Развитие техники звукоусиления

Часть 1. Создание компонентов систем звукоусиления

Сергей Левшин

История электрического звукоусиления началась с 1874 года, когда Эрнст Сименс впервые описал «динамик», или электромеханический преобразователь с цилиндрической катушкой, перемещающейся в магнитном поле и закрепленной таким образом, чтобы она могла двигаться только в осевом направлении. Он подал заявку в США 20 января 1874 года на «магнитно-электрический аппарат» для получения механического перемещения катушки под действием протекающего тока, и получил патент 14 апреля 1874 года. Однако он не использовал это устройство для передачи звука, как это сделал Александр Белл, запатентовавший телефон в 1876 году. После того как в США Белл получил патент, 14 декабря 1877 года в Германии Сименс подал заявку на «звуковой радиатор» в виде немагнитной диафрагмы для электромагнитного преобразователя с движущейся катушкой. Диафрагма могла иметь форму экспоненциально расширяющегося конуса. Это первый патент рупорного громкоговорителя, который будет использоваться в большинстве патефонов акустической эры. В Германии патент на это изобретение был выдан 30 июля 1878 года, а в Англии еще раньше — 1 февраля 1878 года.

В 1855 году Дэвид Хьюз изобрел прототип угольного микрофона. Он обнаружил, что свободный контакт в электрической цепи, включающей батарею и телефон, создает ситуацию, когда звук из телефона повторяет характер вибрации мембраны приемника звука. В 1877 году появился угольный микрофон, реализованный для нужд телефонии тремя инженерами, работавшими независимо друг от друга, — Эмилем Берлинером, Дэвидом Хьюзом и Томасом Эдисоном. Было обнаружено, что масса свободно расположенных угольных гранул под воздействием вибрирующей мембраны меняет свое сопротивление.

В 1901 году Джон Стро впервые описал коническую бумажную диафрагму, которая по периметру громкоговорителя заканчивалась секцией плоской формы, за исключением гофрированной части, и получил патент 14 декабря 1901 года. В 1908 году Антон Поллак усовершенствовал громкоговоритель, применив центрирующую шайбу, и получил патент 9 ноября 1909 года.

Еще одно звено в построении системы звукоусиления — это усилитель. В первых телефонных линиях использовались толстые провода, чтобы минимизировать потери. Однако для создания трансконтинентальных телефонных линий потребовались усилители. В 1886 году были выданы 27 патентов на различные версии механического усилителя, часть из которых принадлежала Эдисону, Хьюстону, Лоджу и Хьюзу. Одной из версий усилителя было устройство, объединявшее угольный микрофон и телефон.

В 1903 году Шрив, инженер телефонной компании «Белл», получил задание разработать практическую модель механического усилителя. Он выбросил мембраны из микрофона и телефона и заменил их плунжером, который перемещался приемной катушкой и давил на угольный порошок передатчика. Одним из требований была стабильность во времени характеристик усилителя, так что нужно было решить проблему постоянства сопротивления угольной массы. Шрив обнаружил, что эффект изменения сопротивления угольной массы возникал по причине термического расширения, вызванного потерями электричества в угольном порошке. Этот эффект уменьшал сопротивление и увеличивал ток, но при этом уменьшалась отдача преобразователя. Эта проблема была решена конструкцией передатчика, позволявшего сохранять постоянное давление на уголь. Впервые эти усилители были применены в Питтсбурге, на линии между Нью-Йорком и Чикаго. Линия связи, построенная в 1911 году между Нью-Йорком и Денвером, представляла практически предел использования «угольной» технологии.

Рис. 1. Принцип работы механического усилителя

Однако, предвидя развитие технологии усиления, компания «Белл» продолжала развивать трансконтинентальные сети связи (рисунок 1).

В 1883 году Эдисон, занимаясь исследованием причины потемнения ламп накаливания, открыл явление электрического тока в вакууме. Экспериментируя, он обнаружил протекание электрического тока между отрицательно заряженной нитью накаливания и положительно заряженной пластиной, находящейся внутри лампы на некотором расстоянии от нее. А ведь в то время не существовало даже понятия движения электронов в вакууме — только в 1897 году это явление получило научное обоснование.

Осенью 1904 года профессор Джон Флеминг, научный консультант Маркони, стал терять слух, что затрудняло прослушивание сигналов азбуки Морзе.

