Phonographe : comment le son est enregistré et relu

Ce qui se passe quand vous parlez dans un phonographe

Si vous restez devant la scène pendant quelques secondes, vous voyez le plus ancien procédé utilisé pour l’enregistrement du son. Un mannequin se penche sur une petite machine en fer et parle dans un embout. Derrière cet embout, un diaphragme mince vibre au rythme de la voix, et une pointe en acier qui lui est fixée appuie sur une feuille d’étain enroulée autour d’un tambour. Le tambour tourne et se déplace latéralement sur une vis, de sorte que la pointe laisse une piste en spirale dans l’étain. Puis le tambour revient à son point de départ, une seconde pointe, plus légère, suit la même piste et la voix ressort par un petit pavillon.

Un phonographe ne fait rien d’autre : il transforme le mouvement de l’air en forme de sillon, puis la forme du sillon en mouvement de l’air. Tout le reste de cette page, les cylindres de cire, les disques à 78 tours par minute, les cellules électriques, les bandes et le disque compact, apporte des réponses différentes aux deux mêmes questions. Où conserver la forme de l’onde, et comment la relire sans la détruire ?

La scène comporte sept machines. Choisissez-en une avec la commande Machine. Le zoom vous fait passer de la machine entière à l’aiguille ou à la tête magnétique, puis sous un microscope, où le sillon, les particules aimantées d’une bande ou les cuvettes d’un CD sont dessinés à partir du signal même que vous entendez. La vitesse modifie la rapidité avec laquelle le support passe devant l’aiguille ou la tête, et l’affichage indique l’effet sur la hauteur du son. Le son reste désactivé jusqu’à ce que vous l’activiez, et votre propre voix n’entre dans le sillon que si vous appuyez sur Enregistrer ma voix et autorisez le microphone. Aucun des sons que vous enregistrez de cette manière ne quitte cette page.

Le son est une onde de pression

Une voix correspond à de l’air que l’on pousse et que l’on tire. Vos plis vocaux s’ouvrent et se ferment plus de cent fois par seconde, et chaque bouffée augmente très légèrement la pression de l’air devant votre bouche. Cette surpression se propage à la vitesse du son, environ 343 m/s dans l’air à température ambiante, suivie d’une baisse, puis d’une nouvelle hausse. Un microphone, un tympan ou un diaphragme de phonographe placé dans cet air est poussé vers l’intérieur et l’extérieur selon le même motif.

Pour décrire une onde simple, on se sert de deux nombres. La fréquence indique combien de fois par seconde la pression monte et descend, et se mesure en hertz (Hz). La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant l’un de ces cycles. La vitesse relie ces deux grandeurs :

longueur d’onde = vitesse ÷ fréquence

Dans l’air, un son de 1000 Hz (1 kHz) a une longueur d’onde de 343 ÷ 1000 = 0,343 m, soit à peu près la largeur des épaules. La même formule revient tout au long de cette page, car chaque support d’enregistrement ressemble à de l’air ralenti et figé. Lorsqu’un sillon passe devant une aiguille à 0,5 m/s, un son de 1 kHz occupe 0,5 ÷ 1000 m = 0,5 mm de sillon. Lorsqu’une bande de cassette passe devant la tête à 4,76 cm/s, le même son occupe 47,6 µm de bande.

Une voix réelle n’est pas un son unique. Les plis vocaux produisent une fondamentale d’environ 100 à 250 Hz, et la forme de la bouche et de la gorge renforce certaines harmoniques au-dessus d’elle. Ces bandes renforcées, appelées formants, distinguent un « ah » d’un « i ». La phrase prononcée sur la scène est fabriquée de la même manière dans votre navigateur : un bourdonnement d’environ 120 Hz façonné par 3 formants pour chaque voyelle. Ce n’est l’enregistrement de personne, il n’est donc soumis à aucun droit d’auteur.

Le phonographe à feuille d’étain de 1877

Selon les Thomas A. Edison Papers de Rutgers University, Edison eut l’idée d’enregistrer le son en juillet 1877, alors qu’il travaillait sur un transmetteur téléphonique. Dans une note de laboratoire, il décrivit un diaphragme de téléphone muni d’une pointe de gaufrage appuyée contre du papier paraffiné défilant rapidement, et écrivit que les vibrations y étaient « bien imprimées ». Il reprit cette idée au cours des mois suivants et, à la fin de novembre, disposait d’une conception de base.

Le premier phonographe était un cylindre rainuré monté sur un long axe. L’axe comportait une vis de 10 filets par pouce et se tournait à la manivelle. Au lieu du papier paraffiné, Edison enroula une feuille d’étain autour du cylindre pour servir de surface d’enregistrement. Le mécanicien John Kruesi le construisit durant la première semaine de décembre 1877. Une fois l’appareil terminé, Edison posa la feuille et enregistra la comptine « Mary Had a Little Lamb ». Les Edison Papers précisent que le premier phonographe possédait des mécanismes distincts d’enregistrement et de lecture, réunis dans les modèles ultérieurs.

L’obtention du brevet suivit rapidement la construction de cette première machine. Le brevet américain 200,521, portant sur une amélioration des phonographes ou machines parlantes, fut accordé le 19 février 1878. La machine fut présentée dans de nombreuses expositions aux États-Unis ainsi que dans plusieurs pays d’Europe et rendit Edison célèbre comme le « sorcier de Menlo Park ». Elle intéressa aussi réellement les scientifiques, qui l’utilisèrent pour étudier l’acoustique.

Mais les Edison Papers sont sans détour sur ses limites : les enregistrements sur étain ne furent jamais entièrement satisfaisants, et Edison mit encore dix ans à produire une machine commerciale. La feuille se déchire, ne peut pas être retirée puis replacée exactement au même endroit sur le tambour, et les empreintes s’aplatissent à chaque passage d’une aiguille. Essayez sur la scène. Réglez le nombre de lectures sur 10 et lisez la feuille : le sillon est moins profond, le son plus faible et plus sourd, et le bruit plus fort.

