Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

Тогда, при вычислении мы получим f(w) ~ 0 для любых w, не равных w0, и большую величину  aT/2 при w=w0. Фурье-образ f(w) в этом случае будет выглядеть, как показано на рис.2 в верхнем ряду.  

Если же наш сигнал есть чистый шум, то интеграл будет давать некую, приблизительно постоянную величину для любых значений w. Это и есть признак того, что перед нами так называемый "белый шум", т.е. шум, в котором равноправно присутствуют все частоты (рис.2, средний ряд). (На самом деле, надо, конечно, работать аккуратнее, а именно, усреднять и с косинусом, и с синусом, и выделять амплитуду и фазу фурье-образа, но для наших целей это непринципиально.)  

Если же теперь смешать шум с периодическим сигналом, то фурье-образ будет выглядеть, как в нижнем ряду рис.2. Мы увидим, что над ровным фурье-образом белого шума будет возвышаться некая "горка". Ее положение и высота позволят определить частоту и амплитуду периодической компоненты сигнала, спрятанной в шуме. Важно еще и то, что благодаря фурье-преобразованию можно детектировать периодический сигнал, даже если его амплитуда гораздо меньше амплитуды шума.  

Бистабильная система под действием случайной силы. 

Итак, рассмотрим вновь нашу бистабильную систему в отсутствии внешних сил. Система замерла в одном из положений равновесия. Пусть теперь на частицу действует случайная сила, то есть давайте наложим на систему случайное внешнее воздействие, попросту говоря, шум. Под действием этой силы частица будет случайно колебаться. При этом может оказаться и так, что частица, блуждая по одной потенциальной яме, вдруг перескочит и во вторую. Среднее время между такими перескоками равно:  

t = exp(DV / D).

Здесь DV - высота барьера, разделяющего две потенциальные ямы, а D - интенсивность шума. Видно, что чем сильнее шум, тем меньше это время, т.е. тем чаще частица перескакивает из одной ямы в другую. Если изобразить зависимость координаты частицы от времени, то получится приблизительно такая картина, как на рис.3.  

Суть и свойства стохастического резонанса. 

Теперь - заключительный аккорд. Что произойдет, если к внешнему шуму добавить и слабенький, подпороговый периодический сигнал? Заметьте, подпороговый, т.е. который сам по себе, без шума, не смог бы вызвать переход системы из одного состояния в другое!  

В этом случае частица будет по-прежнему скакать из одной ямы в другую, но характер этого процесса изменится: в нем появится периодическая компонента с периодом, равным периоду внешнего слабого сигнала. То есть, перескоки осуществляются за счет случайной силы, а периодическая добавка лишь "модулирует" эффект (т.е. добавляет свою собственную периодичность). Именно так это подпороговое возмущение и проявляется: шум как бы устраняет непреодолимый ранее потенциальный барьер и заставляет систему откликаться на подпороговый сигнал. Это и есть явление стохастического резонанса.  

Самая интересная особенность стохастического резонанса - это то, что существует некая оптимальная интенсивность шума, при которой отклик системы на периодический сигнал самый сильный. Как определить, насколько велик этот отклик, мы уже знаем. Для этого надо построить зависимость координаты частицы от времени и с помощью преобразования Фурье выделить периодическую составляющую сигнала. Тогда амплитуда дополнительного "горба" фурье-образа (рис.2) будет служить количественной характеристикой чувствительности системы. Действительно, чем выше горб, тем сильнее проявляется внешний периодический сигнал в движении частицы.  

Проиллюстрировать эту особенность стохастического резонанса поможет рис.4. На нем показана зависимость координаты частицы от времени при одном и том же слабом периодическом сигнале, но при разных интенсивностях шума. Значения координаты +1 и -1 соответствуют дну первой и второй потенциальной ямы. Видно, что когда интенсивность шума мала, частица долго находится в одной потенциальной яме, прежде чем перепрыгнуть в другую (рис. 4, нижний график). Внешний периодический сигнал здесь никак не проявляется. Когда мы увеличиваем интенсивность шума до оптимальной, частица под суммарным воздействием шума и периодической силы будет синхронно прыгать из одной ямы в другую (рис.4, средний график). Явно видна периодическая составляющая отклика системы, период которой совпадает с периодом внешней силы. Наконец, при дальнейшем усилении шума движение частицы станет все более и более хаотичным; периодическая компонента в отклике будет уменьшаться (рис.4, верхний график). Типичная зависимость отклика системы от интенсивности внешнего шума показана на рис.5. Ясно видно, что при некоторой интенсивности отклик максимален.  

