具有质量及频率涨落的欠阻尼线性谐振子的随机共振

以往的研究大多考虑线性谐振子模型受频率涨落噪声的影响, 而当布朗粒子处于具有吸附能力的复杂环境时, 粒子质量也存在随机涨落. 因此, 本文研究具有质量及频率涨落两项噪声的二阶欠阻尼线性谐振子模型的随机共振现象. 利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换, 推导了系统响应一阶稳态矩及稳态响应振幅的解析表达式. 并根据稳态响应振幅的解析表达式, 建立了稳态响应振幅关于质量涨落噪声及频率涨落噪声各自的噪声强度能够诱导随机共振现象产生的充分必要条件. 仿真实验表明, 当系统参数满足本文所给出的充分必要条件要求时, 系统稳态响应振幅关于噪声强度的变化曲线具有明显的共振峰, 即此选定参数组合能够诱导系统产生随机共振现象.     

具有涨落质量的线性谐振子的共振行为

Brown运动中,环境分子的吸附能力使Brown粒子的质量存在涨落. 本文将这一质量涨落建模为对称双态噪声, 以考察其对系统共振行为的影响. 首先,利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并根据相应数值结果, 研究系统的共振行为; 然后, 通过仿真实验对理论与实际的符合情况进行对比分析, 验证理论结果的可靠性及其对实际应用的指导意义. 理论结果和仿真实验均表明: 1) 系统稳态响应为频率与外部驱动相同的简谐振动; 2) 稳态响应振幅随外部驱动频率、振子质量、噪声强度及相关率的变化分别相应出现真实共振、参数诱导共振、随机共振现象; 3) 质量涨落噪声导致系统共振形式出现多样化现象, 包括单峰共振、单峰单谷共振、双峰共振等. 关键词： 质量涨落噪声 随机共振 双峰共振     

耦合分数阶布朗马达在非对称势中的输运

讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶Frenkel-Kontorova模型 记忆性介质 随机共振 定向输运反向流     

三态噪声激励下分数阶耦合系统的随机共振现象

为了刻画在黏弹性介质中具有质量涨落的耦合粒子的运动行为,本文提出了相应模型,即三态噪声激励下的分数阶耦合系统.利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换,发现了粒子间的统计同步性,并得到了系统输出幅值增益的解析表达.在此基础上,针对模型涉及的关键要素,即耦合系统、分数阶系统和三态噪声,着重分析了耦合系数、系统阶数和噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的广义随机共振现象的影响,并给出了合理解释.具体地说,1)随着耦合系数的增大,共振现象将先增强后减弱,直至收敛.该现象表明适当的耦合作用能够促进系统共振现象的产生,体现了研究耦合系统的重要性.2)随着系统阶数的增大,共振现象将逐渐减弱.当系统阶数取值为1,即系统退化为整数阶系统时,其输出幅值增益的峰值最小,该现象说明分数阶系统能比传统整数阶系统得到更大的输出幅值增益.3)噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的影响会随着与之相关的其他参数的变化而变化.在一定参数条件下,三态噪声不仅能够使系统输出幅值获得比双态噪声激励时更大的增益,还能改变系统的共振类型.最后,通过数值仿真验证了上述结果的正确性.     

分数阶对数耦合系统在非周期外力作用下的定向输运现象

本文讨论了分数阶对数耦合系统在非周期外力作用情况下, 耦合粒子链的定向输运现象. 由于粒子在黏性介质中的运动具有“记忆性”, 所以本文通过将系统建模为分数阶对数耦合模型来研究各个系统参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真表明: 1)对于此类系统, 只有在存在外力作用的情况下粒子链才能够产生定向输运现象, 并且粒子链平均流速随着外力的增大而增大. 2)对于分数阶阶数较小的系统, 阻尼记忆性对粒子链的运动状态有显著的影响, 具体表现为: 粒子链的平均流速存在上界(这个上界非常小), 无论外力、耦合力以及噪声强度如何变化, 粒子链的平均流速都不会超过这个上界. 当系统的阻尼力很大且外力为零时, 粒子链不会产生定向输运现象. 3) 当系统的阶数与外力较大时, 虽然粒子链能够产生定向流, 但是此时系统对耦合力与噪声具有免疫性. 4) 耦合力与噪声强度对粒子链运动的影响只在外力较小的情况下有所表现. 在这种情况下, 当系统阶数充分大时, 粒子链的平均流速随着耦合力与噪声强度的变化而变化, 并且伴随着定向流的产生.     

