Le fréquencemètre est un instrument qui mesure la fréquence d’un signal périodique, c’est-à-dire le nombre de répétitions du motif par seconde, exprimée en hertz (Hz). Pour un son, la fréquence détermine la hauteur perçue : plus elle est élevée, plus le son est aigu.
Observer expérimentalement la fréquence d’un son
Sur un smartphone, le fréquencemètre analyse le signal capté par le microphone : par transformée de Fourier, FizziQ décompose le son en ses composantes fréquentielles et en extrait la fréquence dominante et la fréquence fondamentale. L’instrument affiche cette fréquence en temps réel.
Étapes :
- Ouvrir FizziQ et sélectionner l’instrument Fréquence dominante parmi les mesures du microphone : c’est le fréquencemètre de l’application, qui mesure de 50 à 10 000 Hz environ.
- Faire sonner un diapason ou jouer une note pure sur une application génératrice et lire la fréquence affichée.
- Vérifier qu’un diapason de référence indique bien une valeur proche de 440 Hz.
- Chanter ou siffler une note tenue et observer la stabilité de la fréquence.
- Comparer deux notes (grave puis aiguë) pour relier hauteur perçue et valeur en hertz.
- Enregistrer la fréquence au cours du temps pour suivre un glissando ou l’accord d’un instrument.
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Prolongements possibles avec FizziQ : accordage d’un instrument de musique, étude de l’effet Doppler d’une source en mouvement, ou vérification de la relation entre la longueur d’une corde ou d’un tuyau et la fréquence émise. Le synthétiseur de sons de FizziQ (onglet Outils) génère un son de fréquence choisie, ce qui permet de tester le fréquencemètre avec une source connue. Voir la section microphone du guide des capteurs.
En savoir plus : comment ça marche
Le microphone échantillonne la pression acoustique, typiquement 44 100 fois par seconde. Sur une fenêtre de ces échantillons, l’algorithme de transformée de Fourier rapide (FFT) calcule le spectre du signal, c’est-à-dire la répartition de l’énergie sonore selon la fréquence. Le fréquencemètre y repère le pic principal et en déduit la fréquence dominante. Contrairement au niveau sonore, la fréquence est mesurée avec exactitude, au hertz près, car elle ne dépend pas de l’étalonnage d’amplitude du microphone. Ses limites viennent de la résolution de l’analyse, liée à la durée de signal analysée, et du bruit ambiant : un son faible, bref ou noyé dans le bruit rend la mesure instable, et un son complexe peut faire hésiter l’appareil entre la fondamentale et une harmonique.
Ordres de grandeur :
- Fréquence d’échantillonnage courante : 44 100 Hz.
- Domaine audible : 20 Hz (grave) à 20 000 Hz (aigu).
- La mesure sur une fenêtre plus longue améliore la résolution : une fenêtre d’environ 1 s donne une résolution voisine de 1 Hz.
- Diapason de référence : 440 Hz (le « la3 »).
- Voix parlée : environ 100 à 300 Hz ; voix chantée soprano : jusqu’à 1 000 Hz environ.
Formule
La fréquence est l’inverse de la période T du signal :
f = 1 / T, avec f en hertz (Hz) et T en secondes (s).
Ainsi un son de période T = 2,3 ms correspond à f ≈ 440 Hz. Deux sons dont les fréquences sont dans un rapport 2 sont séparés d’une octave.
Exemples d’application
- Accorder une guitare, un violon ou un piano en visant la fréquence cible de chaque note.
- Vérifier la fréquence d’un diapason ou d’un générateur de sons.
- Mesurer la fréquence d’un tuyau sonore et étudier son mode fondamental.
- Mettre en évidence l’effet Doppler d’une source qui s’approche puis s’éloigne.
- Relier la hauteur perçue d’une note à sa valeur en hertz.
- Étudier la relation entre la longueur d’une corde vibrante et la fréquence émise.
FAQ
Q : La fréquence mesurée par un smartphone est-elle exacte ? R : Oui, au hertz près pour un son pur et stable. La fréquence ne dépend pas de l’étalonnage d’amplitude, contrairement au niveau sonore : c’est une mesure de temps, donc fiable.
Q : Pourquoi la valeur affichée saute-t-elle par moments ? R : Un son faible, bref ou masqué par le bruit ambiant fournit un spectre peu marqué. L’algorithme hésite alors entre plusieurs pics, ce qui fait fluctuer la mesure.
Q : Le fréquencemètre donne-t-il la fondamentale ou une harmonique ? R : Il repère le pic le plus énergétique du spectre. Pour un son complexe, ce pic est souvent la fondamentale, mais une harmonique intense peut parfois le remplacer et fausser la lecture.
Concepts liés
Fréquence fondamentale - Fréquence dominante - Analyse spectrale - Son pur - Synthétiseur de sons - Période - Microphone