エジソンによる電話および音響に関する発明
エジソン氏の発見と発明の一部は、炭素電話の発明に至った彼の研究中になされたもので、すでに出版されている。ここでは、エジソン氏が実験を行った重要な電話機についてのより詳細な説明と、最近の音響に関する発明について述べたいと思う。
炭素電話は、電気の助けを借りて遠距離で明瞭な音声を再生する数多くの装置の一つに過ぎないものの、その明瞭で正確な発声、構造の単純さ、そしてはるかに大きな音量のために、おそらく最も広範囲に使用される運命にあるのでしょう。しかし、エジソン氏が発明した他の装置も、これに遠く及ばず、改良によって同じように効果的にすることができるだろう。
エジソン氏は、原則として、起電力や静電気の変化に作用が依存する電話機よりも、回路の抵抗に変化を生じさせる電話機の方が成功したのである。図1は炭素電話機によく似た装置で、炭素の代わりに水で湿らせたビブル紙を用いた点が大きく異なる。この半導体は、炭素と同様に、圧力の変化で抵抗値が変化する。この紙は、毛細管現象によって湿った状態に保たれる。
図2に炭素通信電話機の一例を示すが、これは何の調整も必要としない。この電話機は、構造が簡単であるにもかかわらず、よく作動する。中空の容器の底に金属の板を置き、その上に調製したブロック状のものを置く。この上に炭素の塊を置き、さらにその上に軽い板を置く。
上の皿の重さで初期圧力をかけ、容器の口に向かって声を出して圧力を変化させる。
炭素のブロックの代わりに、円盤状の布に粉砕した黒鉛で孔を埋めてもよい。この処理によって、布はわずかに導電性を持つようになる。このように改造した装置を図3に示す。
図4は、粉砕したプルンバゴPを水銀Mの上に浮かべ、水銀の表面と振動板の中心に固定した金属ブロックの間で圧縮したもので、水銀の表面と金属ブロックの間で圧縮される。
エジソン式送信機のもう一つの形式を図5に示す。この振動板は、この装置では発声室の上部を形成する水平な板で、口金はその横にある。
3本の細い紐が炭素を振動板の骨組みに取り付け、振動板が振動するときに炭素がずれないようにしている。この装置は外観がライス社の電話機に似ており、原理的にはほとんど同じであるが、振動の際に炭素が実際にその上に乗っている板から離れることはなく、単に一瞬その圧力を解放するだけである。回路の抵抗は炭素とダイヤフラムの間の電気的接続に依存し、この接続は炭素の圧力に依存し、ダイヤフラムが振動しているときは常に変化していることは明らかである。
同じ原理で動作する別の形式を、図6に示す。これは慣性電話（inertia-telephone）と呼ばれるが、その作用が単に慣性に起因するものであるかどうかは、ほとんど定かでない。炭素Cは2枚の金属板の間に置かれ、一方はダイヤフラムに固定され、他方はネジで固定され、ダイヤフラムに絶縁サポートで取り付けられたフレームに支えられている。
振動させると、通常の炭素送信機のようにプレートPだけが動くのではなく、システム全体が動く。エジソン氏はその作用について、炭素がプレートに当たっている圧力の程度を振動中に変化させるという説明をしている。つまり、右方向に振動させた後、振動板が突然止まり、炭素がその慣性力によってプレートPを押す。
磁気電話が炭素電話より優れている点は、その振動板が何にも触れていないため、完全に自由に振動できることである。一方、炭素・テレフォンの振動板は、炭素をかなりの力で押圧している。図7に示すような形では、このような困難はない。
ダイヤフラムは鉄芯を搭載している。Aは軟鉄でできており、磁石Bと接触していない。A、Bは同じ磁石の対極で、Pで接続され、ローカル回路によって分極されている。磁石BはCで炭素を押しており、その圧力はネジSで調整されている。振動しながらAがBの方へ動くと、吸引力は急速に増大し、BはCへの圧力を弱める。反対方向へ動くと吸引力は弱まり、BはネジSに引かれてCへの圧力を増大させる。
図8は同様の装置である。ダイヤフラムは鉄芯Aを持ち、その運動によって2つの電磁石の電位を変化させる。この磁気の変化により、その磁界の中にある棒が元の振動を再現する。棒の両端は2枚の炭素片c、cに磁力で押さえつけられており、これらと棒は誘導コイルの一次回路に含まれる。この回路の抵抗は、棒が引き上げられると減少し、棒が下降するにつれて増加する。
マイクロホン-半導体を1個ではなく、数個使用する方法は、エジソン氏によって早くから試みられました。彼は、一般に、接触面の数を増やすと音の大きさが増すことを発見したが、同時に明瞭度も損なわれることを知った。この種の機器は、その後、マイクロフォンとして知られるようになったが、この機器の作用で微弱な音が増大したとは考えにくい。図9は、1877年4月1日にエジソン氏が発明したマイクロフォンの最初の形の1つである。C C などの4枚の炭素板が使用され、それぞれSとS'のように直立したバネで支えられている。振動板に近い炭素板は、振動板の中央に固定された炭素の円盤に衝突する。誘導コイルの一次線は、ダイヤフラムと発条S'に取り付けられている。そして、回路は半導体を介して完成する。前者は2枚の炭素が金属の板で隔てられている。後者は3枚の炭素が連続したものである。