Pourquoi 10 filets par pouce ? Chaque tour de manivelle déplace le tambour latéralement d’un filet, si bien que le sillon forme une spirale d’un pas de 25,4 ÷ 10 = 2,54 mm. C’est assez large pour qu’une pointe en acier le suive seule, ce qui compte sur une machine sans bras de lecture, où rien ne guide l’aiguille hormis le sillon qu’elle creuse.

Vingt ans auparavant : le phonautographe de Scott

Edison ne fut pas le premier à enregistrer le son. Le Thomas Edison National Historical Park du National Park Service indique aujourd’hui clairement que l’enregistrement sonore a été inventé deux fois : d’abord par Édouard-Léon Scott de Martinville en France en 1857, puis 20 ans plus tard par Edison.

Le phonautographe de Scott traçait les vibrations d’une membrane sur du papier noirci à la suie, enroulé autour d’un cylindre à manivelle. Il devait permettre de regarder le son, non de l’entendre à nouveau. Personne ne pouvait relire un phonautogramme, de sorte que, pendant un siècle et demi, rien ne prouvait que ces tracés contenaient quoi que ce soit de reconnaissable.

En 2008, des chercheurs réunis sous le nom First Sounds retrouvèrent les enregistrements conservés de Scott dans des archives françaises et les transformèrent en sons grâce à une méthode de balayage optique développée au Lawrence Berkeley National Laboratory. First Sounds explique qu’un diapason fut d’une grande aide. En 1860, Scott traçait les vibrations d’un diapason de 250 Hz à côté de ses enregistrements, fournissant ainsi un repère temporel : là où les oscillations du diapason se resserrent, le cylindre tournait lentement, et l’on peut étirer le son pour retrouver sa véritable vitesse. Les enregistrements de 1857 n’ont aucun tracé de ce type, et la vitesse de la main sur la manivelle variait tellement que leurs mélodies ne sont pas reconnaissables.

Le résultat le plus connu est « Au clair de la lune », enregistré le 9 avril 1860. First Sounds le décrit comme le plus ancien enregistrement clairement reconnaissable de la voix humaine retrouvé à ce jour. Une récitation de l’Othello de Ducis, réalisée en avril 1860, est le plus ancien enregistrement de parole que l’on puisse lire à sa vitesse originale exacte. Un phonautogramme d’un diapason de 435 Hz datant de 1859 est le plus ancien son reconnaissable reproduit jusqu’ici.

La première scène montre la machine d’Edison, car c’était la première capable de relire son propre enregistrement. Le cas Scott dans la liste sous les commandes ouvre plutôt le microscope, car un phonautogramme ressemble davantage à l’image d’un sillon qu’à un sillon.

Comment un sillon conserve une onde

Regardez le sillon de l’étain au microscope. Quand la voix pousse le diaphragme vers l’intérieur, la pointe s’enfonce ; quand la pression baisse, elle remonte. Le sillon suit donc une trajectoire constante sur le tambour, mais sa profondeur monte et descend avec le son. Les collectionneurs parlent de gravure en profondeur, ou verticale. Les cylindres d’Edison l’ont conservée pendant toute leur histoire.

L’autre manière de conserver la même onde consiste à garder une profondeur constante et à faire osciller le sillon latéralement. Cette gravure latérale est celle qu’Emile Berliner utilisa pour ses disques de gramophone, et vers 1920 elle était devenue la norme pour les disques, comme le relève le guide des 78 tours de Yale University Library. Sur la scène, le gramophone et le lecteur électrique montrent un sillon latéral : les parois gardent la même hauteur tandis que la trajectoire ondule d’un côté à l’autre, et l’aiguille est poussée à gauche et à droite.

Dans les deux cas, l’enregistrement est l’onde elle-même, écrite le long d’une ligne. Le lien entre cette ligne et le temps est la vitesse de défilement : le nombre de mètres de sillon qui passent devant l’aiguille chaque seconde. Pour un cylindre, cette vitesse est la circonférence multipliée par le nombre de tours par seconde. Le tambour d’étain du modèle mesure 101,6 mm de diamètre et tourne à environ 60 tours par minute (ce sont deux valeurs du modèle, puisque l’original se tournait à la main), donc

v = π × 0,1016 m × 60 ÷ 60 s = 0,319 m/s

À cette vitesse, un cycle d’un son de 1 kHz occupe 0,319 ÷ 1000 m, soit 319 µm d’étain. Un son de 10 kHz occuperait 31,9 µm, plus fin que ce que peut conserver l’empreinte d’une pointe en acier émoussée dans l’étain. C’est l’une des raisons du son étouffé de l’étain : le support ne pouvait pas porter les ondes courtes des notes aiguës.

Le microscope montre exactement la longueur de sillon indiquée par la légende, et la forme d’onde de l’affichage est le signal sous l’aiguille à cet instant. Avec le ralenti réglé sur 100 ou 1000 fois plus lent, vous pouvez observer la forme du sillon glisser sous la pointe. Sur le tambour d’étain, 10 mm de feuille contiennent 10 ÷ 319 s, soit 31 ms, de son.

La cire remplace l’étain

Les Edison Papers indiquent que les premières tentatives d’Edison pour vendre un phonographe à étain échouèrent, et qu’Alexander Graham Bell et Charles Sumner Tainter, en présentant une machine à cylindre de cire au milieu des années 1880, le ramenèrent à l’enregistrement sonore. Bell, son cousin Chichester Bell et Tainter travaillaient ensemble sous le nom Volta Laboratory Associates à Washington. Leur machine, le graphophone, gravait le sillon dans la cire au lieu de l’imprimer dans l’étain. La gravure enlève un mince fil de matière et laisse un sillon propre et durable, lisible de nombreuses fois.

