搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

分数阶质量涨落谐振子的共振行为

蔚涛 罗懋康 华云

引用本文:
Citation:

分数阶质量涨落谐振子的共振行为

蔚涛, 罗懋康, 华云

The resonant behavior of fractional harmonic oscillator with fluctuating mass

Yu Tao, Luo Mao-Kang, Hua Yun
PDF
导出引用
  • 针对黏性介质引起的Brown粒子质量存在随机涨落以及阻尼力对历史速度具有记忆性等问题, 本文首次提出分数阶质量涨落谐振子模型, 以考察黏性介质中Brown粒子的动力学特性. 首先, 将Shapiro-Loginov 公式分数阶化, 使之适用于对含指数关联随机系数的分数阶随机微分方程的求解. 然后, 利用随机平均法和分数阶Shapiro-Loginov公式推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并据此研究系统的共振行为; 最后, 通过仿真实验验证理论结果的可靠性. 研究表明: 1)质量涨落噪声可诱导系统产生随机共振行为; 2)记忆性阻尼力可诱导系统产生参数诱导共振行为; 3)不同参数条件下, 系统表现出单峰共振、双峰共振等多样化的共振形式.
    When moving in viscous medium, the mass of a Brownian particle is fluctuant and its damping force depends on the past velocity history. Therefore, in order to investigate the characteristics of Brownian motion in viscous medium, fractional harmonic oscillator is proposed in this paper for the first time so for as we know. First, the Shapiro-Loginov formula is fractionized to solve fractional stochastic differential equation with exponential correlative stochastic coefficients. Then, by using stochastic averaging method and fractional Shapiro-Loginov formula, the analytical expression of a system’s steady response amplitude is presented and the system’s resonant behavior is discussed accordingly. Finally, the reliability of theoretical results is tested by simulation experiments. All the research shows that: (1) Stochastic resonant behavior can be induced by mass fluctuation noise. (2) Parameter-induced resonance can be induced by memory damping force. (3) Under different parameter conditions, the system’s resonant forms are diverse.
    • 基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 11171238) 和电子信息控制重点实验室项目 (批准号: 2013035) 资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11171238), and the Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, China (Grant No. 2013035).
    [1]

    Landau L D, Lifshitz E M (Translated by Li J F) 2007 Mechanics (5st Edn.) (Beijing: Higher Education Press) pp75–102 (in Chinese) [朗道 L. D., 栗弗席兹 E. M.著, 李俊峰译 2007 力学 (第五版) (北京: 高等教育出版社) 第75–102页]

    [2]

    Li P, Nie L R, L X M, Zhang Q B 2011 Chin. Phys. B 20 100502

    [3]

    Li P, Nie L R, Huang Q R, Sun X X 2012 Chin. Phys. B 21 050503

    [4]

    Xue S H, Lin M, Meng Y 2012 Chin. Phys. B 21 090504

    [5]

    Zhang L Y, Jin G X, Cao L, Wang Z Y 2012 Chin. Phys. B 21 120502

    [6]

    Hu G 1994 Stochastic forces and nonlinear systems (Shanghai: Shanghai Scientific and Technological Education Press) p18 (in Chinese) [胡岗 1994 随机力与非线性系统 (上海: 上海科技教育出版社) 第18页]

    [7]

    Bao J D 2012 Introduction to Anomalous Statistical Dynamics (Beijing: Science Press) pp67–70 (in Chinese) [包景东 2012 反常统计动力学导论 (北京: 科学出版社) 第67–70页]

    [8]

    Mason T G, Weitz D A 1995 Phys. Rev. Lett. 74 1250

    [9]

    Golding I, Cox E C 2006 Phys. Rev. Lett. 96 098102

    [10]

    Banks D S, Fradin C 2005 Biophys. J. 89 2960

    [11]

    Guigas G, Kalla C, Weiss M 2007 Biophys. J. 96 316

    [12]

    Gitterman M, Klyatskin V I 2010 Phys. Rev. E 81 051139

    [13]

    Gitterman M 2012 Physica A 391 3033

    [14]

    Gitterman M 2012 Physic A 391 5343

    [15]

    Soika E, Mankin R, Ainsaar A 2010 Phys. Rev. E 81 011141

    [16]

    Mankin R, Rekker A 2010 Phys. Rev. E 81 041122

    [17]

