La production, par comportement non linéaire d'un élément ou d'un système, de composantes fréquentielles aux multiples entiers (harmoniques) d'une fréquence fondamentale unique, aboutissant à une onde périodique de sortie différente d'une sinusoïde pure à la fondamentale.

Principe

Les caractéristiques de transfert non linéaires d'éléments actifs ou passifs décomposent une excitation périodique en une série de Fourier comprenant des composantes à multiples entiers ; les amplitudes relatives des harmoniques dépendent de la forme de la non‑linéarité et de l'amplitude d'excitation et se quantifient couramment par des métriques comme la distorsion harmonique totale.

Démonstration

Scénario illustratif — Situation : Un amplificateur audio est sur‑excité par une entrée à une seule fréquence. Reconnaissance : La forme d'onde de sortie présente un aplatissement et des raies spectrales à 2×, 3×, etc. de la fondamentale. Action : Diminuer le niveau d'entrée ou utiliser un étage plus linéaire. Conséquence : Les amplitudes harmoniques diminuent, restaurant la fidélité de la forme d'onde et réduisant la coloration audible ou les interférences en aval.

Mauvaise application

Prendre pour de la distorsion harmonique toute raie spectrale supplémentaire alors qu'il s'agit de produits d'intermodulation issus de plusieurs tons ou de transitoires de commutation ; l'erreur sémantique est de ne pas distinguer les harmoniques (multiples entiers d'un ton) des produits de mélange multi‑ton ou du contenu spectral transitoire.

Conséquence

La distorsion harmonique modifie la forme d'onde, peut dégrader la fidélité audio, produire une coloration audible, ou dans les réseaux électriques engendrer des courants et tensions harmoniques qui augmentent l'échauffement, les pertes ou les dysfonctionnements d'équipements et de filtres si elles ne sont pas gérées.

Inversion

Dans certaines applications les harmoniques sont acceptables voire désirables (distorsion musicale, synthèse d'ondes) ; dans d'autres, des filtres, des étages tampons ou des classes d'amplificateur plus linéaires peuvent réduire les harmoniques mais souvent au prix d'une moindre efficacité, d'un surcoût ou d'une complexité accrue.

Limite

Clairement inclus : une excitation périodique unique produisant des composantes à multiples entiers dans la sortie d'un élément non linéaire. Cas limite : commutation périodique qui crée des raies spectrales de type harmonique mais dont l'origine est une action de commutation intentionnelle plutôt qu'une non‑linéarité passive. Claire­ment exclu : bruit aléatoire large bande, qui n'a pas de raies harmoniques discrètes liées à une fondamentale.

Tension sémantique

Fidélité versus efficacité : les classes d'amplificateur et les points d'utilisation font le compromis entre une distorsion harmonique plus faible et une efficacité énergétique ou un coût, obligeant le concepteur à équilibrer qualité et contraintes thermiques/power.

Synthèse

La distorsion harmonique mesure la déformation périodique d'une onde liée à une excitation mono‑tonale ; elle se distingue de l'intermodulation par son origine et ses remèdes, et son impact réel dépend des tolérances de l'application, du filtrage et du parcours des harmoniques dans le système.