Comment un disque vinyle garde le son

Ce que montre le modèle

Tenez un disque face à la lumière et vous verrez la musique, un peu. Les passages forts paraissent plus rugueux et plus larges que les passages doux, et les blancs entre les chansons forment des anneaux lisses et brillants. Ce que l’œil nu ne montre pas, c’est comment une simple rayure dans du plastique parvient à porter tout un orchestre, en stéréo.

Ce modèle suit le son du sillon jusqu’au fil. Il comprend une platine avec un LP de 12 pouces, un bras pivotant et une cellule à aimant mobile, plus une seconde scène qui montre le sillon sous la pointe jusqu’à environ 2000 fois. Vous pouvez passer de 33⅓ à 45 ou 78 tours, déplacer la pointe du premier sillon au dernier, ralentir le temps jusqu’à 1000 fois et écouter un court air que la page fabrique avec la Web Audio API. Le son reste coupé tant que vous ne l’activez pas.

Une ondulation dans le sillon, c’est un son

Dans l’air, le son est une onde de pression. Un microphone la transforme en un signal électrique qui monte et descend de la même façon, et un tour de gravure retransforme ce signal en mouvement : un burin acéré oscille de gauche à droite pendant qu’un disque de laque tourne en dessous. Le burin laisse un sillon en spirale qui ondule exactement comme le signal. À la lecture, la chaîne fonctionne à l’envers. Une pointe suit le sillon, les ondulations la poussent d’un côté et de l’autre, et la cellule retransforme ce mouvement en tension.

Un sillon est donc un graphique du son, où le temps court le long de la spirale. Une ondulation complète est un cycle de l’onde. L’air de cette page commence par un mi au-dessus du do central, à 659 Hz sur le canal gauche : le sillon de cette note ondule donc 659 fois pour chaque seconde de passage sous la pointe.

Quelle est la longueur d’une de ces ondulations ? Tout dépend de la vitesse du sillon. Au début de la face, la pointe est à 146 mm du centre, et à 33⅓ tours le sillon défile à 2π × 0,146 m × 33,33 / 60 = 0,510 m/s. Divisé par 659 Hz, chaque ondulation mesure 0,774 mm. La même note près de l’étiquette, à un rayon de 60,3 mm, avance à 0,210 m/s et se resserre en 0,319 mm. Activez le « Ralenti » dans la vue du sillon pour voir ces ondulations glisser devant la pointe.

Le sillon au microscope

Un sillon stéréo moderne est un V creusé dans le vinyle, dont les deux flancs forment un angle de 90° : chaque flanc penche donc de 45° par rapport à la verticale. Dans ce modèle, le sillon fait 60 µm de large en haut et 30 µm de profondeur. Une face du disque dure 22 minutes, soit à 33⅓ tours 22 × 33,33 = 733 tours de spirale. Ils doivent tenir entre les rayons de 146 mm et 60,3 mm, si bien que l’écart moyen d’une spire à la suivante vaut (146 − 60,3) / 733 = 0,117 mm. Cela fait 8,6 sillons par millimètre, environ 217 au pouce. Sur un vrai disque, l’écart varie : le tour de gravure l’ouvre pour les basses fortes et le resserre dans les passages calmes, d’où les bandes brillantes si faciles à repérer entre les chansons.

La pointe est un diamant poli à l’extrémité arrondie. Ce modèle utilise un rayon de pointe de 0,7 millième de pouce, soit 17,8 µm. Une bille de cette taille ne peut pas atteindre le fond d’un sillon à 90°. Son centre se trouve à 17,8 × √2 = 25,2 µm au-dessus du fond, et elle touche chaque flanc en un point situé environ 17 µm sous la surface. C’est voulu. La pointe repose sur les deux flancs, qui la guident tous les deux, et la poussière déposée au fond du sillon n’est pas touchée.