図12は、10枚の絹の板を持つマイクロフォンで、デキストリンとランプブラックの混合物があらかじめ孔に練りこまれている。
図13は、50枚の鉄の円盤Dをガラス管に封入したものである。
エジソン氏が実験に使った、新しい形の送信機を図14に示す。半導体は、コルクの小片の集まりで、プルンバゴで覆われている。ダイヤフラムはあってもなくてもよい。
コルクをプルンバゴで覆ったもの。振動板はあってもなくてもよい。
図15は、送信機としても受信機としても機能する装置である。送信機の固体炭素は、ここでは黒鉛でコーティングされた絹の繊維に置き換えられている。受信機としての働きは、おそらく平行な電流の引力によるもので、電流がFを通過する間に全体の体積が収縮する。
マイクロフォンの実験について発表された記録では、顕微鏡で微小な物体が拡大されるのと同じように、マイクロフォンによって微小な音が実際に拡大されるという記述が頻繁になされてきた。しかし、少し考えてみれば、この2つの機器の作用に本当の類似性がないことがわかるだろう。マイクロフォンの受信機で、ハエが送信機の置かれた板を横切るときに聞こえる音は、ハエの足音ではありませんし、強力な電気ベルやサウンダーのストロークが、操作者の指がキーを軽く叩いた音を拡大したものであるのと同様に、聞こえないかもしれません。このような見方をすれば、マイクロホンが多くの人々の期待を裏切ることになった理由も容易に理解できる。人々は、マイクロホンが初めて展示されたとき、その助けによって、これまで全く聞こえなかった自然の中の多くの音を聞くことができると熱狂的に発表したのである。
短絡電話機-エジソン氏によって発明されたいくつかの電話機は、短絡電話機またはカットアウト電話機として分類されることがある。その原理を簡単に説明しよう。振動板が振動すると、その振動の大きさに比例して、回路から抵抗が切り離される。この原理で作られた送信機を図16に示す。金属製のレバーLは垂直な平面で振動し、一端が誘導コイルIの一次回路の一部である炭化した絹の帯Cの上に乗っている。
同じ原理で動くが、構造がかなり異なるもう一つのものを図17に示す。高抵抗の細い針金Wを円筒に螺旋状に溝を掘って巻き付けたものである。
この線はコイルCの一次回路の一部を構成している。楕円形の金属製発条Sは、一方がダイヤフラムに固定され、他方は円筒上の非絶縁線に押しつけられている。ダイヤフラムが右方向に動くと、発条が平らになり、反対方向に動く場合よりも多くの凸部に突き当たります。したがって、回路の抵抗は、ダイヤフラムの中心の位置に依存する。この配置の欠点は、凸部全体または全く凸部が回路から抑制され、電流が脈動というよりむしろ断続的になることである。
図18は、ガラス板の表面にある細い金属片の上に、同様のバネが乗っているものである。この膜は、Fに遠近法で示されているが、鏡の銀面を細長くしたもので、焼いた金属の残りは取り除かれている。
この装置の動作は、図16に示した装置の動作と同様である。
さらに別の形の短絡電話機が図19に示されている。円筒に渦巻き状のバネWを巻きつけ、振動板が最後の一回転に押しつけられ、振動することで凸部が互いに近づいたり遠ざかったりするようになっている。振動板がわずかに動くだけで、最初の数個のコイルが接触し、一般に、このようにして接触するコイルの数は、振動板の運動の振幅に依存する。この線は誘導コイルの一次回路に含まれており、振動板が振動すると回路の抵抗が変動するようになっている。
コンデンサー電話 - 電流強度の代わりに静電気を発声に合わせて変化させる電話機も、エジソン氏によって成功裏に試みられた。図20と図21に示すものは、原理ではなく構造が異なるだけである。
前者は円形の発声室からなり、Vの位置にマウスピースがある。この発声室はプレートで囲まれており、プレートは互いに、また地面にも接続されている。これらの板は自由に振動することができ、図ではP'のように断面で示されている。これらのプレートのすぐ後ろには、Pと同じようなプレートが立っており、その中心は調整ネジで押さえられている。外側の列のプレートは互いに電気的に接続され、バッテリーと接続され、ラインに接続されている。
音の影響で内側の板列が振動すると、板間の距離が変化し、静電容量が変化する。
