ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

Синхронизация как механизм самоорганизации в системе связанных осцилляторов

Руководитель: доцент

_____Хухрянский М.Ю.

Исполнитель: студентка

3 курса

Группы микроэлектроники

_____Машкова А. С.

Воронеж 2006

РЕФЕРАТ

Курсовая работа: 23 страницы, 6 иллюстраций, 17 формул, 7 источников.

Ключевые слова: синхронизация, самоорганизация, автоколебательная система, осциллятор.

В данной работе дается объяснение таких понятий, как синхронизация, самоорганизация, автоколебательная система. Приводится классификация явлений синхронизации, а также рассматривается синхронизация в цепочке N связанных осцилляторов и образование кластеров в дискретной цепочке осцилляторов и в непрерывной колебательной среде.

Оглавление

1. Введение 4

2. Историческая справка 5

3. Синергетика, самоорганизация, синхронизация 6

4. Автоколебательная система 7

5. Характеристики ритма: период и частота 8

6. Подстройка ритмов: захват фаз и частот 9

7. Синхронизация: обзор различных случаев 12

7. 1. Синхронизация внешней силой 12

7. 2. Ансамбли осцилляторов и колебательные среды 12

7. 3. Фазовая и полная синхронизация хаотических осцилляторов 13

8. Цепочки осцилляторов 15

8. 1. Синхронизация N связанных осцилляторов 15

8. 2. Пример: цепочка лазеров 17

9. Образование кластеров 18

9. 1. Кластеры в дискретной цепочке осцилляторов 18

9. 1. Кластеры в непрерывной колебательной среде 19

10. Заключение 22

Литература 23

1. Введение

Синхронизация автоколебаний – одно из фундаментальных нелинейных явлений природы. Его можно рассматривать как метод самоорганизации взаимодействующих систем. Под синхронизацией обычно понимают установление некоторых соотношений между основными характеристиками колебаний систем в результате их взаимодействия. Эффект синхронизации, открытый Гюйгенсом еще в XVII веке, привлек к себе особый интерес ученых в связи с развитием науки и техники. Постепенно стало ясно, что различные явления, на первый взгляд не имеющие ничего общего, подчиняются неким универсальным зако­нам. В настоящее время детально разработана теория синхронизации периодических автоколебаний, рассмотрены случаи синхронизации квазипериодических колебаний и колебаний в присутствии шумов. Также различают вынужденную синхронизацию, т. е. синхронизацию автоколебаний внешним сигналом, и взаимную синхронизацию, наблюдающуюся при взаимодействии двух и более автоколебательных систем. В обоих случаях проявляются одни и те же эффекты синхронизации, связанные с двумя механизмами: захватом собственных частот (и, соответственно, фаз) колебаний или же подавлением одной из собственных частот взаимодействующих систем.

2. Историческая справка

Голландский ученый Христиан Гюйгенс был, по всей видимости, первым исследователем, наблюдавшим и описавшим явление синхронизации еще в 17-том столетии. Он открыл, что двое маятниковых часов, висящих на общей опоре, синхронизируются, т. е. их колебания идеально совпадают, а маятники всегда движутся в противоположных направлениях. В своих дальнейших исследованиях Гюйгенс не только привел точное описание, но также дал качественное объяснение эффекта взаимной синхронизации. Он правильно понял, что согласованность ритмов двух часов была вызвана недоступными восприятию движениями опоры. В современной терминологии это означает, что часы синхронизовались в противофазе за счет связи через балку.

В середине девятнадцатого столетия Джон Вилльям Стретт, он же лорд Рэлей, не только наблюдал взаимную синхронизацию, ко­гда различные, но схожие, органные трубы, начинают звучать в унисон, но также и эффект гашения (вымирания) колебаний, когда связь приводит к подавлению колебаний во взаимодействующих системах.

Новый этап в исследовании синхронизации был связан с разви­тием электро- и радиотехники. 17 февраля 1920 года В. Экклес и Дж. Винсент подали заявку на британский патент, подтверждаю­щий открытие ими свойства синхронизации триодного генератора. В своих экспериментах, Экклес и Винсент связали два генератора со слегка различными частотами и продемонстрировали, что связь вынужда­ет системы осциллировать на общей частоте.

Синхронизация в живых системах также известна уже несколько столетий. Например, большая популяция светлячков может излучать вспышки света синхронно. Множество исследований, выполненных математиками, инже­нерами, физиками и специалистами из других областей, привели к пониманию того, что, скажем, согласованность звучания органных труб или же стрекотания сверчков не случайна, а может быть описа­на единой теорией [1].

3. Синергетика, самоорганизация, синхронизация

В последние десятилетия развитию науки свойственны не только глубокая специализация в отдельных ее отраслях, но и мощная тенденция проникновения идей и методов из одной области в другие. И как следствие – появление новых наук, например таких, как биологическая физика, биохимия, астрофизика и т. п. В этом смысле молодая теория самоорганизации, которая охватывает многие отрасли знаний, также является синтетической теорией, позволяющей осмыслить многие явления в живой и неживой природе с единой точки зрения.

В научной литературе теория самоорганизации носит название «синергетика». Этот термин ввел Х. Хакен [4]. По Хакену, синергетика занимается изучением систем, состоящих из большого числа частей, компонент или подсистем, сложным образом взаимодействующих между собой. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающуюся в поведении системы как целого [5].

