局部不均匀性对时空系统振荡频率的影响

以复金兹堡一朗道方程为模型,利用数值实验方法观察了时空系统中螺旋波斑图的演化行为,发现在局域非均匀参数条件下,系统的螺旋波可以受到该杂质区域的影响而演化成为稳定的靶波.研究表明,内传的螺旋波转换为稳定靶波的必要条件是非杂质系统和杂质系统的振荡频率相等且小于系统的固有频率,并在参数一频率空间形成一个特殊的V形区域,进一步分析表明,该V形区域具有左右对称、两侧靶波传播方向相反以及随杂质区域参数α_2的增大而向参数β_2减小方向平移等性质.     

单向耦合神经元网络中螺旋波的自发形成机制

构造一个具有单向耦合的二维神经元网络，引入信息传输熵来描述定向信息传输，采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究网络中螺旋波等有序波自发产生的机制.数值模拟表明：适当选取耦合的强度和单向耦合的距离，网络可自发出现螺旋波、行波、靶波和平面波.各种有序波的产生与网络中出现信息间歇定向传输有关，网络出现单或多螺旋波时发生熵共振现象.噪声、抑制性耦合和排斥性耦合诱发螺旋波时网络中也存在信息间歇定向传输.首次发现自维持长平面波，其存在是由于网络存在持续的强信息定向传输.     

梯度耦合下神经元网络中靶波和螺旋波的诱发研究

神经系统内数量众多的神经元电活动的群体行为呈现一定的节律性和自组织性. 当网络局部区域存在异质性或者受到持续周期性刺激, 则在网络内诱发靶波, 且这些靶波如'节拍器'可调制介质中行波的诱发和传播. 基于Hindmarsh-Rose 神经元模型构造了最近邻连接下的二维神经元网络, 研究在非均匀耦合下神经元网络内有序波的诱发问题. 在研究中, 选定网络中心区域的耦合强度最大, 从中心向边界的神经元之间的耦合强度则按照阶梯式下降. 研究结果表明, 在恰当的耦合梯度下, 神经元网络内诱发的靶波或螺旋波可以占据整个网络, 并有效调制神经元网络的群体电活动, 使得整个网络呈现有序性. 特别地, 当初始值为随机值时, 梯度耦合也可以诱发稳定的有序态. 这种梯度耦合对网络群体行为调制的研究结果有助于理解神经元网络的自组织行为.     

Unpinning the spiral waves by using parameter waves

The spiral waves anchored to heterogeneous areas are more difficult to control and eliminate than freely rotating ones in homogenous mediums. To eliminate pinned spiral waves, the resistant force should be provided to resist the pinning force. Other than advection field, we introduce parametric wave to play the role of providing resistant force. It is found that the parametric wave with large enough amplitude and proper frequency can unpin and eliminate the spiral wave successfully. The capability of parametric wave in providing resistant force is dependent on its amplitude and frequency sensitively. On the basis of parametric wave, the dependence of pinning force on the size and level of heterogeneity is further confirmed.     

Heterogeneity selected target waves and their competition: Outgoing or ingoing?

Traveling direction (outgoing or ingoing) of target waves sustained by a localized inhomogeneity and their competition rules in the complex Ginzburg-Landau equation (CGLE) are studied. We show that even a local positive (negative) frequency shift is capable of creating ingoing (outgoing) target waves. A novel transition between ingoing and outgoing target waves, as we find, can be switched by the size of the inhomogeneity. The competition rules for wave patterns (e.g., target waves) are also studied systematically. All the numerical findings are found to be in perfect agreement with the theoretical criteria that are derived based on the fundamental conceptions (e.g., group velocity, phase velocity).     

随时间变化的非平整壁面对液膜表面波演化特性的影响

本文对非平整壁面上的液膜表面波演化过程进行了研究. 针对非平整壁面随时间变化的特性, 采用小参数摄动法对控制方程和边界条件进行求解, 推导出波动壁面上液膜表面波的扰动方程, 采用导数展开法对其进行求解, 并选取简谐波形状的壁面进行数值研究. 对波动壁面下不同参数的影响规律研究可得, 当壁面频率较小时, 静态波与行进波的波长比较相近, 促进表面波之间的合并, 且壁面频率、壁面振幅及Re数的增加, 均会使表面波的振幅明显增大; 对比波动壁面与非平整壁面可得, 在相同位置处, 随着时间的演化, 非平整壁面上表面波呈周期变化, 而波动壁面上表面波呈波长更大的近周期变化; 壁面振幅和壁面频率的降低, 均会使两种壁面结构下的表面波振幅减小, 但所形成的表面波形有所不同, 即波动壁面引起的表面波可看作波动壁面结构与非平整壁面引起的表面波叠加而成.     

