音轨上的化学:记录声音,要用什么样的材料?

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所属分类:天涯八卦

FranklinWhite/译)在过去的几十年里,多数音乐消费者经历了卡带、CD到数字下载的转变,但唱片和留声机从未真正销声匿迹,还有一部分听众一直痴迷于它们所带来的音质。在老派唱片爱好者和唱片收集新热潮的支持下,黑胶唱片还迎来了第二次春天,根据美国唱片业协会(Recording Industry Association of America)的报告,2015年美国黑胶唱片的销量超过了4亿美元,创造了自从1988年以来的销量新高。

在这些经典的声音背后,科学家们也关注着唱片的材料化学工艺。那些承载历史声音的凹槽如何抵挡岁月的侵袭?什么样的材料能做出最完美的唱片?研究唱片背后的材料化学,可以帮助人们更好地保存那些珍贵的声音。

做蜡筒的不是蜡

在唱片之前,存储声音的介质是蜡质圆筒(wax cylinders)。埃里克•B•门罗(Eric B. Monroe)是美国国会图书馆的一位化学家,他致力于研究这种最早期的声音存储介质,了解它们是如何老化降解的。

准确的说,这里所说的“蜡”并不是真的蜡。它实际上是一种金属皂类,也就是那些脂肪酸链与金属离子一起构成的盐(注:当然,它的成分与肥皂还有不少差别)。唱针可以在这种柔软的皂类表面划过,不会碰上硬块或者颗粒物——这会造成噼里啪啦的杂音。同时,这种材料也足够坚实,能够在反复播放后保持它们表面的刻痕。

虽然今天看来蜡筒显得很原始,但它的发明在那时却是一种启发。在1877年,爱迪生发明了以锡箔滚筒作为介质的留声机,然而他当时并没有在该领域趁热打铁,而是搁置留声机转而研究起了灯泡。而当亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)和他的伏特实验室(Volta Laboratory)创造出蜡筒之后,爱迪生的注意力被拉回了音频领域。爱迪生与化学家乔纳斯·埃尔斯沃斯(Jonas Aylsworth)合作,很快研发出了一种品质优越的“棕蜡”(brown wax)作为蜡筒唱片的材料。

一只棕蜡制成的蜡筒,不过这种棕色的蜡质材料其实并不是我们平时理解的蜡。图片来自:www.cylinder.de

“从工业的角度来看,这是一种优美的材料。”门罗说。“它可以说是极简主义的,正好能够满足所需的要求,完全没有过度设计。”这项美丽的发明只存在一个问题:爱迪生和埃尔斯沃斯从来没有为它申请专利。

美国留声机公司(American Graphophone Co.)的托马斯·麦克唐纳(Thomas H. MacDonald)买通人们来帮助他复制爱迪生的“棕蜡”配方,并在1898年为它申请了专利。而直到爱迪生和埃尔斯沃斯推出了改进的新产品“黑蜡”,这两家才打起了官司。为了将声音记录在棕色蜡筒中,每个蜡筒都必须单独进行音轨刻制。而黑蜡解决了这个问题,它可以进行铸模量产。

从化学成分来看,黑蜡是棕蜡的直系后裔,而棕蜡的专利又在美国留声机公司名下。因此,美国留声机公司向爱迪生的国家留声机公司(National Phonograph Co.)提起了诉讼。多亏埃尔斯沃斯的实验记录,向法庭证明实际上是爱迪生的团队首次发明了棕蜡。最终,两家公司进行了庭外和解。

