Uitvinding van o.a. koolmicrofoon, fonograaf en grammofoon

Gedurende de jaren '70 van de 19de eeuw waren uitvinders niet alleen gefascineerd door licht en beeld, maar ook door geluid. Binnen dat kader werd in 1876 de telefoon uitgevonden als eerste verlengstuk van het menselijk oor. Dat bracht een kettingreactie op gang. Door de telefoon ontstond namelijk de microfoon die de fonograaf mogelijk maakte die op zijn beurt een voorloper was van de grammofoon en dictafoon. De belangrijkste namen bij deze uitvindingen zijn Thomas Edison, Emile Berliner, David E. Hughes, Charles Tainter en Valdemar Poulsen.  Zij brachten een nieuw wonder tot stand: een muziekuitvoering kunnen horen zonder er zelf bij aanwezig te hoeven zijn. Dat was nog niet eerder mogelijk geweest.

Abraham Archibald Anderson - Thomas Alva Edison. 1890. Edison sleutelt aan zijn grote trots, de fonograaf. Met geen enkele andere uitvinding is hij zo vaak afgebeeld.

Grip op geluid

Het belang van de uitvinding van de telefoon in 1876 valt onmogelijk te overschatten. Niet alleen maakte dit ene apparaat directe langeafstand communicatie tussen mensen mogelijk, maar was het ook voor het eerst dat geluid werd omgezet in een signaal dat vervolgens weer terug werd omgezet in geluid. Dat opende de deur naar een hele trits andere apparaten die zich ook bezig hielden met het omzetten van geluid, zoals bijvoorbeeld de radio. De uitvindingen van apparaten die geluid versterkt doorgaven en/of registreerden lag echter zozeer in elkaars verlengde, dat deze niet los van elkaar zijn te zien.

Het betreft hier de microfoon, de fonautograaf, de fonograaf, de grafofoon, de dictafoon, de grammofoon en de telegrafoon. In principe zou je daar de luidspreker ook aan toe kunnen voegen. De eerste luidsprekers maakte echter zo'n integraal onderdeel uit van de andere geluidsapparaten (te beginnen met de telefoon), dat je niet eens kunt spreken van een afzonderlijke uitvinding.

Uiteindelijk was er wel een duidelijk beweging gaande binnen de ontwikkelingen op het gebied van geluidsregistratie. Het begon namelijk met het vastleggen van geluid, om in toenemende mate te komen tot manieren waarop je het ook weer terug kon luisteren.

De koolmicrofoon, de eerste microfoon

In 1877 werd er een apparaat uitgevonden dat was bedoeld om de in 1876 uitgevonden telefoon te verbeteren en dat men aanvankelijk een zender noemde. Het was een met een membraan afgesloten ruimte, die werd gevuld met koolstofpoeder. Door het membraan werden geluidstrillingen overgebracht op het poeder. Door het samendrukken van de koolstof onstonden veranderingen in de weerstand tussen de onderlinge deeltjes wat werd omgezet in een elektrisch signaal dat geluid doorgaf. Later kreeg het de naam koolmicrofoon of carbon microfoon.

Zowel Thomas Edison (1847-1931) als Emile Berliner (1851-1929), een Duits/Amerikaanse elektrotechnicus die voor Bell Company werkte, vroegen in 1877 patent aan op de koolmicrofoon. Edison was er echter drie maanden eerder bij en kreeg het toegewezen. In 1879 probeerde Berliner het opnieuw met een stel langdurige rechtzaken over het octrooi als gevolg. Zowel in de VS als in Groot-Brittannië rolde Edison opnieuw als winnaar uit de bus. 

V.l.n.r.: Thomas Edison in 1877 (foto: L.C. Handy), Emile Berliner en David E. Hughes (1900)

In 1878, ging ook David Edward Hughes (1831-1900) zich ermee bemoeien. Behalve uitvinder (hij deed ook veel voor de telegraaf en was een voorloper met onderzoek naar radiogolven) was hij een succesvol musicus. Hij ontdekte dat de verandering van weerstand in de koolzenders van een telefoon werd veroorzaakt door de interactie tussen de koolstofdeeltjes onderling in plaats van door het samendrukken van die deeltjes op zich, zoals men aanvankelijk geloofde.

