Résonance - Définition

Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système n'est pas trop amorti, une excitation sinusoïdale est particulièrement amplifiée au voisinage de cette fréquence propre, c'est ce qu'on appelle la résonance. Sommairement on peut dire que le système réagit d'autant plus facilement qu'on lui fournit de l'énergie à une fréquence proche de sa fréquence naturelle comme disent les Anglo-saxons.

Les exemples sont les résonances acoustiques des instruments musicaux, la résonance des marées, la résonance orbitale (certaines des lunes jupitériennes), la résonance de la membrane basilaire dans le phénomène d'audition, la résonance dans des circuits électroniques et les systèmes mécaniques.

Notions de base

Modes propres

Implicitement, l'introduction concerne des systèmes à un degré de liberté ou supposés tels dont l'évolution est décrite par un seul paramètre fonction du temps. On rencontre de tels systèmes, entre autres, en mécanique avec le simple pendule ou le système masse-ressort, en électricité avec le circuit RLC. Leurs oscillations libres ne peuvent se produire qu'à une fréquence bien définie susceptible d'induire une résonance.

Si on couple deux pendules par un ressort, le système est alors décrit par les inclinaisons généralement distinctes des deux pendules. Ce système à deux degrés de liberté possède deux modes propres dans lesquels les pendules oscillent à la même fréquence. Toute oscillation libre est une somme des deux modes propres correspondants et, face à une excitation sinusoïdale, chacun d'eux peut engendrer une résonance. En supposant les deux pendules identiques, l'origine des deux types d'oscillation devient évidente. Dans un cas les pendules oscillent de concert, comme s'ils étaient liés par une barre rigide ; la fréquence propre du système est la même que celle du pendule simple. Dans l'autre, ils oscillent en opposition, comme si le milieu du ressort avait été fixé ; une moitié de ressort accroît donc la raideur associée à chacun d'eux, ce qui, comme il est précisé plus loin, augmente la fréquence propre.

Ces remarques se généralisent à des systèmes qui possèdent un nombre quelconque de degrés de liberté. La déformée d'une corde vibrante ou d'une poutre élastique est caractérisée par une infinité de positions ; il s'agit alors de systèmes continus à une infinité de degrés de liberté possédant une infinité de modes propres. Dans le cas de la corde sans raideur en flexion, les modes propres ont des formes sinusoïdales (pour plus de précisions, voir Onde sur une corde vibrante. La plus basse fréquence est alors appelée fréquence fondamentale tandis que les harmoniques ont des fréquences multiples de celle-ci.

Animation : 3 premiers modes de vibration d'une corde

Généralement, l'importance relative de l'amortissement s'accroît à mesure que s'élève l'ordre des modes, ce qui fait qu'il est suffisant de s'intéresser aux tous premiers modes, dans les problèmes techniques si ce n'est en musique.

Réponse à une excitation

Selon Systèmes oscillants à un degré de liberté, on constate que le rapport de l'amplitude X de la réponse à l'amplitude F de l'excitation dépend de la masse M (ou inertie ou, en électricité, auto-inductance), de la raideur K (ou inverse de la capacité) et de l'amortissement B (ou résistance) :

Cette formule montre, ce qui se généralise qualitativement à des systèmes beaucoup plus complexes, que la fréquence propre croît avec la raideur et décroît lorsque l'inertie augmente.

L'amplification ne varie pas seulement en fonction de la fréquence. Elle dépend également de l'amortissement du système : lorsque celui-ci décroît, l'amplification augmente dans une bande de fréquences de plus en plus étroite.

Ce phénomène d'amplification est mis à profit dans divers domaines pour séparer une fréquence déterminée de ses voisines.

A l'inverse, il peut être fréquemment à l'origine de dommages causés au système. Dans ce dernier cas, on cherche soit à l'atténuer en augmentant l'amortissement, soit à déplacer la fréquence propre en jouant sur l'inertie ou sur la raideur.

