Fréquences audio

Une onde sonore ou acoustique se manifeste quand une vibration mécanique se propage dans l’air (gaz), dans l’eau (liquide) et dans les solides. Cette vibration mécanique localisée est appelée source du son. Cette vibration se répand, de proche en proche, par les atomes et molécules du milieu dans lequel le son se propage. Une onde sonore a donc besoin d’un milieu pour se propager. En l’occurrence, il n’y a donc aucun bruit dans l’espace sidéral. 

Dans le cadre de la reproduction de musique enregistrée, le milieu concerné par la propagation du son est l’air qui nous entoure. Si l’on prend l’exemple d’un clap de mains, la source de la vibration se situe entre les 2 mains. À cet instant, il y a une surpression localisée de l’air. Et, cette surpression se propage de proche en proche en formant des sphères concentriques de plus en plus grandes. Ramené à 2 dimensions spatiales, cela revient à observer les vagues concentriques lorsqu’une pierre tombe à la surface d’un lac. Et, si l’on ramène le phénomène ondulatoire à une seule dimension spatiale au cours du temps, on observe une succession régulière de bosses et de creux formant une sinusoïde. Nous sommes en présence du signal audio ! 

Cette succession de crêtes (surpressions locales de l’air) et de creux (dépressions locales de l’air) de ces vagues au cours du temps forme un signal sinusoïdal dont on peut déterminer certaines caractéristiques. 

La distance entre deux crêtes (ou deux creux) définit la longueur d’onde. L’inverse de la longueur d’onde (1/longueur d’onde) donne la fréquence à laquelle se succèdent les crêtes (ou le creux) à chaque seconde. Cette fréquence est exprimée en Hertz (Hz). 

Plus la longueur d’onde est grande, plus la fréquence est basse et plus le son perçu est grave. À l’inverse, plus la longueur d’onde est petite, plus la fréquence est haute et plus le son perçu est aigu. 

Le milieu de propagation de l’onde doit être pris en compte. En particulier, il faut considérer la vitesse du son dans ce milieu. L’air étant un gaz, cette vitesse dépend principalement de la température, de la pression atmosphérique et du taux d’humidité. Dans des conditions qualifiées de normales, la vitesse du son dans l’air est de 340 m/s. 

On peut alors déterminer la longueur d’onde en fonction de la fréquence dans l’air par la relation : 

Longueur d’onde = vitesse du son dans l’air / fréquence 

Pour une fréquence de 20 Hz, cela donne :  Longueur d’onde = 340/20 = 17 m. Pour une fréquence de 20 kHz, cela donne :  Longueur d’onde = 340/20 000 = 0,017 m ou 17 mm. 

On comprend ainsi pourquoi les basses fréquences sont difficilement localisables. Et que les hautes fréquences soient très directives. 

Ces 2 exemples représentent la bande de fréquences audible par l’oreille humaine. De plus, il s’agit d’une jeune oreille, car la perception des hautes fréquences diminue avec l’âge. Cette bande passante, de 20 Hz à 20 kHz, est le prérequis pour un système de reproduction de la musique pour être qualifié de haute-fidélité. 

Spectre des fréquences audio. 

• 0 à 20 Hz : infrasons 
• 20 à 40 Hz : très basses fréquences 
• 40 à 160 Hz : basses fréquences 
• 160 à 315 Hz : bas médium 
• 315 à 2 500 Hz : médium 
• 2 500 à 5 000 Hz : haut médium 
• 5 000 à 10 000 Hz : hautes fréquences 
• 10 000 à 20 000 Hz : très hautes fréquences 
• Plus de 20 000 Hz : ultrasons 

Quelques repères sur le spectre de fréquences. 

Orage ou grosse caisse : de 20 à 40 Hz. 

Contrebasse : de 30 Hz à 3 000 ou 4 000 Hz. 

Guitare et voix de basse à soprano : de 75 à 1 400 Hz. 

Violon : de 250 à 3 500 Hz. 

Grandes orgues : de 16 à 8 372 Hz. 

Quand on voit les grandes orques plafonner vers 8 kHz, on peut s’interroger sur l’intérêt de la bande de fréquences de 10 à 20 kHz. Toutefois, il s’agit des fréquences fondamentales des instruments. 

Les ondes ont la propriété d’émettre des ondes secondaires, ce sont les harmoniques. En conséquence, toutes les ondes fondamentales émettent également des harmoniques. 

Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Par exemple, une fréquence fondamentale de 3 000 Hz, va avoir des harmoniques de 2 x 3 000 Hz = 6 000 Hz ; 3 x 3 000 Hz = 9 000 Hz ; 4 x 3 000 Hz = 12 000 Hz ; 5 x 3 000 Hz = 15 000 Hz ; etc. Les rangs pairs correspondent à une octave. 

Ces harmoniques définissent le timbre de l’instrument ou de la voix. 

Ces timbres permettent de différencier les instruments. On identifie un piano d’une guitare qui joue la même note (la même fréquence fondamentale) grâce à leurs timbres propres ayant chacun leur propre richesse harmonique.  

Les fréquences supérieures à 8 kHz sont donc nécessaires pour en profiter.