Hierna bracht hij verschillende verbeteringen aan. Zo maakte hij het mogelijk dat ook zachte geluiden versterkt werden doorgegeven. Het woord 'micro' verwijst ook naar die zachte geluiden. Hij deed dit door koolstaven in blokken koolstof te steken omdat het geluid dan beter werd opgepakt.

Op deze manier werd Hughes de uitvinder van de microfoon met als functie geluid te versterken, zonder ooit een apparaat specifiek daarvoor te hebben ontworpen. Hij zou nooit een patent aanvragen, want hij behoorde tot die uitvinders die wilde dat zijn vinding voor iedereen beschikbaar zou zijn.

De eerste geluidsregistratie: de fonautograaf

In 1857 werd er voor het eerst een patent afgegeven op een vorm van geluidsregistratie. De ontvanger was de Fransman Édouard-Léon Scott de Martinville (1817-1879) en hij noemde zijn apparaat een fonautograaf, oftewel een geluidschrijver.  Het bestond uit een hoorn die geluidsgolven opving en de trillingen via een membraan overbracht op een stift. Deze stift kraste onder invloed van de trillingen patronen op een met roet bedekte stuk papier.

Op 9 april 1860 maakte hij de oudst bekende opname van een menselijke stem. Daarmee was dit een interessante uitvinding, maar helaas deed hij nog niet veel, want er was geen manier om het opgeslagen geluid weer terug te luisteren. Pas twintig jaar later zou het lukken om ook dat gedaan te krijgen.

Maar die opname uit 1860 dan? Deze werd in 2008 alsnog afspeelbaar gemaakt door onderzoekers. Aanvankelijk leek het een vrouwenstem, maar blijkbaar was het toerental te hoog. In 2009 bleek het om een man te gaan, waarschijnlijk Scott de Martinville zelf, die Au clair de la lune zingt. Het fragment duurt 10 seconden. 

Links: model van een fonautograaf uit 1857. Rechts: Édouard-Léon Scott de Martinville.

De geluidschrijver van Edison

Toen hij een microfoon had, kwam ook Edison al snel, hetzelfde jaar nog, tot een allereerste apparaat dat geluid kon opnemen, zonder dat dit kon worden afgespeeld. Het was een combinatie van een telefoon, microfoon en opnameapparaat en werd gewoon 'geluidschrijver' genoemd. De eerste woorden die Edison ermee opnam waren Mary had a little lamb.

Er bleek maar weinig toekomst voor dit apparaat, want zijn eigen bedenker kreeg bijna meteen een beter idee.

Uitvinding van de fonograaf

Het was namelijk nog steeds 1877 toen Edison de fonograaf uitvond, al volgde het patent in 1878. Met die fonograaf kon geluid op één plek worden opgenomen en vervolgens op tal van andere plekken afgespeeld en beluisterd.

Bij de fonograaf bracht de druk van geluidsgolven een op-en-neergaande beweging van een naald tot stand, die vervolgens groeven kerfde in een cilinder bedekt met bladtin. Bij het afspelen tastte de naald de gemaakte groeven af en bracht aldus vibraties over die weer werden omgezet naar het oorspronkelijke geluid.  Dat was vervolgens te horen door een luidspreker in de vorm van een flinke hoorn, welke aan de kast vastzat.

De cilinders moesten wel ieder apart worden opgenomen. Het was niet mogelijk één rol op te nemen en die dan meervoudig te reproduceren. Een ander nadeel was dat een cilinder, elke keer dat deze werd afgespeeld, verder insleet waardoor de geluidskwaliteit snel achteruitging. Een voordeel was echter dat mensen met de fonograaf ook zelf konden opnemen, nog zo'n wonderlijk ding dat ze nooit eerder hadden gekund.

