Жидкий микрофон, или «в этом доме тебя слушают даже стены»
Картинка Нина Ватолина, Николай Денисов / gallerix.ru
За долгие годы жизни, окружённые привычными вещами, мы даже не задумываемся об этом и принимаем как данность, что они должны выглядеть именно так, как выглядят для выполнения своей функции.
Однако зададимся вопросом, а могут ли привычные для нас предметы быть выполнены в несколько ином, так скажем «форм-факторе» и при этом их функция будет сохраняться?
В фильме 2008 года «На крючке» был такой интересный момент, когда компьютерная система, слишком рьяно выполняющая «защиту интересов государства» выступила против всех людей, которые могут ей помешать в этом. И в одном из моментов этого фильма, люди, когда начали подозревать, что за ними осуществляется слежка, перешли в закрытую звукозащищённую комнату. Однако, система и там умудрилась их подслушать, используя колебания водной поверхности:
С момента выхода фильма прошло более 10 лет, и в наше время, думается, мало кто будет сомневаться, что при наличии соответствующей оптики, компьютерный анализ участка изображения является сколь-нибудь существенной проблемой…
Тем не менее здесь происходит анализ изображения и это всё-таки, условно, довольно «высокие» технологии.
Но возможен ли жидкостный микрофон в чистом виде, то есть в виде некоего устройства, преобразующего звуковые колебания в модулированный (изменяющийся в соответствии со звуковыми волнами) электрический ток?
Жидкий микрофон
Как ни странно, подобный аппарат, именно в описанной реализации успешно существует и может быть легко собран любым желающим!
Также будет любопытным узнать, что одно из подобных устройств лежит в основе всех работ по микрофонной технике, и было разработано американским изобретателем Элишей Греем в 1800 годах. А если точнее, то 14 февраля 1876 года был подан патент на изобретение, содержащий описание жидкостного микрофона.
В этот же день был подан аналогичный патент, на преобразователь звука подобного же типа, от имени Александра Белла.
Оба патента были очень похожи друг на друга, что привело к большой вражде между изобретателями и этот патент считается самым дорогим в истории из-за серии последовавших за этим судов.
Тем не менее некоторые считают, что Белл своровал изобретение Грея. Но оставим это на совести самих изобретателей. Скажем только, что в дальнейшем Белл сосредоточился на работах по улучшению электромагнитного телефона и для коммерческих или иных массовых применений жидкостный преобразователь им не использовался.
Так что же представлял собой подобный преобразователь?
В истории сохранился рисунок самого Элиши Грея, где он изобразил систему следующим образом:
Картинка Elisha Grey. Baker, Burton H. «The Gray matter: The forgotten story of the telephone»
Как можно видеть, человек говорит в ёмкость, с дном которой соединён длинный проводник. Звуковые колебания вызывают колебания ёмкости, которые передаются проводнику, погружённому в воду. На дне ёмкости находятся второй проводник. Через всю систему в состоянии покоя и во время разговора постоянно протекает ток (ну да, подобный микрофон «шумит» из-за электролиза контактов, а что делать? На дворе 1800-е годы… :-))
Как функционирует система: звуковые колебания приводят к физическому изменению местоположения проводника (проще говоря, он колеблется вверх-вниз), что, в свою очередь, вызывает резкие скачки сопротивления, и, соответственно, изменение силы протекающего электрического тока.
Как заявлял один из современников Александра Белла, после построения подобной системы и испытания её на практике, Белл с удовлетворением отметил, что система позволяет передавать вполне «членораздельную речь» (дословно, со слов Белла).
Какие микрофоны вообще бывают
В массовом сознании, особенно среди людей, которые никогда особо не интересовались этой темой, укоренилось понимание (особенно, наблюдая за звукоизлучающими динамиками), что «ну, микрофон, это, наверное, тоже что-то такое, колеблющееся в магнитном поле и вызывающее электрический ток».
Однако, как мы могли видеть выше, в качестве микрофона вполне может выступать даже иная система, в которой происходит не генерация электрического тока, а преобразование постоянно протекающего тока.
▍ Динамический микрофон
Тем не менее они тоже будут правы, так как подобного типа микрофон существует и называется «динамическим микрофоном». Его работа как раз и основана на явлении индукции, то есть перемещении проводника в магнитном поле, вызывающем электрический ток. То есть, мембрана подобного микрофона соединена с катушкой, которая колеблется в магнитном поле, источником которого являются сильные магниты, например, неодимовые.
Неоспоримым плюсом подобного типа микрофона является устойчивость к механическим повреждениям, а также к погодным условиям, однако чувствительность его оставляет желать лучшего.
▍ Конденсаторный микрофон
Гораздо более чувствительным микрофоном является конденсаторный, который может изменять свою ёмкость в зависимости от звуковых колебаний.
Обычно конденсатор представляет собой две обкладки, являющийся проводниками, между которыми проложен диэлектрик.
