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EnglishRÉSUMÉ
L’article aborde l’étude de la propagation des ondes sur des structures unidimensionnelles composées selon le cas d’oscillateurs mécaniques ou électriques distribués périodiquement. Les concepts d’équivalences entre paramètres électriques et mécaniques permettront d’étendre l’analyse à la propagation d’ondes acoustiques dans des milieux continus, tels que des matériaux où les gaz. Pour conclure, on procédera à la construction de l’abaque de Smith et au descriptif de quelques exemples d’utilisation du calcul graphique de l’impédance d’entrée d’une ligne.
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Bernard DÉMOULIN : Professeur émérite - - Université Lille 1, Groupe TELICE de l'IEMN, UMR CNRS 8520
INTRODUCTION
Les rides circulaires de l'impact d'un objet sur la surface parfaitement plane d'une pièce d'eau illustrent l'un des phénomènes de propagation les plus familiers. Cependant, si l'observation des ondes formées en surface paraît d'une grande banalité, leur compréhension physique et leur formulation mathématique n'en demeurent pas moins très sophistiquées.
Afin d'atténuer les difficultés théoriques, l'article consacré à l'analyse des phénomènes de propagation abordera le sujet dans un cadre conceptuel beaucoup plus simple que les ondes citées en exemple. Nous nous adressons par la suite aux ondes transportées suivant une seule dimension de l'espace. Pour cette raison les deux parties composant l'article feront de fréquents appels à la théorie des lignes de transmission exposée dans l'article [D 1 322] de la collection.
Le premier paragraphe entièrement consacré à la propagation d'ondes sur des structures périodiques aborde la question du mouvement de chaînes de résonateurs mécaniques ou de résonateurs électriques soumises à une excitation sinusoïdale entretenue. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, la formulation des ondes propagées sur une structure périodique, donc discontinue, est fondée sur les concepts d'onde progressive et d'onde rétrograde issus de l'équation d'onde des milieux continus. Dans le cas particulier des structures périodiques, il sera toutefois montré l'existence d'une pulsation de coupure et d'un diagramme de dispersion de l'onde spécifiques à ces milieux. Les développements exposés dans ce premier paragraphe feront aussi largement appels aux critères d'équivalence consistant à faire correspondre à certains paramètres mécaniques des paramètres électriques ou vice versa. L'approche sera d'un grand intérêt dans le second paragraphe consacré à la propagation d'ondes dans des milieux matériels tels que des matériaux ou des fluides.
Le second paragraphe sera ainsi consacré à trois problèmes académiques consistant à former un lien entre la théorie des lignes et les structures périodiques analysées précédemment. Il sera montré qu'une chaîne de résonateurs électriques évolue sous certaines conditions de manière similaire à une ligne. Par l'artifice des équivalences, nous procéderons à l'analyse succincte de la propagation d'ondes acoustiques dans la matière condensée et dans les fluides. Deux paramètres particulièrement bien étudiés dans cette partie concerneront le calcul de la vitesse de propagation des ondes ainsi que l'extension des concepts d'impédances aux ondes transmises dans les milieux matériels.
Pour conclure l'article, la question du calcul de l'impédance d'entrée d'une ligne ou d'une structure quelconque continue terminée par une impédance sera expliquée et résolue graphiquement par l'usage de l'abaque de Smith.
Il est important de préciser que les analyses et développements font abstraction des phénomènes de dissipation d'énergie engendrés dans le support.
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3. Conclusion
La démarche scientifique adoptée dans l'article concernait essentiellement la propagation unidimensionnelle et l'usage de résultats fréquemment empruntés à la théorie des lignes de transmission. On peut s'interroger s'il existe d'autres configurations matérielles plus complexes où l'on peut poursuivre le parallélisme du raisonnement avec la théorie des lignes.
N'oublions pas qu'une des restrictions majeures de cette théorie vient de l'approximation de la propagation d'ondes tranverses électromagnétiques (TEM) dont le contexte physique était discuté en conclusion du premier paragraphe de [D 1 322]. Il était notamment rappelé que la théorie des lignes ne peut être justifiée que sur des structures filiformes excluant la propagation d'ondes selon les dimensions transversales. Un rapide examen du contenu de notre article montre que c'était effectivement le cas ici. En effet, sur les chaînes périodiques de résonateurs mécaniques ou de résonateurs électriques, la question de la dimension transversale était dénuée de sens physique. Pour la propagation des ondes acoustiques dans l'éprouvette de matériau et dans la conduite de gaz telle qu'exposée en sections 2.1.2 et 2.1.3, il était admis l'existence de forces et de pressions réparties uniformément sur la section transversale de ces structures physiques. En conséquence, l'analogie avec les conditions de propagation des courants et tensions sur une ligne de transmission était parfaitement validée.
Imaginons maintenant qu'une source ponctuelle émette des signaux acoustiques à l'intérieur d'un tunnel. S'il est admis que la longueur d'onde des signaux est comparable, voire inférieure aux dimensions transversales du tunnel, il ne fait aucun doute qu'à la propagation d'ondes longitudinales s'ajoutera la propagation d'ondes transversales. Sous ces conditions la théorie des lignes telle que transposée dans l'article n'est certainement plus acceptable, cette restriction ne signifie pas pour autant que l'analogie avec une ligne doit être absolument rejetée. Pour s'en convaincre, considérons les conditions autorisant la propagation d'ondes électromagnétiques dans...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRILLOUIN (L.), PARODI (M.) - Propagation des ondes dans les milieux périodiques. - Éditions Masson (1956).
-
(2) - BRUHAT (G.) - Cours de physique générale, Thermodynamique. - 6e édition revue et augmentée par Alfred Kastler, éditions Masson (1968).
-
(3) - GABILLARD (R.) - Vibrations et phénomènes de propagation. - Éditions Dunod (1970).
-
(4) - WEHR (M.R.), RICHARDS (J.A.), ADAIR (D.W.III.) - Physik of the atom. - Fourth edition, Publisher Addison Wesley, Menlo park (CA) (1984).
-
(5) - DÉMOULIN (B.) - Enseignement élémentaire sur la propagation des ondes, Tome I. - Cours polycopié de licence, Édition de 2003, Université Lille 1 disponible sur le site iemn-telice, rubrique publications en ligne (2003).
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