Анісімов - Коливання та хвилі

1.6. Одноконтурний параметричний підсилювач.

Параметричний генератор, що працює в першій зоні нестійкості, по суті, являє собою подільник частоти навпіл: для генерації деякої частоти потрібне джерело вдвічі вищої частоти. Такі схеми мають обмежену практичну цінність.

З практичної точки зору значно цікавіші параметричні підсилювачі. Вони не містять ламп чи транзисторів і завдяки цьому можуть мати дуже низький рівень власних шумів, що робить їх привабливими для використання в ролі вхідних каскадів підсилювачів слабких сигналів.

1.6.1. Розв’язок неоднорідного рівняння Матьє

Проаналізуємо роботу одноконтурного параметричного підсилю-

вача (рис.1.6.1) більш детально. Для цього скористаємося неоднорідним рівнянням Матьє:

−δ<<ω0 (контур високодобротний);

−ωН=2ω0 (частота накачування рівно вдвічі більша від власної частоти контуру);

−|∆|<<ω0, де ∆≡ω0-ω (частота вхідного сигналу близька до власної частоти контуру).

Взаємодія сигналу з накачуванням на параметричній ємності буде

породжувати різницеву частоту ωX≡2ω0-ω - так звану холосту, або ялову частоту. Оскільки вона також близька до резонансної (ω0-ωX=- ∆), її слід обов’язково брати до уваги. Справді, саме холоста частота, взаємодіючи з накачуванням, буде породжувати "сигнал позитивного зворотного зв’язку" з частотою ω (рис.1.6.2), наявність якого є необхідною умовою існування регенеративного підсилення (див.

п.п.1.4.3, 1.5.3).

Будемо розглядати коливання, що встановилися. Тоді їхні амплітуди можна вважати сталими. Отже, розв’язок (1.6.1) шукатимемо у вигляді1:

Підставимо розв’язок (1.6.2) до (1.6.1). Відкинемо усі доданки другого та більш високих порядків мализни, врахувавши, зокрема, що ω02-ω2=≈2ω0∆ та ω02-ωX2=≈-2ω0∆. Замінимо ω та ωХ на ω0 всюди, крім аргументів експонент. Відкинемо коливання з частотами 2ω0+ω

та 2ω0+ωX, далекими від резонансної частоти контуру. Отримаємо:

(2ω0∆ + i2ω0δ )Aexp(iωt)+ (− 2ω0∆ −i2ω0δ )B exp(−iωX t)+ + (mω02 2)[Aexp(−iωX t)+ B exp(iωt)]= fm exp(iωt). (1.6.3)

Прирівнюючи амплітуди однакових експонент в обох частинах, діс-

1 Така форма розв’язку обрана тому, що в рівнянні Матьє добуток exp(iωt)cos(2ω0t) породжує коливання з холостою частотою у формі exp(- iωXt), і, навпаки, добуток exp(-iωXt)cos(2ω0t)породжує коливання з сигнальною частотою у формі exp(iωt). Можна було б дописати в (1.6.2) комплексно спряжені доданки, але вони не додадуть нічого нового.

танемо систему лінійних алгебраїчних рівнянь щодо амплітуд:

Звідси

Залежності |А| та |В| від т подано на рис.1.6.3. При m>mcr відбувається самозбудження (див. розділ 1.5).

1.6.2. Форма амплітудно-частотної характеристики.

Коефіцієнтом підсилення параметричного підсилення природно вважати відношення амплітуди сигналу до її значення при т=0:

Домножимо чисельник і знаменник другого доданку в знаменнику (1.6.7) на ∆-iδ і знехтуємо ∆2 поруч із δ2. Отримаємо:

Як видно з рис.1.6.3, помітний коефіцієнт підсилення досягається лише при m→mcr. Введемо параметр ε≡1-m/mcr і вважатимемо, що

0 < ε << 1. (1.6.10)

Тоді перша дужка в знаменнику (1.6.9) близька до 2, і остаточно отримаємо:

Графік амплітудно-частотної характеристики, що відповідає (1.6.11), поданий на рис.1.6.4. Видно, що при наближенні до порогу нестійкості коефіцієнт підсилення зростає, а ширина смуги пропускання зменшується. Така поведінка типова для регенеративних підсилювачів.

Оскільки ширина смуги пропускання підсилювача Ω в силу (1.6.10) вийшла значно меншою, ніж для «холодного» контуру (без

накачування), то зроблене припущення (1.6.8) добре виконується.