Микрофон с использованием эффекта конденсатора также не отличается от этого принципа и содержит две обкладки, одна из которых обычно изготавливается из эластичного материала, например, пластика, покрытого золотом, вторая обкладка которого укреплена неподвижно:
Картинка Д.Ильин: translation. Kondensatormikrofon.svg by Kevin, CC0
При воздействии звука на подвижную обкладку она начинает приближаться и удаляться от второй обкладки, что вызывает изменение ёмкости конденсатора. Если в этот момент конденсатор был заряжен, то изменение ёмкости приводит к изменению напряжения, и электрический ток изменяется, повторяя форму звуковой волны. Одной из подразновидностей конденсаторного микрофона является электретный микрофон.
Плюсом подобных микрофонов является высокая чувствительность, которая позволяет их использовать даже для регистрации очень тихих звуков. Минусом их является высокая стоимость и чувствительность к погодным условиям и ударам, поэтому подобные микрофоны часто используют в студиях звукозаписи и на радиостанциях (не вынося на природу).
▍ Пьезоэлектрический микрофон
Ещё одним любопытным типом микрофона является пьезоэлектрический, в котором используется одноимённый эффект, заключающийся в генерации пьезокристаллом электрического тока, пропорционально приложенной к нему силе:
Картинка www.dms-online.ru
Однако подобного типа микрофоны являются устаревшими, так как они очень чувствительны к условиям эксплуатации из-за хрупкого кристалла (раньше в подобного типа микрофонах в качестве пьезокристалла использовались кристаллы сегнетовой соли). Тем не менее они тоже находили своё место в дешёвой аппаратуре, а также в более качественном исполнении (когда сама пластина кристалла является мембраной, что позволяет избежать потерь качества звука при передаче колебаний) — регистрирующими шумы, в устройствах под названием «шумомеры».
▍ Угольный микрофон
Если мы ещё раз вернёмся к жидкому микрофону, который мы рассмотрели в самом начале, то, как мы уже и говорили, он по своей сути является модулирующим электрический ток (то есть изменяющим его, согласно звуковым колебаниям, причём сам он не генерирует ток). У него существует интересный аналог, который также модулирует ток, протекающий сквозь него: угольный микрофон.
Первые разработки угольного микрофона также относятся к 1800-м годам и появились на свет благодаря работам американского изобретателя Дэвида Юза:
Картинка Ж. Дари. Ж. Дари. Электричество во всех его применениях, с многочисленными иллюстрациями. С.-Петербург, типография А.С. Суворина, 1903 год
Его микрофон представлял собой заточенный угольный стержень, соединённый с колеблющейся в такт звуку мембраной. Концы угольного стержня упирались в 2 угольные чашечки. Благодаря звуковым колебаниям — изменялась площадь контакта между стержнями и чашечками. Это, соответственно, влияло на сопротивление микрофона и ток в цепи.
Более современная версия подобного микрофона представляет собой две металлические пластины, между которыми насыпан угольный порошок, и вся эта конструкция заключена ещё в железный корпус. Колебания одной из пластин в такт звуку, — приводят к перегруппировке угольного порошка внутри, за счёт чего изменяется площадь контакта между пластинами и, соответственно, меняется сопротивление всей системы.
Благодаря тому, что угольный микрофон, по сути, также модулирует протекающий ток, он раньше был ценен тем, что практически не требует дополнительных усилителей (что позволяло избавиться от необходимости использования дорогостоящих радиодеталей) и использовать его, подключив напрямую к высокоомному наушнику или микрофону.
Однако среди его минусов можно перечислить такие, как: высокий уровень шумов в работе, нечувствительность к слишком высоким и слишком низким частотам (узкая полоса пропускания).
Кстати говоря, в одном из старых журналов Юный Техник, была показана конструкция, как сделать самодельный угольный микрофон. Для этого был необходим всего лишь спичечный коробок, в одну из стенок которого были закручены два шурупа, на которые был положен графитовый стержень (можно слегка прихватить его любой проволокой, но только неплотно, чтобы он мог колебаться; такая прихватка нужна только для того, чтобы он не свалился с шурупов и не лёг параллельно им):
Там описывалось, что звуковые колебания приводят к колебаниям графитового стержня в такт звуку, что позволяет, в свою очередь, слушать звук удалённо, на колонках, подключённых к проводам, идущим от шурупов (через шурупы постоянно должен течь ток).
После всего того, что мы изучили, нетрудно увидеть, что подобная самоделка представляет собой простейший угольный микрофон, подобный тому, который был разработан Дэвидом Юзом (никакой фантастики, а так хотелось…).
▍ Оптический микрофон
Много раз в фильмах мы видели, как шпионы осуществляют прослушку некоего помещения, находясь далеко от него. В качестве способа осуществления прослушки использовался, как правило, лазерный луч невидимого глазом диапазона, например, инфракрасный.
В открытом виде, для изучения, подобных разработок автору не удалось найти, хотя подобная конструкция не является чем-то запредельным и может быть собрана буквально «на коленке». Тем не менее возможно, подобная ситуация связана с тем, что функционирующая система, выложенная в открытый доступ, с использованием невидимого луча — во многих странах будет подпадать уже под определение «технологий спецназначения», с соответствующими санкциями в адрес разработчика.