Entre 1887 et 1889, Edison et ses collaborateurs développèrent des phonographes et des cylindres de cire améliorés, techniquement supérieurs au graphophone. Ils étaient aussi chers et difficiles à utiliser à cause de leur moteur électrique, et ne trouvèrent donc qu’un marché limité comme machines à dicter. Edison essaya également de vendre une poupée parlante contenant un petit phonographe, mais elle était trop fragile.

Le phonographe trouva son premier véritable public autrement. Dans les années 1890, des agents ajoutèrent des monnayeurs aux phonographes à dicter et ouvrirent des salons de phonographes, où les clients pouvaient écouter un enregistrement pour une pièce de cinq cents. Plus tard dans la décennie apparurent des phonographes bon marché à moteur à ressort, et l’entreprise d’Edison améliora les procédés de copie des enregistrements. Elle domina alors l’industrie pendant environ une décennie.

L’UCSB Cylinder Audio Archive décrit les cylindres de cire brune de 1895 à 1901 comme les premiers enregistrements sonores vendus à grande échelle. Ils étaient gravés à des vitesses variant d’environ 120 à 160 tours par minute et accompagnés d’un feuillet indiquant l’enregistrement, puisque seul un numéro figurait sur le cylindre lui-même. La plupart des feuillets ont disparu. Presque chaque cylindre commercial de cire brune commence donc par une annonce parlée du titre et de l’interprète. Les cylindres vierges de cire brune pouvaient aussi resservir : on rabotait l’ancien sillon, et Edison affirmait qu’un cylindre vierge pouvait être réutilisé jusqu’à 100 fois. Les archives le comparent à un disque réinscriptible.

Le point faible de ce procédé restait la copie des enregistrements. Jusqu’en 1902, un interprète chantait la même chanson encore et encore devant quelques pavillons d’enregistrement, et chacune de ces interprétations ne permettait de produire à chaque fois qu’un petit nombre de cylindres.

Les chiffres d’un cylindre

En 1902, Edison introduisit le procédé Gold-Moulded. On fabriquait un moule métallique à partir d’une matrice de cire, puis on chauffait un cylindre vierge à l’intérieur pour qu’il se dilate dans les sillons. Le nom vient de la trace d’or utilisée pour rendre la matrice conductrice. La vitesse de lecture fut normalisée à 160 tours par minute, et le pas du sillon resta de 100 filets par pouce. UCSB relève qu’à 160 tours par minute, un cylindre de 100 filets par pouce joue environ 1,5 à 2,5 minutes, raison pour laquelle il était vendu comme enregistrement de deux minutes.

Le cylindre de cire du modèle mesure 55,6 mm de diamètre (2 3/16 pouces), et sa longueur utile est fixée à 4 pouces. Alors :

• tours = 100 filets par pouce × 4 pouces = 400 tours
• durée de lecture = 400 ÷ 160 tours par minute = 2,5 min
• vitesse de défilement = π × 0,0556 m × 160 ÷ 60 s = 0,466 m/s
• longueur du sillon = 400 × π × 0,0556 m = 69,9 m

Un son de 1 kHz occupe 0,466 ÷ 1000 m = 466 µm de sillon. Le nombre intéressant est celui qui ne change pas. Un cylindre a le même diamètre au début et à la fin du sillon, donc celui-ci passe devant la pointe de lecture à 0,466 m/s du début à la fin. Un disque ne peut pas en faire autant, comme le montrent les sections suivantes.

En 1908, Edison doubla la densité du sillon. Le cylindre Amberol comptait 200 filets par pouce et jouait environ 4 minutes. Il exigeait une nouvelle pointe de lecture, et les anciennes machines devaient être adaptées. En 1912, les gammes de cire de deux et de quatre minutes prirent fin, et Edison passa au Blue Amberol, un cylindre de celluloïd doté du même sillon de 4 minutes. Le celluloïd ne se brisait pas en tombant. UCSB apporte une nuance : le retrait et les déformations au cours du siècle suivant ont rendu de nombreux Blue Amberol difficiles à lire, et ils sonnent souvent moins bien aujourd’hui que les cylindres de cire qu’ils remplaçaient.

D’autres fabricants essayèrent des cylindres plus grands et différents. Les cylindres de concert, vendus à partir de fin 1898, mesuraient 5 pouces de diamètre, plus du double du format standard, et sonnaient plus fort. Enregistrés d’abord à 120 tours par minute, puis à 144 fin 1899 et à 160 début 1902, ils coûtaient 4 à 5 dollars chacun, contre 35 à 50 cents pour un cylindre standard. En France, l’horloger Henri Lioret réalisa en 1893 une poupée parlante avec un petit cylindre de celluloïd, puis fabriqua ses propres cylindres musicaux durables en celluloïd, lus à 100 ou 120 tours par minute et contenant de 30 secondes à 4 minutes.

Le disque plat de Berliner

Emile Berliner, inventeur né en Allemagne et installé à Washington, étudia le phonographe et le graphophone avant d’essayer autre chose. Le Library of Congress Information Bulletin décrit son passage des cylindres aux disques plats de zinc à double face, dotés d’un sillon en spirale tracé par une aiguille. Le 8 novembre 1887, il reçut le brevet américain 372,786 pour le gramophone, un dispositif d’enregistrement et de reproduction des sons.

Le disque plat avait un avantage immense. Un cylindre devait être copié à partir d’une matrice et, avant le moulage, cela supposait de réenregistrer ou de copier à travers des pavillons. Un disque pouvait être pressé. Fabriquez une seule fois un négatif métallique de la matrice et vous pouvez en presser des milliers de disques identiques. L’article de la Library of Congress indique que ces disques plats pouvaient être produits en masse à un coût très inférieur à celui des cylindres d’Edison. Berliner envisageait aussi le gramophone comme une machine de divertissement domestique dès le départ, alors que les autres voyaient dans le phonographe une machine à dicter de bureau.

