Magnétophone
Bande magnétique et magnétophone
Cassette audio et lecteur de cassette
Définition rapide :
Une bande magnétique est un enregistrement du signal analogique de la musique (signal électrique modulé) sous forme d’un signal magnétique.
L’enregistrement comme la lecture est réalisé par un magnétophone dont la ou les têtes sont des transducteurs qui transforment le signal électrique analogique en signal magnétique analogique ou inversement.
Détails :
Principes de fonctionnement
Les 2 dispositifs fondamentaux de l’enregistrement magnétique reposent sur les propriétés de la bobine électrique et des matériaux aimantables comme le fer. Une bobine électrique est un enroulement d’un fil de cuivre. Quand on approche un aimant de la bobine, un courant électrique apparaît. Les électrons libres à la surface du métal sont mis en mouvement par le champ magnétique de l’aimant. Quand on fait circuler un courant électrique dans une bobine, un champ magnétique apparaît. Elle devient électroaimant.
Les matériaux aimantables, quant à eux, nous sont familiers. Il s’agit des aimants, comme les magnets du frigo. Ces métaux ou oxydes métalliques ont la capacité de conserver le champ magnétique qu’on leur a préalablement appliqué, c’est la rémanence. Deux trombones de bureau ne s’attirent pas. Si l’on applique un aimant sur l’un d’eux et qu’ensuite on l’approche du deuxième, les 2 trombones se collent. En effet, le premier a conservé une certaine quantité de l’intensité du champ magnétique de l’aimant.
Avec ces 2 principes réversibles, nous pouvons appréhender le fonctionnement d’un magnétophone et de sa bande magnétique.
Le microphone de studio transforme le son en signal électrique analogique. C’est-à-dire que la forme de l’onde sinusoïdale électrique est semblable à celle de l’onde sonore. Ce signal électrique est injecté dans la tête du magnétophone dont la bobine joue le rôle d’électroaimant. Le signal électrique est alors transformé en champ magnétique analogique. Dans le même temps, la bande magnétique défile devant la tête du magnétophone. Les petites aiguilles métalliques uniformément réparties sur la bande sont aimantées. Ces aiguilles métalliques conservent les variations du champ magnétique du signal audio et la musique est enregistrée.
Lors de la lecture, la bande magnétique défile devant la tête du magnétophone et sa bobine reçoit le champ magnétique de la bande qu’elle transforme en signal électrique analogique. Ce signal est amplifié pour être diffusé sur des haut-parleurs.
Magnétophone à fil et à ruban d’acier
1934 – AEG présente son premier lecteur enregistreur K1
Présentation des bandes magnétiques
Les formats de bandes magnétiques audio encore présentes sur le marché et destinées au public sont ;
- La bobine ¼ de pouce ou 6,35 mm dont les vitesses d’enregistrement et de lecture sont de 9,5 ; 19 ; voire 38 cm/s. Elles ont 2 pistes magnétiques pour la stéréophonie (1 piste par canal).
- La cassette audio (K7) de 3,81 mm dont la vitesse d’enregistrement et de lecture est de 4,75 cm/s. Elles ont 4 pistes pour la stéréophonie sur les 2 faces de la cassette.
La bande magnétique est constituée d’un ruban en polyester résistant à la traction sur lequel sont déposées des aiguilles d’oxydes métalliques d’une longueur d’environ 0,3 µm (micromètre).
Les aiguilles aimantables sont des cristaux d’oxyde de fer (Fe2O3) ou de dioxyde de chrome (CrO2). Ces cristaux sont alignés dans le sens de défilement de la bande à l’aide d’un champ magnétique. Leur répartition doit être suffisamment dense et homogène. Ils sont ensuite fixés par un liant. La surface des pistes magnétiques doit être parfaitement lisse pour limiter le bruit et l’usure des têtes du magnétophone. Afin de limiter les frottements, la bande est recouverte d’un lubrifiant sec.
La bande magnétique présente 3 grandeurs physiques qui varient en fonction du signal enregistré.
L’aimantation.
Le flux magnétique.
Et, l’induction superficielle qui est perpendiculaire à la bande.
Le flux est proportionnel à l’aimantation. L’induction superficielle est dérivée du produit du flux par la fréquence.
L’enregistrement/lecture
L’enregistrement peut se faire à flux constant ou à induction superficielle constante. À flux constant, les graves et les médiums ont un niveau suffisant. En revanche, le flux diminue rapidement quand il s’agit des aigus.
L’enregistrement à induction constante permet d’enregistrer les hautes fréquences à des niveaux plus importants, mais la bande est saturée pour les basses fréquences.
