Усиление периодического сигнала шумом в системах с эффектом памяти

«Если включить эффект памяти, обнаруживается десятикратный рост количества энергии, которую можно извлечь из вибраций окружающей среды с помощью пьезоэлектрического эффекта»

Периодические сигналы могут быть усилены шумом определенной мощности, однако этот так называемый стохастический резонанс -  довольно нестабильное явление. Исследователи из AMOLF изучили влияние памяти на это явление в оптическом резонаторе, заполненном маслом.

Воздействие медленной нелинейности (то есть памяти) на стохастический резонанс никогда раньше не рассматривалось. Эксперименты показали, что он становится устойчивым к изменениям частоты сигнала, когда система может запоминать.

Открытие имеет важное значение для многих областей физики и энергетических технологий. В частности, ученые численно показали, что медленная нелинейность, присутствующая в механическом генераторе, который извлекает энергию из шума, повышает его эффективность в десять раз. Выводы опубликованы в Physical Review Letters [1].

Непросто сосредоточиться на сложной задаче, когда рядом громко разговаривают два человека. Однако полное молчание зачастую не лучше. Будь то тихая музыка, шум удаленного транспорта или гул прохожих на расстоянии, для многих людей оптимальный уровень шума помогает лучше сконцентрироваться. «Этот пример можно сравнить со стохастическим резонансом».

«В научных лабораториях стохастический резонанс возникает в нелинейных бистабильных системах. Это означает, что для заданного входа выход может принимать два возможных значения. Когда на входе поступает периодический сигнал, он может быть усилен шумом оптимальной мощности через явление стохастического резонанса».

Ледниковые периоды планеты

В 1980-х годах стохастический резонанс был предложен в качестве объяснения повторяемости ледниковых периодов. С тех пор его стали замечать во многих природных и технологических системах, однако такое широко распространенное явление для ученых продолжает представлять загадку.

«В теории стохастический резонанс возникает только на очень определенной частоте сигнала. Однако многие шумопоглощающие системы присутствуют в средах, где сигнал колеблется. Например, было показано, что некоторые рыбы охотятся на планктон, обнаруживая сигнал, который он излучает, и что оптимальное количество шума увеличивает способность рыбы обнаруживать этот сигнал с помощью стохастического резонанса. Но как этот эффект может сохраниться в таких сложных условиях?»

Эффект памяти

Исследователи продемонстрировали, что для решения этой головоломки необходимо учитывать эффект памяти. «Теория стохастического резонанса предполагает, что нелинейные системы мгновенно реагируют на входной сигнал. Однако в действительности большинство из них реагируют на окружающую среду с определенной задержкой, и их реакция зависит от всего того, что произошло ранее».

Такие эффекты памяти сложно описать теоретически и контролировать экспериментально, но исследователи справились с этим. «Определенное количество шума воздействовало на луч лазерного света, который направили на крошечную полость, заполненную маслом. Эта полость представляет из себя нелинейную систему. Свет вызывает повышение температуры масла и меняет свои оптические свойства, но не сразу. Временной интервал составляет около десяти микросекунд. Экспериментально было показано, что стохастический резонанс, когда задействованы эффекты памяти, происходит в широком диапазоне частот сигнала».

Сбор энергии

Таким образом, показав, что широкое распространение стохастического резонанса вызвано неучтенными запоминающими эффектами, исследователи надеются, что их результаты вдохновят коллег из нескольких других областей науки на поиск эффектов памяти в других системах.

Чтобы расширить область своих открытий, исследователи изучили влияние запоздалого отклика на механические системы сбора энергии. «Если включить эффект памяти, обнаруживается десятикратный рост количества энергии, которую можно извлечь из вибраций окружающей среды с помощью пьезоэлектрического эффекта».

Очевидный следующий шаг ученых - расширить систему до нескольких соединенных вместе маслонаполненных полостей и исследовать их поведение под воздействием шума. «Было бы здорово объединиться с исследователями, которые имеют опыт работы с механическими осцилляторами. Если появится возможность реализовать эффекты памяти в этих системах, влияние на энергетические технологии будет огромным».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.213901

Источник: AMOLF