Définition de la fréquence | Physique Chimie Seconde - Ondes et signaux
Introduction
Découvrez ce qu'est la fréquence et comment elle influence la perception du son
Qu'est-ce que la fréquence ?
Notion de fréquence
Avant de parler de fréquence, il faut comprendre ce qu'est une oscillation.
Une oscillation est un mouvement qui se répète périodiquement. Par exemple, une balançoire qui va et vient, ou une corde de guitare qui vibre.
Chaque fois que l'objet revient à sa position initiale après avoir effectué un cycle complet, on dit qu'il a effectué une oscillation.
La fréquence est le nombre d'oscillations (ou cycles) effectués par seconde.
C'est une grandeur qui permet de quantifier la rapidité des oscillations.
Plus une onde oscille rapidement, plus sa fréquence est élevée.
Si une corde de guitare effectue 440 oscillations en 1 seconde, sa fréquence est de 440 Hz.
On dit que la corde vibre à 440 oscillations par seconde.
Unité de la fréquence
Le Hertz (Hz)
Le Hertz (Hz) est une unité de mesure nommée en l'honneur du physicien allemand Heinrich Hertz (1857-1894).
Heinrich Hertz a été le premier à produire et détecter des ondes électromagnétiques, confirmant les théories de Maxwell.
1 Hertz = 1 oscillation par seconde
Donc : 1 Hz = 1 s⁻¹
On peut aussi dire que la fréquence est l'inverse de la période : f = 1/T
Où f est la fréquence en Hz et T est la période en secondes.
- 1 Kilohertz (kHz) = 1 000 Hz = 10³ Hz
- 2 Mégahertz (MHz) = 1 000 000 Hz = 10⁶ Hz
- 3 Gigahertz (GHz) = 1 000 000 000 Hz = 10⁹ Hz
Convertissons quelques valeurs :
- 2 kHz = 2 000 Hz
- 5 MHz = 5 000 000 Hz
- 3 GHz = 3 000 000 000 Hz
Relation entre fréquence et période
Fréquence et période
La période est la durée d'une oscillation complète.
C'est le temps nécessaire pour qu'une onde effectue un cycle complet.
L'unité de la période est la seconde (s).
La fréquence et la période sont liées par une relation inverse :
Et inversement :
Où :
- f = fréquence en Hertz (Hz)
- T = période en secondes (s)
- Si T = 0,01 s, alors f = 1/0,01 = 100 Hz
- Si T = 0,001 s, alors f = 1/0,001 = 1 000 Hz
- Si T = 0,0001 s, alors f = 1/0,0001 = 10 000 Hz
- Si f = 50 Hz, alors T = 1/50 = 0,02 s
- Si f = 1 000 Hz, alors T = 1/1 000 = 0,001 s
- Si f = 20 000 Hz, alors T = 1/20 000 = 0,00005 s
Fréquence et perception du son
Fréquence et hauteur du son
La fréquence d'une onde sonore détermine la hauteur du son perçu :
- Fréquence basse → Son grave
- Fréquence moyenne → Son medium
- Fréquence élevée → Son aigu
L'oreille humaine peut percevoir les sons compris entre environ :
- 20 Hz (son très grave)
- 20 000 Hz (soit 20 kHz) (son très aigu)
Cette gamme peut varier selon les individus et avec l'âge.
- Grondement de tonnerre : ~20-200 Hz (grave)
- Note de musique La (440 Hz) : 440 Hz
- Cri d'un aigle : ~1 000-8 000 Hz (aigu)
- Clapotis d'eau : ~5 000-15 000 Hz (aigu)
- Chien : 67 Hz - 45 kHz
- Chat : 45 Hz - 64 kHz
- Chauve-souris : 1 kHz - 200 kHz
- Dolphin : 0,2 kHz - 150 kHz
Certains animaux perçoivent des sons inaudibles pour l'homme !
Exercice d'application n°1
Calcul de fréquence
Une corde de guitare effectue 880 oscillations en 2 secondes.
1. Calculer la fréquence de cette corde.
2. En déduire la période des oscillations.
3. Indiquer si le son perçu est grave ou aigu.
La fréquence est le nombre d'oscillations par seconde.
Nombre d'oscillations : 880
Durée : 2 s
Fréquence f = nombre d'oscillations / durée
f = 880 / 2 = 440 Hz
La fréquence de la corde est de 440 Hz.
On utilise la relation : T = 1/f
T = 1 / 440 ≈ 0,00227 s = 2,27 ms
La période des oscillations est d'environ 2,27 millisecondes.
La fréquence de 440 Hz se situe dans la gamme moyenne des sons audibles (20 Hz à 20 000 Hz).
C'est la fréquence de la note La (A4) dans la musique.
Le son perçu est donc de hauteur moyenne, ni grave ni aigu.
Exercice d'application n°2
Calcul de période
Une onde sonore a une fréquence de 500 Hz.
1. Calculer la période de cette onde.
2. Combien d'oscillations cette onde effectue-t-elle en 1 minute ?
3. Quel est le nom de l'unité obtenue ?
On utilise la relation : T = 1/f
Fréquence f = 500 Hz
Période T = 1 / 500 = 0,002 s = 2 ms
La période de l'onde est de 0,002 seconde ou 2 millisecondes.
1 minute = 60 secondes
Fréquence = 500 oscillations par seconde
Nombre d'oscillations en 1 minute = 500 × 60 = 30 000
L'onde effectue 30 000 oscillations en 1 minute.
30 000 oscillations en 1 minute correspondent à 30 000 oscillations par minute.
Cette unité n'est pas standard en physique.
En physique, on préfère utiliser les Hertz (oscillations par seconde).
Applications de la fréquence
Utilisations pratiques
Les musiciens accordent leurs instruments en fonction de fréquences précises :
- Note La (A4) = 440 Hz (fréquence de référence)
- Chaque note musicale a une fréquence spécifique
- Les intervalles musicaux correspondent à des rapports de fréquences
Les communications utilisent des ondes de différentes fréquences :
- Radio FM : 87,5 - 108 MHz
- Radio AM : 530 - 1700 kHz
- Téléphone mobile : 800 MHz - 2,6 GHz
- WiFi : 2,4 GHz ou 5 GHz
Les échographies utilisent des fréquences élevées :
- Fréquences ultrasonores : 2 MHz - 15 MHz
- Impossible à percevoir par l'oreille humaine
- Permettent d'imager les organes internes
Les systèmes de reproduction sonore prennent en compte la gamme de fréquences :
- Woofers : basses fréquences (20 Hz - 200 Hz)
- Médiums : fréquences moyennes (200 Hz - 2000 Hz)
- Tweeters : hautes fréquences (2000 Hz - 20 000 Hz)
Synthèse du chapitre
Points clés à retenir
- 1 Nombre d'oscillations par seconde
- 2 Unité : le Hertz (Hz)
- 3 Symbole : f
- 4 Relation avec la période : f = 1/T
- 1 Durée d'une oscillation complète
- 2 Unité : la seconde (s)
- 3 Symbole : T
- 4 Relation avec la fréquence : T = 1/f
- 1 Fréquence basse → son grave
- 2 Fréquence élevée → son aigu
- 3 Gamme audible : 20 Hz à 20 000 Hz
- 4 Inversement proportionnel à la période
- 1 Musique et instruments
- 2 Télécommunications
- 3 Médecine (échographies)
- 4 Systèmes audio
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer les calculs de fréquence et de période