Le chemin ne fut pas sans obstacles. Lors d’un voyage en Allemagne en 1889, Berliner s’entendit avec un fabricant de jouets pour produire de petits disques-jouets et des lecteurs à manivelle. De retour en Amérique, il fonda l’American Gramophone Company, puis l’United States Gramophone Company à Washington. Pour stabiliser la vitesse, il travailla avec l’atelier d’Eldridge R. Johnson à Camden, dans le New Jersey, sur des machines à moteur à ressort, et le même article attribue à Johnson l’idée des étiquettes sur les disques. Sur la scène, l’étiquette de papier au centre du disque du gramophone est l’un des objets cachés à trouver, tout comme la clé du ressort sur le meuble.

Un incendie se déclara dans l’usine de Berliner à Washington le 29 septembre 1897. Des litiges de brevets et des copies concurrentes suivirent, et en juin 1900 une injonction judiciaire ferma la Berliner Gramophone Company de Philadelphie. Berliner céda ses droits de brevet à Johnson, qui fonda la Victor Talking Machine Company, Berliner conservant une participation financière.

Pourquoi les disques l’ont emporté

Un disque se range facilement sur une étagère, s’expédie facilement et se fabrique facilement par milliers, tout en contenant un peu plus de musique qu’un cylindre de deux minutes. L’histoire du Blue Amberol d’UCSB relève qu’en 1912 les concurrents les plus redoutables d’Edison étaient la Victor Talking Machine Company et la Columbia Phonograph Company, qui avaient déjà cessé de fabriquer des cylindres. Le guide de Yale résume le résultat : dans les années 1910, les disques plats étaient devenus le principal support d’enregistrement sonore. Edison maintint le Blue Amberol jusqu’en 1929.

De son côté, Edison se mit également à fabriquer des disques de sa propre conception. Le musée d’Iowa State University conserve un phonographe Edison Diamond Disc et décrit ses disques comme épais de 1/4 de pouce, faits d’argile et de gomme-laque, et lus avec un véritable diamant. La gamme Diamond Disc exista de 1912 à 1929. Fidèle aux cylindres d’Edison, son sillon était gravé en profondeur, non latéralement.

Le cylindre possédait un avantage absent du disque : une vitesse de défilement du sillon constante du début à la fin. Sur un disque, les spires extérieures sont beaucoup plus longues que les intérieures, mais leur lecture prend le même temps. Le sillon ralentit à mesure que l’aiguille se rapproche du centre, et les notes aiguës près de l’étiquette sont tassées sur une portion plus courte. Activez le microscope au-dessus du gramophone et regardez l’affichage pendant que le bras se déplace vers l’intérieur. La vitesse de défilement baisse, tout comme la longueur de sillon occupée par une onde de 1 kHz.

Les chiffres d’un 78 tours

Les vitesses des premiers disques variaient beaucoup. Le guide de Yale indique que les vitesses d’enregistrement et de lecture allaient de 72 à 86 tours par minute avant de se stabiliser à 78, et qu’en 1910 la plupart des disques étaient enregistrés à environ 78 à 80 tours par minute. En 1925, 78,26 tours par minute fut choisi comme norme pour les lecteurs motorisés, car un moteur courant de 3600 tours par minute entraînant un engrenage de 46 dents donne

3600 ÷ 46 = 78,26 tours par minute

Le même guide donne la durée par face : environ 3 minutes pour un disque de 10 pouces et environ 4 à 5 minutes pour un 12 pouces. Le disque de gramophone de 10 pouces du modèle porte son sillon entre des rayons de 117 mm et 50 mm, avec 96 sillons par pouce. Ces trois nombres sont des valeurs du modèle choisies pour être représentatives, non des mesures d’un disque particulier, donc les résultats ci-dessous sont des estimations :

• tours = (117 − 50) mm ÷ 25,4 mm × 96 = 253 tours
• durée de lecture = 253 ÷ 78,26 tours par minute = 3,2 min
• vitesse du sillon au bord = 2π × 0,117 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,96 m/s
• vitesse du sillon à la fin = 2π × 0,050 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,41 m/s
• longueur du sillon ≈ 253 × π × (0,117 + 0,050) m = 133 m

Les 3,2 minutes concordent avec les quelque 3 minutes de Yale. Au bord extérieur, un son de 1 kHz occupe 959 µm de sillon ; près de l’étiquette, il en occupe 410 µm. Pour le disque de 12 pouces du lecteur électrique, le modèle utilise des rayons de 146 mm à 60 mm, donnant 325 tours, 4,2 minutes et une vitesse passant de 1,20 m/s au bord à 0,49 m/s à la fin. Les 4 à 5 minutes de Yale concordent à nouveau.

Pourquoi si peu ? Le sillon d’un 78 tours est large, car une aiguille en acier dans un sillon de gomme-laque a besoin de place, et le disque tourne vite. Le disque microsillon de 1948 conserva le disque mais utilisa un sillon fin et 33⅓ tours par minute ; l’exposition sur le disque vinyle reprend cette partie de l’histoire.

Le pavillon et l’enregistrement acoustique

Avant 1925, il n’y avait aucune électricité dans un enregistrement sur disque. Le guide de Yale décrit le procédé : l’interprète chantait ou jouait dans un grand pavillon, et l’énergie du son elle-même faisait vibrer la pointe de gravure et gravait la matrice de cire. La lecture suivait le chemin inverse. Le sillon déplaçait l’aiguille, l’aiguille déplaçait un diaphragme de mica dans la boîte à son, et le pavillon transmettait le mouvement du diaphragme à la pièce.

