Historie wynalazków - Nagłaśnianie i wzmacnianie dźwięku
ok. 1000 p.n.e. - W peruwiańskich Andach, w centrum obrzędowym Chavín de Huántar, powstaje kompleks podziemnych pomieszczeń i krętych korytarzy. Badacze zauważyli, że konstrukcja jest przemyślanym systemem akustycznym, wzmacniającym głos ludzki i dźwięki instrumentów.
V wiek p.n.e. - W starożytnej Grecji pojawiają się maski z wystającymi z ust stożkami, mającymi wzmacniać głosy aktorów występujących w teatrze.
I wiek p.n.e. - Rzymski architekt Witruwiusz wykorzystuje do budowy nowych teatrów greckie wzory architektoniczne uwzględniające akustykę. Wydaje się, że słynny projektant sporo wiedział o naturze dźwięków – twierdził m.in., że podróżują one niczym fale po wrzuceniu kamienia do wody. Prace Witruwiusza przyczyniły się do stworzenia podstaw architektonicznego projektowania akustycznego.
ok. 600 n.e. - Świątynie w starożytnym mieście Majów – meksykańskim Palenque – projektowano z myślą o systemie emisji dźwięku na duże odległości. Artyści i kapłani stawali na ich szczycie lub w specjalnych salach, a dzięki przemyślanej architekturze oraz specjalnym powłokom na powierzchni ścian ich głos był wzmacniany i słyszany z daleka.
XVII w. - Samuel Morland i Athanasius Kircher mniej więcej w tym samym czasie opisują wynalazek megafonu.
W pracy opublikowanej w 1655 r. Morland napisał o swoich eksperymentach z różnymi rogami. Jego największy megafon składał się z ponad siedmiometrowej miedzianej tuby, przenoszącej podobno głos człowieka na odległość półtora kilometra. Dwadzieścia lat wcześniej Kirchner opisał urządzenie (1), które mogło być używane zarówno jako megafon, jak i do podsłuchiwania osób znajdujących na zewnątrz budynków.
1675-1682 – Pochodzący z tego okresu rysunek Louisa Nicolasa na stronie dzieła „Codex canadensis” przedstawia Iscouakité, czyli wodza amerykańskich Indian, trzymającego megafon z kory brzozowej (2). Tekst ilustracji wyjaśnia, że za pomocą takiej właśnie tuby Iscouakité zwraca się do swoich wojowników.
1827 – Charles Wheatstone konstruuje pierwszy mikrofon będący przetwornikiem dźwięku. Urządzenie składało się z dwóch cienkich prętów, które przenosiły drgania mechaniczne do uszu. Obecnie mikrofonem nazywamy przetwornik elektroakustyczny, który służy do przetwarzania fal dźwiękowych na zmienny prąd elektryczny, ale pod koniec XVII wieku słowo to określało instrument zwiększający głośność dźwięku, czyli trąbkę przystawianą do ucha przez osoby niedosłyszące. Mikrofon Wheatstone’a wciąż był jednak zupełnie inną konstrukcją od wynalezionego później mikrofonu elektrycznego.
1861 - Johann Philipp Reis – nauczyciel we Friedrichsdorf w Niemczech – opracowuje prosty typ głośnika elektrycznego, który instaluje we własnym prototypie telefonu. W swojej eksperymentalnej konstrukcji użył metalowego paska, przymocowanego do wibrującej membrany, co wytwarzało zmienne przepływy prądu elektrycznego. Na początku głośnik był w stanie odtwarzać tylko czyste tony, ale potem, po kilku zmianach, również dającą się zrozumieć mowę.
lata 70. XIX w. - Pojawiają się pierwsze mikrofony kwasowe, w których membrana została przymocowana do pręta przewodzącego w roztworze kwasu. Służyły jako jeden z elementów budowy pierwszych telefonów Aleksandra Grahama Bella i Elishy Graya.
