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Disque compact
Disque compact 
Type de média : Disque optique Capacité : 214 Mo (205 Mio) soit 23 minutes à 1,24 Mb/s jusqu'à 921 Mo (878 Mio) soit 99 minutes à 1,24 Mb/s Mécanisme de lecture : Diode laser de longueur d’onde de 780 nm Développé par : Philips, Sony, Hitachi Utilisé pour : Stockage audio et de données Un disque compact (dans le langage courant, CD pour l'anglais Compact Disc[1]), est un disque optique utilisé pour stocker des données sous forme numérique. Il se lit sur une platine laser.
Sommaire
Principe de fonctionnement
La lentille d’un lecteur de CD
Gravure de disque optique Types de disques optiques Normes - Rainbow Books
- Systèmes de fichiers :
La technique du disque compact repose sur une méthode optique : un faisceau de lumière cohérente (laser) vient frapper le disque en rotation. Les irrégularités (cavités) dans la surface réfléchissante de celui-ci produisent des variations binaires. Le rayon réfléchi est enregistré par un capteur. Lorsqu’il est utilisé comme support pour l’écoute musicale (premières utilisations) l’information binaire est ensuite transformée en un signal analogique par un convertisseur.
Dès son apparition, ce support a été promu par ses inventeurs et les éditeurs musicaux comme offrant une meilleure qualité sonore que les autres supports existants (notamment les disques vinyle). Ces qualités sont aujourd’hui contestées et de nouveaux supports sont apparus (SACD - Super Audio Compact Disc ou le DVD-A - Digital Versatile Disc Audio). On constate par ailleurs un regain de popularité du support vinyle[2]
Histoire
La création
Le disque compact fut inventé conjointement par les firmes Philips et Sony Corporation avec, également, la participation de Hitachi pour l’audio-numérique (CD audio) en 1979. 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. En 1980, un « livre orange » a précisé 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 et Toshitada Doi pour Sony.
Les premiers prototypes produits par Philips mesuraient 115 mm de diamètre, avec un codage sur 14 bits et une capacité de 60 minutes. Sony insista pour qu’on adopte un codage sur 16 bits et une durée de 74 minutes, ce qui a augmenté la taille du disque à 120 mm. Selon les rumeurs, la capacité du CD 12 centimètres a été augmentée à 74 minutes, à la demande de Herbert von Karajan, pour que la version la plus lente de la 9e symphonie de Beethoven tienne sur un seul CD. Sony indique que c’est à la demande de l’épouse de son président, pour ces mêmes motifs.
Philips et Sony ont annoncé fin août 1982 qu’ils étaient prêts à sortir leur nouveau produit et ont commencé les ventes à l’automne. La production industrielle commença le 17 août 1982 à Langenhagen, près de Hanovre (R.F.A.). Les premiers albums produits étaient Une symphonie alpestre (Herbert von Karajan avec l'Orchestre Philharmonique de Berlin) et The Visitors (ABBA). La première platine fut vendue au Japon le 1er octobre 1982 accompagnée de l’album 52nd Street de Billy Joel.
Un remplacant du vinyle
Le succès du CD est progressif, 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 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 apparait comme le possible support sonore de l’avenir.
