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

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Propagation d'un signal : Exemples de signaux, spectre
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Chapitre no 2
Leçon : Signaux physiques (PCSI)
Chap. préc. :Oscillateur harmonique
Chap. suiv. :Propagation d'un signal : Onde progressive dans le cas d'une propagation unidimensionnelle linéaire non dispersive
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Signal mécanique transversal ou longitudinal, célérité de propagation[modifier | modifier le wikicode]

Déplacement d'un ébranlement le long d'une corde sur une petite durée
Déplacement d'une compression ponctuelle le long d'un ressort sur une petite durée

     Un signal mécanique est, a priori, une perturbation de courte durée se propageant dans un milieu matériel élastique en provoquant des déformations ou ébranlements du milieu à son passage mais sans déplacement global de matière ;

     on distingue :

  • les signaux transversaux : ce sont des déformations orthogonales à la direction de propagation comme la déformation d'une corde ci-contre à gauche, une vague à la surface de l'eau exemple observable sur une cuve à ondes  ;
  • les signaux longitudinaux : ce sont des déformations parallèles à la direction de propagation comme l'ensemble « compression et élongation » d'un ressort ci-dessous à droite .

     On définit la célérité de propagation du signal mécanique notée comme la vitesse non algébrisée de déplacement de la déformation mécanique c.-à-d. «» [1].

Grandeurs vibrantes en acoustique, célérité de la propagation[modifier | modifier le wikicode]

     Un signal acoustique est un signal mécanique dans un milieu matériel élastique fluide [2] ou solide, correspondant à une variation locale de pression ;
     ce signal est nécessairement longitudinal dans un fluide [2], mais longitudinal ou transversal dans un solide [3].

Notion de pression en mécanique[modifier | modifier le wikicode]

     Quand on exerce une force sur un objet répartie sur une surface de l'objet, on peut décomposer cette force en une composante normale [4] et une composante tangentielle [5], seule la composante normale « appuie » sur l'objet, la composante tangentielle ayant tendance à déplacer l'objet tangentiellement ;

     la « composante normale est appelée force pressante » cette dernière est effectivement pressante si est et
     on définit la « pression exercée par la force pressante sur l'objet par la relation exprimée en » [6].

Les deux principales grandeurs vibrantes en acoustique[modifier | modifier le wikicode]

     Dans le cas d'un liquide « normal » [7] ou un gaz, le signal acoustique est longitudinal, exemple :

          Dans le cas d'un liquide « normal » ou un gaz, un signal acoustique dans l'air où on observe la propagation par « compression ou dilatation » de « couches » d'air, la grandeur acoustique étant :

          Dans le cas d'un liquide « normal » ou un gaz, un signal acoustique dans l'air l'« élongation de la couche d'air » c.-à-d. son déplacement par rapport à sa position au repos voir ci-dessous
          Dans le cas d'un liquide « normal » ou un gaz, un signal acoustique dans l'air à gauche ou, ce qui est une conséquence de la compression ou dilatation,
          Dans le cas d'un liquide « normal » ou un gaz, un signal acoustique dans l'air la pression acoustique ou pression relative voir le diagramme temporelle ci-dessous à droite «», étant la pression au repos et la pression instantanée, avec pour une compression et pour une dilatation.

     Dans le cas d'un solide ou d'un liquide « très visqueux » [8] le signal peut être :

  • longitudinal onde , exemple d'un signal acoustique dans l'acier à de carbone où on observe une succession de dilatations et compressions longitudinales les grandeurs acoustiques possibles étant les mêmes que celles d'un signal acoustique dans un liquide « normal » [7] ou dans un gaz voir ci-dessous à gauche ou,
  • transversal onde , exemple d'un signal acoustique dans le même acier où on voit une succession de cisaillements transversaux voir ci-dessous à droite,
    transversal onde , les grandeurs acoustiques possibles étant alors :
    transversal onde , les grandeurs acoustiques le « déplacement latéraldes atomes » c.-à-d. leur déplacement transversal relativement à leur position au repos ce déplacement est le même pour tous les atomes d'une même surface transversale, mais il diffère d'une surface transversale à une autre ou
    transversal onde , les grandeurs acoustiques la « contrainte de cisaillement du matériau » [9] définie par «» où  est la composante de force créant le déplacement latéral des atomes d'une surface transversale [10] et  l'aire de la surface sur laquelle s'exerce cette force.

Célérité de propagation d'un signal acoustique[modifier | modifier le wikicode]

     La « célérité de propagation du signal acoustique » notée «» est encore la « vitessenon algébriséede déplacement de la grandeur acoustique »,
La «célérité de propagation du signal acoustique» elle dépend de la masse volumique du milieu mais aussi de son élasticité ;
     La « célérité de propagation du signal acoustique » « est d'autant plus grande que la masse volumique et l'élasticité du milieu de propagation sont petites » ;
     La « célérité de propagation du signal acoustique » « comme la masse volumique d'un gaz est plus petite que celle d'un liquide [11] laquelle est de même ordre de grandeur que celle d'un solide
     La « célérité de propagation du signal acoustique » « alors que l'élasticité d'un gaz est plus grande que celle d'un liquide laquelle est plus grande que celle d'un solide,
     La « célérité de propagation du signal acoustique » on en déduit que :

  • la célérité de propagation d'une onde acoustique longitudinale dans un solide est plus grande que celle d'une onde acoustique de même nature dans un liquide « normal » [7] dans les conditions usuelles de température et de pression, elle vaut dans l'acier à de carbone et dans l'eau ,
  • la célérité de propagation d'une onde acoustique dans un gaz donc longitudinale est plus petite que celle d'une onde acoustique de même nature dans un liquide « normal » [7], [12] dans les conditions usuelles de température et de pression, elle vaut dans l'eau et dans l'air .