1877 - Powstaje mikrofon węglowy (stykowy). Thomas Edison (3), zainspirowany urządzeniem pionierów
telefonii, postanowił je ulepszyć. Zaprezentował wkrótce potem mikrofon, w którym kwas zastąpiono granulkami węgla, zmieniającymi swoją rezystancję pod wpływem ciśnienia, jakie wywierała membrana na granulat. Wynalazek cieszył się powodzeniem, miał jednak swoje wady. Choć jego konstrukcja była prosta, tania i niemalże bezawaryjna, to zakres przetwarzania okazał się węższy od spektrum mowy ludzkiej i powodował duże zniekształcenia dźwięku. Po mikrofonach węglowych powstały pojemnościowe – były one jednak drogie, delikatne oraz niezbyt mobilne.
1877 - Idea głośnika napędzanego cewką elektromagnetyczną została sformułowana przez Wernera von Siemensa, który chciał wykorzystać w niej prąd stały. Nie miał co prawda możliwości wzmocnienia dźwięku w celu stworzenia użytecznego głośnika, ale sądził, że teoretycznie da się to zrobić.
1878 - W nadziei, że przyniesie to korzyści osobom niesłyszącym i słabosłyszącym, Edison opracował urządzenie podobne do mówiącej trąbki. Jego wynalazek składał się z trzech oddzielnych lejkowatych tub ustawionych w rzędzie. Dwie zewnętrzne miały prawie 2 m długości i wykonane były z papieru. Tuba środkowa przypominała konstrukcję Samuela Morlanda, ale miała większy otwór na włożenie ust użytkownika. Megafon Edisona niski szept niósł na 300 m, a normalny głos aż na kilka kilometrów, jednak był zbyt duży, by mógł być wygodnie użytkowany.
1898 - Oliver Lodge opracowuje koncepcję głośnika z ruchomą cewką połączoną z
membraną i zawieszoną w silnym polu magnetycznym (nazywanego również głośnikiem dynamicznym), którą patentuje. 1898 - Horace Short z Londynu patentuje głośnik auxetophone (4). Po raz pierwszy zaprezentowano go publicznie na Wystawie Paryskiej w 1900 r., aby ze szczytu wieży Eiffla nadać fonograficzny zapis arii operowych. Urządzenie było poruszane sprężonym powietrzem i – wg opowieści współczesnych – słychać je było w całym Paryżu.
1906 - Miller Reese Hutchison oraz Kelly Turner z Hutchinson Acoustic Co. z Nowego Jorku konstruują pierwszy głośnik elektryczny – dictograph, stanowiący prototyp większości dzisiejszych systemów.
1906-1912 - Pierwszy wzmacniacz audio został wyprodukowany przez Lee De Foresta i pojawił się w formie triodowej lampy próżniowej. Wynalazek, który początkowo propagował Forest, znany był jako Audion (5). W przeciwieństwie do triody, która ma trzy elementy, Audion miał tylko dwa i początkowo nie wzmacniał dźwięku. Później, gdy wynaleziono triodę, urządzenie z możliwością regulacji ruchu elektronów z żarnika na płytkę i tym samym modulowania dźwięku (zwanej również „zaworem”), rozpoczął prace nad
nowym projektem. Ostatecznie wzmacniacz audio został zbudowany przez Lee De Foresta ok. roku 1912. Triodowy wzmacniacz próżniowy użyto do stworzenia pierwszego radia AM. Wczesne wzmacniacze mocy audio opierały się na lampach próżniowych, a niektóre z nich osiągały szczególnie wysoką jakość dźwięku (np. wzmacniacz Williamsona z lat 1947-1949).
1912 – We wrześniu tego roku po raz pierwszy zostały użyte publicznie elektryczne głośniki. Firma Bell Telephone Co., we współpracy z Western Electric, zainstalowała w chicagowskim teatrze Olympic dwa chłodzone wodą nadajniki głośnikowe, induktor i dziesięć głośników, które nie tylko wzmacniały głos ze sceny, lecz także transmitowały na widownię efekty dźwiękowe spoza niej.
