Текст
                    В.В МИГУЛИН, В.И.МЕДВЕДЕВ
Е.РМУСТЕЛЬ, В.Н.ПАРЫГИН
основы
ТЕОРИИ
КОЛЕБАНИЙ

В.В.МИГУЛИН, В.И.МЕДВЕДЕВ Е.Р.МУСТЕЛБ, В.Н.ПАРЫГИН ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИЙ иод редакцией В. В. МИГУЛ ИНА Попущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР е качестве учебного пособия для студентов физических специальностей высших учебных заведений МОСКВА «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ физико математической литературы 1 978
22.336 0-80 УДК 534 Основы теории колебаний. Мигулин В. В., Медведев В. И., Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Под ред. В. В. Мигулпна. — М.: Наука, 1978. Книга знакомит читателя с общими свойствами колебатель- ных процессов, происходящих в радиотехнических, оптических, механических и других системах, а также с различными качест- венными и количественными методами их изучения. Значительное внимание уделено рассмотрению параметрических, автоколеба- тельных и других нелинейных колебательных систем. Изучение описанных в книге колебательных систем и процес- сов в них приведено известными методами теории колебаний без подробного изложения и обоснования самих методов. Главное внимание уделено выяснению принципиальных особенностей изу- чаемых колебательных процессов на основе рассмотрения физи- чески обоснованных моделей реальных систем с использованием наиболее адекватных методов анализа. Рис. 249, библ. 19 назв. Владимир Васильевич Мигулин, Владлен Иосифович Медведев, Елена Рудольфовна Мустель, Владимир Николаевич Парыгин ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИЙ под редакцией В. В. М иг ул ина М., 1978 г., 392 стр. с илл. Редактор Н. А. Райская. Технич. редактор С. Я. Шкляр. Корректоры: О. А. Сигал, Т. С. Вайсберг. ИБ № 2173 Сдано в набор 10.0o.78. Подписано к печати 28.09.78. Бумага 60Х90’/1е, тип. № |. Лтера- турная гарнитура. Высокая печать. Условн. печ. л. 24.5. Уч.-изд. л. 24,18. Тираж 17 000 экз. Заказ № 1946 Цена книги 1 р. 10 к. Издательство «Наука» Главная редакция физико-математической литературы 117071, Москва В-71, Ленинский проспект, 15 Отпечатано с матриц Ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Ленинградское производственно-техническое объединение «Печатный Двор» имени А. М. Горького Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 197136. Ленин- град, П-136, Гатчинская ул., 26, в типографии № 2 изд-ва «Наука», Москва, Шубинский. пер., 10. Зак. 1052 _ 20402-15К ° 053(02)-78 87'78 © Наука. Главная редакция физико-математической Литературы, 1978
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие...................................................... 7 Введение ........................................................ 9 ГЛАВА 1 СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНСЕРВАТИВНЫХ СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 1.1. Консервативные колебательные системы и общее рассмотрение сво- бодных колебаний при консервативной идеализации ................. 14 § 1.2. Качественное рассмотрение колебаний маятника............. 23 § 1.3. Применение метода последовательных приближений........... 25 § 1.4. Свободные колебания в электрическом контуре без затухания с нелинейной емкостью............................................ 29 § 1.5. Свободные колебания в контуре с нелинейной индуктивностью 35 ГЛАВА 2 СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 2.1. Основные особенности колебательных процессов в диссипативных системах и методы их рассмотрения................................ 41 § 2.2. Качественное рассмотрение свободных колебаний в диссипативных системах при различных законах трения............................ 47 § 2.3. Построение фазовых траекторий свободных колебаний методом Льенара.................................................... 55 § 2.4. Исследование свободных колебаний в нелинейных диссипативных системах с одной степенью свободы методом поэтапного рассмот- рения ........................................................... 60 § 2.5. Метод медленно меняющихся амплитуд и его применение к рас- чету колебаний в слабо нелинейных системах с малым затуха- нием ............................................................ 70 ГЛАВА 3 КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ § 3.1. Вынужденные колебания в линейной системе при гармоническом силовом воздействии.............................................. 80 § 3.2. Элементы теории амортизации и регистрирующих приборов .... 87 1*
4 ОГЛ АПЛ I ill IE § 3.3. Вынужденные колебания в нелинейной консервативной системе при гармоническом силовом воздействии .... ........... 98 § 3.4. Приближенное рассмотрение работы умножителя частоты с нели- нейной емкостью................................................. 106 § 3.5. Рассмотрение вынужденных колебаний в слабо нелинейных дис- сипативных системах при гармоническом силовом воздействии методом гармонического приближения.............................. 112 § 3.6. Применение метода медленно меняющихся амплитуд к анализу поведения слабо нелинейных систем с малыми потерями при гар- моническом силовом воздействии.................................. 119 ГЛАВА 4 КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ § 4.1. Параметрическое воздействие на колебательные системы.... 129 § 4.2. Общие замечания о резонансных явлениях в колебательных систе- мах ............................................................ 139 § 4.3. Свойства активных систем и параметрическая регенерация .... 144 § 4.4. Основные особенности одноконтурных параметрических усилителей 151 § 4.5. Параметрическая генерация электрических колебаний (параметри- ческие генераторы).............................................. 160 § 4.6. Параметрические преобразователи (параметрические генераторы второго рода) .................................................. 172 ГЛАВА 5 АВТОКОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 5.1. Основные физические определения и классификация автоколеба- тельных систем.................................................. 186 § 5.2. Вырожденные автоколебательные системы.................... 191 § 5.3. Общее рассмотрение автоколебательных систем.............. 196 § 5.4. Автоколебательные системы томсоновского типа............. 201 § 5.5. Особенности поведения автоколебательных систем, содержащих инерционные элементы...................................... 210 § 5.6. Поведение автоколебательных систем при внешнем гармоническом воздействии..................................................... 215 § 5.7. Автоколебательные системы с запаздывающими силами........ 224 ГЛАВА 6 КОЛЕБАНИЯ В ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМАХ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ §6.1. Собственные колебания системы с двумя степенями свободы . 238 § 6.2. Связь и связанность...................................... 244 § 6,3. Вынужденные колебания в системах с двумя степенями свободы 248
ОГЛАВЛЕНИЕ Б ГЛАВА 7 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ §7.1. Двухконтурный параметрический усилитель..................... 254 § 7.2. Параметрический двухконтурный генератор с некратными часто- тами ......................................................... 261 § 7.3. Параметрическое деление частоты............................. 266 § 7.4. Общее рассмотрение автоколебательной системы с дополнитель- ным контуром ................................................. 269 § 7.5. Явление затягивания ........................................ 274 § 7.6. Взаимная синхронизация двух связанных генераторов........... 278 ГЛАВА 8 КОЛЕБАНИЯ В ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМАХ С эт СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ §8.1. Собственные колебания в консервативных системах.... . 281 § 8.2. Ортогональность нормальных колебаний и экстремальные свойства собственных частот.......................................... 285 § 8.3. Колебания п-атомной молекулы......................... 290 § 8.4. Вынужденные колебания в системах с п степенями свободы . . . 295 § 8.5. Колебания в диссипативных системах с степенями свободы . . . 297 § 8.6. Колебания в однородных цепочках............................. 298 ГЛАВА 9 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С п СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ §9.1. Параметрические системы с п степенями свободы. Соотношения Мэнли—Роу..................................................... 307 § 9.2. Автоколебательные системы с тремя степенями свободы.. 311 § 9,3. /?С-генераторы почти гармонических колебаний................ 316 ГЛАВА 10 КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ § 10.1. Основы теории распределенных систем........................ 319 § 10.2. Собственные колебания в системах конечной длины............ 328 § 10.3. Вынужденные колебания распределенных систем................ 334 § 10.4. Обратная реакция системы на генератор...................... 341
6 ОГЛАВЛЕНИЕ ГЛАВА II РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ § 11.1. Автоколебательная система с неэквидистантным спектром собст- венных частот................................................... 346 § 11.2. Стационарные автоколебания..................................... 351 § 11.3. Распределенная автоколебательная система с эквидистантным спектром собственных частот .................................... 355 § 11.4. Лазер как распределенная автоколебательная система............. 360 ГЛАВА 12 ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕОДНОРОДНЫХ И в НЕЛИНЕЙНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ § 12.1. Волновые процессы в неоднородных линиях........................ 370 § 12.2. Волновые процессы в нелинейной системе при отсутствии дисперсии 375 § 12.3. Не инейная система с дисперсией. Генерация второй гармоники 382 § 12.4. Взаимодействие трех волн в нелинейной системе. Высокочастот- ная накачка..................................................... 386 § 12.5. Взаимодействие трех волн в нелинейной системе. Низкочастот- ная накачка..................................................... 390 Список основной литературы ..... ...................................... 392
ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время можно с полной уверенностью говорить о теории колебаний как о вполне определившейся дисциплине, посвященной изучению общих закономерностей колебательных процессов в различных системах. Имеется обширная литература по вопросам теории колебаний, и на русском языке издано не- мало отличных книг по различным отдельным ее разделам. Однако, по нашему мнению, большинство из них посвящено рассмотрению методов теории колебаний, а изучение колебательных процессов и их специфики в конкретных системах проводится лишь для иллюстрации тех или иных приемов. С другой стороны, есть ряд интересных монографий, посвященных рассмотрению отдельных типов колебательных процессов в частном классе систем. Вместе с тем, по нашему мнению, в основе теории колебаний для физи- ков и специалистов инженерных специальностей должно лежать рассмотрение колебательных процессов в различных динамических системах, встречающихся в технике и физике, с. использованием в каждом случае наиболее адекватных методов анализа и расчета. Поэтому наибольшее внимание должно быть уделено рассмотре- нию нелинейных систем с использованием соответствующих мето- дов анализа. Эти соображения определяли выбор материала и характер изложения курса «Теория колебаний», который многие годы чи- тается студентам третьего и четвертого курсов отделения радио- физики и электроники физического факультета МГУ. В предлагаемой читателю книге сделана попытка систематически и в краткой форме изложить содержание этого курса в том виде, в каком он сложился к настоящему времени. Авторы считают, что данное учебное пособие может быть полезным для слушате- лей ряда высших учебных заведений при подготовке специалистов радиофизического и радиотехнического профиля, а также для инже- неров и научных работников других специальностей, сталкиваю- щихся в своей деятельности с колебательными и волновыми про- цессами в других областях. Главное внимание в книге уделяется рассмотрению колеба- тельных процессов в различных, наиболее распространенных
8 ПРЕДИСЛОВИЕ колебательных системах от простейшего колебательного контура до лазера как колебательной системы. При этом в каждом отдель- ном случае использовались те из известных методов и приемов анализа расчета, которые наиболее адекватны данной задаче. Рассмотрению же и обоснованию применяемых методов и приемов уделяется минимально необходимое внимание и место, чтобы со- средоточить изучающего курс теории колебаний на самих коле- бательных процессах и научить использовать конкретные методы и общий подход к рассмотрению колебаний и связанных с ними волновых процессов в различных динамических системах. Во всех рассмотренных случаях теоретический анализ сопровождается качественным физическим толкованием особенностей колебатель- ных процессов. Введение написано В. В. Мигулиным и им совместно с В. И. Медведевым написана первая часть книги (главы 1—5). Вторая часть книги (главы 6—12) написана Е. Р. Мустель и В. Н. Парыгиным. В. В. Мигулин
ВВЕДЕНИЕ Колебания — это повторяющиеся ограниченные движения отно- сительно некоего среднего состояния, которое в частном случае может быть состоянием равновесия. Такое определение объединяет весьма широкий круг явлений, встречающихся в природе, изу- чаемых физиками и находящих многочисленные применения в тех- нике. Предметом теории колебаний является рассмотрение общих закономерностей колебательных процессов в различных динами- ческих системах. Колебательные процессы в системах с постоянными парамет- рами (в линейных системах) изучены уже сравнительно давно, и математическая их теория развита с большой полнотой. Однако изучение общих закономерностей колебаний в системах с пара- метрами, зависящими от состояния системы (в нелинейных систе- мах), началось значительно позднее и долгое время рассматрива- лись лишь отдельные частные задачи без обобщения полученных результатов на широкие классы динамических колебательных систем и протекающие в них процессы. Общий подход к изучению колебательных процессов был впер- вые сформулирован в трудах Л. И. Мандельштама, который в 1931 г. создал в Московском университете кафедру колебаний и тогда же начал читать курс теории колебаний. В теории колебаний изучаются колебательные процессы с целью выяснения общих особенностей и закономерностей протекания этих процессов в различных динамических системах и условий их существования, т. е. проводится рассмотрение специфического типа движений, присущего определенному классу систем. Подоб- ные динамические системы, в которых могут существовать коле- бательные процессы, принято называть колебательными систе- мами. Современная теория колебаний, естественно, в большой сте- пени основывается на тех работах, в которых был развит соот- ветствующий подход к колебательным процессам и разработаны методы их рассмотрения. В этой связи представляется необходимым упомянуть ряд имен ученых, внесших наиболее фундаментальный вклад в учение о колебаниях.
10 ВВЕДЕНИЕ Дж. В. Стрэтт (лорд Рэлей, 1842—1919) в своем труде «Тео- рия звука» впервые изложил расчеты ряда колебательных про- цессов с последовательным учетом нелинейных свойств колеба- тельных систем. В современной теории колебаний используются также математические методы, развитые А. Пуанкаре (1854—1912) в его работах по небесной механике; нашли применение и иссле- дования А. М. Ляпунова (1857—1918) по устойчивости движений и методы расчета колебательных движений, развитые А. Н. Кры- ловым (1863—-1945). Очень большое значение для формирования теории колебаний имели основополагающие работы Ван дер Поля (1889—1959) по колебаниям в некоторых нелинейных системах и общие исследования колебательных процессов в нелинейных си- стемах, проведенные А. А. Андроновым (1901—1952), развившим учение о самоподдерживающихся колебательных процессах, на- званных им автоколебаниями. Этот термин в настоящее время является общепринятым. При развитии теории колебаний весьма большое внимание уделялось разработке эффективных методов анализа и расчета различных колебательных процессов, и в настоящее время накоп- лен богатый арсенал приемов и путей рассмотрения широкого круга задач. Однако следует иметь в виду, что для физиков и специалистов технических направлений теория колебаний — это не совокупность методов анализа и расчета, а изучение закономерностей протека- ния колебательных процессов в реальных системах с использова- нием в каждом случае наиболее адекватных методов рассмотрения. При этом чрезвычайное многообразие колебательных систем и их свойств требует при изучении протекающих в них колебательных процессов нахождения общих черт у различных колебательных систем и объединения их по наиболее характерным признакам в определенные классы и типы. Однако последовательная классификация различных колеба- тельных систем при их изучении возможна лишь при условии замены конкретных реальных систем с их неизбежным чрезвы- чайным многообразием свойств моделями, в которых отражается только ограниченное число основных черт, существенных для изучаемых колебательных процессов. Выбор модели, передающей наиболее важные, основные и опре- деляющие свойства изучаемой реальной системы и вместе с тем достаточно простой для применения известных методов анализа и расчета — первый и очень важный этап всякой теории и в том числе теории колебаний. Такой выбор —первое упрощение рас- сматриваемой задачи, и от его правильности решающим образом зависит реальность и достоверность результатов последующего исследования, а также оправданность выбора метода дальнейшего анализа. Избыточно точный расчет чрезмерно грубой модели ли-
ВВЕДЕНИЕ 11 шен смысла, так же как и использование очень сложной и учи- тывающей весьма многие детали реальной системы модели при ее дальнейшем грубом и упрощенном анализе. Во всех случаях весьма важно правильно выбрать соответствие между степенью идеализации при переходе к модели, точностью аналитической аппроксимации реальных физических зависимостей и точностью применяемых математических методов. Заменяя реальные динамические системы их соответственно выбранными моделями, мы можем провести последовательную классификацию систем и протекающих в них колебательных про- цессов по различным признакам. Кинематические признаки — основа классификации колебательных движений. Основа класси- фикации колебательных систем — их динамические свойства. Кинематическими признаками колебательного движения являются его периодичность и форма (амплитуда). Для строго периодических процессов выполняется соотношение F (t)— — F (t -ф Т) == 0, справедливое для любого момента времени t, где Т — период данного колебательного движения; 1/7 = v —число периодов в единицу времени, или частота. Широко используется так называемая угловая, или круговая, частота со = 2лт. Особое значение имеет простейший вид колебательного про- цесса — гармоническое колебание F (/) = a cos (2л т/ ф- %) =гй cos (со/ -ф <р0); здесь а — амплитуда колебания, со/ + <р0 — мгновенная фаза, ср0 — на- чальная фаза колебания. Гармонические колебания представляют особый интерес не только в силу простоты их аналитического представления, но в первую очередь потому, что эта форма дви- жений наиболее обычна для колебательных процессов в системах с постоянными параметрами и чрезвычайно часто встречается в реальных процессах, изучаемых в физике и в технических дисциплинах. В зависимости от природы изучаемых колебательных движений встречаются периоды, имеющие самые различные значения. Так, например, периоды обращения планет Солнечной системы состав- ляют величины порядка 108 с, период вращения Земли, периоды приливных процессов — величины порядка 105 с, периоды колеба- ний маятников в часах — порядка 10° с. Периоды колебаний, изучаемых в акустике,—от 10 1 до 10 4 с; в радиотехнике имеют дело с колебаниями с периодами от 10 4 до 1012с. Колебания молекул, связанные с инфракрасным излучением, имеют периоды порядка 10~12 — 10 14 с. Оптический диапазон соответствует перио- дам колебаний 10 14 — 10 16 с, связанных с атомными процессами, а периоды колебаний, соответствующих рентгеновскому излуче- нию, составляют 10~17 — 10~1Я с. Из приведенных примеров видно, насколько различаются величины периодов колебательных про-
12 ВВЕДЕНИЕ цессов, изучаемых в астрономии, физике, технике, с которыми приходится сталкиваться исследователям. Однако у всех этих процессов, имеющих самую различную природу, есть ряд общих свойств и особенностей, которыми занимается теория колебаний. Следует отметить, что строгой периодичности реальных про- цессов в природе нет и строгая периодичность — это тоже идеали- зация. В реальных колебательных системах всегда существуют возмущающие силы, случайные смещения (например, флуктуа- ционные) и нестабильность параметров, исключающие возможность идеальной периодичности. Поэтому более последовательным было бы изучение колебательных процессов, в которых условие перио- дичности выполняется приближенно, т. е. положить в основу рассмотрения почти периодические колебания, для которых | F (t) — F (t + Т (е)) | е, где е — любая наперед заданная малая величина и Т (е) — почти период. Примером такого процесса мо- жет служить процесс затухающих колебаний F (0 = Ae~6t cos (со< 4- <р0) при достаточно малом 6. Здесь Т = 2л/со — почти период. Процесс, представляющий собой сумму двух периодических колебаний с несоизмеримыми частотами, также служит примером почти периодического движения F (0 = ai cos cojZ + а2 cos со2/. Если, кроме того, можно указать такие m и п, что т7\ — пТ2 | Р> то тТ\ или пТ2 также являются почти периодами этого процесса при достаточно малом значении р. Однако теория почти периодических процессов сложна и во многих случаях мало разработана. Поэтому в основу рассмотре- ния большинства колебательных задач можно положить допуще- ние о периодичности наряду с существованием заведомо неперио- дических колебательных процессов. Помимо периодичности, колебательные движения характери- зуются формой и амплитудой, и эти кинематические признаки позволяют определенным образом классифицировать разнообраз- ные процессы колебаний. В теории колебаний, как уже упоминалось, главной задачей является изучение колебательных процессов в определенных ди- намических системах —в колебательных системах. Поэтому необ- ходима классификация колебательных систем по их динамическим свойствам. Подобная классификация, естественно, будет полностью последовательной лишь для соответствующих моделей с ограни- ченным числом свойств. Классификацию колебательных систем можно провести по ряду признаков: во-первых, по числу степе- ней свободы, во-вторых, по энергетическим признакам, разделяя системы на активные (с внутренним источником энергии) и пас-
