Disque compact

Le disque compact fut inventé conjointement par les firmes Philips et Sony Corporation en 1982. Quand les deux entreprises ont décidé de travailler ensemble en 1979, le projet prévoyait que les platines laser seraient équipées des puces électroniques les plus puissantes jamais commercialisées pour un produit grand public. Les premiers CD ont été commercialisés à partir de décembre 1982 (mars 1983 en France).

Ce support apporta un progrès considérable par rapport aux microsillons (qui eux-mêmes avaient été un énorme progrès par rapport aux 78 tours), sur des aspects sonores et de maniabilité :

• amélioration de la dynamique sonore (±100 dB pour le CD, 45 dB maxi pour le microsillon), la lecture optique s'affranchissant des distorsions induites auparavant par l'ensemble sillon/pointe ;
• augmentation de la durée d'écoute : potentiellement jusqu'à 74, puis 80 minutes, soit le double de celle d'un 33t ;
• réduction des bruits de lecture d'origine mécanique : bruit de surface du disque, plateau et disque lui-même entrés en résonance mécanique et acoustique avec le moteur d'entrainement ;
• disque beaucoup moins vulnérable qu'un microsillon aux poussières (dont celles induites par l'électricité statique), voire aux rayures, le laser parvenant malgré celles-ci à suivre la piste de lecture, et les informations non lisibles étant remplacées par un signal sonore tenant compte dans une certaine mesure de ce qui précède et de ce qui suit ;
• disque beaucoup plus petit, léger, moins encombrant et plus facile à manipuler qu'un microsillon ;
• possibilité d'un meilleur spectre sonore des fréquences graves et aiguës allant de 20 Hz à 22 kHz ;
• plus aucun problème de pointe de lecture fragile et s'encrassant (la cellule laser étant à nettoyer toutefois régulièrement) ;
• accessibilité directe au début de chaque plage, affichage du minutage, possibilité de lecture accélérée, lecture des premières secondes de chaque plage, lecture aléatoire, etc.

En 1980, le Red Book (en français littéral : « Livre rouge ») détermine les caractéristiques techniques du nouveau disque et le partage des brevets entre les deux concurrents : à Philips la conception du CD (sur la base de leur expérience de la technologie du Laserdisc) et des lentilles qui permettent la lecture ; à Sony la définition du format utilisé pour numériser la musique et la méthode de correction d'erreurs. Parmi les principaux membres de l’équipe, les plus connus sont Pieter Kramer (directeur du laboratoire de recherche optique de Philips dans les années 1970) et Kees A. Schouhamer Immink pour Philips, Toshitada Doi pour Sony.

Kees Schouhamer Immink a reçu un Emmy Award pour ses contributions créatives au disque compact, DVD et disque Blu-ray.

Les premiers prototypes produits par Philips mesuraient 115 mm de diamètre, avec un codage sur 14 bits et une durée de 60 minutes. Sony insista pour qu’on adopte un codage sur 16 bits et une durée de 74 min, d'où un diamètre augmenté à 120 mm. Cette capacité aurait été choisie à la demande de Herbert von Karajan, afin que la version la plus lente de la 9^e symphonie de Beethoven, celle enregistrée au festival de Bayreuth en 1951 sous la direction de Wilhelm Furtwängler, tienne sur un seul disque. Sony indiqua que c’était à la demande de l’épouse de son président, pour ces mêmes motifs. La vérité est moins romantique[5] : au moment de lancer la production industrielle, Philips aurait eu un avantage grâce à une chaîne de production capable de fournir rapidement ces disques de 11,5 cm, ce qui ne faisait pas les affaires de Sony, la firme japonaise ayant pris du retard sur la fabrication des lecteurs. Philips ne souhaitait pas favoriser le format de 10 cm propre à Sony, pour les mêmes raisons. Le compromis fut le disque de 12 cm qui ne donnait l’avantage à aucun des deux fabricants, tout en permettant d’utiliser tous les développements techniques et électroniques mis au point précédemment. Ces décisions ont été prises par le management et ont été imposées aux experts des équipes techniques.

Un disque de 12 cm de diamètre avait un temps de lecture théorique de 74 min et 30 s. À l’époque, la durée maximale d’enregistrement plafonnait en pratique à 72 min car les premiers supports pour le mastering audionumérique étaient des cassettes vidéo au format U-matic, dont c’était la durée d’enregistrement maximale. La version la plus longue de la symphonie de Beethoven n’aurait de toute manière pas pu trouver place en entier sur un CD avant 1988, date de l’introduction de nouveaux supports pour le mastering numérique.

