DU PHONOGRAPHE D'EDISON AU MAGNETOPHONE STEREO
Article de E. Aisberg paru en 1970 dans le numéro spécial Haute Fidélité de Science et Vie
Transmettre les images et les sons à travers les trois dimensions de l'espace et à travers la quatrième dimension, celle du temps, a toujours été le rêve des hommes.
En inventant, il y a un siècle et demi, le premier procédé de photographie, Nicéphore Niepce réalisa la transmission à travers le temps des images immobiles. Par la suite, les frères Lumière en firent autant pour les images mobiles. Quant à leur transmission à travers l'espace, elle fut réalisée il y a une cinquantaine d'années par Edouard Belin, créateur de la phototélégraphie. Plus récemment, oeuvre de plusieurs chercheurs de divers pays, la télévision permit de transmettre à travers l'espace des images mobiles.
Et le son ? Chose curieuse, les moyens de sa transmission dans l'espace et dans le temps furent conçus presque simultanément. En effet, c'est en 1876 qu'Alexandre Graham Bell inventa le téléphone. Et, un an plus tard, Thomas Alva Edison devait déposer son premier brevet de phonographe.
Cette quasi-simultanéité n'est point l'effet d'un hasard. Les deux inventions ont été rendues possibles grâce à la réalisation du microphone, appareil qui permet de traduire les ondes sonores par des variations de courant électrique.
Celui que l'on doit considérer comme le plus grand pionnier de la " science-fiction ", Cyrano de Bergerac, raconte dans son roman "Voyage dans la Lune ". écrit il y a trois siècles et demi, que son héros a découvert des "boîtes parlantes " que les Lunaires utilisent à la place de livres.
Au début du XIXème siècle, un physicien anglais, Thomas Young, réalisa un dispositif permettant d'enregistrer graphiquement les vibrations sonores. A cette fin, un corps vibrant sous l'action des sons doit être muni d'un fin stylet qui touche la surface d'un papier recouvert de noir de fumée. Le papier défile sous le stylet dont les mouvements inscrivent ainsi des courbes correspondant à la forme des oscillations sonores.
Au milieu du siècle dernier, le grand chercheur français Lissajous utilisa ce procédé, perfectionné par Léon Scott, en employant un papier enroulé autour d'un cylindre animé d'un double mouvement, celui de rotation et celui de lent déplacement le long de son axe. De la sorte, le tracé du stylet suit sur le cylindre une trajectoire en forme de spirale. Notons que ce même mouvement devait être, par la suite, utilisé aussi bien dans le phonographe que dans le bélinographe.
Mais il ne suffit pas d'enregistrer le son il faut aussi trouver le moyen de le reproduire. Ce moyen fut simultanément conçu par un poète français, Charles Cros, et par le grand inventeur américain, Thomas Alva Edison.
Dans un pli cacheté que Charles Cros déposa, le 30 avril 1877, à l'Académie des Sciences, il décrit en détail le procédé servant à enregistrer le son sous forme d'un graphique à la surface d'un disque de papier noirci, animé d'un mouvement de rotation avec une pointe qui effectue un lent déplacement latéral. Ensuite, faisant appel à des méthodes photographiques, le tracé ainsi obtenu permet de réaliser une gravure en relief sur un disque métallique. Et celui-ci permet de reproduire le son en faisant vibrer une pointe métallique solidaire d'une membrane élastique. L'année suivante, à peine âgé de 36 ans, Charles Cros
devait décéder. Il est à peu près certain que, manquant de moyens, il n'avait jamais réalisé l'appareil de son invention.
Dès le mois de juillet 1877, Edison se livrait à des expériences d'enregistrement et de reproduction du son dans son laboratoire de Western Union à Menloe-Park, près de New York. Le 19 décembre 1877, il déposait son premier brevet; une addition à ce brevet devait être remise le 15 janvier 1888, et c'est là que, pour la première fois, figurait le mot "phonographe". Peu de temps après, fut fondée la Edison Speaking Phonograph Company. Comment était réalisé cet ancêtre des appareils permettant de transmettre le son à travers le temps, qui nous permettent aujourd'hui d'entendre la voix du ténor Enrico Caruso, mort en 1921, et, d'une façon plus générale, assurent la pérennité de toutes les voix et de toute musique qui le méritent? Le premier phono d'Edison se composait essentiellement d'un diaphragme métallique, vibrant sous l'action des ondes sonores, au centre duquel était fixé un stylet dont la pointe s'appuyait sur une feuille d'étain et y gravait des sillons en forme de spirale. La feuille était enroulée autour d'un cylindre mobile; celui-ci d'un diamètre de 4,5 pouces et long de 18 pouces, était monté sur un axe horizontal dont une extrémité était munie d'une manivelle et l'autre, elle-même filetée, passait à travers un écrou-support. De la sorte, lorsqu'on tournait la manivelle, le cylindre, tout en effectuant un mouvement de rotation, se déplaçait horizontalement avec douceur. Lorsqu'une feuille d'étain se trouvait ainsi gravée sous l'action des sons, ceux-ci pouvaient être reproduits par le même appareil. Le relief des sillons défilant sous la pointe du stylet animait celui-ci de vibrations identiques à celles qui avaient servi à l'enregistrement, et les oscillations du diaphragme engendraient des ondes sonores. On était cependant très loin de ce que nous appelons la haute fidélité... Notons que, par la suite, Edison devait apporter au phonographe pas mal de perfectionnements, à commencer par l'emploi d'un pavillon acoustique qui concentre les ondes sonores sur le diaphragme. Il a également expérimenté l'enregistrement sur disque métallique. Mais, dans toutes ses recherches, la gravure des sillons était effectuée selon le principe de profondeur variable. Ce fut notamment le cas des supports cylindriques amovibles en cire qu'il a commencé à utiliser en 1888.
Une fois lancée par Edison, l'idée du phonographe devait se développer rapidement et donner lieu à diverses réalisations industrielles. C'est ainsi qu'un jeune horloger britannique, Charles Summer Tainter, eut, de son côté, l'idée d'effectuer les enregistrements sur des cylindres de cire. Et il fut le premier à remplacer la pointe métallique de gravure par une pointe en saphir.
Cependant, le pas décisif dans l'évolution du phonographe a été franchi par un chercheur allemand, Emile Berliner, né en 1850 à Hanovre, et qui, à plusieurs reprises, s'est rendu aux Etats-Unis où il a gagné une grosse fortune en vendant à la Bell Telephone Company son brevet de microphone perfectionné.
En 1889, de retour dans son pays natal, il présenta le Gramophone, où le son est enregistré sur un disque recouvert de cire, la gravure étant faite non pas en profondeur, mais latéralement. Avec la plus grande loyauté, Berliner déclara que l'idée de ce mode de gravure lui avait été inspirée par les travaux du chercheur français Léon Scott, celui qui a perfectionné le procédé de Thomas Young d'inscription du son.
Dés lors, l'industrie phonographique se développe dans plusieurs pays. C'est ainsi qu'en France les frères Emile et Charles Pathé, d'origine alsacienne, commencent, en 1896, à fabriquer des phonos à cylindre dans une petite serrurerie de Belleville et en font la démonstration et la vente dans un local situé place Pigalle. Reçus avec honneur par Edison, lors de leur passage à New York, les deux frères obtiennent la représentation de son entreprise pour toute l'Europe.
Au début de notre siècle, le phonographe à rouleau était beaucoup plus répandu que le modèle à disques. Peu à peu, cependant, ce dernier devait l'emporter. La pointe de lecture était constituée soit par un saphir, soit par des aiguilles interchangeables. Le moteur mécanique devait, dans des modèles plus récents, être parfois remplacé par un moteur électrique. Et le pavillon occupait un volume considérable.
Quant aux disques, à partir de 1908, ils étaient reproduits par pression et gravés sur les deux faces.
C'est en 1925 qu'apparut le premier disque enregistré par un procédé électrique et non plus mécanique.
