ميكروفون كربوني

الميكروفون الكربوني ، المعروف أيضًا باسم ميكروفون الزر الكربوني أو ميكروفون الزر أو جهاز الإرسال الكربوني ، هو نوع من الميكروفونات ، وهو عبارة عن محول طاقة يحول الصوت إلى إشارة صوتية كهربائية . يتكون من لوحين معدنيين يفصل بينهما حبيبات من الكربون . أحد اللوحين رقيق جدًا ومواجه للمتحدث، ويعمل كغشاء . تتسبب الموجات الصوتية التي تصطدم بالغشاء في اهتزازه، مما يؤدي إلى ضغط متغير على الحبيبات، وبالتالي تغيير المقاومة الكهربائية بين اللوحين. يؤدي الضغط العالي إلى انخفاض المقاومة مع تقارب الحبيبات. يمر تيار مباشر ثابت بين اللوحين عبر الحبيبات. ينتج عن تغير المقاومة تعديل في التيار، مما يخلق تيارًا كهربائيًا متغيرًا يعكس الضغط المتغير للموجة الصوتية. في أنظمة الهاتف التناظرية ، يمر هذا التيار المتذبذب مباشرة عبر أسلاك الهاتف إلى مقسم الهاتف ، ومن ثم يتم توجيهه إلى المتلقي. أما في أنظمة الإذاعة العامة ، فيتم تضخيمه بواسطة مضخم صوت . ومع ذلك، فإن استجابة التردد لمعظم الميكروفونات الكربونية محدودة بنطاق ضيق، وينتج الجهاز ضوضاء كهربائية كبيرة .

قبل انتشار مضخمات الصمامات المفرغة في عشرينيات القرن الماضي، كانت الميكروفونات الكربونية الوسيلة العملية الوحيدة للحصول على إشارات صوتية عالية المستوى. وقد شاع استخدامها في أنظمة الهاتف حتى ثمانينيات القرن الماضي، بينما استخدمت تطبيقات أخرى تصاميم ميكروفونات مختلفة قبل ذلك بكثير. كانت تكلفتها المنخفضة، وقدرتها العالية على الإخراج، واستجابتها الترددية المميزة، تجعلها مناسبة تمامًا للاتصالات الهاتفية. بالنسبة لخدمة الهاتف التقليدية (POTS)، لا يزال من الممكن استخدام الهواتف التي تعمل بالميكروفونات الكربونية دون تعديل. كانت الميكروفونات الكربونية، وهي في الغالب أجهزة إرسال هاتفية معدلة، شائعة الاستخدام في أنظمة البث الإذاعي AM المبكرة ، ولكن استجابتها الترددية المحدودة، بالإضافة إلى مستوى الضوضاء المرتفع نسبيًا، أدت إلى التخلي عنها في تلك التطبيقات بحلول أواخر عشرينيات القرن الماضي. واستمر استخدامها على نطاق واسع في أنظمة الإذاعة العامة منخفضة التكلفة، والتطبيقات العسكرية والهواة اللاسلكية لعدة عقود لاحقة. ^{[ 1 ]}

كان أول ميكروفون كربوني من صنع هيوز عبارة عن قضيب كربوني معلق بشكل غير محكم بين نقطتي تلامس معدنيتين، ويمر عبره تيار كهربائي من بطارية. كانت الموجات الصوتية تهز القضيب، مما يؤدي إلى تغيير مقاومة نقاط التلامس الكربونية، وبالتالي تغيير التيار.

كان أول ميكروفون مكّن من إجراء اتصالات صوتية هاتفية حقيقية هو ميكروفون الكربون (ذي التلامس غير المحكم) (والذي كان يُسمى آنذاك جهاز الإرسال). وقد طُوّر هذا الميكروفون بشكل مستقل حوالي عام 1878 على يد ديفيد إدوارد هيوز في إنجلترا، وإميل برلينر وتوماس إديسون في الولايات المتحدة. ورغم أن إديسون حصل على براءة الاختراع الأولى في منتصف عام 1877، إلا أن هيوز كان قد عرض جهازه العامل أمام العديد من الشهود قبل ذلك بسنوات، وينسب إليه معظم المؤرخين اختراعه. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