Philips et Sony annoncèrent fin août 1982 qu’elles étaient prêtes à sortir leur nouveau produit et commencèrent les ventes à l’automne . La production industrielle commença le 17 août 1982 à Langenhagen, près de Hanovre (RFA). Les premiers albums produits étaient Une symphonie alpestre, de Richard Strauss (Herbert von Karajan avec l'Orchestre philharmonique de Berlin) et The Visitors (ABBA). La première platine fut vendue au Japon le 1^er novembre 1982 accompagnée de l’album 52nd Street de Billy Joel. En Europe, le premier lecteur de CD est commercialisé en mars 1983[6].

Au début de la commercialisation des CD, on distingue les procédés analogique (A) ou numérique (D, pour digital) pour les trois phases principales d'enregistrement (indiquées théoriquement sur chaque CD du commerce)[n 1] :

• AAD (Analogique-Analogique-Digital) : utilisation d'un magnétophone analogique pendant les séances d'enregistrement, le mixage ou le montage, et numérique pour la gravure. On trouve aussi la mention « AAD masterisé » dans le cas d'anciens enregistrements analogiques « digitalisés », en transformant le signal analogique en un signal numérique en « dents de scie » (en principe meilleur car formé de bits 0 ou 1, donc ôtant les signaux ou bruits de surface parasites notamment) ;
• ADD (Analogique-Digital-Digital) : utilisation d'un magnétophone analogique pendant les séances d'enregistrement, puis numérique pour le mixage ou le montage, puis la gravure ;
• DDD (Digital-Digital-Digital) : utilisation d'un magnétophone numérique pendant les séances d'enregistrement, le mixage ou le montage, puis la gravure.

Carte SD sur CD de 12 cm de diamètre.

Le succès du CD est progressif, d'autant que l'industrie du disque a décidé d'un prix de vente majoré de 60 à 70 % (en France) par rapport au microsillon et que les premiers appareils de lecture sont eux aussi d'un coût élevé (en 1983, supérieur au SMIC mensuel, en France, et en 1988 on commence à voir des modèles d'un coût de l'ordre de 50 % du SMIC mensuel) limité dans un premier temps à l’album The Visitors d’ABBA (PolyGram, label de Philips), et à un enregistrement de la Symphonie alpestre de Richard Strauss dirigée par Karajan. En effet, le CD passe surtout dans les premiers temps pour un support réservé aux mélomanes classiques, grâce à la qualité sonore qu’il offre. Quelque 200 titres, classiques essentiellement, sont ainsi produits par Philips. C’est la mise sur le marché, en 1985, de l’album Brothers in Arms, du groupe Dire Straits (premier album entièrement numérique), qui démocratise le CD : l’album se vend à plus d’un million d’exemplaires. Il ne fait plus de doute que le CD apparaît comme le support sonore de l’avenir.

Dès 1986, les platines laser se vendent mieux que les autres, et en 1988 les ventes de CD dépassent celles des disques vinyle. En France, la démocratisation du CD passe par l'activité d'éditeurs indépendants comme NTI (David Mufflarz) et Christian Brunet (Levitan SA - CD One music). Cet indépendant est le premier à travailler sur le « fond de catalogue », et donc sur un prix de vente raisonnable, alors qu'un CD est toujours proposé à des tarifs ne pouvant motiver que l'élite du public. Ainsi apparaissent dans le circuit de la grande distribution des collections très bon marché, là où les CD commercialisés par les majors sont excessivement chers. Dès 1991 sont vendus des coffrets de dix CD pour moins de 90 francs (13,72 euros)[7]. Cette collection (« Romance du classique ») sera vendue à plus de 2,5 millions d'exemplaires en moins d'un mois, durant les fêtes de fin d'année. Cette politique de prix fera exploser les ventes de lecteurs de CD en France.

