параметрический резонанс

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС - явление раскачки колебаний при периодич. изменении параметров тех элементов колебат. системы, в к-рых сосредоточивается энергия колебаний (реактивные или энергоёмкие параметры). П. р. возможен в колебат. системах разл. физ. природы. Напр., в электрич. колебательном контуре реактивными параметрами являются ёмкость С и индуктивность L, в к-рых запасены электрич. энергия W_э = q²/2C и магн. энергия W_м = LI²/2 (где q - заряд на обкладках конденсатора, I - ток в катушке индуктивности). Собств. колебания в контуре без потерь с постоянными С и L происходят с частотой = 1/LC. При этом полная энергия W = W_э + W_м, запасённая в контуре, остаётся неизменной, происходит лишь её периодич. трансформация из электрической в магнитную и обратно с частотой Изменение параметров С и L, сопровождающееся работой внеш. сил (накачка), приводит к изменению полной энергии системы. Если ёмкость С изменить скачком за время, малое по сравнению с периодом собств. колебаний (рис. 1,а), то заряд скачком измениться не может (поскольку сила тока I остаётся конечной величиной, рис. 1, б). В результате напряжение на ёмкости U = q/C (рис. 1,в) и электрич. энергия W, изменяются обратно пропорц. С, причём совершаемая при этом работа пропорц. q². Если изменять ёмкость С периодически в такт изменениям W_э, (обусловленным собств. колебаниями), уменьшая её в моменты, когда q² и W_э максимальны, и увеличивая, когда эти величины равны нулю (рис. 1), то в ср. за период над системой совершается положит. работа и, следовательно, полная энергия и амплитуда колебаний будут монотонно нарастать.

Рис. I. Связь между изменениями ёмкости С конденсатора (а), заряда q на его обкладках (б) и напряжения U (в)при параметрическом резонансе в колебательном контуре.

П. р. наиб. эффективно проявляется при изменении параметров колебат. системы с периодом Т_н, кратным полупериоду собств. колебаний Т₀:

где п - целое число, - частота накачки. Математически свободные колебания в таких системах описываются дифференц. ур-ниями с переменными коэф. Напр., в случае колебат. контура с перем. ёмкостью C(t)(в отсутствие омического сопротивления) ур-ние относительно заряда q(l)имеет вид

(ур-ние Xилла). Согласно Флоке теореме, общее решение (2) можно записать в виде

где С_1,2 - произвольные коэф., определяемые нач. условиями, - периодич. ф-ция с периодом Т_н - коэф., зависящий от параметров системы. При выполнении условия (1) и один из членов (3) даёт нарастающие во времени колебания. Наиб. быстрая раскачка имеет место при п = 1, когда частота накачки равна частоте колебаний величин W_о и W_M в системе Нарастание колебаний возможно не только при точном выполнении соотношений (1), но и в нек-рых конечных интервалах значений вблизи (в зонах неустойчивости), ширина зон тем больше, чем сильнее изменяются параметры С и L. Изменение параметра, напр. ёмкости С, характеризуют величиной

т = (Смакс - С мин)/(Cмакс + Cмин),

наз. глубиной изменения параметра. В частном случае синусоидального изменения

[ур-ние (2) при этом наз. ур-нием Матьё] в осн. зоне (п = 1) при т 1 инкремент равен

так что в середине зоны во второй зоне (п =2) ~ m², в третьей ~ т³ и т. д.
П. р. приводит к неустойчивости колебат. системы, т. е. к нарастанию малых нач. возмущений, напр. неизбежных во всякой системе флуктуаций, среди к-рых всегда найдётся составляющая с подходящей фазой по отношению к фазе изменения параметров. В отсутствие потерь энергии параметрич. неустойчивость наступает при сколь угодно малой глубине изменения параметров. Если же в системе имеются потери (напр., в контуре присутствует сопротивление R), то неустойчивость возникает только при достаточно больших изменениях С или L, когда параметрич. накачка энергии превосходит потери. Зоны неустойчивости при этом соответственно уменьшаются или даже исчезают совсем (на рис. 2) уменьшать l в нижнем и увеличивать в крайних положениях [при этом снова выполняется соотношение (1)], то работа внеш. силы, совершаемая в ср. за период, оказывается положительной и колебания могут раскачиваться. На П. р. основано самораскачивание на качелях, когда эфф. длина маятника периодически изменяется при приседаниях и вставаниях качающегося. П. р. учитывается в небесной механике при расчёте возмущений планетных орбит, вызванных влиянием др. планет.
В колебат. системах с неск. степенями свободы (напр., в системе из двух связанных контуров, маятников и др.) возможны нормальные колебания (моды) с разя, частотами, Поэтому колебания энергии, запасённой в к--л. реактивном элементе, содержат не только составляющие с частотами., но и с частотами, равными суммам и разностям разл. нормальных частот. Соответственно нарастание колебаний здесь возможно как при выполнении условия (1) для любой из нормальных частот, так и, напр., при изменении параметра с суммарной частотой:

П. р. приводит к самовозбуждению обоих нормальных колебаний с определ. соотношением фаз. Резонансная связь мод возможна также при однако при этом вместо самовозбуждения происходит лишь периодич. перекачка энергии между модами. Соотношение (2) выражает закон сохранения энергии при распаде кванта "накачки" с энергией на два кванта: и . Отсюда следует также, что мощность Р_н, поступающая в колебат. систему на частоте, и мощности Р₁, Р₂, потребляемые на частотах и пропорц. соответствующим частотам (частный случай т. н. соотношений Мэнли - Роу):

В колебат. системах с распределёнными параметрами, обладающих бесконечным числом степеней свободы, также возможно возбуждение нормальных колебаний в результате П. р. Классич. пример - опыт Мельде (1859), в к-ром наблюдалось возбуждение поперечных колебаний (стоячих волн) в струне, прикреплённой одним концом к ножке камертона, колебания к-рого периодически меняют натяжение струны (рис. 4) с частотой, вдвое больше частоты собств. поперечных колебаний. П. р. может приводить к раскачке изгибных колебаний вращающихся валов. Др. пример - опыт Фарадея (1831), в к-ром вертикальные колебания сосуда с водой приводит к возбуждению стоячей поверхностной воды с удвоенным периодом.

Рис. 4. Параметрическое побуждение колебаний струны.

Существ. особенность П. р. в волновых системах состоит в том, что его эффективность зависит от соотношения между законом изменения параметров системы в пространстве и пространственной структурой воли. Напр., если накачка, изменяющая параметры среды, представляет собой бегущую волну с частотой и волновым вектором k_H, то возбуждение пары нормальных волн с частотами, и волновыми векторами k₁, k₂ осуществляется, если выполняются условия П. р. как во времени, так и в пространстве:

k_H = k+ k₂. (4)

В предельном случае бесконечно большой фазовой скорости волны накачки(k_н0 при конечном ) условия (4) дают k₂ - k₁, и в простейшем случае т. е. нарастать может стоячая волна на половинной частоте. В другом предельном случае ( 0 при конечном k_н,) равенства (4) сводятся к условию резонансного (брэггов-ского) отражения от неподвижной периодич. неоднородности среды; здесь полная энергия сигнала остаётся постоянной, а происходит его отражение (непропускание) периодич. структурой.
На квантовом языке условия (4) означают, что при распаде кванта накачки сохраняются как энергия, так и импульс. Нарастание амплитуд волн во времени и в пространстве (распадная неустойчивость) также ограничивается нелинейными эффектами: если значит. часть энергии накачки израсходована на возбуждение этих волн, то возможен обратный процесс - рост энергии накачки за счёт ослабления волн на частотах, ; в среде без потерь такой обмен энергией происходит периодически.
Возможны также многоволновые процессы, когда во взаимодействии участвует большее число волн.
Параметрич. и нелинейные резонансные взаимодействия волн характерны, напр., для разл. типов волн в плазме, мощных световых волн (см. Параметрический генератор света ),волн в электронных пучках и др. волновых процессов.

Лит.: Мандельштам Л. И., Лекции по теории колебаний, М., 1972; Основы теории колебаний, 2 изд., М., 1988; Рабинович М. И., Трубецков Д. И., Введение в теорию колебаний и волн, М., 1984.

Л. А. Островский, Н. С. Степанов.

   <<      Предметный указатель      >>