1.6.3. Пульсації коефіцієнту підсилення.

Визначений вище (див. (1.6.7)) коефіцієнт підсилення відповідає випадку, коли на вихід підсилювача не надходить сигнал холостої частоти2. Насправді, як випливає з (1.6.5), в контурі параметричного підсилювача одночасно існують коливання з частотами сигналу та холостою, амплітуди яких при малих розстроюваннях та при m→mcr близькі. Очевидно, суперпозиція цих коливань - биття - сприйматиметься як пульсації коефіцієнту підсилення.

Відповідно до методу комплексних амплітуд (нагадаємо, що сила в правій частині рівняння (1.6.1) обиралась у формі експоненти з уявним показником) для визначення вимірюваної величини сигналу візьмемо дійсну частину розв’язку (1.6.2) і дещо перетворимо її:

q(t) = Re{Aexp(iωt)+ B exp(−iωX t)}=

= Re{A exp[i(ω0 − ∆)t +ϕA ]+ B exp[−i(ω0 + ∆)t +ϕB ]}= = A cos[i(ω0 − ∆)t +ϕA ]+ B cos[−i(ω0 + ∆)t +ϕB ]=

= [A cos(∆t −ϕA )+ B cos(∆t +ϕB )]cosω0t + [A sin(∆t −ϕA )− − B sin(∆t +ϕB )]sinω0t = A 2 + B 2 + 2 AB cos(2∆t +ϕB −ϕA )×

(враховано, що ω=ω0-∆, ωх=ω0+∆). Як випливає з (1.6.12), амплітуда коливань у контурі qm пульсує в межах від |А|+|В| до |А|-|В|. Якщо вважати розстроювання значно меншим від ширини смуги пропус-

кання (1.6.11),

2 Для цього потрібно пропустити сигнал через смуговий фільтр із смугою пропускання Ω<∆.

то для амплітуд А і В можна скористатись формулами (1.6.6). В результаті для мінімальної та максимальної амплітуд коливань у контурі дістанемо:

Часовий хід сигналу (1.6.12) показаний на рис.1.6.5. При цьому коефіцієнт підсилення

Звичайно, в середньому за часом сигнал все-таки підсилюється, тому пульсації можна відфільтрувати за допомогою вузькосмугового фільтра. Але їхня наявність, безумовно, є принциповим недоліком одноконтурного параметричного підсилювача.

1.7. Вільні коливання нелінійного осцилятора.

Практично кожний осцилятор при великих відхиленнях від положення рівноваги виявляє нелінійність. Прикладами нелінійних осциляторів можуть бути, наприклад, математичний маятник (для достатньо великих відхилень), коливний контур, що містить варікап або котушку індуктивності з феромагнітним осердям, пружинний маятник із сухим тертям та ін.

1.7.1. Консервативний осцилятор з квадратичною та кубічною нелінійністю: аналіз за методом послідовних наближень.

Як уже вказувалося, довільний нелінійний консервативний осцилятор описується рівнянням (1.1.12)

&&x + f (x) = 0 .

Розкладемо в цьому рівнянні нелінійну силу f(x) в ряд Тейлора, обмежившись доданками до третього порядку включно. Отримаємо:

Спробуємо побудувати розв’язок цього рівняння, вважаючи виконаними умови |α|<<1, |β|<<1 (α~β). Шукатимемо його у вигляді ряду за малим параметром:

де індекс в круглих дужках вказує порядок мализни доданку. Підставляючи (1.7.2) до (1.7.1) і виділяючи доданки однакових порядків мализни, можна дістати набір рекурентних рівнянь:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Візьмемо розв’язок першого з рівнянь (1.7.3) у вигляді: x(t) = Aexp(iω0t)+к.с.

Тоді рівняння першого наближення набуває вигляду:

Розв’язок цього неоднорідного рівняння, очевидно, повинен містити вимушені коливання з частотами 0, ω0, 2ω0 та 3ω0, оскільки в правій частині (1.7.4) стоять сили з цими частотами. Але при цьому амплітуда гармоніки ω0 прямуватиме до нескінченості (це відповідає точному резонансу лінійного консервативного осцилятора). Тим самим порушується припущення, на основі якого будувався розв’язок (1.7.2), про те, що кожен наступний член цього ряду має бути значно меншим від попереднього.

Врятувати становище можна, припустивши, що для доданку нульового порядку мализни частота коливань буде відмінною від ω0.