Dès 1986, les platines laser se vendaient mieux que les autres et en 1988 les ventes CD dépassaient celles des vinyles. 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 apparait dans le circuit de la grande distribution des collections très bon marché là où les majors sont excessivement chères. Christian Brunet réalise pour le groupe Carrefour la première opération qui voit proposer au public des coffrets de 10 CD pour moins de 90 francs (13,72 euros) dès 1991. 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 (la lecture optique supprime le contact mécanique et donc l’altération du support par frottement). Dans la réalité, la durée de vie moyenne réelle des supports est contestée, certains accordant aux disques compacts une espérance de vie de seulement dix ans (les dégradations peuvent être : en rayures, oxydation…), mais les utilisateurs soigneux pourront conserver leurs CD en bon état pendant bien plus longtemps ;
- Tailles du support : ses 12 centimètres de diamètre lui confèrent une portabilité que n’avait pas le microsillon. Un deuxième format de 8 centimètres est, lui aussi, normalisé ;
- L’épaisseur est de 1,2 mm nominal ;
- Qualité "théorique" de reproduction sonore supérieure aux cassettes audio et disques vinyles. (Rapport Signal/Bruit bien plus important, reproduction exacte à chaque lecture grâce au système de correction d’erreur, etc. Cependant les audiophiles ou mélomanes exigeants préfèrent le son du vinyle qu’ils jugent plus musical, plus naturel et plus précis dans les mediums/aigus : avec une bonne sonorisation on s'apercoit que la finesse des timbres est mieux rendue en analogique (avec le vinyl) qu'en signal numérique sur 16 bits (CD), surtout pour les orchestrations d'instruments acoustiques; le suréchantillonnage, qui consiste à mieux interpoler le signal, limite un peu les dégâts. Le format numérique SACD comble ces lacunes, avec une meilleure définition numérique que le CD, mais il ne s'est pas imposé ;
- 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 vinyles étaient enregistrés sur deux côtés, on devait donc les retourner à la mi-écoute; les lecteurs de cassette disposaient parfois d'un système dit autoreverse inversant le sens de marche et commutant les têtes de lecture en fin de bande ;
- Accès direct au différents morceaux ainsi qu'à des index pour chaque morceau (utilisé essentiellement pour la musique classique) ;
- Les CD-R (CD vierges à graver) ont les mêmes dimensions, et peuvent être utilisés pour stocker des données Red Book (qui définit le standard Audio pour le CD, tel que les 44,1 kHz de fréquence d’échantillonnage et 16 bits de résolution). Il existe les CD-ROM PC qui sont conçus pour une utilisation avec un graveur dans un PC, et les CD-ROM Audio qui sont conçus pour les enregistreurs de maison (qui ne peuvent pas lire les CD-ROM PC). Ils sont d’ailleurs plus chers car ils contiennent un pourcentage pour les droits d’auteurs 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.
Types de disques
CDs en vrac
Disque compactOn distingue plusieurs types de disques compacts :
- CD audio (CDDA ou CDA) : Compact Disc Digital Audio ou en français Compact Disc Audio.
- CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory), officiellement cédérom en français : support de stockage informatique.
- CD-WORM : (CD-Write Once Read Many) Variante de CD pouvant être gravé une seule fois par l´utilisateur (sur un graveur de CD-ROM) et lu ensuite sur n´importe quel lecteur de CD-ROM.
- CD Extra (ou Enhanced CD ou Disque amélioré) : disque compact réunissant en premier une session ne contenant que les pistes audio et une session ne contenant que des données. Ce type de disque est lisible dans 90 %[réf. nécessaire] des lecteurs de CD (autoradios, chaînes hi-fi,…). Les CD OpenDisc (en) sont techniquement des CD Extra.
- CD en mode mixte : disque compact réunissant en premier une session ne contenant que des données et une session ne contenant que des pistes audio. Il est parfois employé comme support de jeu vidéo, la première session (de données) contenant le programme-jeu tandis que les musiques du jeu sont dans la seconde (l’audio). Dans les lecteurs de disques audio (e.g. autoradios, chaînes hi-fi, etc.) : seule la session audio de ce type de disque est lisible. Les disques audio "Copy-controlled" créés par certaines majors sont des disques mixtes.
- CD-R : Compact Disc Recordable, Disque inscriptible.
- CD-RW : Compact Disc Rewritable, Disque réinscriptible.
- CD+G : Compact Disc + Graphics, Disque compact et Images.
- VCD : Video Compact Disc, Disque compact vidéo.
- SVCD : Super Video Compact Disc, Super compact disque vidéo.
Les appareils de lecture pour CD-audio ne sont pas conçus pour lire les CD-ROM ; a contrario, les lecteurs de CD-ROM peuvent aussi lire les CD-audio. Il existe aussi des CD « hybrides » contenant de l’information audio (lisible par un lecteur audio) et des informations d’autres types (texte, vidéo, images, etc.), lisibles par un lecteur de CD-ROM (CD en mode mixte et CD Extra cités plus haut).
Dernièrement, avec l’arrivée de la méthode compression audio MP3 (MPEG-1/2 Audio Layer 3), des lecteurs audio pouvant lire des pistes MP3 sur un CD-R(W) et les jouer comme un CD audio traditionnel ont été développés. L’intérêt du format MP3 est qu’il permet de stocker jusqu’à dix fois plus de musique que sur un CD audio avec une dégradation plus ou moins perceptible de la qualité sonore en fonction du débit auquel le disque / le morceau a été compressé.
