Préparation au certificat d'opérateur du service amateur/Qu'est-ce qu'une onde ?

Préparation au certificat d'opérateur du service amateur

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Généralités sur les ondes

Tout au long de votre formation de radioamateur — et même bien après — vous emploierez les mots « onde », « signal ». Explicitons ces termes.

Une onde correspond à la propagation d'une perturbation. Étudions quelques exemples. Lorsque vous lâchez un caillou dans une flaque d'eau, à la surface se forment des vaguelettes qui s'éloignent en cercles concentriques. Les vaguelettes correspondent à la perturbation qui se propage. Un autre exemple : en agitant une corde tendue, on peut parvenir à faire avancer le long de la corde une zone d'écart à sa position de repos.

La propagation de vaguelettes à la surface de l'eau constitue un exemple d'onde.

Toutes les ondes que nous allons étudier seront périodiques, c'est-à-dire que contrairement à l'exemple de la corde où la perturbation était unique, il y aura répétition de la perturbation. On va pouvoir alors définir dans un premier temps la fréquence (notée $f$), qui correspond au nombre de perturbations par seconde ; la fréquence se mesure en Hertz (Hz). En outre, on définit la période (notée $T$) comme la durée d'une perturbation ; la période se mesure en secondes.

Sur la figure ci-dessus, voici quelques ondes de fréquences croissantes. Vous constatez que plus la fréquence augmente, plus la période diminue. Ce résultat est intuitif : si la fréquence augmente, le nombre de perturbations par seconde augmente, donc chaque perturbation dure moins longtemps. Mais elle prend aussi « moins de place » : cela nous amène alors à définir la longueur d'onde (notée $\lambda$) comme étant la longueur d'une perturbation ; elle se mesure en mètres.

La vitesse de propagation (notée $v$), la fréquence, la période et la longueur d'onde sont reliées par les deux formules fondamentales suivantes :

$f={\frac {1}{T}}={\frac {v}{\lambda }}$ $\lambda =v\cdot T$

dans lesquelles $v$ désigne la vitesse de l'onde. Dans le cas des ondes radioélectriques ou des ondes électriques dans les câbles, cette vitesse est celle de la lumière dans le vide, soit environ 300 000 000 m/s=3×10⁸ m/s (on la note $c$).

On peut visualiser une onde à l'aide d'un oscilloscope, appareil permettant d'afficher sur un écran les oscillations. L'écran est quadrillé ; on parle de divisions. Chaque division correspond à un certain temps ou à une autre grandeur, précisée sur les schémas.

Exemple : Quelques calculs

Quelle est la fréquence d'un signal de période 500 ms ? On applique $f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{500\times 10^{-3}}}=2$ Hz. Quelle est la période d'un signal de fréquence 2,5 MHz ? On sait que $f={\frac {1}{T}}$ d'où $T={\frac {1}{f}}={\frac {1}{2,5\times 10^{6}}}=4\times 10^{-7}$ secondes = 400 nanosecondes. Quelle est la fréquence du signal ci-contre ? On donne 1 division = 5 ms. On constate qu'une perturbation s'étale sur 5,2 carreaux, d'où la perturbation dure $5,2\times 5=26$ millisecondes, ce qui est la période. Ainsi, $f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{26\times 10^{-3}}}$=38,5 Hz.

Les ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques sont des ondes associant, dans leur propagation, un champ électrique à un champ magnétique. Dans la vie de tous les jours, nous utilisons ainsi les micro-ondes, les rayons X et même la lumière, qui sont toutes des ondes électromagnétiques. Ces différentes « familles » d'ondes sont caractérisées par une certaine gamme de longueur d'onde ; par exemple, les rayons X s'étendent entre 0,01 nanomètre et 10 nanomètres de longueur d'onde. On peut représenter toutes ces familles sur le spectre des ondes électromagnétiques, présenté ci-dessous. Vous constatez que le domaine visible par l'œil s'étale sur une toute petite partie du spectre, aux alentours du micromètre de longueur d'onde !

