在CD、磁帶、黑膠唱片之前，我們用這樣的“蠟”保存聲音

真友書屋 2016-07-12

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Matt Davenport/文

FranklinWhite/譯

窗敲雨/編輯

在過去的幾十年里，多數(shù)音樂消費者經(jīng)歷了卡帶、CD到數(shù)字下載的轉(zhuǎn)變，但唱片和留聲機從未真正銷聲匿跡，還有一部分聽眾一直癡迷于它們所帶來的音質(zhì)。在老派唱片愛好者和唱片收集新熱潮的支持下，黑膠唱片還迎來了第二次春天，根據(jù)美國唱片業(yè)協(xié)會（Recording Industry Association of America）的報告，2015年美國黑膠唱片的銷量超過了4億美元，創(chuàng)造了自從1988年以來的銷量新高。

圖片來自：https://www.duitang.com/people/mblog/312622398/detail/

在這些經(jīng)典的聲音背后，科學(xué)家們也關(guān)注著唱片的材料化學(xué)工藝。那些承載歷史聲音的凹槽如何抵擋歲月的侵襲？什么樣的材料能做出最完美的唱片？研究唱片背后的材料化學(xué)，可以幫助人們更好地保存那些珍貴的聲音。

做蠟筒的不是蠟

在唱片之前，存儲聲音的介質(zhì)是蠟質(zhì)圓筒（wax cylinders）。埃里克·B·門羅（Eric B. Monroe）是美國國會圖書館的一位化學(xué)家，他致力于研究這種最早期的聲音存儲介質(zhì)，了解它們是如何老化降解的。

圖片來源：http://www./html_file/455/178716.html

準(zhǔn)確的說，這里所說的“蠟”并不是真的蠟。它實際上是一種金屬皂類，也就是那些脂肪酸鏈與金屬離子一起構(gòu)成的鹽（當(dāng)然，它的成分與肥皂還有不少差別）。唱針可以在這種柔軟的皂類表面劃過，不會碰上硬塊或者顆粒物——這會造成噼里啪啦的雜音。同時，這種材料也足夠堅實，能夠在反復(fù)播放后保持它們表面的刻痕。

雖然今天看來蠟筒顯得很原始，但它的發(fā)明在那時卻是一種啟發(fā)。在1877年，愛迪生發(fā)明了以錫箔滾筒作為介質(zhì)的留聲機，然而他當(dāng)時并沒有在該領(lǐng)域趁熱打鐵，而是擱置留聲機轉(zhuǎn)而研究起了燈泡。而當(dāng)亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）和他的伏特實驗室（Volta Laboratory）創(chuàng)造出蠟筒之后，愛迪生的注意力被拉回了音頻領(lǐng)域。愛迪生與化學(xué)家喬納斯·埃爾斯沃斯（Jonas Aylsworth）合作，很快研發(fā)出了一種品質(zhì)優(yōu)越的“棕蠟”（brown wax）作為蠟筒唱片的材料。

一只棕蠟制成的蠟筒，不過這種棕色的蠟質(zhì)材料其實并不是我們平時理解的蠟。圖片來自：www.cylinder.de

“從工業(yè)的角度來看，這是一種優(yōu)美的材料?！遍T羅說?！八梢哉f是極簡主義的，正好能夠滿足所需的要求，完全沒有過度設(shè)計?！边@項美麗的發(fā)明只存在一個問題：愛迪生和埃爾斯沃斯從來沒有為它申請專利。

美國留聲機公司（American Graphophone Co.）的托馬斯·麥克唐納（Thomas H. MacDonald）買通人們來幫助他復(fù)制愛迪生的“棕蠟”配方，并在1898年為它申請了專利。而直到愛迪生和埃爾斯沃斯推出了改進(jìn)的新產(chǎn)品“黑蠟”，這兩家才打起了官司。為了將聲音記錄在棕色蠟筒中，每個蠟筒都必須單獨進(jìn)行音軌刻制。而黑蠟解決了這個問題，它可以進(jìn)行鑄模量產(chǎn)。

從化學(xué)成分來看，黑蠟是棕蠟的直系后裔，而棕蠟的專利又在美國留聲機公司名下。因此，美國留聲機公司向愛迪生的國家留聲機公司（National Phonograph Co.）提起了訴訟。多虧埃爾斯沃斯的實驗記錄，向法庭證明實際上是愛迪生的團(tuán)隊首次發(fā)明了棕蠟。最終，兩家公司進(jìn)行了庭外和解。

