Exercice 3: Le son: de sa numérisation à la lecture d'un CD (5 points)

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EXERCICE III. LE SON : DE SA NUMÉRISATION À LA LECTURE D'UN CD (5 points) Voir l'animation sur le fonctionnement d'un lecteur de CD :
http://www.cea.fr/content/download/5539/298793/file/CEA_le_lecteur_CD.swf Voir l'animation suivante sur la conversion analogique-numérique :
http://chimiphyk.free.fr/commun/index.php?animation=echantillonneur&titre=Ec
hantillonneur-bloqueur 1. Conversion analogique-numérique 1.1. Le signal électrique à la sortie du micro est un signal analogique car
il varie de façon continue au cours du temps. On constate que l'allure de
l'enregistrement est similaire aux vibrations qui en sont la source. 1.2. Un signal numérique varie de façon discrète, par paliers. 1.3. « Échantillonner » un signal analogique est la 1ère étape de la
numérisation ; cela consiste à mesurer la valeur du signal analogique à
intervalles de temps Te égaux (Te : période d'échantillonnage). 1.4. Lors de la 2ème étape (quantification), un échantillon numérisé sur 8
bits peut prendre 28 soit 256 valeurs. Rappel : 1 bit : 2 valeurs (0 ou 1) 2 bits : 4 valeurs (00 ou 01 ou 10 ou 11) n bits : 2n valeurs 1.5. À partir de la durée ?t de l'enregistrement et de la fréquence
d'échantillonnage fe (nombre d'échantillons par seconde), on peut
déterminer le nombre d'échantillons ne : [pic]
sans unité Hz s
Or chaque échantillon occupe 2x16 bits soit [pic] = 4 octets. La place théorique est donc [pic]=[pic]= 10,1 Mio
Cela peut sembler important pour une minute de musique mais il n'y a pas eu
de compression.
2. Lecture de l'information
2.1. Un faisceau LASER utilisé pour la lecture d'un CD est directif,
monochromatique, concentre l'énergie spatialement (et est cohérent). Les propriétés utiles pour la lecture d'un CD sont : - la directivité
- la monochromaticité
(- la cohérence) 2.2. La longueur d'onde (dans le vide) étant ici la distance parcourue par
la lumière à la célérité c durant une période T, on peut écrire : [pic] (
[pic] AN : [pic] = 385 THz 2.3. D'après les données : [pic]( [pic] AN : [pic] = 1,94×108 m.s-1 2.4. La longueur d'onde (dans le polycarbonate) étant ici la distance
parcourue par la lumière à la célérité v durant une période T, on peut
écrire : [pic] D'après 2.3. [pic] donc ? = [pic] (la fréquence n'étant pas modifiée). AN : [pic] = 503 nm Remarque : La longueur d'onde change mais pas la couleur du laser : celle-
ci est liée à sa fréquence (ou sa longueur d'onde dans le vide)
2.5.1. Les ondes qui se réfléchissent sur le bord et celles qui se
réfléchissent sur le fond possèdent une différence de marche ? = 2 h à
cause de l'aller-retour.
Or des interférences sont destructives lorsque la différence de marche est
? = [pic] (avec k entier relatif).
Si h = [pic], alors ? = [pic] ce qui correspond bien à des interférences
destructives avec k =0. 2.5.2. h = [pic] où ? est la longueur d'onde dans le polycarbonate. AN : [pic] conformément aux données (profondeur des creux) 2.5.3. Quand le faisceau laser éclaire un creux, les ondes qui se
réfléchissent sur le bord et celles qui se réfléchissent sur le fond de la
cuvette donnent lieu à des interférences destructives d'où l'éclairement
minimal de la photodiode. Quand le faisceau laser éclaire un plat, les ondes se réfléchissent toutes
sur le plat et donnent lieu à des interférences constructives d'où
l'éclairement maximal.
3. Lecteur Blu-ray 3.1. C'est la diffraction qui empêche d'obtenir un faisceau de diamètre
plus petit sur le CD. 3.2. Plus la longueur d'onde est faible et moins la diffraction est
importante, en effet [pic] où [pic] est l'écart angulaire du faisceau
lumineux diffracté. Voir l'animation
http://scphysiques.free.fr/TS/physiqueTS/diffractiontrou.swf Ainsi le diamètre d'un faisceau laser « Blu-ray » est plus petit que celui
d'un CD, ce qui permet de « lire » des creux plus petits, et donc, à
surface égale, de stocker plus d'informations. 3.3. Non, les cuvettes d'un disque Blu-ray doivent être (à priori) moins
profondes afin de permettre des interférences destructives (cf 2.5.2 : h =
[pic] et ? a diminué). 3.4. Un lecteur Blu-ray ne peut à priori pas lire les CD car : (1 seule
justification parmi celles-ci)
- le faisceau Blu-ray est trop fin pour éclairer à la fois un creux et un
plat (s'il est bien centré). - la profondeur des creux d'un CD ne permet pas des interférences
destructives. Vérification facultative : en reprenant les résultats des questions 2.4 et
2.5.1 :
La différence de marche est ? = 2 h
La longueur d'onde du laser blu-ray dans le
polycarbonate est [pic]
Le rapport différence de marche / longueur d'onde est : [pic]
AN : [pic]= 0,96 ? 1 donc ? ? ? ce qui correspond à des interférences
constructives. Remarque : on peut faire le raisonnement sans AN en utilisant
l'approximation faite dans l'énoncé : [pic] (valable dans le polycarbonate
aussi) or [pic] d'après 2.5.1.
donc [pic][pic]
[pic][pic], ce qui correspond à des interférences
constructives. Ce résultat semble curieux mais il semblerait que les lecteurs Blu-ray et
les PS3 soient équipés de plusieurs diodes laser ce qui expliquerait
pourquoi un lecteur « en panne » arrive à lire des Blu-ray mais plus des
DVD.