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Ondes monochromatiques• Les ondes progressives ne sont, en générale, pas périodiques, ni
en temps ni en espace
• Idée importante en analyse d’onde:
– Toute fonction périodique T peut se décomposer en unesomme de fonction de période T/n ( Série de Fourier)
– En imaginant la période infinie, un signal non périodique peutdonc se décomposer en une somme infini de signaux de toutesles périodes…
Notation complexe• Solution particulière• Et la solution en sin ?• Idée:
– l’équation d’onde est linéaire– Prendre la partie réelle d’un nombre complexe est
une opération linéaire– Deux opérations linéaires permutent
– Si A complexe -> sin– Attention: ceci ne peut se faire que pour l’équation
d’onde linéaire et pour les grandeurs linéaires…paspossible pour l’énergie….
– Résolution de l’équation d’onde…
!
v = A(x) cos("t)
!
v = A(x) exp( j"t)
!
!
" 2v
"t 2= c
2 "2v
"x 2
implique
#$ 2A = c
2 "2A
"x 2
d' où
A(x) = A0 exp(± jkx)
et
$ 2
k2
= c2
On retrouve les ondesse propageant à droite etgaucheV= A e j(!t-kx) +B e j(!t+kx)
Equation de dispersion:Relie la fréquence spatiale à lafréquence temporelleLa première impose la seconde!
Rappel
T Période ( sec) !=2"/T Pulsation ( s-1)
f=1/T= !/( 2") Fréquence ( Hz)
k= !/c Vecteur d’onde ( m-1)
#=cT= 2"/k Longueur d’onde ( m)
1/# Nombre d’onde (m-1)
Vitesse de phase• La vitesse c est donc la vitesse de phase de l’onde• Vitesse de phase= vitesse de propagation d’un
point ayant une phase constante
• La vitesse de phase n’est pas toujours uneconstante mais peut varier et dépendre de lafréquence
• La vitesse de phase peut être plus grande que lavitesse de propagation du milieu
!
cte = "t # kx
$dx
dt="
k= c
Variation avecla fréquence
Variation avecla profondeur
Vitesse de groupe• Un signal monochromatique n’a pas de début ou
de fin– Ne permet pas d’envoyer de l’information
• Pour envoyer de l’information ( ou de l’énergie),une superposition d’ondes monochromatiques estnécessaire comme par exemple– Paquet d’onde (signal de durée finie)– Signal A(t)<<1 en modulation d’amplitude
– Signal en modulation de fréquence
!
s(t) = (1 + A(t)) exp( j"t)
!
A(t) = a exp( j"#(t)t)
s(t) = A(t) exp( j#t)
= a[1 + (1 $ exp( j"#(t)t))] exp( j#t)
Propagation d’un paquet• On considère un paquet d’onde autour d’une
fréquence centrale !0
• Sa propagation donne
!
s(x, t) = a(")d""#
"+
$ exp( j(" t # k(")x))
k(" ) = k("o) + (" # "o)%k
%" 0
s(x, t) = a(")d""#
"+
$ exp( j(" t # k(")x)) = exp( j(k("0) # "o
%k
%" 0
)x) a(")d""#
"+
$ exp( j"(t #%k
%" 0
x))
soit
s(x, t) = A(t #x
vg) exp( j(k("0) # "o
%k
%x 0
)x)
!
A(t) = d""#
"+
$ a(") exp( j"t)
!
vg =d"
dk
Vitesse de groupe
Variation de la vitesse de phase en pourcent à 80secondes des ondes de surface
Réflexion et transmission• On considère un tsunami arrivant près d’un
plateau continental
!
1
g
" 2u
"t 2= #
"h
"x
h = #d"u
"xd' où
" 2u
"t 2= c
2 "
"xc2 "u
"x
$
% & '
( )
h, u continus
Équationu déplacementhorizontal( primitive de v)h hauteur
Pour d’autres cas, nousaurons aussi une continuité:
-de F ( corde)
-De p (tube)
!
F = T0
"u
"x
!
p = "#$u
$x
d1
d2
• On considère une onde incidente , réfléchieet transmise
• On applique la continuité du déplacement etde la seconde grandeur (h, F, p, suivant lecas)
!
u1 = A exp( j("t # k1x) + B exp( j("t + k1x)
u2 = C exp( j("t # k1x)
!
h1 = jk1d1(A exp( j("t # k1x) # B exp( j("t + k1x))
u2 = jk2d2C exp( j("t # k1x)
!