     Dans les solides ou les liquides « très visqueux » [8] la célérité d'un signal acoustique longitudinal est toujours plus grande que celle d'un signal acoustique transversal dans les conditions usuelles de température et de pression elles valent dans l'acier à de carbone pour les ondes et pour les ondes .

Grandeurs vibrantes en électricité, célérité de la propagation[modifier | modifier le wikicode]

     Un « signal électrique » est la « variationde courte duréed'une grandeur électrique dans un milieu matériel conducteur de l'électricité » [13].

Notion d'intensité de courant et de tension[modifier | modifier le wikicode]

     Commentaire préliminaire : Ces notions seront vues plus en détail dans les paragraphes « notion de courant électrique et définition de l'intensité du courant en un point du circuit filiforme » et « potentiel d'un point d'un circuit électrique, choix de la référence de potentiel, définition de la tension entre deux points d'un circuit » du chap. de la leçon « Signaux physiques (PCSI) », seuls les éléments indispensables à la compréhension du paragraphe intitulé « grandeurs vibrantes en électricité, célérité de la propagation » sont introduits.

Notion de conducteur, isolant, semi-conducteur[modifier | modifier le wikicode]

     Pour qu'un milieu soit conducteur il faut qu'il possède des éléments chargés mobiles que l'on appelle « porteurs de charge mobiles » [14].

     Un milieu sera plus ou moins bon conducteur s'il y a suffisamment de porteurs de charge mobiles :

  • électrons de conduction pour un métal [15],
  • ions pour un électrolyte [16],
  • électrons de conduction ou porteurs et « trous » ou porteurs  pour un semi-conducteur intrinsèque [17],
  • porteurs pour un semi-conducteur extrinsèque dopé [18] et
  • porteurs pour un semi-conducteur extrinsèque dopé [19].

Évaluation de la densité volumique particulaire des porteurs de charge mobiles dans quelques conducteurs typiques[modifier | modifier le wikicode]

  • Exemple du cuivre : il s'agit d'un conducteur métallique, les porteurs de charge mobiles sont donc les « électrons de conduction » ; en moyenne un électron de valence le moins lié dans l'atome de cuivre étant libéré par atome de cuivre, on en déduit  ;
    Exemple du cuivre : données : densité du cuivre [20] d'où sa masse volumique , masse molaire atomique du cuivre et constante d'Avogadro [21]  ;
    Exemple du cuivre : on trouve soit finalement «».
  • Exemple de solution aqueuse de chlorure de sodium : il s'agit d'un conducteur électrolytique, les porteurs de charge mobiles sont donc des « ions positifs ou cations et négatifs ou anions» ; le chlorure de sodium est un cristal ionique totalement dissocié dans l'eau selon «», les porteurs de charge mobile sont « les cations sodium hydratés » et « les anions chlorure hydratés », en même quantité assurant l'électroneutralité de la solution ;
    Exemple de solution aqueuse de chlorure de sodium : on considère une eau salée de concentration volumique molaire , on peut facilement évaluer à partir de et de selon «»,
    Exemple de solution aqueuse de chlorure de sodium : on trouve alors  en [22] soit «».
  • Exemple de l'eau : elle est très légèrement ionisée selon «», les porteurs de charge mobiles sont « les cations oxonium hydratés » [23] et « les anions hydroxydes hydratés », en même quantité dans l'eau pure assurant l'électroneutralité de cette dernière ;
    Exemple de l'eau : la densité volumique pour chaque porteur étant la même , elle se détermine à partir de la valeur du de l'eau pure à , «» d'où « une concentration volumique molaire en oxonium » et « une densité volumique molaire du même ion » [24] ;
    Exemple de l'eau : en multipliant par , on obtient la densité volumique particulaire commune des deux ions soit finalement «» d'où le qualificatif de « mauvais conducteur ».

Modélisation filiforme d'un conducteur, sens conventionnel du courant[modifier | modifier le wikicode]

     Quand une dimension longitudinale est très grande par rapport aux deux autres transversales, on modélise le conducteur par une portion dite « filiforme » correspondant à l'absence de dimensions transversales ;
     le sens du courant [25] est, par définition, le sens de déplacement d'ensemble des porteurs de charge positive et le sens contraire du déplacement d'ensemble des porteurs de charge négative[26].