استخدم جهاز هيوز حبيبات كربون غير متراصة بإحكام، حيث تسبب الضغط المتفاوت الذي يمارسه غشاء الميكروفون على هذه الحبيبات بفعل الموجات الصوتية في تغير مقاومة الكربون بشكل متناسب، مما أتاح إعادة إنتاج الإشارة الصوتية كهربائيًا بدقة نسبية. كما صاغ هيوز مصطلح "الميكروفون". وقد عرض جهازه على الجمعية الملكية بتكبير صوت حشرات تخدش من خلال صندوق صوتي. وخلافًا لإديسون، قرر هيوز عدم تسجيل براءة اختراع، بل أهدى اختراعه للعالم. ^{[ 5 ]}

في أمريكا، خاض إديسون وبرلينر معركة قانونية طويلة حول حقوق براءة الاختراع. وفي نهاية المطاف، منحت محكمة فيدرالية إديسون الحقوق الكاملة للاختراع، مصرحةً بأن "إديسون سبق برلينر في نقل الكلام... واستخدام الكربون في جهاز الإرسال هو، بلا شك، اختراع إديسون"، وحُكم ببطلان براءة اختراع برلينر. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يُعدّ الميكروفون الكربوني النموذج الأولي المباشر للميكروفونات الحديثة، وكان له دورٌ حاسمٌ في تطوير صناعات الاتصالات الهاتفية والإذاعية والتسجيل. ^{[ 8 ]} لاحقًا، استُخدمت حبيبات الكربون بين أزرار الكربون. وانتشر استخدام الميكروفونات الكربونية على نطاق واسع في الهواتف من عام 1890 حتى ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 7 ]}

يُستخدم كمضخم صوت

يمكن استخدام الميكروفونات الكربونية كمضخمات صوت . ^{[ 9 ]} استُخدمت هذه الخاصية في أجهزة إعادة إرسال إشارات الهاتف القديمة ، مما أتاح إجراء المكالمات الهاتفية لمسافات طويلة في الحقبة التي سبقت ظهور مضخمات الصمامات المفرغة. في هذه الأجهزة، كان مستقبل الهاتف المغناطيسي ( محول الطاقة من كهربائي إلى ميكانيكي ) موصولًا ميكانيكيًا بميكروفون كربوني. ولأن الميكروفون الكربوني يعمل عن طريق تغيير التيار المار فيه، بدلًا من توليد جهد إشارة كما هو الحال في معظم أنواع الميكروفونات الأخرى، فقد كان من الممكن استخدام هذا الترتيب لتقوية الإشارات الضعيفة وإرسالها عبر الخط. تم التخلي عن هذه المضخمات إلى حد كبير مع تطوير الصمامات المفرغة ، التي وفرت كسبًا أعلى وجودة صوت أفضل . حتى بعد شيوع استخدام الصمامات المفرغة، استمر استخدام المضخمات الكربونية خلال ثلاثينيات القرن العشرين في أجهزة الصوت المحمولة مثل أجهزة السمع. كان قطر مضخم Western Electric 65A الكربوني 1.2 بوصة وارتفاعه 0.4 بوصة، ووزنه أقل من 1.4 أونصة. ^{[ 10 ]} لم تكن هذه المضخمات الكربونية تتطلب البطاريات ومصادر الطاقة الثقيلة والضخمة التي تستخدمها مضخمات الصمامات المفرغة. بحلول خمسينيات القرن العشرين، استُبدلت مضخمات الكربون المستخدمة في أجهزة السمع بأنابيب مفرغة مصغرة (لم تلبث أن استُبدلت بالترانزستورات). ومع ذلك، لا تزال مضخمات الكربون تُنتج وتُباع. ^{[ 11 ]}

ومن الأمثلة على التضخيم الذي توفره الميكروفونات الكربونية التذبذب الناتج عن التغذية الراجعة، والذي ينتج عنه صرير مسموع من " هاتف الشمعة " القديم إذا تم وضع سماعة الأذن الخاصة به بالقرب من الميكروفون الكربوني.

