La technique d'enregistrement des disques moulés (Version 2017)

- A l’enregistrement : Un outil graveur mû indirectement par les vibrations acoustiques creuse et module un sillon dans un support approprié (disque).

- A la reproduction : Une pointe de lecture guidée et actionnée par le sillon précédent actionne un transducteur électromécanique qui transforme les signaux mécaniques en signaux électriques qui, après amplification, actionnement un haut-parleur.

1. Généralités

Le disque est entraîné avec une vitesse angulaire constante, un outil de coupe ou graveur repose sur le disque avec une certaine pression.

L’outil se déplace d’un mouvement uniforme suivant un rayon du disque. La pointe de l’outil trace, au repos, une spirale dont le pas dépend à la fois de la vitesse angulaire du disque, du pas de la vis mère d’entraînement du graveur et du rapport des vitesses de rotation du disque et de la vis.

Fig 1a : Représentation d'un graveur (vue du dessus)

Fig 1b : Représentation d'un graveur (vue de côté)

Le disque est entraîné à vitesse angulaire constante, l’outil graveur entraîné par la vis mère trace une spirale.

1 .1. Historique

La transcription des oscillations acoustiques sur une matière solide a été conçue à peu près en même temps, en France par Charles Cros et en Amérique par Edison, en 1877-1878. Edison a réalisé les premiers gramophones à cylindres en étain. La gravure se fit ensuite sur des cylindres en cire qui constituaient des exemplaires uniques. L’enregistrement s’effectuait directement et le cylindre était vendu. En France, les frères Pathé développèrent vers 1896 cette nouvelle industrie.

Les principales dates de l’évolution de l’industrie phonographique sont les suivantes :

-1887 : Berliner invente le disque enregistrable ;

-1893 : Berliner applique les principes de la galvanoplastie à la fabrication des disques en série d’après le disque original ;

-1924 : Apparition de l’enregistrement électrique par l’intermédiaire des microphones, des amplificateurs et des transducteurs électro-mécaniques ;

-1948 : Amélioration des techniques utilisées en vue de produire les disques microsillon ;

-1957 : Introduction de la gravure stéréophonique. Les disques microsillon remplacent définitivement les anciens disques 78 tr/mn à sillon large ;

-1967 : La gravure stéréophonique se généralise pour les disques microsillon ;

-1973 : Introduction des premiers disques tétraphoniques, cette technique a été abandonnée en 1978 en l’absence de normalisation ;

-1983 : Introduction du «  compact disc » et début du déclin du disque microsillon.

2. Procédé de gravure latérale

Un outil graveur ou « burin de gravure » solidaire du transducteur électromécanique appelé « graveur » repose, avec une certaine pression.

Lorsque aucun signal électrique n’est appliqué au graveur, le burin creuse dans le disque, par coupe, un sillon de profondeur et de largeur constantes, dont l’axe de symétrie rapporté sur le plan du disque est une spirale de pas p et d’amplitude nulle.

Fig 2 : Gravure latérale sans modulation

Lorsque on applique un signal électrique supposé sinusoïdal au graveur, le burin se déplace latéralement, symétriquement par rapport à la position moyenne.

Fig 3 :Gravure latérale avec sillon modulé

Les éléments caractéristiques de ce mouvement sont l’amplitude du mouvement (ou élongation) et la vitesse maximale ou l’amplitude de vitesse de ce déplacement. Il est possible de réaliser des transducteurs électromécaniques tels que l’un ou l’autre de ces éléments soit constant quelle que soit la fréquence du signal appliqué.

Pour un niveau constant appliqué aux bornes du graveur, l’amplitude de la gravure est inversement proportionnelle à la fréquence du signal.

La vitesse maximale de la pointe de gravure aω (cas d’un signal sinusoïdal de pulsation ω) aω = 2πf et la quantité d’énergie nécessaire pour la coupe sont indépendantes de la fréquence du signal.

2 . 1. Enregistrement à vitesse constante

On définit l’enregistrement à vitesse constante comme un procédé d’enregistrement dans lequel l’amplitude de la déviation d’un sillon pour un signal enregistré sinusoïdal d’amplitude constante est inversement proportionnel à la fréquence de ce signal.

 En pratique, la caractéristique d’enregistrement à vitesse constante subit des modifications car aux fréquences basses, l’amplitude devient trop grande. Les sillons chevaucheraient, et même en augmentant l’intersillon, au détriment de la durée d’enregistrement, il en résulterait une diaphonie très importante.

 Au dessous d’une fréquence comprise entre 250 à 300 Hz, la gravure s’effectue à amplitude constante donc à produit aω décroissant.

 C’est selon ces caractéristiques que furent gravés les disques 78 tr/mn jusque vers 1945.