Le CD a connu un large succès et s’est rapidement substitué aux disques vinyle comme support musical, notamment grâce aux qualités suivantes :

• absence d’usure due à la lecture optique (celle-ci supprime le contact mécanique et donc l’altération du support par frottement). Les utilisateurs soigneux conservent leurs CD en bon état en les stockant dans un boîtier (pour éviter la poussière et les rayures), verticalement (pour éviter la déformation), à l'abri de la chaleur, de la lumière et de l'humidité ;
• tailles du support : ses 12 cm de diamètre lui confèrent une portabilité que n’avait pas le disque microsillon. Un deuxième format de 8 cm est, lui aussi, normalisé, mais peu utilisé ;
• l’épaisseur nominale est de 1,2 mm ;
• qualité « théorique » de reproduction sonore supérieure aux cassettes audio et disques vinyle. (Rapport signal sur bruit bien plus important, reproduction exacte à chaque lecture grâce au système de correction d’erreur. Cependant, les audiophiles ou mélomanes exigeants préfèrent parfois le son « analogique » issu du vinyle qu’ils jugent plus musical, plus naturel et plus précis dans les aigus. Ceci est dû au repliement de spectre lors de l'enregistrement, dû à un mauvais filtrage des fréquences situées au-delà de la demi-fréquence d'échantillonnage (voir aussi Théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon). Ce défaut fut assez fréquent dans les premiers enregistrements numériques qui ne disposaient pas de filtres de qualité suffisante. Le repliement de spectre donne des aigus agressifs et désagréables, qu'il est ensuite impossible de corriger. Le suréchantillonnage, qui consiste à mieux interpoler le signal, permet de simplifier le filtrage à la restitution. Le format numérique SACD présente une meilleure définition numérique que le CD, mais ne s'est pas imposé (ses avantages techniques étant imperceptibles pour une grande part des auditeurs potentiels, ne pouvant donc justifier son surcoût, tandis qu'il est apparu à une période de profonds changements dans les habitudes de consommation du grand public, avec l'avènement conjoint du piratage à grande échelle et de la diffusion de musique sous forme dématérialisée, conséquences de l'essor de l'informatique personnelle et du réseau internet) ;
• retour à l’écoute intégrale sans avoir à retourner le support audio dans le lecteur, avec un accès sans manipulation mécanique, ce qui ne s’était pas vu depuis la disparition des cartouches 8 pistes. Les disques vinyle sont enregistrés sur deux côtés, on doit donc les retourner à la mi-écoute ; certains magnétocassettes disposaient d'un système dit « autoreverse » inversant le sens de marche et commutant les têtes de lecture en fin de bande ;
• accès direct aux différents morceaux ainsi (pour certains lecteurs) qu'à des index pour chaque morceau ; certains magnétocassettes disposaient aussi d'un système de recherche de plages qui détectait les passages sans données audio (ce système est évidemment plus lent que sur un CD audio).

Les CD-R (CD vierges à graver) ont les mêmes dimensions, et peuvent être utilisés pour stocker des données Red Book (qui définit la norme audio pour le CD, telle que les 44,1 kHz de fréquence d'échantillonnage et 16 bits de résolution). On distingue les CD-R PC, qui sont conçus pour une utilisation avec un graveur intégré à un PC, et les CD-R Audio, qui sont conçus spécifiquement pour les enregistreurs domestiques autonomes (lesquels ne peuvent pas lire les CD-R PC). Ils sont d’ailleurs plus chers car il est tenu compte d'un pourcentage pour les droits d'auteur qui sont reversés à la SACEM en France ou la SABAM en Belgique.

Compact Disc est une marque déposée par la firme néerlandaise Koninklijke Philips Electronics N.V. et cette dernière refuse l’utilisation du terme déposé pour tout disque audio protégé contre la copie.

Le prématriçage correspond à la transcription des informations du client sur une bande à neuf pistes, en passant par une phase de correction d’erreurs, et de formatage des fichiers au format ISO 9660 dans le cas d’un CD-ROM.

La fonction essentielle du prématriçage est le calcul du code détecteur et du code correcteur. Ces codes sont contenus sur 288 octets accolés à 2 ko d’informations plus des informations de synchronisation et d’en-tête. Ce procédé permet de prévenir les erreurs de transmission.

Une fois cette étape passée, il n’y a plus aucune modification des données à inscrire.

La création du disque matrice, appelé aussi matrice de verre, correspond au marquage des données sur un disque de verre.

Le point de départ du disque matrice est une vitre fortement polie, dont les caractéristiques de surface ressemblent de près à celles d'un miroir astronomique. Cette plaque de verre est couverte d’un substrat sensible à la lumière, appelé résine photosensible. La couverture de la plaque par un procédé de rotation (dépôt par centrifugation) assure une couche absolument plane et uniforme de 120 nm d’épaisseur. C’est l’épaisseur de cette couche qui détermine la profondeur des creux.