De combien les ondulations s’écartent-elles sur le côté ? Les cellules sont spécifiées pour une vitesse de sillon de 5 cm/s, un niveau de référence courant. À 1000 Hz, cette vitesse demande un déplacement de crête de 0,05 / (2π × 1000) = 8,0 µm. L’air du modèle utilise 10 µm sur le canal gauche et 12 µm sur le droit, soit une excursion d’environ un sixième de la largeur du sillon. Dans la vue 3D, les ondulations sont dessinées deux fois plus grandes qu’en réalité pour qu’on puisse simplement les voir.

Deux flancs à 45 degrés portent deux canaux

Un sillon mono n’a besoin que de bouger latéralement. La stéréo exige deux signaux indépendants dans un seul sillon, lus par une seule pointe. La solution adoptée par les fabricants de disques s’appelle le système 45/45. Le burin est entraîné selon deux directions perpendiculaires, chacune inclinée de 45° par rapport à la verticale, et chaque direction correspond à un canal. Sur les disques standard, le canal gauche déplace la pointe perpendiculairement au flanc intérieur, le plus proche de l’étiquette, et le canal droit perpendiculairement au flanc extérieur. Dans la vue au microscope, les flancs intérieurs sont teintés en bleu et les flancs extérieurs en orange.

Le plus astucieux, c’est ce qui se passe quand les deux canaux portent le même son. Ajoutez une poussée à 45° vers le haut et la gauche à une poussée égale à 45° vers le bas et la gauche : les composantes verticales s’annulent et il reste un mouvement purement latéral. C’est exactement le sillon d’un disque mono, si bien qu’un lecteur mono peut lire un disque stéréo et un lecteur stéréo un disque mono. Quand les deux canaux sont opposés, ce sont les composantes latérales qui s’annulent et la pointe ne fait que monter et descendre. Les trois cas donnent : gauche seul donne (0,707 ; 0,707), gauche égal à droite donne (1,414 ; 0) et gauche opposé à droite donne (0 ; 1,414).

Utilisez la commande « Canaux » pour l’entendre et le voir. Avec le seul canal gauche, la pointe glisse le long du flanc extérieur et seul le flanc intérieur change de forme. Un article de magazine de 1958 disait la même chose : c’est le mouvement de la pointe qui porte les canaux, et dire que chaque flanc contient un enregistrement est un raccourci commode plutôt que toute l’histoire.

Comment la cellule transforme le mouvement en tension

La pointe est au bout d’un cantilever, un fin tube d’aluminium d’environ 5,5 mm. Près de son autre extrémité, le cantilever traverse un amortisseur en caoutchouc qui sert de pivot, et derrière ce pivot il porte un minuscule aimant. Quand le sillon pousse la pointe d’un côté, l’aimant part de l’autre entre quatre bobines fixes, deux par canal, placées à 45° pour correspondre aux flancs du sillon.

Un aimant en mouvement fait varier le flux magnétique à travers une bobine, et la loi de Faraday dit que la tension dans la bobine est proportionnelle à la vitesse de variation de ce flux. Une cellule magnétique mesure donc une vitesse, pas une position. Une cellule à aimant mobile typique donne 3 à 6 mV à la référence de 5 cm/s. Le modèle prend 5 mV. Le mi du canal gauche, à 659 Hz avec une excursion de 10 µm, atteint une vitesse de crête de 2π × 659 × 10 µm = 4,1 cm/s, ce qui donne environ 4,1 mV. L’écran de sortie des bobines, sous la scène, trace les deux canaux en tension sur les 6 dernières ms.

Il y a un hic. Si le sillon était gravé pour donner la même tension à toutes les fréquences, les basses demanderaient des excursions latérales énormes, assez larges pour empiéter sur le sillon voisin, et les aigus des excursions si petites qu’elles se perdraient dans le souffle. On grave donc les disques avec les basses atténuées et les aigus relevés, selon la courbe RIAA, de constantes de temps 3180, 318 et 75 µs. Le préamplificateur phono applique la courbe exactement inverse. L’air de ce modèle se situe entre 196 et 880 Hz, une zone où la courbe varie peu, et le modèle s’en passe donc.

Vitesse sous la pointe à 33⅓, 45 et 78 tours

Chaque point d’un disque en rotation fait un tour par tour, mais les points extérieurs ont plus de chemin à parcourir. La vitesse du sillon sous la pointe vaut v = 2πr × rpm / 60.

