蓄音機の仕組み：声を録音して溝を拡大するシミュレーター

フォノグラフに話しかけると何が起こるか

展示の前に数秒立つと、録音で最も古い仕掛けが見えます。人形が小さな鉄製の機械に身をかがめ、送話口に話しかけます。送話口の奥では薄い振動板が声に合わせて震え、そこに取り付けられた鋼の針先が、ドラムに巻いたスズ箔のシートに押し付けられます。ドラムは回転しながらねじに沿って横に動くため、針先は箔にらせん状の跡を残します。続いてドラムが出発点に戻り、もう一つの、より軽い針先が同じ跡をたどると、小さなホーンから声が戻ってきます。

フォノグラフのしくみは、これだけです。空気の動きを溝の形に変え、溝の形を再び空気の動きに変える方法なのです。このページに登場するほかのもの、蝋の円筒、78 rpm のレコード、電気式ピックアップ、テープ、コンパクトディスクは、すべて同じ二つの問いに対する別々の答えです。波の形をどこに保存するのか、そしてそれを壊さずにどう読み出すのか、という問いです。

展示には七つの機械があります。「機械」の操作で一つを選びます。ズームすると機械全体から針やテープヘッドに近づき、さらに顕微鏡へ移ります。そこでは、聞こえる音と同じ信号から、溝、テープ上の磁化された粒子、CD のピットが描かれます。「速度」は、記録媒体が針やヘッドを通過する速さを変え、表示には音の高さがどう変わるかが示されます。音は自分でオンにするまで鳴らず、自分の声が溝に入るのも、「自分の声を録音」を押してマイクを許可した場合だけです。録音したものがページの外へ出ることはありません。

音は圧力の波

声は、空気が押されたり引かれたりする動きです。声帯は毎秒 100 回以上開閉し、一吹きごとに口の前の気圧をわずかに上げます。高くなった圧力は音速で外側へ伝わります。室温の空気では約 343 m/s で、圧力の低下、そして次の上昇が続きます。その空気の中にあるマイク、鼓膜、フォノグラフの振動板は、同じパターンで内外へ押されます。

単純な波は二つの数値で表せます。周波数は毎秒何回圧力が上下するかを示し、ヘルツ (Hz) で測ります。波長は、その一周期の間に波が進む距離です。この二つは速さによって結ばれています。

波長 = 速さ ÷ 周波数

空気中の 1,000 Hz (1 kHz) の音の波長は 343 ÷ 1,000 = 0.343 m で、ほぼ人の肩幅です。このページでは同じ式が何度も登場します。どの記録媒体も、ゆっくり動く凍った空気のようなものだからです。溝が針を 0.5 m/s で通過するとき、1 kHz の音が占める溝は 0.5 ÷ 1,000 m = 0.5 mm です。カセットテープがヘッドを 4.76 cm/s で通過するとき、同じ音は 47.6 µm のテープを占めます。

実際の声は一つの音ではありません。声帯は約 100 から 250 Hz の基本周波数を生み、口や喉の形が、その上にある倍音の一部を強めます。フォルマントと呼ばれるこの強められた帯域によって、「ア」と「イ」が異なって聞こえます。展示で話されるせりふも、ブラウザー内で同じように作られています。約 120 Hz の羽音のような音を、母音ごとに 3 個のフォルマントで形づくっています。誰かの録音ではないため、その音声に著作権はありません。

1877 年のスズ箔フォノグラフ

Rutgers University の Thomas A. Edison Papers によると、エジソンが録音の着想を得たのは、電話の送話器に取り組んでいた 1877年7月でした。実験ノートには、型押し用の針先を付けた電話の振動板を、高速で動くパラフィン紙に押し当てる仕組みを記し、振動が「きれいにくぼみとして残った」と書いています。その後数か月の間にこの着想に立ち返り、11 月末までに基本設計をまとめました。

最初のフォノグラフは、長い軸に取り付けた溝付きの円筒でした。軸は 1 インチ当たり 10 山のねじで、手回しのクランクで回しました。エジソンはパラフィン紙の代わりに、記録面としてスズ箔を円筒に巻きました。機械工のジョン・クルージが、1877年12月の第 1 週に製作しました。完成するとエジソンは箔を取り付け、童謡「Mary Had a Little Lamb」を録音しました。Edison Papers は、最初のフォノグラフには録音と再生の別々の機構があり、後の設計で統合されたと記しています。

特許もすぐに続きました。フォノグラフまたは発声機の改良に関する 米国特許 200,521 は、1878年2月19日に成立しました。機械は米国とヨーロッパで広く展示され、エジソンは「メンロパークの魔術師」として有名になりました。また、音響学の研究に使う科学者たちからも、実際に関心を集めました。

ただし Edison Papers は、その限界をはっきり述べています。スズ箔への録音は決して十分に満足できるものではなく、エジソンが商用機を生み出すまでには、さらに十年かかりました。箔は破れ、ドラムから取り外してまったく同じ位置に戻すこともできず、針が通るたびにくぼみが平らになります。展示で確かめられます。「再生回数」を 10 にして箔を再生すると、溝が浅くなり、音は小さくこもり、雑音は大きくなります。