Utilisations de la résonance

La résonance permet de trier certaines fréquences, (mais ne produit pas d'énergie).

Le moteur deux temps

Le pot d'un moteur deux-temps a une forme bien particulière qui vise à créer un phénomène de résonance dans le but d'améliorer les performances et de diminuer la consommation et la pollution en évitant de laisser s'échapper (en partie) les gaz imbrûlés, et en augmentant la compression dans le cylindre. Pour plus de détails, se référer à l'article: Cycle à deux temps

Les instruments de musique

Voir l'article plus complet : instrument de musique.

Les récepteurs radio

Chaque station émet une onde électromagnétique avec une fréquence bien déterminée. Le circuit RLC (résistance, inductance, capacité) est mis en vibration forcée par l'intermédiaire de l'antenne qui capte toutes les ondes électromagnétiques émises par toutes les stations. Pour écouter une seule station, on doit accorder la fréquence propre du circuit RLC avec la fréquence de l'émetteur en faisant varier la valeur de la capacité d'un condensateur variable (opération effectuée en agissant sur le bouton de recherche des stations).

L'imagerie par résonance magnétique

En 1946, les deux américains Félix Bloch et Edwards Mills Purcell découvrent le phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire également appelée RMN (ce qui leur valut un prix Nobel de Physique). En plaçant un objet ou un tissu organique quelconque dans un champ magnétique, on peut connaître grâce à un signal qu’émet cet objet, sa constitution. En 1971, Raymond Damalian se rend compte que le signal émis par un tissu organique cancéreux est différent de celui qu’émet un tissu sain du même organe. Cette découverte entraînera plus tard la RMN vers des applications dans la médecine. Deux ans plus tard, Paul Lauterbur traduit le signal en images à deux dimensions. Apparaît alors l’Imagerie par Résonance Magnétique proprement dite, créée à partir de séquences pondérées T1 et T2 émettant respectivement un signal noir ou blanc. L’IRM subira encore quelques évolutions : le britannique Peter Mansfiels applique la RMN des objets à structure interne complexe. Il deviendra grâce à ses expériences poussées, l’un des pionniers de l’Imagerie par Résonance Magnétique dans des applications médicales. Par la suite, en 1971, Richard Ernst sera primé pour son travail " Spectroscopie à haute résolution par l’IRM " suivi du suisse Kurt Wilthrich en 2002 pour sa présentation " Imagerie en 3D des macromolécules en solution ". L’IRM telle qu’on la connaît aujourd’hui après 60 ans d’histoire n’a pas fini son évolution et de nombreux progrès viendront encore. C’est grâce à une physique complexe et développée que l’IRM a su apporter aux sciences (en particulier en médecine) un nouveau moyen de progresser. Voici le fonctionnement simplifié de l'IRM : L'IRM utilise la résonance des protons d'un organisme pour fabriquer des images. Le corps humain est composé d'une grande quantité d'eau (donc de protons). Placé dans un intense champ magnétique, on excite les protons avec une émission électromagnétique (radio-fréquence) jusqu'à les mettre en résonance. On mesure ensuite les énergies rendues par les protons lors de l'arrêt de l'excitation avec une antenne. Un puissant ordinateur interprète les informations reçues et donne une image.

Inconvénients de la résonance

Automobiles

Les automobilistes sont souvent irrités par les bruits parasites qui apparaissent à une certaine vitesse du véhicule ou de rotation du moteur. Certaines pièces mal amorties du moteur, ou de la carrosserie, entrent en résonance et émettent des vibrations sonores. L'automobile elle-même, avec son système de suspension, constitue un oscillateur heureusement muni d'amortisseurs efficaces qui évitent que le véhicule n'entre en résonance aiguë.