Grâce au microphone, on transforme les sons en signaux électriques ; ceux-ci sont amplifiés à l'aide de tubes électroniques. Le courant passe dans un électro-aimant dont le champ variable fait osciller un ressort pourvu d'une pointe graveuse. L'enregistrement ainsi obtenu est d'une qualité très supérieure à celle des procédés mécaniques.
Peu d'années après, l'électronique est venue
apporter son concours à la reproduction. La réversibilité des phénomènes électromagnétiques a conduit à la réalisation de ces lecteurs de son que l'on appelle parfois "pickup" . Conçus selon le même principe que les graveurs électromagnétiques, ils contiennent une armature en fer que font vibrer les aiguilles posées sur les disques. Cela induit des courants variables dans les électro-aimants dont les pôles sont disposés autour de l'armature. Et les courants, après amplification, sont appliqués aux haut-parleurs qui reproduisent fidèlement les sons. Tel est le principe des électrophones. A la place des lecteurs électromagnétiques, ils peuvent aussi employer des lecteurs piézoélectriques où les signaux sont engendrés par des variations de pression sur des cristaux de quartz.
Après la seconde guerre mondiale, on a vu apparaître une nouvelle sorte de disques les " microsillons ". Réalisés en matière plastique, ils comportent un nombre élevé de sillons très fins. Leur vitesse de rotation est de 33 1/3 ou 45 tours par minute, alors que les disques d'avant-guerre faisaient 78 tours par minute. C'est dire qu'à diamètre égal, les disques actuels ont une durée de reproduction bien plus longue.
Là ne s'arrête pas le progrès. Depuis une douzaine d'années, la stéréophonie a fait une entrée victorieuse dans la technique phonographique. Dans le même sillon sont inscrites les voix de gauche et de droite. A l'aide d'un lecteur approprié, on parvient à reproduire distinctement les signaux.
Tout récemment, le disque a pénétré dans le domaine de la télévision. Une grande firme allemande d'électronique a réussi à enregistrer, sur disque en matière plastique souple, des signaux de télévision dont la fréquence s'étend jusqu'à plusieurs millions de hertz (périodes par seconde). A cette fin, le disque tourne à la vitesse de 1 500 rotations par minute, et - chose à peine croyable - comporte 120 à 140 sillons par millimètre de rayon; c'est une densité d'une douzaine de fois supérieure à celle de nos microsillons.
Du moment que le microphone permet de traduire les sons par des courants électriques variables, eux-mêmes capables d'engendrer des champs magnétiques variables, il est naturel de songer à mettre à profit la rémanence des matériaux magnétiques pour la mise en conserve des sons.
Le premier qui a émis cette idée semble être le Français Paul Janet qui, en 1887, proposa de procéder à "l'aimantation transversale d'un conducteur ".
Cependant, le mérite des premières réalisations appartient à l'inventeur danois Waldemar Poulsen. Né en 1869, il fit tout d'abord des études de médecine, mais bien vite s'orienta vers l'électrotechnique. Même dans le domaine de la radio, il a été l'un des premiers à concevoir un moyen original de production des oscillations entretenues de haute fréquence, par un "arc chantant" réalisé à l'aide d'un arc voltaïque fonctionnant dans une atmosphère de vapeurs d'alcool.
Le 10 novembre 1898, Poulsen déposa son premier brevet d'enregistreur magnétique sur
fil d'acier. Et il en présenta un modèle à l'Exposition Universelle de Paris, en 1900, ce qui lui valut le Grand Prix.
Son appareil se composait d'un cylindre rotatif, analogue à celui des phonographes d'Edison, entouré d'un long fil d'acier disposé en spirale. Un électro-aimant, parcouru par les courants microphoniques, était disposé de telle sorte que le fil d'acier défilait devant son entrefer et se trouvait ainsi aimanté par les champs magnétiques variables. Pour reproduire le son, il suffisait d'animer le cylindre du même mouvement et de brancher un casque
à la sortie de l'électro-aimant. Les courants induits par les champs magnétiques permettaient de reproduire les sons enregistrés. Trois ans plus tard, Poulsen fonda, aux Etats Unis, avec son ami Pedersen. une entreprise de fabrication de ces enregistreurs, la Telegrapbon Company. En 1908, un de ses appareils a permis d'enregistrer 14 heures de conférences prononcées au Congrès International Technique de Copenhague, sur 2 500 km de fil d'acier enroulé en bobines et défilant dans l'entrefer à la vitesse de 2,85 m par seconde. Cependant, les appareils servant à enregistrer et à reproduire les sons sans amplifier les signaux électriques étaient très imparfaits. Et durant des années, en dépit des premières réussites de Poulsen, on n'en parla plus.