En effet, si au-delà d’une certaine fréquence (250 à 300 Hz) on maintient le produitaω  constant, l’amplitude devient vite très petite quand la fréquence augmente. Aux fréquences élevées, l’amplitude du signal enregistré est du même ordre de grandeur que les dimensions des irrégularités du disque.

 Comme la matière des disques moulés d’usage courant a une granulation beaucoup plus grossière que celle des disques originaux (cire ou vernis cellulosique), d’où la justification de cette technique de préaccentuation des aiguës à l’enregistrement.

2 . 2. Caractéristiques d’enregistrement

Une tension constante étant appliquée au point de la chaîne d’enregistrement où le signal a la courbe de réponse que l’on désire reproduire ultérieurement, la courbe de variation de la vitesse latérale du signal enregistré en fonction de la fréquence est celle qui résulte de la combinaison des trois courbes suivantes :

 2 . 2 . 1. Courbe avec constante t₁

 Courbe croissante avec la fréquence, analogue à la courbe de variation de l’admittance résultant d’un montage en parallèle d’une capacité et d’une résistance et ayant une constante de temps t₁.

2 . 2 . 2. Courbe avec constante t₂

 Courbe croissante avec la fréquence, analogue à la courbe de variation de l’admittance résultant d’un montage en série d’une capacité et d’une résistance et ayant une constante de temps t₂.

2 . 2 . 3. Courbe avec constante t3

 Courbe décroissante, lorsque la fréquence croît, analogue à la courbe de variation de l’impédance résultant d’un montage en série d’une capacité et d’une résistance et ayant une constante de temps t3.

La courbe résultante est définie par la formule suivante :

où f est la fréquence en Hz et t₁, t₂, t₃  ont les valeurs du tableau suivant : 

Tableau 1 : Niveaux relatifs d’enregistrement et de lecture entre le disque à sillon large et le disque microsillon.

La courbe de transmission finale devant être linéaire, la courbe de lecture de tels enregistrements est évidemment la courbe symétrique de la courbe d’enregistrement.

Fig. 4 : Caractéristiques d’enregistrement (trait continu) et de lecture (trait pointillé) pour des disques à sillon large.

Fig. 5 : Caractéristiques d’enregistrement (trait continu) et de lecture (trait pointillé) pour des disques microsillon.    

Tableau 2 : Caractéristiques d’enregistrement et de lecture des disques moulés par rapport à la bande passante comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Ces caractéristiques d’enregistrement et de lecture des disques moulés du commerce (78 tr/mn, 45 tr/mn, 33 1/3 tr/mn, 16 2/3 tr/mn) ont été adoptées par la Commission Electrotechnique Internationale.

La Recording Industry Association of America a également standardisé la courbe d’égalisation remplaçant l’ensemble des courbes utilisées.

Les caractéristiques d’enregistrement et de lecture sont identiques, pour le disque microsillon.

Cette courbe est appelée « Courbe R.I.A.A ».

La constante de temps t3 de 3180 µs correspond aux fréquences graves,

La constante de temps t2 de 318 µs correspond aux fréquences médiums,

La constante de temps t3 de 75 µs correspond aux fréquences aiguës,

A l’enregistrement, les fréquences en dessous de 500Hz sont atténuées de 6dB par octave et celles au-dessus de 2122Hz sont augmentées de 6dB par octave. A la lecture, le préamplificateur utilise la courbe inverse. La courbe d’enregistrement se compose de deux filtres du type passe-haut pour les seuils de 50.05Hz (3180 μs) et 2122 Hz (75 μs), et d’un filtre du type passe-bas à 500.5Hz (318 μs).

Lorsque la vitesse de la pointe de lecture est la même que la vitesse latérale du signal enregistré, la caractéristique de lecture est l’inverse de la caractéristique d’enregistrement et vice versa (Tableau 2). La relation entre ces deux caractéristiques étant fixée et connue, l’une ou l’autre peut être spécifiée.

2 . 3. Pente maximale de la courbe enregistrée 

En désignant par R le rayon du cercle fixant la position moyenne du sillon et par n le nombre de tours par seconde du disque, en considérant un enregistrement à gravure latérale d’un signal sinusoïdal de pulsation  , on voit :

La pente maximale de la courbe enregistrée est égale :

Dans le cas où l’on grave à produit af constant on observe que la pente est constante pour un sillon de rayon donné.

3  Normes concernant les disques moulés

3 . 1. Sens de rotation

Le sens de rotation est celui des aiguilles d’une montre lorsqu’on regarde le disque du côté de la face enregistrée ou lue. Les disques sont réalisés de façon que le lecteur se déplace de la périphérie vers le centre.

