Transmettre : l’ère radio, électronique et numérique et les matériaux

En collaboration avec Cosmos Materia, le média matériau-centré.

L’après-guerre marque l’entrée dans l’ère électronique. C’est dans cette nouvelle époque que nous vous proposons de vous amener : une ère où la maîtrise des propriétés des matériaux devient le levier de la miniaturisation, de la puissance et de la diversité dans l’audio et la radio. Les tubes, ferrites, semi-conducteurs, oxydes complexes et matériaux radiofréquences révolutionnent à la fois la production, la transmission et le traitement du son.

Les fondamentaux de l’audio électronique

Tubes à vide et ferrites

L’avènement du développement des appareils audio et radio est intimement lié à une approche par les matériaux et à l’évolution des technologies de nouveaux composants. Une approche par composants actifs ; qui sous-entend l’élaboration d’objets ; comme l’invention des tubes à vide (diode) en 1904 par John Ambrose Fleming, a conduit à l’amélioration de la qualité sonore grâce à l’amplification et à la modulation du signal audio lui-même. Ce tube a principalement servi à détecter les ondes radio en convertissant le courant alternatif des ondes en un courant continu détectable, permettant ainsi la réception radio. C’est une étape majeure dans la radiotélégraphie, rendant possible la détection plus fine de signaux radio faibles.

Ces objets fonctionnent en contrôlant le flux d’électrons dans un tube en verre sous vide, avec un filament métallique (nickel, tungstène) chauffant la cathode (oxyde) pour émettre des électrons. Leur utilisation est appréciée pour leur qualité sonore chaleureuse et une certaine coloration musicale, même s’ils sont énergivores et moins compacts que les technologies modernes. D’ailleurs, pour l’anecdote, peu après, en 1906, Lee De Forest améliore cette technologie en inventant la triode (« audion »), qui ajoute une grille à la diode. Cette innovation permet d’amplifier les signaux électriques reçus, améliorant considérablement la qualité et la portée des transmissions radio.

Les ferrites sont des céramiques magnétiques à base d’oxydes mixtes de fer III (MFe₂O₄). Les synthèses modernes de ces matériaux ont été développées par Kato & Takei (Hitachi) entre 1930 et 1940. Leur utilisation conduit à l’élaboration de composants passifs, exploitant les propriétés intrinsèques de ces matériaux dans les circuits électroniques, notamment pour la gestion des champs magnétiques, les filtres, les inductances (bobines), les noyaux d’antennes ou les circuits radiofréquences. L’utilisation des ferrites influence le traitement et la transmission du signal électrique sans amplification directe, participant à la transformation des signaux grâce à leurs propriétés magnétiques et diélectriques. Essentielles dans les circuits haute fréquence (HF) et les composants radio, les ferrites ne génèrent ni amplifient le son directement.

En résumé, les tubes à vide sont des dispositifs d’amplification électronique sensibles et actifs, tandis que les ferrites sont des matériaux passifs intervenant principalement dans la gestion magnétique des signaux dans les circuits radio et audio.

Transistors et semi-conducteurs

L’arrivée du transistor en 1947, inventé par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley a permis le remplacement des tubes à vide par un composant plus petit, plus fiable et moins énergivore, inaugurant la révolution électronique moderne.

Un transistor est un composant électronique issu des matériaux semi-conducteurs capable de moduler le courant ou d’amplifier un signal en contrôlant le flux de charges à travers une ou plusieurs jonctions semi-conductrices. Les semi-conducteurs (germanium, puis silicium) sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle d’un conducteur (au sens métal) et celle d’un isolant.

La généralisation des transistors pose les bases de l’amplification compacte et efficace. Ces composants électroniques semi-conducteurs contrôlent la circulation du courant, remplacent peu à peu les tubes et autorisent la conception de circuits audio miniaturisés (radios transistors, chaînes Hi-Fi, synthétiseurs, samplers, CD, etc.). La pureté cristalline du silicium, mais aussi l’introduction de dopants (étain, silicium, phosphore, bore) autorise des propriétés électriques sur mesure.

Les circuits intégrés audio, tels que les amplificateurs opérationnels et autres puces audio, ont été développés à partir des années 1960 grâce à la base technologique fournie par Jack Kilby en 1958 et ses successeurs. Ces circuits intégrés utilisent des diélectriques sophistiqués (alumine, oxydes métalliques) pour la miniaturisation et la gestion des signaux haute fréquence.