Les méthodes de compression s'améliorent largement depuis. Cela conduit à remettre en question la nécessité d'un support physique comme le CD.
Détails physiques
Les disques compacts sont constitués d’une galette de polycarbonate de 1,2 millimètre d’épaisseur recouvert d’une fine couche d’aluminium (au début, c’était d’une couche d’or et c’est encore le cas actuellement sur les disques à longue durée de vie) protégée par un film de laque. Ce film peut aussi être imprimé pour illustrer le disque. Les techniques d’impression sont l’offset et la sérigraphie. Les différentes couches sont déposées par la machine sous l'état liquide sur le pourtour du centre du disque et réparties sur la surface par la force centrifuge, afin de garantir une répartition uniforme.
Les informations sur un CD standard sont codées sur une piste d’alvéoles en spirale moulée dans le polycarbonate. Chaque alvéole mesure environ entre 125 nm (0,000000125 m) et 500 nm de large et varie entre 833 nm et 3,5 µm en longueur. L’espace entre les pistes est de 1,6 µm. Pour se donner une idée des dimensions, si le disque était mis à l’échelle d’un stade de foot, un alvéole aurait la taille d’un grain de sable. La spirale commence au centre du disque pour se terminer en périphérie, ce qui autorise plusieurs tailles de disques.
Un CD est lu par une diode laser de 780 nm de longueur d’onde à travers la couche de polycarbonate (diamètre du spot: 1,04 µm). La différence de profondeur entre un alvéole (creux) et la surface plane (bosse) est d’un quart la longueur d’onde du laser, ce qui permet d’avoir un déphasage d’une demi-longueur d’onde entre une réflexion du laser dans un alvéole et sur la surface plane. L’interférence destructive causée par cette réflexion réduit l’intensité de la lumière réfléchie dans un alvéole comparée à une réflexion sur la surface plane. En mesurant cette intensité avec une photodiode, on est capable de lire les données sur le disque.
Les creux et les bosses ne représentent pas les 0 et les 1 des informations binaires. C’est le passage d’un creux à une bosse ou d’une bosse à un creux qui indique un 1. S’il n’y a pas de passage bosse-creux, alors il s’agit d’un 0. On appelle cela un front.
Ensuite, ces données passent à la moulinette EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) utilisée lors du codage les données audionumériques en données numériques pour CD audio, pour finalement obtenir les données audionumériques brutes.
Image AFM d'un CD
Image MEB d'un CD
CD avec couche metalique enlevée
Méthode de fabrication
La fabrication industrielle d’un CD se fait suivant différentes étapes; un CD ainsi produit assure une longévité de l’ordre du siècle si toutefois il est bien traité par son propriétaire et ses successeurs. En comparaison, un CD-R a une durée de vie de l’ordre de la décennie, du fait de sa sensibilité aux rayons lumineux.
Prématriçage
Le prématriçage correspond à la transcription des informations du client sur une bande à 9 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.
Le but essentiel 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.
Création du disque matrice
La création du disque matrice, appelé aussi matrice de verre, consiste 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 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 au rythme des informations. 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.
Galvanisation
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.
Fabrication en série
La fabrication en série des disques compacts peut se faire par moulage injection ou par pression. Ce premier principe consiste en l’injection du polycarbonate liquide dans la matrice; le second système, 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.
Format audio
Le format de données, connu sous le nom de standard Red Book, a été dressé par Dutch Electronics du groupe Philips qui possède les droits du CDDA et du logo qui apparaît sur les disques. En termes techniques, il s’agit d’une piste stéréo encodée en PCM à une résolution de 16 bits (linéaire en amplitude, sans compression logarithmique des amplitudes hautes) avec une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz.
L'échantillonnage
Les échantillons sont ensuite regroupés en frame, chaque frame comporte six échantillons stéréo (6 × 2v × 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 rayé dans les limites du raisonnable, il s’agit de deux code de Reed-Solomon à la suite et d’un entrelacement des données effectué entre les deux codages.