爱迪生蜡筒留声机。图片来自:wikipedia

通过这场官司中的文献记录,门罗也追踪到了埃尔斯沃斯团队改进蜡筒配方的过程,并对这些化学成分设计背后的决策得到了更深入的理解。

在一个早期的实验中,埃尔斯沃斯用氢氧化钠和工业硬脂酸制作他们的皂类成分。而在那时,工业级硬脂酸是硬脂酸和棕榈酸以大约1:1比例组成的混合物,它们都是脂肪酸,但分子中的碳原子数不同。这种早期的皂类“近乎完美”,埃尔斯沃斯在他的实验记录中强调。但几天后,材料表面出现了结晶,播放录音也开始出现刮擦声。于是,埃尔斯沃斯在配方中添加了铝元素。通过比对,他发现了这些原料中那些“好的、坏的和必要的”特性以及它们正确的组合。硬脂酸铝不仅可以防止钠盐的结晶,同时还能增加额外的韧性。

事实上,这样制造出的材料比埃尔斯沃斯所期待的还是硬了一点。为了使其软化,他加入了另一种脂肪酸——油酸。但是,加了油酸的蜡筒在夏天又开始吸潮“出汗”,于是它们都被召回了。埃尔斯沃斯又用一种简单的烃蜡代替了油酸,即纯地蜡(ceresin wax)。地蜡可以像油酸那样软化材料,但不同的是,它为材料提供了额外的防水性。就这样,爱迪生和埃尔斯沃斯不断发现问题,作为化学家的埃尔斯沃斯又不断修改他的配方工艺。

重现配方

不过,门罗并不只是单纯地阅读这些配方。“我是个化学家,”他说。“我要自己来实验。”

通过重现历史上的化学配方,门罗可以把他制造的样品与那些国会图书馆收藏的蜡筒进行对比,从而了解这些材料如何老化,以及如何更好地保护它们。他可以用他的材料测量金属皂类的硬度或是热膨胀系数,而不需要为此去碰那些宝贵的藏品。门罗对藏品蜡筒和自己合成的样品分别进行了化学分析,以保证他合成的产物与当年的材料成分一致。例如,他可以用质谱来检测有机成分,用X射线荧光法分析样品中的金属元素。

在2016年5月美国录音收藏协会(ARSC)的会议上,门罗公布了他这些分析中的第一个结果。虽然他最初两次制造棕蜡的尝试因为结晶太多宣告失败(这是因为他使用了高纯度的硬脂酸,里面没有棕榈酸杂质),但他现在已经能做出与原版几乎完全相同的产品了。

他的实验也提示,这些金属皂类在温度变化下会发生相当程度的膨胀和收缩。保存这些蜡筒文物的机构,例如大学和图书馆,通常会将藏品保存在10℃左右的环境下。现行操作一般会将冷藏的蜡筒直接拿到室温,而门罗则建议保存者让它们缓慢升温。这样做能尽可能减少温度带来的应力变化,降低蜡筒断裂的风险。

古董棕蜡和门罗新制备的棕蜡很相似,这也说明这种材料降解得很慢。对于像他在国会图书馆的同事彼得•阿利亚(Peter Alyea)这样的人来说,这无疑是个好消息。

虽然看起来很原始,也禁不住很多次播放,但这些蜡筒在妥善保存时还是很稳定的。图片来自:psap.library.illinois.edu

阿利亚想要在不播放蜡筒的情况下恢复出其中存储的信息。为了完成这项工作,他要拍摄并分析蜡筒上刻纹的显微图片,这是劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究者们率先提出的策略(更多阅读:“看到”声音:用显微镜播放老唱片)。

软质蜡筒对于记录一次性的会话是极好的,阿利亚说。商务人士可以用蜡筒记录口授信息,甚至一直用到了1960年代。人类学家也将蜡筒记录带进了他们的领域,用来记录和保存那些逐渐消失的土著部落的声音和故事。

“在我们的收藏中有一万个记录着美洲原住民信息的蜡筒,”阿利亚说。“这些收藏几乎是无价的。”这些录音记录在一种扛得住时间考验的材料上(在储存和处理得当的前提下),这可能看起来像是天赐的幸运,但考虑到材料的缔造者,这一点并不那么令人惊讶。

“爱迪生是工程师中的工程师,”阿利亚说。他和埃尔斯沃斯对于蜡筒配方的调整都有实用目的:让他们的蜡筒更加强健耐用,能更长时间播放或者达到更高保真度。这些考虑和相应的配方修改推动着录音材料的一次次革命,从棕蜡筒到第二代可铸模的黑蜡筒,再到 “蓝筒”(Blue Amberol Records)——这种圆筒用蓝色赛璐珞替代了蜡质。

视频:一首用蓝色赛璐珞圆筒录制的歌曲,发售于1913年。经过一系列材料改进,这时的圆筒已经有了不错的音质。

用什么来做更好的唱片?