分数阶Brown马达及其定向输运现象

选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,采用闪烁棘轮势,建立了过阻尼分数阶Brown马达模型.结合分数阶微积分的记忆性,分析了粒子在过阻尼分数阶Brown马达作用下的运动特性.研究发现,较之整数阶情形,过阻尼分数阶Brown马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流.此外,还讨论了阶数和噪声强度对系统输运速度的影响,发现当阶数固定时,其平均输运速度会随噪声变化出现随机共振;当噪声强度固定时,其输运速度会随阶数变化而振荡,即出现多峰的广义随机共振现象.     

具有固有频率涨落的记忆阻尼线性系统的随机共振

研究了在内噪声、外噪声(固有频率涨落噪声)及周期激励信号共同作用下具有指数型记忆阻尼的广义Langevin方程的共振行为.首先将其转化为等价的三维马尔可夫线性系统,再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换导出系统响应一阶矩和稳态响应振幅的解析表达式.研究发现,当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时,稳态响应振幅随周期激励信号频率、记忆阻尼及外噪声参数的变化存在"真正"随机共振、传统随机共振和广义随机共振,且随机共振随着系统记忆时间的增加而减弱.数值模拟计算结果表明系统响应功率谱与理论结果相符.     

线性过阻尼分数阶Langevin方程的共振行为

通过将广义Langevin方程中的系统内噪声建模为分数阶高斯噪声,推导出分数阶Langevin方程, 其分数阶导数项阶数由系统内噪声的Hurst指数所确定.讨论了处于强噪声环境下的线性过阻尼分数阶 Langevin方程在周期信号激励下的共振行为,利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换, 推导了系统响应的一、二阶稳态矩和稳态响应振幅、方差的解析表达式.分析表明,适当参数下, 系统稳态响应振幅和方差随噪声的某些特征参数、周期激励信号的频率及系统部分参数的变化出现了 广义的随机共振现象.     

分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运现象

引入分数阶微积分理论,建立耦合分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 发现在具有记忆性的分数阶棘齿系统中, 系统阶数与粒子间耦合强度不仅可影响粒子链输运速度, 还可使粒子链出现与整数阶方向相反的定向流; 在阶数固定下, 定向输运速度将随参数(噪声强度、耦合强度、棘齿势峰值高度)变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶布朗马达 闪烁棘齿势 合作定向输运 广义随机共振     

色噪声参激和周期调制噪声外激联合驱动的分数阶线性振子的共振行为

研究了色噪声参激和周期调制噪声外激联合驱动的分数阶线性振子及其共振行为, 利用Laplace变换和Shapiro-Loginov公式, 推导出了系统响应的一阶矩及稳态响应振幅的解析表达式. 讨论了系统阶数、摩擦系数、周期驱动力频率、色噪声强度和相关率等参数对系统稳态响应的影响, 发现系统稳态响应振幅具有非单调变化的特点, 即出现了广义随机共振现象. 并且在适当参数下, 稳态响应振幅还存在具有双峰的广义随机共振现象.     

