黑胶唱片的历史及其背后的科学

2021年 8月 17日

21 世纪初期,黑胶唱片已被人们遗忘在角落里,积满了灰尘。但之后发生了一些奇怪的事情。2008 年,全世界的音乐商店开始庆祝“唱片店日”。2020 年,黑胶唱片的销量创下了历史新高,自 1986 年以来首次超过了 CD 销量。事实证明,与使黑胶唱片重新流行的怀旧情怀一样,黑胶唱片的历史及其背后的科学同样让人着迷。

黑胶唱片的历史

圆筒留声机

1877 年,托马斯·爱迪生正在研究他最出名的两个发明:电话和电报。在这个过程中,他发明了电唱机(phonograph),作为一种播放录制声音的方式。在 1878 年 6 月的 North American Review 杂志上,爱迪生写道,他设想将“音乐再现”,以及听写、教育和报时(如语音时钟)作为该设备的未来用途。

托马斯爱迪生的黑白照片和留声机。
托马斯·爱迪生和留声机的早期原型。图片来自 Levin C. Handy — 美国国会图书馆。通过 Wikimedia Commons进入公共领域的图像。

19 世纪 80 年代,由亚历山大·格雷厄姆·贝尔经营的 Volta 实验室对爱迪生的设计进行了改进,并将改进后的设备称为留声机(gramophone)。留声机不像电声机那样从蜡制圆筒中读取声音,而是通过一个手摇机件来操作,使平板上的硬橡胶盘转动。1887年,德裔美国人发明家埃米尔·贝利纳开发出可以在留声机上播放的侧切平板,它的用途与外观与我们今天所知的黑胶唱片相似。

埃米尔·贝利纳与留声机的黑白照片。
埃米尔·贝利纳 和一个早期的留声机侧切平板唱片。通过 Wikimedia Commons 进入公共领域的图像。

到 1892 年,电唱机和留声机开始向公众销售,前者被定位为“棕色蜡上的娱乐产品”。然而,早期用于留声机的蜡筒只能存储两分钟的录音,而且生产成本高,效率低下。

1901 年,复制蜡筒开始被批量生产。它们由模具制成,而不是用手写笔单独雕刻,并且使用了一种较硬的蜡。这些圆柱体有时被称为“金模”圆柱体,因为生产过程中使用的金电极会释放出金色的蒸汽。使用这种新工艺,一次可以制作 120-150 个圆筒。

78s

由贝利纳推广的平板唱片以约 78rpm 的速度播放,这就是为什么它们被大多数收藏家称为 “78s”。在改进蜡筒质量的基础上,这些圆盘每面可以储存 3-5 分钟的声音。它们由虫胶树脂制成,感觉比现代黑胶唱片更重、更脆。

二战期间,虫胶很难买到,所以一些 78s 开始用乙烯基材料代替。

“现代”乙烯基

到 1930 年,RCA Victor 公司推出了第一张商业化黑胶唱片。这张现代唱片的播放速度为 33⅓ rpm,而不是 78 rpm。这种唱片直径为 12 英寸,这意味着它可以播放更长的声音。1939 年,RCA 的竞争对手哥伦比亚公司也紧随其后发布了一种 12 英寸“长播放”33⅓ rpm 微槽唱片。作为回应,RCA 发布了一种较小的7英寸唱片,每面以 45 rpm 播放一首歌曲,称为 “密纹唱片”。

今天,唱片艺术家仍然将他们的作品称为黑胶唱片和密纹唱片(LP 和 EP),无论音乐是否有实体格式!

到了 20 世纪70年代,微型磁带(当时唯一的便携式听音乐的方式)和八轨磁带盒的推出使黑胶唱片退居次席。CD、数字下载和流媒体服务的推出又延续了这一趋势。

重回焦点:乙烯基复兴

自 2008 年“唱片店日”的出现以来,黑胶唱片与其他媒介相比越来越受欢迎。黑胶唱片的销量稳步攀升,仅 2019 年到 2020 年,其销售额就增长了 46%!这种需求激增导致世界各地的唱片压制厂出现严重瓶颈,有些工厂需要长达 8 个月的等待时间才能获得订单和发货!

前面,我们已经回顾了黑胶唱片的历史和它蓬勃发展的流行。接下来,让我们来看看它们是如何演奏音乐的,它们最初是如何制作的,以及所涉及材料背后的科学……

唱片是如何播放音乐的?

黑胶唱片能够通过唱机播放声音的方式是一个有趣的过程。黑胶唱片(也叫做漆盘)被压制成有凹槽的压痕(这可能是“groovy!”一词的来源)。这些凹槽充当了原始艺术家录音的声波的”指纹”

如果要播放一张唱片,你需要把它放在唱机上,唱机有一个旋转的底座和一个细长的唱臂。唱臂末端有一个唱头,唱头由钻石或蓝宝石制成。当唱机旋转时,测针在唱片的凹槽中振动。

唱臂末端的唱头包含一个压电晶体。当测针在凹槽中振动时,它会通过墨盒产生电信号。然后该信号被反馈到唱机的放大器。

当唱片播放时,触针从唱片的外缘向中间移动,通常速度为 33⅓ rpm,这样每面都有 20- 30 分钟的声音。(许多唱片艺人在为他们的专辑排序时花了很多心思和精力,会使 A 面结尾的歌曲更有节奏感和活力,让人想翻开唱片继续听)。

现代电唱机上带有红色标签的黑色黑胶唱片的照片,唱臂和唱针位于凹槽中。
唱机上的黑胶唱片,右上角显示了唱臂、唱头和测针。

音乐发烧友们经常唠叨,黑胶唱片比 CD 或流媒体服务具有更好的聆听体验。为什么会这样呢?差异可能归结于模拟录音和数字录音。黑胶是模拟录音的,这意味着唱片的凹槽是实际录音的物理表现。其他现代格式是数字录音的,这意味着录制的音乐被转化为一组离散的数字。也许这就是为什么黑胶唱片的声音经常被描述为比数字播放”更温暖”或”更真实”的原因,尽管这往往是争论的焦点

黑胶唱片是如何制作的?

