线性时滞反馈引起的周期性振动共振分析

研究了高频信号和微弱低频信号同时激励下线性时滞反馈对过阻尼双稳系统和Duffing振子系统中振动共振现象的影响. 解析分析和数值结果都表明, 系统对低频信号的响应幅值增益随时滞参数的变化同时呈现两种不同的周期性关系, 其周期分别为输入的高频信号和低频信号的周期. 数值结果还表明, 对不存在经典振动共振现象的单稳Duffing系统, 通过调节时滞参数也可以引发振动共振现象. 使用时滞反馈不仅可以有效地控制振动共振, 还可以进一步增强系统对微弱低频信号的响应. 关键词： 双稳系统 Duffing 系统 线性时滞反馈 振动共振     

具有时滞反馈的非对称双稳系统中的振动共振研究

研究了具有时滞反馈的非对称双稳系统中的振动共振现象. 在绝热近似条件下, 应用快慢变量分离法得到系统响应振幅的解析表达式Q, 分析了时滞参数α和不对称参数r对振动共振现象的影响. 结果表明: 在Q-α平台上, α可以诱导响应幅值的极大值以输入高频信号和低频信号的周期出现. 不对称参数并不影响共振发生的位置, 但是能够增强响应幅值. 在Q-B (B为高频信号振幅)平台上, 共振发生的位置B_VR随着α呈现两种不同的周期关系, 且周期分别为输入高频信号和低频信号的周期. 在Q-Ω (Ω高频信号频率)平台上, 随着时滞参数的增大, 当B较小时, 在Ω的小值区间内, Q呈现出多重共振现象, 在Ω的大值区间, Q趋于定值.     

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.     

小世界神经元网络随机共振现象:混合突触和部分时滞的影响

实际神经元网络中,信息传递时电突触和化学突触同时存在,并且有些神经元间的时滞很小可以忽略.本文构建了带有不同类型突触耦合的小世界网络,研究部分时滞、混合突触及噪声对随机共振的影响.结果表明:兴奋性和抑制性突触的比例影响共振的产生;在抑制性突触为主的网络里,几乎不产生随机共振.系统最佳噪声强度和化学突触比例大致呈线性递增关系;特别是在以化学耦合为主的混合突触网络里,仅当兴奋性突触与抑制性突触比例约为4:1时,噪声才可诱导网络产生共振行为.在此比例下,引入部分时滞发现时滞可诱导网络产生随机多共振,且随网络中时滞边比例的增加,系统响应强度达到最优水平的时滞取值区间逐渐变窄;同时发现,网络中含有的化学突触越多,部分时滞诱导产生的多共振行为越强.此外,当时滞为系统固有周期的整数倍时,时滞越大共振所对应的噪声区域越广;并且网络中时滞边越多,越容易促使噪声和时滞诱导其产生明显的共振行为.     

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     

部分时滞诱发Watts-Strogatz小世界神经元网络产生随机多共振

已有研究显示时滞可诱发神经元网络产生随机多共振,但它们主要讨论了神经元间的耦合都存在时滞的情形.然而实际中,有些神经元间的信息传递是瞬时的或时滞很小可以忽略的,即神经元网络中只有部分神经元间的耦合具有时滞,简称部分时滞(若神经元网络内共有l条耦合边,其中有l1条耦合边是具有时滞的,而剩余的耦合边的时滞为零,则我们称这类时滞为部分时滞).本文以Watts-Strogatz小世界神经元网络为研究对象,主要讨论部分时滞对该神经元网络系统响应强度的影响.研究结果指出,系统响应强度随部分时滞的增加呈现多峰的变化态势,即部分时滞可诱发随机多共振现象;而且使系统响应强度达到最优水平的部分时滞的取值区间随随机时滞边概率的增加渐渐变窄,当随机时滞边概率足够大时,系统响应强度只有在时滞位于外界信号周期的整数倍附近才会达到最优.此外,我们还分析了随机连边概率和神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振现象的影响.结果显示,部分时滞诱发的随机多共振现象对随机连边概率具有一定的鲁棒性,而神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振的影响则较大.     