具有非线性阻尼涨落的线性谐振子的随机共振

较之于线性噪声, 非线性噪声更广泛地存在于实际系统中, 但其研究远不能满足实际情况的需要. 针对作为非线性阻尼涨落噪声基本构成成分的二次阻尼涨落噪声, 本文考虑了周期信号与之共同作用下的线性谐振子, 关注这类具有基本意义的阻尼涨落噪声的非线性对系统共振行为的影响. 利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换推导了系统稳态响应振幅的解析表达式, 并分析了稳态响应振幅的共振行为, 且以数值仿真验证了理论分析的有效性. 研究发现: 系统稳态响应振幅关于非线性阻尼涨落噪声系数具有非单调依赖关系, 特别是非线性阻尼涨落噪声比线性阻尼涨落噪声更有助于增强系统对外部周期信号的响应程度; 而且, 非线性阻尼涨落噪声比线性阻尼涨落噪声使得稳态响应振幅关于噪声强度具有更为丰富的共振行为; 同时, 二次阻尼涨落噪声使得稳态响应振幅关于系统频率出现真正的共振现象; 而在这些现象和性质中, 非线性噪声项的非线性性质对共振行为起着关键的作用. 显然, 以二次阻尼涨落作为基本形式引入的非线性阻尼涨落噪声, 可以有助于提高微弱周期信号检测的灵敏度和实现对周期信号的频率估计.     

带反馈的分数阶耦合布朗马达的定向输运

研究具有幂律记忆性的带反馈耦合布朗马达的定向输运现象, 引入分数阶理论, 建立了带反馈的分数阶耦合布朗马达模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 仿真结果表明, 系统的记忆性通过影响带反馈的棘齿势的打开和闭合而影响粒子的定向输运, 即当系统的阶数在较小的范围内, 系统的记忆性会使带反馈的棘齿势的开关频率增加, 从而增大定向流速; 当系统其他参数(势垒高度、噪声强度等)固定时, 输运速度随着阶数的变化出现广义随机共振现象.     

Mean-square displacement of a stochastic oscillator: Linear vs quadratic noise

Using the Langevin equations, we calculated the stationary second-order moment (mean-square displacement) of a stochastic harmonic oscillator subject to an additive random force (Brownian motion in a parabolic potential) and to different types of multiplicative noise (random frequency or random damping or random mass). The latter case describes Brownian motion with adhesion, where the particles of the surrounding medium may adhere to the oscillator for some random time after the collision. Since the mass of the Brownian particle is positive, one has to use quadratic (positive) noise. For all types of multiplicative noise considered, replacing linear noise by quadratic noise leads to an increase in stability.     

Oscillator with random trichotomous mass

In addition to the case usually considered of a stochastic harmonic oscillator subject to an external random force (Brownian motion in a parabolic potential) or to a random frequency and random damping, we consider an oscillator with random mass subject to an external periodic force, where the molecules of a surrounding medium, which collide with a Brownian particle are able to adhere to the oscillator for a random time, changing thereby the oscillator mass. The fluctuations of mass are modelled as trichotomous noise. Using the Shapiro–Loginov procedure for splitting the correlators, we found the first two moments. It turns out that the second moment is a non-monotonic function of the characteristics of noise and periodic signal, and for some values of these parameters, the oscillator becomes unstable.     

New Type of Brownian Motion

We consider an oscillator with a random mass for which the particles of the surrounding medium adhere to the oscillator for some random time after the collision (Brownian motion with adhesion for a harmonically bound particle). This is another form of a stochastic oscillator, different from oscillator usually studied that is subject to a random force or having random frequency or random damping. Calculation of the first two stationary moments shows that for white multiplicative noise of week strength the second moment coincides with that of usual Brownian motion, but for symmetric dichotomous noise, the second moment may appear the same type of the “energetic” instability, which exists for white noise random frequency or damping coefficient.     

周期外力对频率涨落的过阻尼谐振子所作的功和能量随机共振

研究了周期外力对频率涨落的过阻尼谐振子系统作功的特点. 结果揭示了瞬时功率随时间的周期变化出现不对称性. 研究结果还揭示周期外力一个周期对系统所做的功随乘法噪声强度的变化出现非单调行为, 系统是否出现能量随机共振与抑制并存, 由乘法噪声与加法噪声之间互关联的符号决定. 关键词： 过阻尼谐振子 频率涨落 周期外力作功 能量随机共振与抑制     

分数阶双头分子马达的欠扩散输运现象

研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象,选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型,讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明,分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时,输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地,研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性,定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制. 关键词： 分数阶双头分子马达 欠扩散 定向输运 广义随机共振