De l'entrainement, toujours de l'entrainement et du sens Physique (électronique) !
Question 1
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Soit ω une constante réelle strictement positive. On pose alors : ∀t∈R,f(t)=∣sin(ωt)∣ Déterminer la série de Fourier SFf(x) associée à f. ∙ REMARQUE : Eneˊlectronique, si une telle fonction décrit un courant électrique, alors on parle de courantredresseˊ. Ces courants redressés ont de nombreuses applications industrielles.
Correction
Soit ω une constante réelle strictement positive. On pose alors : ∀t∈R,f(t)=∣sin(ωt)∣ On constate que la présence de la valeur absolue modifie la périodicité demoitieˊ. En effet, f(t) présente un redressement positif de toutes les parties négatives du graphe associé à sin(ωt). A titre d'exemple, pour illustrer pleinement nos propos, choisissons ω=1, et ceci se traduit graphiquement par :
Donc, la période de l'expression sin(ωt) est ω2π et on en déduit que la période du terme ∣sin(ωt)∣ est donnée par T=ωπ. La série de Fourier SFf(x) associée à f nécessite la connaissance des trois coefficients réels a0, an et bn. L'expression f(t)=∣sin(ωt)∣ est paire, donc les coefficients réels bn sont tous nuls, quelque soit la valeur de n∈N∗. Le coefficient a0 est quant à lui donné par : a0=2ωπ1∫0ωπ∣sin(ωt)∣dt=π2ω∫0ωπsin(ωt)dt=π2ω[−ωcos(ωt)]0ωπ Soit : a0=−π2[cos(ωt)]0ωπ=−π2(cos(ωωπ)−1)=−π2(cos(π)−1)=−π2(−1−1) D'où : a0=π4 Enfin, les coefficients réels an se déterminent par l'intégrale suivante : an=2ωπ1∫0ωπ∣sin(ωt)∣cos⎝⎛2ωπnπt⎠⎞dt=π2ω∫0ωπsin(ωt)cos(2nωt)dt Or, on sait que : ∀(a;b)∈R2,sin(a)cos(b)=21(sin(a+b)+sin(a−b)) Ainsi, on en déduit que : 2sin(ωt)cos(2nωt)=sin(ωt+2nωt)+sin(ωt−2nωt) Soit : 2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin((1−2n)ωt) Soit encore : 2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin(−(2n−1)ωt) La fonction sinus étant impaire, on en déduit alors que : 2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)−sin((2n−1)ωt) Ainsi, on peut écrire que : an=πω∫0ωπ(sin((2n+1)ωt)−sin((2n−1)ωt))dt Soit en intégrant : an=πω[−(2n+1)ωcos((2n+1)ωt)+(2n−1)ωcos((2n−1)ωt)]0ωπ Ce qui nous donne encore : an=−π1[2n+1cos((2n+1)ωt)−2n−1cos((2n−1)ωt)]0ωπ D'où : an=−π1[2n+1cos((2n+1)π)−1−2n−1cos((2n−1)π)−1] Soit encore : an=−π1[2n+1−1−1−2n−1−1−1]=−π1[2n+1−2−2n−1−2]=π2[2n+11−2n−11] On obtient alors : an=π2[4n2−12n−1−(2n+1)]=π24n2−1−2 Ce qui nous donne au final : an=−π44n2−11 La série de Fourier SFf(x) vas donc s'écrire comme : SFf(t)=π2+n=1∑+∞−π44n2−11cos(2nωt) Finalement : SFf(t)=π2−π4n=1∑+∞4n2−11cos(2nωt)
Question 2
Le graphe des coefficients ∣cn∣ (n∈N) s'appelle le spectre en amplitude (le graphe des coefficients ∣cn∣2 s'appelle lui, le spectre énergétique). Comme cn=2an−ibn cela signifie que ∣cn∣=21an2+bn2. Construire le spectre de f.
Correction
On a, pour n∈N : ∣cn∣=21an2+bn2=2∣an∣=π24n2−11 D'où le spectre en amplitude suivant : ∙∣c0∣=π2 ; ∙∣c1∣=3∣c0∣ ; ∙∣c2∣=15∣c0∣ ; ∙∣c3∣=35∣c0∣ ; ∙∣c4∣=63∣c0∣ ... D'où le graphique :
Question 3
On appelle taux d'harmonique, noté η, d'un courant périodique, le rapport suivant : η=∣c0∣2n=1∑+∞∣cn∣2 Calculer ce coefficient η pour notre signal. En proposer une interprétation.
Correction
Le taux d’harmonique, noté η, 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=∣c0∣2n=1∑+∞∣cn∣2 Le théorème de Parseval nous dit que : 2∣c0∣2+4n=1∑+∞∣cn∣2=2ωπ1∫0ωπ∣sin(ωt)∣2dt Soit : 2∣c0∣2+4n=1∑+∞∣cn∣2=π2ω∫0ωπsin2(ωt)dt D'où : ∣c0∣2+2n=1∑+∞∣cn∣2=πω∫0ωπ21−cos(2ωt)dt Soit encore : ∣c0∣2+2n=1∑+∞∣cn∣2=2πω∫0ωπ(1−cos(2ωt))dt Avec : ∫0ωπ(1−cos(2ωt))dt=ωπ D'où : ∣c0∣2+2n=1∑+∞∣cn∣2=2πωωπ⟺∣c0∣2+2n=1∑+∞∣cn∣2=21 On obtient alors : n=1∑+∞∣cn∣2=21(21−∣c0∣2) On peut donc écrire que : ∣c0∣2n=1∑+∞∣cn∣2=21(2∣c0∣21−1)⟺η=4∣c0∣21−21 Or, on sait que ∣c0∣=π2, d'où : η=16π2−21 Finalement, on trouve que : η=16π2−8≃0,1169=11,69% Le signal étudié, modélisé par f(t)=∣sin(ωt) est énergétiquement pur à 11,69%.
Question 4
On appelle taux d’ondulation, noté τ, d'un courant périodique, le rapport suivant : τ=∣c0∣2∣n∣=1∑+∞∣cn∣2 Calculer ce coefficient τ pour notre signal. En proposer une interprétation.
Correction
Le taux d’ondulation, noté τ, d'un courant périodique est le rapport suivant : τ=∣c0∣2∣n∣=1∑+∞∣cn∣2 Il représente le rapport de la puissance moyenne de la composante variable de f(t) (appelé courant d'ondulation) à celle de la valeur moyenne de f(t). le taux d'ondulation permet de comparer le courant périodique au courant continu moyen. On a : ∣n∣=1∑+∞∣cn∣2=−∞∑n=−1∣cn∣2+n=1∑+∞∣cn∣2=n=1∑+∞∣c−n∣2+n=1∑+∞∣cn∣2 Or, on sait que ∣c−n∣=∣cn∣, ce qui implique que n=1∑+∞∣c−n∣2=n=1∑+∞∣cn∣2. On peut alors écrire que : ∣n∣=1∑+∞∣cn∣2=2n=1∑+∞∣cn∣2⟺∣c0∣2∣n∣=1∑+∞∣cn∣2=∣c0∣22n=1∑+∞∣cn∣2 Ce qui nous permet d'écrire que : ∣c0∣2∣n∣=1∑+∞∣cn∣2=2∣c0∣2n=1∑+∞∣cn∣2⟺τ2=2η Finalement, on trouve que : τ=2η≃0,4835=48,35% La partie ondulante du signal étudié, modélisé par f(t)=∣sin(ωt)∣, représente 48,35% de ce dernier.
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