Matériaux radiofréquences et hautes performances

Les réseaux radiofréquences (réseaux RF) et les dispositifs de transmission rapide imposent l’utilisation de matériaux rares ou exotiques. La classification des matériaux RF s’est construite progressivement à mesure que les technologies radio et micro-ondes sont apparues. Par définition, un matériau radiofréquence (RF) est un matériau dont les propriétés électromagnétiques permettent de propager, guider, filtrer, stocker ou contrôler les ondes électromagnétiques dans la gamme RF (≈ 3 kHz à 300 GHz), c’est-à-dire les ondes radio, micro-ondes et hyperfréquences, et indépendamment de la nature chimique du matériau.

Nous pouvons classer ces matériaux RF en cinq catégories :

• Matériaux diélectriques RF : ils jouent un rôle d’isolants haute fréquence et sont utilisés comme substrats ou circuits imprimés micro-ondes. Ils servent notamment pour les PCB RF, les antennes, les radars et les guides d’ondes. Parmi eux : polytétrafluoroéthylène, céramiques aluminosilicates, alumine,quartz, verres borosilicates, céramiques à basse permittivité.
• Matériaux magnétiques RF : ils assurent des fonctions de filtrage, d’inductances HF, de transformateurs HF ou de suppression EMI (interférences électromagnétiques ou IEM en français). Il s’agit principalement de céramiques magnétiques non conductrices, essentielles pour les inductances haute fréquence (comme les bobines), telles que les ferrites NiZn et MnZn.
• Matériaux conducteurs RF : ils sont employés pour les conducteurs d’antenne, le blindage ou les lignes de transmission. On y retrouve le cuivre, l’argent, l’aluminium, les alliages haute conductivité (Cu-Ag) ou encore les matériaux UHPC (Ultra-High Performance fiber reinforced Concrete ou Béton renforcé de fibres ultra-haute performance) pour les contacts haute fréquence, afin de limiter l’effet de peau et les pertes ohmiques.
• Matériaux semi-conducteurs RF : ils interviennent dans les transistors RF, amplificateurs, modulateurs et émetteurs. Il s’agit de semi-conducteurs tels que le GaAs (arséniure de gallium), GaN (nitrure de gallium), SiC (carbure de silicium) ou InP (phosphure d’indium), utilisés dans les technologies 5G, les radars, les satellites ou les amplificateurs de puissance.
• Matériaux absorbants RF (absorbeurs/EMI) : ils dissipent les ondes et limitent les interférences. On retrouve notamment les ferrites absorbantes, mousses chargées carbone, polymères conducteurs et matériaux métamagnétiques, destinés aux usages 5G, radars, satellites ou amplificateurs de puissance.

Technologies clés et applications

• Tubes à vide : verre, tungstène, oxydes de métaux ; amplification analogique, coloration sonore distinctive.
• Transistors : semi-conducteurs silicium/germanium/arséniure ; amplification, mixage, synthèse.
• Circuit intégré audio : ensemble miniaturisé sur une puce de semi-conducteur (souvent du silicium) qui utilise des matériaux radiofréquences.

Afin de vous permettre de suivre l’évolution des études liées aux matériaux et au développement de l’électronique pour l’usage des appareils sonores, nous avons organisé ces éléments au sein d’une frise chronologique. Celle-ci relie à la fois les avancées du son, l’évolution technologique et les progrès de la science des matériaux.

Conclusion

À l’ère électronique et numérique, nous voyons les exigences sur les matériaux s’amplifier : pureté, stabilité, robustesse, capacité d’ingénierie… autant de critères que nous devons maîtriser ensemble. L’évolution continue des matériaux nous permet aujourd’hui d’intégrer l’audio dans tous les aspects de notre vie quotidienne.

Au rythme des sons et des matériaux

Retour sur l’histoire des sons et des matériaux : une collaboration inédite pour vous offrir une entrée dans l’univers de la radio et de l’audio, à la fois scientifique, sensible et ouverte sur la matière et les matériaux. Cette mini-série est conçue dans le cadre du programme Sandbox Radio France, en collaboration avec la Direction du Numérique et Stratégies d’innovation (DNSI) de Radio France, ainsi que le média Cosmos Materia.

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