黑胶唱片的生产过程既费时又费钱,并且在生产车间开始之前就开始了。首先,录制的音乐必须通过一个称为 母带处理 的优化过程来转换为黑胶唱片。这时,经过专门培训的音响工程师会确保音轨的水平、限制、均衡和排序都达到最佳质量。

接下来,通过一种被称做车床切割 的技术将母带文件印在漆板上。使用一支钻石测针将唱片的凹槽直接刻在铜制母带上。

然后,使用如下所述的电镀 技术制作唱片:在漆过的母盘上喷上银溶液,以增强其抵抗大规模复制产生的压力,然后将它放在镍浴中形成一个”压模”。这个”压模”有一个凸起的凹槽,用于形成黑胶拷贝中的凹槽。通常,需要制作多个母盘和压模,尤其是当工厂需要完成较大(>10000 个)的订单时。每个压模通常可以制作大约 1500-2000 张,然后才会磨损并无法再使用。

电镀后,压模被送到液压机上。预热过的聚氯乙烯 (PVC) 颗粒混合物被制车称为“饼干”的固体圆盘,然后将其加热至 148°C (300°F) 并在液压机内以超过 2000psi 的压力压缩约 8 秒。压模就像华夫饼熨斗一样,在压平饼干的同时将凹槽图案压入饼干中。

液压机在生产红色黑胶唱片时的照片。
唱片压制厂的液压机,正在制作 Alicia Keys 专辑 As I Am 的副本。图像由David McClister提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons在公共领域共享。

新压制的唱片会在水浴中再冷却 8 秒,然后将它们修剪成最终的形状,并被磨圆。唱片还要经过最后的固化过程,这对于避免以后变形很重要。

唱片厂通常在生产整批唱片之前都会进行试压。这样,唱片公司和独立艺术家可以在生产数百或数千张有缺陷的唱片之前,进行质量把控。

有趣的事实:唱片为什么是黑色的?

唱片可以看似可以被压制成无穷无尽的各种颜色和图案,制作珍藏版本,这是收藏家的梦想。

三张不同颜色的黑胶唱片相互叠放的照片,左边是白色,中间是紫色,右边是红色。
我个人收藏的黑胶唱片的白色、深紫色和赭色/棕褐色变体。

然而,根据Furnace Record Pressing 的说法,黑胶唱片最常采用黑色 PVC 压制,这可以用静电来解释。

事实证明,PVC 是一种天然绝缘体,随着时间的推移会产生静电,而这种电荷会吸引灰尘。灰尘是黑胶唱片最大的敌人:它会积聚在凹槽里,磨损唱片机的触针。将炭黑添加到PVC混合物中,是为了增加材料的整体导电性,这意味着随着时间的推移,静电和灰尘在唱片上的积累会减少。

根据个人经验,黑色唱片似乎也很容易积灰,所以在收起来之前最好先把它擦干净!

黑胶唱片背后的材料科学

黑胶唱片的主要成分不是节奏、旋律或灵魂,而是聚氯乙烯,一种由氯和乙烯组成的聚合物。乙烯是通过加工石油、煤炭和天然气等碳氢化合物原料制成的,而氯是通过在膜电池电解槽中电解盐水来制造的。这两种材料结合起来形成二氯化乙烯,然后转化为氯乙烯单体,或称为 VCM。

一瓶透明的白色粉末状纯聚氯乙烯瓶的照片。
粉末状的纯聚氯乙烯。图片由 LHcheM提供自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得许可(CC BY-SA 3.0)。

最后的聚合过程包括将 VCM 转化为实际的乙烯基聚合物,即 PVC。然后,将化学改性剂添加到混合物中,以实现成品的特定质量。

聚氯乙烯或 PVC 聚合的分子结构示意图。
聚氯乙烯聚合过程的分子结构。图片由 Jü 提供自己的作品。图像通过Wikimedia Commons进入公共领域。

使得 PVC 成为黑胶唱片的最佳材料的一个因素是,它有 10%-20% 的结晶度。这意味着它的强度足以支持在生产过程中支撑唱片的凹槽,并且可以承受转盘触针的应用压力。

添加剂

尽管 PVC 约占黑胶唱片的 96%,但混合物中还添加了其他成分,用于赋予某些重要特性。例如,稳定剂约占黑胶唱片材料的 1.5%。它们使树脂混合物更加坚固。在压制过程中,稳定剂用于中和由液压机蒸汽的高温产生的氯化氢气体。

增塑剂只占混合物的不到 1%。它们提高了唱片的柔韧性,使其在制造过程中更容易与母盘上的凹槽相匹配。润滑剂也只占不到 1%,它可以改善压制过程中树脂的流动性,也可以减少操作过程中唱片表面的摩擦。

最后,大约 0.5% 的成分是炭黑,我们已经提到过,它可以减少静电积聚,也可以使唱片表面的划痕更容易被看到。有时,着色剂和从其他唱片中回收的乙烯基会被添加到炭黑混合物中。

黑胶唱片的未来

音乐行业尤其难以预测。谁会想到一百多年前发明的一种演奏音乐的方式会在今天流行起来?

在科学方面,工程师们正在寻找改进唱片机、唱片压制技术和唱片制作材料的方法——所有这些都是为了使制作过程更加环保

我们从 A 面翻转到 B 面,然后又再回来时,我迫不及待地想知道黑胶唱片世界的未来发展是什么!

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