Filtre
(Les définitions suivantes ne s'appliquent pas à la notion de filtre en mathématiques.)
Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux. Ce flux peut être un flux de matières, un flux électronique, un flux d'informations, un flux optique… Son action est de retenir ou de supprimer les éléments indésirables du flux, et de laisser passer les éléments utiles.
| Sommaire |
Flux de matières
Les flux de matières sont gazeux (air), liquides (eau, huile) ou solides (sable, gravier) ; dans le cas de solides, on parle aussi de tamis.
Le filtre mécanique peut être
- une surface percée de trous calibrés, qui peut être obtenue en tissant des fils,
- un solide poreux, comme une céramique frittée,
- un solide laissant passer les liquides par diffusion, comme le papier.
Son rôle est de retenir les plus grosses particules et laisse passer les particules plus fines, ou bien de retenir les solides en laissant passer les liquides. Exemple :
- le filtre à huile, le filtre à air ou le filtre à particule (FAP) d'un vehicule,
- le filtre à café,
- le filtre à eau, laissant passer l'eau et retenant les amibes.
Le filtre chimique va retenir certaines molécules en fonction de leur nature. Exemple: le charbon actif.
Électronique
Un filtre est un circuit électronique complexe (c.a.d. composé d'au moins 2 composants) Celui-ci modifie (filtre) certaines composantes d'un signal d'entrée dans le domaine temps et dans le domaine fréquence.
D'après la théorie de Fourier, un signal classique est une somme infinie de signaux élémentaires (sinusoïdaux); le rôle d'un filtre est d'en modifier la phase et l'amplitude.
Les filtres les plus courants peuvent être placés dans quatre catégories: filtre passe-bas, passe-haut, passe-bande et, rejecteur.
- Un filtre passe-haut atténue tous les signaux en dessous d'une fréquence déterminée, c'est un atténuateur de grave pour un signal audio.
- Un filtre passe-bas atténue tous les signaux au-dessus d'une fréquence déterminée, c'est un atténuateur d'aigu pour un signal audio.
- Un filtre passe-bande atténue tous les signaux au-dessus et en dessous de deux fréquences déterminant une zone ou bande.
- Un filtre rejecteur, trappe ou cloche atténue tous les signaux entre deux fréquences déterminées, c'est l'inverse du filtre passe bande.
En electronique, on distingue 3 catégories de filtres : les filtres passifs, les filtres actifs et les filtres numériques.
Les filtres passifs
Un filtre passif se caractérise par l'usage exclusif de composants passifs (résistances, condensateurs, inductivités couplées ou non). Par conséquent, leur gain (rapport de puissance entre la sortie et l'entrée) ne peut excéder 1. Un filtre passif n'est pas sujet à des phénomènes de saturation (d'où leur usage dans les enceintes de haut-parleurs), ni de limitation de bande passante (d'où leur usage dans certains circuits haute fréquence comme en radio par exemple). De plus, les composants de ces filtres n'introduisent pas (ou peu, si on considère le bruit thermique des résistances) de bruit dans les signaux.
Pour être complet, il convient de mentionner les filtres à quartz et les filtres à onde de surface (Surface Acoustic Waves filters ou SAW) qui font aussi partie des filtres passifs.
Ils peuvent être considérés dans le cas le plus général comme des quadripôles.
Les filtres actifs
Un filtre actif se caractérise par l'usage d'au moins un composant actif (semi-conducteur comme par exemple un transistor, un amplificateur opérationnel, ou autre circuit intégré...). Ces filtres ont l'avantage de ne pas nécessiter de bobinage, composant cher, difficilement miniaturisable, imparfait (angles de perte, résonances propres), et dont il est difficile d'obtenir avec une valeur précise d'inductance.
Les filtres actifs sont donc largement utilisés dans les amplificateurs audio, les instruments électroniques de toutes sortes. Côté inconvénients, contrairement aux filtres passifs, ils nécessitent une alimentation électrique, sont limités en amplitude (saturation) et en fréquence par la bande passante des composants actifs. Les composants actifs (ainsi que les résistances dans une moindre mesure) introduisent du bruit dans le signal, ce qui au-delà d'un certain seuil peut être gênant. Dans cette catégorie de filtres on peut à la rigueur ranger une famille de filtres dont la technologie est en fait à mi-chemin entre les filtres actifs et les filtres numériques : les filtres à capacités commutés.
Un filtre actif a un gain qui peut être supérieur à 1.
Les filtres numériques
Un filtre numérique se caractérise par le traitement entièrement numérique du signal. Au préalable, le signal a été numérisé par un convertisseur analogique-numérique (AD), c'est-à-dire qu'à intervalle régulier (appelé fréquence d'échantillonnage) l'amplitude instantanée du signal est numérisée. Le filtre numérique traite donc un flot continu d'informations comme par exemple celui qui est lu sur un CD de musique, et fournit en sortie un autre flot de données, à la même fréquence en général (mais pas toujours !). En bout de chaîne, le signal analogique peut être reconstruit par un convertisseur numérique-analogique (DA). Ces filtres ont l'avantage de pouvoir être intégrés dans des circuits digitaux miniaturisables à l'extrême, tels des processeurs (DPS en particulier) et de ne nécessiter aucun composant analogique, ce qui garantit des caractéristiques strictement reproductibles d'un appareil à l'autre : en d'autres termes on n'est plus dépendant de la précision des composants comme c'est le cas pour les filtres analogiques ; on peut aussi les reprogrammer (éventuellement à la volée) pour changer leurs caractéristiques, ce qui permet de ne pas avoir à effectuer des changements matériels. Les filtres numériques produisent aussi du bruit (en plus du bruit introduit dans le signal par les convertisseurs AD et DA) appelé bruit de quantification, mais on peut diminuer celui-ci autant que nécessaire simplement en augmentant la quantité de niveaux de quantification. Ils permettent d'obtenir des caractéristiques spectrales dont certaines ne peuvent être reproduites par aucun filtre analogique (actif ou non). Notons que la fréquence maximale du spectre du signal que traite un filtre numérique doit rester inférieure à la moitié de la fréquence d'échantillonnage (Shannon), et que par conséquent le filtre numérique n'est pas adapté pour une trop grande largeur de bande de fréquences. Il a fallu attendre la montée en puissance des capacités de calcul des processeurs pour voir apparaître ces filtres à grande échelle. Ils sont dorénavant très utilisés dans l'électronique moderne où l'analogique cède le pas au numérique, la plupart des signaux étant digitaux, et traités directement comme tels.
Voir :
- échantillonnage
- quantification
- filtre à réponse impulsionnelle finie
- filtre à réponse impulsionnelle infinie
Informatique
Dans le domaine du traitement de l'information, le filtre sert à extraire d'un ensemble d'informations un sous ensemble d'informations pertinentes.
Voir : filtre (informatique)
Optique
En optique un filtre permet comme en électronique de ne conserver que la lumière utile à une application donnée.
Tout comme en électronique les filtres optiques peuvent être actifs ou passifs.
- Un exemple de filtre optique passif est les lunettes de soleil. Elles atténuent toute la partie visible du spectre lumineux, en privilégiant plus ou moins certaines couleurs. De plus il est fortement recommandé par la médecine qu'elle atténuent aussi le rayonnement ultra-violet, voir le rayonnement infra-rouge tous deux très dangereux pour les yeux.
- Un exemple de filtre optique actif est le système de vision de nuit à amplificateur de lumière. Un capteur électronique très sensible aux rayonnements lumineux visible recueille la faible lumière; le signal obtenu est amplifié électroniquement, filtré, puis restitué sur un écran.