なぜ 1 インチ当たり 10 山なのでしょうか。クランクが一回転するたびにドラムがねじ一山分だけ横に動くため、溝は 25.4 ÷ 10 = 2.54 mm のピッチでらせんを描きます。これは鋼の針先が自力でたどれるだけの幅です。トーンアームがなく、刻んでいる溝以外に針を導くものがない機械では、この点が重要です。

二十年前のスコットのフォノトグラフ

エジソンは、初めて音を記録した人ではありません。National Park Service の Thomas Edison National Historical Park は現在、録音は二度発明されたと明言しています。最初は 1857 年にフランスのエドゥアール＝レオン・スコット・ド・マルタンヴィルが、次にその 20 年後にエジソンが発明しました。

スコットのフォノトグラフは、手回しの円筒に巻いた、すすで黒くした紙の上に膜の振動を描きました。音を見るためのもので、再び聞くためのものではありませんでした。フォノトグラムを再生できる人はいなかったため、一世紀半もの間、その跡に聞き分けられるものが含まれているという証拠はありませんでした。

2008 年、First Sounds として活動する研究者たちが、フランスの文書館に残るスコットの記録を見つけ、Lawrence Berkeley National Laboratory で開発された光学走査法で音に変えました。First Sounds は、音叉が大きな助けになったと説明しています。1860 年中、スコットは録音と並行して 250 Hz の音叉の跡を記録していました。これがタイムコードになります。音叉の波形が詰まる箇所では円筒がゆっくり回っていたので、音を引き伸ばして本来の速さに戻せます。1857 年の記録にはこうした跡がなく、クランクを回す手の速さがあまりに揺れたため、旋律を聞き分けられません。

最もよく知られる成果は、1860年4月9日に記録された「Au clair de la lune」です。First Sounds は、これを現在までに復元された、はっきり聞き分けられる最古の人の声の記録としています。1860年4月に作られたデュシスの「Othello」の朗読は、元の正確な速さで再生できる最古の話し言葉の記録です。1859 年の 435 Hz の音叉のフォノトグラムは、これまでに再生された最古の聞き分けられる音です。

展示の最初の場面がエジソンの機械なのは、自分で記録した音を再生できた最初の機械だからです。操作部の下の一覧にあるスコットの事例では、代わりに顕微鏡が開きます。フォノトグラムは溝というより、溝の絵に近いからです。

溝が波を保存するしくみ

顕微鏡でスズ箔の溝を見ます。声が振動板を押し込むと針先は深く入り、圧力が下がると上がります。そのため、溝がドラムを横切る道筋は一定ですが、深さは音に合わせて上下します。収集家はこれをヒル・アンド・デール、または縦振動記録と呼びます。エジソンの円筒は、その歴史を通じてこの方式を使い続けました。

同じ波を保存するもう一つの方法は、深さを一定にして、溝を左右に揺らすことです。この横振動記録は、エミール・ベルリナーがグラモフォンのレコードに使った方式で、Yale University Library の 78 rpm レコードの案内が記すように、1920 年ごろまでにはレコードの標準になりました。展示のグラモフォンと電気式レコードプレーヤーは横振動の溝を示します。壁は同じ高さのまま、道筋が左右に曲がり、針を左右へ押します。

どちらでも、記録は一本の線に沿って書かれた波そのものです。線と時間を結び付けるのは線速度で、毎秒何メートルの溝が針を通過するかを表します。円筒では、線速度は円周と毎秒回転数の積です。モデルのスズ箔ドラムは直径 101.6 mm で、約 60 rpm で回転します (原機は手回しだったため、どちらもモデルの値です)。したがって、

v = π × 0.1016 m × 60 ÷ 60 s = 0.319 m/s

この速さでは、1 kHz の音の一周期は 0.319 ÷ 1,000 m、つまり 319 µm の箔を占めます。10 kHz の音では 31.9 µm になり、丸みのある鋼の針先で箔に押し込んだ跡では保存できないほど細かくなります。スズ箔の音がこもっていた理由の一つがこれです。記録媒体は、高い音の短い波を運べなかったのです。

顕微鏡は、説明に記された長さと正確に同じだけの溝を示し、表示の波形はその瞬間に針の下にある信号です。「スローモーション」を 100 倍または 1,000 倍遅くすると、針先の下を溝の形が滑っていく様子を見られます。スズ箔ドラムでは、10 mm の箔に 10 ÷ 319 s、つまり 31 ms の音が入ります。

箔に代わる蝋

Edison Papers によると、エジソンがスズ箔フォノグラフを販売しようとした初期の試みは失敗し、彼を録音に引き戻したのは、1880 年代半ばに蝋の円筒を使う機械を実演したアレクサンダー・グラハム・ベルとチャールズ・サムナー・テインターでした。ベル、そのいとこのチチェスター・ベル、テインターは、ワシントンで Volta Laboratory Associates として共同研究しました。グラフォフォンと呼ばれる彼らの機械は、箔に押し込む代わりに蝋に溝を刻みました。切削では材料を細い糸状に取り除き、何度も再生できる、きれいで丈夫な溝が残ります。