Le rapport entre l’extérieur et l’intérieur vaut 146 / 60,3 = 2,42 à toutes les vitesses. Au début d’une face de LP, le sillon passe sous la pointe à 1,8 km/h, l’allure d’une promenade lente. Près de l’étiquette, il ne fait plus qu’environ 0,8 km/h.

Pourquoi les sillons intérieurs sont plus difficiles à lire

Un sillon plus lent signifie des ondulations plus courtes. Un son de 20 kHz au bord extérieur d’un LP a une longueur d’onde de 0,510 / 20 000 = 25,5 µm. Près de l’étiquette, elle n’est plus que de 10,5 µm. La pointe de ce modèle fait 35,6 µm de large, plus de trois fois cette ondulation intérieure. Une pointe ronde ne peut pas suivre une courbe bien plus serrée qu’elle-même : vers la fin d’une face, les aigus perdent du détail et se chargent de distorsion. C’est pourquoi les ingénieurs de mastering placent souvent les chansons calmes ou peu exigeantes en dernier, et pourquoi certaines rééditions audiophiles sont gravées à 45 tours sur deux disques : à 45 tours, chaque longueur d’onde est 1,35 fois plus longue.

Le bras pivotant ajoute un effet plus faible. Le tour de gravure déplace son burin en ligne droite le long d’un rayon, alors que la pointe décrit un arc. Dans le modèle, la coquille est inclinée de 20,7° pour que la cellule soit alignée sur le sillon à un rayon de 100 mm. Ailleurs, elle est légèrement décalée, et le bras tourne de 22,6° du premier sillon au dernier.

Changer la vitesse change la hauteur du son

Le sillon ne contient aucune horloge. Il ne contient que des ondulations à la file, et c’est la platine qui décide de leur cadence. Le disque du modèle a été gravé pour 33⅓ tours. Lisez-le à 45 tours et chaque ondulation arrive 45 / 33,33 = 1,35 fois plus souvent : chaque fréquence est multipliée par 1,35. En musique, cela fait 12 × log₂(1,35) = 5,2 demi-tons plus haut, un peu plus qu’une quarte, et l’air va aussi 1,35 fois plus vite. À 78 tours, le facteur est de 2,34, soit 14,7 demi-tons, plus d’une octave. Un la à 440 Hz sort à 594 Hz à 45 tours et à 1030 Hz à 78 tours.

Appuyez sur les boutons de vitesse sous la scène avec le son activé et vous entendrez exactement cela. La page joue le même tampon enregistré et ne change que sa vitesse de lecture, comme le plateau ne change que sa vitesse de rotation.

Quelle longueur fait le sillon d’une face ?

Chaque tour de la spirale est un cercle d’un rayon un peu plus petit que le précédent. En moyenne sur la face, le rayon vaut (146 + 60,3) / 2 = 103,15 mm, donc un tour moyen mesure 2π × 103,15 mm = 0,648 m. Multiplié par 733 tours, une face contient 475 m de sillon, presque un demi-kilomètre. Les deux faces réunies font environ 0,95 km. Une somme numérique le long de la spirale exacte donne 475,28 m : le raccourci du cercle moyen est donc juste à bien moins d’un millimètre par tour.

Une jolie vérification : 475 m en 22 minutes font 0,360 m/s, exactement la vitesse du sillon au rayon moyen de 103,15 mm. Sur une face, la pointe parcourt la longueur d’environ quatre terrains de football et demi tout en ne se rapprochant du centre que de 85,7 mm.

Cylindres, 78 tours, LP et 45 tours côte à côte

La liste sous la scène compare 23 supports sonores, de la feuille d’étain d’Edison au vidéodisque à sillon de RCA. Choisissez-y un disque et le modèle met un disque de cette taille à sa vitesse. Deux nombres expliquent l’essentiel des différences : la vitesse du sillon et sa longueur.

La liste montre clairement un gros avantage du cylindre. Chaque tour du sillon d’un cylindre a la même longueur, donc la vitesse de surface ne change jamais. Un cylindre de cire standard mesure 2¼ pouces de diamètre, et aux 120 tr/min des premiers enregistrements sa surface défile à π × 0,0572 m × 120 / 60 = 0,36 m/s de la première note à la dernière. La Bibliothèque du Congrès note que cette vitesse constante expliquait en partie la qualité de son son. Le disque y a renoncé en échange d’une forme plate, d’un pressage bon marché et d’un rangement facile.

La vitesse au bord vaut π × diamètre × rpm / 60, celle qu’aurait un sillon tout au bord. La musique commence un peu à l’intérieur. Un 78 tours fait défiler son sillon deux fois plus vite qu’un LP, ce qui permettait aux disques en gomme-laque, aux sillons grossiers, d’enregistrer quand même les aigus. Le LP a ralenti et a compensé avec un microsillon bien plus fin, si bien que les mêmes 12 pouces contiennent 22 minutes au lieu d’environ quatre et demie. Le 45 tours a fait l’inverse côté taille : un disque de 7 pouces à 45 tours fait défiler son sillon extérieur à peu près à la vitesse d’un LP de 10 pouces. En Corée, le 78 tours est souvent appelé disque SP, et le 45 tours à grand trou central est connu sous le nom de disque beignet.

Un vidéodisque CED contenait 60 minutes de vidéo sur chaque face d’un disque de 12 pouces. Une pointe lisait les signaux inscrits dans son sillon.

Vitesse et longueur du sillon : une vérification chiffrée

Les chiffres des sections précédentes se vérifient chacun en une ligne de calcul, et le faire à la main est le meilleur moyen de leur faire confiance. Prenons le début d’une face à 33⅓ tours/min. Un tour dure 60 / 33,33 = 1,8 s. Le sillon y est un cercle de 146 mm de rayon, donc un tour mesure 2π × 0,146 = 0,917 m, et 0,917 m en 1,8 s font 0,510 m/s, soit environ 51 cm/s. Près de l’étiquette, le rayon est de 60,3 mm, un tour mesure 0,379 m et 0,379 / 1,8 = 0,210 m/s, soit environ 21 cm/s. Le sillon extérieur défile donc sous la pointe à environ 50 cm/s et le sillon intérieur à environ 20 cm/s, comme l’indique l’affichage de vitesse quand on fait glisser le curseur Pointe à.

Les deux mêmes grandeurs donnent la longueur du sillon d’une face, sans aucun artifice de moyenne. Faites glisser la pointe jusqu’à la fin de la face et lisez Sillon parcouru : le compteur atteint environ 475 m après 22 minutes. Divisez par la durée, 475 m / 1320 s, et vous obtenez 0,360 m/s. C’est la vitesse au rayon moyen, ce qui est logique : la pointe passe le même temps sur chaque tour, mais chaque tour est un peu plus court.

Amplitude et fréquence : pourquoi la courbe RIAA existe

Un sillon garde deux choses à la fois. L’écart latéral de la pointe est l’amplitude, et le nombre d’oscillations par seconde est la fréquence. Une cellule magnétique ne réagit pas à l’excursion elle-même mais à sa vitesse, et pour un son pur la vitesse maximale vaut 2π × fréquence × excursion. Si un disque était gravé de façon que toutes les notes aient la même excursion, la tension de la cellule croîtrait proportionnellement à la fréquence, et les basses seraient 1000 fois plus faibles qu’un aigu 1000 fois plus haut. S’il était gravé de façon que toutes les notes aient la même vitesse, une note de 20 Hz demanderait une excursion 50 fois plus grande qu’une note de 1000 Hz, et le sillon déborderait sur son voisin.

