Signaux physiques (PCSI)/Exercices/Propagation d'un signal : Exemples de signaux, spectre
Détermination du spectre d'un produit de deux fonctions sinusoïdales
Modèle:AlOn considère le signal formé du produit de deux fonctions sinusoïdales[1] «» où «» et «» 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] «» avec et 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 «» 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 «» et
Modèle:AlModèle:Transparentreprésenter son spectre d'amplitude ainsi que
Modèle:AlModèle:Transparentson spectre de phase.
Analyse spectrale du produit de deux fonctions sinusoïdales de même fréquence
Modèle:AlReprendre les questions précédentes dans le cas où «».
Détermination de la représentation fréquentielle d'un signal périodique construit à partir de deux signaux périodiques dont les représentations fréquentielles sont connues

Modèle:AlConnaissant la représentation fréquentielle[5] d'un signal créneau symétrique[6] pair[7] d'amplitude et de fréquence : Modèle:Nobr et
Modèle:Transparentcelle d'un signal triangulaire symétrique[6] pair[8] d'amplitude et de fréquence : «»[9]Modèle:,[10],
Modèle:Alon se propose d'en déduire la représentation fréquentielle[5] du signal périodique, de fréquence , dont le diagramme temporel est donné ci-contre et pour cela
- trouver le lien entre ce signal 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 et celles des signaux créneau symétrique[6] pair[7] et triangulaire symétrique[6] pair[8] ensuite,
- expliciter la représentation fréquentielle[5] du signal ,
- préciser le spectre d'amplitude de ce signal on pourra se contenter d'évaluer les hauteurs des 1ères raies et
- estimer le nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire le signal 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 .
Notes et références
- ↑ 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.
- ↑ 2,0 et 2,1 C.-à-d. dont le rapport n'est pas entier ou rationnel.
- ↑ Voir le paragraphe « énoncé du théorème de Fourier » du chap. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) ».
- ↑ 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. 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 - ↑ 5,0 5,1 5,2 et 5,3 Voir le paragraphe « analyse spectrale d'un signal périodique (représentation fréquentielle) » du chap. de la leçon « Signaux physiques (PCSI) ».
- ↑ 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.
- ↑ 7,0 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 est égale à celle sur et les paliers bas situés immédiatement de part et d'autre de ce 1er palier haut c'est-à-dire sur et sont également symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
- ↑ 8,0 8,1 et 8,2 Le signal triangulaire symétrique est pair si la pente sur est égale à l'opposé de la pente sur , les segments et étant symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
- ↑ Erreur de référence : Balise
<ref>incorrecte : aucun texte n’a été fourni pour les références nomméesamplitude complexe - ↑ Revoir le paragraphe « exemple d'un signal triangulaire symétrique (preuve des valeurs d'amplitudes - en complément) » du chap. 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 et les harmoniques pairs se calculent selon
avant de poursuivre déterminons l'expression algébrique du signal «» Modèle:Nobr effet la valeur absolue de la pente est d'où ou, en faisant le « changement de variable dans la 2ème intégrale » on obtient et , les bornes inférieure et supérieure devenant et la 2ème intégrale est l'opposé de la 1ère multipliée par soit « » ;
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. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » : si on doit « calculer en connaissant une primitive de notée », on peut écrire Modèle:Nobr », en effet et finalement, par intégration, la relation énoncée précédemment, en posant et par conséquent soit, avec en effet , d'où «» ;
Modèle:Alpar report on en déduit «» ; si est pair, le cœfficient et par suite ;
Modèle:AlModèle:Transparentsi est impair, le cœfficient et par suite soit finalement
Modèle:AlModèle:Transparent« pour » et, comme nous en déduisons «».
Modèle:Alpour conclure il convient de déterminer l'amplitude complexe des harmoniques selon la méthode indiquée dans le paragraphe « passage du 1er au 2nd développement en série de Fourier » du chap. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » laquelle appliquée ici donne, pour , d'où «» et par suite Modèle:Nobr