1887 年から 1889 年の間に、エジソンとスタッフは、グラフォフォンより技術的に優れた改良型フォノグラフと蝋の円筒を開発しました。ただし、電気モーターのため高価で操作が難しく、口述筆記機として限られた市場しか得られませんでした。エジソンは小さなフォノグラフを内蔵したおしゃべり人形の販売も試みましたが、壊れやすすぎました。

フォノグラフが最初の本格的な聞き手を見いだしたのは、別の方法でした。1890 年代、代理店が口述筆記用フォノグラフに硬貨投入口を付け、客が 5 セント硬貨で録音を聞けるフォノグラフ・パーラーを開きました。その年代の後半には安価なぜんまい式フォノグラフが登場し、エジソンの会社は録音の複製方法を改良しました。その後、同社は約十年間、業界を率いました。

UCSB Cylinder Audio Archive は、1895 年から 1901 年の褐色蝋円筒を、広く商業規模で販売された最初の録音物と説明しています。約 120 から 160 rpm までさまざまな速さで溝が刻まれ、円筒自体には番号しか書かれていなかったため、録音名を記した紙片が付いていました。紙片のほとんどは失われています。そのため、市販の褐色蝋円筒はほぼすべて、曲名と演奏者を読み上げる声から始まります。褐色蝋の未録音円筒も再利用できました。古い溝を削り取り、エジソンは未録音円筒を最大 100 回再利用できると主張しました。同アーカイブは、これを書き換え可能なディスクになぞらえています。

複製が弱点でした。1902 年までは、演奏者がいくつかの録音ホーンの前で同じ曲を繰り返し歌い、一回の演奏からできる円筒は少数だけでした。

円筒の数値

1902 年、エジソンは Gold-Moulded 製法を導入しました。蝋の原盤から金属の型を作り、その中で未録音円筒を加熱し、膨張させて溝に入り込ませました。この名は、原盤に導電性を持たせるために使った微量の金に由来します。毎分回転数は 160 rpm に標準化され、溝のピッチは 1 インチ当たり 100 山のままでした。UCSB によると、1 インチ当たり 100 山の円筒は 160 rpm で約 1.5 から 2.5 分再生でき、そのため 2 分レコードとして販売されました。

モデルの蝋円筒は直径 55.6 mm (2 3/16 in) で、再生に使う長さを 4 in としています。すると、

• 回転数 = 1 インチ当たり 100 山 × 4 in = 400 回転
• 再生時間 = 400 ÷ 160 rpm = 2.5 min
• 線速度 = π × 0.0556 m × 160 ÷ 60 s = 0.466 m/s
• 溝の長さ = 400 × π × 0.0556 m = 69.9 m

1 kHz の音は 0.466 ÷ 1,000 m = 466 µm の溝を占めます。興味深いのは、変わらない値です。円筒は溝の始めと終わりで直径が同じなので、溝は最初から最後まで 0.466 m/s で針を通過します。次の節で示すように、円盤ではそうなりません。

1908 年、エジソンは溝の密度を倍にしました。Amberol 円筒は 1 インチ当たり 200 山で、約 4 分再生できました。新しい針が必要で、古い機械は改造しなければなりませんでした。1912 年、2 分と 4 分の蝋円筒の両製品系列は終わり、エジソンは同じ 4 分の溝を持つセルロイド製の Blue Amberol に切り替えました。セルロイドは落としても砕けませんでした。UCSB は意外な結果も付け加えています。その後の一世紀の収縮と変形で、多くの Blue Amberol は再生しにくくなり、今では置き換えた蝋円筒より音が悪いことも多いのです。

ほかのメーカーは、より大きな円筒や異なる円筒を試しました。1898 年末から販売されたコンサート円筒は直径 5 インチで、標準の二倍以上あり、音も大きくなりました。当初は 120 rpm、1899 年末には 144 rpm、1902 年初めには 160 rpm で録音され、標準円筒の 35 から 50 セントに対して、一個 $4 から $5 でした。フランスでは、時計職人のアンリ・リオレが 1893 年に小さなセルロイド円筒入りのおしゃべり人形を作り、その後、丈夫な独自のセルロイド音楽円筒を製作しました。100 または 120 rpm で再生し、30 秒から 4 分を収録できました。

ベルリナーの平らなレコード

ワシントンで活動していたドイツ生まれの発明家エミール・ベルリナーは、フォノグラフとグラフォフォンの両方を研究してから、別のものを試しました。Library of Congress Information Bulletin は、彼が円筒から、針でらせん状の溝を描く平らな両面の亜鉛円盤へ移行した経緯を述べています。1887年11月8日、音を記録して再生する装置グラモフォンの特許 米国特許 372,786 が成立しました。

平らなレコードには、一つ大きな利点がありました。円筒は原盤から複製しなければならず、成型法の登場前は、録音し直すか、ホーンを通して複写するしかありませんでした。円盤ならプレスできました。原盤から金属のネガ型を一度作れば、同一のレコードを何千枚もプレスできます。Library of Congress の記事によると、平らなレコードはエジソンの円筒よりはるかに低い費用で大量生産できました。またベルリナーは最初からグラモフォンを家庭の娯楽機械と捉えていましたが、ほかの人々はフォノグラフを事務所の口述筆記機と考えていました。