Comme pour le vinyle, un compromis a été normalisé pour l’enregistrement des bandes magnétiques. Concrètement, les basses et les moyennes fréquences sont enregistrées à flux quasi constant, tandis que les hautes fréquences sont enregistrées à induction superficielle constante.
La courbe normalisée est le flux en fonction de la fréquence.
Elle est définie par celle de l’impédance en fonction de la fréquence d’un circuit d’une résistance et d’un condensateur montés en parallèle.
Comme un filtre, nous observons une pente d’atténuation du flux ou du niveau sonore avec une pente de 6 dB par octave.
Le point d’inflexion de la courbe, noté f0, dépend de la constante de temps de thêta. Thêta = RC Cette constante de temps est normalisée pour les différentes vitesses d’enregistrement/lecture. Plus la constante de temps est faible et plus la fréquence d’inflexion sera élevée avant de décroître de 6 dB/octave.
Les constantes de temps normalisées sont les suivantes :
Vitesse (cm/s) | 4,75 | 9,5 | 19 | 38 | |
Constante de temps (µs) | 120 | 90 | 70 | 50 | 35 |
f0 (Hz) | 1327 | 1769 | 2275 | 3185 | 4550 |
Ainsi, plus la vitesse de la bande est grande et plus celle-ci est capable de restituer les hautes fréquences et d’améliorer le rapport signal sur bruit.
Par ailleurs, la largeur des pistes magnétiques des bobines ¼ de pouce associée aux vitesses élevées de 19 ou 38 cm/s offrent la plus haute qualité d’enregistrement et de lecture de la musique. Toutefois, le prix des bandes incite également au compromis, car plus la vitesse augmente et moins l’on dispose de temps d’enregistrement.
L’enregistrement d’une bande magnétique sur des appareils professionnels et semi-professionnels fait appel à 3 têtes. Toutes les têtes sont constituées d’une bobine électrique en forme d’anneau encapsulée dans l’entrefer sur lequel défile la bande.
La bande commence sa course sur l’entrefer de la tête d’effacement. Précédé par un oscillateur, ce dernier envoie un courant modulé avec une très haute fréquence pouvant aller de 40 à 120 kHz.
L’entrefer de la tête d’effacement est la plus large des 3 avec une centaine de micromètres lui permettant d’émettre un champ magnétique suffisamment intense pour « effacer » toute aimantation précédente.
L’autre intérêt avec ce signal très supérieur aux fréquences audio est de donner un signal continu important pour l’électronique.
La bande arrive ensuite sur l’entrefer de la tête d’enregistrement. La largeur de son entrefer est d’une dizaine de micromètres afin que son flux magnétique aimante la couche d’oxyde métallique sur toute sa profondeur.
Le flux magnétique et l’induction superficielle reproduisent le signal électrique modulé de la musique sous forme d’un signal magnétique.
Enfin, la bande passe sur l’entrefer de la tête de lecture. La largeur de l’entrefer doit être suffisamment fine et de l’ordre du micromètre afin de reproduire au mieux les hautes fréquences du signal audio.
Pour les cassettes audio, le magnétophone, comme un lecteur de K7 ou un Walkman, ne dispose que d’une seule tête pour l’enregistrement et la lecture. Il y a donc un compromis sur la largeur de son entrefer qui mesure 3,2 µm.
Comme sa vitesse standard de défilement est de 4,75 cm/s, on peut déterminer la longueur d’onde minimale et par inversement sa fréquence maximale.
Rappelons d’abord que la longueur d’onde est la distance entre 2 crêtes d’une onde sinusoïdale. On l’appelle également période de l’onde.
La longueur d’onde = taille de l’entrefer / la vitesse de défilement.
3,2.10-6 / 4.75.10-2 = 6,74.10-5 et l’inverse = 1 / 6.74.10-5 = 14 844 Hz.
Ainsi, la K7 ne peut atteindre les 15 kHz et le niveau de bruit est plus important. C’est le souffle continu que l’on perçoit à l’écoute. Les erreurs de lecture des bandes magnétiques sont liées à la précision mécanique du magnétophone.
La plus évidente est le pleurage quand la vitesse n’est pas constante.
L’erreur d’azimut en cas de mauvais centrage de la bande sur les têtes ou à cause d’une bande insuffisamment tendue entraine les phénomènes de diaphonie et de scintillement.
La tension de la bande varie au fur et à mesure qu’elle passe de la bobine débitrice à la bobine réceptrice.
Les magnétophones pros utilisent un moteur auxiliaire pour opposer un couple permettant la bonne tension de la bande. Ce moteur sert également au rembobinage rapide.
Les cassettes ont des bobines suffisamment légères pour que ses forces de frottements avec le boîtier tendent la bande.
Magnétophone à cassette année 80
Cassette audio BASF