В поисках визуальной альтернативы он вспомнил странный феномен, который он наблюдал во время посещения в 1889 году лаборатории Эдисона. Он даже получил от Эдисона несколько таких ламп. По возвращении в Англию он, вспомнив об этих экспериментах, организовал колебательный контур с помощью лейденской банки и разрядной катушки. На расстоянии нескольких футов он расположил похожую цепь, подключил лампу, конденсатор и зеркальный гальванометр. Когда катушка разрядника получила импульс, он увидел отклонение стрелки гальванометра, что говорило о протекании постоянного тока. Так был изобретен ламповый детектор, что положило начало развитию электровакуумных ламп, использующих отрицательно зараженную нагретую спираль или нагреватель для освобождения электронов с поверхности катода на пути к положительно заряженной поверхности анода. Это изобретение стало ключевым в переходе от азбуки Морзе к звуковому вещанию.

В 1907 году Ли Д. Форест поместил промежуточный электрод между анодом и катодом для управления потоком электронов, так что можно было это делать, практически не затрачивая энергии. Электронное устройство, названное «аудион», функционировало наподобие водопроводного крана. Это был первый вакуумный триод — еще несовершенный, однако способный управлять электронным потоком.

Фото 1. Лампа Термоник, 1914 г.

В 1912 году независимые исследователи Х. Арнольд и Ирвин Лангмуир обнаружили, что для стабильной работы аудиона нужен очень глубокий вакуум. В 1912 году Western Electric Co. использовала модифицированный аудион для создания телефонного усилителя. Это позволило 25 января 1915 года открыть коммерческую трансконтинентальную телефонную связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско. В период Первой мировой войны, с 1914 по 1918 год, для нужд министерства обороны Western Electric Co и General Electric произвели 500 тысяч и 200 тысяч таких ламп соответственно (фото 1).

К тому времени громкоговоритель обрел почти современную форму, однако был еще слишком слаб, чтобы озвучивать большие площади. Прорыв наступил, когда Питер Дженсен, переехав из Копенгагена в Америку и работая с радиопередатчиками, применил рупор от граммофона для усиления звука от громкоговорителя. Он назвал это изделие Magnavox и стал продавать его как звукоусилительную систему для публичного использования. Первая публичная демонстрация устройства состоялась в Сан-Франциско, в парке Голден Гейт 10 декабря 1915 года, а 25 декабря состоялось воспроизведение музыки для 100-тысячной аудитории перед зданием Городского совета Сан-Франциско. 30 декабря в Сан-Франциско в зале Civic Auditorium была осуществлена трансляция выступления губернатора Джонсона, находившегося в своем доме. Для усиления сигнала использовалась лампа аудион.

Фото 2. Рупор Magnavox R2B, 1921г.

В 1919 году компания Magnavox предоставила громкоговорители для выступления президента Вудро Уилсона в Сан-Диего, и акустическая система «Магнавокс» получила национальное признание. Однако в технологии публичного звукоусиления доминировала компания AT&T, и Magnavox сменила направление работы, занявшись радиопримениками и фонографами (фото 2).

Дальнейшее развитие звукоусиления для телефонной связи связано с именем Маркони. В 1922 году, когда появились усилители для систем звукоусиления, капитан Раунд разработал рупорный громкоговоритель с подмагничиванием — огромный шаг вперед в то время. Компания Marconi создала департамент звукоусиления, и было изготовлено большое количество таких громкоговорителей с усилителями. В очень короткое время сформировался значительный спрос на такие изделия. В 1925 году это оборудование использовалось на церемонии открытия выставки в Уэмбли, где для 90-тысячной аудитории речь короля Георга V транслировалась лишь шестью громкоговорителями.

Нетрудно представить, насколько более привлекательными стали публичные мероприятия как для организаторов, так и для публики.

Фото 3. Праздник в честь 25-летия правления короля Георга V, 6 мая 1935 года

6 мая 1935 года на празднике в честь 25-летия правления короля Георга V на осветительных мачтах по пути следования от Букингемского дворца были смонтированы громкоговорители, позволившие публике услышать происходившее в Соборе Св. Павла (фото 3).