    Zhong S C, Gao S L, Wei K, Ma H 2012 Acta Phys. Sin. 61 170501 (in Chinese) [钟苏川, 高仕龙, 韦鹍, 马洪 2012 物理学报 61 170501]

    [18]

    Tu Z, Wang F, Peng H, Ma H 2013 Acta Phys. Sin. 62 030502 (in Chinese) [屠浙, 彭皓, 王飞, 马洪 2013 物理学报 62 030502]

    [19]

    Yu T, Zhang Z, Luo M K 2013 Acta Phys. Sin. 62 120504 (in Chinese) [蔚涛, 张路, 罗懋康 2013 物理学报 62 120504]

    [20]

    Shapiro V E, Loginov V M 1978 Physica A 91 563

    [21]

    Deng W H 2007 J. Comput. Phys. 227 1510

    [22]

    Deng W H 2009 Phys. Rev. E 79 011112

    [23]

    Deng W H, Li C 2012 Numerical Modelling (Rijeka: InTech) pp355–374 (in Chinese) [邓伟华, 李灿 2012 数值模拟 (里耶卡: InTech出版社) 第355–374页]

  • [1]

    Landau L D, Lifshitz E M (Translated by Li J F) 2007 Mechanics (5st Edn.) (Beijing: Higher Education Press) pp75–102 (in Chinese) [朗道 L. D., 栗弗席兹 E. M.著, 李俊峰译 2007 力学 (第五版) (北京: 高等教育出版社) 第75–102页]

    [2]

    Li P, Nie L R, L X M, Zhang Q B 2011 Chin. Phys. B 20 100502

    [3]

    Li P, Nie L R, Huang Q R, Sun X X 2012 Chin. Phys. B 21 050503

    [4]

    Xue S H, Lin M, Meng Y 2012 Chin. Phys. B 21 090504

    [5]

    Zhang L Y, Jin G X, Cao L, Wang Z Y 2012 Chin. Phys. B 21 120502

    [6]

    Hu G 1994 Stochastic forces and nonlinear systems (Shanghai: Shanghai Scientific and Technological Education Press) p18 (in Chinese) [胡岗 1994 随机力与非线性系统 (上海: 上海科技教育出版社) 第18页]

    [7]

    Bao J D 2012 Introduction to Anomalous Statistical Dynamics (Beijing: Science Press) pp67–70 (in Chinese) [包景东 2012 反常统计动力学导论 (北京: 科学出版社) 第67–70页]

    [8]

    Mason T G, Weitz D A 1995 Phys. Rev. Lett. 74 1250

    [9]

    Golding I, Cox E C 2006 Phys. Rev. Lett. 96 098102

    [10]

    Banks D S, Fradin C 2005 Biophys. J. 89 2960

    [11]

    Guigas G, Kalla C, Weiss M 2007 Biophys. J. 96 316

    [12]

    Gitterman M, Klyatskin V I 2010 Phys. Rev. E 81 051139

    [13]

    Gitterman M 2012 Physica A 391 3033

    [14]

    Gitterman M 2012 Physic A 391 5343

    [15]

    Soika E, Mankin R, Ainsaar A 2010 Phys. Rev. E 81 011141

    [16]

    Mankin R, Rekker A 2010 Phys. Rev. E 81 041122

    [17]

    Zhong S C, Gao S L, Wei K, Ma H 2012 Acta Phys. Sin. 61 170501 (in Chinese) [钟苏川, 高仕龙, 韦鹍, 马洪 2012 物理学报 61 170501]

    [18]

    Tu Z, Wang F, Peng H, Ma H 2013 Acta Phys. Sin. 62 030502 (in Chinese) [屠浙, 彭皓, 王飞, 马洪 2013 物理学报 62 030502]

    [19]

    Yu T, Zhang Z, Luo M K 2013 Acta Phys. Sin. 62 120504 (in Chinese) [蔚涛, 张路, 罗懋康 2013 物理学报 62 120504]

    [20]

    Shapiro V E, Loginov V M 1978 Physica A 91 563

    [21]

    Deng W H 2007 J. Comput. Phys. 227 1510

    [22]

    Deng W H 2009 Phys. Rev. E 79 011112

    [23]

    Deng W H, Li C 2012 Numerical Modelling (Rijeka: InTech) pp355–374 (in Chinese) [邓伟华, 李灿 2012 数值模拟 (里耶卡: InTech出版社) 第355–374页]