局域反馈抑制心脏中的螺旋波和时空混沌

采用LuoRud91模型研究了螺旋波和时空混沌的抑制,提出用局域反馈控制方法抑制螺旋波和时空混沌,采用静止和运动控制器两种控制策略.结果表明:适当选择控制参数,静止控制器的局域反馈方法能很好抑制螺旋波,但不能有效抑制时空混沌;采用运动控制器的局域反馈方法能有效抑制螺旋波和时空混沌,抑制速度与控制器移动的速度有关,在选择适当的控制参数下,螺旋波和时空混沌能在很短的时间内被抑制.     

Cherenkov radiation waves in inhomogeneous dusty plasma

A kinetic theory is employed to study Cherenkov wave in an inhomogeneous dusty plasma. Two different frequency regimes are considered incorporating the plasma species temperatures. The dispersion relation for one-dimensional Cherenkov wave is derived and analyzed. The plasma species temperatures, their cyclotron frequencies, and the plasma density inhomogeneity effect the growth/damping of Cherenkov waves. It is shown that the plasma inhomogeneity contributes to damping of Cherenkov waves.     

在兴奋-抑制混沌神经元网络中有序波的自发形成

大脑皮层在一定条件下可以自发出现螺旋波和平面波,为了了解这些有序波的产生机制,构造了一个双层的二维神经元网络.该网络由最近邻兴奋性耦合和长程抑制性耦合层组成,采用修改后的Hindmarsh-Rose神经元模型研究了该混沌神经元网络从具有随机相位分布的初态演化是否能自发出现各种有序波.数值模拟结果表明:当抑制性耦合强度比较小时,系统一般不会自发出现有序波;在兴奋性耦合强度足够大的情况下,抑制性耦合强度越大,系统越容易产生有序波.系统出现不同的有序波与系统初态和耦合强度有密切关系,适当选择兴奋性和抑制性耦合的耦合强度,系统会自发出现迷宫斑图、平面波、单螺旋波、多螺旋波、旋转方向相反的螺旋波对、双臂螺旋波、靶波、向内方形波等有序波斑图.螺旋波、迷宫斑图和内向方形波出现概率分别达到27.5%, 21.5%和10.0%,这里的迷宫斑图是由不同传播方向的许多平面波组成,其他有序波出现概率比较小.研究结果有助于理解发生在大脑皮层中的自组织现象.     

柱面非线性麦克斯韦方程组的行波解

柱面电磁波在各种非均匀非线性介质中的传播问题具有非常重要的研究价值.对描述该问题的柱面非线性麦克斯韦方程组进行精确求解,则是最近几年新兴的研究热点.但由于非线性偏微分方程组的极端复杂性,针对任意初边值条件的精确求解在客观上具有极高的难度,已有工作仅解决了柱面电磁波在指数非线性因子的非色散介质中的传播情况.因此,针对更为确定的物理场景,寻求能够精确描述其中更为广泛的物理性质的解,是一种更为有效的处理方法.本文讨论了具有任意非线性因子与幂律非均匀因子的非色散介质中柱面麦克斯韦方程组的行波精确解,理论分析表明这种情况下柱面电磁波的电场分量E已不存在通常形如E=g(r-kt)的平面行波解;继而通过适当的变量替换与求解相应的非线性常微分方程,给出电场分量E=g(lnr-kt)形式的广义行波解,并以例子展示所得到的解中蕴含的类似于自陡效应的物理现象.     

壁面结构对非定常薄膜流动表面波特性的影响

采用VOF方法,在入口处引入周期扰动,对沿矩形结构底板下落的二维非定常薄膜流动进行直接数值模拟.计算结果表明,不同频率的外加周期扰动在流场中激发出不同波长的自由表面波.当壁面结构的波长与之相比较小时,由于壁面结构引起的静态波骑行在外加扰动形成的行进波上.若这两个波长相近,非线性效应将促进附近的表面波之间的合并.当薄膜无...     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