Толкование термина синхронизация различается в зависимости от специализации и индивидуальных точек зрения. В данной работе авторами не предлагается какого-либо общего определения синхронизации, которое включало бы все эффекты во взаимодействующих колебательных системах. Мы понимаем синхронизацию как подстройку ритмов осциллирующих объектов за счет слабого взаимодействия между ними [1].

Синхронизация может возникнуть в силу естественных свойств самой системы взаимодействующих объектов. В этом случае говорят о взаимной синхронизации. В других случаях для согласования поведения объектов необходимо привнесение в систему дополнительных связей или воздействий, что указывает на синхронизацию внешней силой [6].

4. Автоколебательная система

Введем понятие динамической системы. Под динамической системой понимают любой объект или процесс, для которого однозначно определено понятие состояния как совокупности некоторых величин в данный момент времени, и задан закон, который описывает изменение начального состояния с течением времени. Этот закон позволяет по начальному состоянию прогнозировать будущее состояние динамической системы, и его называют законом эволюции. Описание динамических систем может осуществляться с помощью дифференциальных уравнений [2].

Синхронизация может возникнуть лишь в автоколебательных системах. Автоколебательной системой называют систему, преобразующую энергию постоянного источника в энергию колебаний.

Источник энергииКлапанКолебатель-ная системаОбратная связь

Рис. 1. Общая схема автоколебательной системы.

Необходимыми элементами всякой автоколебательной системы являются:

• собственно колебательная система;

• источник постоянной энергии;

• элемент, управляющий поступлением энергии в колебательную систему, который мы условно назовем клапаном;

• цепь обратной связи между колебательной системой и клапаном. В некоторых системах указанные элементы можно явно выделить, в других они бывают совмещены, так что их функции не сразу очевидны. Но в той или иной форме эти элементы присущи всякой автоколебательной системе [3].

Выделим общие свойства автоколебательных систем:

• будучи изолированным, осциллятор продолжает генерировать один и тот же ритм, пока не иссякнет источник энергии [1];

• форма автоколебаний определяется параметрами системы и не
  зависит от того, как система была «включена», т.е. от перехода
  к стационарным колебаниям [1];

• автоколебания устойчивы по отношению к возмущениям (по крайней мере малым): будучи возмущенными, колебания вскоре восстанавливают свою исходную форму [1];

• являются нелинейными (т. е. описываются нелинейными дифференциальными уравнениями) и неконсервативными [2].

Автоколебательные системы самой различной природы чрезвычайно распространены. Они играют очень большую и важную роль в различных областях науки и техники: механике, автоматике, физики, химии, биологии, радиотехнике, электроники и др. Наиболее известными примерами механических автоколебательных систем являются часы и паровая машина, а также ламповые генераторы или генераторы на полупроводниковых приборах, лазеры, различного рода генераторы звука и т. д. Автоколебательными системами является сердце человека и животных [3], а также биоритмы живых организмов [7].

5. Характеристики ритма: период и частота

Автоколебательные системы могут демонстрировать ритмы самой разной формы, от простых, близких к синусоиде, сигналов до после­довательности коротких импульсов. Главной характеристикой таких систем является период Т, т. е. время одного колебания.

Часто бывает удобно характеризовать ритм числом колебаний в единицу времени или же частотой колебаний

f= . (1)

При теоретическом анализе колебаний более удобной часто бывает угловая частота ω=2πf=2π/Т.

6. Подстройка ритмов: захват фаз и частот

Два неидентичных осцилляторов, которые, взятые по отдельности, имеют различные периоды, при наличии связи подстраивают свои ритмы и начинают демонстрировать колебания с общим периодом. Это явление часто и называют в терминах совпадения частот их захватом. Произойдет это или нет, т. е. синхронизуются ли они, зависит от двух факторов:

1. Сила связи. Этот параметр характеризует, насколько слабо или сильно взаимодействие;

2. Расстройка по частоте. Расстройка частот Δf=f₁– f₂ характеризует, насколько различны осцилляторы. Представим себе следующий эксперимент. Пусть собственные частоты двух невзаимодействующих осцилляторов f₁ и f₂. Свяжем осцилляторы и измерим частоты F₁ и F₂ связанных систем. Мы можем выполнить такие измерения для различных параметров расстройки и получить зависимость ΔF=F₁–F₂ от Δf [1] (pис. 2).

Эта зависимость типична для взаимодействующих автоколебательных систем, независимо от их природы (механической, химической, электронной, и т. д.). Анализ показывает, что, если рассогласованность автономных систем не слишком велика, то частоты двух систем становятся равными, или захваченными, т. е. наступает синхронизация. В общем случае ширина области синхронизации возрастает с увеличением силы связи [3].

ΔFΔfобласть синхронизации

Рис. 2. График «разность наблюдаемых частот - расстройка» для некоторой фиксированной силы связи. Разность частот ΔF двух связанных осцилляторов изображена как функция расстройки Δf несвязанных систем. В определенном диапазоне расстроек частоты связанных осцилляторов идентичны (ΔF=0), что указывает на синхронизацию.

Более детальное рассмотрение синхронных состояний показывает, что синхронизация двух автоколебательных систем может возникнуть в двух формах. Чтобы описать эти режимы, введем ключевое понятие теории синхронизации, а именно понятие фазы осциллятора [1]. Фаза понимается как величина, пропорциональная доле периода и возрастающая на 2π в течение одного цикла колебаний. Фаза однозначно определяет положение периодического осциллятора. Как и время, она параметризует сигнал внутри одного цикла.

φ(t) = φ_o + 2π (2)