Un pavillon est un dispositif d’adaptation. Un diaphragme de quelques centimètres de diamètre pousse très mal une grande masse d’air et, seul, produit un son maigre et faible. La gorge étroite du pavillon permet au diaphragme de pousser fortement une petite colonne d’air, puis l’élargissement progressif transmet cette poussée à une colonne de plus en plus large jusqu’à la pièce. Plus le pavillon est long et large, plus les notes qu’il peut transmettre sont graves. C’est pourquoi le gramophone de la scène porte un pavillon floral d’un demi-mètre de diamètre et pourquoi les pavillons finirent par occuper un coin entier du salon.

La faiblesse de l’enregistrement acoustique était son étendue. Le guide de Yale relève qu’il ne donna jamais une haute fidélité et que sa dynamique était limitée. On ne pouvait capter à la fois les sons très faibles et très forts, les basses profondes ne déplaçaient pas assez la pointe, et l’on plaçait les chanteurs plus près ou plus loin du pavillon pour équilibrer un ensemble.

Sur la scène, le son du gramophone est limité à une bande d’environ 200 Hz à 5 kHz, avec ajout de bruit de surface et de craquements. Ce sont des valeurs du modèle destinées à rendre la différence audible avec les machines ultérieures, non les mesures d’un disque particulier.

L’enregistrement électrique à partir de 1925

L’année 1925 marqua l’arrivée du microphone dans l’enregistrement sonore. Le guide de Yale explique que, dès lors, l’artiste chantait dans un microphone, un amplificateur transformait le petit signal électrique en un signal puissant, et ce signal entraînait la pointe de gravure. Les disques ainsi réalisés sont appelés enregistrements électriques, et le premier parut en 1925. Yale ajoute que ce terme n’est généralement plus employé après l’arrivée de la bande magnétique en 1947, lorsque les séances furent enregistrées sur bande avant la gravure sur disque.

L’utilisation de l’électricité transforma à la fois l’enregistrement et la lecture, aux deux extrémités de la chaîne. À l’enregistrement, un microphone n’exige pas que l’interprète crie dans un pavillon ; on pouvait donc enregistrer tout un orchestre à distance normale et amplifier des basses auparavant trop faibles pour être gravées. À la maison, le lecteur électrique remplaça le pavillon par 3 éléments : une cellule transformant le mouvement de l’aiguille en tension, un amplificateur à lampes augmentant cette tension et un haut-parleur déplaçant l’air. Le lecteur électrique de la scène les possède tous. Activez la vue intérieure pour voir les lampes briller et le cône de papier derrière la grille.

Le moteur changea lui aussi. Un ressort se détend, et un régulateur ne peut stabiliser sa vitesse qu’approximativement. Un moteur électrique lié à la fréquence du secteur maintient une vitesse précise, et un engrenage fixe celle du disque. Voilà l’origine de 3600 ÷ 46 : un moteur tournant à 3600 tours par minute, soit 60 tours par seconde sur une alimentation de 60 Hz, et un engrenage de 46 dents. Cet engrenage est l’un des objets cachés sous le plateau du lecteur électrique.

Sur la scène, la bande de fréquences du lecteur électrique du modèle est limitée à environ 90 Hz à 7 kHz. Ce choix vise à produire un son plus ample que celui du gramophone acoustique, avec une bande de fréquences plus étroite que celle de la bande magnétique.

Vitesse et hauteur du son

Toutes les machines analogiques de la scène suivent la même règle. Si vous lisez un enregistrement plus vite qu’il n’a été réalisé, toutes ses fréquences augmentent du même facteur. Lisez-le deux fois plus vite et un son de 440 Hz devient 880 Hz, une octave plus haut. Dans le langage musical, le décalage en demi-tons vaut

demi-tons = 12 × log₂(vitesse de lecture ÷ vitesse d’enregistrement)

Quelques exemples calculés avec cette formule :

• Un disque de 78,26 tours par minute lu à 80 tours par minute : 12 × log₂(80 ÷ 78,26) = 0,38 demi-ton plus haut. C’est pourquoi les premiers disques enregistrés à des vitesses de 72 à 86 tours par minute sonnent légèrement faux à une vitesse fixe.
• Un disque de 78,26 tours par minute lu à 33⅓ tours par minute : 12 × log₂(33,333 ÷ 78,26) = -14,78 demi-tons, plus d’une octave plus bas et au ralenti.
• Une cassette défilant 6 % trop vite : 12 × log₂(1,06) = 1,01 demi-ton plus haut.
• Deux fois la vitesse : 12 × log₂(2) = 12 demi-tons, exactement une octave.

Essayez la commande Vitesse. À 43 %, l’affichage indique environ -14,6 demi-tons, proche du son d’un 78 tours sur une platine réglée à 33⅓. La durée de lecture varie en sens inverse de la vitesse : une face de 3,2 minutes à 100 % dure 3,2 ÷ 0,43 = 7,4 minutes à 43 %.

C’est aussi pourquoi le phonographe à étain à manivelle avait besoin d’un volant d’inertie et les moteurs à ressort des machines à cylindres et à disques d’un régulateur. Une fluctuation de quelques pour cent de la vitesse produit une fluctuation d’une fraction de demi-ton de la hauteur, perceptible à l’oreille, surtout sur une note tenue. Les magnétophones rencontraient le même problème avec le cabestan, et les auditeurs appelaient sa version lente le pleurage et sa version rapide le scintillement.

Le disque compact fait exception. Modifiez la vitesse de son moteur sur la scène et la hauteur reste identique. La raison est expliquée dans la section consacrée à la stabilité de la hauteur du CD.