Les ondes qui vont nous intéresser sont les ondes radioélectriques. Une onde radioélectrique (dite onde radio) est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 300 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 1 mm. À noter que dans le vide, elles se propagent à la vitesse de la lumière $c$. Dans tous les autres milieux, elles vont plus lentement : en effet, le vide étant vide par définition, rien ne s'oppose à la propagation ; alors que dans un milieu matériel, les particules qui le constituent freinent l'onde.

Le spectre des ondes radioélectriques

La figure ci-dessus représente le spectre électromagnétique ; nous l'avons déjà présenté dans un précédent chapitre. Les ondes radioélectriques s'étendent au-delà de 1 mm de longueur d'onde, soit en-dessous de 300 GHz. Dans ce spectres des ondes radio, des subdivisions existent ; celles utiles aux radioamateurs sont consignées dans le tableau suivant.

Nom			Gamme de fréquences		Longueurs d'onde		Type d'ondes
Very Low Frequencies	VLF	Vous	3 kHz	30 kHz	100 km	10 km	Myriamétriques
Low Frequencies	LF	Lirez	30 kHz	300 kHz	10 km	1 km	Kilométriques
Medium Frequencies	MF	Mon	300 kHz	3 MHz	1 km	100 m	Hectométriques
High Frequencies	HF	Histoire	3 MHz	30 MHz	100 m	10 m	Décamétriques
Very High Frequencies	VHF	Vers	30 MHz	300 MHz	10 m	1 m	Métriques
Ultra High Frequencies	UHF	Une	300 MHz	3 GHz	1 m	10 cm	Décimétriques
Super High Frequencies	SHF	Soirée	3 GHz	30 GHz	10 cm	1 cm	Centimétriques
Extremely High Frequencies	EHF	Enneigée	30 GHz	300 GHz	1 cm	1 mm	Millimétriques

Les bonnes astuces...

Encore un tableau à apprendre ! Il existe une façon simple de s'épargner des efforts d'apprentissage douloureux.

1. Tracez les contours du tableau.
2. Pour les types d'ondes, utilisez les préfixes des noms et triez-les du plus grand au plus petit. Myria = 10000 m = 10 km ; Kilo = 1000 m = 1 km ; etc.
3. La longueur d'onde basse de chaque type d'onde correspond au préfixe : ainsi, la limite basse des ondes métriques est $\lambda _{b}=1$
4. Pour trouver la limite haute, multipliez la limite basse par 10. Ainsi, la limite haute des ondes métriques est $\lambda _{h}=\lambda _{b}\times 10=1\times 10=10$ m.
5. Pour trouver la fréquence basse, utilisez la formule $f={\frac {c}{\lambda _{b}}}$.
6. Pour trouver la limite haute, divisez la limite basse par 10.
7. Enfin, avec le mnémotechnique « Vous lirez mon histoire vers une soirée enneigée », vous retrouvez l'appellation anglophone.

Entraînez-vous, reconstruire le tableau ne doit pas vous prendre plus de 1 minute 30 !

Exercices

Généralités sur les ondes

1. Quelle est la durée d'une période d'un signal de fréquence 10 kHz ?

Familles d'ondes radioélectriques

1. Quelle est l'étendue des ondes décamétriques ?
   1. 3 MHz à 30 MHz ;
   2. 300 Hz à 3 kHz ;
   3. 30 MHz à 300 MHz ;
   4. 3 kHz à 30 kHz.
2. À quelle gamme d’onde appartient la fréquence de 50 MHz ?
   1. métriques ;
   2. décamétriques ;
   3.  décimétriques ;
   4. centimétriques.
3. À quelle gamme d'onde appartient l'onde de $\lambda =6$ cm ?
   1. hectométriques ;
   2. métriques ;
   3. décimétriques ;
   4. centimétriques.
4. Une onde de fréquence 8 MHz se propage dans un câble. À quelle vitesse ?
   1. égale à la vitesse de la lumière ;
   2.  inférieure à la vitesse de la lumière ;
   3. supérieure à la vitesse de la lumière ;
   4.  on ne peut pas savoir.