EXCITATIONS SINUSOÏDALES – COURBES DE REPONSE EN FREQUENCE
L’excitation d’un système masse + ressort + amortisseur peut être représentée par une force exercée sur la masse du système ou par un mouvement imposé à la base de l’ensemble ressort + amortisseur. Pour une même loi de variation de l’excitation au cours du temps, la loi du mouvement de la masse ne dépend pas du type d’excitation ; les amplitudes du mouvement sont différentes en fonction des valeurs de la force exercée et du mouvement imposé, mais les lois du mouvement sont identiques.
Lorsqu’un système est mis en mouvement par une source d’excitation sinusoïdale, le mouvement de la masse est la superposition de deux mouvements : un mouvement sinusoïdal de fréquence égale à la fréquence de l’excitation et un mouvement sinusoïdal de fréquence égale à la fréquence propre du système. Ce dernier résulte de la perturbation apportée au système lorsqu’il est mis en mouvement. Dans le cas où le système est amorti, les effets de cette perturbation s’atténuent au cours du temps. On observe alors, dans un premier temps, un mouvement libre qui se superpose au mouvement forcé. Mais ce mouvement libre diminue en amplitude jusqu’à disparaître. Après un certain temps, il ne reste plus que le mouvement sinusoïdal, d’amplitude constante, entretenu par la source d’excitation.
En régime permanent, le mouvement de la masse d’un système masse + ressort + amortisseur, soumis à une excitation sinusoïdale, est un mouvement sinusoïdal, de fréquence égale à la fréquence d’excitation. Cette propriété conduit à caractériser la relation entre l’excitation et le mouvement par un gain et une phase. Le gain correspond au rapport des amplitudes du mouvement et de l’excitation. La phase correspond au déphasage entre les variations sinusoïdales du mouvement et de l’excitation. Le gain et la phase dépendent de la fréquence d’excitation. Les tracés des variations du gain et de la phase en fonction de la fréquence d’excitation, sont les courbes de réponse en fréquence du système.
La réponse en fréquence d’un système masse + ressort + amortisseur met en évidence une fréquence de résonance pour laquelle la courbe de gain présente un maximum qui peut être extrêmement élevé. Dans le cas d’un système peu amorti, cette fréquence peut être confondue avec la fréquence propre du système masse + ressort. En pratique, il faut éviter d’exciter un système à une fréquence proche de sa fréquence de résonance. Si on ne peut pas l’éviter, il faut s’assurer que le système possède un amortissement suffisant pour limiter l’amplitude du mouvement en dessous d’un seuil de destruction.
Les allures des courbes de réponse en fréquence s’expliquent par les lois de variation de la vitesse et de l’accélération d’un mouvement sinusoïdal, en fonction de sa fréquence. Pour un déplacement sinusoïdal d’amplitude donné, lorsque la fréquence augmente, la vitesse augmente en proportion de la fréquence et l’accélération augmente en proportion du carré de cette fréquence.
En particulier :
- Pour des fréquences d’excitation très inférieures à la fréquence de résonance, les courbes de réponse en fréquence dépendent essentiellement de la force exercée par le ressort, force qui est en phase avec le déplacement et dont l’amplitude est indépendante de la fréquence.
- Pour des fréquences d’excitation très supérieures à la fréquence de résonance, ces courbes dépendent essentiellement de la force d’inertie de la masse, force qui est en opposition de phase par rapport au déplacement et dont l’amplitude augmente en proportion du carré de la fréquence.P
- Pour une fréquence d’excitation égale à la fréquence propre du système masse + ressort, la force exercée par le ressort et la force d’inertie de la masse peuvent créer un mouvement sans qu’il y ait de force d’excitation. C’est alors la force d’amortissement qui contre la force d’excitation.