ВВЕДЕНИЕ 13 сивные, в-третьих, по свойствам параметров системы, выделяя системы с параметрами, не зависящими от ее состояния (линейные системы), и с параметрами, зависящими от состояния системы (нелинейные системы), в-четвертых, по условиям действия, раз- деляя системы на автономные и неавтономные. Очевидно, что простейшими колебательными системами являются системы с одной степенью свободы, с которых и начинается рас- смотрение колебательных процессов в идеализированных динами- ческих системах (гл. 1—5). Далее рассматриваются автономные и неавтономные системы с двумя и большим числом степеней сво- боды (гл. 6—9), а также колебательные и некоторые волновые процессы в системах с распределенными параметрами (гл. 10—12). Следует иметь в виду, что системы с одной степенью свободы представляют собой объект, наиболее доступный для исследования возможных колебательных движений при самых разных их нели- нейных свойствах. Нелинейные же системы с двумя и большим числом степеней свободы и распределенные системы поддаются последовательному анализу лишь в отдельных частных случаях. Их рассмотрение даже в линейном приближении значительно более сложно, громоздко и не допускает ряда качественных и наглядных приемов, которые возможны для систем с одной сте- пенью свободы. Поэтому изложение материала в гл. 6—12 имеет несколько другой характер, чем в первых главах: оно несколько более конспективно, в целях выделения основных физических результатов опускается ряд промежуточных выкладок, особенно при применении изложенных ранее методов анализа. Однако эти различия в изложении отдельных разделов, по нашему мнению, вполне оправдываются спецификой рассматриваемых вопросов, тем более, что значительная часть материала, приведенного в книге, ранее не излагалась в учебных пособиях по теории ко- лебаний. При написании этой книги авторы считали своей главной за- дачей наиболее полное, последовательное и обоснованное рас- смотрение колебательных процессов в различных динамических системах, имеющих значение в физике и технике, с использова- нием в каждом отдельном случае наиболее адекватных данной задаче методов анализа и расчета.
ГЛАВА 1 СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНСЕРВАТИВНЫХ СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 1.1. Консервативные колебательные системы и общее рассмотрение свободных колебаний при консервативной идеализации При рассмотрении колебательных систем мы должны уделить особое внимание системам с малым затуханием, в которых вели- чина энергии, рассеиваемой за период (или почти период) коле- баний, мала по сравнению с общим запасом энергии, связанным с . исследуемым движением. В подобных системах наиболее ярко проявляются их колебательные свойства. В большом числе прак- тических применений мы встречаемся с высокодобротными коле- бательными системами. Можно упомянуть резонансные элементы входных цепей радиоприемных устройств, колебательные контуры, входящие в состав полосовых фильтров, маятник или баланс в часовых механизмах, колебательные элементы в частотомерах и спектр-анализаторах и др. Многие колебательные свойства подобных систем весьма мало зависят от величины и характера затухания, если оно при этом остается достаточно малым. Поэтому, ограничиваясь не слишком большими по сравнению с периодом колебаний интервалами вре- мени, мы при изучении многих важных особенностей колебатель- ных процессов можем вообще пренебречь затуханием и рассмат- ривать изучаемую систему как консервативную. Очевидно, что при этом имеет место существенная идеализация и применение выводов, полученных при рассмотрении подобной идеальной системы, к реальной должно проводиться с учетом тех особен- ностей, которые вносятся затуханием, всегда наблюдаемым в реаль- ных физических устройствах. Консервативные колебательные системы — это идеализированные системы, в которых запас механической или электромагнитной энергии, или и той и другой в совокупности, в процессе совер- шения колебаний остается постоянным. Существует также целый класс колебательных систем, в кото- рых потери за период колебаний пополняются за счет внутреннего источника энергии и, таким образом, запас энергии не меняется от периода к периоду колебаний. Такие системы носят название автоколебательных и будут рассмотрены в другом разделе книги.
$ 1.1] ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИИ 15 Несмотря на отсутствие в природе консервативных колебатель- ных систем, их изучение позволяет получить много данных, по- могающих исследованию систем, отличных от консервативных, особенно систем, близких к ним. Число степеней свободы системы определяется числом незави- симых переменных, которое необходимо для полного описания движения системы. Ограничивая свое рассмотрение системами с одной степенью свободы, мы в общем случае должны для опи- сания движений в консервативных системах рассматривать диф- ференциальные уравнения второго порядка *) х = Ф(х, х). (1.1.1) Однако подобное уравнение будет описывать движение в кон- сервативной системе не при любом виде функции Ф(х, х). Для упрощения рассмотрения начнем с изучения случая, когда урав- нение, описывающее движение в исследуемой системе, не содер- жит х, т. е. возвращающая сила не зависит от скорости. Тогда общим видом подобного дифференциального уравнения второго порядка будет уравнение x = f(x), (1.1.2) причем считается, что от вида F (х, х) = 0 всегда можно перейти к виду (1.1.2), разрешив это уравнение относительно х. Для механических систем в описывающих их уравнениях типа (1.1.2) можно считать, что вторая производная х представляет приведенную силу инерции, а правая часть — возникающую в сис- теме силу, связанную только с положением рассматриваемой массы (например, упругую силу), и обе они отнесены к единице массы. В электрических системах, для которых принимается, что основ- ная переменная х — заряд, левая часть уравнения (1.1.2) зависит от э. д. с., возникающей на индуктивности, а правая часть —от э. д. с. на емкости системы. К уравнению типа (1.1.2) приводится, например, уравнение гармонического осциллятора лсфс = 0. (1.1.3) Для идеального математического маятника (рис. 1.1) с дли- ной подвеса / и массой т, находящегося в поле тяготения с уско- рением g, дифференциальное уравнение движения для угловой координаты ф имеет вид Ф -|- (Dq sin ф — 0, (1.1.3а) где ио —£//• *) Здесь, как и далее, дифференцирование по времени мы часто будем обозначать точками над соответствующей переменной.
16 консервативные системы с ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. f В случае электрического колебательного контура без (рис. 1.2) уравнение движения, найденное из уравнения гофа, принимает вид потерь Кирх- L(] + q/C = 0; если в нем положить x = q и обозначить <о§ = 1/2LC, то вновь получим уравнение (1.1.3). Оба уравнения (1.1.3а) и (1.1.3) описывают процессы колебаний в консервативных системах, но уравнение (1.1.3) линейно относи- тельно координаты х и, следова- тельно, описывает движение в линей- ной колебательной системе. Напро- тив, уравнение (1.1.3а) нелинейно Рис. 1.1. Математический маятник. Рис. 1.2. Электрический контур без потерь. относительно координаты <р (возвращающая сила пропорциональна sin<p), и поэтому колебательная система, описываемая этим урав- нением, нелинейна. Вернемся к рассмотрению уравнения (1.1.2). Считая, что функ- ция f(x) является голоморфной, интегрируемой и, в общем слу- чае, нелинейной функцией координаты х, введем новую перемен- ную у=И, которая позволяет исключить из уравнений движений время в явном виде, хотя по-прежнему x = x (t) и у=*у(1). Тогда можно записать d2x dy___dy dx _ dy dt2 dt ~ dx di dx V' В новых координатах уравнение (1.1.2) принимает следующий вид: (1-1.4) Проинтегрировав последнее уравнение, получим V# — f (х) dx = h, (1.1.5) где h = const. Выражение — f(x) dx= V (x) есть потенциальная функция, пропорциональная потенциальной энергии системы; величина Vai/2 представляет кинетическую энергию, отнесенную к единичной массе. Поэтому соотношение »/#+И(ж)-Л (Ы.6)
§ 1.1] ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ 17 является естественной записью условия консервативности системы, выражающегося в постоянстве общего запаса энергии. Для более общего случая, когда возвращающая сила зависит от скорости, уравнение (1.1.1) может быть записано в виде = (1.1.7) dx у ' ’ В этом случае (1.1.1) будет описывать консервативную систему при условии существования однозначного интеграла этого уравнения вида F (х, у) — const. При замене г/ = х можно использовать известный метод рас- смотрения поведения исследуемой системы с помощью фазовой плоскости — плоскости переменных х и у. Каждому состоянию системы соответствует пара значений х и у, т. е. точка на фазовой плоскости. Будем называть подоб- ную точку, координаты которой однозначно определяют мгно- венное состояние системы, описывающей или изображающей точ- кой. Очевидно, что при движении, совершаемом системой, будут происходить изменения величин х и у, а следовательно, описы- вающая точка будет перемещаться по некой кривой, которую принято называть фазовой траекторией движения. Для исследуемой системы переменные х и у связаны системой двух дифференциальных уравнений первого порядка х — у, (1.1.8а) WW (1-1-86) или одним уравнением dy/dx = f (х)/у (см. (1.1.4)), интеграл кото’ рого дает уравнение фазовых траекторий *). Из общих свойств дифференциальных уравнений следует, что через каждую точку фазовой плоскости должна проходить одна и только одна фазо- вая траектория, за исключением тех точек, в которых f (х) и у одновременно обращаются в нуль. В этих особых точках направ- ление и число фазовых траекторий становятся неопределенными и свойства системы при таких значениях координат нуждаются в специальном изучении. Заметим, что, получая уравнение фазовых траекторий, мы исключили время в явном виде. Форма фазовой траектории дает только некоторое указание о временном ходе изучаемого *) В общем случае интегральные кривые, описываемые интегралом урав- нения (1.1.4), не однозначно соответствуют фазовым траекториям, однако1 мы в дальнейшем, интересуясь в первую очередь формой этих кривых, будем считать, что уравнение (1-1.4) дает семейство фазовых траекторий, однозначное определение которых требует некоторого дополнительного рассмотрения с уче- том начальных условий и свойств изучаемой системы.
