Introduction
Un son ne se distingue pas uniquement par son niveau sonore. Il peut également être plus grave ou plus aigu. Le grondement d’un moteur et un signal électronique aigu peuvent, par exemple, présenter des niveaux de pression acoustique proches tout en produisant des perceptions totalement différentes. Leur fréquence constitue l’une des principales raisons de cette différence.
La fréquence sonore est exprimée en hertz (Hz) et décrit la rapidité avec laquelle une onde acoustique oscille. Sa compréhension permet de mieux appréhender la hauteur tonale, la longueur d’onde, la propagation du son, les caractéristiques de l’audition humaine ainsi que les mesures réalisées avec des sonomètres et des analyseurs de fréquence.
Points essentiels
● La fréquence sonore correspond au nombre de cycles complets d’une onde acoustique par seconde et s’exprime en Hz.
● 1 Hz correspond à un cycle par seconde, tandis que 1000 Hz correspondent à 1000 cycles par seconde.
● En règle générale, les basses fréquences sont perçues comme des sons graves et les hautes fréquences comme des sons aigus.
● La fréquence est directement liée à la longueur d’onde. Dans un même milieu, plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.
● La sensibilité de l’oreille humaine varie avec la fréquence. Deux sons ayant le même niveau de pression acoustique peuvent donc être perçus différemment.
● Un sonomètre standard mesure principalement le niveau de pression acoustique. L’identification des différentes composantes fréquentielles nécessite une analyse spectrale, par bandes d’octave ou une autre méthode d’analyse fréquentielle.
Qu’est-ce que la fréquence sonore ?
Le son est une onde mécanique. Lorsqu’un objet vibre, il génère des variations périodiques de pression dans le milieu environnant, par exemple l’air. Ces variations se propagent sous forme d’ondes acoustiques.
La fréquence sonore correspond au nombre de répétitions de ces variations périodiques en une seconde. Elle est généralement représentée par la lettre f et s’exprime en hertz (Hz).
● 1 Hz : 1 cycle par seconde ;
● 50 Hz : 50 cycles par seconde ;
● 1000 Hz : 1000 cycles par seconde ;
● 10 kHz : 10000 cycles par seconde.
La relation fondamentale est la suivante :
f = 1 / T
où f représente la fréquence en Hz et T la durée d’un cycle complet en secondes.
Par exemple, si une onde sonore effectue un cycle complet en 0,001 seconde :
f = 1 / 0,001 = 1000 Hz
La fréquence décrit donc la rapidité d’oscillation du son et non son niveau sonore.
Que signifient Hz et kHz ?
Le hertz est l’unité la plus courante pour exprimer la fréquence sonore. Les fréquences plus élevées sont souvent exprimées en kilohertz (kHz).
● 1 kHz = 1000 Hz ;
● 2 kHz = 2000 Hz ;
● 10 kHz = 10000 Hz.
Par exemple, l’indication « signal d’étalonnage de 1000 Hz » désigne un signal acoustique effectuant 1000 cycles par seconde.
Les unités Hz et kHz sont couramment utilisées en acoustique, en analyse du bruit, en audio et dans les applications liées à l’audition.
Quelles fréquences l’oreille humaine peut-elle entendre ?
Chez une personne jeune disposant d’une audition normale, la plage audible est généralement située entre environ 20 Hz et 20 kHz.
Il s’agit d’une plage de référence et non d’une limite absolue. La capacité auditive varie selon l’âge, les individus et l’état de l’audition. La sensibilité aux hautes fréquences diminue notamment fréquemment avec l’âge.
À titre indicatif :
● 20–200 Hz : sons principalement graves, tels que grondements, grosses machines et basses musicales ;
● 200 Hz–2 kHz : plage contenant une part importante de la parole et des sons de l’environnement quotidien ;
● 2–5 kHz : zone à laquelle l’oreille humaine est généralement très sensible et qui joue un rôle important dans l’intelligibilité de la parole et les signaux d’alerte ;
● 5–20 kHz : hautes fréquences souvent perçues comme aiguës, sifflantes ou associées à des bruits de frottement et certains équipements électroniques.
Les fréquences inférieures à environ 20 Hz sont généralement appelées infrasons, tandis que celles supérieures à environ 20 kHz sont appelées ultrasons.