Оскільки нелінійні доданки в рівнянні (1.7.1) породжуватимуть нульову, другу та третю гармоніку основної частоти, шукатимемо розв’язок (з точністю до доданків першого порядку мализни) у вигляді

де амплітуди a, b, c мають перший порядок мализни.

Підставляючи (1.7.5) до (1.7.1) і відкидаючи доданки другого і вищих порядків мализни, дістанемо:

(ω02 −ω2 )Aexp(iωt)+ (ω02 − 4ω2 )a exp(i2ωt)+ + (ω02 −9ω2 )bexp(i3ωt)+αA2 exp(i2ωt)+

+ β[A3 exp(i3ωt)+ 3A2 A * exp(iωt)]+ к.с. +ω02c + 2αAA* = 0 . (1.7.6)

Звідси, прирівнюючи до нуля амплітуди експонент із частотами ω, 2ω, 3ω та 0, отримаємо систему рівнянь:

Тепер можна записати вирази для частоти та амплітуд нульової, другої та третьої гармонік через амплітуду першої гармоніки:

(1.7.8)

Відзначимо, що частота коливань не залежить від параметра квадратичної нелінійності. Це - результат того, що ми обмежилися першим наближенням за малим параметром α. Врахування доданків другого наближення призведе до того, що така залежність з’явиться.

Отримані результати залишаються справедливими і тоді, коли в ролі малого параметру виступають не коефіцієнти α та β, а амплітуда коливань, бо при цьому нелінійні доданки так само залишаються значно меншими від лінійних.

1.7.2. Ангармонізм та неізохронність коливань нелінійного осцилятора.

Перейдемо до обговорення отриманих результатів. Зазначимо перш за все, що коливання нелінійного осцилятора, залишаючись періодичними, вже не є гармонічними: вони містять вищі гармоніки основної частоти. Говорять, що нелінійним осциляторам притаман-

ний ангармонізм.

Для осцилятора з квадратичною та кубічною нелінійністю в першому наближенні, як ми бачили, з’явилися нульова, друга та третя гармоніки. В другому наближенні, очевидно, додатково виникне п’ята гармоніка (див. третє з рівнянь (1.7.3)), в третьому - четверта та сьома, і т.д.

Другий отриманий нами результат - це відмінність власної частоти коливань від ω0. Точніше, власна частота виявилася функцією амплітуди коливань (див. перше із співвідношень (1.7.8)). Залежність частоти (чи періоду) коливань від їхньої амплітуди називають неізохронністю. Слід підкреслити, що частота коливань залежить лише від модуля амплітуди і не залежить від фази коливань. Урахування більш високих порядків мализни, як уже вказувалося, приведе до уточнення закону неізохронності.

У випадку осцилятора з нелінійністю непарного порядку неізохронність з’являється вже в першому порядку мализни. Якщо ж нелінійність - парного порядку, неізохронність з’явиться в розрахунках з точністю до другого порядку мализни.

1.7.3. Фазовий портрет нелінійного осцилятора

Для довільного нелінійного консервативного осцилятора, описуваного рівнянням (1.1.12)

&x&+ f (x) = 0 ,

можна записати потенціал (1.1.14):

x

Φ(x) = ∫ f (x)dx .

0

Знаючи хід потенціалу, із закону збереження енергії (1.1.13)

x&2 + Φ(x) = const = W0

2

можна відразу знайти швидкість як функцію координати:

тобто побудувати фазову траєкторію при даному значенні W0. Варіюючи значення W0, можна отримати фазовий портрет системи.

Прив’язати рух на фазовій площині до часу можна, скориставшись співвідношенням dt = dxx& . Тоді час, необхідний для переміщення з точки 1 у точку 2, визначатиметься співвідношенням:

Приклад побудови фазового портрету для консервативного осцилятора з квадратичною нелінійністю наведено на рис.1.7.1а-в.

б г

Рис.1.7.1. Нелінійний осцилятор з потенціалом Φ(x)=x(x-1)2: а - хід потенціалу; б - фазовий портрет без дисипації; в - епюри коливань (1-2 відповідають фазовим траєкторіям на рис.1.7.1б, 3 - рухові вздовж петлі сепаратриси); г - фазовий портрет з урахуванням слабкої дисипації.

