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Exercice 6 - Exercice 1

40 min
60
De l'entrainement, toujours de l'entrainement et du sens Physique (électronique) !
Question 1
-

Soit ω\omega une constante réelle strictement positive. On pose alors :
tR,f(t)=sin(ωt) \forall t\in \mathbb{R}, \,\,\,\, f(t) = |\, \sin (\omega t)\,|
Déterminer la série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) associée à ff.
\bullet \,\, REMARQUE :
Eneˊlectronique{\color{blue}{En \,\, électronique}}, si une telle fonction décrit un courant électrique, alors on parle de courantredresseˊ{\color{blue}{courant \,\, redressé}}. Ces courants redressés ont de nombreuses applications industrielles.

Correction
Soit ω\omega une constante réelle strictement positive. On pose alors :
tR,f(t)=sin(ωt)\forall t\in \mathbb{R}, \,\,\,\, f(t) = |\, \sin (\omega t)\,|
On constate que la présence de la valeur absolue modifie la périodicité demoitieˊ{\color{blue}{de \,\, moitié}}. En effet, f(t)f(t) présente un redressement positif de toutes les parties négatives du graphe associé à sin(ωt)\sin (\omega t).
A titre d'exemple, pour illustrer pleinement nos propos, choisissons ω=1\omega = 1, et ceci se traduit graphiquement par :

Donc, la période de l'expression sin(ωt)\sin(\omega t) est 2πω\dfrac{2\pi}{\omega} et on en déduit que la période du terme sin(ωt)|\, \sin (\omega t)\,| est donnée par T=πω\,{\color{red}{ T = \dfrac{\pi}{\omega} }} .
La série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) associée à ff nécessite la connaissance des trois coefficients réels a0a_0, ana_n et bnb_n.
L'expression f(t)=sin(ωt)f(t) = |\, \sin (\omega t)\,| est paire, donc les coefficients réels bnb_n sont tous nuls, quelque soit la valeur de nNn\in \mathbb{N}^*.
Le coefficient a0a_0 est quant à lui donné par :
a0=1π2ω0πωsin(ωt)dt=2ωπ0πωsin(ωt)dt=2ωπ[cos(ωt)ω]0πωa_0 = \dfrac{1}{\dfrac{\pi}{2\omega}} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} |\, \sin (\omega t)\,| dt =\dfrac{2\omega}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \sin (\omega t) dt = \dfrac{2\omega}{\pi} \left[ - \dfrac{ \cos (\omega t)}{\omega} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
Soit :
a0=2π[cos(ωt)]0πω=2π(cos(ωπω)1)=2π(cos(π)1)=2π(11)a_0 = - \dfrac{2}{\pi} \left[ \cos (\omega t) \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}} = - \dfrac{2}{\pi} \left( \cos\left(\omega \frac{\pi}{\omega}\right) - 1 \right) = - \dfrac{2}{\pi} \left( \cos(\pi) - 1 \right) = - \dfrac{2}{\pi} \left( -1 - 1 \right)
D'où :
a0=4πa_0 = \dfrac{4}{\pi}
Enfin, les coefficients réels ana_n se déterminent par l'intégrale suivante :
an=1π2ω0πωsin(ωt)cos(nπtπ2ω)dt=2ωπ0πωsin(ωt)cos(2nωt)dta_n = \dfrac{1}{\dfrac{\pi}{2\omega}} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} |\, \sin (\omega t)\,| \cos \left( \dfrac{n \pi t}{\dfrac{\pi}{2\omega}}\right) dt =\dfrac{2\omega}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \sin (\omega t) \cos(2n\omega t)\, dt
Or, on sait que :
(a;b)R2,sin(a)cos(b)=12(sin(a+b)+sin(ab))\forall (a\,;\,b) \in \mathbb{R}^2, \,\,\, \sin(a) \cos(b) = \dfrac{1}{2} \left( \sin(a+b) + \sin(a-b) \right)
Ainsi, on en déduit que :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin(ωt+2nωt)+sin(ωt2nωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin (\omega t + 2n\omega t) + \sin (\omega t - 2n\omega t)
Soit :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin((12n)ωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) + \sin ((1-2n) \omega t)
Soit encore :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin((2n1)ωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) + \sin (-(2n-1) \omega t)
La fonction sinus étant impaire, on en déduit alors que :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)sin((2n1)ωt)2\sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) - \sin ((2n-1) \omega t)
Ainsi, on peut écrire que :
an=ωπ0πω(sin((2n+1)ωt)sin((2n1)ωt))dta_n = \dfrac{\omega}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \left( \sin \left( (2n+1) \omega t \right) - \sin \left( (2n-1) \omega t \right) \right) \, dt
Soit en intégrant :
an=ωπ[cos((2n+1)ωt)(2n+1)ω+cos((2n1)ωt)(2n1)ω]0πωa_n = \dfrac{\omega}{\pi} \left[ -\dfrac{\cos \left( (2n+1) \omega t \right)}{(2n+1) \omega} + \dfrac{\cos \left( (2n-1) \omega t \right)}{(2n-1) \omega} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
Ce qui nous donne encore :
an=1π[cos((2n+1)ωt)2n+1cos((2n1)ωt)2n1]0πωa_n = -\dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{\cos \left( (2n+1) \omega t \right)}{2n+1} - \dfrac{\cos \left( (2n-1) \omega t \right)}{2n-1} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
D'où :
an=1π[cos((2n+1)π)12n+1cos((2n1)π)12n1]a_n = -\dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{\cos \left( (2n+1) \pi \right) - 1 }{2n+1} - \dfrac{\cos \left( (2n-1)\pi \right) -1}{2n-1} \right]
Soit encore :
an=1π[112n+1112n1]=1π[22n+122n1]=2π[12n+112n1]a_n = -\dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{-1 - 1 }{2n+1} - \dfrac{-1 -1}{2n-1} \right] = -\dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{-2 }{2n+1} - \dfrac{-2}{2n-1} \right] = \dfrac{2}{\pi} \left[ \dfrac{1}{2n+1} - \dfrac{1}{2n-1} \right]
On obtient alors :
an=2π[2n1(2n+1)4n21]=2π24n21a_n = \dfrac{2}{\pi} \left[ \dfrac{2n-1 - (2n+1)}{4n^2-1}\right] = \dfrac{2}{\pi} \dfrac{-2}{4n^2-1}
Ce qui nous donne au final :
an=4π14n21a_n =-\dfrac{4}{\pi} \dfrac{1}{4n^2-1}
La série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) vas donc s'écrire comme :
SFf(t)=2π+n=1+4π14n21cos(2nωt)\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{2}{\pi} + \sum_{n=1}^{+\infty} - \dfrac{4}{\pi} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos(2n\omega t)
Finalement :
SFf(t)=2π4πn=1+14n21cos(2nωt){\color{red}{ \boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{2}{\pi} -\dfrac{4}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos(2n\omega t) }}}
Question 2