Définition de l'intensité algébrique du courant[modifier | modifier le wikicode]

     Pour algébriser l'intensité du courant, on définit arbitrairement un sens de mesure de l'intensité du courant :

     l'intensité algébrique «» du courant traversant le circuit filiforme en un point est « la charge traversant le point dans le sens par unité de temps » c.-à-d. par ou,

     l'intensité algébrique «» du courant si la charge traverse dans le sens pendant , «» ou,
     l'intensité algébrique «» du courant en notant l'infiniment petit représentant [27] et l'infiniment petit correspondant à [28],
     l'intensité algébrique «» du courant si la charge traverse dans le sens pendant , « s'exprimant en »,  ;

     on représente le courant sur un circuit filiforme par une flèche sur les fils de connexion dans le sens de mesure de l'intensité algébrique et on indique celle-ci à côté de la flèche.

Nécessité d'imposer une tension aux bornes d'un récepteur pour qu'il soit traversé par un courant[modifier | modifier le wikicode]

     Pour qu'il y ait circulation de courant dans la partie réceptrice d'un circuit filiforme, il faut que les porteurs soient soumis à une force motrice qui est d'origine électrique ; pour cela

     Pour qu'il y ait circulation de courant dans la partie réceptrice le récepteur est relié à un générateur qui impose en tout point du récepteur un champ électrique , et par suite
     Pour qu'il y ait circulation de courant dans la partie réceptrice un porteur de charge y subit une force électrique le mettant en mouvement dans le sens du courant si et
     Pour qu'il y ait circulation de courant dans la partie réceptrice un porteur de charge y subit une force électrique le mettant en mouvement dans le sens contraire si  ;
     Pour qu'il y ait circulation de courant dans la partie réceptrice on en déduit que le courant dans un récepteur est toujours dans le sens du champ électrique  ;

     le porteur de charge dans le champ électrique possède de l'énergie potentielle électrique [29] tout comme un objet ponctuel de masse dans le champ de pesanteur uniforme possède de l'énergie potentielle de pesanteur  ;

     le porteur de charge dans le champ électrique dans l'hypothèse où est [30], son énergie potentielle électrique dans le sens de comme l'énergie potentielle de pesanteur de l'objet ponctuel  dans le sens de est à comme est à , l'autre facteur ne dépendant que de la position dans le champ ;

     le porteur de charge dans le champ électrique on définit l'énergie potentielle électrique du porteur de charge [30] dans le champ électrique selon « » où « représente le potentiel électrique en exprimé en » par analogie avec l'énergie potentielle de pesanteur d'un objet ponctuel de masse dans le champ de pesanteur « » [31] où « est l'altitude de l'objet par rapport au sol » le potentiel électrique en étant l'analogue de la grandeur que l'on pourrait baptiser « potentiel de pesanteur en » [32],

     le porteur de charge dans le champ électrique l'expression « avec potentiel électrique en en » reste « applicable à un porteur de charge » [33] ;

     le porteur de charge dans le champ électrique le « potentiel électrique en a la propriété de dans le sens de » [34] comme le « potentiel de pesanteur en [32] » a la propriété de dans le sens de » ;

     le porteur de charge dans le champ électrique une énergie potentielle nécessitant de préciser sa référence [35], il en est de même du potentiel électrique qui n'est donc défini qu'à une constante additive près, on choisit donc l'endroit où le potentiel est considéré comme nul et cet endroit définit la « masse » du circuit [36] analogue de l'origine des altitudes pour le « potentiel de pesanteur » [32] ;

     le porteur de charge dans le champ électrique on peut donc affirmer que le courant dans un récepteur est toujours dans le sens décroissant des potentiels.

     De même que l'on définit une dénivellation dans un champ de pesanteur comme une différence d'altitudes,
     De même que l'on définit une tension dans un champ électrique comme une différence de potentiels ou d.d.p., plus précisément
        De même que l'on définit la tension représentée sur le schéma d'un circuit par une flèche à côté du circuit allant de vers , sa valeur notée à côté de la flèche ;

     si le courant dans un récepteur circule de vers , les potentiels des extrémités sont donc tels que la tension est ,
     si le courant dans un récepteur circule de vers , la tension étant représentée par une flèche à côté du circuit allant de vers et le courant par une flèche sur le circuit allant de vers , nous en déduisons que

« la flèche tension aux bornes d'un récepteur est toujours de sens contraire à la flèche courant circulant dans le récepteur »
pourvu que les flèches tension et courant définissent des tensions et des intensités toutes deux positives.

Tension aux bornes d'un générateur et sens du courant dans ce dernier[modifier | modifier le wikicode]

     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, joue le rôle du « tire-fesses » pour des skieurs ou de « pompe » pour l'eau qui doit monter aux étages,
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, l'énergie potentielle électrique des porteurs de charge mobiles arrivant par la borne «» d'un générateur de tension permanente [37], [38] ou
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, l'énergie potentielle électrique des porteurs de charge mobiles arrivant par la borne noire d'un générateur de fonctions [39]
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, l'énergie potentielle électrique des porteurs de charge mobiles doit croître pour que ces porteurs atteignent l'autre borne à savoir la borne «» d'un générateur de tension permanente [40] ou la borne rouge d'un générateur de fonctions [41],
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, la croissance de l'énergie potentielle électrique des porteurs de charge mobiles lors de la traversée d'un générateur dans le sens du courant que ce dernier délivre correspond à « une force électrique s'exerçant sur un porteurrésistive » tout comme la composante résistive du poids du skieur le long de la pente quand ce dernier remonte en « tire-fesses » ou comme le poids résistif de l'eau quand celle-ci est montée aux étages à l'aide d'une pompe ;

