Bell Laboratories et le développement

de l'enregistrement électrique

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Bell Laboratories et le développement de

l'enregistrement électrique

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La courbe Fletcher-Munson de la recherche audio de Bell Labs

Le développement de l'enregistrement électrique chez Laboratoires Bell

La radiodiffusion commerciale aux États-Unis a commencé en Novembre, 1920 lorsque KDKA, Pittsburgh a été accordé sa licence et a commencé ses émissions ¹. Ce développement représentait un défi pour le phonographe, puisque par la suite, musique et divertissement gratuites étaient disponibles «dans l'air».

Les Laboratoires Bell, ou «Bell Laboratories», était la division de recherche de la American Telephone & Telegraph Company, qui détenait, à l'époque, le monopole téléphonique aux États-Unis.  Cette laboratoire de recherche était d'abord filiale de Western Electric, l’entité de fabrication chez AT&T, jusqu'en 1925 quand Bell Laboratories était organisé comme division à part ².  Bell Laboratories est ainsi devenue une filiale d’exploitation conjointe entre AT&T et Western Electric consacré à la recherche et développement ³.

Les Laboratoires Bell avait travaillé depuis au moins 1914 sur les technologies qui ont fourni les ingrédients de ce qui était devenu plus tard le procédé électrique d'enregistrement.  Notable parmi ces technologies était le microphone à condensateur, développé en 1916 par Edward Christopher «EC» Wente, développement qui est devenu possible avec la découverte du tube à vide, avec son aptitude à agir comme un amplificateur d’une signal faible ⁴.  Le microphone à condensateur a une charge électrique à deux plaques, avec l'une devant qui se déplace avec le signal audio, et avec l'arrière fixée.  Les ondes acoustiques produisent un léger changement dans la distance, et, par conséquent en la capacité entre les plaques, avec le résultant d’une variation de la tension entre les plaques, qui est ensuite amplifié ¹².

Ce microphone à condensateur, bien que développé pour la transmission téléphonique à longue distance, lorsque les États-Unis commençait sa service téléphonique transcontinentale, a des performances remarquables.  Il a un spectre de fréquences de reproduction de son essentiellement plat, jusqu'à 6000 Hz au début, et à 15000 Hz plus tard, à un moment où le procédé acoustique d'enregistrement n'a pas beaucoup de reproduction au-dessus de 2400 Hz ⁹.

EC Wente laboratoires des Laboratoires Bell avec son microphone à condensateur

En 1920, deux équipes étaient créé pour poursuivre le développement des systèmes d'enregistrement électrique.  Bell Labs a délégué Joseph P. Maxfield et Henry C. Harrison, deux des ingénieurs principaux, responsables pour systèmes et composants électriques chez Bell Labs, de mettre au point un système électrique d'enregistrement phonographique.  En parallèle, EC Wente et son équipe ont été chargé d'élaborer un système de son cinématographique pour les salles de cinéma ⁵. Les deux équipes étaient supervisé par le Dr Harvey Fletcher, qui a déjà rejoint la recherche chez Bell Labs en 1916.

Joseph P. Maxfield et Henry C. Harrison des Laboratories Bell

Harvey Fletcher était un brillant physicien qui a travaillé à l'Université de Chicago, avec lauréat du prix Nobel, Robert A. Millikan. Fletcher a reçu son doctorat de l'Université de Chicago avec la mention summa cum laude. Il est devenu plus tard directeur de recherche chez Bell Laboratories, où il a supervisé trois décennies de la recherche et l'amélioration du son, l'ouïe, la transmission et la reproduction.

Chez Bell Laboratories, Fletcher a supervisé la recherche dans ce domaine par Joseph P. Maxfield, C. Henry Harrison, KP Secord, Rogers H. Galt, Harold Black (qui a inventé l'amplificateur de rétroaction négative en 1927), Arthur C. Keller et d'autres.

Harvey Fletcher, KP Secord, et Rogers Galt aux Bell Laboratories à New York

La conception du microphone était un élément clé du programme de développement en technologie d'enregistrement chez Bell Laboratories.  Le microphone à charbon (un microphone à poudre de carbone conductrice), qui emploie des granulés de carbone ont été utilisées dès les premiers jours des instruments de téléphone jusqu'à aujourd'hui.  Bell Labs a développé le soi-disant microphone à charbon «double bouton» qui maintenait les granulés de carbone conducteur isolé du diaphragme du microphone, et a également réduit la distorsion harmonique.  Cet microphone à charbon amélioré et le microphone à condensateur amélioré, développé par Maxfield, étaient fabriqué par Western Electric, la filiale de fabrication de AT&T, qui a utilisé la marque commercial «Westrex» pour ses produits.

