1L’oscillateur harmonique
Définition. Un système à un degré de liberté est un oscillateur harmonique lorsque vérifie
où est la pulsation propre (en ). Les solutions sont
avec l’amplitude, la phase à l’origine, la période propre et la fréquence propre. Les deux constantes sont fixées par les deux conditions initiales et :
Notation. On note et . La pulsation propre ne dépend que du système, jamais des conditions initiales : c’est l’isochronisme des oscillations.
Figure 1 — Circuit LC : ,
Figure 2 — Masse-ressort : ,
Loi des mailles : avec et , donc :
et donnent , et .
Remarque. La deuxième loi de Newton (chapitre 9) appliquée à la masse soumise au rappel donne . Dans ce chapitre, toute équation mécanique du mouvement est admise ou fournie : seul son traitement est exigible ici.
Propriété — énergie. Pour le circuit LC, est constante : en multipliant par on obtient . L’énergie oscille entre les deux formes à la pulsation , chacune de moyenne . Idem en mécanique avec .
2Oscillateur amorti : forme canonique, et
Théorème — forme canonique. Tout oscillateur linéaire amorti à un degré de liberté s’écrit
où , sans dimension, est le facteur de qualité et le terme d’excitation. Le second membre en régime permanent constant donne .
Figure 3 — Circuit RLC série
Figure 4 — Oscillateur mécanique amorti par frottement visqueux
Méthode — obtenir la forme canonique. (i) loi des mailles (ou équation du mouvement fournie) ; (ii) tout exprimer avec une inconnue ; (iii) diviser par le coefficient de ; (iv) identifier au coefficient de et à celui de . Toujours vérifier l’homogénéité : , sans dimension.
avec donne , soit
Avec , : , donc pour et pour .
Propriété — analogie électromécanique. L’équation donne et . Les deux oscillateurs sont formellement identiques :
| Électrique | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mécanique |
Toute formule établie sur l’un se transpose : , , (puissance dissipée).
3Régime libre : les trois régimes
Méthode — racines du polynôme caractéristique. L’équation homogène a pour équation caractéristique , de discriminant
Le signe de , donc la nature du régime, ne dépend que de comparé à .
| apériodique | : racines réelles négatives , ; retour sans oscillation, d’autant plus lent que est petit. | |
|---|---|---|
| critique | : racine double , ; retour sans oscillation, le plus rapide possible. | |
| pseudo-périodique | : racines , ; oscillations amorties. |
Définition. Dans le régime pseudo-périodique, la pseudo-pulsation et la pseudo-période valent
toujours : l’amortissement ralentit les oscillations. L’écart relatif vaut au premier ordre : pour , et diffèrent de moins de .
Propriété — durée du régime transitoire. L’enveloppe décroît en avec , d’où : le système effectue environ pseudo-périodes par constante de temps, soit de l’ordre de oscillations visibles. Un grand signifie un faible amortissement. Pour , c’est la racine la plus petite en valeur absolue, , qui impose la durée : .
Définition. Le décrément logarithmique compare deux élongations séparées d’une pseudo-période :
C’est la façon la plus sûre de mesurer sur un enregistrement : on l’obtient par .
Définition. Le portrait de phase est la courbe paramétrée (souvent en ordonnée, pour que les deux axes aient la même unité). Il ne fait pas apparaître le temps mais rend la nature du régime immédiate : ellipse fermée (harmonique, énergie constante), spirale convergente (pseudo-périodique), arc unique sans tour complet (critique et apériodique). Les trajectoires convergent vers le point attracteur et ne se croisent jamais.
Figure 5 — Régime libre, ,
Figure 6 — Portraits de phase : (spirale), (pointillés)
Propriété — bilan énergétique. En multipliant par :
La puissance fournie se répartit entre variation de l’énergie stockée et dissipation Joule, toujours positive. En régime libre : l’énergie décroît, ce qui interdit toute oscillation entretenue. Pour elle décroît en avec , et (énergie stockée)/(énergie dissipée par pseudo-période).