1913 - Gubernator stanu Oklahoma wygłasza mowę transmitowaną przewodowo do miejsca, w którym odbywało się zgromadzenie 345 osób, oddalonego o ok. 200 km od miejsca nadawania – głośniki zostają wówczas po raz pierwszy wykorzystane jako element systemu nagłaśniającego.
1915 - Duński inżynier Peter L. Jensen i Edwin Pridham produkują w Napa w Kalifornii pierwsze praktyczne głośniki z ruchomą cewką. Wykonaną z miedzianego drutu i połączoną z membraną cewkę umieścili pomiędzy silnymi magnesami, a następnie dodali gramofonową tubę w kształcie litery S. Jensenowi odmówiono jednak przyznania patentów, a ponieważ obu konstruktorom nie udało się sprzedać swoich produktów firmom telefonicznym, w 1915 r. zmienili oni rynek docelowy na radiotelefony i systemy nagłośnieniowe, nazywając swój produkt Magnavox. Jensen przez lata po wynalezieniu głośnika był współwłaścicielem firmy Magnavox.
1924 – Chester W. Rice z firmy General Electric oraz Edward W. Kellog z AT&T (6) opracowują konstrukcję
(głośnik magnetoelektryczny), która przypomina dzisiejsze modele. Przełom polegał na wykorzystaniu magnesu, ruchomej cewki i membrany. Obaj inżynierowie pracowali razem w Schenectady w stanie Nowy Jork nad stworzeniem nowoczesnego głośnika i pierwszego elektrycznego systemu wzmacniającego. W 1921 r. opracowali działający prototyp, a następnie rozwiązali problemy z generowaniem stłumionego dźwięku, które uniemożliwiałyby rynkowe konkurowanie z dobrze sprzedającą się tubą. Ich urządzenie charakteryzowały: wystarczająco duża dynamika w zakresie częstotliwości, by być lepszym niż tuba, oraz znaczne zwiększenie głośności (dB). W 1925 r. obaj złożyli wniosek patentowy, a po kilku latach udoskonalili swój wynalazek, który stał się pierwszym komercyjnym produktem tego typu, zwany głośnikiem Radiola 104. W 1926 r. sprzęt ten kosztował 250 dolarów, co stanowi dzisiejszą równowartość ok. 3 tys. dolarów amerykańskich. Głośnik został wyprodukowany pod szyldem firmy RCA.
1924 - Walter H. Schottky wraz z dr. Erwinem Gerlachem wynajdują mikrofon wstęgowy (7). Pomysł polegał na tym, by zawiesić bardzo cienką wstęgę w polu magnetycznym, dzięki czemu może ona generować sygnały elektryczne. Rozwiązanie to nie było zbyt praktyczne, dopóki pod koniec lat 30. nie stały się dostępne silne magnesy stałe.
1930 - Peter L. Jensen wprowadza na rynek pierwsze głośniki z magnesami stałymi. Duże, ciężkie magnesy żelazne były jednak niepraktyczne, więc głośniki z cewką dominowały do momentu upowszechnienia się po II wojnie światowej lekkich magnesów aluminiowych.
1934 - Harold Black zaczyna stosować negatywne sprzężenie zwrotne, co pozwoliło na znaczne obniżenie poziomu zniekształceń we wzmacniaczach, kosztem obniżenia mocy.
1937 – Wytwórnia filmowa Metro-Goldwyn-Mayer wprowadza pierwszy w branży filmowej standardowy system nagłośnienia sal kinowych – The Shearer Horn System for Theatres. Wykorzystano w nim cztery 15-calowe przetworniki niskiej częstotliwości, zwrotnicę sieciową o częstotliwości 375 Hz oraz pojedynczą wielokomórkową tubę z dwoma przetwornikami kompresji, zapewniającymi wysokie częstotliwości.
