科普专栏 | 留声机是怎么留住声音的？

科普专栏 | 留声机是怎么留住声音的？

留声机作为人类历史上首个能够记录和重现声音的设备，其发明标志着音频技术的重大突破。本文将带你深入了解留声机的工作原理及其发展历程，揭示这个看似简单的设备背后蕴含的科学智慧。

声音的本质与留声机的原理

生活问题 ：留声机是怎么留住声音的？
物理原理 ：声音的本质是振动，所以只要记住声音振动的特性，然后再按照同样的特性来振动就可以发出一样的声音。留声机就是通过记录发声时振动的特性来留声的。

科普论述 ：在八年级物理声学章节中，同学们会对声这一概念有更加深刻的认知，了解到声是由物体振动产生的。了解到各种声的不同之处主要在于震动的不同，当然学习过程中你也许会产生更多的问题，让我们一起来看看吧。

“留声机”到底是什么？
“留声机”，这个似乎只出现在时代为民国时期的影视剧中的物件。给我们留下的普遍印象大概是这样的，不过你有没有好奇过：声音看不见摸不着，它是怎么被留声机留住的呢？

留声机的发明历程

最初发明的留声机长啥样？

其实，在很长一段时间里，人们一直没能把声音直接保存下来，只能通过口授、文字、乐器等手段间接记录声音。直到1877年爱迪生发明留声机，声音才第一次被人们捕捉到。

爱迪生和他的早期留声机合影于1878年

从图中大家可以发现，爱迪生最初发明的留声机并没有那个标志性的大喇叭，所以接收声音的效果并不好。而大喇叭其实是在1888年爱迪生推出的第二代留声机上才出现的，它让留声机接收和播放声音的效果都提升了，随后还出现了把喇叭隐藏在木盒子里的箱式留声机。

爱迪生留声机与箱式留声机的广告

再仔细看，爱迪生的留声机跟大家印象里的留声机可能不太一样，它并不存在圆盘状的唱片，留声机的中央是一个横放的圆柱体。在当时的留声机广告里，留声机旁也放着一个个大号的圆柱体，这就叫做唱筒留声机（Phonograph）。而如今大家印象里利用圆盘状的唱片播放声音的唱片留声机(Gramophone)其实是由埃米尔·贝林纳（Emil Berliner）于1887年发明的。

贝林纳的唱片留声机手稿

留声机的工作原理

那么留声机如何保存和重现声音？

其实无论是唱筒还是唱片，这些留声机的工作原理都有相通之处，以下用贝林纳的唱片留声机举例。

贝林纳的唱片留声机手稿

在接收声音的时候，声音沿着绿色箭头的方向从喇叭口传向喇叭底端，喇叭底端连接着的蓝色表示圆片状振膜，振膜用铝合金片或云母片制成。振膜上连接着的红色表示唱针，唱针的材质为钢铁或用天然钻石镶嵌在铜针上制成，振膜振动使得唱针按照黄色箭头的方向抖动。振膜和唱针合称为唱头。

唱针尖端顶在唱片上，而唱片表面为特制材料，由蜂蜡、褐煤蜡等天然蜡质添加化学药剂后制成，唱片转动的同时会被针尖刻出螺旋痕迹，声音导致针尖抖动，也就使得刻出的痕迹具有了和声音信息相对应的细节特征。根据唱针安装的方式不同，刻出的痕迹分为平行于唱片抖动方向的横向刻纹和垂直于唱片抖动方向的纵向刻纹。

唱片上的横向刻纹和纵向刻纹

在放音的时候，让针尖对唱片保持一定的压力，然后转动唱片，针尖就会重新划过这些有特征的痕迹，并且把特征振动传导到振膜和喇叭上，从而还原被记录在唱片上的声音。

唱筒跟唱片的区别在于，唱筒是在滚动的圆柱表面留下刻痕。如下图右上方是一个喇叭，金属柱体的表面是柔性的金属箔，一边转动有螺纹的金属杆一边对喇叭说话，就能带动唱针在金属箔上刻下声音的痕迹。需要还原声音的时候，只要重新转动刻好的金属箔，就能带动唱针和喇叭发出声音。

1892年生产的金属箔唱筒留声机