The ‘Cellule Photo Electrique’. Pierre Toulon & Krugg Bass, France, 1927.

Pierre Toulon's Patent for the Cellulophone
Pierre Toulon’s Patent for the Cellulophone

Invented by the French engineer Pierre Toulon aided by the electronic engineer Krugg Bass, the Cellulophone (“Cellule Photo-électrique”) made it’s debut as a prototype in France in 1927. The Cellulophone was an electro-optical tone generator instrument resembling an electronic organ controlled by two eight octave keyboards and a foot pedal board.

The sound was created by passing a light beam through slits in a vari-speed rotating disk. The single spinning disk was cut with a number of equidistant slits (54 slits for the lowest note) with different shaped masks to create varied timbres. The disks masked a light beam that flashed through the slits and on to a photoelectric cell, the speed of the rotating disk therefore determining the frequency of the output signal from a single vacuum tube oscillator.

The Cellulophone (copyright Tom Rhea, Keyboard Magazine 1977)
The Cellulophone (copyright Tom Rhea, Keyboard Magazine 1977)

Toulon’s Cellulophone won the Prix jean Bares in 1933:

Second prize (2,500 francs) was awarded to Mr.. Pierre Toulon, a father of three children and consulting engineer of the Electrical School , who made a large number of inventions, among which include “the relay arc” whose principle is applied in instruments referred to as “Thyratrons” and “Spark-gap convertors”, the latter enabling flattening  and straightening of even high powered electrical currents.

Mr. Toulon also invented a device called “Cellulophone” – a musical instrument keyboard developed by the Pleyel company, which is an organ extremely reduced in size.

One disk was used for all the notes of each octave therefore notes whose frequencies could not be generated by an integral number were out of tune. This system however gave the unique and unusual possibility of having a different timbres for each octave. The Cellulophone was one of a generation of instruments in the 1920-30’s using a photo-electric sound generation method; other examples being the “Licht-ton Orgel” , the “Photona” and the “Radio Organ of a Trillion Tones”. The increased sophistication and reliability of post war electronic circuitry marked the decline of light based synthesis after the 1940’s except for a few pioneers such as Daphne Oram who used a similar sytem not only to synthesise sounds but to sequence sounds.

Pierre Toulon proposed in the 1930’s a related technique of speech synthesis using fragments of optical film mounted on a rotating drum.

The Cellulophone (copyright Tom Rhea, Keyboard Magazine 1977)
Rotating disc mechanism of the Cellulophone (©Tom Rhea, Keyboard Magazine 1977)

Extract from ‘La Revue hebdomadaire : romans, histoire, voyages.’ Paris, March 1928 which describes various new electronic instruments of the period including the Cellulophone:

CHRONIQUE SCIENTIFIQUE
LA MUSIQUE RADIOPHONIQUE

Les concerts du professeur Theremin. Une expérience d’acoustique fort instructive. Battements électriques. Où interviennentles lampes à trois électrodes de la T. S. F. Le principe de l’éthérophone. Un précurseur. Piano etorgues radio électriques. Le cellulophone. Conclusion. On a beaucoup parlé ces derniers temps d’une rénovation de l’art musical par l’emploi d’instruments de musique utilisant la merveilleuse souplesse des ondes hertziennes. Les concerts donnés cet hiver à Paris par le professeur Léo Theremin, de Léningrad, ont attiré un nombreux public. Il n’est pas douteux que l’idée d’utiliser les ondes hertziennes à la production des sons puisse constituer une innovation heureuse. Essayons donc de décrire le merveilleux appareil du professeur Theremin et d’en faire comprendre le fonctionnement.

L’explication paraîtra très simple à tous les sans-filistes. Quant à mes autres lecteurs, s’ils veulent bien me prêter quelque attention, je suis certain qu’ils saisiront tout aussi aisément le principe de la musique radiophonique. Rappelons tout d’abord une expérience d’acoustique que chacun peut répéter, pourvu qu’il possède chez lui quelque instrument de musique.

Tout le monde sait que le son est produit par les vibrations de la matière et qu’il nous paraît d’autant plus aigu que les vibrations sont plus rapides. Lorsqu’on fixel’extrémité d’une tige d’acier, une lame de fleuret par exemple, dans un étau, et qu’après l’avoir écartée desa position on l’abandonne à elle-même, elle entre en vibration et produit un son, d’abord très grave, maisqui monte de plus en plus au fur et à mesure qu’on raccourcit la lame, ce qui augmente le nombre des oscillations par seconde. Les sons les plus graves que l’on puisse entendre correspondent environ à 30 vibrations par seconde, et les sons les plus aigus à 40 000. Entre ces limites s’étend toute la gamme des sons perceptibles.

Mettons en bran le deux diapasons identiques, donnant par exemple chacun le la normal, l’un d’eux ayant été désaccordé par un peu de cire fixée sur l’une des branches. Le diapason normal effectuant 435 vibrations par seconde, celui qui a été désaccordé en donnera par exemple 432. Dans ces conditions, lorsque les deux diapasons fonctionnent en même temps, on perçoit dans le son d’ensemble des renforcements et des affaiblissements sucessifs,des sortes de hou, hou, hou, répétés régulièrement etqu’on appelle des battements. L’expérience a permis de constater que le nombre deces hou, hou, hou. par seconde est exactement égal à la différence entre les nombres de vibrations par seconde que donnent séparément les deux diapasons, soit ici 435 diminué de 432. Il y a donc trois battements par seconde. Le phénomène est général. Chaque fois qu’on produit simultanément, au moyen d’appareils quelconques, deux séries de mouvements vibratoires dont les nombres d’oscillations par seconde sont différents, l’ensemble donne lieu à des renforcements et à des affaiblissements successifs,à des battements. Or les ondes hertziennes résultent d’une sorte de mouvement vibratoire d’un milieu hypothétique qu’on suppose répandu partout et auquel on a donné l’antique nom d’éther. Dans les ondes, dites entretenues, qu’utilise la radiophonie, les vibrations sont très régulières mais extrêmement rapides. Elles se produisent à raison de quelques centaines de mille par seconde. Envoyées directement dans un téléphone, ces ondes seraient sans actionsur lui, car à supposer qu’elles fussent capables de faire vibrer, suivant un rythme de quelques centaines de mille par seconde, la membrane du téléphone, nous serions incapables de percevoir des vibrations aussi rapides, pour les quelles notre oreille est atteinte d’une surdité absolue. Mais émettons simultanément, au moyen de deux appareils différents, deux séries d’ondes hertziennes, les unes, pour fixer les idées, à raison de ioo ooo vibrations par seconde, et les autres, à raison de 99 000. Leur production simultanée donnera naissance à des battements électriques, à des renforcements suivis d’affaiblissements des ondes hertziennes, dont le nombre par seconde sera égal à 100,000 diminué de 90,000. Et à ces battements électriques qui se produisent ainsi à raison de 1,000 par seconde, le téléphone peut être rendu sensible. Sa membrane oscillant à raison de r 000 vibrations par second eémettra un son aisément perceptible. Si donc, l’une des deux séries d’ondes demeurant invariable et se produisant toujours à la fréquence 100 000, nous avons le moyen de faire varier la fréquence de l’autre série d’ondes et de la rendre égale par exemple à 99,500, à 99,400, à 99,300. le nombre des battements, toujours égal à la différence des fréquences associées, sera successivement 500, 600, 700. par seconde. Le téléphone actionné par les battements fournira un son deplus en plus aigu, correspondant successivement à 500, 600, 700. vibrations par seconde. Et c’est là tout le secret de l’éthérophone. Des ondes hertziennes sont produites à la fréquence moyenne de 300 ooo vibrations par seconde par deux générateurs appelés hétérodynes. Si les deux séries d’ondes sont légèrement désaccordées, elles donnent lieu à des battements électriques qui, agissant dans un haut-parleur à la manière habituellement utilisée dans les réceptions radiophoniques, en actionnent la membrane et produisent un son. De la boîte où sont enfermées les deux hétérodynes émergent une tige métallique verticale jouant le rôled’antenne, et une spirale en fil de cuivre placée horizontal ement sur le côté. Le fonctionnement de l’appareil consiste à faire varier les constantes électriques de l’un edes deux séries d’ondes en approchant la main droitede l’antenne verticale et la main gauche de la spirale. Le premier mouvement fait varier la fréquence des battements et, par conséquent, détermine la hauteur de lanote le second mouvement agit sur l’amplitude des ondes et par suite sur l’intensité du son. De ces deux mouvements, le premier, qui doit suivre les notes de la partition musicale, est évidemment le plus compliqué etest de ce chef dévolu à la main droite le second est réservéà la main gauche en raison de sa simplicité.

L’idée qui est à la base de l’éthérophone n’est pas nouvelle. Dès 1917, les ingénieurs français travaillant au laboratoire de la tour Eiffel avaient songé à tirer un parti musical des battements radio électriques dont nous venons de parler. M. Armand Givelet, vice-président du Radio-Club de France, avait eu l’idée de marquer à lacraie sur le cadran du condensateur d’hétérodyne le réglage correspondant aux différentes notes de la gamme. En tournant rapidement ce condensateur variable et en arrêtant brusquement l’aiguille sur les repères du cadran, il était parvenu assez facilement à jouer des mélodies populaires simples. C’était, en somme, exactement le principe de l’éthérophone. Il a suffi de perfectionner quelques détails pour obtenir un appareil permettant deproduire des effets véritablement artistiques.

D’ailleurs, M. A. Grivelet a réalisé, il y a quelques années, le premier piano radio électrique. On a pu voircet instrument exposé récemment au premier Salon des Sciences et des Arts, au Grand Palais des Champs Élysées. Chaque note est produite par un circuit séparé, engendrant les vibrations sans qu’aient à intervenir des battements. De son côté, M. Bertrand a construit sous le nom d’orgue radio électrique un appareil d’un principe tout à fait analogue à celui du professeur Theremin, qui utiliseles battements électriques de deux hétérogynes, et dans lequel le son est diffusé par un haut-parleur de grand modèle. La variation de la hauteur du son est produite par la commande d’une manette qui se déplace devant un cadran comportant une gamme de trois octaves.

Le Cellulophone de M. Pierre Toulon n’est pas moins curieux. Son principe est tout différent. Il utilise la propriétédes cellules photo électriques, sortes de piles qui donnent naissance à un courant lorsqu’elles reçoivent un faisceau de lumière. En envoyant sur une cellule, non un éclairage continu, mais un éclairage intermittent qu’on peut réaliser en interposant entre la source lumineuse etla cellule un disque tournant perforé, la pile produit une succession de courants instantanés dont le nombre par seconde dépend du nombre des trous que porte le disqueet de sa vitesse de rotation. Envoyés dans un haut parleur,ces courants le font vibrer avec la même fréquence. La hauteur de la note musicale dépend ainsi du nombre de trous que porte le disque et de sa vitesse derotation, le timbre étant déterminé par la forme de cestrous. On conçoit qu’on puisse modifier à volonté la hauteur et le timbre, et obtenir des effets musicaux très variés.

Il serait difficile de prédire l’avenir qui est réservé aux appareils de musique radio électrique. Indiquons seulement qu’ils ont permis d’obtenir des effets artistiques très intéressants, et il ne serait pas surprenant que,grâce à eux, la musique, cette forme si élevée et si expressive de l’art qui a très peu évolué depuis des siècles,entrât dans une voie entièrement nouvelle.

A. BOUTARIC.

From Le Genie Civil February 7, 1928

cellulophon_le_genie_civil_18feb_1928


Sources

Donhauser, P.: Elektrische Klangmaschinen. Die in Deutschland und Österreich Pionierzeit, Boehlau Vienna 2007.

Rhea, Tom. Keyboard Magazine 1977.

Le Genie Civil February 7, 1928

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