基于振动共振的随机共振控制

分析了非线性双稳系统在高、低两种不同频率信号作用下的动力学特性，给出了高频信号参数与双稳系统输出信号的信噪比和功率谱放大率关系的解析表达式，提出了基于振动共振的随机共振控制方法.理论分析和数值仿真结果表明，通过调节高频信号的幅值或频率大小，能有效地控制双稳系统输出信号的信噪比和功率谱放大率.     

二维映射神经元模型中频率依赖的随机共振

通过数值模拟方法, 研究了在具有稳定次阈值振荡特性的二维映射神经元体系中, 噪声对体系非线性动力学的调控作用. 通过计算发现了噪声诱导的动作电位和随机共振现象. 另外,还研究了体系的控制参数及输入信号的频率对体系动力学的影响, 发现了该体系中频率依赖的随机共振现象. 关键词： 二维映射神经元模型 次阈值振荡 高斯白噪声 随机共振     

α稳定噪声下一类周期势系统的振动共振

将多个低频微弱信号、高频信号和加性α稳定噪声共同激励的一类周期势系统作为研究模型,以平均信噪比增益(MSNRI)为性能指标,对α稳定噪声环境下周期势系统中的振动共振现象进行了研究,分别探究了α稳定噪声的特征参数α、对称参数β、加性噪声强度放大系数D、高频信号幅值B以及频率?对振动共振输出效应的影响.研究结果表明:1)在不同分布的α稳定噪声环境下,固定频率?(或幅值B),当幅值B(或频率?)逐渐增大时,MSNRI-B(或MSNRI-?)曲线出现多个峰值,即存在多个B区间(或?区间)可诱导振动共振,并且这些区间不会随噪声分布参数α或β的变化而变化;2)当加性噪声强度放大系数D发生变化时,幅值B和频率?的共振区间没有随着D的变化而变化,表明只有高频信号能量向待测低频信号转移,噪声能量并没有向待测低频信号转移.另外当幅值B、频率?固定时,随着D的逐渐增大,依然可以实现微弱信号的检测,表明振动共振可以克服工业现场噪声强度不可调控的缺点.本文研究结果提供了一种新的微弱信号检测方法,在信号处理领域有着潜在的应用价值.     

双稳系统的频率耦合与随机共振机理

分析了处于双势阱中的粒子在单一频率信号和双频信号作用下的运动形式,给出在双频信号作用下双稳系统的响应幅值与激励幅值的近似解析关系,揭示了非线性系统所特有的不同频率之间的频率耦合现象和激励输入的频率能量向另一频率转移的渗透现象.从动力学机理和频谱分布的角度进行分析,深化了对双稳系统随机共振机理的认识.数值仿真结果证明了理论分析的有效性.     

Vibrational resonance in excitable neuronal systems

In this paper, we investigate the effect of a high-frequency driving on the dynamical response of excitable neuronal systems to a subthreshold low-frequency signal by numerical simulation. We demonstrate the occurrence of vibrational resonance in spatially extended neuronal networks. Different network topologies from single small-world networks to modular networks of small-world subnetworks are considered. It is shown that an optimal amplitude of high-frequency driving enhances the response of neuron populations to a low-frequency signal. This effect of vibrational resonance of neuronal systems depends extensively on the network structure and parameters, such as the coupling strength between neurons, network size, and rewiring probability of single small-world networks, as well as the number of links between different subnetworks and the number of subnetworks in the modular networks. All these parameters play a key role in determining the ability of the network to enhance the outreach of the localized subthreshold low-frequency signal. Considering that two-frequency signals are ubiquity in brain dynamics, we expect the presented results could have important implications for the weak signal detection and information propagation across neuronal systems.     