18 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 процесса и без дополнительных исследований не позволяет количес- твенно получить основную переменную х в функции t. Рассмотрим условия, при которых в системе возникают сос- тояния равновесия. В равновесном состоянии скорость движения обращается в нуль, и в системе должны отсутствовать силы, вызы- вающие движение, т. е. у — х = 0 и у = Я = О. (1.1.8) Отсюда следует, что в точках, соответствующих положениям рав- новесия (у —О, x — Xi), f(x.) = O, (1.1.9) и потенциальная функция V (х) при x — xt имеет экстремум, так как y — f(x]— — а при х = х{ (1.1.10) Особые точки, в которых выполняется условие (1.1.10), назы- ваются особыми точками первого порядка. Если ~V(x)\ =0, £rV(x)| #=0, dxn v '\x^xl axnn ' = где n — 1, 2,..., то мы имеем дело с особыми точками порядка п. Таким образом, мы видим, что положения равновесия системы соответствуют r/,- = 0, f(x,-) = O, т. е., как указывалось, особым точкам на фазовой плоскости. Пусть координаты особой точки на фазовой плоскости будут x = xt, у — 0. Обозначим V (xt) = hi. Если V (х) при х = х/ имеет минимум, то аЛЧ-»,-0’ (1L,1> В окрестностях точки x — xt потенциальную функцию V (х) можно разложить в ряд по степеням g = х — х,- VW-VP()+sL_.,E+‘'.SL,P+... (1-1.12) Для малых вариаций х и у вблизи положения равновесия можно написать уравнение фазовых траекторий (1.1.6) в виде 1/2TJ2+V(xz) + 1/2Sv(x)|je=x^s = /t, (1.1.13) или т]24-а|2 = 2 (ft — hi), (1.1.14) где я = у, а = d2 V (x)[dx21 х = > 0.
$ 1.1J ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ 19 Таким образом, с точностью до высших степеней £ мы полу- чили в качестве уравнений фазовых траекторий вблизи положе- ния равновесия, соответствующего минимуму потенциальной функции (а следовательно, и потенциальной энергии), уравнения эллипсов. Эти эллипсы различаются между собой величиной полуосей, определяемой значением h — ht. Выбирая различные значения h, мы получаем различные эллипсы, которые по мере приближения h к ht уменьшаются, стягиваясь в точку (х/, 0) при h — ht. Наличие на фазовой плоскости замкнутых фазовых траекто- рий (например, эллипсов в окрестностях рассмотренной особой точки) указывает на существование периодических движений. Из нашего анализа следует, что в окрестностях особой точки, отве- чающей минимуму потенциальной энергии, происходят периодиче- ские движения с эллиптическими фазовыми траекториями, соот- ветствующими гармоническим колебаниям. Реальное движение тем ближе к гармоническому, чем меньше превышение запаса энергии системы над запасом энергии в точке равновесия, т. е. чем меньше величина h — ht. В системах, в которых потенциальная функция dn представляет собой квадратичную функцию координаты х, V (х) всегда равно нулю при п > 2, и уравнение фазовых траекторий имеет вид г/2 + ах2 = const (1.1.15) для любых значений И. — 1ц. Можно лишь указать, что этот слу- чай относится к тривиальному случаю линейной системы, так как, если V (х) = «о + aix + а^х2, то f (х) — — — 2а2х, и уравнение движения имеет вид х-|-2а2х =—ах. Последнее уравнение пред- ставляет собой известное уравнение гармонического осциллятора. Таким образом, исследованное положение равновесия (мини- мум потенциальной функции) соответствует на фазовой плоскости особой точке, называемой особой точкой типа центр, и отвечает положению равновесия, относительно которого система может совершать колебания, близкие к гармоническим или точно гар- монические. Для представления на фазовой плоскости таких движений характерно наличие семейства замкнутых фазовых траекторий, окружающих центр, причем они (за исключением специальных случаев зависимости потенциальной функции от координаты в окрестностях данной особой точки) всегда стремятся к эллипсам при уменьшении амплитуды колебаний. Для рассмат- риваемого случая можно из уравнения (1.1.6) получить после ряда простых выкладок выражение для периода колебаний z/ = ±/2[/l-V(x)]. (1.1.16)
20 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Так как y = dx/dt, то dt = dx/[± У~2 У h—V (х)], и t= Г dx * Vh-V (х) 'с (1.1.17) Рассматривая движение в положительном направлении оси вре- мени и учитывая симметрию семейства фазовых траекторий отно- сительно оси х, получим при заданной амплитуде колебаний выра - жение для периода колебаний вида °2 Г = ]/2’ j ai dx V h — V (х)‘ (1.1.18) Здесь Oj и а2 — отклонения системы в моменты прохождения y = dx/dt через нулевые значения. Соответственно а2 — аг пред- ставляет собой полный размах колебаний при данном, но про- извольном запасе энергии h. В общем случае полученное выражение для Т будет функ- цией аг и а2, так что для нелинейной системы имеет место зави- симость периода колебаний от общего запаса энергии или раз- маха совершаемых колебаний (неизохронность колебаний в нели- нейных системах). Лишь для линейной системы, когда потенциальная функция представляет собой квадратичную функцию координат V (х) = а0 + cqx + а2х2 для колебаний вокруг положения равнове- сия имеем Т 2л/]/ 2а2 = л У~2/У~а2, т. е. период равен величине, не зависящей от амплитуды совершаемых колебаний. В этом слу- чае колебания становятся изохронными, и период свободных колебаний в линейной системе не зависит от сообщенного ей начального запаса энергии. Рассмотрим случай, когда положение равновесия системы, а следовательно, и особая точка на фазовой плоскости соответ- ствуют максимуму потенциальной функции V (х). Тогда, проводя те же выкладки, мы получим аналогичное уравнение для малых вариаций у и х, но и уравнение (1.1.14) примет вид т]2 — ag2 = 2 (h — hh). (1.1.19) (1.1.20) Это уравнение фазовых траекторий для окрестности исследуемой особой точки задает гиперболы с асимптотами ц = ±]/^1. (1.1.21)
§ 1.11 ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ 21 Таким образом, особая точка на фазовой плоскости, соответ- ствующая максимуму потенциальной функции, представляет собой такую особую точку, через которую проходят только две фазовые траектории и в ее окрестности все остальные фазовые траектории имеют вид гипербол. Подобные точки соответствуют неустойчи- вому положению равновесия, так как любое сколь угодно малое отклонение системы от положения равновесия приводит к даль- нейшему росту вариаций координат системы, т. е. к дальнейшему удалению от точки равновесия. На фазовой плоскости это соот- ветствует выходу описывающей точки из особой точки и ее даль- нейшему движению по одной из уходящих фазовых траекторий. Проиллюстрируем приведенные рассуждения графическими изображениями двух описанных типичных случаев, сделав одно очевидное замечание. По самому определению величины у = х значения у > 0 соответствуют росту х, а у <С 0 — убыванию х. Поэтому движения описывающей точки по фазовым траекториям всегда происходят в верхней полуплоскости фазовой плоскости в сторону возрастания х, а в нижней —в сторону убывания х. Если изобразить графически ф' вые траектории на основании ура решения у = ± ]/2 [h — V (х)], то, задаваясь различными значениями h, мы получим два характерных слу- чая (рис. 1.3, точки А и В). Значе- ние х = хА соответствует минимуму потенциальной функции V (х), и точка А (хА, 0) является особой точ- кой типа центр. Точка В (хв, 0), соответствующая максимуму функ- ции V (х), представляет собой осо- бую точку типа седло и отвечает на фазовой плоскости неустойчи- вому положению равновесия. Совокупность семейства фазо- вых траекторий и особых точек на фазовой плоскости принято называть фазовым портретом си- стемы — он графически изобра- жает ее динамические свойства. К этим двум основным элементам фазового портрета консервативной системы следует добавить еще фазовые траектории, пограничные между областями фазовой плоскости, соответствующими движе- ниям различного характера. Эти линии (например, линия С на рис. 1.3) носят название разделительных линий или сепаратрис. Их расположение очень наглядно показывает области возможных движений разного типа и те значения фазовых координат х и V (х) и построить фазо- L/2z/2 + V (х) = h или его Рис. 1.3. Построение фазовых тра- екторий по заданной функции V (х)-