     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, pour que ceci soit possible il faut donc que les porteurs de charge mobiles lors de la traversée d'un générateur dans le sens du courant que ce dernier délivre subissent une force motrice, cette dernière ayant une origine qui dépend de la nature du générateur « origine électrochimique » pour une pile avec introduction de « phénomènes d'oxydo-réduction » ou « origine électromécanique » pour un alternateur avec introduction de « phénomènes d'induction » peut être écrite en fonction d'un « champ dit électromoteur » noté «» indépendant du porteur, «» [42] ; cette force due au champ électromoteur étant la cause de la mise en mouvement des porteurs de charge mobiles dans le générateur est dans le sens du courant siest et dans le sens contraire si est  d'où la conclusion sur le sens du champ électromoteur dans le générateur et celui du courant délivré par ce dernier ;

     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, le courant délivré par un générateur est toujours à l'intérieur de ce dernier dans le sens du champ électromoteur c.-à-d.
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, le courant délivré par un générateur est toujours à l'intérieur de ce dernier dans le sens contraire du champ électrique  ;

     le lien entre champ électrique et potentiel restant le même que dans un récepteur à savoir « le champ électrique est dans le sens des potentiels », nous en déduisons que
     Le générateur, vis à vis des porteurs de charge mobiles, le courant délivré par un générateur est toujours à l'intérieur de ce dernier dans le sens croissant des potentiels.

     Définissant toujours une tension comme la différence de potentiels et la représentant par une flèche à côté du générateur allant de vers , la valeur de la tension notée à côté de la flèche, nous pouvons affirmer que

la flèche tension aux bornes d'un générateur est toujours de même sens que la flèche courant circulant dans ce dernier
pourvu que les flèches tension et courant définissent des tensions et des intensités toutes deux positives [43].

Les deux principales grandeurs vibrantes en électricité[modifier | modifier le wikicode]

     Nous savons déjà qu'un signal électrique est la variation de courte durée d'une grandeur électrique qui peut être une tension ou une intensité de courant :

     exemple : dans un câble coaxial, on crée un signal électrique de grandeur vibrante « tension » ou « intensité de courant » à une extrémité du câble reliée à un générateur pour l'envoyer à l'autre extrémité reliée à un récepteur, dans la section du câble on retrouve les grandeurs vibrantes « tension » ou « intensité de courant » ;

     exemple : le signal associé à la grandeur vibrante « tension » est transversal [44] et
          exemple : celui associé à la grandeur vibrante « intensité du courant »  est longitudinal [45].

Célérité de propagation d'un signal électrique[modifier | modifier le wikicode]

     La « célérité de propagation du signal électrique, notée », est la « vitesse non algébrisée de déplacement de la grandeur électrique », elle dépend de la nature du diélectrique [46] séparant les deux conducteurs de la ligne, « sa valeur maximale est » [47].

     Remarque : Parmi les différentes vitesses intervenant dans un signal électrique se propageant le long d'un câble coaxial, il convient de distinguer :
     Remarque : « la célérité de la propagation » correspondant à la rapidité de transmission de l'information de valeur maximale , de
     Remarque : « la vitesse d'agitation thermique des porteurs de charge mobiles » d'ordre de grandeur à température ordinaire pour des électrons de conduction et de
     Remarque : « la vitesse moyenne de ces porteurs de charge mobiles correspondant à une intensité donnée », vitesse qui dépend de la valeur de l'intensité mais qui reste, pour des intensités usuelles, inférieure à .

Grandeurs vibrantes en électromagnétisme, célérité de la propagation[modifier | modifier le wikicode]

     Un signal électromagnétique est la variationde courte duréed'un champ électromagnétique [48].

Notion de champ électromagnétique[modifier | modifier le wikicode]

     Un ensemble de charges ponctuelles immobiles crée, en son voisinage, un « champ électrique » [49] et
Un ensemble si les charges ponctuelles de l'ensemble sont mobiles, ce dernier crée, en son voisinage, en plus du champ électrique , un « champ magnétique » [50].

     Remarque : dans le cas où des charges ponctuelles sont immobiles dans un 1er référentiel d'étude, ces dernières créent un champ électrique sans champ magnétique mais si on considère un 2ème référentiel d'étude en mouvement par rapport au 1er, les charges ponctuelles y devenant mobiles créent un champ magnétique en plus d'un champ électrique ;
     Remarque : suivant le référentiel d'étude considéré, un ensemble de charges ponctuelles est source d'un couple de champs électrique et magnétique avec, pour certains référentiels, un des deux champs nul, ce couple définissant un « champ électromagnétique » [51].