L’enregistrement magnétique : fil, papier et bande

Le sillon n’était pas la seule idée. L’essai « A Tale of Tape » de la Library of Congress, issu du National Recording Preservation Plan, fait remonter l’enregistrement magnétique à un article de l’ingénieur américain Oberlin Smith en 1878. La première machine fonctionnelle fut le télégraphone de Valdemar Poulsen, en 1898 au Danemark, qui aimantait un fil d’acier en mouvement. L’enregistrement sur fil n’eut jamais une grande fidélité, indique l’essai, mais constitua une avancée majeure et resta utilisé durant de nombreuses années. Le fil s’emmêlait, se rompait facilement et se montait difficilement.

En 1927, l’inventeur allemand Fritz Pfleumer, qui avait travaillé à fixer de la poudre d’or sur du papier à cigarettes, appliqua la même idée pour enduire du papier de poudre magnétique. Il breveta ce papier sonore en 1928 et en céda une licence à l’entreprise électrique AEG en 1932. AEG construisit un enregistreur autour de longues bobines de bande, et l’essai de la Library of Congress indique qu’AEG présenta le Magnetophon K1, premier magnétophone pratique, au salon de la radio de Berlin en 1935. À la fin des années 1930, la bande allemande était passée du papier à un support plastique.

Les sources divergent sur les détails, et la scène le signale. Une communication de Manfred Krause à un congrès de l’Audio Engineering Society en 2002 nomme le modèle présenté en 1935 K2, non K1. Les deux mêmes sources divergent aussi sur l’étape suivante, la prémagnétisation à haute fréquence : Krause la situe dans le modèle K4 en 1940, et l’essai de la Library of Congress l’attribue à Walter Weber en 1941 en Allemagne. L’essai ajoute que W. L. Carlson et G. W. Carpenter avaient déposé une demande de brevet similaire aux États-Unis en 1921, accordée en 1927, et que Marvin Camras breveta aussi la prémagnétisation à haute fréquence en 1941. La liste des cas sous les commandes donne une date d’environ 1940 à 1941.

Après la Seconde Guerre mondiale, des officiers de l’US Army Signal Corps étudièrent les machines allemandes, et John T. Mullin rapporta 2 mécanismes de transport de bande Magnetophon. Une bande pouvait être effacée, réenregistrée, coupée à la lame et raccordée par un collage, si bien qu’un enregistrement pouvait pour la première fois être monté. Le guide de Yale date de 1947 l’arrivée de la bande magnétique dans la production de disques. Le collage sur le magnétophone à bobines de la scène est un objet caché à trouver.

Comment une tête magnétique écrit et lit

Un magnétophone conserve le son sous forme de magnétisme dans de minuscules particules d’oxyde de fer déposées sur un ruban plastique. La tête d’enregistrement est un anneau de fer doux entouré d’une bobine, avec un entrefer très étroit à l’avant, là où la bande le touche. Le courant de l’amplificateur du microphone traverse la bobine et crée un champ magnétique qui déborde de l’entrefer dans la bande. Au passage de la bande, chaque portion conserve une aimantation dont la direction et l’intensité sont celles du champ à cet instant.

La tête de lecture a la même forme. Quand la bande aimantée passe devant son entrefer, le champ variable traverse l’anneau de fer et induit une faible tension dans la bobine. Sur la scène, le microscope au-dessus du magnétophone à bobines montre les particules s’orientant vers le nord ou le sud avec le signal sous la tête, en rouge et en bleu.

La longueur d’onde fixe à nouveau la limite. Sur bande, elle vaut la vitesse de défilement divisée par la fréquence :

• magnétophone à bobines à 19,05 cm/s : 1 kHz occupe 0,1905 ÷ 1000 m = 190,5 µm, et 10 kHz occupe 19,05 µm
• cassette compacte à 4,76 cm/s : 1 kHz occupe 47,6 µm, et 10 kHz occupe 4,76 µm

Pour lire une onde, l’entrefer de la tête doit être plus étroit qu’environ la moitié de sa longueur d’onde ; les 4,76 µm de la cassette à 10 kHz exigent donc un entrefer d’environ deux micromètres. Une bande lente demande des têtes et des particules très fines, raison pour laquelle il fallut des années d’amélioration avant d’utiliser la cassette pour la musique, et pour laquelle les studios faisaient défiler la bande à des vitesses supérieures, comme 38,1 cm/s.

Les particules magnétiques ne répondent pas proportionnellement aux champs faibles. Elles résistent aux petites variations puis basculent brusquement, un effet appelé hystérésis. Enregistrés directement, les sons faibles ressortent déformés et noyés dans le bruit. La prémagnétisation à haute fréquence résout ce problème. On ajoute au signal de la tête d’enregistrement un son bien au-dessus des fréquences audibles. Il fait osciller les particules si rapidement qu’elles se stabilisent proportionnellement au signal audio qui s’y superpose. La prémagnétisation elle-même est trop aiguë pour être entendue et n’est pas reproduite par la tête de lecture. La tête d’effacement utilise une version plus forte du même champ à haute fréquence pour désorganiser ce qui se trouvait auparavant sur la bande.

Le cabestan, et non les bobines, fixe la vitesse. Les bobines tournent plus ou moins vite à mesure que leur enroulement grossit ou diminue ; la bande est donc pincée entre un cabestan en acier tournant à une vitesse précise et un galet de caoutchouc. Sur la scène, observez la bobine réceptrice du magnétophone : elle tourne vite au début, lorsque son enroulement est petit, puis plus lentement en se remplissant.

La cassette compacte

Le Philips Museum raconte cette histoire à partir des archives de l’entreprise. En 1961, le groupe de développement des enregistreurs de Philips à Hasselt, en Belgique, reçut pour mission de créer un petit enregistreur à piles et une cassette pour remplacer les magnétophones à bobines alors courants dans les foyers. Le responsable du développement des produits était Lou Ottens. Il décida que la facilité d’utilisation passait avant tout : jeunes et vieux, même les plus maladroits, devaient pouvoir s’en servir. Venait ensuite la taille. Ottens fit tailler un bloc de bois adapté à la poche de sa veste, et cette taille détermina celle de la cassette et de l’enregistreur. Le bloc est un objet caché sur la scène, à côté de l’enregistreur portable.