A + B = C
jk1d1(A " B) = jk
2d2C
!
C
A=
2k1d1
k1d + k
2d2
B
A=k1d1" k
2d2
k1d + k
2d2
D’où
Quelques propriétés
• Surface libre ( c2<< c1, => t=2, r=1)• Surface rigide ( c2>> c1, => t=0, r=-1)• Pas de dépendance en fréquence… Pourquoi?• Cas d’une corde ou d’un tuyau ( )
– Z = impédance =
!
t =C
A=
2k1d1
k1d1
+ k2d2
=2c1
g
c1
g+c2
g
r =B
A=k1d1" k
2d2
k1d1
+ k2d2
=
c1
g"c2
g
c1
g+c2
g
!
1
g" # ou µ
!
c
g" #c ou µ c
!
t =2Z
1
Z1
+ Z2
r =Z1" Z
2
Z1
+ Z2
Bilan énérgie
• Pour faire un bilan d’énergie, necessitéd’utiliser les flux
– Energie entrante = énergie sortante
!
T =Z2t2
Z1
=Z2
Z1
2Z1
Z1
+ Z2
"
# $
%
& '
2
R =Z1
Z1
Z1( Z
2
Z1
+ Z2
"
# $
%
& '
2
1 = R + T
!
" = #cA2 = ZA2
Ondes stationnaires
• Ondes dans une cavité• Les réflexions multiplent forment des
ondes qui en générale, vont avoir desamplitudes n’ayant pas la même phaseque les autres ondes
• Solution stationnaire n’est non nulleque si les interférence sontconstructives
Corde de piano• Deux conditions aux limites rigide
• Longueur L
• Une solution sous la forme d’unesuperposition d’ondes se propageant dansles deux directions
!
u(x, t) = A exp( j("t # kx)) + B exp( j("t + kx))
conditions aux lim ites
u(0, t) = A + B
u(L, t) = A exp(# jkL) + B exp( jkL) = 0
d' où
sin(kL) = 0
Et
!
k ="
c
Solution• Quantification des solutions
– Modes ou oscillations propres
– Solution identique pour tout objet fini
– Analogie avec mécanique quantique
!
kL = n"
d' où
#n
=n"c
L
et
!
un (x, t) = A exp( j"t) sin(n#x
L)
Si !n est solution,- !n est aussi solution
Autres propriétés
• Considérons deux solutions
• L’énergie cinétique stockée est et définitune norme ( toujours positive)
• Soit le produit scalaire- on montre que deux solutions sontorthogonales en raison des conditions auxlimites
- les modes forment une base des solutions
!
"#1
2u1
=$ 2u
1
$x 2,"#
2
2u2
=$ 2u
2
$x 2
!
µdxu2
0
L
"
!
< u1| u
2>= µdxu
1
0
L
" u2
Sommation de modes• Toute solution peut s’écrire sous la forme
d’une somme des modes
• Les coefficients s’obtiennent en projetant lesconditions initiales (ou la source) sur lesfonctions de base
!
< u0 | un >=< un | un > (An + Bn )
< v0 | un >= j"n < un | un > (An # Bn )
An =
< u0 | un > +< v0 | un >
j"n
2 < un | un >
Bn =
< u0 | un > #< v0 | un >
j"n
2 < un | un >
!
u(x, t) = unn
" (x)(An exp( j#nt) + Bn exp($ j#nt))
u0 ~déplacement initial
v0 ~vitesse initialle
Solution finale
• On normalise les modes propres
!
un(x, t) =
2
Lsin(n"
x
L)
!
u(x, t) = un
n
" (x)(< u0 | un > cos(#nt) +
< u0 | un >
#n
sin(#nt))
D’où
Autre Exemple à 1 dimension• Les modes propres sont pour la plupart associés
à des ondes de surface ou des ondes devolumes
• Pour être crées, une interférence constructivedoit se faire après un tour de Terre
• Pour c= 4km/s, on trouve f = n*0.1 mHz
!
2"r = ncT
f =1
T= n
c
2"r
Sismologie de la Terre: modes propres
• Lors des grands séismes, la Terre résonne comme unecloche
• Typiquement, il faut des séismes de magnitudesupérieure à 7
Dispersion et positionnementGPS
Propagation dans le plasma
• Propagation dans un plasma
• Masse des électrons << Masse des ions
• Fréquence plasma entre 1 et 10 Mhz