В 1926 году Гай Фонтэйн основал компанию TANNOY. Фонтэйн был одним из пионеров радиоприемников с питанием от сети. Он изобрел, запатентовал и стал производить различные электротехнические устройства, одним из которых был твердотельный высоковольтный выпрямитель на основе сплава тантала и свинца (Tantalum-Lead Alloy), что и послужило возникновению названия Tannoy. Применение сетевого блока питания, наряду с быстрым прогрессом вакуумных ламп, привело к созданию высококачественных усилителей, специально сконструированных для звукоусиления.

Фото 4. Динамический микрофон, 1930 г.	Фото 5. Ленточный микрофон, 1939 г.

В 1928 году для звукоусиления на спортивных и развлекательных мероприятиях стал выпускаться широкий спектр оборудования, и в последующие пять лет Tannoy стала крупнейшим в Великобритании производителем законченных комплексов звукоусиления. В компании появилась исследовательская лаборатория, и продукция Tannoy стала покупаться другими производителями. Любопытно, что первым измерительным оборудованием, произведенным в Великобритании и имевшим сертификат точности Национальной физической лаборатории, был шумомер Tannoy  N. P. L (фото 4 и 5).

6 октября 1927 года в США вышел первый звуковой фильм «Певец Джаза», быстро трансформировавший киноиндустрию в мир звукового кино. Звук в кино мог тогда воспроизводиться с пленки или отдельного диска. Для улучшения качества звука, считываемого оптической головкой, скорость проекции подняли с 16 до 24 кадров в секунду.

В 1925 году Кейз и Форест, работая самостоятельно, предложили звуковую головку для кинопроектора, смещенную на 20 кадров относительно фильмового окна. В 1928 году Кейз стал работать с Fox Studio, занимаясь внедрением своей звуковой системы, названной Movietone. Эдвард Споунейбл, недавно пришедший на студию для внедрения звукового кино, предложил перфорированный экран, отличавшийся от обычного экрана акустической прозрачностью, необходимой для воспроизведения звука. Это позволило разместить громкоговорители за экраном, что было моментально принято индустрией в качестве стандарта.

Статья, опубликованная Честером Райсом и Эдвардом Келлогом в 1925 году в научном журнале Общества инженеров-электриков, называлась «Заметки о разработке безрупорного громкоговорителя нового типа». Они работали инженерами в General Electric Company и предложили подмагничивание в конструкции громкоговорителя. В результате была создана конструкция громкоговорителя, который в течение нескольких лет вытеснил с рынка большинство других моделей. Затем была предложена конструкция, позволившая увеличить мощность, подводимую к громкоговорителю.

Фото 6. Громкоговоритель RCA Radiola 100A, 1926 г. t	Фото 7. Громкоговоритель Radiola103, 1928 г.

В 1926 году появилась коммерческая версия этого усилителя под названием Radiola Model 104 мощностью… 1 ватт. Сзади корпуса были расположены разъемы, позволявшие подключать радиоприемник Radiola 28. Комбинация радиоприемника и усилителя могла, как любой домашний электроприбор, просто включаться в сеть. Стоимость одной лишь Radiola 104 составляла 250 долларов — немалые деньги по тем временам, — однако это было как раз то, что ожидала публика. Это подхлестнуло развитие электровакуумных ламп, адаптированных для работы от источника переменного тока, то есть от сети. В результате вся радиоиндустрия испытала революцию, отказавшись от головных телефонов, батарей и, наконец, стала производить массовый продукт для миллионов (фото 6 и 7).

Важный шаг в развитии звукоусиления произвела компания Western Electric. Кино в то время было немым, и для нужд министерства обороны выпускались учебные фильмы, позволявшие ускорить процесс обучения. Однажды одному из сотрудников компании пришла идея, что если сделать кино способным говорить, то это еще больше повысит эффективность обучения. В результате был создан «Говорящий телефон», как назвали большой рупорный громкоговоритель.

Инженеры Венте и Турас, трудившиеся в лаборатории Bell Labs, разработали драйвер 555 и впервые применили намотку катушки плоским проводом «на ребро», а также создали конструкцию кольцевой щели для выравнивания фазы излучения от поверхности мембраны.

Рис 2. Высокоэффективный свернутый рупор, 1928г.

Вскоре результаты разработок были коммерциализированы, и Western Electric стала производителем лучшего в то время оборудования. Особенно прославился драйвер 555, имевший, в сочетании со свернутым рупором, эффективность 25% и приемлемый диапазон частот — что было очень важно, так как усилители того времени имели мощность всего 2 ватта. Для повышения мощности к рупору присоединяли два и более драйверов. Акустические системы того времени состояли из одного широкополосного излучателя и воспроизводили диапазон частот от 100 до 5000 Гц (рисунок 2).