如果说录音圆筒这么好,那为什么唱片业又转而选择了扁平的唱片?这是因为唱片占的空间小,更容易储存。

唱盘式留声机的发明者埃米尔•贝林纳(Emile Berliner)在1890年左右推出了由赛璐珞和硬橡胶压制的圆盘型的唱片,比尔•克林格尔(Bill Klinger)介绍说,他是美国录音收藏协会下属录音筒小组的负责人。

1895年,贝林纳推出了虫胶唱片。虫胶是雌性紫胶虫分泌的树脂,它做成的唱片在接下来数十年中成了唱片业的主要产品。贝林纳的唱片使用了虫胶、粘土、棉纤维的混合物,还加入了一些炭黑来着色。生产者们用这种易碎但相对便宜的原料生产了数以百万计的唱片。从1912年到1952年,虫胶唱片一直占据着主导地位。

虫胶这种天然材料还有不少其他用途,比如它可以在巧克力糖果表面包裹上一层光亮的外衣。图片来自:wikipedia

爱迪生和埃尔斯沃斯也推动了唱片的化学发展,他们在1912年发明了一种名叫“康顿赛”(Condensite)的材料。“我认为这是早期唱片业最为令人钦佩的化学成果,”克林格尔说。“相比之下,虫胶技术一直显得粗糙原始。”

埃尔斯沃斯花费了多年时间来开发康顿赛,这是一种与电木相似的酚醛树脂。而让这种材料脱颖而出的则是乌洛托品(环六亚甲基四胺)。埃尔斯沃斯将这种化合物加到材料中,以防止高温铸模时生成水蒸气而使唱片表面变形,克林格尔解释道。

在1914年,爱迪生每天可以用掉整整一吨的康顿赛材料,但这种材料却从没能取代虫胶,这很大程度上是因为爱迪生的优质产品价格更贵。最终,爱迪生在1929年停止生产唱片。

而当1948年哥伦比亚唱片公司推出乙烯基密纹唱片(vinyl long-playing records)时,虫胶唱片的辉煌时光就所剩无几了。聚氯乙烯(PVC)材料制成的唱片具有杂音更少的平滑表面,可储存更多音乐,而且远没有虫胶唱片那么易碎。高分子化学家朗•马赛厄斯(Lon J. Mathias)提出了另一个聚乙烯唱片可以统治唱片业的原因——“它更便宜,并且非常容易塑模。” PVC本身是几乎透明的,要让它变成黑色的唱片还要加入炭黑之类的物质。

现在我们看到的唱片一般是PVC材质的密纹唱片。图片来源:123rf.com.cn正版图片库

马赛厄斯表示,如果要让他不计成本地选择一种聚合物来做唱片材料,那么他会选聚酰亚胺(polyimides)。这些材料比乙烯基聚合物热稳定性更好,聚酰亚胺也能更好地复制模具上的凹槽,它还可以提供更平滑的表面。

然化学家们也仍在不断调整并改进乙烯基材料的配方,来自“优质唱片压制公司”的萨尔斯特罗姆说。他与供应商合作,试图寻找一种新的PVC配方,以增加唱片的厚度,提高刻纹深度和唱片刚性,给听众提供更优质的产品。虽然萨尔斯特罗姆可能会对于这次乙烯基唱片的复兴有所惊讶,但他不会给任何人任何机会停止聆听。(编辑:窗敲雨)

题图来源:123rf.com.cn正版图片库

编译来源

C&EN-Groovy chemistry: The materials science behind records

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