3 . 2. Catégories normalisées

3 . 3. Vitesses de rotation

3 . 4. Caractéristiques dimensionnelles des sillons

Fig.7 : Caractéristiques dimensionnelles du sillon large et du sillon microsillon 

3 . 5. Diamètre du trou central  

Pour les disques des catégories I,II, III et IV, le diamètre du trou central est fixé à 7,24 mm, les tolérances admettent un diamètre maximal de 7,33 mm et un diamètre minimal de 7,24 mm. 

 Le grand trou central est utilisé sur les disques des catégories V et VI, son diamètre est de 38,20 + ou – 0,05 mm.

4. Caractéristiques du graveur

Le graveur est un transducteur électrodynamique portant le burin de gravure et transformant les signaux électriques en déplacements du burin sur le support d’enregistrement.

Le chariot de gravure est l’ensemble qui porte le graveur et assure son mouvement de translation pendant l’enregistrement, sa vitesse de translation détermine le pas de sillonnage.

4 . 1. Graveur électrodynamique

Le mécanisme de ce graveur est analogue à celui d’un appareil de mesure à cadre mobile. Une bobine légère parcourue par le courant modulé du signal et placée dans un champ d’induction B est soumise à un couple que contrebalance à chaque instant un couple de torsion.

Le cadre est placé dans le champ d’un aimant en fer à cheval. Un cylindre de fer C porte la bobine constituant le cadre mobile.

Fig.8 : Graveur électrodynamique

Les pièces polaires sont limitées par des surfaces cylindriques creuses afin de limiter l’intervalle qui sépare le cadre des pièces polaires. L’induction B dans la région occupée par le cadre est constante et radiale, les lignes de force sont normales à la surface du cylindre C.

L’induction B est de l’ordre de 10^-1 tesla (0,1 Wb/m²).

Le mouvement du cadre est réglé par la loi de Laplace, le couple électromagnétique a pour moment :

Un système élastique tend à maintenir l’équipage mobile dans la position de repos dans laquelle le plan des spires est parallèle aux lignes de force et un autre système amortit le mouvement.

 Dans ces conditions, l’équation du mouvement est de la forme :

I représente l’inertie de l’équipage mobile par rapport à l’axe XX’ (Fig.9).

Fig.9 : Mouvement du cadre mobile du système électrodynamique

 f  représente le coefficient de frottement supposé proportionnel à la vitesse.

 K représente le coefficient de raideur du système.

 D’après 

le couple est proportionnel au courant qui traverse le cadre

S’agissant de petites amplitudes nous pouvons écrire que l’élongation a de l’outil de gravure monté sur le dispositif de longueur L et déviant de θ est égale à : a = Lθ

 d’où a = Ki, l’amplitude du mouvement est proportionnelle au courant i.

Si nous faisons traverser le cadre de l’équipage mobile par un courant alternatif dont l’amplitude est inversement proportionnelle à la fréquence, nous obtiendrons un enregistrement à vitesse constante.

4 . 2. Graveur électromagnétique

Le principe de fonctionnement de ce transducteur repose sur des variations de réluctance d’un circuit magnétique. 

 Il comprend une palette P pouvant pivoter autour du point O, l’extrémité supérieure est encastrée dans un milieu d’amortissement, la partie inférieure porte le burin de gravure.

 Une bobine fixe B entoure la palette, l’ensemble est placé par l’entrefer d’un aimant permanent.

 

Fig. 10 : Graveur électromagnétique

Quand le courant de modulation du signal électrique parcourt la bobine, il apparaît une force magnétomotrice, proportionnelle à la valeur instantanée du courant.

La bobine B étant fixe, on peut augmenter la force magnétomotrice sans augmenter la masse du système vibrant, d’où un avantage sur le graveur électrodynamique.

En désignant par m₁ la masse de l’armature, par m₂ celle de la partie inférieure de la palette ( en dessous du point O) et celle du burin graveur, par R₁ la résistance mécanique apportée par le milieu d’amortissement et par R₂ la résistance mécanique due à la résistance de coupe dans le disque et enfin par C₁ l’élasticité du système amortisseur et par C₂ l’élasticité de l’armature rapportée au point O.

Le schéma électrique équivalent au graveur électromagnétique est le suivant (Fig.11)

Fig.11 : Schéma électrique équivalent au graveur électromagnétique 

L’impédance nominale des graveurs est comprise entre 200 et 500 Ω, la résistance est de quelques dizaines d’ohms. La sensibilité est variable, il faut en moyenne 5 à 10 volts aux bornes d’un graveur de 200 Ω pour moduler normalement un signal à 1000 Hz.

 4 . 3. Courbe de réponse du graveur

      La figure 12 représente schématiquement le circuit électrique du graveur.