Milieu de propagation et grandeur vibrante[modifier | modifier le wikicode]

     Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel pour se propager, il traverse, par exemple, l'espace « vide » entre une galaxie lointaine et la Terre
     Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel pour se propage, il traverse, sous la forme d'un signal optique visible ou invisible,
     Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel pour se propage, il traverse, sous la forme d'un signal hertzien ou radio,
     Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel pour se propage, il traverse, sous la forme de rayons ou de rayons  ;

          Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel, toutefois il peut traverser un milieu matériel, par exemple il peut être « guidé le long d'un câble de transmission constitué de deux conducteurs » dans ce cas le signal électromagnétique est la cause du signal électrique introduit au paragraphe « les deux principales grandeurs vibrantes en électricité » plus haut dans ce chapitre ;
          Un signal électromagnétique n'a pas besoin de milieu matériel, toutefois il peut traverser un milieu matériel, autre exemple un signal optique cas particulier de signal électromagnétique peut traverser des milieux matériels comme l'air, l'eau ou le verre, ces milieux sont alors qualifiés de « transparents » les milieux ne permettant pas aux signaux optiques de traverser étant qualifiés d'« opaques » ;

     la grandeur vibrante est le « champ électromagnétique » constitué de ses deux composantes vectorielles « électrique et magnétique » ;

     « dans le vide le signal électromagnétique est nécessairement transversal [52] » mais
     « dans la matière, à la composante transversale peut s'y ajouter une composante longitudinale ».

Célérité de propagation d'un signal électromagnétique[modifier | modifier le wikicode]

     La « célérité de propagation du signal électromagnétique » est la « vitessenon algébriséede déplacement du champ électromagnétique »,
     La « célérité de propagation du signal électromagnétique » dans le vide, elle est notée et vaut «» et
     La « célérité de propagation du signal électromagnétique » dans un milieu matériel, elle est notée en vérifiant toujours «» la valeur de dépendant de la nature du milieu traversé.

Limitation de l'étude aux grandeurs vibrantes périodiques[modifier | modifier le wikicode]

     Pour la suite nous envisageons une grandeur vibrante « source » [53] «», de fréquence [54],
   Pour la suite nous envisageons cette grandeur vibrante définit le « signal physique » transporté par l'« onde » [55], il est donc «» a priori « non sinusoïdal ou non harmonique».

Exemple de signal périodique sinusoïdal[modifier | modifier le wikicode]

L'onde correspondant au signal physique transporté est également dite « périodique sinusoïdale ».

     Si on note « le signal source » [56], celui-ci est sinusoïdal s'il s'écrit sous la forme

«»

où «» [57] est la « pulsation du signal source » sinusoïdal, étant l'« amplitude » et la « phase à l'origine des temps ou initiale», étant la « phase à l'instant ».

Analyse spectrale d'un signal périodique[modifier | modifier le wikicode]

     Faire l'analyse spectrale d'un « signal » périodique de fréquence , c'est réaliser son développement en série de Fourier [58] ;
  Faire l'analyse spectrale à tout « signal » périodique on associe l'éventuelle composante continue et les couples d'amplitude et de phase initiale de l'harmonique de rang .

Exemple d'un signal créneau symétrique[modifier | modifier le wikicode]

     Ci-dessous à gauche le tracé du graphe d'un signal créneau [63] « symétrique » [64] « impair » [65] d'amplitude et de fréquence donc de période  :

     Ci-dessus à droite le spectre d'amplitudes [59] d'un signal créneau [63] « symétrique » [64] pour les premiers harmoniques ;
     Ci-dessus à droite la décroissance de l'amplitude des harmoniques avec leur rang se fait lentement car à .

Exemple d'un signal triangulaire symétrique[modifier | modifier le wikicode]

     Ci-dessous à gauche le tracé du graphe d'un signal triangulaire « symétrique » [64] « impair » [65] d'amplitude et de fréquence donc de période  :

     Ci-dessus à droite le spectre d'amplitudes [59] d'un signal triangulaire « symétrique » [64] pour les premiers harmoniques ;
     Ci-dessus à droite la décroissance de l'amplitude des harmoniques avec leur rang se fait assez rapidement car à .

Notion de filtrage linéaire et réponse fréquentielle du filtre à un signal périodique[modifier | modifier le wikicode]

Notion de filtre linéaire[modifier | modifier le wikicode]

     Un filtre est dit linéaire quand, d'un « signal d'entrée sinusoïdal » il donne un « signal de sortie sinusoïdal de même fréquence » ;
     Un filtre est dit linéaire quand, d'un « signal d'entrée sinusoïdal » il donne ce « signal de sortie » est appelé « réponse du filtre au signal d'entrée »,
     Un filtre est dit linéaire quand, d'un « signal d'entrée sinusoïdal » il donne son amplitude et sa phase initiale dépendent de l'amplitude et la phase initiale du « signal d'entrée »
     Un filtre est dit linéaire quand, d'un « signal d'entrée sinusoïdal » il donne son amplitude et sa phase initiale dépendent mais aussi de « sa fréquence » [73] ;

     de plus pour que le filtre soit linéaire il faut que « la réponse du filtre à une somme de signaux d'entrée » soit « la somme des réponses du filtre à chaque signal d'entrée pris isolément » [74].

