Résonance - Définition et Explications

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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 (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de cette fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) propre, c'est ce qu'on appelle la résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...). Sommairement on peut dire que le système réagit d'autant plus facilement qu'on lui fournit de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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 (Une résonance orbitale, en astronomie, a lieu lorsque deux objets orbitant autour d'un troisième...) (certaines des lunes jupitériennes), la résonance de la membrane basilaire dans le phénomène d'audition (L'audition est le fruit d'un mécanisme complexe assuré principalement par les deux...), 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 (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). On rencontre de tels systèmes, entre autres, en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) avec le simple pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine...) ou le système masse-ressort, en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) avec le circuit RLC (Un circuit RLC en électrocinétique est un circuit linéaire contenant une résistance...). 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 (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) 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 (En physique, le pendule simple est une masse ponctuelle fixée à l'extrémité...). 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) sur une corde vibrante. La plus basse fréquence est alors appelée fréquence fondamentale (En acoustique, la fréquence fondamentale ou son fondamental est l'harmonique de premier rang d'un...) tandis que les harmoniques ont des fréquences multiples de celle-ci.

Animation : 3 premiers modes de vibration d'une corde
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 (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de liberté, on constate que le rapport de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) X de la réponse à l'amplitude F de l'excitation dépend de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) M (ou inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) ou, en électricité, auto-inductance), de la raideur K (ou inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de la capacité) et de l'amortissement B (ou résistance) :

{X\over F} = {1 \over {\sqrt{(K - M \omega^2)^2 + B^2 \omega^2}}}

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 (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) 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 (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) 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 (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le...) en évitant de laisser s'échapper (en partie) les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) imbrûlés, et en augmentant la compression dans le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...). Pour plus de détails, se référer à l'article: Cycle à deux temps (Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du plus courant cycle de...)

Les instruments de musique

Voir l'article plus complet : instrument de musique.

Les récepteurs radio

Chaque station émet une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) électromagnétique avec une fréquence bien déterminée. Le circuit RLC (résistance, inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un...), capacité) est mis en vibration forcée par l'intermédiaire de l'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de...) 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 (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de...) variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) (opération effectuée en agissant sur le bouton de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) des stations).

L'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) par résonance magnétique

En 1946, les deux américains Félix Bloch et Edwards Mills Purcell découvrent le phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...) également appelée RMN (ce qui leur valut un prix Nobel de Physique). En plaçant un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) ou un tissu organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) quelconque dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), on peut connaître grâce à un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) 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 (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction...). Cette découverte entraînera plus tard la RMN vers des applications dans la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...). Deux ans plus tard, Paul Lauterbur traduit le signal en images à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...). 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 (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...). L’IRM subira encore quelques évolutions : le britannique Peter Mansfiels applique la RMN des objets à structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) complexe et développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) 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 (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) est composé d'une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) (donc de protons). Placé dans un intense champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...) 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 (On distingue :) du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) ou de rotation du moteur. Certaines pièces mal amorties du moteur, ou de la carrosserie (La carrosserie est l'enveloppe rigide d'une machine, destinée à protéger les organes situé à...), entrent en résonance et émettent des vibrations sonores. L'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) elle-même, avec son système de suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...), constitue un oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou...) 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 (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu...) 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 (La Lente est une rivière de la Toscane.). En général, le système navire-amarrage a une période propre qui s'exprime en minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). 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 (La trigonométrie (du grec τρίγωνος /...) sur le produit de cosinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour...). Les forces correspondantes sont très petites mais, l'amortissement étant lui même très faible, la résonance induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) 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 (Un pont suspendu désigne un ouvrage métallique dont le tablier est attaché par...), 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 (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) de la Basse-Chaîne, pont suspendu sur la Maine à Angers, provoqua la rupture du pont par résonance et la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) 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 (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés...) 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 (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) avec le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) (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 (L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au...) 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 (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), s'observe dans les golfes, l'excitation étant fournie par les ondes de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux...). Il ne présente pas d'inconvénients particuliers et peut même être utilisé par des usines marémotrices produisant une énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...). Le bilan environnemental de ces dernières peut cependant être discuté, compte tenu de l'agression du site par les installations.

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