22 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 у = Л, при которых одно движение переходит в другое. Напри- мер, на рис. 1.3 мы видим, как кривая С выделяет вокруг точки А область, внутри которой существуют колебательные движения вокруг устойчивого положения равновесия. Вне нее эти движения отсутствуют и характер движения системы, т. е. вид фазовых траекторий, может быть определен только при задании вида по- тенциальной функции V (х) для большей области изменений х. Вообще, в большинстве случаев возможность хотя бы прибли- женного построения фазового портрета системы чрезвычайно облегчает рассмотрение общих свойств системы, и вид фазового портрета сразу показывает ряд наиболее характерных свойств изучаемой системы. Поэтому метод фазовой плоскости является исключительно полезным при качественном рассмотрении различ- ных колебательных систем, особенно нелинейных. Мы здесь не будем излагать дальнейшего материала по мето- дам качественного рассмотрения динамических систем с помощью фазовой плоскости и по более подробному рассмотрению возмож- ных типов особых точек и фазовых траекторий консервативных систем. Все это можно найти в [1 — 3J. Приведенные здесь основ- ные сведения и определения следует рассматривать лишь как напоминание об основах метода фазовой плоскости, которым (с соответствующими пояснениями) мы в ряде случаев будем поль- зоваться в дальнейшем. Не распространяя качественное рассмотрение нелинейных кон- сервативных систем с одной степенью свободы на более сложные системы, для которых уравнение движения имеет не столь про- стой вид, напомним лишь ряд общих положений. Во многих случаях анализа более сложных систем целесооб- разно пользоваться уравнением движения Лагранжа = (1.1.22) dt \ду / дх ’ ' ' где L(x, #) —функция Лагранжа, которая для простых систем, подобных рассмотренной выше, представляет собой разность кине- тической и потенциальной энергий. Как известно, для систем со многими степенями свободы получается система уравнений Лаг- ранжа d IdL \ tdL \ р dt \dyi) \dx-t) ' i=I, 2, 3, п. Для консервативных электрических систем (даже во многих про- стых случаях) уравнение движения не приводится к виду х = = f(x), а имеет более сложный вид ф(х, х, х) = 0, что дает X = f (х, х), y = f(x, у) и уравнение фазовых траекторий запишется следующим образом: f(x. у) dx у (1.1.23)
§ 1.2] качественное рассмотрение колебаний маятника 23 В этом случае не всегда просто найти его интеграл и полу- чить уравнение для построения фазовых траекторий. Для консервативных систем существует так называемый интег- рал энергии yfy-L^h. (1.1.24) Иными словами, для таких систем существует интеграл уравне- ния движения вида F(x, y) = h. Геометрически это сводится к тому, что интегралами уравнения движения являются функции, соот- ветствующие фазовым траекториям (кривым равного уровня), полу- чающимся при сечении поверхности z=F(x, у) плоскостями z=h. Отсюда следует обязательность существования замкнутых фазовых траекторий, окружающих изолированные особые точки, или убегающих траекторий для ограниченных интервалов изме- нения х и у и невозможность для систем данного типа существо- вания особых точек, в которые стягиваются все фазовые траек- тории из прилегающей области, называемых фокусом или узлом,. Заметим, что при рассмотрении электрических систем легко столкнуться со случаем, когда в консервативной системе кинети- ческая энергия не выражается однородной квадратичной функ- цией х. Напомним, что в механике для большого числа задач инертная масса может считаться постоянной (т = const), и для соответственным образом выбранных координат кинетическая энер- гия есть однородная квадратичная функция, тогда как при использовании ферромагнетиков электрический эквивалент массы— индуктивность — часто становится функцией тока (скорости). Но независимо от того, встречаемся ли мы с простейшим слу- чаем или с упомянутыми здесь более сложными, все равно урав- нение фазовых траекторий позволяет нам получить фазовый портрет и произвести качественное рассмотрение изучаемой системы на фазовой плоскости. Разумеется не всегда может быть полу- чено простое выражение вида у = ± ]/2 |7г — V (х)], и тогда для построения фазового портрета системы необходимо применять более общие приемы, как, например, метод построения фазовых траекторий с помощью изоклин. § 1.2. Качественное рассмотрение колебаний маятника Для иллюстрации путей качественного исследования колеба- тельных движений весьма полезно рассмотрение некоторых типич- ных примеров механических систем. В качестве одной из простей- ших механических нелинейных консервативных систем рассмотрим идеальный маятник. Уравнение движения маятника (идеального) Imxmg sin х = О, х = — 8 sinx. (1.2.1)
24 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Вводя a>n = g/l, получаем (см. (1.1.2)) f(x) =— (o„sinx. Обозначая х = у, имеем y — f(x) или dy/dx =— («„ sin х)/у. Тогда с точностью до постоянной находим V (х) =—cdjCosx, и можно записать */# = h + ш0 COS X. (1.2.2) Используя это выражение, легко построить фазовые траектории движения данной системы и на- Рис. 1.4. Фазовый портрет маятника. рисовать на фазовой плоскости общий фазовый портрет системы (рис. 1.4). Два типа фазовых траекто- рий соответствуют двум типам движения. Замкнутые траекто- рии, окружающие особые точки типа центр с координатами у = О, х = 2пл (п — любое целое чис- ло), соответствуют колебатель- ным движениям маятника вок- руг устойчивого нижнего поло- жения равновесия, отвечающего минимуму потенциальной энер- гии. Особые точки у = 0, х — = (2п—1)л представляют осо- бые точки типа седло, соответ- ствующие верхнему положению равновесия маятника — максимуму потенциальной энергии. Убегающие траектории, которые получаются при соответствуют вращательным движениям маятника, возникающим при сообщении ему начального количества движения, которое обеспечивает проход через верхнее положение со скоростью, отлич- ной от нуля. На фазовой плоскости это будет соответствовать выходу описывающей точки за пределы области, ограничиваемой кривыми С,, С2. Эти кривые, проходящие через седла и служащие в окрестностях данных точек асимптотами гиперболических фазо- вых траекторий, являются сепаратрисами. Они разделяют топо- логически различные области на фазовой плоскости: область тра- екторий, приходящих из —оо и уходящих в ф-co, и область замкнутых траекторий. Возвращаясь к нашему примеру, напишем y = dx/dt — ж= У 2 [й — V (х)], откуда dx К2[й-К(х)1 Если при х = ± а у = 0, то h = V (а) = — cos а, и мы получим
« 1.3] МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИИ 25 для полупериода колебаний выражение 7 2“ dx У to’ cos х — coj cos а или 7 _ 1 J1 dx 2 too J/ 2 cos а J J/ cos x/cos a — 1 — a (1.2.3) Отсюда следует, что в разобранном примере мы встречаемся с зависимостью периода колебаний от их амплитуды, т. е. коле- бания в рассматриваемой системе будут неизохронными. Если бы система была линейной, то описывающее ее уравнение имело бы вид х =— (Оо%, и тогда dy/dx =— (х/у). В этом случае — случае линейного осциллятора '/dj1 = —'/гФ? + и у = ± Д/h — x2 w0. Для колебаний с амплитудой а при х = ±а, у = 0 получаем /г = д2, и тогда у = dx/dt = di pa2 — х2 ю0. Для полу периода коле- баний при х, изменяющемся от —а до -\-а, имеем Т (* dx л 2 .' соо |/ а2 — х2 шо ’ — о откуда получается характерное для линейной системы выражение Т = 2л/о>о, показывающее независимость периода колебаний от их амплитуды — изохронность колебаний в линейных системах. § 1.3. Применение метода последовательных приближений Оставляя пока в стороне другие примеры качественного рас- смотрения систем с одной степенью свободы с помощью фазовой плоскости, познакомимся с весьма распространенным методом приближенного количественного расчета интересующих нас систем, а именно с методом последовательных приближений. Не занимаясь применением этого известного метода в общем виде, разберем тот же случаи маятника. Записывая уравнение движения в виде x4-wi)Sinx = 0, (1.3.1) где tou = g-//, выразим sinx в виде ряда sinx = x— '/оХ1 (1.3.2)
26 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Ограничиваясь рассмотрением значений х<^1, остановимся на члене с х3. Тогда 14-<о§х-^х3 = О. (1.3.3) Представляя это уравнение в форме х 4- со;;* 4- асооХ3 = 0, (1.3.4) будем сначала, как обычно, искать решение в виде ряда по сте- пеням а х = х04-ах14-а2ха4-... (1.3.5) Подставляя этот ряд в уравнение (1.3.4), получим х0 4- <ххг 4- а2х2 + • • + 4- 4- 4- - - • ... 4" OCffl.jXjJ 4- СС*(О4х| 4- tX7(OgX2 4-... = 0. При а = 0 х = х0 — решение в нулевом приближении, ах04-<Фъ= =0—уравнение нулевого приближения. Уравнение первого приближения мы получим из общего урав- нения, учитывая члены, содержащие а в степени не выше первой, х0 4- <хх14- 4- (Oott-Yj 4- = 0 и, учитывая уравнение нулевого приближения для х0, получим окончательное уравнение первого приближения 4- = — <0о^о- (1.3.6) В нашем случае, выбирая начальные условия в виде t = 0, х = а, х = 0, находим решение уравнения нулевого приближения х0 = a cos oioZ. Уравнение первого приближения соответственно будет x14-(°oxi = — ЮоД3 cos3 (ooL (1.3.7) Воспользовавшись известным тригонометрическим преобразова- нием, мы можем записать Xi 4- <»o*i = — cos 3w0Z — 3/4Wo с? cos ю0/. (1.3.8) Решение этого линейного дифференциального уравнения содержит секулярный член, вызванный наличием в правой части уравнения члена с резонансной частотой. Вынужденное решение имеет вид X, cos 3(D0? — 3lsa3t sin w0Z. (1.3.9) Ясно, что подобное решение не соответствует реальному движе- нию системы.