Au début des années 20, on reprit l'étude du problème en faisant appel aux amplificateurs à triodes. Le chercheur géorgien Nasarichwily émit l'idée d'utiliser comme support d'enregistrement un ruban souple, recouvert de poudre de fer, idée déjà précédemment formulée par l'Anglais Oberlin Smith. Mais le chercheur russe alla plus loin il proposa d'enregistrer le long des rails de chemin de fer des instructions pour les conducteurs des trains. Et il expérimenta ce procédé sur les chemins de fer du Caucase en aimantant convenablement les rails.
Les premières bandes magnétiques ont été réalisées en 1927, à Dresde, par Fritz Pfleumer. La grande firme allemande AEG, vivement intéressée par la question, incita l'entreprise d'industrie chimique I.G. Farben à entreprendre la fabrication de ces bandes.
Ainsi, en 1935, à l'Exposition allemande de Radio, à Berlin. a-t-on pu voir et entendre un magnétophone dont le ruban défilait à la vitesse de 1 m/s et qui était capable de reproduire des sons de fréquences comprises entre 50 et 6 000 Hz.
La vitesse de défilement a pu être de plus en plus réduite sans que la gamme de fréquences du son enregistré en soit rétrécie. En effet, ce qui compte en la matière, c'est, d'une part, la finesse des grains de fer servant de porteurs d'aimantation et, d'autre part, la largeur de l'entrefer des électro-aimants employés pour l'enregistrement et la reproduction. (Notons que très souvent la même tête magnétique est capable d'accomplir les deux fonctions.)
Ainsi, de nos jours, dispose-t-on de magnétophones avec des vitesses de 39 ou de 19 ou de 9,5 ou de 4,75 cm/s. Il existe même des dictaphones dont le ruban se déplace à la vitesse (si l'un peut dire !) de 2.4 cm/s, ce qui suffit pour reproduire correctement la bande de fréquences de la parole.
Le plus souvent, on utilise une bande magnétique de 6,33 mm et. depuis 1950. l'on peut y inscrire deux pistes. Plus récemment, avec l'avènement de la stéréophonie, la même bande peut enregistrer 4 pistes.
En plus du courant microphonique amplifié, la tête d'enregistrement est parcourue par un courant supersonique (de 30 à 50 kilohertz) servant à assurer une pré-magnétisation en agitant les molécules de fer. Ce procédé a été préconisé, dès 1927. par les Anglais Carlson et Carpenter.
Ce même courant supersonique, aussi bien d'ailleurs qu'un courant continu (idée émise par Poulsen en 1907). sert à effacer l'enregistrement.
Notons enfin qu'en plus de la bande normale, se répand actuellement l'usage des bandes plus étroites, placées dans des cassettes. Il existe aussi des dictaphones où le support magnétique se présente sous la forme d'un mince disque ou d'une feuille, ce qui facilite leur envoi par la poste.
Jusqu'en 1930 le cinéma projetait des films muets en les faisant accompagner de la musique d'un pianiste ou d'un orchestre présent dans la salle. L'avènement du film sonore que, à l'époque, on qualifiait surtout de " parlant ", date donc d'une quarantaine d'années. Et pourtant, dès le début de notre siècle, des tentatives ont été faites pour que les images vivantes soient en même temps sonores. Le grand pionnier français du cinéma Léon Gaumont était hanté par cette idée dès 1900. Il parvint à établir une liaison mécanique entre une caméra de projection de films et un phonographe. Le résultat ne fut pas très satisfaisant en raison des vibrations que le projecteur communiquait au reproducteur de son. Gaumont y remédia en substituant à la liaison mécanique une liaison électrique. Et c'est ainsi que, le 12 septembre 1902, il put faire la démonstration d'un film sonore devant la Société Française de Photographie.