L’industrie a adopté un compromis, la courbe RIAA, définie par trois constantes de temps : 3180 µs, 318 µs et 75 µs. Elles correspondent à des fréquences de coupure de 1 / (2π × 3,18 ms) = 50 Hz, 1 / (2π × 0,318 ms) = 500 Hz et 1 / (2π × 75 µs) = 2122 Hz. Calculé avec ces constantes, le disque est gravé avec les basses atténuées d’environ 19 dB à 20 Hz et 13 dB à 100 Hz, par rapport à 1000 Hz, et les aigus relevés d’environ 14 dB à 10 kHz et 20 dB à 20 kHz. Le préamplificateur phono applique exactement l’inverse. Texas Instruments décrit les mêmes trois constantes, 3180 µs, 318 µs et 75 µs, dans sa note d’application sur un préamplificateur phono. L’excursion des basses reste ainsi d’une taille que le sillon peut porter, et les aigus restent bien au-dessus du bruit du vinyle. En prime, les rayures et les craquements, qui sont surtout de haute fréquence, sont atténués par le préamplificateur en même temps que le relèvement des aigus.

Le sillon 45/45 en chiffres

Dans le système 45/45, chaque flanc du sillon porte un canal. Les deux directions de mouvement sont à angle droit, donc elles n’interfèrent pas : pousser la pointe dans la direction du canal gauche ne la déplace pas du tout dans la direction du canal droit. Quand les deux canaux portent le même signal, les deux mouvements s’additionnent en une oscillation purement latérale, ce que fait exactement un sillon mono. C’est pourquoi un disque mono pouvait être lu avec une cellule stéréo, et pourquoi, avec des signaux égaux, la vue du sillon ressemble à une simple ondulation latérale. Quand les deux canaux portent des signaux opposés, la pointe se déplace au contraire de haut en bas, le mouvement en profondeur des cylindres d’Edison.

Utilisez le choix du canal sous la scène pour le voir. Avec G seul, la pointe se déplace à 45° vers le flanc intérieur, avec D seul vers le flanc extérieur, et avec G + D le mouvement est la somme des deux. Dans le modèle, le canal gauche oscille de 10 µm et le canal droit de 12 µm, si bien que les mouvements diagonaux se combinent en une trajectoire ni purement latérale ni purement verticale.

Usure et force d’appui

La pointe doit appuyer assez fort pour rester dans le sillon quand les ondulations cherchent à la projeter dehors, si bien que le bras applique une petite force vers le bas. Dans ce modèle, la pointe touche chaque flanc en un point de quelques micromètres seulement. À titre d’illustration, avec des valeurs supposées, une force de 1,5 g, soit 0,0147 N, répartie sur deux zones de contact de 10 µm × 10 µm chacune, donne une pression de 0,0147 / (2 × 1 × 10⁻¹⁰ m²) = 7,4 × 10⁷ Pa, soit environ 740 atmosphères. Ce ne sont pas des valeurs mesurées et la surface de contact réelle change à mesure que la pointe se rode, mais elles montrent pourquoi un disque peut s’user, et pourquoi la pointe est en diamant. La poussière dans le sillon est pressée contre les flancs sous la même pression, d’où l’intérêt de nettoyer un disque avant de le jouer. Le modèle laisse de côté la force d’appui, et la pointe ne perd jamais le contact.

La seconde vie du disque : les ventes

Le vinyle n’a pas simplement disparu à l’arrivée du disque compact et du streaming. La Recording Industry Association of America, dans son rapport de revenus de fin 2024, indique que le vinyle a poursuivi un essor de près de 20 ans tandis que le chiffre d’affaires total de la musique aux États-Unis progressait de 3 % pour atteindre 17,7 milliards de dollars en valeur de détail estimée. La RIAA publie aussi ses chiffres de ventes annuels dans une base de données en ligne où l’on peut comparer chaque format dans le temps. Un disque est un objet physique que l’on tient en main, et sa grande pochette, sa durée fixe et le fait qu’il faille le retourner après 22 minutes sont justement ce que disent aimer ceux qui y reviennent.

