Signaux physiques (PCSI)/Exercices/Propagation d'un signal : Exemples de signaux, spectre

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Modèle:Exercice

Modèle:Clr

Détermination du spectre d'un produit de deux fonctions sinusoïdales

Modèle:AlOn considère le signal formé du produit de deux fonctions sinusoïdales[1] «s(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf2t+φ)» où «A» et «φ» sont des constantes réelles et

Modèle:Alon se propose d'en faire une analyse spectrale dans le cas où les fréquences peuvent être incommensurables[2] puis dans le cas où elles sont égales.

Analyse spectrale du produit de deux fonctions sinusoïdales de fréquences, a priori, incommensurables

Modèle:AlVérifier que le produit de fonctions sinusoïdales[1] «s(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf2t+φ)» avec f1 et f2 incommensurables[2] n'est pas périodique et par suite
Modèle:AlModèle:Transparentn'est pas éligible à l'application du théorème de Fourier[3] ;

Modèle:Almalgré cela, comme «s(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf2t+φ)» peut être linéarisé en une somme de deux fonctions sinusoïdales[1], il est possible d'en faire une analyse spectrale[4] ;

Modèle:AlModèle:Transparentdéterminer les harmoniques contenus dans «s(t)=Acos(2πf1t)cos(2πf2t+φ)» et

Modèle:AlModèle:Transparentreprésenter son spectre d'amplitude ainsi que

Modèle:AlModèle:Transparentson spectre de phase.

Modèle:Solution

Analyse spectrale du produit de deux fonctions sinusoïdales de même fréquence

Modèle:AlReprendre les questions précédentes dans le cas où «f1=f2».

Modèle:Solution

Détermination de la représentation fréquentielle d'un signal périodique construit à partir de deux signaux périodiques dont les représentations fréquentielles sont connues

Diagramme temporel d'un signal T-périodique, linéairement de 0 à Um sur [0,T4[, avec un saut de 2Um à T4, linéairement de Um à 0 puis linéairement de 0 à Um sur ]T4,3T4[, avec un saut de +2Um à 3T4 et linéairement de Um à 0 sur ]3T4,T[

Modèle:AlConnaissant la représentation fréquentielle[5] d'un signal créneau symétrique[6] pair[7] d'amplitude Um et de fréquence f : Modèle:Nobr et

Modèle:Transparentcelle d'un signal triangulaire symétrique[6] pair[8] d'amplitude Um et de fréquence f : «{C0,triang=0;C2p+1,max,triang_=8Umπ21(2p+1)2p}»[9]Modèle:,[10],

Modèle:Alon se propose d'en déduire la représentation fréquentielle[5] du signal s(t) périodique, de fréquence f, dont le diagramme temporel est donné ci-contre et pour cela

  • trouver le lien entre ce signal s(t) et les signaux créneau symétrique[6] pair[7] et triangulaire symétrique[6] pair[8] {pour justifier ce lien, on représentera sur un même diagramme temporel les trois signaux et on conclura} puis,
  • en déduire le lien entre la représentation fréquentielle[5] du signal s(t) et celles des signaux créneau symétrique[6] pair[7] et triangulaire symétrique[6] pair[8] ensuite,
  • expliciter la représentation fréquentielle[5] du signal s(t),
  • préciser le spectre d'amplitude de ce signal s(t) {on pourra se contenter d'évaluer les hauteurs des 1ères raies} et
  • estimer le nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire le signal s(t) en comparant les vitesses de décroissance de hauteur des raies du spectre d'amplitude de ce signal à celles des raies des spectres d'amplitude des signaux créneau et triangulaire composants .

