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.     

过阻尼分数阶Langevin方程及其随机共振

通过对广义Langevin方程阻尼核函数的适当选取,在过阻尼的情形下, 推导出分数阶Langevin方程.给合反常扩散理论和分数阶导数的记忆性, 讨论了分数阶Langevin方程的物理意义,进而得出分数阶Langevin方程产生随机共振的内在机理.数值模拟表明,在一定的阶数范围内,分数阶Langevin方程可以产生随机共振, 并且分数阶下的信噪比增益好于整数阶情形.     

带有分数阶阻尼的压电能量采集系统相干共振

研究了含分数阶阻尼的双稳态能量采集系统的相干共振. 建立了带有分数阶阻尼的轴向受压梁压电能量采集系统动力学模型. 对于分数阶方程, 采用Euler-Maruyama-Leipnik方法进行求解, 计算了不同阻尼阶数下的能量采集系统的信噪比、响应均值、跃迁数目等统计物理量. 结果表明: 此压电能量采集系统在随机激励下可以实现相干共振, 阻尼阶数对相干共振的临界噪声强度和相干共振幅值有很大影响. 关键词： 分数阶阻尼 随机激励 能量采集系统 相干共振     

幂函数型单势阱随机振动系统的广义随机共振

将线性随机振动系统中通常的简谐势阱推广为更一般的幂函数型势阱,得到幂函数型单势阱非线性随机振动系统.利用随机情形下的二阶Runge-Kutta算法研究了噪声强度、势阱参数和周期激励参数对系统稳态响应的一阶矩振幅和系统响应的稳态方差的影响.对决定势阱形状的势阱参数之一b历经b2,b2以及相当于简谐势阱的b=2等全部情况的研究表明:随噪声强度D的变化,系统稳态响应的一阶矩振幅可以在b2时出现非单调变化,即发生广义随机共振现象,而对通常的b=2简谐势阱以及b2的情况,则无该现象发生;随势阱参数的变化,系统稳态响应的一阶矩振幅以及系统响应的稳态方差也可以发生非单调变化.     

双频信号驱动含分数阶内、外阻尼Dufng振子的振动共振

本文利用解析和数值的方法研究了由双频周期信号驱动含分数阶内、外阻尼的Dufng振子的振动共振现象,并讨论了分数阶阶数对上述现象的影响.研究发现:双频周期信号同时驱动的分数阶Dufng振子响应幅值增益Q可随着高频周期激励幅值的改变达到最大值,即出现了和整数阶非线性动力系统相似的振动共振现象,而相应的分数阶导数项则分别为系统提供了内、外两种阻尼力从而导致了系统有效势函数的改变,进而引发了比整数阶动力系统更为丰富的振动共振现象.     

双频信号驱动含分数阶内、外阻尼Duffing振子的振动共振

本文利用解析和数值的方法研究了由双频周期信号驱动含分数阶内、外阻尼的Duffing振子的振动共振现象,并讨论了分数阶阶数对上述现象的影响. 研究发现：双频周期信号同时驱动的分数阶Duffing振子响应幅值增益Q可随着高频周期激励幅值的改变达到最大值,即出现了和整数阶非线性动力系统相似的振动共振现象,而相应的分数阶导数项则分别为系统提供了内、外两种阻尼力从而导致了系统有效势函数的改变,进而引发了比整数阶动力系统更为丰富的振动共振现象. 关键词： 振动共振 Duffing振子 分数阶阻尼 分数阶系统     

基于混沌和随机共振的微弱信号检测

推导了分数阶线性振子系统响应的一阶稳态矩的频率不变性和相移特性, 并通过理论分析得出, 在随机共振机制下, 分数阶线性振子对系统响应一阶稳态矩的幅值具有放大作用. 构造Duffing混沌振子检测器, 利用混沌系统对参数摄动的敏感性以及对噪声的免疫能力实现弱信号检测. 数值模拟证实, 该方法可以有效地从噪声背景中将微弱正弦信号检测出来, 并且相对传统的混沌检测方法能显著降低信噪比检测门限.     

乘性二次噪声驱动的线性过阻尼振子的随机共振

针对乘性二次噪声和加性周期调制噪声联合驱动的线性过阻尼振子, 利用随机平均法推导了系统响应的一阶、 二阶稳态矩以及稳态响应振幅和方差的解析表达式. 理论分析和仿真实验均表明这类系统具有比传统的由线性噪声驱动的线性系统更丰富的动力学特性; 当二次噪声的系数满足一定条件时, 系统稳态响应的振幅及方差均存在广义随机共振现象.     

不同周期信号激励下分数阶线性系统的响应特性分析

研究了含分数阶导数阻尼的一类线性系统在不同周期信号激励下系统的响应问题.首先在简谐信号的激励下,利用谐波平衡法得到了系统响应的近似解,这一结果和已有文献(申永军,杨绍普,邢海军2012物理学报61 110505)的结果完全相同,但本文的求解过程大为简化,而且本文进一步扩展了分数阶导数阻尼微分阶数的取值范围.接着,利用傅里叶级数展开法和线性系统的叠加原理,求得了一般周期信号激励下系统响应的近似解,并以周期方波信号和周期全波正弦信号为例进行了说明.本文的结果表明,分数阶导数阻尼的微分阶数影响系统响应中各阶谐波的共振频率和共振振幅.系统响应的幅值与分数阶导数阻尼的微分阶数之间的单调关系主要受外激信号频率的影响.除解析分析外,本文还用数值模拟对相关结论进行了验证,两种结果符合良好,表明本文的分析方法是可行的.     