Comment la fréquence influence-t-elle la hauteur du son ?
La fréquence est étroitement liée à la hauteur tonale perçue.
En règle générale :
● Une fréquence basse produit un son perçu comme plus grave ;
● Une fréquence élevée produit un son perçu comme plus aigu.
Un son pur de 100 Hz paraît ainsi nettement plus grave qu’un son de 1000 Hz, tandis qu’un son de 5000 Hz paraît beaucoup plus aigu.
La fréquence physique et la hauteur perçue ne sont cependant pas exactement la même notion. Pour un son pur, la relation est très directe. Les bruits réels, la musique ou la parole contiennent généralement de nombreuses fréquences simultanément, ce qui rend leur perception plus complexe.
Quelle est la relation entre fréquence et longueur d’onde ?
La fréquence influence directement la longueur d’onde.
La fréquence, la longueur d’onde et la vitesse du son sont liées par la relation :
λ = c / f
où λ représente la longueur d’onde, c la vitesse du son dans le milieu et f la fréquence.
En prenant une vitesse du son dans l’air d’environ 343 m/s à température ambiante :
● À 100 Hz, la longueur d’onde est d’environ 3,43 m ;
● À 1000 Hz, elle est d’environ 0,343 m ;
● À 10000 Hz, elle est d’environ 0,0343 m.
Dans un même milieu, plus la fréquence est basse, plus la longueur d’onde est grande. Inversement, plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.
Cette différence influence la manière dont le son interagit avec les murs, les machines, les bâtiments et les autres obstacles.
Pourquoi les basses fréquences contournent-elles plus facilement les obstacles ?
Les sons de basse fréquence possèdent de grandes longueurs d’onde. Lorsqu’ils rencontrent un obstacle dont les dimensions sont comparables ou inférieures à leur longueur d’onde, le phénomène de diffraction est généralement plus marqué.
Dans les environnements réels, cela peut notamment expliquer pourquoi :
● Des basses musicales ou des bruits de machines restent audibles derrière certaines parois ;
● Le bruit basse fréquence de certains équipements peut être perçu à relativement grande distance ;
● Les sons de haute fréquence sont souvent davantage bloqués par les obstacles et s’atténuent plus rapidement.
C’est l’une des raisons pour lesquelles le traitement des basses fréquences peut être particulièrement complexe dans les bâtiments, les installations industrielles et les applications de maîtrise du bruit environnemental.
La fréquence influence-t-elle la distance de propagation du son ?
Oui, mais la distance de propagation ne dépend pas uniquement de la fréquence. Le niveau de la source, les conditions atmosphériques, les obstacles, les réflexions, les matériaux absorbants et la configuration de l’environnement jouent également un rôle.
Dans de nombreuses situations, l’absorption atmosphérique est plus importante aux hautes fréquences. À mesure que la distance augmente, les composantes de haute fréquence ont donc tendance à s’atténuer plus rapidement.
C’est pourquoi une musique ou un bruit industriel entendu de loin peut parfois sembler principalement constitué d’un grondement grave.
Il serait néanmoins incorrect d’affirmer que les basses fréquences se propagent toujours plus loin. La directivité de la source, les structures environnantes et les conditions de propagation doivent également être prises en compte.
Quelle est la différence entre fréquence et décibels ?
La fréquence et les décibels décrivent des caractéristiques différentes du son.
● Les Hz indiquent la vitesse d’oscillation de l’onde sonore ;
● Les dB expriment le rapport d’une grandeur acoustique et sont couramment utilisés, dans les mesures de bruit, pour représenter le niveau de pression acoustique.
Les indications « 1000 Hz » et « 80 dB » ne sont donc pas interchangeables.
Un son peut par exemple être caractérisé par :
1000 Hz, 80 dB
Cela signifie qu’il présente une composante fréquentielle autour de 1000 Hz et qu’un niveau de pression acoustique de 80 dB est mesuré.
Deux sons peuvent tous deux mesurer 80 dB tout en ayant des caractéristiques auditives très différentes si leur contenu fréquentiel n’est pas le même.
Pourquoi des sons ayant le même niveau en décibels ne semblent-ils pas aussi forts ?
L’oreille humaine n’est pas également sensible à toutes les fréquences.