EdisonsDelights. Afbeelding van een promotionele ansichtkaart van de National Phonograph Company, Orange, New Jersey. 1905

In 1886 werd de grammofoon uitgevonden die werkte met platen, maar daarmee kwam de tinnen cilinder nog niet definitief aan zijn einde. Ook het opnemen op plaat bleef nog lang bewerkelijk en bovendien niet mogelijk voor particulieren. Daarom zouden er nog tientallen jaren fonografen met cilinders op de markt blijven. Tot ongeveer 1907 waren ze een doorslaand succes. Toen nam de grammofoon de markt echt over, ondanks het feit dat je hierop niet zelf kon opnemen. De meeste mensen vonden dat echter geen probleem omdat ze de opnamemogelijkheden zelden tot nooit gebruikten. 

Ondanks zijn voorliefde voor de fonograaf zou Edison die echter niet meer zelf verbeteren, omdat hij in 1878 verzeild raakte in de slag om de gloeilamp.

De grafofoon, een betere fonograaf

Dat gold niet voor Bell Company, dat zich van nature vooral interesseerde voor uitvindingen betreffende geluid. Daarom was het de naaste assistent van Alexander Bell, de Amerikaanse ingenieur Charles Sumner Tainter (1854-1940), die rond 1885 de fonograaf verbeterde. Hij ontwierp een rol ingesmeerd met carnaubawas. Daar kon men het geluid in graveren als bij een plaat, wat het opnameproces vereenvoudigde en verbeterde. Op Edisons cilinders paste zo'n 2 á 3 minuten opnametijd, op die van Tainter wel 10 minuten. 

Tainter vroeg in 1886 patent aan voor zijn vinding onder de naam grafofoon en kreeg het toegewezen. Dat dreigde wel weer grote patentruzie te veroorzaken met Edison, maar de kwestie werd alsnog onderling geschikt.  

In 1903 werd het proces achter de grafofoon met behulp van mechanische apparatuur verfijnd, waardoor massaproductie mogelijk werd.

De dictafoon

Een dictafoon vroeg feitelijk maar wat aanpassingen aan de fonograaf. Edison kwam dan ook al snel met iets dat hij een dicteermachine noemde. Daarbij was een slang met een trechter aan de wasrol bevestigd waar men in kon spreken. De slang kwam uit op een membraan waar de graveernaald door werd aangestuurd. Tainter maakte uiteraard vergelijkbare aanpassingen aan de grafofoon om ook een verbeterde dictafoon te fabriceren. 

Uitvinding van de grammofoon

De fonograaf sprak dus zeer tot de verbeelding, maar de cilinders waren toch wat onhandig. In 1886 was het echter wél Emile Berliner die als eerste op het idee van de grammofoon kwam. Hoewel deze nog een tijdlang de Berliner Phonograph zou worden genoemd. Bij dit apparaat werd in plaats van een cilinder een platte plaat gebruikt, waar door middel van groeven het geluid in werd vastgelegd. Deze groeven werden 'geschreven' in het zogeheten Berlinerschrift. Daarmee veranderde het opnameproces van een neerwaartse beweging naar een zijwaartse beweging.

Net als de cilinders waren de eerste platen waren gemaakt van tin en bedekt met was. De opname gebeurde op een master. Daar werd een negatief van gemaakt waar vervolgens een groot aantal kopiën van konden worden geperst. Het proces was echter nog te bewerkelijk voor massaproductie en de plaat was ook nog maar aan één kant te gebruiken. Wel gingen de platen langer mee dan de cilinders.

Emile Berliner met zijn allereerste Berliner fonograaf. Foto tussen 1910 en 1929

Verbeteringen aan de plaat volgden niettemin snel:

• In 1889 brachten de fabrikanten Kämmer und Reinhard een plaat van celluloid op de markt.
• In 1897 kwam er een 78-toerenplaat met schellak. Dat is een speciaal soort was die thermoplastisch is. Dat betekend dat het zacht wordt bij verwarming. In gesmolten toestand kan schellak worden vermengd met vulmateriaal (bijvoorbeeld houtpoeder of minerale vulstof), waarna het onder invloed van druk en temperatuur in een vorm geperst kan worden. Het voordeel hiervan was dat massaproductie mogelijk werd. Het nadeel was dat de platen nogal breekbaar waren.
• In 1904 ontwikkelde de firma Odeon uit Berlijn een plaat die aan beide kanten afspeelbaar was.