Le graphe des coefficients cn|\,c_n\,| (nNn\in \mathbb{N}) s'appelle le spectre en amplitude (le graphe des coefficients cn2|\,c_n\,|^2 s'appelle lui, le spectre énergétique). Comme cn=anibn2c_n = \dfrac{a_n - \mathrm{i} b_n}{2} cela signifie que cn=12an2+bn2|\,c_n\,| = \dfrac{1}{2}\sqrt{a_n^2 + b_n^2}.
Construire le spectre de ff.

Correction
On a, pour nNn \in \mathbb{N} :
cn=12an2+bn2=an2=2π14n21|\,c_n\,| = \dfrac{1}{2}\sqrt{a_n^2 + b_n^2} = \dfrac{\vert\, a_n \, \vert}{2} = \dfrac{2}{\pi} \dfrac{1}{4n^2-1}
D'où le spectre en amplitude{\color{red}{\textbf{spectre en amplitude}}} suivant :
\bullet \,\, c0=2π|\,c_0\,| =\dfrac{2}{\pi} ;
\bullet \,\, c1=c03|\,c_1\,| =\dfrac{|\,c_0\,|}{3} ;
\bullet \,\, c2=c015|\,c_2\,| =\dfrac{|\,c_0\,|}{15} ;
\bullet \,\, c3=c035|\,c_3\,| =\dfrac{|\,c_0\,|}{35} ;
\bullet \,\, c4=c063|\,c_4\,| =\dfrac{|\,c_0\,|}{63} ...
D'où le graphique :
Question 3

On appelle taux d'harmonique, noté η\eta, d'un courant périodique, le rapport suivant :
η=n=1+cn2c02\eta = \dfrac{\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}}|\,c_n\,|^2}{|\,c_0\,|^2}
Calculer ce coefficient η\eta pour notre signal. En proposer une interprétation.

