Le son : fréquence et intensité, cours de 4e

Quand tu écoutes de la musique, une voix ou le bruit d'une moto, ton oreille perçoit une impression : le son est « fort » ou « faible », « haut » ou « bas ». Cette impression est subjective : deux personnes ne la décrivent pas toujours de la même façon. La physique cherche donc des grandeurs mesurables, que l'on peut lire sur un appareil et comparer d'un jour à l'autre.

Au cycle 4, dès la 5e, on apprend à caractériser les sons avec deux grandeurs : la fréquence et le niveau d'intensité. ¹ Ce cours les reprend l'une après l'autre, puis explique comment elles se distinguent, car c'est là que se glissent presque toutes les erreurs.

Tu as déjà étudié la lumière et les couleurs. Pour la lumière, on parle de rayons et de signaux que l'œil ne voit pas toujours ; le programme évoque d'ailleurs les limites de la perception humaine. ¹ Le son suit la même démarche : ce que ton oreille perçoit n'est qu'une partie de ce qui existe, et il faut des instruments pour aller plus loin.

Imagine une corde de guitare que tu pinces. Elle va et vient très vite. Chaque aller-retour est une vibration. Si on compte les vibrations pendant une seconde, on obtient la fréquence. Une fréquence de 100 Hz signifie donc 100 vibrations chaque seconde.

La notion se construit d'abord de façon qualitative en 5e : on compare des sons entre eux avant de calculer. ³ En 4e, on s'appuie sur cette idée pour mesurer la fréquence à partir d'une définition précise. ⁴

En classe, on dispose de deux manières principales de connaître une fréquence.

Avec un générateur basse fréquence (GBF). Cet appareil produit un signal électrique que l'on envoie dans un haut-parleur. La valeur de la fréquence se lit directement sur le GBF, et on peut la modifier. ² C'est pratique pour comparer des sons de fréquences différentes.

Avec un enregistrement. On enregistre le son et on détermine ses caractéristiques physiques : fréquence, allure et intensité. ²⁴ Les logiciels d'analyse numérique permettent d'observer le signal sur l'écran. ⁵

La fréquence décrit une propriété physique. Notre oreille, elle, perçoit la hauteur du son. Les ressources du programme associent la fréquence et la hauteur d'un son. ² Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus le son est grave. C'est pour cela que deux notes de musique différentes n'ont pas la même hauteur. En lycée, on précisera ce lien entre fréquence et hauteur, mais dès le collège on mesure la fréquence de notes de musique pour l'étudier. ³⁵

Cela signifie qu'un signal peut exister sans que tu l'entendes. Un appareil adapté peut le détecter. Une enquête sur la gamme des fréquences que l'oreille entend, et sur la façon de l'élargir avec des instruments, fait partie des activités proposées en classe. ³

Quand on parle de « volume » dans la vie courante, on pense en réalité au niveau d'intensité sonore : les ressources du programme établissent la correspondance entre le volume perçu et le niveau en dB. ⁵ Le sonomètre est l'appareil de la classe : tu le places à l'endroit où tu veux évaluer le son et tu lis la valeur affichée en dB. ²

Pour que la mesure soit comparable, il faut garder les mêmes conditions : même distance entre la source et l'appareil, même réglage de la source, même pièce. Sinon, tu compares deux choses qui diffèrent par plus d'un paramètre.

C'est le cœur du chapitre : une fréquence plus haute ou plus basse change-t-elle la force d'un son mesurée par un appareil ? ² Pour trancher, on organise un test avec le GBF et le sonomètre : la fréquence est modifiée sur le GBF, et on relève chaque fois le niveau sonore. ²

Le résultat observé : tant qu'on reste dans les fréquences que le haut-parleur reproduit bien, changer la fréquence ne modifie pas l'intensité acoustique. ² Ces deux caractéristiques sont donc indépendantes : tu peux modifier l'une sans toucher à l'autre.

Pour décrire un signal sonore, on regarde ses caractéristiques physiques : sa fréquence, son allure (la forme du signal sur l'écran) et son intensité. ⁴ Cette étude permet aussi de différencier un bruit d'un son. ⁴

En seconde, on ira plus loin avec la période, le timbre et la forme du signal ; ce n'est pas au programme de 4e. ⁵