本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
如果你碰巧是 1890 年左右波士顿一栋豪宅里的仆人，你可能花了很多时间和额外的精力在厨房和二楼之间上下楼梯。除非，你碰巧是亨利·沃克·哈特威尔和威廉·卡明斯·理查森设计的经典木瓦风格住宅中的洗碗女佣，他们认为在食品室和二楼走廊之间安装内置的传声筒以及电铃系统是合适的。考虑到亚历山大·格雷厄姆·贝尔的原型电话专利直到 1877 年才颁发，哈特威尔和卡明斯先生们走在了技术的最前沿。
那个传声筒仍然在那里，并引起了声学家威廉·艾略特的兴趣，他进行了一系列测量，以确定声音传输的质量，就可理解的人类语音而言。科学家仅仅知道某事物运作良好是不够的；他或她想知道它为何运作如此良好，在这种情况下，传声筒系统为何能够传输可理解的语音。艾略特在去年秋季的美国声学学会会议上谈到了他的结果——是的，我现在才开始写关于这个的博客，几个月后。今年一直很忙。
传声筒可以追溯到 1849 年左右，当时《大众科学》上的一篇文章描述了一种“声学电报”，它可以通过由古塔胶（一种从东南亚树木中提取的乳胶材料）制成的管道，使人们与“远在 60 英里外”的朋友交谈（！）。事实证明这有点雄心勃勃，但文章也指出，此类设备对于工厂、铸造厂和其他公共建筑内的通信非常有用。
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事实上，在 1860 年至 1890 年间，为传声筒系统的各种组件颁发了许多专利，通常用于单个建筑物内的通信。一位名叫安东尼奥·梅乌奇的意大利移民，许多人认为他在贝尔之前发明了电话，也在他家中建造了一个声学传声筒系统，类似于船上用于通信的管道。
在 1800 年代初期，让-巴蒂斯特·比奥曾用巴黎的自来水管道试验声音如何在长管中传播，发现与声音在自由空间中的传播效果相比，管道的限制有助于使语音在 1040 码的距离内保持可理解。然而，增加这些管道的直径，可理解性就会相应降低。
因此，当艾略特对剑桥住宅中的传声筒系统进行自己的测量时，他有一些可靠的科学依据可以借鉴，该系统是为家政人员提供提示的电气系统的一部分。
管道的每一端——一端在厨房食品室外，另一端在二楼走廊——都覆盖着一个哨子阀。如果有人想交流，他或她会打开阀门并对着管道吹气，发出像水壶啸叫的声音。然后另一端的人就会知道也要打开他们的阀门，双方就可以通过管道进行口头交谈。哦，两端都有喇叭形开口，以便更好地听到对方的声音。毕竟，它是一个波导，在这种情况下，它引导声波。
艾略特对语音为何能通过这种传声筒系统进行理解的问题很感兴趣，因此他在一个阀门开口附近设置了一个小型计算机扬声器来传输“粉红噪声”——其中每个八度音阶包含相等的声能，从而使其成为有用的声学测量工具——另一端有一个麦克风作为接收器。然后，他测量了声音在选定的特定频率下通过管道的传播效果，并将该数据与已知的人类语音可理解的理想频率范围进行了比较。
他的结论是：传输的信号落在 200 赫兹到 5000 赫兹的频率范围内，而这恰好也是语音可理解性的极佳频率范围。管道的几何形状——直径小，金属壁坚硬——充当了出色的声学滤波器，因为这些中频声音可以通过管道的效率远高于极高或极低频率的声音。如果有任何人想要设计一个基于此概念的更现代的通信系统，那么手头掌握这些信息将非常有用。
回到 19 世纪，这一切都是以电报和电话的发明开始的通信革命的一部分。电话的发射器包含一个线圈和一个小磁铁。对着发射器说话会导致线圈在磁场内的声波作用下振动。这会将声波转换为电信号，该信号可以通过电话线传输。接收器的线圈会检测到该电流，产生第二个磁场。这会使薄膜（类似于人耳的鼓膜）在电信号的作用下振动，从而将其转换回声音
一旦声音的传输和接收得到证明，发明家们就开始思考如何记录和再现声音——像托马斯·爱迪生这样的发明家，他想设计一种机器，能够通过使用触针在纸张上刻痕来响应声音振动，从而转录电报信息。
爱迪生用一根钢针实现了类似的效果，钢针靠在一张蜡纸条上。然后他大喊“哈啰！哈啰！”，看着振动移动所需的，在蜡纸上划出一个图案。更妙的是，当他后来用针划过这些痕迹时，他听到了微弱但可听见的“哈啰！”他自己的声音。
这是原理验证，爱迪生要求他的机械师约翰·克鲁西根据他的设计制造一个实际的设备。它使用触针在锡箔圆筒上刺出一个图案，以响应声音振动，例如某人的声音。当带有图案的圆筒通过手动曲柄转动时，第二根针会播放声音，并配有一个方便的放大喇叭来增强播放的可理解性。
1877 年（8 月或 12 月，说法不一），爱迪生录制了“玛丽有只小羊羔”这句话，并成功地在他的留声机上播放出来，甚至将该设备拖到纽约市的《大众科学》办公室进行演示。这为他赢得了一些媒体报道。根据 12 月 22 日的报道