§ 1.3] МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ 27 Спрашивается, в чем же состоит порочность подобного спо- соба нахождения решений для рассматриваемого случая? Ответ на этот вопрос мы находим в уже отмеченном свойстве неизо- хронности колебаний системы. В самом деле, выбранная нами форма решения предусматривает существование движения с посто- янным периодом 2л/(оо, т. е. периодом колебания в нулевом при- ближении. В действительности же период движения с конечной амплитудой принципиально отличен от периода колебаний системы с бесконечно малой амплитудой. Поэтому и получается указанное нами противоречие, которое может быть ликвидировано только посредством отыскания решения с периодом, отличаю- щимся от периода колебаний в нулевом приближении. Так как величина этого уклонения периода от 71о = 2л/(оо должна существенно зависеть от степени нелинейности системы, вполне естественно ввести в рассмотрение новую частоту — частоту колебания с заданной амплитудой в виде ю2 = (о„ 4- ag 4- 4-... (1.3.10) Если при расчете ограничиться первым приближением, то можно положить (o2 = (og4~a£S где g — некоторая пока еще неизвестная величина. Учитывая это добавление, можно написать с точностью до первой степени по а (см. (1-3.4)) х 4- <о2х — agx 4- (о2ах3 = 0. Уравнение нулевого приближения имеет вид Xq 4“ (о2Хц = 0 ] при тех же начальных условиях t = 0, х = а, х = 0 его решением будет x0 = acos(o/. Уравнение первого приближения имеет вид х, 4- (0% = gx0 — ы2х„, (1.3.11) или х\ 4- = ag cos <о/ — 1/^ы2а3 cos Зсо/ — 3/4(о2а3 cos со/. (1.3.12) В этом уравнении мы можем избавиться от секулярного члена, если выберем величину g так, чтобы й£-3/4ю2я3 = 0. (1.3.13) Тогда уравнение первого приближения примет вид X] 4- = —l/i<i>2a3 cos Зю/, (1.3.14) из соотношения (1.3.13) находим £ = 3/4ю2а2, а из (1.3.10)
28 КОНСПИРАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ (ГЛ. 1 Решение уравнения первого приближения будет иметь вид а3 xL = С± cos at-\-C2 sin <»tcos 3<о/, где Cr и C2 — произвольные постоянные. Тогда полное решение (1.3.4) в первом приближении запи- шется следующим образом: х = a cos га/ 4~ аС1 cos ст/ 4- аС2 sin го/ 4- а ль cos (1-3.16) Значения произвольных постоянных С\ и С2 можно найти, тре- буя от этого решения, чтобы оно удовлетворяло тем же начальным условиям. Проделав соответствующие выкладки, получим окон- чательно х — а 1 — a cos mt + а cos 3<о/, (1.3.17) где, как указывалось, го2 = гао/(1 — а/4сса2). Используя это приближенное решение уравнения (1.3.4), найденное с точностью до первой степени а, получим для маят- ника (а — —’/в) х = а^1 4- (°92j cos го/ — ]92 cos Зга/; го2 = & . (1.3.18) В найденном нами решении, годится для не слишком больших «I которое, как мы отмечали, отклонений (когда с достаточ- ной для нас точностью s i п х х — 1/ех3) и являет- ся приближенным для идеа- лизированного уравнения Рис. 1.5. График зависимости собственной частоты от амплитуды для маятника при аппроксимации sin х выражением х — 1/ех3. X 4- Гоб (X — */вХ8) = О, (1.3.19) следует отметить две осо- бенности. Во-первых, ко- лебания неизохронны (го — функция а) и, во-вторых, колебания не чисто сину- соидальны— в них присут- ствуют гармоники (в нашем случае третья гармоника). Неизохронность колебаний можно наглядно предста- вить, построив график за- висимости га от а. В дан- ном примере график будет иметь вид, показанный на рис. 1.5, причем его можно использовать до а₽=«1, так как при больших амплитудах колебаний теряет свою справедливость сделанное ранее упрощение sin х — х — 1/qX3.
§ 1.4] КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ С НЕЛИНЕЙНОЙ ЕМКОСТЬЮ 29 § 1.4. Свободные колебания в электрическом контуре без затухания с нелинейной емкостью В качестве примера нелинейной консервативной колебательной системы с одной степенью свободы рассмотрим электрический колебательный контур без затухания с конденсатором, в котором нет линейной зависимости напряжения от заряда. Подобными нелинейными свойствами обладают конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используются материалы, имеющие сег- нетоэлектрические свойства, и емкости, возникающие в р-п- переходах (например, в полупроводниковых диодах) при обратном напряжении смещения. Как известно, для конденсаторов с сегнетоэлектриком характерно отсут- ствие прямой пропорциональности меж- ду зарядом и напряжением на его об- кладках. Пренебрегая гистерезисом, мож- но качественно изобразить эту зависи- мость в виде графика рис. 1.6. Для каж- дого конкретного случая ее легко полу- чить экспериментально, и она представ- ляет собой характеристику нелинейного элемента колебательной системы. Здесь следует иметь в виду, что свойства кон- денсатора с сегнетоэлектриком сущест- венно зависят от типа применяемого сег- нетоэлектрика, который обладает опре- деленной инерционностью, связанной Рис. 1.6. Вольт-ку лоновая характеристика конденсато- ра с сегнетоэлектриком. со скоростью изменения заряда, что приводит к частотной зависимости емкости конденса- тора. Поэтому нелинейные характеристики таких конденсаторов могут существенно изменяться при значительном увеличении частоты электрических колебаний в контуре, содержащем нели- нейный элемент. Если ввести привычное понятие емкости, определяемое С = q/uc, то, считая Wc = tP(<7), можно записать С (q) = qlq> (q). (1.4.1; Примерный вид функции С (q) для типичного сегнетоэлектрика показан на рис. 1.7. В случае запертого р — «-перехода известна зависимость Сд от напряжения, где Сд = dq!duc — дифференциаль- ная емкость данного устройства. Эта зависимость имеет вид, изображенный на рис. 1.8, и аналитически может быть пред- ставлена формулой С = А (1.4.2)
30 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. I где А — некоторая константа, и0 — контактная разность потен- циалов для данного перехода, ис — напряжение на емкости, k — показатель степени, принимающий значение для различных типов переходов (плавный, резкий и др.) от % до 3 и выше. Зададимся Рис. 1.7. График зависимости ем- кости от заряда для конденсатора с сегнетоэлектриком. Рис. 1.8. График зависимости диф- ференциальной емкости запертого р — «-перехода от напряжения. Е — напряжение смещения наиболее часто встречающейся зависимостью дифференциальной емкости от напряжения для узких германиевых переходов Отсюда —2Л (м0 —zzcy/»4-£>, (1.4.4) где D — постоянная интегрирования, которую следует определить из начальных условий. Пусть uc = v — Е. Примем, что при ис = == — Е (и = 0), где —Е— начальное отрицательное напряжение смещения, и — внешнее напряжение, приложенное к р — «-пере- ходу, <7 = 0. Иными словами, мы учитываем лишь тот заряд на емкости, который связан с уклонением напряжения на ней от исходного постоянного смещения — Е. При этих предполо- жениях D = 2Л (п04-£')‘/2. Считая, что при ц = 0, СД = СО, полу- чаем А = Со (и0 + Е)1/‘, откуда D = 2С0 (и0 + Е). Разрешая выражение (1.4.4) относительно ис, получим Uc = Ug— 4^(<7 — D)2 = — f + gr? — 4Cs (u0+£) (I-4-5) откуда v = Cgq ~ 4CJ («о+ Е) (I -4,6) т. е. выражение типа v=^(9-p<72), (1.4.7)
$ 1.4] колебания в контуре с нелинейной емкостью 31 соответствующее графической зависимости, изображенной на рис. 1.9. Указанное соотношение справедливо лишь для <н0 + £, так как для напряжений на р — «-переходе использованные соотношения теряют смысл и будет иметь место прямая проводимость. Заметим, что для других видов исходной зависимости Сд(ис), например при /?у=1/2> и при учете неизбеж- ных параллельных постоянных емкостей, мы встретимся с более сложными зависимостями типа v — (1/С0) (q ф- Pj<72-|- Р29® + - • )• Учитывая приведенное соотношение, рассмотрим сначала коле- бательные процессы, происходящие в консервативном колебатель- ном контуре, в котором в качестве емкости использован конденса- тор с сегнетоэлектриком без потерь. Исследуем контур (рис. 1.10), Рис. 1.9. Вольт-кулоновая харак- теристика для емкости запертого р —п-перехода. Рис. 1.10. Схема контура без за- тухания с сегнетоэлектрическим конденсатором. в котором отсутствует затухание, индуктивность L имеет посто- янную величину, независимую от токов и напряжений в системе, а характеристика конденсатора С подобна характеристике, изобра- женной на рис. 1.6. Согласно закону Кирхгофа L й +ыс=“0, где i = dq/dt, uc = <p(q). Тогда L -g ф-ф(0 = О. (1.4.8) Для качественного рассмотрения движений в такой системе на фазовой плоскости образуем уравнение у =— (1/£,)ф(х) (напом- ним, что у = х), или где x = q.