図21は、通常のコンデンサと同じように板を配置したものする。初期圧力は、機器の固体フレームの一部を通過するネジによって、それらに与えられます。振動するダイヤフラムは、プレート間の距離を変化させます。これは静電荷を変化させ、線の電気張力に影響を与える。導体の抵抗は、その形状に依存する。もし金属の等尺性ブロックがワイヤに引き抜かれるなら、その抵抗は無限に増加する可能性がある。この事実は、エジソン氏が発明したいくつかの独創的な電話機の基礎になっている。図22に示すものは、極めて簡単な構造である。水銀球Mは、わずかに凹んだ金属板の上に乗っている。振動板の針がその上面をくぼませ、振動することによって球体の形状をわずかに変化させる。この変化は、非常に小さいが、電話電流の抵抗値をかなり変化させるのに十分である。
水銀球は、電流を流すと元の形になるのが特徴である。エジソン氏はこの現象を応用して、図23に示すような電話受信機を作りました。水銀球Mを導電性溶液とともにV字型の管に入れる。送信機からの電流が管の中身を通過すると、水銀が伸長する。これにより液体が撹拌され、振動板の中心に固定されたフロートFを振動させる。
ボルタイックパイル電話 - 図24にパイル電話として知られる機器を示した。振動板に固定されたコルク片Kが、銅板に取り付けられた白金片を押さえる。この白金板は、通常のボルタイックパイルの端子板の一つである。もう一つの端子板は、機器の金属製フレームに押し付けられている。このパイルが閉じた電話回線に含まれる場合、連続的な電流を供給することができます。この電流の強さは杭の内部抵抗に依存し、後者はダイヤフラムを振動させることによって変化させる。
エジソン氏が使用した便利で独特な形の受信機を図25に示す。これは通常の磁気電話機に似ているが、円形の振動板が薄い鉄の帯に置き換えられており、その端は硬くなるように曲げられている。これは、振動板が円形であることが不可欠でないという事実を示しているからである。
新しい、純粋に機械的な電話機は、図26に示されている。電線に代えて、ガス管に封入した照明用ガスを使用する。通信事務所で使用されるガスは、同じ主管から引かれることが不可欠であるため、これは短距離用にのみ計算されている。図では、Pが主管である。電話機はTとT'で表されている。この器具は、バーナーの代わりにガス管にその頂点を固定した円錐形に過ぎない。大きい方の端は薄い円形のダイヤフラムで閉じられている。振動は、ガスという媒体を通して、ある振動板から別の振動板へと伝えられる。
蓄音機と電話を組み合わせると、テレフォノグラフと呼ばれる装置ができあがるが、図27はその図である。蓄音機のドラムは断面図で示されている。振動板は、音声によって振動するのではなく、遠くの局から発生する螺旋Hを横切る電流によって振動する。この装置の目的は、遠くの事務所で話したことを記録し、必要なときに音に変換できるようにすることである。
モトグラフ（MOTOGRAPH）-これまで音質の悪い音を聞くのに慣れていたモトグラフレシーバーが、少し手を加えるだけでアーティキュレーティング・テレフォンとして使えるようになりました。エジソンの炭素送信機と組み合わせると、非常に効果的する。図28は、モトグラフ受信機の背面を取り外して、その構造を示したものである。ドラムDの中には分解液が入っており、ドラムを囲むカバーは毛細管現象によって常に湿った状態に保たれている。ダイヤフラムの中心に取り付けられた金属バネがドラムの上に乗っており、受信中はAの部分にあるフライスネジを回してドラムを回転させる。
モトグラフ用の新しい送信機を図29に示す。ダイヤフラムの中心から突き出た点Pは、親指ねじで調節可能な小さなドラムを覆っているプルンバゴの絹の包みに突き当たっている。
炭素可変抵抗(Carbon-Rheostat) - 半導体の持つ、圧力を変えると抵抗値が変わるという特性の非常に重要な応用例を、図30に示す。図30は、エジソンの新しい炭素可変抵抗を示している。この装置は、電信線路に抵抗を挿入する場合、通常の調整可能な可変抵抗に取って代わるように設計されている。例えば、4重回路のバランスを取る場合などする。
図31は垂直断面図である。バルカナイトの中空円筒の中に、サイジングで飽和させた50枚の円盤状の絹を入れ、細かいプルンバゴを十分に詰めて乾燥させたものする。この円盤の上には金属製の板Cがあり、ネジDを回して上下させることができる。このように、炭素板は、自由に圧力をかけることができる。抵抗値は400〜6,000オームまで変化させることができる。
図32は、エジソンのマイクロタジメーター（微小圧力の測定器）の最新型を透視したものである。
この測定器の価値は、温度のわずかな変化を検出する能力にある。これは、間接的に達成される。温度変化によってバルカナイトの棒が膨張または収縮し、その棒が回路に含まれる炭素ボタンに及ぼす圧力を変化させることによって、電気回路の抵抗が変化する。1878年7月29日の皆既日食の際、コロナに熱があることを証明することに成功した。また、温度上昇による物質の相対的な膨張を確認するのにも有効である。