В 1928 году корпорация Western Electric сформировала компанию Electric Research Products, Inc. (ERPI) для производства, монтажа и сервисного обслуживания систем звукового кино. В 1930 году ERPI была преобразована в отдельную компанию и переименована в All Technical Products Company.

1931 год. Для компенсации потерь на краях звукового диапазона в кинотеатральных усилителях стала применяться частотная коррекция. Усилители достигли мощности 8 ватт. Впоследствии для расширения частотного диапазона Western Electric стала использовать для частот выше 3000 Гц небольшой рупорный излучатель, получивший название Bostwick tweeter. Для воспроизведения звуковых частот ниже 300 Гц хорошо зарекомендовал себя 18" громкоговоритель фирмы Jensen с конической мембраной, размещенный в акустическом кабинете с открытой задней стенкой. В итоге на смену широкополосным громкоговорителям пришла концепция трехполосной системы, которая впервые воплотилась в Wide Range System компании Western Electric.

С улучшением качества систем воспроизведения стали заметны шумы звуковой дорожки. В 1931 году производители оборудования предложили систему шумоподавления.

Фото 8. «Сковородка»	Фото 9. Испанская гитара

Всемирно известная Силиконовая Долина дала импульс не только стремительному развитию электронных технологий, но и музыкальных инструментов. Неотъемлемым элементом современного музыкального ландшафта является звучание электрогитары. История появления электрогитары связана с компанией Rickenbacker International Corporation (RIC). Основанная в 1931 году Адольфом Рикенбеккером и Джорджем Бичэмом, эта фирма производила «Электрические Инструменты Рикенбеккер», первые электрические гитары. К 1930 году многие, кто был знаком с электричеством, знали, что металл, движущийся в магнитном поле, создавал магнитные возмущения, которые могли быть преобразованы в электрический ток с помощью катушки из проводника. Электрогенераторы и звукосниматели фонографов использовали этот принцип. Проблема состояла в создании практичного способа преобразования вибраций струны в электричество. После долгих месяцев экспериментов Джордж Бичэм разработал звукосниматель, состоящий из двух подковообразных магнитов. Струны проходили через подковы и над катушкой, имевшей шесть стальных наконечников под каждой струной. Работая над прототипом, они использовали провод из электродвигателя семейной стиральной машины. Когда звукосниматель заработал, он заказал у Гарри Уотсона, квалифицированного мастера, корпус гитары. Модель из-за оригинального дизайна была названа «Сковородка» (фото 8 и 9).

Однако не все складывалось гладко. Время хуже некуда — 1931 год известен как самый пик Великой Депрессии, и мало у кого были свободные деньги для покупки гитары. Патентный офис не мог решить, была ли «Сковородка» электрическим устройством или музыкальным инструментом.

Рис. 3. Bell Labs. Двухполосный рупорный громкоговоритель

Фото 10. Western Electric. Измеритель паразитной частотной модуляции

Более того, не существовала патентная категория, включавшая оба эти понятия. Однако… множество конкурентов уже ринулись делать электрические гитары. 1934 год. Bell Labs продемонстрировала новую двухполосную звуковую систему, и Дуглас Ширер, руководитель звукового департамента студии MGM, был так потрясен, что организовал производство таких громкоговорителей. Он пригласил молодого инженера-электрика Джона Хилларда и конструктора Роберта Стефенса. Джон Блэкбурн, выпускник Калифорнийского технологического института, посоветовал Хилларду привлечь Джеймса Лэнсинга для производства компонентов акустической системы.

Так называемый «рупор Ширер» был представлен публике в 1936 году и получил награду от Академии Киноискусства за техническое совершенство.

Система состояла из секционированного высокочастотного рупора и низкочастотного деревянного свернутого рупора W-образной формы, работавшего с 15" громкоговорителем. Обратная сторона динамика оставалась открытой. И вуфер, и драйвер имели катушки диаметром три дюйма. Для намотки звуковых катушек драйвера применялся плоский провод, для вуфера — круглый провод. Компоненты акустической системы подключались через пассивный кроссовер с частотой раздела 500 Гц. Частотный диапазон акустической системы составлял 40…10000 Гц, диаграмма направленности также не имела дефектов во всем диапазоне. Качество акустической системы было столь высоко, что сразу выявились такие недостатки звукового тракта, как низкочастотный фон и флаттер пленки. Для борьбы с флаттером была создана новая перфорация на пленке, а также портативный прибор Western Electric Flutter Bridge, позволяющий контролировать качество протяжки пленки (рисунок 3 и фото 10).