“托马斯·A·爱迪生先生最近来到我们的办公室，将一台小机器放在我们的桌子上，转动曲柄，机器询问我们的健康状况，询问我们是否喜欢留声机，告诉我们它非常好，并向我们道了晚安。”
爱迪生在 1878 年 2 月获得了留声机的专利，并成立了一家公司来销售该设备。（法国科学家查尔斯·克罗斯也设计了一种类似的设备，在一篇写于 1877 年 4 月的论文中描述了该设备，但克罗斯从未制造出可用的模型。）他后来改进了早期的原型，虽然其最初的商业功能——取代速记员——从未流行起来，但其用于娱乐的用途是不可否认的。爱迪生留声机工厂很快开始制造自动点唱机的早期原型，一家姊妹公司制造了包含用于录音和播放的微型蜡筒的会说话的娃娃——如今是稀有的收藏品。
1938 年，作曲家理查德·施特劳斯将这两种技术（传声筒和留声机）结合起来，以监控他豪华庄园的大门。按门铃的访客会触发大约 50 码外的留声机。留声机将通过管道播放预先录制的消息（“施特劳斯博士不在家”）以劝退不受欢迎的访客。那些熟悉施特劳斯的人会再次按铃——这将停止唱片，大门将会打开。这是最早的答录机/蜂鸣器门禁系统。
回顾那些早期的留声机和录音，这项技术看起来非常原始。但原理没有改变。即使在今天，老式的 LP 唱片也依赖于黑胶唱片中的凹槽变化来编码信息，这些信息由留声机唱针的尖端“解码”。CD 的工作原理大致相同，只是它们将数据编码在“凹坑”中而不是凹槽中，并且数据由激光解码。
事实上，我们的大部分感官信息都来自背景的变化：我们可以阅读书中的文字，因为墨水以可识别的图案将意义编码到纸张上。一位名叫 巴托洛梅乌斯·特劳贝克的德国艺术家甚至创造了一种改良的唱片播放器，它可以分析树木横截面上的生长轮，并将这些信息转化为钢琴音乐（在此观看视频）。
今天，我们大多数人可能以数字 mp3 文件的形式在 iPod、智能手机或同等设备上听音乐。我们很容易忘记像 8 轨磁带和盒式磁带、老式 45 转单曲唱片和黑胶 LP 唱片这样的过时技术。我喜欢数字音乐时代，但德克萨斯大学奥斯汀分校的一组声学工程师认为，我们可能在此过程中失去了一些宝贵的东西：对信息（如声音）如何被捕获和传递的理解。
“我们越来越普遍地发现，年轻学生除了数字录制的声音外一无所知，因此对如何使用他们的数字设备捕获和重放声音知之甚少，”研究人员在他们去年秋季 ASA 会议上发表的演讲的通俗语言论文中写道（是的，仍然在追赶）。像科幻作家约翰·斯卡尔齐的女儿雅典娜这样的学生，当她第一次遇到老式黑胶 LP 唱片时，发生了这个幽默的交流，这让互联网用户感到好笑（不，怀疑论者，她没有作假）
这就是为什么上述研究人员——杰森·萨格斯、安德鲁·麦克尼斯和普雷斯顿·威尔逊——合作开展了一个项目，以重现爱迪生最初的纯机械留声机设计。他们说，他们的复制品“可以作为教授声学和向所有年龄段的人提供动手演示的有用工具。”（您可以在此处观看复制品在运行中的视频。）
但是，重现留声机确实提供了一个独特的科学机会：他们能够将爱迪生最初的 1877 年锡箔录音与他们自己的 21 世纪版本进行比较，并且对在录音过程中某些时候定期出现的凹坑图案感到好奇。他们假设“留声机并非平等地记录所有频率，而是倾向于特定的频率。”
作为优秀的科学家，他们测试了该假设，并构建了一个数学模型，以根据电路建模（电气电路元件被机械和声学质量、弹簧等取代）来预测该设备的声学行为。他们还使用了扫描激光多普勒振动计 (SLDV) 来非侵入性地测量留声机播放时的振动，因此他们有一个数据集可以与模型的预测进行比较。
正如研究人员在他们的 ASA 论文中报道的那样
“我们发现，影响整个系统声学行为的最重要部件是喇叭，它在录音期间将声音放大到留声机中，并在播放期间将声音放大到留声机外。喇叭经历了轴向声共振（即喇叭放大了某些频率，而不是其他频率），这导致定期间隔的凹坑...出现在箔片中。留声机的第二个最重要组件是 mouthpiece（口件）。口件包含一个小圆柱孔，该孔由一个狭窄的气腔支撑，然后由振膜终止。孔和腔结合产生额外的声共振，从而增强了留声机可以记录的频率范围。”
也许它不如我们今天使用的 mp3 那样高保真，但如果没有爱迪生的留声机和相关技术，我们将永远不会开发出创建它们的数字技术。科学建立在之前的一切之上，这就是为什么我如此喜欢撰写历史的原因——以免我们忘记。
参考文献:
“会说话的留声机”，《大众科学》，第 37 卷，第 25 期，第 384 页，1877 年 12 月。
“爱迪生改进的留声机”，《大众科学》，第 57 卷，第 21 期，第 238 页，1887 年 11 月。