-2 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Для данной системы можно найти потенциальную функцию I/ (х) = у f <р (х) dx, (1.4.10) которая для гр(х)^ис, соответствующей кривой на рис. 1.6, имеет характер, показанный на рис. 1.11. В согласии с этим в точке х = 0 потенциальная функция имеет единственный ми- нимум, отвечающий устойчивому положению равновесия, отно- Рис. 1.11. График потенциаль- ной функции для контура с сег- нетоэлектрическим конденсато- ром. тельно которого система совершает колебательные движения. Таким образом, на фазовой пло- скости мы получим единственную особую точку х = 0, у = 0 типа центр, вокруг которой располагаются замк- нутые фазовые траектории, отвечаю- щие колебательным процессам с раз- личными амплитудами. Уравнение фа- зовых траекторий имеет еид Vz?2 = = h— V (х). Построим методом изоклин фазо- вый портрет рассматриваемой нели- нейной консервативной системы. Этот метод применим для систем с нели- нейностью любого типа. Изоклинами на фазовой плоскости назы- ваются линии, на которых наклон интегральных кривых dy/dx = = const. Уравнения семейства изоклин для данного случая запи- шутся как dy/dx = kit где —произвольные числа. Тогда, учи- тывая (1.4.9), находим уравнение семейства изоклин /?zp = (l/L)<p(x). (1.4.11) Теперь для построения фазового портрета данной колебатель- ной системы необходимо аппроксимировать нелинейную вольт- кулоновую характеристику (см. рис. 1.6) определенной анали- тической зависимостью. Для множества самых разнообразных сегнетоэлектрических материалов вольт-кулоновые характеристики конденсаторов имеют вид кубической параболы с разными коэф- фициентами нелинейности, т. е. ф (?) = ис = (?/С0) (1 + у,,?2), (1.4.12) где у0 — коэффициент нелинейности. Если в (1.4.8) ввести без- размерный заряд x — q/q0, круговую частоту cl>q = 1/LC0 и без- размерное время т = ц/, то с учетом (1.4.12) уравнение фазовых траекторий (1.4.9) примет вид dy _ — (у + т-<3) dx у (1.4.13)
§ 1.4] КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ С НЕЛИНЕЙНОЙ ЕМКОСТЬЮ 33 где y = yo^o, а соответствующие ему уравнения семейства изоклин запишутся следующим образом: .. _ — (jc+t*3) у kt (1.4.14) Как мы видим, для нелинейной системы изоклинами на фазовой плоскости являются кубические параболы с различными коэф- фициентами ki. Исключение составляют только изоклина бесконеч- ности (ki = co), совпадающая с осью координат х (z/ = 0), и нулевая изоклина (^ = 0), совпадающая с осью координат у (х = 0). На рис. 1.12 показано построение фазовых траектории методом изоклин для электри- ческого колебательного контура с нелинейным диэлектриком. Замкнутость фазовых траекто- рий подтверждает, что мы имеем дело с консервативной системой. Из фазового портрета видно, что при малых амплитудах колеба- ний, как и в случае идеального маятника, фазовые траектории близки к эллипсам, т. е. малые движения в нелинейной системе близки к гармоническим коле- баниям в линейной системе. Это связано с тем, что при ма- лых значениях х влиянием не- Рис. 1.12. Построение фазовых тра- екторий методом изоклин для конту- ра без затухания с сегнетоэлектри- ческим конденсатором. линейного члена ух3 по сравне- нию с линейным членом х на колебательный процесс в системе можно пренебречь. Полученный фазовый портрет системы, естественно, сущест- венно зависит от вида исходной характеристики нелинейности системы, и позволяет нам качественно судить о процессах, кото- рые могут протекать в подобной системе. Если характеристика нелинейности имеет вид, показанный на рис. 1.6, мы из фазового портрета можем сделать следующие заключения. Во-первых, в систе- ме возможны симметричные колебания вокруг единственного поло- жения равновесия х = <? = 0, y — q = i = O. Во-вторых, форма этих колебаний отлична от синусоидальной и их различие тем больше, чем больше амплитуда колебаний. В третьих, в силу специфики указанных нелинейных свойств конденсатора с сегнетоэлектриком с ростом начального толчка (или начального запаса энергии) амплитуда колебаний y = q, т. е. амплитуда тока в контуре, растет быстрее, чем амплитуда заряда. 2 В. В. Мигу.шн и др.
34 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Итак, с учетом сделанных допущений мы сводим решение нашей задачи к нахождению приближенного решения уравнения LJc+?‘-(x + txs) = 0, (1.4.15) ИЛИ X + 4- угоох3 = 0, (1.4.16) где <оо=1/£С0. Это уравнение принадлежит к тому же типу, что и рассмотренное нами приближенное уравнение маятника, и мы можем сразу же написать его решение / q3 \ дЗ х = а 1 — у™ cos at + у™ cos Зю/, (1.4.17) У OZ у OZ где о —амплитуда колебаний, а начальные условия суть: х = а, i — = х = 0 в момент времени / = 0. Для заданных свойств сегнетоэлектрика и выбранных масшта- бов мы всегда можем найти численные значения у и получить приближенное решение, годное в той области значений х (— а =Cxs=; + a), внутри которой, во-первых, можно ограничиться выбранной нами аппроксимацией и, во-вторых, достаточно при- ближение с точностью до у в первой степени. В этом случае мы встречаемся с неизохронностью колебаний и обнаруживаем отход от строгой синусоидальности, выражающийся в появлении ком- поненты с тройной частотой. Строя график зависимости частоты <о от амплитуды, мы получим график типа показанного на рис. 1.5. Здесь следует обратить внимание на следующее обстоятельство. Из (1.4.18) следует, что <о обращается в бесконечность при о2 = =4/Зу, а для больших значений а выражение для со становится мнимым. Этот результат является следствием недостаточности использованного нами первого приближения при подобных ампли- тудах. Если аппроксимация типа (1.4.12) точно передает зависимость напряжения на емкости от заряда, решение (1.4.17) в первом приближении верно лишь постольку, поскольку можно пренебречь последующими членами. То же относится и к выражению для час- тоты (1.4.18). Поэтому при больших амплитудах колебаний прибли- женное решение становится непригодным независимо от точности аппроксимации. Таким образом, здесь сказывается сама ограни- ченность метода последовательных приближений, не дающего точных выражений для реальных движений в системе в случае больших амплитуд. В дальнейшем мы познакомимся с другим приемом определения частоты колебаний в подобных системах для случая приближенного гармонического закона колебаний.
« 1.8] КОНТУР С НЕЛИНЕЙНОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ Несколько иначе будут протекать явления, если в качестве емкости в контуре использовать емкость запертого р — «-перехода полупроводникового диода. Тогда вид функции <р (<?) будет другим. Если принять, что график V (q), задаваемый функцией <р (q), будет таким же, как на рис. 1.9, а аналитическая зависимость передается выражением <р (х) = (1/С0) (х —(3№), то потенциальная функция V(x) = ^- J (р (х) dx зщ*3 (1.4.19) будет изображаться кривой, показанной на рис. 1.11. Хотя потен- циальная функция, кроме минимума при х = 0, имеет еще и мак- симум при x = xlt этот максимум лежит за пределами применимо- сти принятой аппроксимации, пригодной лишь для х<х11, где х0 соответствует заряду при напряжении на емкости, равном кон- тактной разности потенциалов. Поэтому на фазовом портрете следует считать отвечающей реальным процессам только часть, лежащую в области х<хи. Рассмотрение фазовых траекторий показывает возможность существования незатухающих колебаний вокруг единственного состояния равновесия— состояния покоя с положительным отклонением, меньшим х0. Если при заданном начальном условии описывающая точка выходит на траекторию, заходящую за пределы указанных значений х0, то проведенный анализ непригоден, и для рассмотрения действительных процес- сов в подобной системе следует учитывать появление существен- ной проводимости р — «-перехода. При выполнении указанного ограничения в системе будет происходить колебательный процесс с формой колебаний, отличной от гармонической. § 1.5. Свободные колебания в контуре с нелинейной индуктивностью Рассмотрим теперь другой пример электрической нелинейной консервативной системы, а именно — контур с индуктивностью, зависящей от протекающего по нему тока. Этот случай не имеет наглядного и простого нерелятивистского механического аналога, так как зависимость самоиндукции от тока эквивалентна для механики случаю зависимости массы от скорости. С электрическими системами подобного типа мы встречаемся тогда, когда в индуктивностях используются сердечники из фер- ромагнитного материала. В таких случаях для каждого данного сердечника можно получить зависимость между намагничивающим нолем и потоком магнитной индукции. Кривая, изображающая эту зависимость, называется кривой намагничения. Если пренебречь явлением гистерезиса, то примерный ее ход можно представить графиком, изображенным на рис. 1.13. Так как величина поля 2*
36 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 Н пропорциональна току, текущему в катушке, то по оси абсцисс можно прямо в соответствующем масштабе откладывать ток. Для контура, показанного на рис. 1.14, можно написать уравнение Кирхгофа d® । q л ndf + С=°’ Рис. 1.13. Кривая зависимости маг- нитного потока Ф от поля Н или тока i в случае ферромагнетика. пронизываемых магнитным пото- Рис. 1.14. Колебательный контур без пот. рь с индуктивностью с фер- ромагнитным сердечником. ком Ф, или (выбирая масштаб Ф и I в соответствующих едини- цах) в виде i®W) + i_0. (1.5.1) Тогда ^+£ = 0, (1.5.2) или ? = ф(<7, q), (1.5.3) где ф= На фазовой плоскости (x = q, y = x = q) будем иметь фазовые траектории, описываемые уравнениями х = у, У = ф(х, у), %=^(Ху~У}-- (1.5.4) Умножая уравнение (1.5.2) на dq и производя интегрирование, получим интеграл энергии = (1-5.5) Здесь (1/2С) ^ — электростатическая (потенциальная) энергия, I q dq — магнитная (кинетическая) энергия. В частности, для iKD/d<7 = L = const, т. е. для линейного случая, получается изве- стное выражение для магнитной энергии ^Lq2 или 11%Ы2.
