Hertz (Hz) – Unité SI de fréquence : Glossaire aéronautique & physique

Hertz (Hz) : définition et place dans le système SI

Le hertz (Hz) est l’unité SI de la fréquence, rigoureusement définie comme un cycle complet par seconde ((1,\text{Hz} = 1,\text{s}^{-1})). Il doit son nom à Heinrich Rudolf Hertz, qui valida pour la première fois l’existence des ondes électromagnétiques, fondatrices de la radio, du radar et des technologies sans fil.

En aviation, le hertz mesure les fréquences radio, les vibrations moteur, les horloges des systèmes numériques, et bien plus. L’adoption du hertz par le SI garantit la cohérence en ingénierie, réglementation et exploitation à travers les disciplines.

La fréquence en aviation : usages pratiques et mesure

La fréquence quantifie la répétition d’un événement périodique par seconde. En aviation, elle sous-tend :

• Communications : Radios VHF (118–137 MHz) pour les échanges pilote/contrôle.
• Navigation : VOR (108–117,95 MHz), aides d’approche ILS.
• Radar : La fréquence de répétition des impulsions (kHz–MHz) détermine la capacité de détection.
• Analyse des vibrations : Les capteurs moteurs/structurels surveillent la santé en Hz.
• Systèmes numériques : Les calculateurs avioniques synchronisent les données à des taux en MHz–GHz.

Une allocation précise des fréquences prévient les interférences et soutient la sécurité et l’efficience des vols.

Le hertz dans l’allocation du spectre électromagnétique

L’aviation dépend d’une gestion stricte du spectre des fréquences. Les organismes de réglementation comme l’UIT et l’OACI attribuent les bandes pour :

Toutes sont mesurées et gérées en hertz ou ses multiples (kHz, MHz, GHz).

Relations mathématiques : fréquence, période et systèmes aéronautiques

• Fréquence ((f)) et période ((T)) sont réciproques : (f = 1/T).
• Relation d’onde : (f = v/\lambda), où (v) est la vitesse et (\lambda) la longueur d’onde.

Exemple : Une hélice à 2400 tr/min a une fréquence de 40 Hz ((2400 \div 60)).
Un signal de 120 MHz dans l’air ((v \approx 3 \times 10^8~\text{m/s})) a une longueur d’onde de 2,5 m.

Ces relations guident la conception des antennes, l’analyse des signaux et la synchronisation des systèmes.

Fréquence et énergie : aspects quantiques en avionique

L’énergie du photon ((E)) est proportionnelle à la fréquence ((f)) : (E = h \cdot f) (constante de Planck (h = 6,626 \times 10^{-34}) J·s).

• Capteurs LIDAR/infrarouge : Fréquence plus élevée = énergie photonique supérieure.
• Signaux GNSS : La fréquence influence le retard atmosphérique et la précision du positionnement.

Préfixes SI et plages de fréquences en aviation

Le hertz en avionique, communications et navigation

• Radios VHF : 118–137 MHz, espacement des canaux de 8,33 kHz.
• ILS : Fréquences appairées pour la précision d’approche.
• Transpondeurs : 1090 MHz (réponse), 1030 MHz (interrogation).
• DME : 962–1213 MHz pour la mesure de distance oblique.
• Radar météo : Bande S (2–4 GHz) pour la détection des précipitations.

La normalisation des fréquences (en Hz) garantit l’interopérabilité et la sécurité à l’échelle mondiale.

Analyse vibratoire et surveillance de la santé moteur

Les vibrations moteur et cellule sont analysées en hertz :

• Accéléromètres produisent des spectres de fréquence.
• Seuils de diagnostic : Certaines bandes révèlent des défauts spécifiques (ex. passage des pales, engrenages).
• Maintenance prédictive : La surveillance des fréquences anormales réduit les arrêts imprévus et améliore la sécurité.

Hertz dans les systèmes numériques et Fly-By-Wire

L’avionique moderne utilise des bus numériques et processeurs à haute fréquence :

• ARINC 429 : 12,5 kHz ; AFDX : 100 Mbps.
• Rafraîchissement des affichages : 60–120 Hz pour la lisibilité des instruments de vol.
• Calculateurs de commandes de vol : Fonctionnent à des horloges MHz–GHz pour la réactivité en temps réel.

