Dispositif anti-vibratoire : le résonateur à amplification inertielle

Le résonateur à amplification inertielle : un système anti-vibratoire passif ultra efficace mais totalement méconnu...
...et qui n'a rien a voir malgré un nom semblable avec les résonateurs masse ressort ou TMD (Tuned Mass Damper), les fameux batteurs de la suspension de la 2CV.

Limitation des vibrations

Dès qu’un système mécanique se met en mouvement, il y a une forte probabilité pour qu’il engendre des vibrations. Suivant le niveau d’excitation ou la réponse vibratoire, elles pourront rester faibles, s’atténuer ou alors être amplifiées si la fréquence d’excitation est proche d’un mode propre.
Il est donc souvent nécessaire d’installer un système anti-vibratoire au plus près de la source d’excitation afin de l’isoler dynamiquement et ainsi réduire la transmission des vibrations.
La solution la plus communément employée est d’introduire une souplesse dans la chaîne de transmission d'effort, généralement sous la forme de plots élastomère mono ou multidirectionnels.

C’est une solution basique, économique et fiable. Le principe de fonctionnement est très simple : on choisit la souplesse de manière à ce que la fréquence de résonance de l’ensemble, ainsi monté sur des plots élastomère, se retrouve bien en deçà de la plage de fréquence de fonctionnement. Les vibrations ne sont pas éliminées mais fortement atténuées, et cette atténuation est d’autant plus importante que la souplesse est importante.

Limites des plots élastomère

Même si ce principe de filtration des vibrations est efficace et a depuis longtemps fait ses preuves dans la plupart des cas, il existe des situations où il n’est pas adapté :

• Les faibles fréquences
  Si on veut filtrer des faibles fréquences (inférieures à 10 Hz) il faudra que le ressort soit très souple. Ce qui implique d’avoir une très grande course statique pour compenser le poids de l’ensemble sous l’effet de la gravité ; et en aéronautique il faudra doubler ou tripler cette course pour tenir compte des facteurs de charge.
  De plus, la moindre perturbation extérieure (force aérodynamique, chocs, etc...) induira des mouvements statiques ou dynamiques importants.
• Les variations de masse
  Si la masse de la structure à filtrer varie, les performances suivront la même tendance : si la masse diminue, l’atténuation sera plus faible et les vibrations augmenteront au risque de croiser la fréquence de résonance.
• Les structures trop souples
  On l’oublie souvent mais en terme de réponse vibratoire chaque élément d’une structure « discute » avec tous les autres. Rajouter de la masse sur un élément ou le rigidifier ne va pas agir localement mais globalement sur une structure avec plus ou moins d’influence.
  Ainsi la solution de mettre un plot élastomère entre une source d'excitation rigide et une structure rigide fonctionne parfaitement. Mais mettre un plot élastomère entre une structure souple et une source d'excitation rigide ne réglera pas le problème et pourra même l’amplifier en risquant de décaler les modes de la structure sur la fréquence d’excitation.
  C’est par exemple le cas de moteurs thermiques montés sur une suspension fixée sur une structure en tôles pliées, insuffisamment rigidifiée et qui se mettra à vibrer à la place du plot avec à terme l’apparition de criques de fatigue.

Souvent la seule solution est de faire un coûteux renforcement structurel, de rajouter de la masse ou dans les cas extrêmes d’utiliser un système actif de contrôle des vibrations.
C’est là qu’intervient une solution connue depuis longtemps chez les hélicoptéristes mais quasiment inconnue dans le monde de l’industrie : le résonateur à amplification inertielle.

Le résonateur à amplification inertielle

Le principe est lui aussi très simple : il suffit de rajouter en parallèle au ressort une masse battante amplifiée au bout d’un bras de levier.

Cette disposition laisse toujours apparaître une résonance classique mais surtout une anti-résonance qui possède des caractéristiques extrêmement intéressantes :

A la fréquence d’anti-résonance, les efforts du ressort et de la masse battante s’annulent en interne dans le résonateur et les vibrations ne sont pas atténuées mais mécaniquement supprimées.
Tout se passe comme si la source d’excitation était libre dans l'espace tout en conservant une grande rigidité statique, le Graal de tout bon spécialiste en vibration !

Au contraire d’une suspension classique, les parties se retrouvent donc dynamiquement totalement découplées, et la transmission des vibrations ne dépend plus ni de la réponse dynamique ni de la masse des éléments auxquelles elle est reliée.
On joue seulement sur la raideur du ressort, sur la masse amplifiée et sur le rapport d’amplification pour caler l'anti-résonance. On peut ainsi filtrer des fréquences très basses avec des suspensions très raides.
La simplicité du système autorise le montage d'une masse amplifiée en parallèle d'un plot élastomère d'une installation existante, avec un minimum de modifications pour contrer les effets d'une structure trop souple.
On comprend donc tout l’intérêt de ce système dans le cas d’un siège d'hélicoptère : il faut une raideur très importante afin de ne pas avoir de grande course d’écrasement sous les facteurs de charge et en même temps être totalement indépendant de la masse, de la réponse dynamique et de la physionomie de chaque passager.

C’est donc une solution passive palliant aux défauts des suspensions classiques et qui permet de gagner énormément de temps en cas d’apparition de vibrations après la fabrication d’une structure en s’épargnant de coûteuses études vibratoires et la fabrication de pièces de renforcement.

Cependant, ce type de solution ne s'improvise pas, et un vrai savoir-faire est nécessaire pour mettre en place cette technologie. Plusieurs sociétés sont spécialisées dans ce domaine, comme par exemple le français Dynalya.

Applications industrielles

Dans le domaine industriel, cette solution peut être utilisée pour isoler des moteurs de machines, de pompe, etc... du moment que la fréquence de rotation reste à peu près constante.
On peut donc agir en préventif en étudiant spécifiquement une solution lors de la conception pour de nombreuses problématiques, comme par exemple :

• Lorsqu'on doit filtrer les vibrations d’une source montée sur une structure trop souple que l’on ne peut pas renforcer pour des raisons de poids
  (exemple : vibrations de transformateur électrique sur le toit d’un wagon)
• Lorsqu’on doit filtrer des vibrations sur des structures dont la masse change souvent
  (exemples : planchers, réservoirs,... )
• Lorsque la température trop importante empêche d’utiliser des plots en élastomère
  (exemple : four)
• Lorsqu’il faut protéger un opérateur de sources de vibrations, quelque soit son gabarit ou sa physionomie
  (exemples : sièges, poignées,...)
• ...et bien d'autres !

Article rédigé par Thomas MANFREDOTTI, Expert en systèmes anti-vibratoires