Réponse fréquentielle du filtre (linéaire) à un signal d'entrée périodique[modifier | modifier le wikicode]

Synthèse spectrale (de Fourier) permettant de trouver le signal périodique à partir de sa représentation fréquentielle[modifier | modifier le wikicode]

     Il s'agit de « trouver le signal de sortie connaissant sa représentation fréquentielle » ;
     Il s'agit de « trouver ce signal de sortie est la « somme infinie », faire cela pratiquement c'est réaliser une « synthèse spectrale de Fourier » [75].

     Remarque : Le signal de sortie étant une somme théoriquement infinie d'harmoniques de fréquences multiples d'une même fréquence c'est un « signal périodique de fréquence » [76].

Filtre passe-bas idéal[modifier | modifier le wikicode]

     Introduit pour son utilisation dans les paragraphes « nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal triangulaire symétrique » et « nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal créneau symétrique » plus loin dans ce chapitre ;

     Description d'un filtre passe-bas idéal : c'est un filtre idéal laissant passer, sans aucune modification, les fréquences inférieures à une fréquence critique appelée fréquence de coupure et
     Description d'un filtre passe-bas idéal : c'est un filtre idéal arrêtant toutes les fréquences supérieures à cette fréquence critique ;

     Description d'un filtre passe-bas idéal : la fréquence de coupure du filtre passe-bas idéal utilisé dans les paragraphes « nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal triangulaire symétrique » et « nombre minimal de 1ers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal créneau symétrique » plus loin dans ce chapitre
     Description d'un filtre passe-bas idéal : la fréquence de coupure du filtre passe-bas idéal est celle de l'harmonique de rang des signaux d'entrée, c.-à-d. que le filtre laisse passer tous les harmoniques jusqu'au rang inclus.

Nombre minimal de premiers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal triangulaire symétrique[modifier | modifier le wikicode]

Tentative de reconstruction d'un signal triangulaire symétrique [64] avec les dix 1ers harmoniques

     L'utilisation des 1ers harmoniques donne un signal triangulaire de « qualité » seules les pointes correspondant aux sommets du signal triangulaire ne sont pas reproduits ;

     on conçoit bien qu'utiliser les harmoniques jusqu'au « rang , voire [77] » [78] devrait suffire.

Nombre minimal de premiers harmoniques nécessaire pour reconstruire un signal créneau symétrique[modifier | modifier le wikicode]

Tentative de reconstruction d'un signal créneau [63] symétrique [64] avec les dix 1ers

     L'utilisation des 1ers harmoniques donne un signal créneau [63] de « qualité très médiocre » fluctuations importantes sur les plateaux de crête et passage d'un plateau de crête à l'autre non instantané ;

     on conçoit bien qu'utiliser les harmoniques jusqu'au « rang , voire [77] » [79] semble nécessaire.

Ordre de grandeur des fréquences dans les domaines acoustique et électromagnétique[modifier | modifier le wikicode]

Domaine acoustique[modifier | modifier le wikicode]

     Sons audibles par un être humain entre et graves pour les B.F. [81] et aigus pour les H.F. [82]ref> La fréquence du  : .</ref> ;

     Sons audibles par un être humain en deçà de , se situent les infrasons nous n'entendons pas les sons en dessous de mais nous pouvons partiellement les ressentir avec notre corps, en particulier avec notre cage thoracique ; la 1ère moitié de la 1ère octave [83] perçue par l'humain est à la frontière entre l'infrason et le grave, elle produit une impression, à la fois auditive et physique, qui donne une sensation de « poids » ; les tremblements de terre, éruptions volcaniques, tonnerre et d'autres phénomènes naturels produisent des infrasons à un niveau parfois extrêmement élevé ; d'autre part des études récentes ont montré que les infrasons jouent un rôle dans la communication chez certains mammifères tels que les éléphants, les girafes ou les baleines et

     Sons audibles par un être humain au-delà de , se situent les ultrasons de nombreux animaux, comme les chiens ou les chauve-souris, peuvent entendre les ultrasons, certains peuvent en émettre : les chauve-souris émettent des ultrasons qui se répercutent sur les objets environnants, ce qui leur permet ainsi de percevoir leur environnement, il s'agit du phénomène d'« écholocation ».

Domaine électromagnétique[modifier | modifier le wikicode]

     On distingue quatre grands domaines suivant les valeurs de fréquence :

Ondes lumineuses[modifier | modifier le wikicode]

     Lumières visibles par un être humain entre et côté de la plus B.F. [81] « rouge » et de la plus H.F. [82] « violet » ;

     Lumières visibles par un être humain en deçà de se trouve l'infrarouge qui s'étend approximativement jusqu'à l'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge et

     Lumières visibles par un être humain au-delà de se trouve l'ultraviolet qui s'étend approximativement jusqu'à en faible quantité, le rayonnement UV [84] est bénéfique et est indispensable à la synthèse de vitamine  ; les UV [84] servent également à traiter plusieurs maladies, dont le rachitisme, le psoriasis, l'eczéma ; en plus hautes quantités, lors d'expositions prolongées au soleil ou à des rayonnements artificiels issus par exemple de lampes ou de dispositifs industriels type poste à souder, ils peuvent provoquer des cancers cutanés ou oculaires, un vieillissement prématuré de la peau, ainsi que des cataractes.