L’octet subcode est utilisé pour former 8 canaux de contrôle (chaque canal ayant un débit binaire de 7,35 kbps), dans le CD standard seul les deux premiers canaux sont utilisés et servent pour indiquer les débuts de pistes, le temps, la pré-accentuation, 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 (voir PCM et PCM adaptor (en)). 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 SECAM possède 294 lignes et 50 champs qui permet aussi de délivrer 44 100 échantillons par seconde. Ce système pouvait aussi stocker des échantillons de 14 bits avec des corrections d’erreur ou des échantillons de 16 bits sans correction d’erreur. Il y eut donc un long débat entre Philips et Sony concernant la fréquence et la résolution de l’échantillonnage. Philips voulant utiliser le 44 100 Hz utilisé en Europe et une résolution de 14 bits ayant déjà développé des CNA 14 bits et Sony voulant imposer le 44 056 Hz utilisé au Japon et États-Unis et une résolution de 16 bits.
Anecdote : c’est donc pour ceci 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.
Structure logique
Un CD audio comme un CD-R est constitué, d'après le Orange Book, de trois zones constituant la zone d'information (information area) :
La 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.
La zone Programme
La zone Programme (ou Program Area) contient les données et commence à partir d'un rayon de 25 mm, elle s'étend jusqu'à un rayon de 58mm et peut contenir l'équivalent de 76 minutes de données. La zone programme peut contenir un maximum de 99 pistes (ou sessions) d'une longueur minimale de 4 secondes.
La zone Lead-Out
La zone Lead-Out (parfois notée LOA) 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 6750 secteurs, soit 90 secondes de silence à la vitesse minimale (1X).
Capacité de stockage et vitesse
Les spécifications du disque compact recommandent une vitesse linéaire de 1,22 m/s et un pas entre les pistes de 1,59 µm. Cela conduit à un CD audio de 74 minutes sur un disque de 120 mm ou environ 650 Mio (682 Mo) de données sur un CD-ROM.
Néanmoins, afin d’autoriser des variations dans la fabrication des supports, il y a une tolérance dans la densité des pistes. En fabriquant délibérément des disques de plus haute densité, on peut augmenter la capacité et rester très proche des spécifications du CD. En utilisant une vitesse linéaire de 1,1975 m/s et un pas entre les pistes de 1,497 µm, on atteint une nouvelle capacité maximale de 79 minutes et 40 secondes ou 702 Mio (737 Mo). Bien que ces disques possèdent une légère variation de fabrication, ils sont très souvent lus par les lecteurs et seul un très faible nombre de lecteurs les rejettent.
Il existe des disques enregistrables de 90 et 99 minutes, cela en augmentant la densité des pistes. Mais d’autres problèmes se présentent. Le premier est que la capacité maximale qu’un disque peut annoncer lui-même, en accord avec les spécifications du CD-R, est inférieure à 80 minutes. Le second est que les marqueurs de temps entre 90 et 99 minutes sur les disques sont normalement réservés pour indiquer au lecteur qu’il lit le début du disque et non la fin. Ces problèmes sont fonction des fabricants de disques, des graveurs et des logiciels de gravure. D'où, les disques de plus de 80 minutes sont réservés à un marché de niche.
Une autre technique pour augmenter la capacité d’un disque est d’écrire dans le préambule et dans la fin du disque qui sont normalement prévus pour indiquer les limites du disque. Cela permet d’étendre la capacité d’une ou deux minutes, mais cela peut provoquer des problèmes de lecture quand la fin du disque est atteinte.
Packaging
Les CD sont généralement protégés par des boitiers standards pour 1 CD ou boitier 2 fois plus fin en plastique pour 1 CD. Il existe des doubles boitiers pour les double albums. On trouve aussi des pochettes en papier ou carton.
CD dans un boîtier en plastique
Boîte contenant plusieurs CDs
CD dans une pochette en papier
Notes et références
- ↑ Compact Disc et ses dérivés Compact Disc ReWritable, Compact Disc Recordable et toutes leurs variantes sont des marques déposées propriété de la société Koninklijke Philips Electronics N.V.
- ↑ http://www.numerama.com/magazine/11655-Face-au-CD-en-declin-le-disque-vinyle-fait-un-retour-en-force.html
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
- (fr) Tout sur la gravure de CD
- (fr) Comment réaliser une autoproduction ?
- (en) L’histoire du CD selon Sony
- (en) The CD Story, Kees Immink (histoire du CD)
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