Par la suite, il améliora la qualité de la reproduction en employant un ingénieux procédé d'amplification du son à l'aide d'air comprimé. Et, le 27 décembre 1910, il présenta devant l'Académie des Sciences le " portrait parlant" du professeur d'Arsonval reproduit par son " chronophone ".
Cependant, le véritable avènement du film sonore date seulement de quarante ans et a été déclenché par l'emploi de l'enregistrement photographique du son sur le film même, en marge des images qu'il porte.
L'idée d'un tel procédé date du début de notre siècle, au même titre que celle de l'emploi associé du cinéma et du phono. C'est un chercheur anglais, W. Duddel, qui, en 1900, proposa d'enregistrer les sons sur des surfaces photosensibles à l'aide d'un arc dont la luminosité varie sous l'action des courants microphoniques.
Peu d'années après, un Français établi aux Etats-Unis, Eugène Lauste, proposa d'appliquer au cinéma l'enregistrement lumineux du son. En 1908, il réalisa divers modèles de " valves lumineuses " permettant de moduler un rayon lumineux par des signaux électriques.
Une valve assurant les mêmes fonctions devait
par la suite être conçue par Lee de Forest, celui qui, en 1906, inventa le premier tube électronique.
Peu à peu, le principe de l'enregistrement photographique se répandit parmi de nombreux chercheurs de divers pays. C'est ainsi que l'inventeur allemand Hans Vogt, dont on a fêté, le 25 septembre dernier, le 80e anniversaire, parvint, il y a un demi-siècle, à réaliser une lampe à luminescence à gaz rare dont la lueur varie en intensité sous l'influence de signaux électriques. En février 1921, il a pu ainsi réaliser un premier film sonore. En septembre 1922, dans le cinéma berlinois " Alhambra ", il en projeta un autre devant plus de mille spectateurs.
Le principe de l'enregistrement photographique du son sur le film même a donné lieu à des réalisations très variées. On peut les diviser en deux grandes catégories:
1) Inscriptions à opacité constante et surface variable.
2) Inscriptions à surface constante et opacité variable.
Les premières sont obtenues en projetant sur le film un rayon de lumière dont la section subit des rétrécissements variables en passant à travers un diaphragme dont l'ouverture varie sous l'action des signaux microphoniques.
Pour obtenir des enregistrements à opacité variable, on doit employer soit des sources de lumière de brillance variant sous l'action des signaux électriques, soit des rayons lumineux passant à travers un filtre dont varie la transparence. Ce dernier effet peut être notamment obtenu en utilisant une cellule de Kerr où l'angle de polarisation de la lumière varie sous l'action d'un champ électrique.
Quant à la reproduction de son inscrit sur film par l'une des méthodes décrites ci-dessus, elle est obtenue en projetant un rayon lumineux sur une cellule photo-électrique à travers la partie marginale du film portant l'enregistrement du son.
Ajoutons que l'on peut également employer pour la sonorisation des films la méthode d'enregistrement magnétique. C'est ce que l'on fait notamment pour la
" post-synchronisation " des films d'amateurs, en recouvrant leur marge d'une couche de fine poudre de fer.
Mécanique, magnétisme, lumière... Quel que soit le procédé employé, on parvient, de nos jours, à enregistrer et à reproduire les sons avec une fidélité parfaite.
La musique est ainsi largement répandue dans toutes les populations du monde. Et les voix des grands hommes leur survivent dans l'éternité. Le son et l'image ont parfaitement conquis les quatre dimensions de l'espace-temps pour le plus grand bien de l'humanité.
Comme le suggère Aisberg dans sa conclusion lyrique, tout avait été trouvé en 1970. Les années 1970 à 2000 n'ont vu que des perfectionnements (O combien spectaculaires !) de toutes ces inventions. Le "tout numérique" a révolutionné ces techniques en les portant près de la perfection. Que nous réserve le XXIème siècle en ce domaine? De grandes surprises sans doute pour ceux qui auront gardé la faculté d'émerveillement....(note du webmaster)