Modèle:Solution

Notes et références

  1. 1,0 1,1 et 1,2 En fait on devrait plutôt dire « produit de deux fonctions cosinusoïdales » mais l'usage veut qu'on parle de fonction sinusoïdale même quand elle est écrite sous forme d'un cosinus.
  2. 2,0 et 2,1 C.-à-d. dont le rapport n'est pas entier ou rationnel.
  3. Voir le paragraphe « énoncé du théorème de Fourier » du chap.5 de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) ».
  4. Le signal n'étant pas périodique, la méthode systématique de détermination des harmoniques nécessiterait d'introduire les notions de transformée de Fourier, ce qui est hors programme de physique de PCSI {ceux qui souhaiteraient néanmoins quelques notions les trouveront dans le paragraphe « définition de la transformée de Fourier d'une fonction réelle d'une variable réelle intégrable » du chap.26 de la leçon « Outils mathématiques pour la physique »} ; nous n'avons donc pas de méthode générale à utiliser pour faire une analyse spectrale et ne pouvons le faire que dans des cas très particuliers comme celui proposé ici.
    Modèle:AlJoseph Fourier (1768 – 1830) mathématicien et physicien français connu pour ses travaux sur la décomposition de fonctions périodiques en séries trigonométriques convergentes et leur application au problème de la propagation de la chaleur
  5. 5,0 5,1 5,2 et 5,3 Voir le paragraphe « analyse spectrale d'un signal périodique (représentation fréquentielle) » du chap.2 de la leçon « Signaux physiques (PCSI) ».
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 et 6,5 Un signal alterné (c'est-à-dire périodique avec une alternance positive et une négative) est dit « symétrique » si la durée de l'alternance positive est égale à celle de l'alternance négative.
  7. 7,0 7,1 et 7,2 Dans la mesure où le 1er palier haut du signal créneau symétrique est un segment ayant l'axe des ordonnées comme axe de symétrie, le signal créneau symétrique est pair car sa valeur sur ]T4,0[ est égale à celle sur ]0,T4[ et les paliers bas situés immédiatement de part et d'autre de ce 1er palier haut {c'est-à-dire sur ]3T4,T4[ et ]T4,3T4[} sont également symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
  8. 8,0 8,1 et 8,2 Le signal triangulaire symétrique est pair si la pente >0 sur [0,Te2[ est égale à l'opposé de la pente <0 sur [Te2,0], les segments et étant symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
  9. Erreur de référence : Balise <ref> incorrecte : aucun texte n’a été fourni pour les références nommées amplitude complexe
  10. Revoir le paragraphe « exemple d'un signal triangulaire symétrique (preuve des valeurs d'amplitudes - en complément) » du chap.2 de la leçon « Signaux physiques (PCSI) », les valeurs fournies dans le paragraphe précité étant à rectifier car le triangulaire y était impair alors qu'ici il y est pair tous les harmoniques impairs sont nuls Bn=0n et les harmoniques pairs se calculent selon An= 2T{0T2e(t)cos(2πnft)dt+T2Te(t)cos(2πnft)dt} {avant de poursuivre déterminons l'expression algébrique du signal «e(t)={4UmT(tT4)sit[0,T2]4UmT(t3T4)sit[T2,T]}» Modèle:Nobr effet la valeur absolue de la pente est 2UmT2=4UmT]} d'où An=2T{0T2[4UmT(tT4)]cos(2πnft)dt+T2T[4UmT(t3T4)]cos(2πnft)dt} ou, en faisant le « changement de variable t=tT2 dans la 2ème intégrale » {on obtient dt=dt et cos(2πnft)=cos(2πnft+2πnfT2)=cos(2πnft+nπ)=(1)ncos(2πnft), les bornes inférieure et supérieure devenant 0 et T2} la 2ème intégrale est l'opposé de la 1ère multipliée par (1)n soit «An= 2T4UmT[1(1)n]0T2(tT4)cos(2πnft)dt» ;
    Modèle:Alcette dernière intégrale s'intègre « par parties » {cette méthode est exposée succinctement dans le paragraphe « développement de quelques méthodes de calcul (intégrer un produit de fonctions par parties) » du chap.15 de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » : si on doit « calculer abu(x)v(x)dx en connaissant une primitive de v(x) notée V(x)», on peut écrire Modèle:Nobr [u(x)V(x)]ababu(x)V(x)dx», en effet d[u(x)V(x)]dx =u(x)V(x)+u(x)V(x) =u(x)V(x)+u(x)v(x) u(x)v(x)=d[u(x)V(x)]dxu(x)V(x) et finalement, par intégration, la relation énoncée précédemment}, en posant {u(t)=tT4v(t)=cos(2πnft)} {u(t)=1V(t)=sin(2πnft)2πnf} et par conséquent 0T2(tT4)cos(2πnft)dt= [(tT4)×sin(2πnft)2πnf]0T20T21×sin(2πnft)2πnfdt= [(tT4)×sin(2πnft)2πnf]0T2+[cos(2πnft)4π2n2f2]0T2 soit, avec cos(2πnfT2)=cos(nπ)=(1)n {en effet fT= 1}, d'où «0T2(tT4)cos(2πnft)dt=[(tT4)×sin(2πnft)2πnf]0T2+[(1)n14π2n2f2]» ;
    Modèle:Alpar report on en déduit «An=8UmT2[1(1)n]24π2n2f2=2Umπ2n2[1(1)n]2» ; si n est pair, le cœfficient [1(1)n]=0 et par suite An=0 ;
    Modèle:AlModèle:Transparentsi n est impair, le cœfficient [1(1)n]=2 et par suite An=8Umπ2n2 soit finalement
    Modèle:AlModèle:Transparent«An=8Umπ2n2 pour n=2p+1,p» et, comme Bn=0 nous en déduisons «Cn=|An|={0sinest pair8Umπ2n2sinest impair}».
    Modèle:Alpour conclure il convient de déterminer l'amplitude complexe des harmoniques Cn_=Cnexp(iφn) selon la méthode indiquée dans le paragraphe « passage du 1er au 2nd développement en série de Fourier » du chap.5 de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » laquelle appliquée ici donne, pour n=2p+1,p, {cos(φn)=AnCn=1sin(φn)=BnCn=0} d'où «φn=π» et par suite Modèle:Nobr

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