Fig.12 : Circuit électrique du graveur.

La source de f.e.m E et de résistance interne R₁ débite dans le graveur de résistance R₂ et d’inductance L.

La force contreélectromotrice e développée étant petite, on peut la négliger et écrire :

Le courant i sera inversement proportionnel à la pulsation si R₁ et R₂ sont faibles devant la réactance du graveur.

4 . 3 . 1. Relevé de la courbe de réponse du graveur

Les relevés de courbe de réponse s’effectuent selon deux techniques distinctes :

La méthode de Buchmann et Meyer dite du « faisceau lumineux réfléchi » qui permet la mesure de la vitesse latérale maximale d’un signal enregistré en utilisant la relation qui existe entre cette vitesse et la largeur d’un faisceau de lumière parallèle et rasante sur l’un des flancs du sillon enregistré.

La méthode de Gunter Gutwein qui opère sur le graveur lui-même.

4 . 3 . 2. Méthode du faisceau réfléchi (Buchmann – Meyer)

Un observateur examine à grande distance un disque gravé de façon à recevoir la lumière parallèle réfléchie par l’un des flancs du sillon (Fig.14).

Fig.14 :  Méthode du faisceau réfléchi

Les parois du sillon réfléchissent la lumière dans toutes les directions, une partie seulement est renvoyée vers l'observateur, si le disque tourne celui-ci voit une bande lumineuse aux limites nettes (Fig.15).

Largeur de la bande lumineuse : la largeur de la bande lumineuse est égale à BC= 2BD

Il a été vu à propos de la pente du sillon enregistré que :

Fig.15 : Méthode du faisceau réfléchi et largeur de bande lumineuse

Or 

en remplaçant l'expression du sinus par sa valeur, on obtient :

l'angle alpha étant petit , on peut admettre que cosinus alpha est égal à un, d'où l'expression de la largeur de la bande lumineuse réfléchie appelée également "largeur Meyer"

a = amplitude de l'outil de gravure

f = fréquence enregistrée

n = nombre de tours par seconde du disque

N = nombre de tours par minute du disque

Cette méthode très rapide permet de contrôler la courbe de réponse d'un graveur, on grave sur le disque des plages modulées, séparées par des sillons sans signaux. Les fréquences sinusoïdales délivrées par un générateur basse fréquence dont la sortie est constante sont : 10000, 8000, 6000, 5000, 4000, 2000, 1000, 500, 250, 125, 60 Hz. On enregistre les fréquences élevées au diamètre maximal d'enregistrement pour atténuer les distorsions linéaires dues à la diminution progressive de la vitesse linéaire du support en fonction du rayon enregistré. Ensuite on examine le disque incliné et éclairé en lumière parallèle, au moyen d'une lunette réglée à l'infini. La distance de vision est de 3 à 4 mètres environ. L'usage d'une lunette avec oculaire micrométrique permet de relever directement la largeur du faisceau réfléchi (Fig.16).

Fig.16 : Dispositif optique utilisé pour mesurer la largeur de la bande lumineuse

Relation entre la vitesse latérale maximale et la largeur du faisceau réfléchi : Le niveau moyen d'enregistrement pour le disque de 78 tr/mn correspond à une largeur de faisceau réfléchi de 20mm, soit à une vitesse latérale maximale de 8,2 cm/s (crête).

soit environ 8,2 cm/s (crête) ou 5,8 cm/s (efficace).

On définit le niveau zéro d'enregistrement pour une vitesse latérale de 1 cm/S efficace, le niveau maximal 'enregistrement des disques 78 tr/mm qui est +22dB au dessus du niveau zéro ainsi défini. Pour le microsillon le niveau est d'environ 4 dB inférieur.

4 . 3. . 3. Méthode de Gutwein

Le graveur étudié porte une électrode isolée, placée tout près du burin, de manière à constituer avec celui-ci un condensateur dont la capacité est fonction de la distance e₀  des armatures (burin-électrode fixe). Lorsque le burin oscille, o, constate une variation de la capacité du condensateur ainsi formé. Pour de faibles élongations de l'outil de gravure, les variations de la capacité ont la même pulsation et la même amplitude (à un coefficient de proportionnalité près) que celles du signal injecté.

Fig.17 : Relevé de la courbe de réponse d'un graveur par la méthode de Gutwein.

Le condensateur variable est placé en dérivation aux bornes d'un circuit oscillant couplé à un générateur haute-fréquence. Si f₀ est la fréquence de résonance de l'ensemble, capacité C₁ (au repos) et circuit oscillant, un choix convenable de la valeur f₁ permet une modulation de la tension HF quand C₁ varie. Après détection et amplification, on obtient un courant BF traduisant les mouvements du burin.