多稳态动力系统中随机共振的研究进展

非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点,在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用.多稳态动力系统作为其最重要的研究对象,在随机扰动下具有丰富的动力学行为,如随机分岔、随机共振等,尤其是随机共振,已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中.本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用.首先,通过几类典型的非线性随机动力学系统,介绍了随机共振的经典理论和度量指标;其次,重点阐述了多稳态动力学系统,尤其是三稳态和周期势系统,在各类噪声激励下的随机共振现象,分析了其诱发机理、演化规律和研究方法;最后,介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例,并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.     

实验性神经起步点自发放电的整数倍节律和随机自共振

本文介绍了实验中发现的无外界周期刺激的神经起步点放电节律随[Ca＋＋]。变化产生的整数倍节律，并用描写神经放电的理论模型（Chay模型）进行数值模拟。结果发现：在相应的参数区间，确定性模型为－Hopf分岔，无整数倍节律；在随机模型中，在Hopf分岔点附近，整数倍节律产生，该整数倍节律是通过随机自共振产生的。实验中与模型的整数倍节律处于桢的参数区间，位于周期1和阈下振荡之间：并且有相同的特征；其峰峰间期处于一个基本峰峰新时期的整数倍，峰峰间期出现频率随峰峰新时期增加呈现出指数降低。这提示，实验中的整数倍节律是通过随机自共振产生的。     

双稳系统随机共振数值仿真中信号的过采样

数值仿真方法是非线性双稳系统随机共振研究中经常使用的方法。研究中发现，随机共振数值仿真时需要对信号过采样。但过采样的内在机制是什么，已有研究未能给出解释。通过对双稳系统数值仿真模型的稳定性进行分析，给出了系统的稳定性条件，解释了需要对信号过采样的原因。在此基础，已进行了数值仿真试验，数值仿真结果与理论分析结果相一致，为双稳随机共振系统数值仿真研究时的参数选择提供了依据。     

加性和乘性三值噪声激励下周期势系统的动力学分析

周期势系统是一类在机械工程、物理、化学、神经生物等领域应用十分广泛的系统,其随机动力学特性的研究是非线性科学的一个热点和难点问题.三值噪声是真实噪声的典型模型, 不仅包含二值噪声和高斯白噪声情形,而且能更好地描述自然界中随机环境扰动的多样性,本文研究了由加性和乘性三值噪声驱动的周期势系统中概率密度的演化和随机共振.通过计算系统的平均稳态联合概率密度函数和瞬态联合概率密度函数,发现随着外周期力振幅的增大, 单自由度系统在多个稳态之间跃迁,其平均稳态联合概率密度具有多峰结构. 此外,利用随机能量法揭示了系统的随机共振,发现存在最优的噪声强度和外周期力振幅使得平均输入能量曲线存在一个极大值,即出现随机共振现象. 对于仅考虑加性噪声或乘性噪声激励的情况,平均输入能量曲线随噪声转迁率是否出现共振现象依赖于外周期激励振幅的大小.特别是仅考虑加性噪声的情形, 对于较小的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生抑制共振现象, 而对于较大的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生随机共振现象.      

随机共振系统输出的一种新的反演方法

随机共振是一种在非线性系统中噪声起促进作用的反直观的现象。近年来，这一现象被应用到信号处理领域，以前大部分关于随机共振的工作都集中在考虑受噪声污染的简谐信号或者数字信号，将考虑多频模拟信号，以获得随机共振在信号处理中的更多有价值的信息，还原型随机共振系统的输出一直是一个困难的问题，但是在信号比较简单，例如简谐模拟信号和数字信号的情况下，可以有一些比较简便的方法，对于多频模拟信号，系统输出的还原就会相应地变得比较复杂。在分析非线性系统输出波形畸变原因的基础上，提出了一种新的反演方法，这种方法包含一个简单的反演公式，跃迁区域（信号严重失真段）的线性插值和最小二乘法的多项式曲线拟合。仿真结果表明，在适当选择系统参数的基础上，应用上述的反演方法可以得到比较理想的结果。     

两种不同类型噪声驱动下的非对称双稳系统的随机共振

研究了由色关联的乘性色噪声和加性白噪声联合激励下的非对称双稳系统的随机共振现象,运用两态模型理论和统一色噪声近似理论,在绝热近似条件下得到了信噪比的表达式.信噪比是乘性色噪声强度,加性白噪声强度,噪声耦合强度,乘性噪声自关联时间和噪声互关联时间的非单调函数,所以在该双稳系统中产生了随机共振. 在系统的偏度不是太大的情况下调节加性白噪声强度比调节乘性色噪声强度更容易控制随机共振,并且以信噪比作为噪声之间耦合强度的函数时可以观察到二次随机共振现象.     

随机激励的耗散的Hamilton系统理论的研究进展

近几年中,利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ系统的可积性与共振性概念及Ｐｏｉｓｓｏｎ括号性质等,提出了高斯白噪声激励下多自由度非线性随机系统的精确平稳解的泛函构造与求解方法,并在此基础上提出了等效非线性系统法,提出了拟Ｈａｍｉｌｔｏｎ系统的随机平均法,并在该法基础上研究了拟Ｈａｍｉｌｔｏｎ系统随机稳定性、随机分岔、可靠性及最优非线性随机控制,从而基本上形成了一个非线性随机动力学与控制的Ｈａｍｉｌｔｏｎ理论框架．本文简要介绍了这方面的进展．     

Duffing系统随机共振现象的实验研究

用电子线路模拟的方法对Ｄｕｆｆｉｎｇ系统进行随机共振（ＳＲ）实验研究，证实了Ｄｕｆｆｉｎｇ系统中ＳＲ现象的存在，通过改变系统参数，输入信号和噪声强度等，从不同方面研究了ＳＲ的特性，将绝热近似理论与实验结果进行了比较。     

弹性体非线性振动多重共振的能量法

本论文以非线性振动理论的平均法为基础和力学的能量概念结合起来,找到了求解弹性体系非线性振动多重共振的能量法。应用本方法研究了电机轴系的双重共振等问题,证明了它是一个简易适用的方法。揭示了双重共振的一些新现象,理论得到了实验验证。     

FitzHugh-Nagumo神经元网络的同步振荡与联想记忆

本文研究由FitzHugh—Nagumo神经元所组成的脉动神经元网络的同步与联想记忆恢复。基于神经元微观生理结构，本文给出具有空间随机分布延时的神经元间耦合，而这种随机分布延时描述了脉动信号从突触前神经元到突触后神经元在轴突上传播所需要的时间。记忆由空时发放的神经元集群表达，在噪声涨落的作用下，系统取得了对不完整输入的记忆恢复。     

脑科学中若干非线性动力学问题

对近年发展起来的脑科学中的非线性问题作一介绍.这些问题得到脑科学界的广泛注意.它们是同步, 混沌与混沌周游, 噪声与随机共振.在很多不同背景下的神经生理实验表明脑皮层的振荡活动都存在同步与去同步现象.混沌在人与动物的脑中扮演着重要的角色, 混沌周游与Freeman模型被认为与联想记忆或记忆的动态连接有关.适当噪声强度导致信噪比的极大提高------随机共振是脑神经系统能检测到极其微弱信号的工作机制.噪声也导致同步态并使之稳定.此外,噪声的一些其他作用也在本文中提及.      

有界随机噪声激励下一类非线性系统的共振与饱和现象

研究了二自由度非线性系统在有界随机噪声激励下,系统响应的共振与随机饱和现象。用多尺度法分离了系统的快变项,用线性化方法求出了系统响应幅值的一、二阶矩,并给出了系统优化设计的一些建议。数值模拟表明本文提出的方法是有效的。     

发电机组转子轴系扭振模化系统的三重共振

建立了发电机组转子轴系扭振模化系统的数学模型，此模型具有平方非线性并受简谐激励作用．研究了系统的固有频率存在双重内共振关系ω３≈２ω２，ω２≈２ω１且Ω≈ω２时的三重共振问题．文中应用非线性振动的改进平均法，求得了系统三重共振的一次近似解，对三重共振的定常解进行了理论分析和数值计算，并进行了奇异性分析，文中指出三重共振解具有双饱和特性，对二种主要的理论分析和数值计算结果进行了实验验证，实验结果与理论结果相符．     