  • [1] 姜磊, 赖莉, 蔚涛, 罗懋康. 不同频率涨落驱动下全局耦合谐振子的集体动力学行为. 物理学报, 2021, 70(13): 130501. doi: 10.7498/aps.70.20210157
    [2] 田艳, 何桂添, 罗懋康. 具有非线性阻尼涨落的线性谐振子的随机共振. 物理学报, 2016, 65(6): 060501. doi: 10.7498/aps.65.060501
    [3] 刘德浩, 任芮彬, 杨博, 罗懋康. 涨落作用下周期驱动的分数阶过阻尼棘轮模型的混沌输运现象. 物理学报, 2015, 64(22): 220501. doi: 10.7498/aps.64.220501
    [4] 钟苏川, 蔚涛, 张路, 马洪. 具有质量及频率涨落的欠阻尼线性谐振子的随机共振. 物理学报, 2015, 64(2): 020202. doi: 10.7498/aps.64.020202
    [5] 张路, 谢天婷, 罗懋康. 双频信号驱动含分数阶内、外阻尼Duffing振子的振动共振. 物理学报, 2014, 63(1): 010506. doi: 10.7498/aps.63.010506
    [6] 王飞, 谢天婷, 邓翠, 罗懋康. 系统非对称性及记忆性对布朗马达输运行为的影响. 物理学报, 2014, 63(16): 160502. doi: 10.7498/aps.63.160502
    [7] 谢文贤, 李东平, 许鹏飞, 蔡力, 靳艳飞. 具有固有频率涨落的记忆阻尼线性系统的随机共振. 物理学报, 2014, 63(10): 100502. doi: 10.7498/aps.63.100502
    [8] 林方, 胡丹青, 李乐乐. 用一种分数阶算法研究非马尔可夫过程中阻尼与涨落的竞争机制. 物理学报, 2013, 62(12): 120503. doi: 10.7498/aps.62.120503
    [9] 张良英, 曹力, 吴大进. 周期外力对频率涨落的过阻尼谐振子所作的功和能量随机共振. 物理学报, 2013, 62(19): 190502. doi: 10.7498/aps.62.190502
    [10] 蔚涛, 张路, 罗懋康. 具有涨落质量的线性谐振子的共振行为. 物理学报, 2013, 62(12): 120504. doi: 10.7498/aps.62.120504
    [11] 楼智美, 梅凤翔, 陈子栋. 弱非线性耦合二维各向异性谐振子的一阶近似Lie对称性与近似守恒量. 物理学报, 2012, 61(11): 110204. doi: 10.7498/aps.61.110204
    [12] 张良英, 金国祥, 曹力. 具有频率涨落的简谐力激励下线性谐振子的随机共振. 物理学报, 2012, 61(8): 080502. doi: 10.7498/aps.61.080502
    [13] 陆志新, 曹力. 输入方波信号的过阻尼谐振子的随机共振. 物理学报, 2011, 60(11): 110501. doi: 10.7498/aps.60.110501
    [14] 张莉, 刘立, 曹力. 过阻尼谐振子的随机共振. 物理学报, 2010, 59(3): 1494-1498. doi: 10.7498/aps.59.1494
    [15] 凌瑞良, 冯金福. 质量和频率均含时的耦合谐振子的严格波函数. 物理学报, 2009, 58(4): 2164-2167. doi: 10.7498/aps.58.2164
    [16] 楼智美. 一维减幅-增幅谐振子的守恒量与对称性. 物理学报, 2008, 57(3): 1307-1310. doi: 10.7498/aps.57.1307
    [17] 刘延柱. 黏性介质中圆截面弹性细杆的平面振动. 物理学报, 2005, 54(11): 4989-4993. doi: 10.7498/aps.54.4989
    [18] 凌瑞良. 含时阻尼谐振子的传播子与严格波函数. 物理学报, 2001, 50(8): 1421-1424. doi: 10.7498/aps.50.1421
    [19] 凌瑞良, 冯金福. 阻尼谐振子的严格波函数. 物理学报, 1998, 47(12): 1952-1956. doi: 10.7498/aps.47.1952
    [20] 彭桓武. 阻尼谐振子的量子力学处理. 物理学报, 1980, 29(8): 1084-1089. doi: 10.7498/aps.29.1084
计量
  • 文章访问数:  6379
  • PDF下载量:  662
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-28
  • 修回日期:  2013-07-23
  • 刊出日期:  2013-11-05

/

返回文章
返回