L’inscription des données est effectuée grâce à un appareil émettant un rayon laser qui est activé et désactivé en fonction des informations transmises. Le rayon ainsi modulé marque la couche photosensible de la plaque de verre.

Le disque de verre est ensuite placé dans un bain de développement. Les emplacements altérés par le rayon sont lavés faisant ainsi apparaître les premiers creux.

Après séchage du disque matrice suit la vaporisation sous vide d’une fine couche argentée de 100 nm. À ce stade, le disque matrice est lisible par un lecteur spécial qui permet de contrôler la qualité de l’enregistrement.

La galvanisation est une opération qui crée la matrice de production à partir de la matrice de verre.

La matrice de verre est plongée dans un bain de galvanisation comportant une anode de nickel. La couche argentée de la matrice de verre est transformée en cathode. Le courant ainsi créé entraîne un déplacement des ions de nickel sur l’anode, couvrant peu à peu la plaque de verre d’une couche de nickel.

La séparation de la couche de nickel de son support de verre amène la destruction de ce dernier. Si à ce stade de l’opération les normes de qualité ne sont pas respectées, tout le processus précédent est à refaire.

La couche de nickel, copie tirée directement de la matrice de verre, est nommée « original » ou « copie père » : c’est une reproduction en négatif de l’original. Pour éviter une perte de cet original, on en fait une copie appelée « copie mère », qui sert ensuite à tirer les sous-matrices.

Les sous-matrices sont, comme l’original, des négatifs et servent à imprimer les données sur les disques en plastique pendant leur fabrication. Elles sont perforées au centre et polies à l’endos. La qualité du dos de la matrice a une grande influence sur le bruit qui sera perçu par les photorécepteurs des lecteurs de CD-ROM. La rugosité moyenne maximale est de 600 nm. Comme l’air, la propreté de l’eau est importante pour la qualité finale du produit.

La fabrication en série des disques compacts peut se faire par moulage par injection ou par pression. Le premier principe consiste en l’injection du polycarbonate liquide dans la matrice ; le second procédé a pour principe l’impression des cuvettes dans le disque encore chaud par pressage.

Le polycarbonate a été retenu dans la conception des CD pour ses propriétés telles que la pureté optique, la transparence et un indice de réfraction constant.

Les disques ainsi obtenus voient leur face marquée par les données, puis métallisée par une couche d’aluminium de 40 à 50 nm. Pour ce faire, l’aluminium est atomisé dans un espace sous vide, et se dépose lentement sur le disque. L’atomisation est obtenue par réchauffement, ou à froid, par un procédé de pulvérisation cathodique.

La couche d’aluminium ainsi déposée est enfin protégée par l’application d’un vernis protecteur, à l’aide du procédé de dépôt par centrifugation. Le vernis devient ainsi une couche uniforme de 10 µm d’épaisseur.

Avant conditionnement, une étiquette est imprimée sur le vernis par le principe de la sérigraphie.

Il existe également des CD dont la face inférieure est noire.

Les CD sont couramment protégés par des boîtiers standards en plastique. Ce matériau, bien que fragile (très sensible aux rayures, des fissures apparaissent si l'on appuie dessus et, à l'usage, les pattes permettant l'ouverture du boitier se cassent), a été choisi pour ses propriétés optiques. Très transparent, il permet la création d'un boitier attractif, où l'on peut glisser une feuille ou un livret, afin d'améliorer la présentation.

Il existe également des boitiers deux fois plus fins pour les CD-maxi-single (surtout au Royaume-Uni et en Allemagne), dits boitiers « slim », ou encore des doubles boitiers pour les double albums, voire plus par différents montages. On trouve aussi des pochettes en papier ou carton (souvent désignés par l’appellation Digipack). Certains albums ont eu une pochette dans d'autres matériaux (verre, métaux, bois, carton recyclé, etc.) dans le cas d'édition limitée ou de promotion en rapport avec le CD.

• 
  CD dans un boîtier en plastique.
• 
  Cloche contenant plusieurs CD.
• 
  CD dans une pochette en papier.