La synchronisation et l’intégrité des données dépendent de fréquences précises basées sur le hertz.

Références réglementaires : OACI et gestion des fréquences

L’Annexe 10 de l’OACI et le Doc 9718 définissent :

• L’attribution des fréquences et l’espacement des canaux (ex. 8,33 kHz en VHF).
• Rapports de protection pour garantir l’intégrité du signal.
• Procédures pour la planification du spectre et la gestion des interférences.

La standardisation en hertz assure la fluidité et la sécurité des opérations à l’échelle mondiale.

Importance physique et biologique en aviation

• Rotors principaux d’hélicoptère : 3–6 Hz — clé pour le contrôle vibratoire.
• Pressurisation cabine : Cycles à des fréquences en hertz pour le confort et la sécurité.
• Système vestibulaire humain : Sensible à 0,1–2 Hz — important pour la conception des simulateurs et en cas de turbulence.

La compréhension des fréquences mécaniques contribue à la sécurité et au confort.

Applications avancées : GNSS, ADS-B et communications satellites

• GNSS : Bande L (1–2 GHz), avec une stabilité de fréquence inférieure au hertz pour la précision temporelle et de position.
• ADS-B : 1090 MHz, avec des mises à jour de position à environ 2 Hz.
• Communications satellites : Bandes C, Ku, Ka (4–40 GHz), gérées en hertz pour la séparation des canaux et la maîtrise des interférences.

Le hertz permet une gestion cohérente et fiable du spectre aérospatial.

Tableaux : fréquences aéronautiques courantes et leurs applications

Hertz, audition humaine et conception du cockpit

L’audition humaine couvre 20 Hz–20 kHz. Les alertes sonores et signaux d’avertissement en cockpit utilisent cette plage pour une audibilité optimale, conformément aux normes ergonomiques de l’OACI et de l’EASA. Les environnements sonores du cockpit sont analysés en hertz pour garantir la sécurité et limiter la distraction du pilote.

Hertz et sécurité : interférences, EMI et certification

Les essais de compatibilité électromagnétique (EMI) couvrent 10 kHz–18 GHz+. La certification (RTCA DO-160, EUROCAE ED-14) impose des limites spécifiques par fréquence, pour éviter tout dysfonctionnement avionique dû à des signaux indésirables. Tous les tests et réglementations reposent sur des mesures en hertz.

Glossaire des termes liés à la fréquence

• Fréquence (f) : Cycles par seconde, exprimés en hertz (Hz).
• Période (T) : Durée d’un cycle ; inverse de la fréquence.
• Longueur d’onde (λ) : Distance parcourue par une onde en un cycle.
• Vitesse d’onde (v) : Vitesse de propagation d’une onde ; pour les ondes EM dans le vide, (3 \times 10^8) m/s.
• Cycle : Une oscillation complète.
• Spectre électromagnétique : Gamme complète des fréquences EM ; l’aviation utilise certaines bandes spécifiques.

Tableau récapitulatif : le hertz dans les domaines de l’aviation

Faits essentiels à retenir

• Hertz (Hz) : Unité SI de la fréquence ; un cycle par seconde.
• Du nom de : Heinrich Hertz.
• Équations :
  • (f = 1/T)
  • (f = v/\lambda)
  • (E = h \cdot f)
• Exemples aéronautiques :
  • Comms VHF : 118–137 MHz
  • Vibrations turbine : 10–400 Hz
  • Radar météo : 2–4 GHz
  • GNSS : 1,2–1,6 GHz
  • Transpondeur : 1090 MHz

Conclusion

Le hertz (Hz) est l’unité SI universelle de la fréquence, incontournable en aviation, physique et ingénierie. Sa définition précise sous-tend tous les domaines où la périodicité, le comportement ondulatoire et les phénomènes cycliques sont essentiels, des vibrations des pales de turbine aux communications numériques et à la navigation mondiale. L’adoption du hertz et de ses multiples SI assure l’uniformité, la sécurité et la clarté à l’échelle mondiale en matière de technologie, de réglementation et d’exploitation.

Sources images :

• Spectre électromagnétique : Wikimedia Commons
• Onde sinusoïdale : Wikimedia Commons

Toutes les fréquences et exemples opérationnels sont basés sur les normes OACI, UIT, EASA et FAA telles que référencées dans la documentation réglementaire et la littérature technique actuelles.