Le célèbre «Western Electric 1B» microphone à charbon était utilisé

dans les premières installations du système d'enregistrement Westrex.

Développement du système d’enregistrement électrique des disques

Maxfield et Harrison ont formulé un certain nombre de développements qui, pris ensemble, ont permis la création d'un système d’enregistrement électrique des disques phonographiques. Le plus importante d'eux était le développement d'un système électronique d'impédance jumelée, qui a utilisé un microphone à charbon, branché au circuit d'amplification utilisant un tube à vide.

Ce circuit d’amplification alimente un signal électromagnétique qui fait osciller un électro-aimant mobile en fonction de l’amplitude sonore de la musique.  Cet oscillation du électro-aimant fait bouger un ressort pourvu d'une pointe graveuse qui grave le sillon dans le matrice de cire.  Ce système, mis ou point par les Laboratories Bell, est le fameuse système «Westrex» commercialise par Western Electric.

Ce système d'enregistrement d'impédance jumelée a la capacité d’enregistrer un spectre de fréquences de 50 Hertz à environ 6000 Hertz, au-delà de laquelle sa sensibilité a diminué ¹¹.

Spectre des fréquences du système Westrex d’amplification électronique,

branché au microphone à condensateur ¹¹.

Ce spectre des fréquences de reproduction était sensiblement supérieur au procédé d’enregistrement acoustique qui pourrait reproduire d'environ 200 Hz à 2400 Hz, avec une chute rapide de reproduction des fréquences supérieures à 2400 Hz.

Cette bande passante plus large du système Westrex a ajouté un octave supplémentaire de reproduction sonore (en comparaison avec le procédé d’enregistrement acoustique), avec aussi une réduction de la distorsion harmonique et plus généralement une image sonore plus réaliste, avec l'enregistrement des harmoniques des instruments de l’orchestre.

Au même temps, EC Wente et son équipe ont développé un «tube à vide de lumière», qui converti la tension variable qui corresponde à l’audio en lumière variable pour que la pellicule soit exposé de manière à produire une densité variable sur la pellicule. Cette technologie était la base pour les films «son-sur-pellicule».

Wente était accordé un brevet sur cette technologie en 1923.

Le microphone à condensateur chez Bell Labs

Les Laboratoires Bell a continué à développer le microphone à condensateur de Wente en forme du célèbre émetteur modèle 394, utilisé dans des nombreux enregistrements de disque et de film à partir de 1927 ⁶.

Le microphone à condensateur avait besoin d’un circuit d'amplification avec tube à vide intégrée dans le boîtier du microphone, parce-que le microphone a une production faible, et trop de bruit aurait empiéter si ce signal faible était transmises sur une distance sans amplification. Le circuit d'amplification exige que le boîtier soit plutôt large pour l'amplification, et de fournir une tension de polarisation pour le diaphragme du microphone.

Le émetteur modèle 394 était utilisé dans des nombreux microphones célèbres fabriqué par Western Electric, y compris le modèle 47A montré ci-dessous, avec le émetteur modèle 394 à la tête et le circuit électronique dans le boîtier cylindrique.

Le modèle 47A microphone à condensateur de Western Electric
avec le émetteur modèle 394 à la tête

Des microphones à condensateur améliorés, comme le Western Electric 47A ont été utilisés dès la fin de 1928 à la fois pour enregistrement cinématographique et pour enregistrement phonographique. Le microphone à condensateur a progressivement remplacé le micros à carbone en raison de leur rapport signal sur bruit supérieur (l'élimination de souffle de carbone) et leur spectre des fréquences de reproduction plus large et plus plat ⁶.

Le système d'enregistrement électrique et la théorie des filtres électriques

L’équipe de Maxfield et Harrison a ensuite essayé développer un système d'enregistrement électrique qui soit pratique, basé en partie sur la théorie des filtres électriques ⁵. Leur objectif était de transformer cette concept de la théorie des filtres électriques en système qui soit essentiellement un système électro-mécanique de filtrage.

Ils ont mis au point, en parallèle, des modèles de circuits électriques et aussi leurs équivalents mécaniques pour que un tel système soit établie. Par exemple, l'équivalent mécanique d'une résistance électrique était un ligne élastique de caoutchouc. Le microphone était connecté à un système amplificateur d'impédance jumelée, avec output électronique qui peut alimenter un mécanisme qui contrôle la pointe graveuse pour couper le sillon dans le matrice de cire du disque.