Les échantillons sont ensuite regroupés en frames, chaque frame comporte six échantillons stéréo (6 × 2 × 16 bits = 192 bits soit 24 octets), plus 8 octets de correction d’erreur et un 1 octet de subcode, soit un total de 33 octets par frame. Le code correcteur est ajouté pour permettre la lecture d’un disque comportant des salissures ou rayures modérées ; il s’agit de deux codes de Reed-Solomon à la suite et d’un entrelacement des données effectué entre les deux codages.

L’octet subcode est utilisé pour former huit canaux de contrôle (chaque canal ayant un débit binaire de 7,35 kb/s), dans le CD standard seul, les deux premiers canaux sont utilisés et servent pour indiquer les débuts de pistes, le temps, la préaccentuation, l’autorisation de copie, le nombre de canaux (stéréo ou quadriphonie, mais bien que le bit d’indication de quadriphonie existe dans la norme, la façon dont ces canaux supplémentaires doivent être codés n’est pas définie et il n’est donc pas utilisé), les six autres canaux sont utilisés dans les extensions comme le CD+G (permet l’insertion des paroles pour les karaokés) ou le CD-Text (nom des pistes, auteurs, interprètes).

La fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz est héritée d’une méthode de conversion numérique d’un signal audio en signal vidéo pour un enregistrement sur cassette vidéo qui était le seul support offrant une bande passante suffisante pour enregistrer la quantité de données nécessaire à un enregistrement audionumérique[9]. Cette technologie peut stocker six échantillons (trois par canal en stéréo) par ligne horizontale. Un signal vidéo NTSC possède 245 lignes utilisables par trame et 59,94 champs par seconde qui fonctionnent à 44 056 échantillons par seconde. De même, un signal vidéo PAL ou SÉCAM possède 294 lignes et 50 champs qui permet de délivrer 44 100 échantillons par seconde. Ce système pouvait en outre stocker des échantillons de 14 bits avec des corrections d’erreur ou des échantillons de 16 bits sans correction d’erreur.

Carte avec deux CNA TDA1541A S1 de Philips.

Il y eut un long débat entre Philips et Sony concernant la fréquence et la résolution de l’échantillonnage : Philips privilégiait le 44,100 kHz utilisé en Europe et une résolution de 14 bits (la firme néerlandaise ayant déjà développé des CNA 14 bits) tandis que Sony voulait imposer le 44,056 kHz utilisé au Japon et aux États-Unis, associé à une résolution de 16 bits. C’est pour cela que les premières platines CD étaient équipées de CNA 14 bits (les TDA1540), Philips ayant trouvé le moyen de les utiliser en 16 bits par un suréchantillonnage 4× : le CNA fonctionnait donc à 176,4 kHz au lieu de 44,1 kHz et était précédé d’un filtre numérique. Cette fréquence quatre fois plus élevée permettait d’avoir un filtre passe-bas avec une pente beaucoup plus progressive qu’avec les CNA concurrents. Le comportement dans les fréquences proches de 20 000 Hz était plus linéaire avec moins de rotation de phase et le son en était d’autant plus pur.

Un CD audio comme un CD-R est constitué, d'après le Orange Book, de trois zones constituant la zone d'information (information area) :

Zone Lead-in

La Lead-In Area contient des informations décrivant le contenu du support (ces informations sont stockées dans la TOC, Table of Contents). La zone Lead-in s'étend du rayon 23 mm au rayon 25 mm.

Zone Programme

La Program Area contient les données et commence à partir d'un rayon de 25 mm, elle s'étend jusqu'à un rayon de 58 mm. La zone programme peut contenir un maximum de 99 pistes (ou sessions) d'une longueur minimale de 4 secondes.

Zone Lead-Out

La Lead-Out Area contient des données nulles (du silence pour un CD audio) et marque la fin du CD. Elle commence au rayon 58 mm et doit mesurer au moins 0,5 mm d'épaisseur (radialement). La zone Lead-out doit ainsi contenir au minimum 6 750 secteurs, soit 90 secondes de silence à la vitesse minimale (1X).

• Tout sur la gravure de CD
• Tous les premiers lecteurs CD en détail, Histoire du Compact-Disc, Articles de presse d'époque
• Le fonctionnement du lecteur CD expliqué en détail, pour tout public
• Codage d'un signal audionumérique sur un support à lecture optique

• Ressource relative à la santé :
  • (en) Medical Subject Headings
• Ressource relative aux beaux-arts :
  • (en) Museum of Modern Art
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Gran Enciclopèdia Catalana
  • Treccani
  • Universalis
• Notices d'autorité :

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