Correction
Le taux d’harmonique{\color{red}{\textbf{taux d'harmonique}}}, noté η\eta, d'un courant périodique, représente un rapport des puissances moyennes : celles de toutes les harmoniques à celle du fondamental. Il donne une mesure de l'importance relative des composantes harmoniques par rapport à celle du fondamental. Il permet donc, au sens de l'énergie, de comparer un courant périodique à un courant purement sinusoïdale (ou monochromatique). Et on a :
η=n=1+cn2c02\eta = \dfrac{\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2}
Le théorème de Parseval nous dit que :
2c02+4n=1+cn2=1π2ω0πωsin(ωt)2dt2|\,c_0\,|^2 + 4 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{1}{\dfrac{\pi}{2\omega}} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} |\, \sin (\omega t)\,|^2 \, dt
Soit :
2c02+4n=1+cn2=2ωπ0πωsin2(ωt)dt2|\,c_0\,|^2 + 4 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{2\omega}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \sin^2 (\omega t) \, dt
D'où :
c02+2n=1+cn2=ωπ0πω1cos(2ωt)2dt|\,c_0\,|^2 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{\omega}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \dfrac{1-\cos(2\omega t)}{2} \, dt
Soit encore :
c02+2n=1+cn2=ω2π0πω(1cos(2ωt))dt|\,c_0\,|^2 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{\omega}{2\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}}(1-\cos(2\omega t))\, dt
Avec :
0πω(1cos(2ωt))dt=πω\int_0^{\frac{\pi}{\omega}}(1-\cos(2\omega t))\, dt = \dfrac{\pi}{\omega}
D'où :
c02+2n=1+cn2=ω2ππωc02+2n=1+cn2=12|\,c_0\,|^2 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{\omega}{2\pi} \dfrac{\pi}{\omega} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, |\,c_0\,|^2 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{1}{2}
On obtient alors :
n=1+cn2=12(12c02)\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{1}{2} - |\,c_0\,|^2 \right)
On peut donc écrire que :
n=1+cn2c02=12(12c021)η=14c0212\dfrac{\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2} = \dfrac{1}{2} \left(\dfrac{1}{2 |\,c_0\,|^2} - 1 \right) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \eta = \dfrac{1}{4 |\,c_0\,|^2} - \dfrac{1}{2}
Or, on sait que c0=2π|\,c_0\,| = \dfrac{2}{\pi}, d'où :
η=π21612\eta = \dfrac{\pi^2}{16} - \dfrac{1}{2}
Finalement, on trouve que :
η=π28160,1169=11,69%{\color{red}{ \boxed{ \eta = \dfrac{\pi^2-8}{16} \simeq 0,1169 = 11,69 \,\% } }}
Le signal étudié, modélisé par f(t)=sin(ωt)f(t) = |\, \sin (\omega t) est énergétiquement pur à 11,69%11,69 \,\%.
Question 4

On appelle taux d’ondulation{\color{red}{\textbf{taux d'ondulation}}}, noté τ\tau, d'un courant périodique, le rapport suivant :
τ=n=1+cn2c02\tau = \sqrt{\dfrac{\displaystyle{\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2}}
Calculer ce coefficient τ\tau pour notre signal. En proposer une interprétation.

Correction
Le taux d’ondulation{\color{red}{\textbf{taux d'ondulation}}}, noté τ\tau, d'un courant périodique est le rapport suivant :
τ=n=1+cn2c02\tau = \sqrt{\dfrac{\displaystyle{\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2}}
Il représente le rapport de la puissance moyenne de la composante variable de f(t)f(t) (appelé courant d'ondulation) à celle de la valeur moyenne de f(t)f(t). le taux d'ondulation permet de comparer le courant périodique au courant continu moyen.
On a :
n=1+cn2=n=1cn2+n=1+cn2=n=1+cn2+n=1+cn2\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \sum_{-\infty}^{n=-1}|\,c_n\,|^2 + \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_{-n}\,|^2 + \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2
Or, on sait que cn=cn|\,c_{-n}\,| = |\,c_{n}\,|, ce qui implique que n=1+cn2=n=1+cn2\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_{-n}\,|^2 = \sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 }. On peut alors écrire que :
n=1+cn2=2n=1+cn2n=1+cn2c02=2n=1+cn2c02\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 = 2\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{\displaystyle{\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2} = \dfrac{2\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2}
Ce qui nous permet d'écrire que :
n=1+cn2c02=2n=1+cn2c02τ2=2η\dfrac{\displaystyle{\sum_{|\,n\,|=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2} = 2 \dfrac{\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}|\,c_n\,|^2}}{|\,c_0\,|^2} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \tau^2=2\eta
Finalement, on trouve que :
τ=2η0,4835=48,35%{\color{red}{ \boxed{ \tau = \sqrt{2\eta} \simeq 0,4835 = 48,35 \,\% } }}
La partie ondulante du signal étudié, modélisé par f(t)=sin(ωt)f(t) = |\, \sin (\omega t)\,|, représente 48,35%48,35 \,\% de ce dernier.

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