道のりは平坦ではありませんでした。1889 年のドイツ旅行で、ベルリナーは玩具会社と、小さな玩具用レコードと手回し再生機を作る契約を結びました。米国に戻ると、ワシントンで American Gramophone Company を、続いて United States Gramophone Company を設立しました。回転速度を均一にするため、ニュージャージー州カムデンのエルドリッジ・R・ジョンソンの機械工場と、ぜんまい駆動の機械に取り組みました。同じ記事は、レコードにラベルを貼る発想もジョンソンによるものとしています。展示では、グラモフォンのレコード中央にある紙ラベルが隠れた発見物の一つで、筐体のぜんまい巻き鍵もその一つです。

1897年9月29日、ベルリナーのワシントン工場で火災が起きました。特許紛争と競合する模倣品が続き、1900年6月、裁判所の差し止め命令によってフィラデルフィアの Berliner Gramophone Company は閉鎖されました。ベルリナーは特許権をジョンソンに譲り、ジョンソンが Victor Talking Machine Company を設立し、ベルリナーは経済的な持分を保持しました。

レコードが勝った理由

円盤のレコードは棚に保管しやすく、郵送しやすく、何千枚も作りやすいうえ、2 分円筒より少し多く音楽を収録できます。UCSB の Blue Amberol の歴史によると、1912 年までにエジソンの最も手ごわい競争相手は、すでに円筒の製造をやめていた Victor Talking Machine Company と Columbia Phonograph Company になっていました。Yale の案内は、その結果を、1910 年代までに平らなレコードが録音の主な媒体になったとまとめています。エジソンは Blue Amberol を 1929 年まで続けました。

エジソンは独自の円盤レコードも作りました。Iowa State University の博物館は Edison Diamond Disc フォノグラフを所蔵し、レコードは厚さ 1/4 in、粘土とシェラック製で、本物のダイヤモンドで再生したと説明しています。Diamond Disc 系列は 1912 年から 1929 年まで続きました。エジソンの円筒と同じく、その溝は左右ではなく、縦振動で刻まれていました。

円筒には、円盤にない特長が一つありました。始めから終わりまで溝の線速度が同じだったのです。円盤では外側の一周は内側よりはるかに長いのに、再生にかかる時間は同じです。針が内側へ進むにつれて溝の速度が落ち、ラベル付近の高い音はより短い溝に詰め込まれます。グラモフォンで顕微鏡をオンにし、アームが内側へ動くときの表示を見ます。線速度が下がり、1 kHz の一つの波が占める溝の長さも短くなります。

78 回転レコードの数値

初期のレコードの毎分回転数は、大きくばらついていました。Yale の案内によると、録音と再生の速さは 78 に落ち着く前には 72 から 86 rpm にわたり、1910 年までには大半のレコードが約 78 から 80 rpm で作られていました。1925 年、モーター式プレーヤーの標準に 78.26 rpm が選ばれました。一般的な 3,600 rpm のモーターで 46 歯の歯車を回すと、次の値になるからです。

3,600 ÷ 46 = 78.26 rpm

同じ案内は片面の再生時間も示しています。10 インチ盤は約 3 分、12 インチ盤は約 4 から 5 分です。モデルのグラモフォンの 10 インチ盤では、溝は半径 117 mm から 50 mm まであり、1 インチ当たり 96 本です。この三つの数値は典型的な値として選んだモデルの値で、特定のレコードの測定値ではないため、以下の結果は推定値です。

• 回転数 = (117 − 50) mm ÷ 25.4 mm × 96 = 253 回転
• 再生時間 = 253 ÷ 78.26 rpm = 3.2 min
• 外周の溝の速度 = 2π × 0.117 m × 78.26 ÷ 60 s = 0.96 m/s
• 終端の溝の速度 = 2π × 0.050 m × 78.26 ÷ 60 s = 0.41 m/s
• 溝の長さ ≈ 253 × π × (0.117 + 0.050) m = 133 m

3.2 分は、Yale の約 3 分という値と一致します。外周では 1 kHz の音が 959 µm の溝を占め、ラベル付近では 410 µm です。電気式プレーヤーの 12 インチ盤については、モデルは 146 mm から 60 mm を使い、325 回転、4.2 分となります。外周の 1.20 m/s は終端で 0.49 m/s まで下がります。ここでも Yale の 4 から 5 分に収まります。

なぜこんなに短いのでしょうか。78 回転盤の溝は、シェラックの溝を通る鋼の針に空間が必要なため幅が広く、しかも円盤が速く回ります。1948 年の長時間レコードは円盤を維持しつつ、細い溝と 33⅓ rpm を使いました。ビニールレコードの展示は、この先の話を扱います。

ホーンと機械式録音

1925 年より前は、レコードのどの工程にも電気は使われていませんでした。Yale の案内はこう説明しています。演奏者が大きなホーンに向かって歌い、または演奏し、音そのものの力が録音針を振動させて蝋原盤を刻みました。再生は逆向きに進みました。溝が針を動かし、針がサウンドボックス内の雲母の振動板を動かし、ホーンが振動板の動きを部屋へ伝えました。