4Régime sinusoïdal forcé : notation complexe et impédances
Définition. Le régime sinusoïdal forcé (RSF) est le régime permanent atteint par un circuit linéaire stable excité par une source sinusoïdale, une fois le transitoire éteint (au bout de ). Toutes les grandeurs y sont sinusoïdales de même pulsation que l’excitation : seules l’amplitude et la phase changent.
Notation. À on associe l’amplitude complexe , de sorte que , avec . Alors
Dériver, c’est multiplier par : l’équation différentielle devient une équation algébrique.
Définition. L’impédance complexe d’un dipôle linéaire passif en RSF est (convention récepteur), en ; son inverse est l’admittance . On établit, à partir des relations constitutives :
est le rapport des amplitudes, l’avance de phase de sur : pour , pour (la tension est en avance), pour (en retard).
Propriété — associations. Les lois de Kirchhoff, les ponts diviseurs et les modèles de Thévenin s’appliquent aux amplitudes complexes, avec les impédances à la place des résistances :
Remarque — domaine de validité. Les impédances n’ont de sens qu’en RSF établi : elles ne décrivent ni le régime transitoire, ni une excitation non sinusoïdale (il faut alors la décomposer en série de Fourier, chapitre 6). Et l’on n’additionne jamais des amplitudes réelles : on additionne les complexes.
Méthode — résoudre un problème de RSF. (i) remplacer chaque dipôle par son impédance ; (ii) traiter le circuit comme un circuit résistif en complexes (diviseur de tension, loi des mailles) ; (iii) prendre le module pour l’amplitude, l’argument pour la phase, puis revenir au réel. Pour un quotient, calculer séparément et : ne jamais développer le module d’une somme.
5Résonances du RLC série
Propriété — intensité. Avec , , donc en posant :
Il y a toujours résonance en intensité, quelle que soit la valeur de , et elle a lieu exactement en : le circuit est alors purement résistif (), et se compensent, est en phase avec et .
Définition. La bande passante (à ) est l’ensemble des pulsations telles que , c’est-à-dire telles que la puissance moyenne dissipée soit au moins la moitié du maximum. Elle est encadrée par les pulsations de coupure , et
Ce résultat est exact. Plus est grand, plus la résonance est aiguë (sélective) : mesure l’acuité de la résonance. C’est la deuxième méthode de mesure de , après le décrément logarithmique.
Propriété — charge ou tension du condensateur. , donc
Il y a résonance si et seulement si , et alors, en annulant la dérivée du dénominateur :
Pour , et : c’est le phénomène de surtension, qui peut détruire un composant (, ). Enfin en basse fréquence et en haute fréquence.
Figure 7 — Résonance en intensité : toujours en
Figure 8 — Résonance en charge : seulement si
Remarque. Par l’analogie, la résonance en vitesse d’un oscillateur mécanique a toujours lieu en (comme l’intensité) et la résonance en élongation seulement si , en (comme la charge). Les trois pulsations se rangent dans l’ordre .
6Puissance en régime sinusoïdal forcé
Définition. La valeur efficace d’une grandeur sinusoïdale d’amplitude est : c’est la valeur constante qui dissiperait la même puissance dans une résistance.
Théorème — puissance moyenne. Pour et , où est l’avance de phase de sur , la puissance instantanée a pour moyenne sur une période où est le facteur de puissance. Démonstration : , et la moyenne du terme en est nulle.
Propriété — conséquences. : seules les résistances consomment, la puissance moyenne reçue par et étant nulle (elles stockent puis restituent). Pour le RLC série,
La bande passante est donc exactement l’intervalle où (d’où le nom de pulsations de demi-puissance). Un faible signifie un courant élevé pour une puissance utile donnée, donc des pertes en ligne : on le relève en plaçant un condensateur en parallèle sur une installation inductive.
