Graphiques et indicateurs | Sciences de l'ingénieur - Analyse de performances - Cours Complet avec Diagrammes et Exercices

Introduction aux graphiques et indicateurs

GRAPHIQUES ET INDICATEURS
Sciences de l'ingénieur - 1ère

Découvrez comment analyser et représenter les grandeurs physiques

Graphiques
Indicateurs
Analyse

Définition des graphiques et indicateurs

Qu'est-ce qu'un graphique ou un indicateur ?

DÉFINITION FONDAMENTALE
Définition

Un graphique est une représentation visuelle des relations entre deux ou plusieurs grandeurs physiques. Un indicateur est une grandeur mesurable qui permet de quantifier une propriété ou une performance d'un système. Ensemble, ils permettent de visualiser, analyser et comprendre le comportement d'un système technique.

Objectif : représenter et quantifier les propriétés des systèmes
Types de graphiques
  • 1 Graphiques temporels (évolution en fonction du temps)
  • 2 Graphiques fréquentiels (évolution en fonction de la fréquence)
  • 3 Diagrammes contrainte-déformation
  • 4 Diagrammes de Bode

Graphiques temporels

Évolution en fonction du temps

CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES
Axes et échelles

Les graphiques temporels montrent l'évolution d'une grandeur physique en fonction du temps. L'axe des abscisses représente le temps (en secondes, millisecondes, etc.) et l'axe des ordonnées représente la grandeur mesurée (tension, courant, force, température, etc.). Les échelles peuvent être linéaires ou logarithmiques selon les besoins.

EXEMPLES DE SIGNAUX
Types de signaux
  • Signal sinusoïdal : tension ou courant alternatif
  • Signal carré : signal logique ou commande
  • Signal triangulaire : rampe de tension
  • Signal impulsionnel : réponse à une excitation

Diagrammes contrainte-déformation

Relation contrainte-déformation

PRINCIPE DE BASE
Représentation du comportement

Les diagrammes contrainte-déformation montrent la relation entre la contrainte (σ) et la déformation (ε) d'un matériau. La contrainte est tracée en ordonnée (en MPa ou GPa) et la déformation en abscisse (sans unité). Ces diagrammes permettent d'identifier les propriétés mécaniques des matériaux.

\( \sigma = \frac{F}{S} \quad \text{et} \quad \varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \)
ZONES CARACTÉRISTIQUES
Comportement du matériau
  • Zone élastique linéaire (loi de Hooke)
  • Limite d'élasticité (début de la déformation plastique)
  • Zone plastique (déformation permanente)
  • Écrouissage (augmentation de la contrainte)
  • Rupture (fin de la résistance)

Diagrammes de Bode

Réponse en fréquence

COMPOSITION DES DIAGRAMMES
Deux graphes superposés

Les diagrammes de Bode sont composés de deux graphes : le diagramme du gain (en dB) en fonction de la fréquence (en échelle logarithmique), et le diagramme de la phase (en degrés) en fonction de la fréquence (en échelle logarithmique). Ces diagrammes sont utilisés pour analyser les systèmes linéaires en régime sinusoïdal.

\( G_{dB} = 20 \log_{10}(|H(j\omega)|) \)
INTERPRÉTATION
Analyse des caractéristiques
  • Pulsation de coupure (pente de -3 dB)
  • Pente de la droite (ordre du système)
  • Marges de stabilité (gain et phase)
  • Bande passante (domaine de fonctionnement)

Indicateurs de performance

Grandeurs mesurables

TYPES D'INDICATEURS
Indicateurs électriques
  • Tension (U) : en volts (V)
  • Courant (I) : en ampères (A)
  • Puissance (P) : en watts (W)
  • Fréquence (f) : en hertz (Hz)
  • Phase (φ) : en degrés (°)
INDICATEURS MÉCANIQUES
Grandeurs mécaniques
  • Force (F) : en newtons (N)
  • Couple (C) : en newton-mètres (Nm)
  • Vitesse (v) : en mètres/seconde (m/s)
  • Accélération (a) : en m/s²
  • Contrainte (σ) : en pascals (Pa)
  • Déformation (ε) : sans dimension

Lecture des graphiques

Interprétation des résultats

AXES ET ÉCHELLES
Compréhension des axes

Les axes des graphiques doivent être correctement interprétés. L'axe des abscisses est généralement la variable indépendante (temps, fréquence, etc.) et l'axe des ordonnées la variable dépendante (tension, force, etc.). Les échelles peuvent être linéaires ou logarithmiques. Les échelles logarithmiques permettent de représenter des plages de valeurs très étendues.