Осталось теперь понять, почему вообще существует оптимальная интенсивность шума и чему она должна равняться. Как мы видели выше, заданной интенсивности шума отвечает вполне конкретное среднее время перескока t из одной ямы в другую. Так вот, условие на оптимальную интенсивность шума таково: надо, чтобы вызываемое этим шумом время перескока  равнялось половине периода слабого периодического возмущения:  

t = T/2.

Как можно понять это требование? Можно условно сказать, что, подождав время t, частица "созрела" для того, чтобы прыгнуть во вторую яму. С другой стороны, мы знаем, что когда мы прикладываем внешнюю силу, мы слегка "наклоняем" потенциал так, как это показано на рис.6. То есть, мы помогаем частице перепрыгнуть в другую яму, и потому вероятность прыжка в момент наибольшей внешней силы очень велика. Через полпериода T/2, когда частица уже "созрела" для перескока обратно в первую яму, потенциал уже наклонился в другую сторону, опять же способствуя перескоку. Поэтому именно в этот момент частица наиболее охотно совершает прыжок.  

Итак, благодаря тому, что "созревание" и период внешней силы синхронизированы, возникает наиболее сильный отклик системы на внешнее периодическое возмущение. Если эти два процесса не синхронизированы, чувствительность к слабой периодической силе уменьшается. Перед нами - типичный пример избирательного воздействия, т.е. резонанса.  

Приложения: ледниковые периоды на земле. 

Исторически, проблема, связанная с периодичностью наступления ледниковых периодов, была первой задачей, для разрешения которой было привлечено явление стохастического резонанса. Поскольку она представляет собой очень интересный пример того, как упрощенная механическая модель применяется в очень далекой от механики области, мы остановимся на ней подробнее.  

Суть проблемы заключается в следующем. Из геологических данных известно, что ледниковые периоды на Земле наступают приблизительно каждые 40 тыс. лет. Это происходит из-за того, что угол наклона оси собственного вращения Земли к плоскости эклиптики (равный в настоящее время 23,5°) колеблется от 0° до 90° с периодом 41000 лет (рис.7а). В этих двух крайних положениях Солнце облучает полярные области по-разному, что приводит к образованию или к исчезновению значительных континентальных оледенений в полярных областях.  

Однако это еще не вся правда. Как показал статистический анализ, в последовательности оледенений явно видна и дополнительная периодичность с характерным периодом ~ 100 тыс. лет. Наблюдение очень интригующее, поскольку единственный известный процесс в динамике Земли с таким временным масштабом - это колебание эксцентриситета земной орбиты, вызванное гравитационным возмущением других планет (рис.7б). Эксцентриситет - это числовой параметр, характеризующий вытянутость эллипса; он равен отношению расстоянию между двумя фокусами эллипса, деленному на его большую ось. С точки зрения глобального климата, эксцентриситет показывает, насколько зима (усредненная по всей планете) холоднее лета.  

Так вот, проблема заключается в том, что эти колебания эксцентриситета очень малы (в настоящее время эксцентриситет равен 0,0167). Возникающие при этом колебания потока солнечной энергии, попадающей на Землю за год, и того меньше, ~ 0,1%. Неужели такие слабые колебания могут приводить к ощутимым изменениям климата?  

Именно для объяснения этого и была впервые привлечена модель стохастического резонанса. Роль бистабильной системы здесь играет Земля. Два ее устойчивых положения равновесия - это Земля, покрытая континентальным льдом, и Земля, свободная от него. Действительно, Земля, покрытая льдом, будет отражать значительный процент солнечного света, что приведет к уменьшению глобальной температуры, а значит, будет предохранять ледники от таяния. Если все-таки что-то заставит их растаять, то Земля станет поглощать гораздо больший процент солнечного света, ее температура повысится, и это будет препятствовать случайному образованию новых ледников.  

Внешний подпороговый сигнал - это колебания мощности попадающего на Землю излучения, вызванные изменением эксцентриситета. То, что это подпороговый сигнал, значит, что сами по себе эти колебания не способны изменить глобальный климат на Земле. Наконец, шум в данном случае - это любые сильные кратковременные воздействия, например, сезонные колебания температуры.  

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: сочинение, реферат на тему мова.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата