Hanane Dinaoui Rime Angoud

 On sait enregistrer et reproduire le son depuis le XIXème siècle depuis ce jour les techniques et les supports ont évolués avec les technologies de plus en plus avancées. Du cylindre au disque compact, en passant par le disque vinyle et la cassette, l'enregistrement et la reproduction sont de plus en plus fidèles et les supports de plus en plus petits grâce à l'introduction de la microélectronique. Durant ces évolutions les supports passent d'une lecture analogique à une lecture numérique.  Quels sont les supports et les techniques relatifs à l'enregistrement et la reproduction du son ?

 Les Types d'enregistrements du son Les supports d'enregistrement Les Types de signaux  L’enregistrement phonographique Le Phonographe Le Gramophone Le Tourne Disque (ou électrophone)  L'enregistrement sur bande magnétique Le magnétophone Le support: la bande magnétique  L'enregistrement numérique: Le Disque Compact Support et Principe du lecteur Modélisation de la numérisation du son

On distingue les différents types d'enregistrement en fonction de la nature du support et du signal utilisé: L'enregistrement mécanique: Il regroupe tout les support phonographiques ou le signal audio est gravé sur un support tel qu'un disque (gramophone, électrophone) ou un cylindre (phonographe d'Edison). Pour la reproduction le disque (ou le cylindre) est entrainé par une platine (manivelle, mécanique d'horlogerie, ou platine motorisée) tandis qu'un stylet léger parcourt les sillon. L'enregistrement sur bande magnétique: Le film qui compose la bande magnétique est recouvert de matériaux magnétiques (oxydes ferriques) qui porte des tracés magnétiques gravés durant l'enregistrement.

 Le son optique: Cette technique est utilisée pour les pistes sonores de la plupart des films. Durant l'enregistrement d'un film un modulateur modifie la quantité de lumière atteignant la surface sensible localisée entre les images et les trous de la bande. A la reproduction, la lumière est transmise à une cellule photoélectrique, ce qui permet de recrée un signal électrique. On ne s'ettendera que peu sur ce type d'enregistrement très simple.  Le disque optique: Cette technique est celle des disques compacts et vidéo. Le signal codé correspond à une série de microcuvettes qui forment une spirale réfléchissante. Pour la reproduction ces microcuvettes sont lus par une cellule photoélectrique qui capte la réflexion d'un rayon laser.

 Signal analogique: Le son est une onde mécanique: de rapides variations de la pression de l'air. Dans la technique d'enregistrement analogique on représente l'onde directement par un sillon (enregistrement phonographique) ou sous forme de schéma magnétique sur une bande ou sur un schéma lumineux sur un film. Lors de la reproductions les défaut des supports perturbent le signal restitué (ex: craquement lors de l‘écoute d'un disque vinyle). Signal numérique: Ce type de codage est celui employé pour le traitement des informations sur les ordinateurs. Le son est représenté de manière abstraite à l'aide d'un code binaire. Des codes correcteurs d'erreurs permettant une reproduction très proche du signal audio initial. Modulation de fréquence(FM): La FM est essentiellement utilisée pour la radiodiffusion et la télédiffusion. L'onde sonore est représentée par les variations de fréquence d'un signal porteur dont la fréquence moyenne dépasse 1 Mhz. Ce système nécessite des dispositifs électriques complexe. On ne traitera pas de ce type d'enregistrement.

 Le 19 décembre 1877 l'inventeur américain Thomas Edison dépose le brevet du phonographe. Cet appareil permettait «d'écrire» les sons sur un cylindre métallique recouvert d' une feuille d'étain grâce à un stylet relié à un diaphragme. Les vibrations imprimées par les sons au diaphragme sont transmises au stylet qui grave les oscillations analogues au signal audio sur la feuille d'etain, en utilisant différentes sortes de stylets. On pouvait tantôt enregistrer les sons tantôt les reproduire (avec un stylet plus léger) en utilisant le phénomène inverse (l'aiguille parcourt le cylindre et imprime au diaphragme les vibrations qui correspondent aux aspérités du cylindre).

 En 1889 l'allemand Emile Berliner dépose le brevet du Gramophone. Ce dispositif est une amélioration du phonographe les cylindres sont remplacé par des disques sur lesquelles l'onde sonore était gravée sous forme de sillons en forme de spirale Berliner est en fait l'inventeur du disque vinyle qui est le support le plus utilisé actuellement. Ceux du gramophone était des disque a sillon large tournant a 78 tours/min, le pas du sillon était de 170 µm et sa profondeur d'environ 70µm, un disque de 30 cm de diamètre offre 5 minute d'audition.

 Un gramophone est constitué de trois éléments au minimum :

 Le premier modèle de tourne disque est apparu en 1948, il a été mis au point par la firme américaine Columbia. Le principe reste le même cependant que le gramographe, les vibrations de l'aiguille (souvent en saphir) parcourant les disques microsillons (désormais en en vinyle) sont a présent transformé en signal électrique la tête de lecture fait pour la plupart des modèle appel à la piezo électricité (certain matériaux dit pièzo électrique se polarise sous l'effet d'une action mécanique), le son est amplifié puis émis par des enceinte acoustique, aussi le plateau tournant est alors motorisé et permet une rotation dont la vitesse angulaire est constante. Le principe de lecture est analogique: ce sont les irrégularités de tracé du sillon du disque lues par la tête qui génèrent le signal destiné à être amplifié et émis par des haut parleurs. Les enregistrement sur ce support reproduisent la gamme totale des fréquences audible par l'homme entre 16 et Hz grâce à l' équalisation, qui utilisent des circuits amplificateurs afin d'accentuer les hautes fréquences à l' enregistrement et les basses fréquences à la reproductions.

 Les disques microsillons utilisé dans les tourne disques sont parcourut d'un sillon en spirale sur toute la surface de chaque face du disque, Ce sont ces sillons qui contiennent les aspérités analogues lu par la tête de lecture et amplifiés en sons. Les disques microsillons sont conçus en vinyle. L'intérêt de ce support réside dans l'analogisme de la lecture qui ne perd pas d'information en conversion ou en échantillonnage. La durée d'audition d'un disque dépend du diamètre de celui-ci, de sa vitesse de rotation, la largeur moyenne du sillon des disque microsillon est de 70µm et sa profondeur moyenne de 33µm il existe deux type de disque les 45 tours/min ou les 33 tours/min. Les disques peuvent être monophonique ou stéréophonique. Dans le premier cas les bords des sillons sont parallèles dans le deuxieme cas chaque bord du sillon est affecté à l'une des deux voies d'enregistrement.

 -Les matériaux piezo électrique sont des cristaux dont les charges électriques sont séparés, mais disposé de façon symétrique, la charge du cristal est alors nul il est électriquement neutre. -Lorsqu'une pression est exercé l'asymétrie des charges génère une tension ainsi certain matériaux comme le quartz, pour 1 cm³ soumis a une force de 2kN produisent une tension d'environ V. L'effet piezo électrique inverse fait que, lorsqu'on applique une tension a un cristal présentant des propriété piezo électrique, une force importante est créée (de l'ordre de la dizaine de MN ), causant une déformation de l'objet de quelque nanomètre. Exemple de matériaux présentant des propriétés piezo électrique: le quartz ; la topaze ; la tourmaline ; la berlinite (AlPO4) ; les polymères à base de fibres de caoutchouc, laine, cheveux, bois et soie ; le poly-difluorure de vinilidene(PVDF), (-CH2-CF2-)n, a une piézoélectricité dépassant plusieurs fois celle du quartz.

 Est apparue presque en même temps que le disque microsillon la bande magnétique. Ce type d'enregistrement était assez répandue ce qui s'explique par la faciliter avec laquelle on peut enregistrer éditer copier effacer et réenregistrer. L'enregistrement magnétique est utilisé pour les cassettes audio ou vidéo mais aussi pour les disquettes informatiques. La base de cette technique est un procédé électromagnétique. Lorsqu'un courant électrique traverse une bobine, il crée un champ magnétique. Inversement, lorsqu'un champ magnétique traverse se trouve à proximité d' une bobine, il induit un courant qui traverse cette dernière. Ces phénomènes physiques sont le fondement de l'enregistrement magnétique.

 Dans un magnétophone, la bande part d'une bobine émettrice (1) passe le long des tètes de lecture/enregistrement (2) puis s'enroule dans une bobine de réception. Le signal électrique issue du champ magnétique des bandes passant prés des tête de lecture est amplifié(et équalisé) puis reproduit par des enceintes acoustique ce type d'enregistrement/reproduction est analogique. Plus tard les magnétophone liront les cassettes audio (contenant la bande et les bobine émettrices et réceptrices). Le magnétophone contient deux système distincts: le premier qui fait défiler la bande à une vitesse uniforme devant les tètes de lectures; le deuxième qui enregistre ou reproduit les sons. L'enregistrement et la reproduction se font par l'intermédiaire d'une tète de lecture : un électroaimant. Durant l'enregistrement un faible courant analogue aux ondes sonores parcourait l‘électroaimant engendrant un champ magnétique mémorisé par les particules métalliques de la bande. Lors de la reproduction on utilise l'effet inverse: la bande magnétique passe sous la tête de lecture, le schéma magnétique mémorisé sur la bande induit un courant dans l'aimant le signal et amplifié et reproduit par des enceintes acoustiques.