Тем не менее среди доступных для изучения удалось найти достаточно интересный эксперимент, который автор проводит в два этапа:
- на первом этапе он модулирует электрический ток в такт музыке, источником которой является смартфон. Электрический ток, в свою очередь, питает лазерную указку, наведённую на солнечную батарею, подключённую к звуковой колонке. В результате этой части эксперимента музыка передаётся по лазерному лучу и звучит из колонки,
- на втором этапе, автор эксперимента наводит лазерный луч снаружи помещения на стекло, таким образом, чтобы лазерный луч попадал на солнечную батарею, находящуюся внутри помещения. Колебания оконного стекла приводят к соответствующей модуляции лазерного излучения, падающего на солнечную батарею, что, в свою очередь, приводит к выработке модулированного электрического тока и регистрации звуковых колебаний (звук пишется на смартфон).
Omnia est tortor ligula (от лат. «всё есть микрофон»)
Как мы могли видеть выше, люди в разное время, достаточно творчески подходили к вопросу звуковых колебаний. Если попытаться перечислить все способы регистрации звука, то можно, наверное, их перечислить следующим образом:
- непосредственная регистрация (выцарапывание на восковом барабане и прочее — это мы не рассматриваем, так как уж слишком «аналоговые технологии»),
- генерация электрического тока,
- модуляция электрического тока,
- модуляция изображения и его анализ (или даже без анализа, если используется фотоэлемент с оптикой, наведённый в ту же точку, куда и лазер).
Таким образом, как мы видим, возможны множество различных принципов, положенные в основу регистрации звуковых колебаний, не ограниченные только колебаниями проводника в магнитном поле.
В видео ниже автор провёл очень интересный опыт, где проанализировал множество различных лампочек и нашёл одну, микролампу накаливания советского типа, которая регистрирует звуковые колебания — т.е. работает как микрофон!
Как заявил один из зрителей в комментариях после просмотра этого видео, он понял, почему на занятиях по информационной безопасности им рассказывали, почему на «режимных» предприятиях используют только лампы дневного света.
Точная причина подобного явления на данный момент неясна (читатели этой статьи тоже могут попробовать выдвинуть свою теорию, будет интересно с ней ознакомиться), однако была выдвинута версия, что подобный эффект возникает из-за того, что контур имеет собственный анодный заряд из-за разницы потенциала металлов: электроды (Cu), нить накаливания (Cr+Wa), цоколь (Zn), контакт (Pb). При воздействии на систему механических колебаний, — она начинает работать как усилитель, модулирующий электрический ток.
Но и это ещё не всё, в следующем видео, тем же автором был протестирован ряд разных радиоэлементов, которые также проявили свои микрофонные свойства (среди них даже трансформатор!):
Таким образом, как можно видеть по тестам выше, изменение физических параметров в результате воздействия приводит к модуляции электрического тока, которые могут быть зарегистрированы (копилка фобий: +1).
Подытоживая этот рассказ, хочется сказать, что существует большое количество способов фиксации звука. Но на настоящее время — всё-таки видится одним из наиболее перспективных способов регистрации звуковых колебаний, способ с использованием анализа изображения (кроме того, это просто даже интересно). Например, оптика хорошего качества, с возможностью приближения — наведена на оконное стекло, таким образом, чтобы на оконном стекле были видны малейшие пылинки, царапины и т. д.
Как показал эксперимент с лазерным лучом, звуковые колебания, возникающие в воздушной среде внутри помещения, так или иначе, передаются стеклу и вызывают его колебания, соответственно, будет в такт звуку «дрожать» картинка, которую показывает оптика. Применяя соответствующий компьютерный анализ изображения или даже без него (теоретически, можно даже попробовать использовать датчик компьютерной мыши + самописное ПО) — чтобы считать эти колебания и перевести в звук.
Либо же (в теории) можно проделать то же самое, используя камеру (подойдёт практически любая: вебка, смартфон и т.д.) со снятым инфракрасным фильтром, с надетой на неё соответствующей оптикой (тоже пропускающей инфракрасное излучение; в теории можно попробовать взять от CO2-лазера, хотя не факт, что именно такая поможет, скорее всего — потребуется спец.оптика по заказу) и используя инфракрасный лазер.
Также заинтересовавшиеся могут попробовать провести свои собственные эксперименты с жидким микрофоном, наверняка это будет весьма занятно, а также интересно всем (узнать о результатах опытов). По крайней мере, простота жидкого микрофона и успешная его работа у основоположников, позволяет в должной мере надеяться на успешный исход собственных опытов. Или же, может быть, вы изобретёте свой способ регистрации звука?
Скажем самописное ПО, анализирующее параметры клиентского компьютера и находящее закономерности, те, что изменяются во времени, похожие на звуковые волны: скажем, катушки индуктивности, трансформаторы, конденсаторы и т.д. — оказывающие воздействие (даже мизерное) на соответствующую подсистему компьютера, параметры которой меняются в соответствии со звуковой волной и могут быть найдены путём анализа. Весь компьютер — один сплошной микрофон. Даже без микрофона… ;-)
Играй в наш скролл-шутер прямо в Telegram и получай призы!