إلى جانب تركيبات الهواتف القديمة في ظروف مختلفة حسب المناطق والبلدان، لا تزال ميكروفونات الكربون تُستخدم اليوم في بعض التطبيقات المتخصصة، على الرغم من توقف الشركات المصنعة عن توزيعها. فعلى سبيل المثال، كان ميكروفون Shure 104c ^{[ 12 ]} لا يزال مطلوبًا في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين نظرًا لتوافقه الواسع مع المعدات الموجودة. ^{[ 13 ]}

تتمثل الميزة الرئيسية للميكروفونات الكربونية مقارنةً بأنواع الميكروفونات الأخرى في قدرتها على إنتاج إشارات صوتية عالية المستوى من جهد تيار مستمر منخفض للغاية، دون الحاجة إلى أي نوع من التضخيم الإضافي أو البطاريات. يُوفر الميكروفون الكربوني، بفضل استخدامه لمصدر طاقة، تضخيمًا للطاقة. ويمكن إثبات ذلك بسهولة عن طريق توصيل بطارية وميكروفون وسماعة أذن على التوالي. عند ملامسة الميكروفون وسماعة الأذن، سيتذبذب النظام. ولا يحدث هذا إلا إذا كان تضخيم الطاقة حول الدائرة أكبر من واحد.

يُعدّ أداء الميكروفون في العمل بجهد منخفض مفيدًا للغاية في المناطق النائية التي تخدمها خطوط هاتفية طويلة جدًا، حيث يمكن أن تؤدي المقاومة الكهربائية للأسلاك إلى انخفاض حاد في جهد التيار المستمر. تحتاج معظم الهواتف الإلكترونية بالكامل إلى ثلاثة فولتات على الأقل من التيار المستمر للعمل، وبالتالي غالبًا ما تصبح غير قابلة للاستخدام في مثل هذه الحالات، بينما تستمر هواتف الإرسال الكربونية في العمل حتى عند انخفاض الجهد إلى جزء من الفولت. حتى في حال عملها، تعاني الهواتف الإلكترونية أيضًا مما يُعرف بـ " تأثير الجرف "، حيث تتوقف عن العمل فجأة عندما ينخفض ​​جهد الخط إلى ما دون المستوى الحرج. وهذا يعني تحديدًا أن هاتفًا واحدًا على " خط مشترك " قد يستحوذ على كامل تيار الخط ، مما يؤدي إلى انقطاع التيار عن الهواتف الأخرى. مع الميكروفونات الكربونية، ستظل جميع أجهزة الاستقبال على نفس الخط تعمل، وإن كان ذلك بمستوى صوت منخفض .

تُستخدم الميكروفونات الكربونية على نطاق واسع في التطبيقات الحساسة للسلامة، مثل التعدين والصناعات الكيميائية ، حيث لا يمكن استخدام الفولتية العالية للخطوط الكهربائية، نظرًا لخطر حدوث شرارات وانفجارات لاحقة . كما تتميز أنظمة الهاتف الكربونية بمقاومتها للتلف الناتج عن ارتفاعات الفولتية المفاجئة ، مثل تلك الناتجة عن الصواعق ، والنبضات الكهرومغناطيسية من النوع الناتج عن الانفجارات النووية ، ولذلك لا تزال تُستخدم كأنظمة اتصالات احتياطية في المنشآت العسكرية الحيوية.

• جوزيفسون، ماثيو، إديسون: سيرة ذاتية ، وايلي، 1992، رقم ISBN 0-471-54806-5

• اختراع إديسون للميكروفون الكربوني (الجرافيت) بواسطة فرانك داير
• تي إيه إديسون، براءة اختراع أمريكية رقم 0,474,230، التلغراف الناطق (ميكروفون من الجرافيت)، تم تقديم الطلب في أبريل 1877، وتم إصداره في مايو 1892
• تي إيه إديسون، براءة اختراع أمريكية رقم 0,203,016، تحسين في الهواتف الناطقة (زر أسود مضغوط معزول عن الحجاب الحاجز)، تم تقديم الطلب في مارس 1878، وتم إصداره في أبريل 1878
• تي إيه إديسون، براءة اختراع أمريكية رقم 0,222,390 لهاتف الكربون (ميكروفون حبيبات الكربون)، تم تقديم الطلب في نوفمبر 1878، وتم إصداره في ديسمبر 1879
• إي. برلينر، براءة اختراع أمريكية رقم 0,222,652، تحسين في هواتف الاتصال الكهربائي (غشاء كربوني مع دبوس اتصال كربوني)، تم تقديمها في أغسطس 1879، وصدرت في 16 ديسمبر 1879
• AC White، براءة اختراع أمريكية رقم 0,485,311 للهاتف (ميكروفون كربوني خلفي صلب)، تم تقديمها في 24 مارس 1892، وتم إصدارها في 1 نوفمبر 1892 (مهندس بيل)