愛迪生蠟筒留聲機。圖片來自：wikipedia

通過這場官司中的文獻(xiàn)記錄，門羅也追蹤到了埃爾斯沃斯團(tuán)隊改進(jìn)蠟筒配方的過程，并對這些化學(xué)成分設(shè)計背后的決策得到了更深入的理解。

在一個早期的實驗中，埃爾斯沃斯用氫氧化鈉和工業(yè)硬脂酸制作他們的皂類成分。而在那時，工業(yè)級硬脂酸是硬脂酸和棕櫚酸以大約1:1比例組成的混合物，它們都是脂肪酸，但分子中的碳原子數(shù)不同。這種早期的皂類“近乎完美”，埃爾斯沃斯在他的實驗記錄中強調(diào)。但幾天后，材料表面出現(xiàn)了結(jié)晶，播放錄音也開始出現(xiàn)刮擦聲。于是，埃爾斯沃斯在配方中添加了鋁元素。通過比對，他發(fā)現(xiàn)了這些原料中那些“好的、壞的和必要的”特性以及它們正確的組合。硬脂酸鋁不僅可以防止鈉鹽的結(jié)晶，同時還能增加額外的韌性。

事實上，這樣制造出的材料比埃爾斯沃斯所期待的還是硬了一點。為了使其軟化，他加入了另一種脂肪酸——油酸。但是，加了油酸的蠟筒在夏天又開始吸潮“出汗”，于是它們都被召回了。埃爾斯沃斯又用一種簡單的烴蠟代替了油酸，即純地蠟（ceresin wax）。地蠟可以像油酸那樣軟化材料，但不同的是，它為材料提供了額外的防水性。就這樣，愛迪生和埃爾斯沃斯不斷發(fā)現(xiàn)問題，作為化學(xué)家的埃爾斯沃斯又不斷修改他的配方工藝。

重現(xiàn)配方

不過，門羅并不只是單純地閱讀這些配方?！?strong>我是個化學(xué)家，”他說?！拔乙约簛韺嶒??！?/strong>

通過重現(xiàn)歷史上的化學(xué)配方，門羅可以把他制造的樣品與那些國會圖書館收藏的蠟筒進(jìn)行對比，從而了解這些材料如何老化，以及如何更好地保護(hù)它們。他可以用他的材料測量金屬皂類的硬度或是熱膨脹系數(shù)，而不需要為此去碰那些寶貴的藏品。門羅對藏品蠟筒和自己合成的樣品分別進(jìn)行了化學(xué)分析，以保證他合成的產(chǎn)物與當(dāng)年的材料成分一致。例如，他可以用質(zhì)譜來檢測有機成分，用X射線熒光法分析樣品中的金屬元素。

在2016年5月美國錄音收藏協(xié)會（ARSC）的會議上，門羅公布了他這些分析中的第一個結(jié)果。雖然他最初兩次制造棕蠟的嘗試因為結(jié)晶太多宣告失?。ㄟ@是因為他使用了高純度的硬脂酸，里面沒有棕櫚酸雜質(zhì)），但他現(xiàn)在已經(jīng)能做出與原版幾乎完全相同的產(chǎn)品了。

他的實驗也提示，這些金屬皂類在溫度變化下會發(fā)生相當(dāng)程度的膨脹和收縮。保存這些蠟筒文物的機構(gòu)，例如大學(xué)和圖書館，通常會將藏品保存在10℃左右的環(huán)境下?，F(xiàn)行操作一般會將冷藏的蠟筒直接拿到室溫，而門羅則建議保存者讓它們緩慢升溫。這樣做能盡可能減少溫度帶來的應(yīng)力變化，降低蠟筒斷裂的風(fēng)險。

古董棕蠟和門羅新制備的棕蠟很相似，這也說明這種材料降解得很慢。對于像他在國會圖書館的同事彼得·阿利亞（Peter Alyea）這樣的人來說，這無疑是個好消息。

雖然看起來很原始，也禁不住很多次播放，但這些蠟筒在妥善保存時還是很穩(wěn)定的。（怎么好像看到了怪怪的東西。）圖片來自：psap.library.illinois.edu