 Inventées par Philips en 1964 la cassette contient une bande de 0,38 cm de large et avance à 4,76 cm/s; il est possible d'y stocker une heure trente de musique à partir des année 70 ces cassette deviennent stéréophonique et ont un rendu haute fidélité. La bande de ces cassette contient 2 x 2 pistes, 2 par face pour un son stéréophonique. Certains formats récents utilisent un codage numérique (cassette vidéo par exemple) Mais on ne traitera que l'enregistrement analogique. Les bandes magnétiques audio sont constituées d'un mélange de laque et de particules d'oxydes ferrique (Fe2O3) recouvrant un mince film de plastique. Les cassettes audio à polarisation élevée (high bias) sont recouvertes d' oxyde de chrome CrO2. Pour les cassettes haute performance « à particules métalliques » on utilise de la poudre de diffèrent métaux dont du fer. Les particules sont en forme d'aiguilles d'une épaisseur de 0,1 µm et d'une longueur de 0,6 µm. Ces aiguilles sont orientées parallèlement à la bande par un aimant lors de la fabrication.

 Depuis les années 50 et 60 nous savons coder numériquement les ondes sonores et les reproduire avec fidélité. Néanmoins il faudra attendre les années 70 pour que les sociétés Sony et Japan Victor Corporation rendent possible l'enregistrement numérique grâce à la fabrication de convertisseurs permettant de stocker des signaux numériques et acoustiques sur un disque vidéo (inventé en 1927 par J.L. Baird a partir d'un disque 78 tour, ces disque permettaient d'afficher des images vidéo de 30 ligne à une fréquence de 30 Hz).  Au milieu des années 70, la société Philips met au point le système de Laser Vision, qui utilise un laser pour lire les signaux vidéo codés sous forme de microcuvettes gravées sur un disque réfléchissant. Cette technique fut reprise plus tard pour l'enregistrement du son sur disque compact.

 Ces disques mesures 12cm de diamètre et peuvent contenir 72 min de son stéréophonique ou 36 min en son quadriphonique. Les données numérique sont codées en binaire par des microcuvettes disposées en spirale. Le disque est fabriqué en plastique recouvert par une couche d'aluminium réfléchissante puis d'une couche de plastique protectrice et transparente. Dans le lecteur un laser est projeté sur la surface du cd,(le laser permet de lire ponctuellement sur le disque) une cellule photoélectrique lit les cuvettes et reconstitue le signal audio. Le cd tourne à 500 tr/min pour atteindre progressivement la vitesse de 200 tours minute proche du bord du cd. De sorte à ce que les microcuvettes soit soumises à une vitesse du laser constante. L' intérêt du support réside dans la fiabilité du lecteur laser qui ne se dégrade pas et n'abime pas le disque ( a l'inverse des aiguilles du tourne disque) et dans l'absence de bruit dus au poussière dans les microsillons.

 Dans l'enregistrement analogique l'onde est directement représenté sur le support. Prenons une onde sonore de fréquence 50 Hz (un son audible assez grave) représenté par la fonction cosinus : cos(100 * π * x) le sillon d' un disque micro sillon aurait cette forme:

 Pour pouvoir traduire cette onde numériquement on doit prendre un certain nombre de mesure. Lors d'un encodage numérique sur CD on prend mesure par seconde on parle alors d'un échantillonnage à 44 KHz. Pour expliquer le principe d‘échantillonnage nous simplifierons et réaliserons un échantillonnage à 100 Hz c'est à dire 100 mesure par seconde. On obtient une courbe en forme « d'escalier »:

 On obtient alors un nombre finie de valeur en abscisse. Autorisons maintenant un nombre finie de valeur en y: on appelle cette opération la discrétisation, Car la courbe échantillonnée n'est pas exploitable à cause du fais qu' en y on a un nombre infinie de valeur

 La courbe est alors exploitable pour une conversion numérique, Cette courbe échantillonnée et discrétisée est transformé en code binaire. Une onde sonore est codé sur 16 bits lors d'un enregistrement sur cd. Le code binaire est représenté par des succession de microcuvettes lu par le système laser vision Lors de la reproduction la succession de valeur est retranscrite en signal analogique à l'aide d'un calcul appelé la décomposition de fourrier qu'on ne peut ni explique ni démontrer faute de connaissance et de temps. Le signal analogique est alors reproduit par des enceintes acoustique.

Merci pour votre attention