时空调制对可激发介质螺旋波波头动力学行为影响及控制研究

本文首先研究了时空调制对可激发介质中周期螺旋波波头动力学行为的影响. 随着时空调制的增大, 螺旋波经历了周期螺旋波、外滚螺旋波、旅行螺旋波和内滚螺旋波的显著变化. 通过定义序参量来定量的描述由时空调制引起的螺旋波在不同态之间非平衡跃迁的临界条件, 及漫游螺旋波波头圆滚圆半径随调制参数的变化情况. 当时空调制增大到某个临界值时, 螺旋波发生了破碎; 再增加时空调制, 螺旋波则发生了衰减, 系统最终演化为空间均匀静息态. 在文中给出了螺旋波发生破碎和衰减的机理和原因. 最后将时空调制方法运用于漫游螺旋波, 实现了将漫游螺旋波控制成周期螺旋波, 或将其控制为空间均匀静息态.     

传导延迟对螺旋波动力学行为的影响

采用Greenberg-Hastings离散激发介质模型研究传导延迟对螺旋波动力学行为的影响.模拟结果表明:某些情况下,延迟对螺旋波动力学行为无影响;在适当参数下,可观察到螺旋波波长和波速的改变、呼吸螺旋波、多臂螺旋波以及螺旋波和反螺旋波共存现象,对产生这些现象的物理机制作了简要的解释.     

Localization of nonlinear waves in elastic bodies with inclusions

By the example of the problem of the motion of a semi-infinite string lying on an elastic base, a method for describing wave localization near inclusions is proposed for the case of a cubic nonlinearity of the base. The method applies the perturbation technique to the amplitude of a localized mode. The nature of the divergences is revealed, and the secular terms are found to belong to one of two types: inphase or antiphase with the localized wave. It is shown that a combination of the renormalization method and multiscale method provides a convergence of the solutions, which are sought for in the form of power series in the amplitude of the localized mode. It is found that the localization process is determined by the type of the discrete spectrum, type of the nonlinearity, and type of dispersion. The nonlinearity of the elastic base produces two characteristic effects. First, the frequency of the localized wave becomes dependent on the wave amplitude. Second, the system can generate traveling waves at multiple frequencies, which withdraw energy from the localized wave and cause it to decay. The decay behavior is determined by the minimum frequency of these traveling waves (because it must be higher than the cutoff frequency). The lifetime of the localized wave as a function of the mass of a dynamic inclusion exhibits a number of maxima. In particular, the first maximum corresponds to the minimum amplitude of the traveling wave at the triple frequency.     

低频Alfvén波多波相干加热粒子模拟

采用粒子模拟方法,考察多支沿背景磁场方向传播的低频Alfvén波对磁化等离子体的加热过程,研究不同频率的多支低频Alfvén波相干加热.结果表明可以通过调整波的频率比实现对非共振加热过程和随机加热过程这两个阶段的强化.符合相干共振条件的多波加热会强化低频Alfvén波对粒子拾取,进而强化非共振加热,明显提高加热效率.在多波加热的过程中,如果多支波之间的频率差足够小,则多波在调制过程中会形成波包.波包的出现标志着粒子各向异性的强化,从而提升随机加热效率.     

Reflectionless propagation of acoustic waves through the Earth’s atmosphere

The vertical propagation of acoustic waves in the inhomogeneous compressible atmosphere has been studied in the framework of the linear theory of ideal hydrodynamics. It has been shown that the initial equations under certain conditions can be reduced to the Klein-Gordon equation with constant coefficients. Its solutions describe traveling waves with a variable amplitude and wavenumber that are not reflected in the atmosphere despite its strong inhomogeneity. The wave energy flux at such reflectionless profiles holds, providing the possibility of the energy transfer to high altitudes. It has been shown that the Standard Earth Atmosphere is approximated well by four reflectionless profiles with small jumps in the gradient of the speed of sound. It is found that the Earth’s atmosphere is almost transparent in a wide frequency range; this feature explains the observation data and conclusions made on the basis of numerical solutions in the framework of the initial equations.     

Influence of Control Parameters on the Competition Between Spiral Waves and Target Waves

In this paper we systematically investigate the influence of control parameters on the competition results between spiral waves and target waves. Driving frequency f, amplitude A and injection area n of the input signals are three important parameters and the competition results between spiral waves and target waves are influenced by these three parameters remarkably. Based on these understandings we can control spiral waves effectively by suitable combination these parameters to generate faster target waves. And the effective controllable parameter regions are also studied.     

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.     

关于两个驻波叠加结果的讨论

本文对在一条波线上的两个驻波的叠加结果进行了简明扼要的分析，对进一步理解行波和驻波之间的相互关系有积极的意义。