1.4

Oscillateurs libres et forcés

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Fiche 1.4 — Oscillateurs libres et forcés

Thème : Ondes et signaux (1) — Semestre : 1 — Chapitre : 1.4

Objectifs

Modéliser les oscillateurs linéaires du second ordre, mécaniques (masse-ressort avec frottement visqueux) et électroniques (LC puis RLC série), établir et résoudre leurs équations canoniques en régime libre et en régime forcé sinusoïdal, caractériser les régimes transitoires selon le facteur de qualité, réaliser des bilans énergétiques de stockage et de dissipation, et mettre en évidence l'analogie formelle entre les deux disciplines.


1. Oscillateur harmonique non amorti

Définition et équation canonique

Un système est un oscillateur harmonique lorsque son évolution est régie par une équation différentielle linéaire du second ordre sans terme d'amortissement ni excitation :

x¨+ω02x=0\ddot x+\omega_0^{\,2}\,x=0

Solution

Solution générale, linéaireisation des conditions initiales x(0)=x0x(0)=x_0, x˙(0)=v0\dot x(0)=v_0 :

x(t)=Acos(ω0t)+Bsin(ω0t)avecA=x0,B=v0ω0x(t)=A\cos(\omega_0 t)+B\sin(\omega_0 t)\quad\text{avec}\quad A=x_0,\quad B=\dfrac{v_0}{\omega_0}

Forme amplitude-phase :

x(t)=Xmcos(ω0t+φ),Xm=x02+v02ω02,tanφ=v0ω0x0x(t)=X_m\cos(\omega_0 t+\varphi),\qquad X_m=\sqrt{x_0^{\,2}+\dfrac{v_0^{\,2}}{\omega_0^{\,2}}},\qquad \tan\varphi=-\dfrac{v_0}{\omega_0 x_0}

Exemples canoniques

Système Équation Pulsation propre
Masse-ressort horizontal (mm, kk) mx¨=kxm\ddot x=-kx ω0=km\omega_0=\sqrt{\dfrac{k}{m}}
Circuit LC série Lq¨+qC=0L\ddot q+\dfrac{q}{C}=0 ω0=1LC\omega_0=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}

Analogie mécanique/électronique : xqx\leftrightarrow q, mLm\leftrightarrow L, k1/Ck\leftrightarrow 1/C, x˙i\dot x\leftrightarrow i.

Bilan énergétique (conservation)

Ordres de grandeur


2. Oscillateur amorti — équation canonique

Modèles

Équation du second ordre à coefficients constants :

x¨+2λx˙+ω02x=0soitx¨+ω0Qx˙+ω02x=0\ddot x+2\lambda\,\dot x+\omega_0^{\,2}\,x=0\qquad\text{soit}\qquad \ddot x+\dfrac{\omega_0}{Q}\dot x+\omega_0^{\,2}\,x=0

Correspondances

Mécanique (m,k,αm,k,\alpha) RLC série (R,L,CR,L,C)
Q=mkαQ=\dfrac{\sqrt{mk}}{\alpha} Q=1RLCQ=\dfrac{1}{R}\sqrt{\dfrac{L}{C}}
ω0=k/m\omega_0=\sqrt{k/m} ω0=1/LC\omega_0=1/\sqrt{LC}

Validité : frottement visqueux (linéaire en x˙\dot x), RLC linéaire (bobine et condensateur idéaux).


3. Régimes libres selon QQ

Polynôme caractéristique

On cherche x(t)=Xertx(t)=X\,e^{rt}, d'où :

r2+ω0Qr+ω02=0,Δ=ω02(1Q24)r^{\,2}+\dfrac{\omega_0}{Q}\,r+\omega_0^{\,2}=0,\qquad \Delta=\omega_0^{\,2}\left(\dfrac{1}{Q^{\,2}}-4\right)

Régime Condition Racines Allure
Apériodique Q<12Q<\dfrac{1}{2} r1,2=λ±λ2ω02r_{1,2}=-\lambda\pm\sqrt{\lambda^{\,2}-\omega_0^{\,2}} réelles négatives retour monotone à l'équilibre sans oscillation
Critique Q=12Q=\dfrac{1}{2} racine double r=ω0r=-\omega_0 retour le plus rapide sans oscillation
Pseudo-périodique Q>12Q>\dfrac{1}{2} r=λ±jωrr=-\lambda\pm j\omega_r complexes oscillations amorties d'enveloppe eλte^{-\lambda t}

Pseudo-pulsation

ωr=ω0114Q2\omega_r=\omega_0\sqrt{1-\dfrac{1}{4Q^{\,2}}}

Pour Q1Q\gg1, ωrω0\omega_r\approx\omega_0.

