双稳随机共振的信号恢复研究

针对双稳随机共振输出波形失真的问题,从还原粒子运动轨迹的角度提出了波形恢复公式.通过将其应用于双稳系统对无噪阈上信号的响应输出,揭示了由粒子跃迁经过系统拐点引起的轨迹突变,及其在恢复波形的表现形式.鉴于阈下随机共振系统中噪声的随机影响,引入级联双稳系统对残余噪声进行二次调节,同时采用参数调节的恢复系统对波形进行恢复.数值仿真表明,该法直接应用于系统输出,适合处理有限长的时间数据,可以有效地估计噪声背景下微弱信号的时域波形.      

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.     

双稳系统中随机共振与相同步时间的相关性

研究了双稳系统的随机共振(SR)与输入输出之间的相同步相关性. 首先得到系统的输出信噪比(SNR)与输入输出之间的平均相同步时间的表达式,然后讨论了随机共振与输入输出之间的平均相同步时间之间的关系. 结果表明:(1)系统出现了随机共振现象,且平均相同步时间对噪声是敏感的;由于加性与乘性噪声的相互影响,随加性噪声强度的增加,输出信噪比及平均相同步时间曲线上首先出现抑制现象,然后出现峰值,并且, 减小乘性与加性噪声强度比率,可提高输出信噪比和增长平均相同步时间. (2)系统的随机共振与平均相同步时间达到最大值不同步出现,但平均相同步时间对输出信噪比是敏感的. 该结论为信号传输中利用随机共振原则改变系统工作环境提供了依据.      

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。     

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.     

神经元动力系统的随机共振现象

本文首先简单介绍了随机共振和随机自共振的概念、物理意义、理论模型和实验验证。在此基础上。着重对高度非线性的神经系统电活动的随机共振现象进行了介绍。内容包括神经元动力系统的非线性、神经元随机共振、随机自共振的实验和理论解释。     

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。     

拟哈密顿系统的随机稳定性

迄今，有关随机稳定性的具体研究成果在多限于单自由度或二维线性随机系统。本文简要介绍近来我们在多自由度拟哈密顿系统（在弱随机激励与小耗散力作用下的哈密顿系统）的随机性上取得的一些新成果。     

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.     

含时滞反馈与涨落质量的记忆阻尼系统的随机共振

针对具有记忆效应的欠阻尼系统, 存在时滞反馈与涨落质量, 本文主要研究了其输出稳态响应振幅的随机共振效应. 首先通过引入新变量和运用小时滞近似展开理论, 将具有非马尔科夫特性的原系统转化为等价的两维马尔科夫线性系统, 再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换获得了系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式. 结果表明: 当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时, 稳态响应振幅随质量涨落噪声强度、周期驱动信号频率以及时滞的变化均存在随机共振现象, 其中随机多共振现象也被观察到. 在适当范围内, 通过控制时滞反馈, 系统的随机共振效应随着时滞的增大而增强, 而较长的记忆时间及增大阻尼参数均对共振行为呈现抑制作用.有效调控时滞反馈与记忆效应的变化关系将有助于增强系统对周期驱动信号的响应强度. 最后, 通过数值模拟计算验证了理论结果的有效性.      

Resonance and Stochastic Layer in a Parametrically Excited Pendulum

The (2M:1)-librational and (M:1)-rotational resonances are discovered in the stochastic layer of a parametrically excited pendulum. The analytical conditions for the onset of a resonance in the stochastic layer are derived. Numerical predictions of the appearance of resonance in thestochastic layer are also completed. Illustrations of the stochasticlayer in the parametrically excited pendulums are given through thePoincaré mapping sections. This methodology can be used for resonantlayers in nonlinear Hamiltonian systems. However, the analyticalapproaches need to be improved for the better predictions of theresonant characteristics in the stochastic layer.     

Invariant Measures and Lyapunov Exponents for Stochastic Mathieu System

The principal resonance of the stochastic Mathieu oscillator to randomparametric excitation is investigated. The method of multiple scales isused to determine the equations of modulation of amplitude and phase.The behavior, stability and bifurcation of steady state response arestudied by means of qualitative analyses. The effects of damping,detuning, bandwidth, and magnitudes of random excitation are analyzed.The explicit asymptotic formulas for the maximum Lyapunov exponent areobtained. The almost-sure stability or instability of the stochasticMathieu system depends on the sign of the maximum Lyapunov exponent.     

Bifurcation and Chaos Analysis of Stochastic Duffing System Under Harmonic Excitations

The Chebyshev polynomial approximation is applied to the dynamic response problem of a stochastic Duffing system with bounded random parameters, subject to harmonic excitations. The stochastic Duffing system is first reduced into an equivalent deterministic non-linear one for substitution. Then basic non-linear phenomena, such as stochastic saddle-node bifurcation, stochastic symmetry-breaking bifurcation, stochastic period-doubling bifurcation, coexistence of different kinds of steady-state stochastic responses, and stochastic chaos, are studied by numerical simulations. The main feature of stochastic chaos is explored. The suggested method provides a new approach to stochastic dynamic response problems of some dissipative stochastic systems with polynomial non-linearity.     

Stochastic stability of parametrically excited random systems

Multidegree-of-freedom dynamic systems subjected to parametric excitation are analyzed for stochastic stability. The variation of excitation intensity with time is described by the sum of a harmonic function and a stationary random process. The stability boundaries are determined by the stochastic averaging method. The effect of random parametric excitation on the stability of trivial solutions of systems of differential equations for the moments of phase variables is studied. It is assumed that the frequency of harmonic component falls within the region of combination resonances. Stability conditions for the first and second moments are obtained. It turns out that additional parametric excitation may have a stabilizing or destabilizing effect, depending on the values of certain parameters of random excitation. As an example, the stability of a beam in plane bending is analyzed.Published in Prikladnaya Mekhanika, Vol. 40, No. 10, pp. 135–144, October 2004.     

气液两相流泄漏扩散的数值模拟

采用Eulerian-Lagrangian方法数值模拟过热液体丙烷从喷嘴释放后射流的发展过程。其中,对丙烷蒸汽与空气的气相混合物采用欧拉法求解,利用拉格朗日法跟踪丙烷液滴的运动轨迹,并加入颗粒随机轨道模型来考虑液滴的湍流扩散效应,数值计算所得的物理参量与实验测量结果相吻合。在此基础上,本文将此数值模型和方法应用于开放空间、常温高压下储存液化气(丙烷)的容器发生小孔泄漏时,两相射流在大气中的扩散过程,计算结果符合实际情况。文中还讨论了影响两相流扩散过程的主要因素,为预测可能发生的火灾爆炸事故提供理论依据。     

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典 Greenwood-Williamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于 Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于 GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似 Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

二阶线性随机微分方程的渐近稳定性

对刚度系数是遍历过程的二阶线性随机微分方程，本文研究了其平凡解几乎处处渐近稳定性问题。利用刚度系数导数过程的性质，给出了平凡解几乎处处渐近稳定的充分条件。当刚度系数是遍历高斯过程或周期过程时，还具体计算了其渐进稳定区域。结果表明，本文结果改进了目前有关的渐近稳定性的条件。     

随机ARNOLD系统的稳定性与分叉

本文详细讨论了当ｎ＝２时Ａｒｎｏｌｄ系统在小强度的随机参数激励扰动下，系统的运动稳定性及分叉。为了研究系统响应的统计特性，本文使用了Ｍａｒｋｏｖ近似技巧。在线性系统的情形，给出了系统矩稳定及样本稳定的充分必要条件。在非线性情形，本文的结果表明随机扰动可使系统的分叉点发生漂移