INTERPRÉTATION DES TENDANCES
Analyse des courbes
  • Constante : valeur invariable
  • Croissante : augmentation progressive
  • Décroissante : diminution progressive
  • Oscillante : variations périodiques
  • Linéaire : proportionnalité directe
  • Non linéaire : relation complexe

Applications pratiques

Utilisation en ingénierie

ANALYSE DES CIRCUITS
Exemples d'utilisation

Les graphiques temporels sont utilisés pour analyser les signaux dans les circuits électroniques : tension de charge/décharge d'un condensateur, courant dans un circuit RL, réponse à une impulsion, forme d'onde d'un signal alternatif. Les diagrammes contrainte-déformation permettent d'analyser les propriétés mécaniques des matériaux et de dimensionner des structures.

CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
Indicateurs de qualité
  • Amplitude des signaux
  • Fréquence et période
  • Déformation des structures
  • Contrainte maximale supportée
  • Stabilité du système

Exercice d'application

Analyse d'un signal sinusoïdal

ÉNONCÉ
Exercice

Un signal sinusoïdal a une période de 2 ms et une amplitude de 10 V. On mesure également une phase de +45° par rapport à un signal de référence. Le signal est observé sur un graphique temporel.

1. Calculer la fréquence du signal.

2. Déterminer la pulsation du signal.

3. Écrire l'équation du signal en fonction du temps.

4. Si le signal traverse un filtre qui divise l'amplitude par 2 et ajoute un déphasage de -30°, quelle est l'équation du signal de sortie ?

Solution de l'exercice

Correction détaillée

SOLUTION QUESTION 1
Calcul de la fréquence

La fréquence est l'inverse de la période :

\( f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2 \times 10^{-3}} = 500 \, \text{Hz} \)

La fréquence du signal est donc de 500 Hz.

SOLUTION QUESTION 2
Calcul de la pulsation

La pulsation est donnée par :

\( \omega = 2\pi f = 2\pi \times 500 = 1000\pi \, \text{rad/s} \approx 3142 \, \text{rad/s} \)

La pulsation du signal est donc de 3142 rad/s.

SOLUTIONS QUESTIONS 3 ET 4
Équation du signal et transformation

L'équation du signal d'entrée est : u(t) = 10 sin(3142t + π/4)

Après passage par le filtre : amplitude divisée par 2 (10/2 = 5V), phase déphasée de -30° (45° - 30° = 15° = π/12)

\( u_{sortie}(t) = 5 \sin(3142t + \pi/12) \)

L'équation du signal de sortie est donc u_sortie(t) = 5 sin(3142t + π/12).

Résumé

Points clés

TYPES DE GRAPHIQUES
Graphiques temporels
  • Évolution d'une grandeur en fonction du temps
  • Représentation des signaux électriques
  • Analyse des réponses transitoires
  • Identification des paramètres (période, amplitude)
Diagrammes contrainte-déformation
  • Représentation du comportement mécanique
  • Identification des propriétés élastiques
  • Calcul du module d'élasticité
  • Détermination des limites de résistance
Diagrammes de Bode
  • Réponse en fréquence des systèmes
  • Gain et phase en fonction de la fréquence
  • Analyse de la stabilité
  • Identification des bandes passantes
Maîtrisez ces outils pour analyser les systèmes techniques !

Conclusion

Félicitations !

FÉLICITATIONS !
MAÎTRISE DES GRAPHIQUES ET INDICATEURS
Vous comprenez maintenant l'analyse des grandeurs physiques !

Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en ingénierie

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