ホーンは整合のための装置です。直径数センチの振動板は大量の空気を押すのが非常に苦手で、むき出しでは薄く小さな音しか出ません。ホーンの細い喉部では、振動板が小さな空気の柱を強く押せます。徐々に広がる形によって、その押す力がますます太い柱に伝わり、最後に部屋へ届きます。ホーンが長く広いほど、より低い音まで伝えられます。展示のグラモフォンが直径半メートルの花形ホーンを備えている理由も、ホーンが居間の隅を埋めるほど大きくなった理由も、これです。

機械式録音の弱点は範囲でした。Yale の案内は、機械式録音が高忠実度を達成することはなく、ダイナミックレンジが限られていたと記しています。非常に小さい音と非常に大きい音を両方収録することはできず、深い低音は針を十分に動かせず、集団の音の釣り合いを取るために歌手をホーンの近くや遠くに配置しました。

展示では、グラモフォンの音の帯域を約 200 Hz から 5 kHz に制限し、盤面雑音とパチパチ音を加えています。これは後の機械と並べて違いを聞き取れるようにしたモデルの値で、特定のレコードの測定値ではありません。

1925 年からの電気録音

1925 年、マイクが登場しました。Yale の案内によると、それ以降、演奏者はマイクに向かって歌い、増幅器が小さな電気信号を強め、その信号が切削針を駆動しました。この方法で作られたレコードは電気録音と呼ばれ、最初のものは 1925 年に発売されました。Yale はさらに、1947 年に磁気テープが登場し、レコードを刻む前の録音作業がテープに移って以降は、通常この呼称を使わないと付け加えています。

電気は両端を変えました。録音側では、マイクは演奏者がホーンに向かって大声を出す必要がないため、オーケストラ全体を通常の距離から録音でき、増幅器で、それまで弱すぎて刻めなかった低音を強められました。家庭では、電気式プレーヤーがホーンを 3 個の部品に置き換えました。針の動きを電圧に変えるピックアップ、電圧を大きくする真空管式増幅器、空気を動かすスピーカーです。展示の電気式プレーヤーには、そのすべてがあります。「内部を見る」をオンにすると、真空管が光り、格子の奥に紙のコーンが見えます。

モーターも変わりました。ぜんまいはほどけて弱まり、調速機でも速さをおおよそしか保てません。電源周波数に同期する電気モーターは正確な速さを保ち、歯車がレコードの回転数を決めます。3,600 ÷ 46 はここから来ています。60 Hz の電源で毎秒 60 回転、つまり 3,600 rpm で回るモーターと、46 歯の歯車です。歯車は、電気式プレーヤーのプラッターの下にある隠れた発見物の一つです。

モデルの電気式プレーヤーは、展示では約 90 Hz から 7 kHz に帯域を制限しています。機械式グラモフォンより豊かで、テープより狭く聞こえるよう選んだモデルの値です。

速度と音の高さ

展示のすべてのアナログ機械には、同じ規則があります。録音時より速く再生すると、含まれるすべての周波数が同じ倍率で上がります。二倍の速さで再生すれば、440 Hz の音は一オクターブ上の 880 Hz になります。音楽の言葉では、半音単位の変化量は次のようになります。

半音数 = 12 × log₂(再生速度 ÷ 録音速度)

この式から計算した例をいくつか示します。

• 78.26 rpm のレコードを 80 rpm で再生：12 × log₂(80 ÷ 78.26) = 0.38 半音高くなります。72 から 86 rpm までの速さで作られた初期のレコードが、一定の速さでは少し違って聞こえるのは、このためです。
• 78.26 rpm のレコードを 33⅓ rpm で再生：12 × log₂(33.333 ÷ 78.26) = -14.78 半音で、一オクターブ以上低く、遅くなります。
• カセットを 6 % 速く再生：12 × log₂(1.06) = 1.01 半音高くなります。
• 二倍の速さ：12 × log₂(2) = 12 半音で、ちょうど一オクターブです。

「速度」の操作で確かめられます。43 % では表示が約 -14.6 半音となり、33⅓ に設定したターンテーブルで 78 回転盤を再生した音に近くなります。再生時間は速さとは逆に変わります。100 % で 3.2 分続く片面は、43 % では 3.2 ÷ 0.43 = 7.4 分続きます。

これが、手回しのスズ箔フォノグラフにフライホイールが必要だった理由であり、円筒式や円盤式のぜんまいモーターに調速機が必要だった理由でもあります。速さが数パーセント揺れると、音の高さは半音の一部に相当する量だけ揺れ、耳は特に伸ばした音でそれに気付きます。テープ機にもキャプスタンで同じ問題があり、聞き手は遅い揺れをワウ、速い揺れをフラッターと呼びました。

コンパクトディスクは例外です。展示でモーターの速さを変えても、音の高さは変わりません。理由は、CD が音の高さを保つしくみの節で説明します。

磁気録音：針金、紙、テープ

溝だけが発想ではありませんでした。National Recording Preservation Plan の Library of Congress の論考「A Tale of Tape」は、磁気録音の起源を、米国の技師オーバリン・スミスによる 1878 年の記事までさかのぼっています。最初に動作した機械は、デンマークで 1898 年にヴァルデマール・ポールセンが作ったテレグラフォンで、移動する鋼線を磁化しました。その論考によると、鋼線録音の忠実度は高くありませんでしたが、大きな突破口となり、長年使われ続けました。もつれたり、切れやすかったりし、編集も困難でした。