Aanvankelijk was het opnemen van platen lastig door een gebrek aan microfoons en versterkers. Tot aan het begin van de jaren '20 moest het allemaal mechanisch worden gedaan, wat betekende dat er in studio's en concertzalen enorme trechters stonden om het geluid op te vangen. Dat zal wellicht niet bij alle concertbezoekers in goede aarde zijn gevallen, maar wel bij de mensen thuis. Musici die bereid waren om opnames te maken, zagen hun publiek verveelvoudigen.

Links: grammofoon van Kämmer en Reinhardt. Rechts: Tijdschriftadvertentie voor grammofoons van het merk Columbia uit 1912. De tekst bovenin zegt: Alle muziek ter wereld staat onder jouw bevel vanaf de eerste dag dat je een Columbia bezit. 

De telegrafoon: magnetische opname

In 1898 zou een Deense uitvinder alweer een flinke stap vooruit zetten wat betreft het registreren van geluid. Valdemar Poulsen (1869-1942) vond toen namelijk de telegrafoon uit, het eerste apparaat dat naast elektriciteit ook magnetisme gebruikt bij het opnemen. Zijn bedoeling was het uitvinden van een antwoordapparaat, dat ingesproken boodschappen gemakkelijk kon vastleggen en weer afspelen. De telegrafoon bleek echter ook zeer nuttig als dictafoon.

Het apparaat werkt met behulp van een elektromagneet die parallel aan een ronddraaiende rol is bevestigd. Op de rol is een lange, spiraalvormig ijzerdraad gewikkeld, met slechts een enkele winding om de magneetpool. De via de microfoon binnenkomende elektrische geluidsstroom wordt naar de elektromagneet gevoerd, waarna deze de ijzerdraad magnetiseert, waardoor de geluidsinformatie erop wordt vastgelegd. Bij het afspelen kan dezelfde elektromagneet de informatie weer aan de staaldraad onttrekken.

Er waren ook telegrafoons die werkten met grammofoonplaten, maar die waren omslachtiger en kwamen dus veel minder voor. De telegrafoon maakte gebruik van een sterk op de telefoon lijkende combinatie van microfoon en koptelefoon om de boodschappen in te spreken en af te luisteren. Belangrijk voordeel was dat men de opname onbeperkt kon afspelen.

Met Poulsen begon daarmee een nieuw tijdperk op het gebied van geluidsregistratie. Magnetisme was er voortaan onlosmakelijk mee verbonden.

Bronnen

• Meidenbauer J. (red.) - 'Het grote boek van uitvindingen en ontdekkingen.' Lisse 2004
• Hart Davis A. (red.) - 'Wetenschap, de grote ontdekkingen. Deel 4: De Industriële Revolutie II 1700-1890.' 2010
• Wikipedia (nl.wikipedia.org) -  'Koolmicrofoon'/ 'Fonograaf'/ 'Grammofoon'/ 'Emile Berliner'/ 'David Edward Hughes'. (4-6-2012) 'Édouard-Léon Scott de Martinville' (23-11-2018) / 'Charles Tainter' / 'Grafofoon' (26-11-2018) / 'Memorecorder' / 'Telegrafoon' (27-11-2018)
• Wikipedia (en.wikipedia.org) - 'David Edward Hughes' (23-11-2018)

Afbeeldingen

• Fonautograaf: Wikimedia / Franz Josef Pisko - Die neueren Apparate der Akustik (Vienna, 1865)
• Grammofoon Kämmer en Reinhardt: Wikimedia / Science museum UK
• Advertentie Columbia: Wikimedia / American homes and gardens (1912)
• Telegrafoon: Wikimedia / Library of Congress
• Overige: Wikimedia (commons.wikimedia.org)