阿利亞想要在不播放蠟筒的情況下恢復(fù)出其中存儲的信息。為了完成這項工作，他要拍攝并分析蠟筒上刻紋的顯微圖片，這是勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究者們率先提出的策略。

軟質(zhì)蠟筒對于記錄一次性的會話是極好的，阿利亞說。商務(wù)人士可以用蠟筒記錄口授信息，甚至一直用到了1960年代。人類學(xué)家也將蠟筒記錄帶進(jìn)了他們的領(lǐng)域，用來記錄和保存那些逐漸消失的土著部落的聲音和故事。

“在我們的收藏中有一萬個記錄著美洲原住民信息的蠟筒，”阿利亞說?！斑@些收藏幾乎是無價的?！边@些錄音記錄在一種扛得住時間考驗的材料上（在儲存和處理得當(dāng)?shù)那疤嵯拢?，這可能看起來像是天賜的幸運，但考慮到材料的締造者，這一點并不那么令人驚訝。

“愛迪生是工程師中的工程師，”阿利亞說。他和埃爾斯沃斯對于蠟筒配方的調(diào)整都有實用目的：讓他們的蠟筒更加強健耐用，能更長時間播放或者達(dá)到更高保真度。這些考慮和相應(yīng)的配方修改推動著錄音材料的一次次革命，從棕蠟筒到第二代可鑄模的黑蠟筒，再到 “藍(lán)筒”（Blue Amberol Records）——這種圓筒用藍(lán)色賽璐珞替代了蠟質(zhì)。

用什么來做更好的唱片？

如果說錄音圓筒這么好，那為什么唱片業(yè)又轉(zhuǎn)而選擇了扁平的唱片？這是因為唱片占的空間小，更容易儲存。

唱盤式留聲機的發(fā)明者埃米爾·貝林納（Emile Berliner）在1890年左右推出了由賽璐珞和硬橡膠壓制的圓盤型的唱片，比爾·克林格爾（Bill Klinger）介紹說，他是美國錄音收藏協(xié)會下屬錄音筒小組的負(fù)責(zé)人。

1895年，貝林納推出了蟲膠唱片。蟲膠是雌性紫膠蟲分泌的樹脂，它做成的唱片在接下來數(shù)十年中成了唱片業(yè)的主要產(chǎn)品。貝林納的唱片使用了蟲膠、粘土、棉纖維的混合物，還加入了一些炭黑來著色。生產(chǎn)者們用這種易碎但相對便宜的原料生產(chǎn)了數(shù)以百萬計的唱片。從1912年到1952年，蟲膠唱片一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。

蟲膠這種天然材料還有不少其他用途，比如它可以在巧克力糖果表面包裹上一層光亮的外衣。圖片來自：wikipedia

愛迪生和埃爾斯沃斯也推動了唱片的化學(xué)發(fā)展，他們在1912年發(fā)明了一種名叫“康頓賽”（Condensite）的材料。“我認(rèn)為這是早期唱片業(yè)最為令人欽佩的化學(xué)成果，”克林格爾說。“相比之下，蟲膠技術(shù)一直顯得粗糙原始?！?/strong>

埃爾斯沃斯花費了多年時間來開發(fā)康頓賽，這是一種與電木相似的酚醛樹脂。而讓這種材料脫穎而出的則是烏洛托品（環(huán)六亞甲基四胺）。埃爾斯沃斯將這種化合物加到材料中，以防止高溫鑄模時生成水蒸氣而使唱片表面變形，克林格爾解釋道。

在1914年，愛迪生每天可以用掉整整一噸的康頓賽材料，但這種材料卻從沒能取代蟲膠，這很大程度上是因為愛迪生的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品價格更貴。最終，愛迪生在1929年停止生產(chǎn)唱片。

而當(dāng)1948年哥倫比亞唱片公司推出乙烯基密紋唱片（vinyl long-playing records）時，蟲膠唱片的輝煌時光就所剩無幾了。聚氯乙烯（PVC）材料制成的唱片具有雜音更少的平滑表面，可儲存更多音樂，而且遠(yuǎn)沒有蟲膠唱片那么易碎。高分子化學(xué)家朗·馬賽厄斯（Lon J. Mathias）提出了另一個聚乙烯唱片可以統(tǒng)治唱片業(yè)的原因——“它更便宜，并且非常容易塑模。” PVC本身是幾乎透明的，要讓它變成黑色的唱片還要加入炭黑之類的物質(zhì)。