一类五次方振子系统的叉形分叉及振动共振研究

研究了一类具有分数阶导数阻尼的五次方振子系统中的叉形分叉及振动共振现象. 基于快慢变量分离法, 消去系统中的高频激励成分, 得到关于慢变量的等效系统, 根据等效系统中稳态平衡点的变化情况研究了系统的叉形分叉现象. 结果表明: 高频信号幅值的递增变化会引起亚临界叉形分叉, 高频信号频率和分数阶导数阻尼阶数的递增变化都会引起超临界叉形分叉; 振动共振和叉形分叉是关联的, 当叉形分叉发生时, 振动共振曲线会出现两个峰值, 否则只会出现一个峰值. 通过解析结果和数值模拟结果的对比, 验证了解析分析的正确性. 关键词： 亚临界叉形分叉 超临界叉形分叉 分数阶导数阻尼 振动共振     

Stochastic resonance in hybrid scale-free neuronal networks

We study the phenomenon of stochastic resonance in a system of coupled neurons that are globally excited by a weak periodic input signal. We make the realistic assumption that the chemical and electrical synapses interact in the same neuronal network, hence constituting a hybrid network. By considering a hybrid coupling scheme embedded in the scale-free topology, we show that the electrical synapses are more efficient than chemical synapses in promoting the best correlation between the weak input signal and the response of the system. We also demonstrate that the average degree of neurons within the hybrid scale-free network significantly influences the optimal amount of noise for the occurrence of stochastic resonance, indicating that there also exists an optimal topology for the amplification of the response to the weak input signal. Lastly, we verify that the presented results are robust to variations of the system size.     

Controlling vibrational resonance in a multistable system by time delay

The phenomenon of vibrational resonance in a delayed multistable system that is excited by biharmonic signals is investigated in the present paper. Different from the former theory, the appearance and the disappearance of the vibrational resonance are controlled by adjusting the time delay parameter instead of modulating the amplitude of the high-frequency signal. The motion of the orbit within or between the different potential wells can also be controlled. Furthermore, based on both the methods of numerical simulation and analytical analysis, the behavior of delay-induced multiple vibrational resonance and its mechanism are investigated and discussed. The multiple vibrational resonance, which is quantified by the response amplitude at the low-frequency, is found to be periodic in the delay parameter with two periods, i.e., the periods of the two driven signals. The method used in this paper gives a new way for controlling vibrational resonance in a multistable system.     

分数阶双稳系统中的非周期振动共振

在受二进制非周期信号和周期方波信号激励的分数阶双稳系统中,研究了非周期振动共振问题,用于微弱非周期信号的检测和增强.当非周期信号脉宽较大时,系统为小参数,通过调节周期方波信号的幅值,能够实现非周期振动共振.当非周期信号脉宽较小时,分别通过变尺度法和二次采样法实现了非周期振动共振.使用变尺度法,得到的大参数等价系统能够匹配任意小的非周期信号脉宽,其中变尺度系数是该方法在使用过程中需要选择的关键参数.使用二次采样法,二次采样后得到的非周期信号具有较大的脉宽,能够匹配原先的小参数系统,其中二次采样频率比是该方法使用过程中的关键参数.这两种方法虽然实现非周期振动共振的物理过程不同,但能够达到相同的效果.系统阶数对振动共振产生影响,随着阶数的增大,发生最佳振动共振时所需要的辅助信号幅值变大,同时系统输出的最佳时间序列与输入非周期信号之间的相似性增强.     

Novel vibrational resonance in multistable systems

We investigate the role of multistable states on the occurrence of vibrational resonance in a periodic potential system driven by both a low-frequency and a high-frequency periodic force in both underdamped and overdamped limits. In both cases, when the amplitude of the high-frequency force is varied, the response amplitude at the low-frequency exhibits a series of resonance peaks and approaches a limiting value. Using a theoretical approach, we analyse the mechanism of multiresonance in terms of the resonant frequency and the stability of the equilibrium points of the equation of motion of the slow variable. In the overdamped system, the response amplitude is always higher than in the absence of the high-frequency force. However, in the underdamped system, this happens only if the low-frequency is less than 1. In the underdamped system, the response amplitude is maximum when the equilibrium point around which slow oscillations take place is maximally stable and minimum at the transcritical bifurcation. And in the overdamped system, it is maximum at the transcritical bifurcation and minimum when the associated equilibrium point is maximally stable. When the periodicity of the potential is truncated, the system displays only a few resonance peaks.