La fréquence : comprendre le rythme d’une vibration

Lorsque l’on parle de son, de lumière, d’électricité ou de signal, un mot revient très souvent : la fréquence.

La fréquence permet de décrire combien de fois un phénomène se répète en une seconde. C’est une notion fondamentale en physique, car elle permet de comprendre aussi bien la hauteur d’un son que le fonctionnement d’un courant alternatif, d’une onde radio ou d’un signal vidéo.

Une vibration qui se répète

Pour comprendre la fréquence, il faut d’abord imaginer un phénomène qui se répète régulièrement.

Prenons l’exemple d’une corde de guitare. Lorsqu’elle est pincée, elle se met à vibrer. Elle part dans un sens, revient, repart dans l’autre sens, puis revient à sa position de départ. Ce mouvement complet s’appelle un cycle.

Si cette corde effectue 100 cycles en une seconde, on dit que sa fréquence est de 100 hertz.

La fréquence correspond donc au nombre de cycles par seconde.

Le hertz : l’unité de la fréquence

L’unité de la fréquence est le hertz, noté Hz.

Un hertz signifie : un cycle par seconde.

Par exemple :

• 1 Hz signifie 1 cycle par seconde ;

• 10 Hz signifie 10 cycles par seconde ;

• 100 Hz signifie 100 cycles par seconde ;

• 1 000 Hz signifie 1 000 cycles par seconde.

Lorsque les valeurs deviennent grandes, on utilise souvent des multiples :

• 1 kHz = 1 000 Hz ;

• 1 MHz = 1 000 000 Hz ;

• 1 GHz = 1 000 000 000 Hz.

Ces unités sont très utilisées en audio, en radio, en informatique et en électronique.

Fréquence et période

La fréquence est directement liée à une autre notion : la période.

La période correspond au temps nécessaire pour effectuer un cycle complet. Elle se note généralement T et s’exprime en secondes.

La fréquence, elle, se note généralement f.

La relation entre les deux est :

f = 1 / T

Et inversement :

T = 1 / f

Cela signifie que plus la fréquence est élevée, plus la période est courte.

Par exemple, si un signal a une fréquence de 50 Hz, il effectue 50 cycles en une seconde. La durée d’un cycle est donc :

T = 1 / 50 = 0,02 seconde

La période est donc de 20 millisecondes.

Fréquence et son

Dans le domaine du son, la fréquence est directement liée à la hauteur perçue.

Un son grave correspond à une fréquence basse.
Un son aigu correspond à une fréquence élevée.

Par exemple, une basse ou une grosse caisse produit principalement des fréquences basses, tandis qu’un sifflement ou une cymbale contient beaucoup de fréquences aiguës.

L’oreille humaine perçoit généralement les sons entre environ 20 Hz et 20 000 Hz. En dessous de 20 Hz, on parle d’infrasons. Au-dessus de 20 000 Hz, on parle d’ultrasons.

Cela ne veut pas dire que tous les êtres vivants entendent la même chose. Certains animaux peuvent percevoir des fréquences bien plus élevées que l’être humain.

Fréquence et longueur d’onde

Une onde ne se caractérise pas seulement par sa fréquence. Elle possède aussi une longueur d’onde.

La longueur d’onde correspond à la distance entre deux points identiques d’une onde, par exemple entre deux sommets successifs.

La fréquence et la longueur d’onde sont liées par la vitesse de propagation de l’onde.

La formule est :

v = f × λ

Avec :

• v : vitesse de propagation de l’onde ;

• f : fréquence ;

• λ : longueur d’onde.

Dans l’air, le son se propage à environ 343 m/s à température ambiante.

Un son de 100 Hz a donc une longueur d’onde d’environ :

λ = 343 / 100 = 3,43 m

Un son de 1 000 Hz a une longueur d’onde d’environ :

λ = 343 / 1000 = 0,343 m

On comprend alors qu’un son grave possède une grande longueur d’onde, tandis qu’un son aigu possède une longueur d’onde plus courte.

Pourquoi c’est important en audio ?

La fréquence est essentielle pour comprendre le comportement du son.

Elle permet d’expliquer pourquoi les graves traversent plus facilement certains obstacles, pourquoi les aigus sont plus directifs, pourquoi une salle peut résonner à certaines fréquences ou encore pourquoi un haut-parleur ne reproduit pas toutes les fréquences de la même manière.

En audio, on utilise souvent des plages de fréquences pour décrire le contenu sonore :

Les basses fréquences donnent du poids et de la profondeur.
Les médiums contiennent une grande partie de l’intelligibilité de la voix et des instruments.
Les hautes fréquences apportent de la précision, de la brillance et des détails.

Un réglage d’égaliseur agit justement sur certaines zones de fréquence pour modifier l’équilibre sonore.

La fréquence dans d’autres domaines

La fréquence ne concerne pas uniquement le son.

En électricité, le courant alternatif du réseau électrique change de sens plusieurs fois par seconde. En Europe, sa fréquence est de 50 Hz.

En radio, les stations émettent sur des fréquences beaucoup plus élevées, souvent exprimées en MHz.

En informatique, la fréquence d’un processeur est exprimée en GHz. Elle indique le nombre de cycles que le processeur peut effectuer chaque seconde.

Dans tous les cas, l’idée reste la même : la fréquence mesure le nombre de répétitions d’un phénomène par seconde.

À retenir

La fréquence est une notion fondamentale pour comprendre les phénomènes périodiques.

Elle indique combien de fois un cycle se répète en une seconde. Son unité est le hertz. Une fréquence basse correspond à un phénomène lent, tandis qu’une fréquence élevée correspond à un phénomène rapide.

Dans le domaine du son, la fréquence détermine principalement la hauteur perçue : les basses fréquences donnent les sons graves, les hautes fréquences donnent les sons aigus.

Comprendre la fréquence permet donc de mieux comprendre le son, les ondes, les signaux électriques et de nombreux phénomènes techniques du quotidien.