Henry C. Harrison et Norman H. Hollande examiner le ton bras d’un phonographe

Pour le mécanisme de graver le disque-maitre, Bell Labs ont développé un dispositif électro-mécanique qui se compose d’un électro-aimant mobile pour contrôler le mouvement du stylet (ou burin) de coupe.  Le champ électromagnétique qui a contrôlé l'aimant mobile était contrôlée, lui-même, par la courant électrique produit par l’amplificateur d'impédance jumelée, c'est-à-dire par le signal audio de la séance d'enregistrement.  Un ressort a contrôlé les excursions extrême du stylet.  Enfin, parce que la théorie des filtres électroniques nécessaire qu'un tel filtre apparaissent comme une résistance, un ligne ou tige de caoutchouc de 9 pouces (22.5 cm) de caoutchouc était ajouté à la terminaison de la système pour que cette résistance soit fourni ^5,10. La tige de caoutchouc est l’origine de la description du système utilisé par certains: «enregistreur ligne de caoutchouc».

Graveur électro-mécanique de disque «enregistreur ligne de caoutchouc» ¹¹

Sans la résistance d'amortissement de la ligne de caoutchouc, le mouvement du stylet d'enregistrement en présence de signaux forts, en particulier des basses fréquences auraient été excessifs.  L'amortissement de la ligne de caoutchouc était un des éléments essentiels pour que le système soit linéaire en réponses de spectre de fréquences de son ⁸.  Par une conception soignée et des essai de la rigidité et la conformité des composants individuels, l’attelage, la masse des composants, les caractéristiques de la ligne de caoutchouc, l’équipe Bell était en mesure de développer un système qui avait essentiellement une réponse en fréquence linéaire de 250 Hz à environ 25000 Hz ⁹, bien que l'ensemble du système a une réponse aiguë limité à environ 6000 Hz. 

Le microphone, ainsi que l'amplificateur, plus le dispositif d’enregistrement électro-mécanique, combinés ensemble ont compris le nouveau système d'enregistrement «Westrex».

L’ingénieur George Groves de chez Western Electric en 1925 à un tour d’enregistrement Westrex

Commercialisation du système Westrex

Au début de 1924, le système Westrex est prêt et peut être démontré. La prochaine tache de Western Electric était d'intéresser les entreprises phonographique à acheter un permis d'exploitation du système Westrex, et à remplacer le procédé d'enregistrement acoustique utilisés au cours des 50 dernières années.  L'histoire intéressante de cet effort est décrite dans la page «Permis d'exploitation du système Westrex donné à Victor et Columbia».

Cliques ici pour aller à «Permis d'exploitation du système Westrex donné à Victor et Columbia»

1  page XIV.  Fisher, Marc. Something in the Air: Radio, Rock, and the Revolution That Shaped a Generation. Random House Adult Trade Publishing Group.  ISBN 978-0-375-50907-0 ISBN 978-0-375-50907-0

2  page 115,  Adams, Stephen B. and Butler, Orville R. Manufacturing the Future: A History of Western Electric. Cambridge University Press. Cambridge, Royaume-Uni. 1999 ISBN 0-521-65118-2

3  page 68.  Lurie, Maxine N. and Mappen, Marc.  Encyclopedia of New Jersey. Rutgers University Press, NJ 2004 ISBN 08-13533-252 page 68.

4  Fagen, MD, ed. A History of Engineering and Science in the Bell System: The Early Years (1875-1925). New York: Bell Telephone Laboratories, 1975.

5  page 263 -266. Frayne, John G. History of Disk Recording Journal of the Audio Engineering Society, vol. 33 no 4. April, 1985 Avril, 1985

6  Klapholz, Jesse. The History and Development of Microphones. Sound and Communications.  Septembre, 1986

7  Measuring Worth website pour estimation des valeurs courantes de devises http://www.measuringworth.com/uscompare/

8  page 103. Burns, RW The Life and Times of AD Blumlein.  Institution of Engineering and Technology.  Herts, UK 2000. ISBN 0-8529677-3-X

9  page 94 Burns, RW op. cit.

10  page 93 Burns, RW op. cit.

11 Maxfield, Joseph P. and Henry C. Harrison. Methods of High Quality Recording and Reproducing of Music and Speech Based on Telephone Research. Bell System Technical Journal 5, July, 1926

12  page 4, 5  Eargle, John. The Microphone Book. (Second Edition)  Focal Press Burlington, MA 2004 ISBN-13 978-0-240-51961-6