Ondes hertziennes (ou radioélectriques)[modifier | modifier le wikicode]

     Pour les ondes radio réglementées les fréquences sont entre et [85] soit entre et  ;

  • entre et ce sont des ondes myriamétriques communication avec les sous-marins, implants médicaux ,
  • entre et des grandes ondes ou ondes longues radionavigation, radiodiffusion G.O. [86],
  • entre et des petites ondes ou ondes moyennes radio AM [87], service maritime, appareil de recherche de victimes d'avalanche,
  • entre et  des ondes courtes militaire, radiodiffusion, aéronautique, météo ,
  • entre et  des ondes ultra-courtes radio FM [88], gendarmerie nationale, pompiers ,
  • entre et  des ondes décimétriques G.P.S. [89] ou assistant de navigation, Wi-Fi [90], télévision ,
  • entre et  des ondes centimétriques micro-ondes, radar météorologique ,
  • entre et  des ondes millimétriques liaison vidéo transportable .

Rayons X[modifier | modifier le wikicode]

     Entre et ou entre et [91], les rayons X sont un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale par radiographie standard et la cristallographie.

Rayonnements gamma[modifier | modifier le wikicode]

     Au-delà de c.-à-d. au-delà de [91], les ondes sont nommés « rayonnements gamma » noté , ils sont produits par la désexcitation d'un noyau atomique résultant d'une désintégration processus d'émission appelé radioactivité [92] ;

     les rayonnements gamma provenant de retombées radioactives seraient probablement le plus grand danger dans le cas d'une guerre nucléaire ; si les rayonnements γ sont moins ionisants que les rayons α ou les rayons β, ils demandent des épaisseurs de blindage beaucoup plus importantes pour s'en protéger de l'ordre de quelques mètres d'épaisseur de béton armé ; ils peuvent produire des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X et les autres rayonnements ionisants tels que brûlures, cancers et mutations génétiques.

Notes et références[modifier | modifier le wikicode]

