1899年:Singing Arc [英国]William Duddell

维多利亚时期的一盏碳弧“月光”(Moonlight)灯

维多利亚时期的一盏碳弧“月光”(Moonlight)灯

1899年:威廉姆·达德尔的歌弧琴

十九世纪末,白炽灯泡业已发明[1]托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)和约瑟夫·斯旺(Joseph Swann)在1880年发明了白炽灯。。但在街道照明和工业领域,碳弧灯(Carbon Arc Lamp)依旧是广为使用的一种灯具——直到二十世纪初电灯泡技术迅猛发展,淘汰了碳弧技术,碳弧灯的霸主地位才得以终结。

碳弧灯泡通过灯中两个碳电极之间产生的电弧火花发光。抛开光线不理想、用电效率低不说,这种照明方式最大的问题,便是电弧会发出“嗡嗡”、“嘶嘶”或是尖锐的杂音。

英国物理学家、电气工程师威廉姆·达德尔(William Duddell)在 1899 年受托来解决伦敦市内照明系统的这个问题。实验期间,达德尔发现,改变电灯的供电电压,可以控制电弧闪动的频率,进而从共振电路(resonant circuit)中产生可控频率的可听音。

达德尔的实验揭示,碳弧灯的杂音,源于电弧的非线性特性所导致的负阻(negative resistance)现象。负阻现象早在1898年由赫尔曼·西奥多·西蒙(Hermann Theodor Simon,德国法兰克福)博士所记录。[2]Simon, H.T. (1989), “Akustische Erscheinungen am electrischen Flammenbogen,” Ann. Physik 300, # 2, pp 233–9.西蒙博士注意到,调制电弧的供电电压,可以控制电弧“唱歌”。他还展示了电弧的另一个功能——他曾对公众做过一个演示,将电弧作为一个高效的扬声器。(西蒙的实验同时提到,经过调制的电弧不仅能产生声音,还能产生经过调制的光线;利用这一特性,德国海军使用改造的探照灯和光敏硒电池,成功地完成了舰船之间的电话通信。[3]Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, pp 40-63

达德尔很可能了解到了西蒙的相关研究。他在碳弧电极上加入了LC共振电路,尝试通过这种方法解决噪音问题;这么一来,他创造了一台可调音的振荡器。达德尔又将一个可控制输入电压的键盘连到电路上——一台最早的电子乐器就此诞生。达德尔的这个发明是历史上唯一一台使用电弧(作为音源)产生声音的电子乐器,也是第一台不经放大器、扬声器或电话系统(当时这些放大设备还未发明出来)作为放大装置,就能听到声音的电子乐器。[4]Duddell, W. (1900),  ‘Some Experiments on the Direct-Current Arc’, Nature, vol. 63, no. 1625 (December 20, 1900), pp. 182-183.达德尔还使用了火花隙(spark gap)放大技术,尝试使用可变电阻或麦克风传递电弧产生的声音;这说明在真空管还未发明的时候,同样可以长距离传输、放大电话或电路的语音。[5]Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, p 52

视频:2016年,意大利科技基金会(Fondazione Scienza e Tecnica)尝试复原达德尔和赫尔曼·西奥多·西蒙(Hermann Theodor Simon)发明的“歌弧琴”

当达德尔向伦敦电气工程师学会(London institution of Electrical Engineers)展出这部乐器时,工程师们发现,其他建筑中在与这部乐器处于同一电路的电灯也开始发出和这台乐器一样的声音来;人们据此推测,音乐可以通过照明电路传输。

“我们发现,三个碳弧的供电电流都来自沿街的电线。很清楚的是,这电流随着达德尔先生的键盘控制而变化,因此声音也在其他两间实验室中得以重现。但达德尔以为,他的演奏只有这间屋子里的人才能听到……这一现象很明显地说明,通过演奏某种特殊的键盘,声音可以在多个不同的、相对演奏者来说远距离的电弧上得到重现。”

——《电弧里的音乐:一位英国物理学家,使用分流器(Shunt)电路和键盘,演奏出了旋律》;纽约时报,1901年4月8日,第七版

“语音弧”试验机,演示了达德尔的相关理念。该仪器由马克思·柯尔在1911年制作。

“语音弧”试验机,演示了达德尔的相关理念。该仪器由马克思·柯尔在1911年制作。[6]Max Kohl A.G. : Physical Apparatus. Price List No. 50, Vols. II and III. Chemnitz, n.d. 1911, p. 1058.