À niveau de pression acoustique physique identique, l’oreille est généralement plus sensible aux fréquences moyennes qu’aux très basses fréquences ou aux fréquences proches de la limite supérieure de l’audition.
Deux sons présentant le même niveau de pression acoustique mais des fréquences différentes peuvent donc être perçus avec des niveaux de sonie différents.
C’est notamment pour cette raison que des pondérations fréquentielles sont utilisées en acoustique. La pondération A applique une correction aux différentes composantes fréquentielles en fonction des caractéristiques de l’audition humaine et fournit la mesure couramment exprimée en dBA.
Pourquoi les sons réels comportent-ils généralement plusieurs fréquences ?
Un son pur idéal peut être constitué essentiellement d’une seule fréquence. Les sons réels sont cependant généralement composés d’un grand nombre de fréquences.
Un moteur électrique en fonctionnement peut par exemple produire :
● Une fréquence fondamentale associée à la rotation ;
● Des fréquences périodiques générées par les pales d’un ventilateur ;
● Des composantes de moyenne et haute fréquence provenant des roulements et engrenages ;
● Des harmoniques dues aux vibrations de la structure mécanique ;
● Un bruit large bande provoqué par le frottement et les chocs.
Un seul niveau global exprimé en dB ne suffit donc pas à décrire complètement un bruit.
Pour déterminer quelles fréquences composent le signal sonore, une analyse fréquentielle est nécessaire.
Qu’est-ce qu’un spectre sonore ?
Un spectre sonore décompose un son complexe en différentes composantes fréquentielles et montre comment l’énergie acoustique ou le niveau sonore se répartit en fonction de la fréquence.
Une machine peut par exemple présenter un niveau global de 85 dBA, tandis que l’analyse spectrale révèle :
● Un pic basse fréquence marqué autour de 125 Hz ;
● Un niveau relativement faible autour de 1000 Hz ;
● Une composante de frottement importante autour de 4000 Hz.
Pour le diagnostic des machines, l’identification des sources de bruit et la maîtrise acoustique, ces informations sont souvent plus utiles qu’une simple valeur globale de niveau de pression acoustique.
Que sont les analyses par bandes d’octave et de tiers d’octave ?
Dans les mesures acoustiques pratiques, il n’est pas toujours nécessaire d’analyser chaque fréquence individuelle en hertz. Les fréquences sont souvent regroupées en bandes.
Les méthodes courantes comprennent l’analyse par bandes d’octave et l’analyse par bandes de tiers d’octave.
Les fréquences centrales usuelles des bandes d’octave comprennent notamment :
31,5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz et 8 kHz.
La comparaison des niveaux de pression acoustique entre ces bandes permet d’identifier plus facilement les zones de fréquence dans lesquelles le bruit est principalement concentré.
L’analyse en tiers d’octave divise le spectre en bandes plus étroites et fournit donc une représentation plus détaillée de la distribution fréquentielle.
Un sonomètre standard peut-il mesurer la fréquence ?
Cela dépend des fonctions de l’appareil.
Les sonomètres numériques de base sont principalement conçus pour mesurer le niveau global de pression acoustique, par exemple :
65,3 dBA
Ils indiquent le niveau sonore actuel, mais ne fournissent pas nécessairement la répartition détaillée des fréquences.
Pour effectuer une analyse fréquentielle, il faut généralement disposer de fonctions telles que :
● Analyse spectrale ;
● Analyse par bandes d’octave ;
● Analyse par bandes de tiers d’octave ;
● Analyse de fréquence par FFT ;
● Enregistrement de données et logiciel d’analyse.
La mesure du niveau sonore et l’analyse du contenu fréquentiel constituent donc deux types de mesures acoustiques distincts.
À quoi sert l’analyse fréquentielle dans la mesure du bruit ?
Le niveau global de pression acoustique indique l’importance générale du bruit. L’analyse fréquentielle permet en complément de déterminer dans quelles plages de fréquence ce bruit est concentré.
Lorsqu’une machine produit un bruit inhabituel, par exemple :
● Une anomalie basse fréquence peut être liée à une vibration importante de la structure, à un élément tournant ou à un déséquilibre ;
● Un pic de fréquence précis peut être associé à la vitesse de rotation, à la fréquence de passage des pales ou à une fréquence d’engrènement ;
● Une augmentation des hautes fréquences peut être associée à des frottements, des fuites ou certaines anomalies mécaniques.