Navires

Les vagues engendrent des mouvements oscillatoires des navires. Sur un navire libre, faute de raideur, les mouvements linéaires selon les trois directions ne peuvent être soumis à la résonance et il en va de même pour le lacet. Restent le roulis et le tangage, ce dernier étant assez amorti pour ne pas être critique. Malheureusement la période propre de roulis tombe en général dans les périodes de vagues, le mouvement étant par ailleurs assez peu amorti. La meilleure solution pour lutter contre ce phénomène consiste à éviter de prendre les vagues par le travers. Il est également possible d'augmenter l'amortissement en ajoutant à la coque des appendices nommés quilles de roulis.

Sur les navires amarrés au large apparaît un autre phénomène, plus subtil, la dérive lente. En général, le système navire-amarrage a une période propre qui s'exprime en minutes. Elle ne peut donc être excitée par les vagues qui contiennent des périodes allant de quelques secondes à quelques dizaines de secondes mais l'excitation provient de termes non-linéaires. Ceux-ci créent de nouvelles fréquences sommes et différences de celles que contiennent les vagues, conformément à la formule de trigonométrie sur le produit de cosinus. Les forces correspondantes sont très petites mais, l'amortissement étant lui même très faible, la résonance induit des mouvements qui peuvent déplacer d'une ou deux dizaines de mètres un navire de quelques centaines de milliers de tonnes.

Ponts

Un pont suspendu, dont le tablier est maintenu par des câbles, peut effectuer des oscillations verticales, transversales ou de torsions. À chacun de ces types d'oscillations, correspond une période propre. En 1850, une troupe traversant au pas cadencé le pont de la Basse-Chaîne, pont suspendu sur la Maine à Angers, provoqua la rupture du pont par résonance et la mort de 226 soldats. Pourtant, le règlement militaire interdisait déjà de marcher au pas sur un pont, ce qui laisse à penser que ce phénomène était connu.

En 1940, de forts vents (de 65 à 80 km/h) provoquèrent la chute du pont de Tacoma Narrows (USA) à la suite de vibrations de flexion transversale puis, après la rupture d'un câble, de vibrations de torsion qui l'achevèrent. Une première explication avait été fournie qui s'appuyait sur l'excitation d'une résonance par le détachement périodique de tourbillons dans une allée de Karman. En fait, la fréquence observée des vibrations était très inférieure à la fréquence de détachement qu'il est possible de calculer. Il semble donc qu'il faille abandonner, dans ce cas, l'explication par une résonance pour la remplacer par celle qui fait appel à la notion d'instabilité aéroélastique. Dans un système linéaire possédant au moins une fréquence propre, comme ceux qui ont été envisagés précédemment, la stabilité est assurée quand le système est dissipatif, ou à la limite conservatif. Ici, le système devient actif, dans un vent que l'on peut supposer constant, à mesure que la tablier se tord, le moment des efforts aéroélastiques peut être approché par sa composante en phase avec le déplacement (pseudo-raideur) et sa composante en quadrature, proportionnelle à la vitesse de vibration. La composante en quadrature, quand elle s'oppose à l'amortissement traduit l'apport d'énergie éolienne à la structure, cause de l'instabilité aéroélastique . Le mode de torsion devient instable, ce qui correspond à des oscillations d'amplitude croissante. La rupture peut alors survenir.

Le pont fut reconstruit en tenant compte de ce problème et est toujours en place.

Voir en anglais http://www.vibrationdata.com/Tacoma.htm.

Ports

Les ports sont le lieu d'ondes stationnaires de périodes bien définies appelées seiches. Dans certains sites, ces ondes peuvent être excitées par les trains de vagues, créant ainsi des oscillations horizontales qui peuvent être dommageables pour les bateaux amarrés.

Un phénomène analogue, à plus grande échelle, s'observe dans les golfes, l'excitation étant fournie par les ondes de marée. Il ne présente pas d'inconvénients particuliers et peut même être utilisé par des usines marémotrices produisant une énergie renouvelable. Le bilan environnemental de ces dernières peut cependant être discuté, compte tenu de l'agression du site par les installations.