达德尔没有将他的发明投入商业,甚至都没有为他制作的乐器申请专利。1898年,他带着这台乐器在英国各地展示,但不走运的是,人们除了把它当作一个新鲜玩意儿外,似乎并没有太多其他反应。达德尔当时的研究针对的是可听阈以内的频率,1902年,丹麦电气工程师瓦尔德马尔·波尔森(Valdemar Poulsen)和彼泽·彼泽森(Peder Pedersen)发现,如果将这个发明的频率范围从声音频率调节到无线电频率范围,就可以当成一台无线电发射机使用。

碳弧灯的发声能力也曾经被撒迪厄斯·卡希尔用在

歌弧琴发明之后十年,撒迪厄斯·卡希尔在公开展示他的电传簧风琴时,也曾借用过碳弧灯的发声能力,放大电传簧风琴的声音。这种放大方案可以说是今天等离子扬声器(plasma-loudspeaker)技术的老祖宗。20世纪30年代,沃利亚·萨拉加也曾在萨拉加发生器上试验过火花隙的声音。

《电弧里的音乐:一位英国物理学家,使用分流器(Shunt)电路和键盘,演奏出了旋律》;纽约时报,1901年4月8日,第七版

《电弧里的音乐:一位英国物理学家,使用分流器(Shunt)电路和键盘,演奏出了旋律》;纽约时报,1901年4月8日,第七版

威廉姆·杜·博伊斯·达德尔(William Du Bois Duddell)

威廉姆·杜·博伊斯·达德尔(William Du Bois Duddell)

人物生平:

威廉姆·杜·博伊斯·达德尔 (1872.7.1 – 1917.11.4,生于英国)是英国维多利亚时期的一位电气工程师,因其发明的一系列电子仪器而为人所知。在他的所有发明中,最著名的就是“动圈记波仪”(moving coil oscillograph)——一种早期的示波器,可以用图像的方式监测声音波形。达德尔的其他发明还包括热电偶安培表(thermo-ammeter)、热电偶检流计(thermo-galvanometer,一种用来测量微弱电流和细微电流变化的仪器,后来被用来测量天线电流,它的改进型直到今天仍在为人们所使用)以及一个用来校准冲击检流计(ballistic galvanometers)的磁铁标准器。

达德尔的动圈示波器

达德尔的动圈示波器

使用达德尔的记波仪(Oscillograph)以图像方式记录的波形

使用达德尔的记波仪(Oscillograph)以图像方式记录的波形


参考文献:

Simon, H.T. (1989), “Akustische Erscheinungen am electrischen Flammenbogen,” Ann. Physik 300, # 2, pp 233–9.
Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, pp 40-63
Duddell, W. (1900),  ‘Some Experiments on the Direct-Current Arc’, Nature, vol. 63, no. 1625 (December 20, 1900), pp. 182-183.
Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, p 52
V.J.Y, (1901), ‘Music in Electric Arcs.; An English Physicist, with Shunt Circuit and Keyboard, Made Them Play Tunes’. New York Times, April 28, 1901,P7
Max Kohl A.G. : Physical Apparatus. Price List No. 50, Vols. II and III. Chemnitz, n.d. 1911, p. 1058.

注释

注释
1 托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)和约瑟夫·斯旺(Joseph Swann)在1880年发明了白炽灯。
2 Simon, H.T. (1989), “Akustische Erscheinungen am electrischen Flammenbogen,” Ann. Physik 300, # 2, pp 233–9.
3 Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, pp 40-63
4 Duddell, W. (1900),  ‘Some Experiments on the Direct-Current Arc’, Nature, vol. 63, no. 1625 (December 20, 1900), pp. 182-183.
5 Wittje, R. (2013),  ‘The electrical imagination sound analogies, equivalent circuits, and the rise of electroacoustics, 1863-1939′,  Osiris, Vol 28 #1, p 52
6 Max Kohl A.G. : Physical Apparatus. Price List No. 50, Vols. II and III. Chemnitz, n.d. 1911, p. 1058.

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