Stochastic Resonance in a Linear Fractional Langevin Equation

The fractional Langevin equation is derived from the generalized Langevin equation driven by the additive fractional Gaussian noise. We investigate the stochastic resonance (SR) phenomenon in the underdamped linear fractional Langevin equation under the external periodic force and multiplicative symmetric dichotomous noise. Applying the Shapiro-Loginov formula and the Laplace transform technique, we obtain the exact expressions of the amplitude and signal-to-noise ratio (SNR) of the system. By studying the impacts of the driving frequency and the noise parameters, we find the non-monotonic behaviors of the output amplitude and SNR. The results indicate that the bona fide SR, conventional SR and the wide sense of SR phenomena occur in the proposed linear fractional system.     

线性调频信号激励过阻尼双稳系统的随机共振现象研究

线性调频信号是工程中常见的一种信号, 由于其为非周期信号, 无法以频域信噪比作为衡量其是否产生随机共振的测量手段, 故鲜有文献研究以线性调频信号为激励信号的随机共振现象. 本文利用线性调频信号在最优分数阶Fourier变换域上的能量聚集性, 首次提出以最优分数阶Fourier变换域上定义的信噪比作为测量手段, 研究了线性调频信号叠加高斯白噪声激励过阻尼双稳系统的随机共振现象, 且发现了以线性调频信号为激励信号时产生的新现象, 即随着信号频率的增大, 随机共振将逐渐减弱, 并给出了合理的解释.仿真的结果与理论分析一致, 验证了本文所提出方法的有效性. 关键词： 线性调频信号 分数阶Fourier变换 随机共振     

涨落作用下周期驱动的分数阶过阻尼棘轮模型的混沌输运现象

考虑涨落作用下周期驱动的过阻尼分数阶棘轮模型, 通过模型的数值求解, 研究确定性棘轮的混沌特性与噪声的作用对输运行为的影响, 进而讨论过阻尼分数阶分子马达反向输运的机理. 分析表明: 随着势垒高度、 势不对称性与模型记忆性的变化, 随机棘轮的反向输运并不必然地要求确定性棘轮也反向输运; 随着模型阶数的减小, 亦即分数阻尼介质记忆性的增强, 确定性棘轮在反向输运之前会经历一个周期倍化导致的混沌状态, 但在噪声作用下, 反向流的发生会提前, 即混沌状态的确定性棘轮在噪声的作用下即可进行反向输运. 也就是说, 噪声能定性地改变棘轮的输运状态: 从无噪声时的混沌运动到有噪声时的定向输运. 这是过阻尼随机棘轮反向输运的一种机理, 也是噪声在定向输运过程中发挥积极作用的一个体现.     

Parameter-induced stochastic resonance in an over-damped linear system

Stochastic resonance (SR) in an over-damped linear system subjected to an excitation of bias signal modulated noise with multiplicative and additive noises is investigated. We obtain the exact expressions of the first two moments and the signal-to-noise ratio (SNR) of the output by using linear-response theory. The SNR depends non-monotonically on the intensity and the correlation time of multiplicative noise, the correlation time of additive noise, the intensity of the cross noise between multiplicative and additive noise, as well as the external field frequency. The conventional SR, the SR in a broad sense and the bona fide SR are found in the system. The influences of the asymmetries of multiplicative and additive noise, the correlation rate of the cross noise, the intensity of additive noise, the amplitude of signal and the bias on the SNR are analyzed. Moreover, we pointed out that SR can be realized by tuning the system parameter with fixed noise, i.e., parameter-induced stochastic resonance (PSR) exists.     

Fractional Stochastic Differential Equations Satisfying Fluctuation-Dissipation Theorem

We propose in this work a fractional stochastic differential equation (FSDE) model consistent with the over-damped limit of the generalized Langevin equation model. As a result of the ‘fluctuation-dissipation theorem’, the differential equations driven by fractional Brownian noise to model memory effects should be paired with Caputo derivatives, and this FSDE model should be understood in an integral form. We establish the existence of strong solutions for such equations and discuss the ergodicity and convergence to Gibbs measure. In the linear forcing regime, we show rigorously the algebraic convergence to Gibbs measure when the ‘fluctuation-dissipation theorem’ is satisfied, and this verifies that satisfying ‘fluctuation-dissipation theorem’ indeed leads to the correct physical behavior. We further discuss possible approaches to analyze the ergodicity and convergence to Gibbs measure in the nonlinear forcing regime, while leave the rigorous analysis for future works. The FSDE model proposed is suitable for systems in contact with heat bath with power-law kernel and subdiffusion behaviors.     

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     

噪声交叉关联强度的时间周期调制对线性过阻尼系统的随机共振的影响

针对由加性、乘性噪声和周期信号共同作用的线性过阻尼系统, 在噪声交叉关联强度受到时间周期调制的情况下,利用随机平均法推导了系统响应的信噪比的解析表达式. 研究发现这类系统比噪声间互不相关或噪声交叉关联强度为常数的线性系统具有更丰富的动力学特性, 系统响应的信噪比随交叉关联调制频率的变化出现周期振荡型随机共振, 噪声的交叉关联参数导致随机共振现象的多样化.噪声交叉关联强度的时间周期调制的引入有利于提高对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. 关键词： 随机共振 周期振荡型共振 噪声交叉关联强度 信噪比     

Brownian dynamics simulation of polydisperse hard spheres

Standard algorithms used for the numerical integration of the Langevin equation require that interactions should slowly vary during the integration time-step. This in not the case for hard-body systems, where there is no clear-cut between the correlation time of the noise and the time-scale of the interactions. Starting with a short time approximation of the Smoluchowski equation, we introduce an algorithm for the simulation of the over-damped Brownian dynamics of polydisperse hard-spheres in absence of hydrodynamic interactions and briefly discuss the extension to the case of external drifts.