运行，而周围的空气在变得潮湿时，会提供一个低阻抗的通路，使得极化电荷通过该通路逃逸，于是就产生了“油炸噪声”。在1924年，Riegger提出了射频电容麦克风的原理，作为一种测量低至0.1Hz声压变化的方法。他在一个低阻抗的共鸣电路中使用了一支电容麦克风的振膜舱，并通过一个射频振荡器进行激励。由声波引起的电容变化会导致共鸣频率的改变，而对这种变化的射频信号进行解调，就会产生相应的音频频率输出。
GF. Hall和JJ. Zaalberg van Zelst分别在1946年和1947年对这种实验室技术进行了改进，但直到1960年代早期，这种技术才真正应用在了录音麦克风上。其推力来源从笨重的电子管阻抗转换器替换成了更小的晶体管化电路。双极晶体管都是低阻抗元件，虽然不能与传统的电容系统一起使用，不过非常适合射频电容技术。Sennheiser开创了录音麦克风的技术，并在后续生产了非常多不同型号的射频电容麦克风。
至于传统电容麦克风的微型化，是到了后来场效应晶体管（FET，具有极高的输入栅极阻抗）足以取代电子管阻抗转换器时才得以实现的。其中许多微型化的尝试，都聚焦于换能器和放大电路的紧密集成上，许多尝试甚至可以追溯到1950年代。在一个比较早的例子中，Olson将一个振膜耦合到了热电子管内部的旋转束电极上，直接根据振膜的位移来调制电流变化。随后，Sikorski使用了一个振膜来振动连接在晶体管发射区上的蓝宝石别针，由此引发机械应力来影响其导电性。Rogers在1960年代用“通道二极管”（Tunnel Diode）做了类似的事情，而在最近，人们更是使用了专门设计的应变仪来进行测量。例如，National Semiconductor制造了一种构建在柔性基板上的压阻式硅应变仪，并声称其具有高达20kHz的平坦频率响应表现（尽管灵敏度相对较低）。
正统的电容麦克风，过去是麦克风中质量最好的存在，不过在过去20年中，却一直在遭受着愈发复杂的预极化（背驻极体）振膜舱的挑战。著名的B&K（现在叫DPA）4000系列麦克风是首批被认可用于高质量录音应用的驻极体麦克风产品之一，而AKG最近也推出了C4000——世界上首款具有多振膜、可切换极性的预极化麦克风。
DPA 4003
AKG C4000B
历史沿革
目前市场对高采样率系统的追求（96kHz和192kHz，以及Sony DSD格式），使得麦克风制造商也开始标榜他们的产品具有高保真的优势。Sony的C2三振膜麦克风据说能够达到100kHz，并且一直被用于某些DSD录音当中；而Sennheiser则对其高度标志性的MKH80射频电容麦克风做了翻新，全新的MKH800标榜称可以获得超过50kHz的平坦频响表现。Earthworks的许多麦克风也有着可以高达40kHz的频率响应表现。
目前麦克风设计中最重要的革新就是Soundfield振膜舱，这是一种由Michael Gerzon（牛津数学研究所）和P.B. Fellgett教授（雷丁大学）开发的技术，原于1970年代构思开发，用于制作Ambisonic环绕声素材。尽管实现起来十分复杂，且高度数学化，但Ambisonic的底层概念还是相对较为简单的（在根源上，可以追溯到40年前Blumleim巧合的立体声研究）。
Soundfield的麦克风由四个心型电容麦克风的四面体阵列组成，可以产生“A格式”的信号。这些麦克风的信号也可以通过电气方式进行组合（并对振膜舱之间的物理分离进行补偿），产生“UHJ Ambisonic”编码的立体声素材基础的“B格式”信号。这些信号分别代表着四个（完美的）虚拟麦克风的输出，其由三个互相垂直的8字形指向麦克风元素组成，分别为左/右（X轴）、前/后（Y轴）和上/下（Z轴），外加一个全指向分量（W轴）。这些形式都可以看作是Blumlein原始MS配置形式的三维拓展。而Ambisonics编码器则会计算将不同B格式信号的组合路由至不同的扬声器（“D格式”信号），并给出其数量和大致位置的信息，以及如何对这些信息进行处理，以制作出十分稳定、准确的环绕声像的方法。
后来，Soundfield的技术取得了进一步发展，出现了一种专用的解码器，可以从Soundfield的麦克风（或其它“B格式”声源）中生成兼容5.1声道的输出。其中一个应用就是可以让Soundfield的麦克风生成确切位置上的环绕声，或者用在拟音工作室中，协助电影在声音方面的制作。此解码器通过有效配置，可以产生与传统5.1扬声器阵列相对应的5个扬声器输出，而这种阵列，也就是我们所说的“G格式”。
Soundfield MKV
在撰写本文的当下，最好的传统麦克风设计在噪声和动态范围方面，是远超模拟话放的表现的，而比起数字转换器，二者的性能又要明显超出不少。
Neumann TLM103
Neumann的TLM103电容麦克风的自噪声只有7dBA，而动态范围有131dB。不过，数字技术与复杂的转换技术依然在不断发展着，所以机电换能器在未来还是很有可能被光电设备所取代的。
展望未来
最近几年中，出现了一些更为激进的麦克风设计，其中就包括一种类似于离子扬声器的系统，其原理为对带电粒子的声压变化所对应的运动进行探测。还有一种思路是使用激光速率换能器，通过低能激光对振动的反射表面进行扫描，由最终产生的多普勒频移现象传输音频信号，而在过去十年中，有关“光学麦克风”的研究也已经开始取得一些进展。这些方式在实验室中已经应用了有些时间了，不过对于实际的录音麦克风系统来说，目前还是太过笨重。Sennheiser已经开发出了一种紧凑型光学麦克风，可用于气泵站检测气体泄露时的声音，而且可以避免传统麦克风偏置电压所带来的爆炸风险。还有许多类似的发展在人们对剧院应用的期待中不断进行着，毕竟艺人的妆容和汗水，都会迅速对传统的驻极体振膜舱产生损伤！不过，专为电信行业而开发的微型光学接口和相关设备，例如微型激光二极管、偏振分束器和光电二极管，现在是足以用来构建高质量的光学麦克风的。目前我们所使用的传统干涉测量技术和低能激光，比起传统的麦克风，在可实现的动态范围上要偏小一些，而且失真更加严重，不过固有噪声是更低的。尽管在目前的技术程度下，分辨率是相当有限的，但今天关于通过光感原件来探测振膜不同部分的运动量以提供直接数字输出的研究也非常广泛。
在未来，或许结合了“力反馈”与光学原理的麦克风，才是更有前途的形式。光学干涉测量技术可以用来检测振膜（针对电容振膜舱而言）因声压变化所产生的运动。而反馈电路会对振膜舱施加一个电压，产生与运动相反的静电力，其所需的力与声音成正比，具体取决于电路设计。这种技术，目前可以实现超过135dB的声压级，并且系统的频率响应完全由所使用的反馈电子元件所决定，但不幸的是，由于售价太过昂贵，目前并不能被市场所接受。
Hugh Robjohns曾在BBC的Wood Norton培训机构担任讲师多年。如今他成为了一名技术作家与顾问，为许多技术出版物撰稿，并担任着Sound on Sound的技术编辑和广播之声协会期刊LineUp的编辑。
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