1938 год. Американская Академия киноискусства провела исследование звучания звука в кинотеатрах, после чего выработала стандарт на звуковой тракт. Частотная характеристика звуковой системы должна быть ограничена полосой частот 7 кГц, чтобы эффективно подавлять высокочастотный шум. Этот стандарт просуществовал почти 50 лет.

Принимая во внимание, что Western Electric имел практически монополию в области звукового кинооборудования, правительство Соединенных Штатов в 1938 году принудило Western Electric продать подразделение, занимавшееся звукоусилительным оборудованием.

Таким образом, ERPI была продана группе инженеров, которые работали в этой компании. Название Altec появилось как сокращенное All Technical Products Company. Направлением работы компании было выполнение сервисных контрактов на обслуживание кинотеатрального оборудования, для которого в течение двух лет они использовали запасы оборудования, оставшиеся от ERPI. Скоро стало ясно, что без производственной базы они не могут успешно развиваться. В 1939 году Кен Декер, бизнес-партнер Лэнсинга и офицер запаса американских ВВС, разбился на самолете, который он пилотировал. Без Декера бизнес Лэнсинга попал в трудное положение, и в 1941 году стало ясно, что для сохранения бизнеса компанию придется продать.

4 декабря 1941 года Altec Service Corporation купила за 50 тыс. долларов Lansing Manufacturing Company. В компании на этот момент работало 19 человек. Лэнсинг получил должность вице-президента по инженерной службе в новой корпорации Altec- Lansing Corporation. Western Electric согласилась лицензировать Altec-Lansing Corporation все разработки, перечисленные в контракте. За производимые изделия компания Western Electric не брала лицензионные отчисления. В том же году появился первый усилитель компании.

Не испытывая больше финансовых затруднений, Лэнсинг отладил многие процессы, которые стали стандартом при производстве громкоговорителей. Он предложил скоростную намотку катушек плоским проводом на металлических оправках и гидравлическую штамповку алюминиевых мембран. Следует отметить две знаменитые акустические системы, разработанные Лэнсингом в это время. В 1943 году он продемонстрировал коаксиальный громкоговоритель 604, который представлял собой очень удачную комбинацию многосекционного рупора и 15" динамика. В этой модели впервые был применен постоянный магнит из сплава алюминия, никеля и кобальта — Алнико. Эта модель широко использовалась в качестве радиовещательного громкоговорителя и стала одним из наиболее популярных мониторов для звукозаписи. Производство этих мониторов продолжается и по сей день.

Фото 11. Рупор Ширер модель 75W5, 1936 год вид спереди (слева), вид сзади (справа)

Продуктивное сотрудничество Лэнсинга и Хилларда, создавших рупор Ширер, сделало эту модель стандартом десятилетия. В той или иной степени все производители акустических систем использовали концепции, заложенные в эту модель, не исключая и Altec-Lansing. В 1944 году они поставили задачу документировать все существующие недостатки и разработать концепцию, позволяющую их преодолеть. Главным недостатком было отсутствие эффекта присутствия. Это было связано с рядом проблем: провал в области 250…500 Гц, излучение задней части громкоговорителя, фазовые искажения из-за длинного свернутого рупора и резонансы ящика.

Фото 12. 15XS низкочастотный громкоговоритель

Решением этих проблем стала новая конструкция низкочастотной секции акустической системы. Впервые конструкция кабинета была полностью закрытой, что препятствовало паразитному излучению задней поверхности громкоговорителя. Передняя сторона громкоговорителей была нагружена на прямой экспоненциальный рупор вместо свернутого рупора существующих конструкций. Это устранило провал в АЧХ, вызванный рассеянием энергии в изгибах свернутого рупора. Однако размер рупора не давал системе эффективно работать на частотах ниже 100 Гц. Решением стало использование в конструкции кабинета фазоинвертора, что позволило расширить полосу частот до 50 Гц. Наконец, для максимальной жесткости и устранения нежелательных резонансов кабинет укреплялся распорками.