Il ne faut toutefois pas établir automatiquement une correspondance directe entre une fréquence et une panne précise. Le diagnostic doit également tenir compte de la conception de la machine, de sa vitesse de rotation, de sa charge et de l’historique des mesures.
Pourquoi faut-il tenir compte de la fréquence lors des mesures acoustiques ?
Pour de nombreuses mesures générales de bruit environnemental, une valeur globale en dBA fournit déjà une information importante. L’analyse fréquentielle devient particulièrement utile pour :
● Rechercher un bruit anormal sur une machine ;
● Identifier une source de bruit basse ou haute fréquence ;
● Comparer les caractéristiques acoustiques de différents équipements ;
● Concevoir des solutions d’isolation, d’absorption ou de réduction du bruit ;
● Étudier l’acoustique des bâtiments ;
● Analyser des ventilateurs, moteurs, compresseurs et autres machines ;
● Effectuer des évaluations plus détaillées du bruit au travail ou du bruit environnemental.
Dans les applications de réduction du bruit, connaître les principales bandes de fréquence est souvent indispensable pour choisir des solutions adaptées d’absorption, d’isolation ou de maîtrise des vibrations.
FAQ
● Une fréquence plus élevée signifie-t-elle que le son est plus fort ?
Non. La fréquence décrit principalement la vitesse d’oscillation et est liée à la hauteur du son. Le niveau sonore est généralement caractérisé par le niveau de pression acoustique. Un son aigu peut être faible, tandis qu’un son grave peut être très intense.
● Que signifie 1000 Hz ?
Cela signifie qu’environ 1000 cycles d’oscillation sont effectués chaque seconde. 1000 Hz correspondent également à 1 kHz.
● Quelle plage de fréquences l’être humain peut-il entendre ?
Une personne jeune ayant une audition normale peut généralement percevoir environ 20 Hz à 20 kHz. La plage réelle varie cependant selon les individus, l’âge et l’état de l’audition.
● Comment appelle-t-on les sons inférieurs à 20 Hz ?
Ils sont généralement appelés infrasons. Bien qu’ils ne soient normalement pas perçus comme une hauteur sonore classique, des niveaux de pression acoustique suffisamment élevés peuvent produire d’autres sensations.
● Comment appelle-t-on les sons supérieurs à 20 kHz ?
Ils sont appelés ultrasons. Ils se situent au-delà de la limite supérieure typique de l’audition humaine et sont largement utilisés dans les applications de contrôle, de mesure de distance, médicales et de nettoyage ultrasonique.
● Pourquoi un sonomètre affiche-t-il des dBA plutôt que des Hz ?
Un sonomètre standard est principalement conçu pour mesurer le niveau global de pression acoustique. Pour déterminer la répartition fréquentielle, il faut utiliser un appareil disposant d’une analyse spectrale, d’une analyse par bandes d’octave ou d’autres fonctions d’analyse fréquentielle.
● Les basses fréquences se propagent-elles toujours plus loin ?
Non. Elles possèdent généralement une longueur d’onde plus importante et subissent souvent moins d’absorption atmosphérique, mais la propagation réelle dépend également de la source, de l’environnement, des obstacles et des conditions atmosphériques.
Conclusion
La fréquence sonore est une grandeur physique fondamentale qui décrit la rapidité d’oscillation d’une onde acoustique et s’exprime en hertz (Hz). Elle influence directement la hauteur tonale, la longueur d’onde, la propagation du son et la perception auditive.
La fréquence et les décibels représentent des propriétés acoustiques différentes : les Hz décrivent la vitesse d’oscillation, tandis que les dB servent à exprimer la grandeur relative d’une quantité acoustique et, dans les mesures de bruit, principalement le niveau de pression acoustique. Une mesure globale renseigne sur le niveau général du bruit, tandis que l’analyse fréquentielle montre comment ce bruit se répartit dans le spectre.
Pour les mesures de bruit environnemental, la compréhension de la fréquence permet de mieux interpréter les valeurs en dBA et les pondérations fréquentielles. Dans le diagnostic industriel et la maîtrise du bruit, les analyses spectrales, par bandes d’octave et par tiers d’octave fournissent des informations acoustiques nettement plus détaillées.