1927 年、たばこ紙に金粉を融合させる仕事をしていたドイツの発明家フリッツ・プフロイマーが、同じ発想で紙に磁性粉を塗りました。1928 年にこの録音紙の特許を取り、1932 年に電機会社 AEG に使用権を与えました。AEG は長いテープの巻き枠を使う録音機を作りました。Library of Congress の論考によると、AEG は 1935 年の Berlin Radio Show で、最初の実用的なテープレコーダー Magnetophon K1 を公開しました。1930 年代末までに、ドイツのテープは紙からプラスチック基材へ移っていました。

細部は出典によって異なり、展示でもその点を示しています。マンフレート・クラウゼによる 2002 年の Audio Engineering Society 大会論文は、1935 年に公開された機種を K1 ではなく K2 としています。同じ二つの資料は、次の段階である高周波バイアスについても異なります。クラウゼの論文は 1940 年の K4 型に位置付け、Library of Congress の論考は、1941 年にドイツのヴァルター・ヴェーバーが実現したとしています。同論考はさらに、W・L・カールソンと G・W・カーペンターが米国で 1921 年に類似の特許を出願し、1927 年に成立したこと、マーヴィン・カムラスも 1941 年に高周波バイアスの特許を取ったことを付け加えています。操作部の下の事例一覧では、時期を約 1940 から 1941 年としています。

第二次世界大戦後、米陸軍通信隊の将校たちがドイツの機械を研究し、ジョン・T・マリンは Magnetophon のテープ走行機構を 2 台持ち帰りました。テープは消去して再録音でき、刃で切り、接合できたため、初めて録音を編集できるようになりました。Yale の案内は、レコード制作への磁気テープの登場を 1947 年としています。展示のオープンリールデッキの接合箇所は、隠れた発見物の一つです。

テープヘッドの書き込みと読み取り

テープレコーダーは、プラスチックの帯に塗った微小な酸化鉄粒子の磁気として音を保存します。録音ヘッドは軟鉄の輪にコイルを巻いたもので、テープが触れる前面に非常に狭い隙間があります。マイク増幅器からの電流がコイルを流れ、隙間からテープへ漏れ出す磁場を作ります。テープが通過すると、その各部分はその瞬間の磁場の向きと強さに応じて磁化されたまま残ります。

再生ヘッドも同じ形です。磁化されたテープが隙間を通ると、変化する磁場が鉄の輪を通り、コイルに小さな電圧を誘導します。展示では、オープンリールデッキの顕微鏡が、ヘッドの下の信号に応じて北向きや南向きになる粒子を赤と青で示します。

ここでも波長が限界を決めます。テープ上の波長は、テープ速度を周波数で割った値です。

• 19.05 cm/s のオープンリール：1 kHz は 0.1905 ÷ 1,000 m = 190.5 µm を占め、10 kHz は 19.05 µm を占めます。
• 4.76 cm/s のコンパクトカセット：1 kHz は 47.6 µm を占め、10 kHz は 4.76 µm を占めます。

波を再生するには、ヘッドの隙間は波長のおよそ半分より狭くなければならないため、カセットの 10 kHz での 4.76 µm には、2 µm 程度の隙間が必要です。遅いテープには非常に精密なヘッドと細かい粒子が必要です。カセットが音楽に使われるまで何年も改良を要した理由も、スタジオが 38.1 cm/s のような速い速度でテープを走らせた理由も、これです。

磁性粒子は弱い磁場に比例して反応しません。小さな変化には抵抗し、その後一斉に切り替わります。この効果をヒステリシスと呼びます。そのまま録音すると、小さい音はひずみ、雑音に埋もれます。高周波バイアスがこれを解決します。録音ヘッドの信号に、可聴域よりはるかに高い音を加えます。それが粒子を非常に速く往復させ、その上に重なる音声信号に比例して落ち着くようにします。バイアス自体は高すぎて聞こえず、再生ヘッドでも再生されません。消去ヘッドは、同じ高周波磁場をより強くして使い、それまでテープにあったものを乱します。

速さを決めるのはリールではなくキャプスタンです。リールは巻かれたテープが増減すると回転速度が変わるため、正確な速さで回る鋼のキャプスタンとゴムのローラーの間にテープを挟みます。展示では、オープンリールの巻き取りリールを見ます。巻きが小さい最初は速く回り、いっぱいになるにつれて遅く回ります。

コンパクトカセット

Philips Museum は、会社の資料からこの歴史を伝えています。1961 年、ベルギーのハッセルトにある Philips の録音機開発部門は、当時家庭で一般的だったオープンリール式テープレコーダーに代わる、小型の電池式録音機とそのカセットを作るよう求められました。製品開発の責任者はルー・オッテンスでした。彼は使いやすさを最優先にしました。若者も高齢者も、最も不器用な人でも扱えなければなりませんでした。次が大きさです。オッテンスは上着のポケットに入るよう木の塊を切らせ、その大きさがカセットと録音機の大きさを決めました。その木片は、展示の携帯録音機の横にある隠れた発見物です。