Кабинету был присвоен модельный номер 210, и были разработаны две модели этой конфигурации. Модель A4 состояла из одного кабинета 210 с прикрепленными по бокам щитами для усиления низкочастотной отдачи. Модель А2 использовала два стоящих рядом ящика 210, также со щитами. Громкоговорителями для этих акустических систем были новый драйвер 288 и низкочастотный динамик 515. Драйвер 288 являлся модификацией 287-й модели с заменой подмагничивания на использование постоянного магнита, с несколькими небольшими изменениями. 515-й динамик представлял собой безрупорную модификацию коаксиальной 604-й модели, с алюминиевым колпачком и вентиляцией через заднюю часть магнитной цепи. Особенностью коаксиальной конструкции было использование 3" катушки, что оказалось полезным с точки зрения повышения эффективности и мощности 15" громкоговорителя.

Фото 13. Voice Of The Teater A4

Фото 14. Altec-Lansing 515

Фото 15. Altec-Lansing 288

В результате применение новых магнитных цепей с постоянными магнитами уменьшило стоимость эксплуатации и повысило надежность. Также выросли эффективность и мощность громкоговорителей без увеличения мощности усилителей. Короткий низкочастотный рупор позволил совместить в одной плоскости излучатели верхней и нижней полос, что устранило фазовое рассогласование в 1 миллисекунду, существовавшее в рупоре Ширер. По сравнению с рупором Ширер была достигнута высокая линейность системы, на 2…8 дБ более высокая чувствительность и расширен частотный диапазон. Новая акустическая система была названа Voice Of The Teater (VOTT), и ее модификации A4 и A2 были представлены в 1945 году. В 1955 году Академия киноискусства утвердила систему VOTT как стандарт для воспроизведения фильмов. VOTT выпускались компанией Altec до 90-х годов (фото 13, 14, 15).

В 1950 году в качестве аудионосителя на кинопленке стала применяться магнитная полоса, что резко повысило диапазон воспроизводимых частот. Американская Академия киноискусства снова пересмотрела стандарты звука в кино. С повышением верхней границы воспроизводимого диапазона Altec Lansing предложил новую геометрию высокочастотного рупора, названную Mantaray. Эта конструкция позволила сохранять равномерное пространственное распределение звука в широком горизонтальном секторе вплоть до самых высоких частот.

Когда в 1941 году Altec Service Corporation купила Lansing Manufacturing Company, Лэнсинг согласился не открывать собственный бизнес в течение последующих пяти лет. Несмотря на то, что у него были разногласия с руководством компании, Лэнсинг выполнил это условие и только в 1946 году покинул компанию. Все в Altec-Lansing пожелали ему счастливого пути — они знали, что он наверняка покинет компанию по истечении пятилетнего срока.

Лэнсинг назвал свою компанию Lansing Sound, Incorporated, и она начала существование 1 октября 1946 года. Учредителями были Джеймс Лэнсинг, Чанси Сноу и Честер Нобль. Так как имя Лэнсинг в течение стольких лет служило торговой маркой, то компания Altec-Lansing Corporation выразила претензии по поводу названия компании. В результате было достигнуто соглашение, и название Lansing Sound было изменено на James B. Lansing Sound, Incorporated, сокращенно JBL. Стороны пришли к заключению, что продукция и брэнд компании тесно ассоциировались с самим именем Lansing и являлись собственностью компании Altec-Lansing. Использование же полного имени обращало внимание на самого человека, а не на конкретное изделие.

После ухода Лэнсинга дела компании Altec Lansing нисколько не ухудшились — 1952 году она выпустила первый микшерный пульт для радиовещания.

Во время войны был разработан новый магнитный материал Алнико  V. Работая с Arnold Engineering Company из Чикаго, возглавляемой Робертом Арнольдом, Лэнсинг создал конструкцию магнитной системы разумных размеров, способной создать в магнитном зазоре диаметром 4" индукцию 12 000 гаусс. Зазор должен был иметь небольшую толщину, что предъявляло жесткие требования к точности изготовления звуковых катушек. Впервые для намотки катушек низкочастотного громкоговорителя стал использоваться плоский провод. Эта геометрия магнитной цепи стала стандартом, и с минимальными изменениями дожила до наших дней.