図33は、その重要な部分を断面で表したもので、その構造と動作の仕組みを理解することができる。
Bでしっかりと固定され、その下端は炭素ボタンの上に置かれた金属板Mの溝にはまります。後者は電気回路の中にあり、その中には繊細な検流計も含まれている。棒の長さを変えると、炭素にかかる圧力が変化し、回路の抵抗が変化する。一方向への動きはAの膨張を、反対方向への動きは収縮を意味する。電池の強度の変化によって生じる偏向を避けるため、タシメーターはホイートストンブリッジのアームに挿入される。
Mは炭素ボタンの上に乗っている。Mは電気回路の中にあり、その回路には繊細な検流計も含まれている。ロッドの長さを変えると、炭素への圧力が変化し、回路の抵抗が変化する。一方向への動きはAの膨張を、反対方向への動きは収縮を意味する。電池の強度の変化によって生じる偏向を避けるため、タシメーターはホイートストンブリッジのアームに挿入される。
インチ単位の正確な膨張量を確認するために、文字盤の前に見えるネジSを、温度変化による以前のたわみが再現されるまで回転させる。このスクリューが第二のスクリューとなり、ロッドを上昇または下降させ、ロッドが移動する正確な距離は、文字盤上の針Nで示される。この装置は、大気の湿度の変化を測定するのにも有利に利用できる。
この場合、バルカナイトの代わりに、水分を吸収して体積を変化させるゼラチンを使用する。
エジソンの発明したアレホンは、音を増幅する装置で、まだ完成していないにもかかわらず、すでに大きな関心を集めている。
その目的は、明瞭な発声を損なうことなく、話し言葉の大きさを増すことである。
この装置の仕組みは次のようなものである。拡大された音は、蒸気または凝縮された空気によって振動させられる大きなダイアフラムから発せられる。動力源は、拡大される音の影響を受けて振動する第二のダイヤフラムの動きによって制御される。
この装置には3つの異なる部分がある。
動力源-圧縮空気
パワーをコントロールする装置。
動力の影響を受けて振動するダイヤフラム。
これらのうち最初のものは、通常、タンクから供給される圧縮空気である。この圧縮空気は一定の圧力であることが必要である。
第2は、図34に断面図を示したもので、電話機に使用されているようなダイヤフラムと口金からなるものである。ダイアフラムの中心には、中空の円筒が棒で取り付けられている。このため、円筒とその部屋Eは、ダイヤフラムと一緒に振動する。
圧縮空気はAから入り、チャンバーを満たすが、通常の位置では出口はありません。ダイアフラムが下向きに振動するたびに、パイプCの空気が凝縮され、同時にBの空気がFを通って外に出るようになります。
上向きの振動はCの空気を凝縮させるが、Iは開く。
最後の第三の部分は、図35に断面で示されている。これは、通常のエンジンに使用されているようなシリンダーとピストンPから構成されている。
ピストン・ロッドは大きなダイアフラムDの中心に取り付けられている。パイプCとBは、図34で同じ文字で指定されたものの続きである。パイプCはシリンダーの一方の部屋に、パイプBは他方の部屋に通じている。圧縮された空気の影響を受けて動くピストンは、振動板も動かし、その振動の数と長さは、口金 の振動板と同じである。
直管Fから発せられる音の大きさは、振動板の大きさとそれを動かす力に依存する。前者は非常に大きくし、後者は何百ポンドもの圧力にすることができる。
「ハーモニックエンジン」-この装置を図36に示す。エジソン氏は、電池から得られる電力の90パーセントは、この機械の働きによって利用されていると主張している。この機械の部品は、大きな寸法の音叉で、1秒間に約35回振動し、それぞれの腕に35ポンドの重りを載せている。振動の振幅は約8分の1インチで、各アームの先端近くにある2つの非常に小さな電磁石によって振動を持続させることができる。これらの磁石は互いに回路接続され、アームの1つによって作動する整流子にも接続されている。
フォークアームから小さな枝が伸びて、各アームに1つずつ取り付けられた2つのピストンを持つ小型ポンプが入った箱に入っている。ポンプの1回のストロークで上がる水の量は非常に少ないが、これはストロークの速さによって補われる。エジソン氏は、このハーモニックエンジンで空気を圧縮し、ミシンやその他の軽機を動かすモーターとして使用することを提案している。これは他の電気機関よりかなり進んでいるようで、この機関によって電気はまだ価値ある原動力となるかもしれない。
脚注
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