  1. Indépendante de la durée séparant les observations ; la définition locale de la célérité donnerait «» mais celle-ci restant constante, il est inutile de l'introduire.
  2. 2,0 et 2,1 c.-à-d. liquide ou gazeux.
  3. Et aussi les liquides très visqueux.
  4. est un vecteur unitaire à , dirigé vers l'intérieur de l'objet.
  5. est un vecteur unitaire tangentiel à , choisi dans le plan contenant et .
  6. La pression atmosphérique dans les conditions usuelles d'altitude et de température étant au voisinage de , on utilise une unité dérivée « le bar » dont la conversion est .
  7. 7,0 7,1 7,2 et 7,3 Dans cette catégorie on exclut les liquides très visqueux pour lesquels on observe aussi un signal transversal.
  8. 8,0 et 8,1 La très grande viscosité dans un liquide fait que ce dernier a un comportement plus proche de celui d'un solide que de celui d'un liquide « normal » revoir la note « 7 » plus haut dans ce chapitre justifiant le qualificatif « normal ».
  9. De même homogénéité qu'une surpression, s'exprimant en et le plus souvent en un multiple le .
  10. Dans une même surface transversale , si la surface transversale de droite est décalée vers le haut par rapport à la surface considérée, exerce une force vers le haut sur de composante et si la surface transversale de gauche est décalée vers le bas par rapport à la surface considérée, exerce une force vers le bas sur de composante .
  11. Un gaz a une masse volumique plus faible qu'un liquide dans les mêmes conditions de température et de pression, approximativement d'un facteur .
  12. La densité et l'élasticité ont des effets contraires sur la célérité, l'augmentation de la densité a pour effet de diminuer la célérité de propagation alors que la diminution de l'élasticité pour effet d'augmenter cette célérité, les liquides étant plus denses mais moins élastiques que les gaz, on remarque donc que l'effet de l'élasticité est prépondérant.
  13. La grandeur électrique peut être une tension ou une intensité de courant ; sa variation peut être constatée par rapport à son absence de tension ou d'intensité ou par rapport à une tension ou intensité permanente, cette dernière constituant la valeur dite de « repos » ou de « polarisation ».
  14. Les éléments chargés fixes comme il peut en exister dans les milieux non fluides c.-à-d. solides ne jouant aucun rôle dans la conduction.
  15. La densité volumique particulaire a pour ordre de grandeur , calcul exposé ci-après dans le cas du cuivre.
  16. La densité volumique particulaire dépend de la concentration de la solution mais usuellement elle ne dépasse pas , calcul exposé dans le cas d'une solution décimolaire de chlorure de sodium et dans le cas de l'eau pure très mauvais conducteur.
  17. Un semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur pur par exemple du silicium , il est isolant à basse température un isolant ayant une densité volumique particulaire et mauvais conducteur à température ordinaire seuls quelques électrons de valence ont suffisamment d'énergie pour devenir des électrons de conduction, ils laissent alors derrière eux un site de valence vide et un électron de valence des atomes voisins peut venir l'occuper laissant à son tour derrière lui son site initial de valence vide ;
       pour simplifier l'étude pour qu'il n'y ait pas deux types de porteurs de charge négative mobiles « les électrons de conduction » et « les électrons de valence sautant d'un site occupé à un site vide » les électroniciens considèrent qu'aucun électron de valence ne peut migrer, les sites de valence restant tous occupés pour les sites réellement vides, conséquence d'un électron de valence devenu électron de conduction, l'électron de conduction restant mobile ils ajoutent fictivement un électron de valence sans possibilité de migrer et ils y superposent une particule fictive mobile de charge positive qu'ils appellent « trou » du point de vue électrique ils ajoutent donc fictivement une charge nulle avec la propriété suivante : la superposition d'un « trou » et d'un « électron de valence » est équivalente à un site vide ;
       ils remplacent alors la migration d'un électron de valence d'un site occupé à un site vide par la migration d'un trou du site au site , le départ du trou du site découvrant l'électron de valence et le rendant réel alors que l'arrivée du trou sur le site couvrant l'électron de valence et rendant ce dernier fictif, la superposition étant équivalente à un site vide ;
       il y a donc deux types de porteurs de charge mobiles : les « électrons de conduction » et les « trous » en quantités égales.
       La densité volumique particulaire à température ordinaire est nettement plus faible que dans un métal et elle est quasi-nulle à basse température.
  18. Un semi-conducteur extrinsèque dopé est un semi-conducteur par exemple dans lequel on a ajouté des impuretés pentavalentes par exemple d'arsenic on rappelle la définition de la valence d'un élément : nombre d'électrons de valence qui peuvent être cédés ou captés pour que la couche de valence devienne vide ou complètement remplie l'électron supplémentaire par rapport au semi-conducteur tétravalent pouvant relativement aisément se déplacer, il constitue le porteur de charge mobile, la densité volumique particulaire ayant pour ordre de grandeur on peut ainsi négliger la semi-conduction intrinsèque.
  19. Un semi-conducteur extrinsèque dopé est un semi-conducteur par exemple dans lequel on a ajouté des impuretés trivalentes par exemple de gallium , le site de l'électron « manquant » par rapport au semi-conducteur tétravalent est remplacé par la présence simultanée d'un électron de valence fictif et d'un trou fictif, et comme dans un semi-conducteur intrinsèque les électrons de valence ajoutés restent fixes et les trous peuvent se déplacer pour « recouvrir » d'autres électrons de valence, les trous constituant donc les porteurs de charge mobiles, la densité volumique particulaire ayant le même ordre de grandeur que dans les semi-conducteurs dopés , on peut ainsi négliger la semi-conduction intrinsèque.
  20. La masse volumique de l'eau vaut .
  21. Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776 - 1856) est un physicien et chimiste du Piémont région actuelle de l'Italie à qui on doit essentiellement la loi d'Avogadro Ampère qu'il énonça en et proposée indépendamment par Ampère en , celle-ci spécifiant que « des volumes égaux de gaz parfaits différents, aux mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de molécules ».
       André-Marie Ampère (1775 - 1836), mathématicien, physicien, chimiste et philosophe français, peut être considéré comme l'un des premiers artisans de la mathématisation de la physique, il a édifié les fondements théoriques de l'électromagnétisme et a découvert les bases de l'électronique de la matière.
  22. En physique l'unité de volume du S.I. Système international est le et non le .
  23. L'ion oxonium est encore appelé ion hydronium.
  24. Il s'agit en fait de la même grandeur mais la première est utilisée en chimie et la seconde en physique pour souligner la différence d'utilisation nous adoptons des noms différents ainsi que des notations différentes ; de plus les unités employées ne sont pas les mêmes on rappelle que l'unité de volume dans le S.I. Système international est le et non le .
  25. Ce sens est qualifié de « conventionnel » car, dans la plupart des matériaux conduisant plus ou moins l'électricité, il y a deux types de porteurs de charge mobiles circulant en sens inverse quand un mouvement d'ensemble est imposé, il y avait donc deux choix possibles ; c'est en que le français Ampère définit la grandeur « courant » matérialisée par la circulation des deux types de porteurs de charge mobiles en définissant, par convention, le sens du courant comme le sens de circulation de l'un des types de porteurs de charge mobiles, les porteurs de charge mobiles de signe opposé correspondant au sens contraire du courant mais le choix aurait pu être l'inverse, il s'agit donc d'un choix historique ;
       André-Marie Ampère (1775 - 1836), mathématicien, physicien, chimiste et philosophe français, peut être considéré comme l'un des 1ers artisans de la mathématisation de la physique, il a édifié les fondements théoriques de l'électromagnétisme et a découvert les bases de l'électronique de la matière.
  26. Pour qu'il y ait déplacement d'ensemble de porteurs de charge mobiles il faut que le conducteur soit branché dans un circuit dans lequel il y a au moins un générateur qui lui impose une tension entre ses bornes cette notion de tension est vue ultérieurement dans les paragraphes « nécessité d'imposer une tension aux bornes d'un récepteur pour qu'il soit traversé par un courant » et « tension aux bornes d'un générateur et sens du courant dans ce dernier » plus loin dans ce chapitre.
  27. est appelée « durée élémentaire » et correspond à l'élément différentiel de temps, voir le paragraphe « élément différentiel d'une variable » du chap. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) ».
  28. correspond à l'élément différentiel de charge, voir le paragraphe « élément différentiel d'une variable » du chap. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » ;
       en fa