1947 - W związku z postępem, jaki dokonał się w czasie II wojny światowej, nastąpił gwałtowny rozwój technologii, również w dziedzinie nagłaśniania i wzmacniania dźwięku. Najwcześniejsze rodzaje wzmacniaczy audio były wykonane z lamp próżniowych lub zaworów. Przykładem – wspominany wcześniej wzmacniacz Williamsona, powstały na bazie koncepcji opublikowanej przez brytyjskiego inżyniera Davida Theodore’a Nelsona Williamsona w magazynie „Wireless World” w maju 1947 r.
1954 - Edgar Villchur (8) opracowuje w Cambridge, w stanie Massachusetts, akustyczną zasadę zawieszenia głośników, czyli obudowy konstrukcji, która korzysta z jednego lub więcej sterowników głośników zamontowanych w zamkniętej skrzyni lub szafie. Pozwoliło to uzyskać lepszą charakterystykę basu niż w przypadku przetworników instalowanych w mniejszych obudowach, co było ważne podczas przechodzenia do nagrywania i odtwarzania dźwięku stereo. Villchur wraz ze swoim partnerem Henrym
Klossem założył firmę Acoustic Research, której zadaniem stała się produkcja i wprowadzanie na rynek systemów głośnikowych wykorzystujących tę zasadę. Ciągły rozwój konstrukcji obudów i materiałów doprowadził wkrótce do znacznych usprawnień w zakresie słyszalności dźwięków. Najbardziej zauważalnymi ulepszeniami w nowoczesnych przetwornikach dynamicznych i wykorzystujących je głośnikach stały się: ulepszenia w materiałach stożkowych, wprowadzenie klejów wysokotemperaturowych, rozwój materiałów na magnesy trwałe, postęp dotyczący technik pomiarowych, wspomaganie komputerowe projektów i analiza elementów skończonych. Przy niskich częstotliwościach bardzo ważne na poziomie projektu okazało się zastosowanie teorii sieci elektrycznych do parametrów akustycznych, na które pozwalają różne konstrukcje obudów. Pierwsze zestawy głośnikowe, czyli głośniki zamknięte w obudowie, opatentowano w 1958 r.
1957 – Prof. dr Fritz Sennheiser wraz z ekspertami z dziedziny przesyłu radiowego oraz we współpracy z niemieckim nadawcą Norddeutscher Rundfunk wprowadzają mikrofon bezprzewodowy do
zastosowań telewizyjnych. Nadajnik SK 1001 miał lampę elektronową i zasięg do 100 m, a pracował maksymalnie przez 5 godzin.
lata 60. - Elektryczne megafony stopniowo zastępują swoich poprzedników, czyli wersje akustyczne (9). Mimo to aż po dziś dzień tani, lekki i wytrzymały megafon akustyczny jest używany w wielu miejscach i sytuacjach, np. podczas imprez sportowych
czy na basenach i plażach – wszędzie tam, gdzie wilgoć mogłaby uszkodzić elektronikę.
1964 - Raymon Dones z Kalifornii, uzyskał pierwszy patent na subwoofer (10), zaprojektowany specjalnie w celu wszechstronnego poszerzenia zakresu niskich częstotliwości nowoczesnych systemów stereo.
lata 70. - Tranzystory krzemowe wypierają technologię zaworów lampowych. Odtąd większość nowoczesnych wzmacniaczy audio opiera się na urządzeniach tranzystorowych (typu BJT, FET i MOSFET), które są lżejsze, bardziej niezawodne i energooszczędne, a także wymagające mniej zabiegów konserwacyjnych niż wzmacniacze lampowe. Lepiej radzą sobie też w redukcji poziomów zniekształceń. Lampy nie zostały jednak całkowicie porzucone i wciąż są dostępne np. we wzmacniaczach gitarowych czy w audiofilskim sprzęcie audio.
Mirosław Usidus
