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

Bac S 2013 Amérique du sud http://labolycee.org
EXERCICE III. LE SON : DE SA NUMÉRISATION À LA LECTURE D'UN CD (5 points) Les deux parties de cet exercice sont indépendantes.
1. Conversion analogique-numérique Quand on frappe un diapason, il émet un « La » : ses deux branches vibrent
pendant quelques secondes à la fréquence f = 440 Hz, entraînant la
vibration de l'air qui les entoure.
Si on place devant le diapason un micro, la membrane de ce dernier vibre
également et ce mouvement est converti en une tension électrique de même
fréquence que le son. [pic]
Document 1 1.1. Le signal électrique à la sortie du micro est un signal analogique.
Justifier brièvement cette affirmation. 1.2. Un ordinateur ne peut traiter que des signaux numériques. Définir ce
qu'est un signal numérique. Pour traiter un son à l'aide d'un ordinateur (graver un CD par exemple), il
faut convertir le signal analogique obtenu à la sortie du micro en signal
numérique : c'est le rôle d'un convertisseur analogique-numérique (CAN). On peut décomposer la conversion en deux étapes : l'échantillonnage et la
numérisation. Dans la pratique, ces deux étapes se font simultanément. 1.3. Que signifie « échantillonner » un signal analogique ? 1.4. Combien de valeurs peut prendre un échantillon numérisé sur 8 bits ? 1.5. Dans le cas d'un CD audio, la numérisation se fait sur 2x16 bits
(stéréo) avec une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz. Quelle est, en
Mio, la place théorique occupée sur un CD par une minute de musique non
compressée ?
Rappels : 1 octet = 8 bits ; 1 Mio = 220 octets
2. Lecture de l'information Le CD est en polycarbonate (matière plastique transparente) recouvert d'une
couche métallique réfléchissante (aluminium en général) elle-même protégée
par un vernis. La face supérieure peut être imprimée ou recouverte d'une
étiquette (document 2). Les informations sont stockées sous forme de plats et de cuvettes sur une
spirale qui commence sur le bord intérieur du CD et finit sur le bord
extérieur. Les creux ont une profondeur de
0,126 µm et une largeur de 0,67 µm.
CD vu de dessous CD vu par la tranche
Document 2 La tête de lecture est constituée d'une diode laser émettant une radiation
de longueur d'onde dans le vide ? = 780 nm et d'une photodiode détectant la
lumière réfléchie par la surface métallisée du CD.
La lumière émise par la diode laser traverse une lame semi-réfléchissante
avant de se réfléchir sur un miroir. La lentille assure la mise au point du
faisceau sur le disque. L'ensemble miroir-lentille est monté sur un chariot
mobile qui permet au faisceau laser de balayer un rayon du disque
(document3).
La surface du disque défile devant le faisceau laser à une vitesse de 1,2
m.s-1 quelle que soit la position du faisceau.
Document 3
Le codage de l'information est réalisé par les transitions creux-plat ou
plat-creux, ou l'absence de transition. Données : Célérité des ondes lumineuse dans le vide (ou dans l'air) : c =
3,00×108 m.s-1 L'indice d'un milieu transparent est défini par la relation [pic], v étant
la célérité de la lumière dans le milieu transparent.
2.1. Citer une propriété du faisceau LASER utilisée dans la lecture des CD. 2.2. Calculer la fréquence de la radiation monochromatique. 2.3. L'indice du polycarbonate est n = 1,55. Calculer la célérité de l'onde
lumineuse dans le CD. 2.4. En déduire la longueur d'onde ? de la lumière dans le polycarbonate,
sachant que la fréquence ne dépend pas du milieu traversé. 2.5. Quand le faisceau laser frappe une cuvette, une partie du faisceau est
réfléchie par le fond de la cuvette et le reste par le bord (document 4)
car le diamètre du faisceau est plus grand que la largeur de la cuvette.
Ces ondes réfléchies peuvent interférer. 2.5.1. En vous aidant du document 4, expliquer pourquoi les
interférences sont destructives si h = [pic].
Document 4 2.5.2. Vérifier que la profondeur d'une cuvette est bien choisie pour
provoquer des interférences destructives. 2.5.3. Comparer sans calcul l'éclairement de la photodiode quand le
faisceau laser éclaire un plat ou une cuvette.
3. Lecteur Blu-ray On trouve depuis quelques années dans le commerce des lecteurs « Blu-ray »
qui utilisent une diode laser bleue dont la longueur d'onde est
pratiquement égale à la moitié de celle des lecteurs classiques (?0 = 405
nm). Les disques Blu-ray peuvent stocker une quantité de données beaucoup
plus importante : jusqu'à 25 Go. 3.1. Quel est le phénomène physique propre aux ondes qui empêche d'obtenir
un faisceau de diamètre plus petit sur le CD ? 3.2. Expliquer pourquoi l'utilisation d'une diode laser bleue peut
permettre de stocker plus d'informations sur un disque Blu-ray dont la
surface est identique à celle d'un CD ? 3.3. Doit-on conserver sur un disque Blu-ray, la même profondeur de cuvette
que sur un CD classique ? Justifier la réponse. 3.4. Peut-on lire un CD sur un lecteur Blu-ray ? Une seule justification
est demandée.