Philips Pocket Recorder EL 3300 とそのカセットは、1963 年にベルリンの Internationale Funkausstellung で初公開されました。その後 Philips は、技術規則を守ることを条件に、ほかのメーカーにコンパクトカセット方式の無償ライセンスを与えました。Philips Courier の報告によると、1967年9月までに世界の 70 社が、それに基づくカセットレコーダーを製造していました。35 年以上にわたり重要な音の媒体であり続け、最も広く使われる家庭録音方式になりました。

ケース内では、テープを掛け通す必要はありません。二つのハブがテープを保持し、テープは前縁に沿って、ヘッド、キャプスタン、ピンチローラーが入り込む開口部を通ります。ばねに付いたフェルトパッドが、背後からテープをヘッドに押し付けます。IIT Kanpur のカセットデッキの講義資料は、速さを毎秒 1.875 インチ、4.76 cm/s としています。ピンチローラーがテープをキャプスタンへ押し付けてこの速さを保ちます。圧力が小さすぎるとテープが滑り、大きすぎるとつぶれることがあります。

C60 カセットは片面 30 分を収録できます。4.76 cm/s では、必要な長さは次のとおりです。

30 min × 60 s × 4.76 cm/s = 8,568 cm = 85.7 m のテープ

モデルのテープ幅は 3.81 mm、ケースは 100.4 × 63.8 × 12 mm で、ハブの間隔は 42.5 mm です。これらはモデルに組み込まれた寸法です。

コンパクトディスク

カセットがまだ普及している最中に、Philips は次の媒体に取り組んでいました。Philips Museum によると、Sony と共同でコンパクトディスクを 1982年11月に導入しました。まず日本で、その 4 か月後にヨーロッパと米国で導入されました。この方式は、レーザーによる円盤の光学読み取りと、信号のデジタル符号化・処理という二つの技術を組み合わせました。音声形式は IEC 60908 規格で、データ用のディスクは、Ecma International が無料公開する ECMA-130 に記されています。

CD は波の形を保存しません。2 チャンネルのそれぞれで毎秒 44,100 回波を測定し、各測定値を 16 ビットの数値として書き、その数値を保存します。Stanford の CCRMA にある J・O・スミスの資料で説明される標本化定理によると、一定の頻度で標本化した信号は、その頻度の半分を超える周波数を含まなければ、正確に復元できます。44,100 の半分は 22,050 Hz で、大半の成人の可聴域より上です。生の音声データ速度は、

44,100 × 16 bit × 2 = 1,411,200 bit/s

数値は、プラスチックに押し込まれたピットのパターンへ符号化され、ディスクを通して下から読まれます。ECMA-130 は、らせんのトラックピッチを 1.6 µm ± 0.1 µm、走査線速度を 1.2 から 1.4 m/s、チャネルビット速度を 4.3218 Mbit/s と定めています。また、ピットからランド、またはランドからピットへの変化が 1、変化しないことが 0 を表すとしています。符号化により、ピットとランドの長さは 3 から 11 チャネルビットに保たれます。1 チャネルビットは 1 ÷ 4.3218 MHz = 231.4 ns なので、1.2 m/s では、

• 最短のピット = 3 × 231.4 ns × 1.2 m/s = 0.833 µm
• 最長のピット = 11 × 231.4 ns × 1.2 m/s = 3.054 µm

1.4 m/s では、0.972 µm と 3.563 µm です。展示の顕微鏡は、隣り合う 3 本のピットのトラックとレーザーのスポットを示し、「スローモーション」の設定よりさらに 1,000 倍遅くスクロールさせています。1.3 m/s では、見えている 8 µm は約 6 µs で通過してしまうからです。

ECMA-130 はさらに、レーザーから見てディスクが反時計回りに回ると、トラックが外側へらせんを描くと記しています。CD は中心から外周へ再生し、レコードとは逆です。これは、操作部の下の意外な事実カードの一つです。

CD が音の高さを保つしくみ

レコードプレーヤーは再生を速くすると音が高くなります。溝が波そのもので、その波を針に対してより速く通過させるからです。CD プレーヤーは違う動作をします。トラックがレーザーを常に 1.2 から 1.4 m/s で通過する速さでディスクを回すため、モーターは中心付近で速く、外周付近で遅く回ります。1.3 m/s では、

• 半径 25 mm：1.3 ÷ (2π × 0.025 m) × 60 = 497 rpm
• 半径 58 mm：1.3 ÷ (2π × 0.058 m) × 60 = 214 rpm

ディスクから読んだ数値は小さなメモリーに入り、水晶クロックが一チャンネル当たり毎秒正確に 44,100 個を変換器に送り出します。ディスクが少し速く回るとメモリーがいっぱいになり、プレーヤーはモーターを遅くします。出力にはディスクの速さが伝わらないため、それによって音の高さが変わることはありません。

展示では、CD プレーヤーの「速度」を 150 % にするとディスクの回転は速くなりますが、表示には音の高さは変わらないと出て、音も変わりません。状態表示の行が理由を説明します。