Le Philips Pocket Recorder EL 3300 et sa cassette furent présentés pour la première fois à l’Internationale Funkausstellung de Berlin en 1963. Philips accorda ensuite aux autres fabricants une licence gratuite du système de cassette compacte, à condition de respecter ses règles techniques. En septembre 1967, rapportait le Philips Courier, 70 entreprises dans le monde fabriquaient des enregistreurs à cassette fondés sur ce système. Il resta un support sonore important pendant plus de 35 ans et devint le système d’enregistrement domestique le plus répandu.

Dans le boîtier, il n’y a aucun enfilage à faire. Deux moyeux portent la bande, qui passe le long du bord avant devant des ouvertures où pénètrent la tête, le cabestan et le galet presseur. Un tampon de feutre sur ressort presse la bande contre la tête par l’arrière. Les notes de cours d’IIT Kanpur sur les platines à cassette donnent une vitesse de 1,875 pouce par seconde, soit 4,76 cm/s, maintenue par le galet presseur appuyant la bande contre le cabestan : une pression trop faible la laisse glisser, une pression trop forte risque de l’écraser.

Une cassette C60 contient 30 minutes par face. À 4,76 cm/s, il faut

30 min × 60 s × 4,76 cm/s = 8568 cm = 85,7 m de bande

La bande du modèle fait 3,81 mm de large et son boîtier 100,4 × 63,8 × 12 mm, avec des moyeux distants de 42,5 mm. Ce sont les dimensions intégrées au modèle.

Le disque compact

Philips travaillait sur le support suivant alors que la cassette progressait encore. Avec Sony, l’entreprise lança le disque compact en novembre 1982, d’abord au Japon, puis 4 mois plus tard en Europe et aux États-Unis, selon le Philips Museum. Le système réunissait deux technologies : la lecture optique d’un disque au laser et le codage et le traitement numériques du signal. Le format audio relève de la norme IEC 60908, et la version de données du disque est décrite dans ECMA-130, qu’Ecma International publie gratuitement.

Un CD ne conserve pas la forme de l’onde. Il mesure l’onde 44 100 fois par seconde dans chacun de ses 2 canaux, écrit chaque mesure comme un nombre de 16 bits et conserve ces nombres. Le théorème d’échantillonnage, expliqué dans les notes de J. O. Smith au CCRMA de Stanford, indique qu’un signal échantillonné à une fréquence donnée peut être reconstruit exactement s’il ne contient aucune fréquence supérieure à la moitié de celle-ci. La moitié de 44 100 vaut 22 050 Hz, au-dessus de ce que la plupart des adultes entendent. Le débit audio brut est

44 100 × 16 bit × 2 = 1 411 200 bit/s

Les nombres sont codés en un motif de cuvettes pressées dans le plastique, lues par-dessous à travers le disque. ECMA-130 fixe le pas de la piste en spirale à 1,6 µm ± 0,1 µm et la vitesse de lecture entre 1,2 et 1,4 m/s pour un débit de canal de 4,3218 Mbit/s. La norme indique aussi qu’un passage d’une cuvette à un plat ou d’un plat à une cuvette représente un 1, et l’absence de changement un 0. Le codage maintient la longueur des cuvettes et des plats entre 3 et 11 bits de canal. Un bit de canal dure 1 ÷ 4,3218 MHz = 231,4 ns, donc à 1,2 m/s :

• cuvette la plus courte = 3 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 0,833 µm
• cuvette la plus longue = 11 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 3,054 µm

À 1,4 m/s, elles mesurent 0,972 µm et 3,563 µm. Le microscope de la scène montre 3 pistes voisines de cuvettes et la tache du laser, défilant encore 1000 fois plus lentement que le réglage du ralenti, car à 1,3 m/s les 8 µm visibles passeraient en environ 6 µs.

ECMA-130 ajoute que la piste s’enroule vers l’extérieur lorsque le disque tourne dans le sens antihoraire vu du laser. Un CD se lit du centre vers le bord, à l’inverse d’un disque. C’est l’une des cartes « En réalité… » sous les commandes.

Pourquoi la hauteur du son d’un CD reste constante

Un tourne-disque joue plus vite et le son devient plus aigu, car le sillon est l’onde et vous faites passer celle-ci plus vite devant l’aiguille. Un lecteur de CD fonctionne autrement. Le disque tourne à la vitesse nécessaire pour faire passer la piste devant le laser à une vitesse constante de 1,2 à 1,4 m/s ; le moteur tourne donc plus vite près du centre et plus lentement près du bord. À 1,3 m/s :

• à un rayon de 25 mm : 1,3 ÷ (2π × 0,025 m) × 60 = 497 tours par minute
• à un rayon de 58 mm : 1,3 ÷ (2π × 0,058 m) × 60 = 214 tours par minute

Les nombres lus sur le disque entrent dans une petite mémoire, et une horloge à quartz les transmet au convertisseur à exactement 44 100 par seconde et par canal. Si le disque tourne un peu vite, la mémoire se remplit et le lecteur ralentit le moteur. La sortie ne dépend jamais de la vitesse du disque, donc la hauteur ne peut pas varier avec elle.

Sur la scène, régler la vitesse à 150 % sur le lecteur de CD fait tourner le disque plus vite, mais l’affichage indique une hauteur inchangée et le son ne bouge pas. La ligne d’état explique pourquoi.