Тем временем в 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттайн, работая в лаборатории «Белл», пытались понять природу электронов на стыке металл-полупроводник. Телефонная компания имела проблемы с вакуумными лампами и искала другие способы коммутации телефонных линий. Идея использовать полупроводники впервые была предложена еще перед войной, однако познания о природе эффекта проводимости в полупроводниках были очень скудные, а производство таких материалов — сложным.

В 1945 году была создана исследовательская группа под руководством Уильяма Шокли для исследования этого эффекта. Группа включала Уолтера Браттайна, Джона Бардина и других физиков, работавших с квантовой теорией, в особенности твердых тел. После двух лет очень интересной, но полной разочарований работы Бардин и Браттайн создали усиливающую цепь, которая, кажется, работала. Это был германиевый транзистор с точечным контактом.

Фото 16. Плоскостной германиевый транзистор, произведенный в 1950 году (слева). Коммерческий силиконовый транзистор, выпущенный Texas Instruments в 1954 году.

Об этом достижении скоро было рассказано на пресс-конференции, но реакция на новость была вялой — подумаешь, еще одно хитрое изделие, придуманное телефонной компанией. Однако в 1951 году Шокли улучшил идею, предложив плоскостной транзистор. Постепенно стала очевидной важность этого миниатюрного устройства. Транзистор был твердым, но имел свойства вакуумной лампы. Он оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен, потреблял мало мощности и мгновенно включался. «Белл» начала программу лицензирования, предложила обучающие курсы по транзисторной технологии, помогая распространению технологии. Первыми коммерческими изделиями были слуховые аппараты, затем в 1954 году появились первые транзисторные радиоприемники. Немедленно принялась осваивать эту технологию и индустрия вычислительной техники.

Фото 17. Уильям Шокли

Бардин и Браттайн вместе с Шокли получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году «за исследования в области полупроводников и открытие эффекта транзистора» (фото 16 и 17).

В 1954 году Bell Labs разработала процесс оксидации, создания фотошаблонов, печати плат, диффузионный процесс, которые являются основой производства полупроводников в наше время.

10 мая 1954 года компания Texas Instruments объявила о выпуске коммерческой серии силиконовых транзисторов. Силиконовые транзисторы делались из более дешевого сырья и могли работать при более высокой температуре. В 1958 году Джек Килби был новичком в Texas Instruments. Не заработав еще права на отпуск, он трудился в лаборатории, пока все были в отпуске. 24 июля 1958 года в тишине лаборатории миниатюризации он отметил в блокноте, что такие элементы, как резистор, конденсатор, транзистор, если их выполнить из одного и того же материала, могут быть включены в одну микросхему. В сентябре Килби сделал звуковой генератор на чипе, состоящий из пяти интегрированных компонентов.

Фото 18. 1958 год. Первая интегральная схема, выполненная Джеком Килби

Фото 19. 1971 год. Микропроцессор Интел 4004, содержащий 2300 транзисторов

Изобретение Килби имело серьезный недостаток — индивидуальные компоненты электрической схемы соединялись между собой золотыми проводниками, делая затруднительным производство сложных схем. В конце 1958 года физик Жан Хоэрни, работавший в компании Fairchild, разработал структуру с N- и P-переходами, сформированными в кремнии. В качестве изолятора поверх перехода накладывался тонкий слой двуокиси кремния, в котором оставлялись отверстия для подключения к переходу. Физик чешского происхождения Курт Леховек, работавший в Sprague Electric, разработал технику использования P-N-перехода для электрической изоляции компонентов. В 1959 году Роберт Нойс, также работавший в Fairchild, решил попробовать создать интегральную схему, комбинируя процессы, предложенные Хоэрни и Леховеком, и напыляя тонкий слой металла поверх интегральных цепей для объединения электрических контактов через отверстия, оставленные в слое изолирующего диоксида кремния. Так была создана планарная технология изготовления сложных интегральных цепей — процесс, работающий и по сей день.

До 1959 года полупроводники изготавливались в виде дискретных элементов. Несмотря на то, что на одной пластине можно было изготовить большое количество идентичных элементов, они отпиливались от пластины и запаковывались в индивидуальные корпуса. Затем из таких элементов собиралась схема. Новая технология позволила формировать целые схемы на одном чипе. С тех пор плотность размещения транзисторов на чипе удваивается каждые полтора года (фото1 8 и 19).

(Продолжение следует…)