トラックは長大です。1.2 から 1.4 m/s で読む 74 分のディスクには、74 × 60 × 1.2 = 5,328 m から 74 × 60 × 1.4 = 6,216 m、つまり 5.3 から 6.2 km のらせんが入っています。トラックピッチが 1.6 µm なら、半径 25 mm から 58 mm までの帯には、(58 − 25) mm ÷ 0.0016 mm = 20,625 回転が入ります。1,411,200 bit/s のステレオ 74 分は、誤り訂正前の音声で 74 × 60 × 1,411,200 ÷ 8 = 7 億 8320 万バイトです。

片面にどれだけ入るか

操作部の下の表は、入力値から各機械の数値を計算します。まとめると、次のとおりです。

• スズ箔：約 60 rpm で 40 回転、約 0.7 分 (推定)
• 蝋円筒：160 rpm で 400 回転、2.5 分
• 10 インチの 78 回転盤：78.26 rpm で 253 回転、約 3.2 分 (推定)
• 12 インチの電気録音 78 回転盤：325 回転、約 4.2 分 (推定)
• オープンリール：19.05 cm/s で 548.6 m (1,800 ft) のテープ、48 分
• コンパクトカセット C60：4.76 cm/s で 85.7 m、片面 30 分
• コンパクトディスク：74 分

二つの点が目立ちます。一つ目は、波長がどれほど重要かということです。78 回転盤の溝は約 1 m/s で針を通過して 3 分しか入らず、カセットは 20 倍遅く動いて 30 分入ります。テープには 20 倍短い波を保存できるからです。二つ目は、CD の線速度 1.3 m/s はどの溝よりも速いのに、74 分入ることです。トラックの間隔が 265 µm ではなく 1.6 µm で、波ではなく数値を保存するからです。

オープンリールの数値は、1,800 ft の 7 インチリールについて、548.6 m ÷ 0.1905 m/s = 2,880 s = 48 分として求めています。カセットの値は C60 の片面 30 分で、先に計算した 85.7 m が必要です。スズ箔の値は 40 回転 ÷ 60 rpm = 0.67 分です。

触れずに溝を聞く

針は再生するものを摩耗させます。ひびの入った蝋円筒や、厚紙に蝋を塗ったレコードは、もう一度の再生にも耐えられないかもしれません。2000 年代初めから、Lawrence Berkeley National Laboratory の物理学者たちは、代わりに光で溝を読んでいます。IRENE と呼ぶその方法は、溝を高解像度で光学走査し、針がその溝をたどった場合にどのように動くかを計算して、その動きを音声ファイルへ変換し、その過程で傷や音飛びを取り除きます。

Berkeley Lab Engineering Division は、20 年以上前に Library of Congress と始めた計画の経緯を説明しています。初期の取り組みの一つでは、UC Berkeley の Phoebe Hearst Museum of Anthropology が所蔵する、先住アメリカ人の蝋の録音 3,000 点以上をデジタル化しました。次にチームは、Smithsonian の National Museum of American History に保管された、1880 年代のアレクサンダー・グラハム・ベルの Volta Laboratory による約 200 点の実験録音に取り組みました。一部は製本用板紙の上の薄い蝋の被膜でした。その一枚には、ベル自身の声が入っています。2025 年、チームは音声認識プログラムを使い、ひび割れがひどく誰も言葉を聞き取れなかった Volta のディスクの文字起こしを助けました。

通常の録音の保存は、さらに大きな仕事です。Council on Library and Information Resources と Library of Congress は、2010 年に全国調査 The State of Recorded Sound Preservation in the United States を刊行しました。また、2006 年の報告書 Capturing Analog Sound for Digital Preservation は、アナログ音声を安全に移す方法を定めています。Library of Congress 自身の音声資料の手入れの案内は、レコードとテープの保管と取り扱いを扱っています。

デジタルディスクにも手入れが必要です。NIST と Library of Congress は、高温多湿で記録型 CD と DVD を老化させて試験しました。2005 年の研究は NIST Special Publication 500-263 として刊行され、同館の保存科学者たちは CD の寿命の研究を続けています。

モデルと実機の違い

展示は各機械の原理を示し、一部を簡略化しています。

• スズ箔ドラムの直径 101.6 mm、速さ 60 rpm、再生に使う長さ 4 in はモデルの値です。原機は、操作者が選ぶ速さで手回ししました。
• レコードの半径と、78 回転盤の 1 インチ当たり 96 本の溝は、典型的なモデルの値です。実際の 78 回転盤はメーカーや年代によって異なりました。
• 顕微鏡は、聞こえる音と同じ信号から溝、粒子、ピットを描き、形が見えるよう振幅を誇張しています。表示する長さは説明文に記された長さです。深さと幅は同じ縮尺ではありません。
• テープの粒子は、長さが 1 マイクロメートルを大きく下回る実物より、はるかに大きく少なく描いています。
• CD は、3 から 11 チャネルビットの長さのピットとランドを示しますが、実際に符号化した音声ではなく、ランダムなパターンです。誤り訂正、8 ビットを 14 ビットに変換する符号化、フォーカスサーボは省略しています。
• 音はブラウザー内で、帯域フィルター、少量の雑音とパチパチ音、速度変化によって作られます。帯域制限と雑音レベルは、違いを明確にするために選んだモデルの値で、測定値ではありません。
• 最初の場面は、回転が見えるように、スズ箔のらせんの四分の一を 6 秒で進めます。