La piste est longue. Un disque de 74 minutes lu à une vitesse comprise entre 1,2 et 1,4 m/s contient de 74 × 60 × 1,2 = 5328 m à 74 × 60 × 1,4 = 6216 m de spirale, soit entre 5,3 et 6,2 km. Avec un pas de piste de 1,6 µm, la bande entre les rayons de 25 mm et de 58 mm contient (58 − 25) mm ÷ 0,0016 mm = 20 625 tours. 74 minutes de stéréo à 1 411 200 bit/s donnent 74 × 60 × 1 411 200 ÷ 8 = 783,2 millions d’octets audio avant correction d’erreurs.

Ce que peut contenir une face

Le tableau sous les commandes calcule les valeurs de chaque machine à partir de ses paramètres. En résumé :

• étain : 40 tours à environ 60 tours par minute, environ 0,7 minute (estimation)
• cylindre de cire : 400 tours à 160 tours par minute, 2,5 minutes
• 78 tours de 10 pouces : 253 tours à 78,26 tours par minute, environ 3,2 minutes (estimation)
• 78 tours électrique de 12 pouces : 325 tours, environ 4,2 minutes (estimation)
• magnétophone à bobines : 548,6 m (1800 pieds) de bande à 19,05 cm/s, 48 minutes
• cassette compacte C60 : 85,7 m à 4,76 cm/s, 30 minutes par face
• disque compact : 74 minutes

Deux points ressortent. D’abord, l’importance de la longueur d’onde. Le sillon d’un 78 tours passe devant l’aiguille à environ 1 m/s et ne contient que 3 minutes ; une cassette avance 20 fois plus lentement et contient 30 minutes parce que la bande peut conserver des ondes 20 fois plus courtes. Le second est que la vitesse de défilement du CD, 1,3 m/s, est supérieure à celle de tous les sillons, mais qu’il contient 74 minutes parce que ses pistes sont espacées de 1,6 µm au lieu de 265 µm et qu’il conserve des nombres plutôt que l’onde.

Le chiffre du magnétophone à bobines se calcule ainsi : 548,6 m ÷ 0,1905 m/s = 2880 s = 48 minutes sur une bobine de 7 pouces de 1800 pieds. Celui de la cassette correspond aux 30 minutes par face de la C60, nécessitant les 85,7 m calculés plus haut. Celui de l’étain est de 40 tours ÷ 60 tours par minute = 0,67 minute.

Écouter les sillons sans les toucher

Une aiguille use ce qu’elle lit, et un cylindre de cire fissuré ou un disque de cire sur carton peut ne pas survivre du tout à une lecture de plus. Depuis le début des années 2000, des physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory lisent plutôt les sillons avec la lumière. Leur méthode, appelée IRENE, réalise un balayage optique à haute résolution du sillon, calcule le mouvement qu’y aurait eu une pointe de lecture et transforme ce mouvement en fichier sonore, en supprimant au passage rayures et sauts.

La Berkeley Lab Engineering Division décrit le début du projet il y a plus de 20 ans avec la Library of Congress. Un premier travail numérisa plus de 3000 enregistrements sur cire d’Amérindiens issus du Phoebe Hearst Museum of Anthropology de l’UC Berkeley. L’équipe se tourna ensuite vers environ 200 enregistrements expérimentaux du Volta Laboratory d’Alexander Graham Bell dans les années 1880, conservés au National Museum of American History du Smithsonian, certains consistant en de minces couches de cire sur carton de reliure. L’un de ces disques contient la voix de Bell lui-même. En 2025, l’équipe utilisa un programme de reconnaissance vocale pour aider à transcrire un disque Volta très fissuré dont personne n’avait pu comprendre les paroles.

La conservation des enregistrements ordinaires représente la tâche la plus vaste. Le Council on Library and Information Resources et la Library of Congress publièrent en 2010 une étude nationale, The State of Recorded Sound Preservation in the United States, et le rapport de 2006 Capturing Analog Sound for Digital Preservation expose comment transférer sans risque le son analogique. Le propre guide de la Library of Congress sur l’entretien des supports audio traite du rangement et de la manipulation des disques et des bandes.

Les disques numériques demandent aussi des soins. Le NIST et la Library of Congress testèrent des CD et DVD enregistrables en les vieillissant à température et humidité élevées dans une étude de 2005 publiée sous le titre NIST Special Publication 500-263, et les scientifiques de la conservation de la Library poursuivent l’étude de la longévité des CD.

Ce qui distingue le modèle des machines réelles

La scène montre le principe de chaque machine, et certains éléments sont simplifiés.

• Le diamètre de 101,6 mm du tambour d’étain, sa vitesse de 60 tours par minute et sa longueur utile de 4 pouces sont des valeurs du modèle. L’original se tournait à la main à la vitesse choisie par l’opérateur.
• Les rayons des disques et les 96 sillons par pouce des 78 tours sont des valeurs typiques du modèle. Les vrais 78 tours variaient selon le fabricant et l’année.
• Le microscope dessine le sillon, les particules et les cuvettes à partir du signal que vous entendez, avec une amplitude exagérée pour rendre la forme visible. La longueur montrée est celle de la légende ; la profondeur et la largeur ne sont pas à la même échelle.
• Les particules de bande sont dessinées beaucoup plus grandes et moins nombreuses que les vraies, dont la longueur est bien inférieure au micromètre.
• Le CD montre des cuvettes et des plats longs de 3 à 11 bits de canal, mais selon un motif aléatoire, non un véritable son codé. La correction d’erreurs, le codage huit-quatorze et l’asservissement de mise au point sont omis.
• Le son est fabriqué dans votre navigateur : un filtre de bande, un peu de bruit et de craquements et un changement de vitesse. Les limites de bande et les niveaux de bruit sont des valeurs du modèle choisies pour rendre les différences nettes, non des mesures.
• La première scène parcourt un quart de la spirale de l’étain en 6 secondes pour que vous puissiez la voir tourner.