зком прямої і інтегруючи за формулою (1.7.10), можна пересвідчитися, що час, необхідний для досягнення сідлової точки або для виходу з неї, є нескінченно (логарифмічно) великим. Таким чином, період руху вздовж петлі сепаратриси, що проходить через сідлову точку (рис.1.7.1б), буде нескінченим (див. криву 3 на рис.1.7.1в).

Для слабкодисипативного нелінійного осцилятора повна енергія з часом буде повільно зменшуватися. Це означає, що зображувальна точка буде поступово переходити на фазові траєкторії, що відповідають нижчим значенням повної енергії. Так можна якісно побудувати фазовий портрет слабкодисипативного нелінійного осцилятора (рис.1.7.1г). Зазначимо, що при цьому сідлові точки зберігають свій характер, а центри переходять у стійкі фокуси.

1.7.4. Період коливань нелінійного осцилятора поблизу сепаратриси.

У п.1.7.1 було розраховано частоту власних коливань нелінійного консервативного осцилятора для випадку малих відхилень від положення рівноваги. Розглянемо тепер інший граничний випадок - розрахуємо період коливань уздовж фазової траєкторії, що проходить поблизу сепаратриси. Візьмемо для прикладу осцилятор з кубічною нелінійністю, якому відповідає рівняння руху

Wc=4ω02/27, в точці х1=1/3. Такого самого значення він досягає в точці х2=4/3.

Нехай повна енергія осцилятора трохи менша від критичного

де xmin та xmax - мінімальне та максимальне відхилення, що від повідають фазовій траєкторії з енергією (1.7.12), так що

Φ(хmin)=Φ(хmaх)=W0. Оскільки в цих точках - так званих точках повороту - знаменник підінтегрального виразу в (1.7.13) перетворю-

ється в нуль, можна чекати, що саме їхні околи даватимуть основний внесок у період руху.

Розкладемо потенціал Φ(х) в ряд Тейлора навколо точок х1 та х2. Дістанемо:

Оскільки за нашим припущенням основний внесок у період руху дають околи точок повороту, замінимо в околі вказаних точок підкореневу функцію у знаменнику підінтегрального виразу її розкладом у ряд Тейлора (1.7.14). Дістанемо:

де ξ1=х-xmin, ξ2=xmax-х, ξ10 та ξ20 - значення ξ1 та ξ2, що відповідають деякій середній точці проміжку інтегрування х0 (xmin<х0 <xmax). Врахувавши, що

отримаємо:

(1.7.18) (у правій частині залишений лише доданок, що прямує до нескінченості при наближенні W0 до Wс). Як бачимо, основний внесок до періоду коливань дає окіл сідлової точки х1. Відзначимо, що формула (1.7.18) залишається справедливою і тоді, коли параметр ∆ визначає перевищення енергії над критичним рівнем - у цьому випадку вона характеризує час проходження околу сідлової точки вздовж траєкторії інфінітного руху.

Для частоти коливань на основі (1.7.18) з урахуванням (1.7.12) можна записати такий вираз:

Отримані результати легко узагальнити на випадок руху вздовж фазової траєкторії, близької до довільної сепаратриси з однією або двома сідловими точками.

Контрольні питання до розділу 1.7.

1.7.1.Чи може фазовий портрет нелінійної дисипативної системи мати особливу точку типу центр? Відповідь обгрунтувати.

1.7.2.Як змінюються особливі точки на фазовому портреті консервативної нелінійної системи при введенні сильної дисипації?

1.7.3.Перерахуйте відомі Вам прояви ангармонізму нелінійних коливань.

1.7.4.Чи може система демонструвати нелінійні властивості при малих відхиленнях від положення рівноваги? Відповідь обгрунтувати.

1.7.5.Маятник відхилили на великий кут від положення рівноваги і відпустили. Як змінюватиметься з часом період та форма його коливань?

1.7.6. Як співвідносяться періоди коливань уздовж фазових траєкторій, однаково близьких до сепаратриси, для маятників з квадратичною та кубічною (від’ємною) нелінійністю?

Задачі до розділу 1.7.

1.7.1.Побудувати фазовий портрет математичного маятника: а) консервативного; б) слабкодисипативного.