Régime pseudo-périodique

x(t)=eλt[Xmcos(ωrt+φ)]x(t)=e^{-\lambda t}\big[X_m\cos(\omega_r t+\varphi)\big]

Pseudo-période : Tr=2π/ωrT_r=2\pi/\omega_r. Décrément logarithmique :

δ=lnx(t)x(t+Tr)=λTr=πQ21/4\delta=\ln\dfrac{x(t)}{x(t+T_r)}=\lambda T_r=\dfrac{\pi}{\sqrt{Q^{\,2}-1/4}}

Durée du transitoire

Ordre de grandeur (régime pseudo-périodique) :

τQω0(soit 2Qω0 selon convention)\tau\sim\dfrac{Q}{\omega_0}\quad\text{(soit } \sim\dfrac{2Q}{\omega_0}\text{ selon convention)}

Le régime libre est considéré comme établi (transitoire achevé) au bout de quelques τ\tau.

Réponse à un échelon

Pour une excitation constante (entrée EE) :

x¨+ω0Qx˙+ω02x=ω02E\ddot x+\dfrac{\omega_0}{Q}\dot x+\omega_0^{\,2}\,x=\omega_0^{\,2}\,E


4. Stockage et dissipation d'énergie

Bilan instantané (RLC série, libre)

ddt ⁣(12Li2+q22C)=Ri2\dfrac{d}{dt}\!\left(\dfrac{1}{2}Li^{\,2}+\dfrac{q^{\,2}}{2C}\right)=-Ri^{\,2}

Interprétation du facteur de qualité

Q=2πEstockeˊeEdissipeˊe par peˊriodeQ=2\pi\dfrac{E_{\mathrm{stock\acute{e}e}}}{E_{\mathrm{dissip\acute{e}e\ par\ p\acute{e}riode}}}

Plus QQ est grand, plus la dissipation est faible par rapport à l'énergie stockée : oscillations persistantes.


5. Impédances complexes

Définitions

En régime sinusoïdal forcé de pulsation ω\omega, grandeur g(t)=Gmcos(ωt+φg)g(t)=G_m\cos(\omega t+\varphi_g) associée à la représentation complexe g=Gmejφg\underline{g}=G_m e^{j\varphi_g}.

Z=ui(j2=1)\underline{Z}=\dfrac{\underline{u}}{\underline{i}}\qquad(j^{\,2}=-1)

Dipôle Impédance complexe Z\underline{Z} Module Argument
Résistance RR RR RR 00
Condensateur CC 1jCω\dfrac{1}{jC\omega} 1Cω\dfrac{1}{C\omega} π2-\dfrac{\pi}{2}
Bobine LL jLωjL\omega LωL\omega +π2+\dfrac{\pi}{2}

Association de deux impédances


6. Oscillateur forcé sinusoïdal — résonance

Mise en équation

Excitation sinusoïdale de pulsation ω\omega (RLC série soumis à e(t)=Emcosωte(t)=E_m\cos\omega t, ou masse soumise à F(t)=FmcosωtF(t)=F_m\cos\omega t) :

x¨+ω0Qx˙+ω02x=ω02Emcosωt\ddot x+\dfrac{\omega_0}{Q}\dot x+\omega_0^{\,2}\,x=\omega_0^{\,2}\,E_m\cos\omega t

En régime permanent (après le transitoire), la réponse est sinusoïdale à la même pulsation ω\omega.

Représentation complexe

On pose e=Em\underline{e}=E_m (phase de référence) et x\underline{x} l'amplitude complexe :

H(ω)=xe=ω02ω02ω2+jω0ωQ\underline{H}(\omega)=\dfrac{\underline{x}}{\underline{e}}=\dfrac{\omega_0^{\,2}}{\omega_0^{\,2}-\omega^{\,2}+j\,\dfrac{\omega_0\omega}{Q}}

Résonance en élongation (passe-bas)

Résonance en vitesse (passe-bande)

La grandeur x˙\dot x (ou courant i=q˙i=\dot q en électricité) possède une réponse :

Hv(ω)=x˙e=jωω02ω02ω2+jω0ωQ\underline{H}_v(\omega)=\dfrac{\underline{\dot x}}{\underline{e}}=\dfrac{j\omega\,\omega_0^{\,2}}{\omega_0^{\,2}-\omega^{\,2}+j\,\dfrac{\omega_0\omega}{Q}}

Bande passante à 3 dB-3\ \mathrm{dB}

Pour Q1Q\gg1 (acuité de résonance) :

Δωω0Q\Delta\omega\approx\dfrac{\omega_0}{Q}

Lecture graphique

À partir des courbes expérimentales d'amplitude et de phase :

Capacités expérimentales


7. Savoir-faire exigibles


8. Pièges et points clés