7Capacité numérique : résoudre numériquement l’équation du second ordre
Méthode — système du premier ordre. On ne discrétise jamais directement : on pose et on écrit le système
auquel on applique le schéma d’Euler explicite, composante par composante. Le tracé de en fonction de donne le portrait de phase.
import numpy as np
w0, Q = 1.0e4, 10.0 # pulsation propre (rad/s) et facteur de qualite
h = 2 * np.pi / w0 / 500 # pas : 500 points par periode propre
t = np.arange(0.0, 20e-3, h)
x = np.zeros(len(t)); v = np.zeros(len(t))
x[0], v[0] = 1.0, 0.0 # conditions initiales : x(0) = 1, xpoint(0) = 0
def f(u): # excitation : 0.0 en regime libre
return 0.0
for k in range(len(t) - 1):
x[k + 1] = x[k] + h * v[k]
v[k + 1] = v[k] + h * (f(t[k]) - w0 / Q * v[k] - w0**2 * x[k])
Remarque. Le pas doit être petit devant la plus petite échelle de temps, ici : prendre . Avec un pas trop grand, le schéma d’Euler explicite augmente artificiellement l’énergie et la spirale s’ouvre au lieu de converger.
8Démonstrations exigibles et savoir-faire
- Équations du LC et du RLC série, forme canonique, identification de et , contrôle d’homogénéité.
- Régime libre : équation caractéristique, signe de selon , les trois formes de solution, constantes par et ; pseudo-pulsation et décrément .
- Énergie : conservation pour le LC, pour le RLC.
- Impédances de , , à partir des relations constitutives en représentation complexe.
- Résonance en intensité en et bande passante (résolution de ) ; condition et pour la charge (minimisation de ).
- Puissance moyenne et nullité de la puissance moyenne reçue par et .
- Établir l’équation d’un oscillateur, la mettre sous forme canonique, en tirer et , prévoir la nature du régime et la durée du transitoire (, soit de l’ordre de oscillations visibles).
- Résoudre un régime libre ou une réponse à un échelon par les racines du polynôme caractéristique, avec deux conditions initiales ( et continues).
- Mesurer et sur un relevé temporel (pseudo-période, décrément logarithmique) ou sur des courbes de résonance (position du maximum, bande passante, courbe de phase).
- Remplacer une association série ou parallèle de deux impédances par une impédance équivalente et utiliser un diviseur de tension en complexes ; établir l’amplitude et la phase d’une grandeur en RSF, discuter l’existence d’une résonance, calculer un facteur de surtension.
- Calculer une valeur efficace, une puissance moyenne, un facteur de puissance ; relier bande passante et demi-puissance.
- Transposer un résultat électrique en résultat mécanique par l’analogie, et réciproquement ; écrire le schéma d’Euler d’un système du second ordre et tracer un portrait de phase.
- Forme canonique : . RLC série : , . Mécanique : , .
- Régimes : apériodique ; critique () ; pseudo-périodique, .
- Amortissement : enveloppe en , , . Énergies : , , , ; dissipation ou .
- Impédances : , , ; série : somme des ; parallèle : somme des .
- Résonances : intensité toujours en , , ; charge si , en , amplitude .
- Puissance : , , en .
- Repères : , , , , . Diapason , quartz , pendule de TP à .
- Placer au mauvais endroit dans la forme canonique : le coefficient de est , donc un grand = un faible amortissement.
- Confondre (pulsation propre), (pseudo-pulsation, régime libre) et (pulsation de résonance en charge ou en élongation) : .
- Croire que la résonance en élongation ou en charge a lieu en , ou qu’elle existe toujours : il faut .
- Utiliser une impédance en régime transitoire ou pour une excitation non sinusoïdale ; additionner des amplitudes réelles au lieu des complexes ; oublier le de la dérivation ; écrire ; sommer des impédances en parallèle sans passer par les admittances.
- Se tromper de signe sur le déphasage : est l’avance de sur , et vaut pour un condensateur. Oublier une condition initiale : le second ordre exige et , c’est-à-dire la continuité de et celle de .
- Dire qu’un régime pseudo-périodique est périodique : son amplitude décroît. Confondre valeur efficace et amplitude ( pour une sinusoïde seulement), ou écrire sans le facteur de puissance.
- Mesurer sur une résonance tronquée par la saturation du GBF, ou oublier que la résistance interne du GBF et celle de la bobine s’ajoutent à (le mesuré est toujours inférieur au calculé). En simulation, discrétiser directement au lieu de passer par le système , ou prendre comparable à .