随机连续梁弯曲振动系统的频率可靠性分析

根据随机连续梁弯曲振动系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机连续梁弯曲振动系统的可靠性模式和系统的可靠度,提出了避免共振的频率可靠性分析方法,对随机连续系统共振问题的准失效分析方法进行了探索。     

窄带随机噪声作用下单自由度非线性碰撞系统的响应

研究了单自由度非线性单边碰撞系统在窄带随机噪声激励下的次共振响应问题。用Zhuravlev变换将碰撞系统转化为速度连续的非碰撞系统,然后用随机平均法得到了关于慢变量的随机微分方程。在没有随机扰动情形,得到了系统响应幅值满足的代数方程;在有随机扰动的情形下,给出了系统响应稳态矩计算的迭代公式。讨论了系统阻尼项、非线性项、随机扰动项和碰撞恢复系数等参数对于系统响应的影响。理论计算和数值模拟表明,系统响应幅值将在激励频率接近于次共振频率时达到最大。而当激励频率逐渐偏离次共振频率时,系统响应迅速衰减。     

滚动轴承-偏置转子系统动力特性数值分析与实验研究

应用有限元法建立偏置转子的计算模型,采用考虑轴承Hertzian接触力和内间隙等非线性因素的二自由度滚动轴承模型,建立了滚动轴承-偏置转子系统的非线性动力学模型.通过数值仿真和实验研究分析了转子系统的非线性动力特性.实验数据和有限元模型计算结果是一致的,证实了所建立滚动轴承-转子系统非线性模型的合理性.发现由于滚动轴承非线性因素的影响,当转速达到系统共振转速的两倍附近时,激起了系统亚谐共振.     

随机连续杆纵向振动系统的频率可靠性分析

根据随机连续杆纵向振动系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则，定义了随机连续杆纵向振动系统的可靠性模式和系统的可靠度，提出了避免共振的频率可靠性分析方法，对随机连续系统共振问题的准失效分析方法进行了探索。     

周期荷载激励下覆冰输电线的主共振及谐波共振分析

为了研究动态风对覆冰输电线非线性舞动特征的影响,在原有稳定风作用下覆冰输电线舞动控制方程中添加周期激励载荷,并建立了新的受迫-自激振动控制方程,该控制方程也适用于描述相邻档导线对舞动档导线运动特征的影响.运用多尺度法分别对弱激励和强激励下的受迫-自激振动求解,得到主共振和谐波共振的幅频响应函数,分析了受迫-自激系统的主...     

双稳杜芬振子的随机共振及其动力学机制

把矩方法应用于高斯白噪声和弱周期信号驱动的双稳杜芬振子,发现矩方法的收敛快慢与阻尼系数的大小有关,即在固定非线性参数的前提下,阻尼系数越大,收敛速度越快。在阻尼系数较大的情形,对于不同频率的弱周期输入信号,系统输出功率谱增益因子的演化防噪声强度呈单峰或双峰结构,亦即对于不同的激励频率,系统可表现出单峰或者重峰随机共振结构。为了解释这些共振结构,通过考察由波动谱密度定义的非零频率峰对噪声强度依赖性,发现重峰随机共振的发生在于噪声一方面抑制了井内运动,另一方面诱发了势垒上振动。研究结果为已有结论的修正,在统计力学等方面具有显著意义。     

含噪双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振

研究了含噪声的双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振的关系，并根据它们的关系, 从另 一个角度揭示了随机共振发生的机制. 首先在It?方程的基础上，导出了双稳杜芬振子在白噪声和弱周期信号作用下的矩方程，其次以噪声强度 为分岔参数分析了矩方程的分岔特性，再次分析了矩方程的分岔与双稳杜芬振子随机共振 之间的关系，最后根据该对应关系从另一种观点提出了双稳杜芬振子随机共振的机制，该 机制是由于以噪声强度为分岔参数的矩方程发生了分岔，而分岔使得原系统响应均值的能量分布发生了转移，使能 量向频率等于输入信号频率的分量处集中，使得弱信号得到了放大，随机共振发生了.