Idées reçues

• L’aiguille brûle le son hors du disque. La pointe ne fait fondre ni brûler quoi que ce soit. Elle suit mécaniquement les flancs du sillon, et le son est produit par la cellule.
• On voit les ondulations du sillon comme le son. Elles ne mesurent que 8 à 12 µm de large, bien moins que ce que l’œil distingue. Ce que l’on voit comme des bandes, ce sont des variations d’espacement du sillon.
• Le vinyle sonne mieux parce qu’il a plus de détails. Un disque vinyle a un rapport signal/bruit limité et perd des aigus vers l’étiquette. Son caractère vient de cela et de la chaîne de gravure et de lecture, pas de détails en plus.
• Un disque a la même vitesse de sillon partout. La vitesse près de l’étiquette ne vaut que 41 % de celle du bord, comme le montre le tableau ci-dessus.
• Les cellules stéréo abîment les disques mono. Un sillon mono ne bouge que latéralement, et une cellule stéréo lit les deux flancs avec le même signal.

À essayer à l’écran

1. Appuyez sur Activer le son, changez la vitesse entre 33⅓, 45 et 78 tours/min et écoutez la hauteur monter. Lisez la valeur de Hauteur : elle indique 5,2 demi-tons à 45 tours/min.
2. Faites glisser Pointe à du premier au dernier sillon. L’affichage de Vitesse du sillon passe de 0,510 m/s à 0,210 m/s et celui de Longueur d’onde diminue avec elle.
3. Choisissez G seul, puis D seul, puis G + D, et regardez l’écran de sortie des bobines. Chaque canal commande sa propre paire de bobines.
4. Passez le Zoom sur Pointe et regardez où elle touche les flancs. Elle n’atteint pas le fond du sillon.
5. Ouvrez la liste des formats et choisissez le LP de 12 pouces, puis le 45 tours de 7 pouces et le vidéodisque CED. La vitesse au bord passe de 0,53 m/s à 0,42 m/s puis à 7,07 m/s.

Ce que ce modèle simplifie

• Le sillon a un fond pointu et des flancs droits. Les vrais burins laissent un petit fond arrondi.
• L’écart entre les sillons est constant. Les vrais tours de gravure le font varier avec la musique.
• L’air est gravé comme un signal plat, sans courbe RIAA, si bien que les tensions des bobines correspondent directement au sillon.
• Le mouvement de la cellule est dessiné 45 fois plus grand que nature et les ondulations du sillon 3D deux fois plus grandes. Les écrans sous la scène utilisent les vraies unités.
• La force d’appui, l’antiskating et l’élasticité du cantilever sont laissés de côté. La pointe suit parfaitement le sillon.

De la feuille d’étain au microsillon

Selon la Bibliothèque du Congrès, Thomas Edison esquissa en juillet 1877 une machine qui enregistrerait le son en l’imprimant dans une feuille d’étain. Le premier phonographe à feuille d’étain fut construit plus tard la même année par son mécanicien John Kruesi. La Bibliothèque note que la fameuse date du 12 août est douteuse, car Edison ne déposa son brevet que le 24 décembre 1877 et le journal de son assistant Charles Batchelor laisse penser que la machine fut construite début décembre. La machine d’Edison et les cylindres de cire qui lui succédèrent gravaient leurs sillons de haut en bas, une gravure dite verticale.

Emile Berliner choisit le côté. Le 8 novembre 1887, il obtint un brevet pour le gramophone, qui enregistrait avec un sillon latéral de profondeur constante, et peu après il fit passer l’enregistrement sur un disque plat. Les disques pouvaient être pressés en grand nombre à partir d’une matrice, et dans les années 1910 ils avaient écarté les cylindres. Pendant un demi-siècle, la plupart des disques furent en gomme-laque et tournèrent à environ 78 tours.

La Bibliothèque du Congrès date l’étape suivante de juin 1948, quand Columbia présenta le disque « Long Playing », un 12 pouces à 33⅓ tours avec un microsillon bien plus fin. RCA Victor répondit en 1949 avec le disque de 7 pouces à 45 tours et un changeur de disques, et le musée The Henry Ford conserve l’un de ces premiers électrophones RCA 45 tours. Un brevet pour graver deux canaux sur les deux flancs d’un même sillon fut accordé à W. Bartlett Jones dès 1932, et les premiers LP stéréo du commerce parurent sur le label Audio Fidelity en novembre 1957.