1.7.2.Побудувати фазовий портрет нелінійного осцилятора з потенціалом:

а) &x&+ω02 x +αx2 = 0 ;

б) &x&+ω02 x +αx3 = 0, ω02 > 0, α < 0 ; в) &x&−ω02 x +αx3 = 0, ω02 > 0, α > 0 ; г) Φ(x) = x −12 − x −6 ;

д) Φ(x) = x −8 − x −4 ; е) Φ(x) = x −16 − x −8

є) Φ(x) = −Ax exp(−αx) ;

які будуть присутні в спектрі коливань. Знайдіть їхні амплітуди. 1.7.6. Рух нелінійного осцилятора описується рівнянням:

а) &x&+ω02 x +αx2 = 0 ; б) &x&+ω02 x +αx3 = 0

(α<<1). Амплітуда першої гармоніки коливань рівна A. Які ще гармоніки будуть присутні в спектрі коливань? Знайти їхні амплітуди. Задачу розв'язати у другому наближенні за параметром α.

1.7.7.Для консервативного осцилятора з квадратичною нелінійністю знайти нелінійний зсув власної частоти найнижчого порядку мализни.

1.7.8.Знайти нелінійний зсув частоти вільних коливань електрона в кристалічній гратці з точністю до другого порядку за амплітудою коливань. Хід потенціалу вважати гармонічним.

1.7.9.Показати, що рух уздовж петлі сепаратриси, що проходить через сідло, є аперіодичним.

1.7.10.Для

а) консервативного математичного маятника; б) консервативного осцилятора з квадратичною нелінійністю; в) осцилятора з кубічною нелінійністю,

ж) Φ( x) = −Ax2 exp(−αx) ; з) Φ(x) = −Aexp[−α(x −b)2 ]; и) Φ(x) = −Ax exp(−αx2 ) ;

і) Φ(x) = x / 2 + sin x .

Якісно зобразити часовий хід коливань відхилення та швидкості для різних типів фазових траєкторій.

1.7.3.Розв’язати задачі 1.7.2а-і з урахуванням слабкої дисипації.

1.7.4.Побудувати фазовий портрет вертикальних коливань поплавка, включаючи область нелінійних коливань. Дисипацією знехтувати.

1.7.5.Амплітуда першої гармоніки коливань математичного маятника дорівнює A. Вкажіть три гармоніки з найбільшими амплітудами,

оцінити період коливань вздовж фазових траєкторій, близьких до сепаратриси. Енергія системи визначається співвідношенням W=W0(1-∆), ∆<<1, де W0- критичне значення, що відповідає рухові по сепаратрисі.

1.7.11. Побудувати розв'язок рівняння руху осцилятора із сухим тертям:

&x&+ FT signx& +ω 02 x = 0 ,

якщо

а) x(t = 0) = xm , x&(t = 0) = 0 ; б) x(t = 0) = 0 , x&(t = 0) = vm .

1.8. Стійкість коливних систем із зосередженими параметрами.

Перш ніж продовжувати дослідження нелінійних осциляторів, розглянемо питання про стійкість руху або стану рівноваги коливних систем. Поняття стійкості можна визначити по-різному, тому існують різні визначення стійкості та нестійкості.

1.8.1. Стійкість руху за Ляпуновим.

для довільних моментів часу t > t0 .

Можна сказати, що для систем, стійких за Ляпуновим, близькість двох зображувальних точок у фазовому просторі в початковий момент часу гарантує, що вони залишатимуться близькими і в будьякий наступний момент часу (рис.1.8.1а).

Прикладом системи, стійкої за Ляпуновим, може бути лінійний осцилятор (консервативний або з додатною дисипацією). Навпаки, лінійний осцилятор з від’ємною дисипацією (автогенератор у початкові моменти часу1) або з від’ємним квадратом частоти (візок на гір-

1 Див. нижче розділ 1.11.

ці) будуть нестійкими за Ляпуновим: на фазовій площині для всіх цих систем сусідні зображувальні точки з часом можуть розбігатися.

а б Рис.1.8.1. Фазові траєкторії стійкої за Ляпуновим (а) та орбіта-

льно стійкої (б) систем.

1.8.2. Орбітальна стійкість.

Нехай {X , xr(t)}- найменша віддаль від точки X до фазової траєкторії xr(t) .

Говорять, що розв’язок X (t) є орбітально стійким, якщо для довільного як завгодно малого ε (ε>0) завжди можна вказати таку величину δ(ε) того самого порядку мализни, що з нерівності

Іншими словами, в орбітально стійких системах сусідні зображувальні точки з часом можуть і розбігатися, але фазові траєкторії, що виходять із сусідніх точок, залишаються близькими (рис.1.8.1б).

Прикладом орбітально стійкої системи, що є одночасно нестій-