S I-Б] КОНТУР С НЕЛИНЕЙНОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ 37 По своей физической природе Ф (<?) — нечетная функция, и, (* d<D ... - - следовательно, J q dq всегда больше нуля и обращается в нуль при q — 0. Таким образом, точка q = 0, q = 0 есть особая точка на фазовой плоскости, соответствующая минимуму потенциальной энергии = (1-5.6) Рис- 1-15. Фазовый портрет кон- тура без затухания с индуктив- ностью с ферромагнитным сер- дечником при аппроксимации зависимости магнитного потока от тока по Дрейфусу. Вид фазовых траекторий мы сможем установить, если нам будет задана зависимость Ф от i = q. Зада- ваясь по Дрейфусу выражением ф (/) = A arctg ai -ф Bai, (1.5.7) где А, В и а — соответствующие кон- станты (a = n/S, п — число витков тока, пронизываемых магнитным по- током Ф при сечении витков, равном S), получим t/Ф Аа , о - di 1+д2(2 1 ’ Cd®.,. . _ i di , D~ С - I —г-1 dt = Аа , , -фВа \ t dt, J dt 1 + a2t2 1 J Отсюда находим уравнение фазовых траекторий в виде 4|п(1+а’Л+4."+-ф,’=л. (1.5.8) Оно описывает семейство кривых, ок- ружающих особую точку типа центр, причем сами кривые близки к эллип- сам при малых h (малых значениях х = <7 и y=q = i) (рис. 1.15). Для ограниченного интервала зна- чений i = q можно аппроксимировать кривую намагничения полиномом,со- держащим нечетные степени q. Если жений величина тока не заходит далеко в область насыщения, то допустимо в качестве простейшей аппроксимации использовать выражение в процессе изучаемых дви- (1.5.9) O(i) = L0(t-Tis), где у 1, То — коэффициент самоиндукции.
38 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. ! В данном случае (в пределах выбранного интервала значений /) dO/di = Lo — 3L0yi2, и эта величина называется мгновенным значе- нием коэффициента самоиндукции. Тогда J i di = J Loi di-§ L(,3yts di = 42Loi2 - Уравнение семейства интегральных кривых имеет вид M2-3/2W4 + ^<72 = /i, (1-5.10) оно представляет собой также уравнение семейства кривых, близ- ких к эллипсам (особенно в области малых значений h, т. е. в области малых q и q). Для приближенного количественного рассмотрения задачи вос- пользуемся методом последовательных приближений. Уравнение (1.5.2) при выбранной простейшей полиномиальной аппроксимации кривой намагничения записывается следующим образом: q (Lo — 3yLoq2) + ^q = Q, или q— 3yq2q+ a>lq = Q, (1.5.11) где al = l/L0C. Пусть 9 = x = x0 + tx1+t%4-...; (1.5.12) ограничиваясь первым приближением, положим q — х = х0 4- уч- Вводя поправку к частоте, обусловленную нелинейностью, в виде ш2 = Шо + ур, (1.5.13) перепишем уравнение (1.5.11): х0 + У-Ч — Зу (х0 + уч)2 (х0 + уч) + (со2 — ур) (х0 + уч) = 0- Пренебрегая членами, содержащими у в степени выше первой, получим х0 + со2хо у (ч <0% — рх0 — Зх1х0) = 0. Уравнение нулевого приближения имеет вид х0 4-со2хо = 0. Его решением х0 при начальных условиях t = 0, х = а, x = Q служит x0 = czcosco/. Уравнение первого приближения записыва- ется следующим образом: Ч 4- со2ч = pa cos at — а3Зсо4 sin2 со/ cos со/, или после тригонометрических преобразований Ч 4- со2ч = (pa — 3/4а3со4) cos со/ 4- 3/4п3<о4 cos Зсо/. Отсюда из условия равенства нулю секулярного члена находим
§ 1.5] КОНТУР С НЕЛИНЕЙНОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ 39 частотную поправку ра— 3/4а3<о4 = 0, а для частоты колебаний <о получаем уравнение w2 = Wq +3/4уп2(£)4. С точностью до членов порядка у имеем для искомой частоты выражение ш2 = (о§(1+%таа<о?). (1.5.14) С учетом этой поправки получаем уравнение первого приближения Jq 4- = 3/4а3(£)4 cos 3(й/. Его решением служит хг = cos at + С2 sin at — (3asa2/32) cos 3at. Полное решение системы записывается в виде х = a cos at + yCj cos at+yC2 sin at — (3yas<o2/32) cos ЗиЛ Применяя те же начальные условия, получим Ct = (3/32) а3<оа, С2 = 0 и окончательно для искомого решения находим q = x = а^1 + ^Tw2q2) cos — gy уа3<о2 cos3cot (1.5.15) Таким образом, и здесь мы получаем качественно те же осо- бенности движения, что и в случаях, разобранных выше. Различие проявляется лишь в соотношениях между амплитудами кратных гармонических компонент, их зависимости от параметров системы и в другой частотной поправке, причем здесь частота найденного решения, так же как и для контура с сегнетоэлектриком, увели- чивается с ростом амплитуды. Это связано с тем, что значение эффективного коэффициента самоиндукции в данном примере, так же как и эффективное значение емкости конденсатора с сегнето- электриком, для больших амплитуд меньше, чем для малых амплитуд. Укажем еще на другой способ трактовки той же задачи. Зная реальную кривую намагничения Ф (i), можно проанализировать поведение системы, исходя из соответствующей той же кривой зависимости 1 = <р(Ф). (1.5.16) Уравнение системы d<D . 1 С • п п d2® . 1 . п или —+ т-1=0 в данном случае можно записать так: -^ + ±<р(ф) = О. (1.5.17) Иными словами, эта задача по отношению к магнитному потоку как основной переменной оказывается совершенно аналогичной разобранной выше задаче о простейшей консервативной системе
40 КОНСЕРВАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ [ГЛ. 1 с нелинейной возвращающей силой (контур с сегнетоэлектриком). В этом случае нелинейную зависимость тока i от потока Ф также можно изобразить в виде кубической параболы i= 1 (ф+ТофЗ). (L5.18) Такое преобразование легко представить себе графически, если на графике рис. 1.13 поменять местами оси координат. Тогда уравнение свободных колебаний в рассматриваемом электрическом контуре с нелинейной индуктивностью запишется так: ^+тг<ф+''«ф’)-0' а-5-19» Вводя х = Ф/Ф0, (0q=1/L0C, т = оу/, получим х4-х4-?х3 = 0, (1.5.20) где у = 'Ро<1,о- Отсюда находим уравнение фазовых траекторий для переменных у = х и х ^==1£±на. (1.5.21) Замечаем, что особая точка типа центр находится в начале коор- динат, т. е. при х = 0, у = 0. Семейство изоклин запишется в виде «/=—^-(х + ух3). (1.5.22) Мы видим, что это уравнение семейства изоклин качественно сов- падает (с точностью до значения коэффициента у) с уравнением изоклин (1.4.14) для электрического колебательного контура с нелинейным конденсатором с сегнетоэлектриком. Поэтому фазо- вый портрет свободных колебаний магнитного потока в контуре с нелинейной индуктивностью аналогичен фазовому портрету сво- бодных колебаний заряда в контуре с нелинейным конденсатором, показанному на рис. 1.12, а при равенстве коэффициентов нелиней- ности оба портрета совпадают друг с другом. Аппроксимация зависимости i от Ф производится с помощью полинома с большей точностью и в большем интервале значений i и Ф при той же высшей степени полинома, чем в случае зависи- мости Ф от i. Такой прием получения более удобных соотношений для опи- сания той же системы посредством соответствующего выбора основной переменной мы используем и в дальнейшем при анализе вынужденных колебаний, и его следует иметь в виду при состав- лении уравнений, описывающих исследуемые системы.
ГЛАВА 2 СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 2.1. Основные особенности колебательных процессов в диссипативных системах и методы их рассмотрения Как мы уже отмечали (см. § 1.1), в реальных системах всегда происходит рассеяние энергии, ее потери, ее уход из системы и, как следствие этого, уменьшение общего запаса колебательной энергии. Процесс рассеяния — диссипации энергии и уменьшения ее общего запаса присущ всем реальным системам, не содержа- щим устройств, пополняющих эту убыль энергии. Поэтому мы вправе ожидать, что учет процесса уменьшения исходного запаса колебательной энергии позволит нам получить решения, полнее описывающие реальные движения, чем при рассмотрении консер- вативных систем. Можно указать на множество характеристик колебательных процессов, которые обусловлены наличием в системе потерь энергии, происходящих по определенному закону и являющихся существенными как для линейных, так и для нелинейных систем. К числу проблем, требующих для своего решения учета диссипации, относятся, например, оценка резонанс- ной амплитуды в линейной системе или в системе с малой нели- нейностью, общий вид установившегося движения при наличии вынуждающей силы, закон изменения во времени амплитуды свободных колебаний, устойчивость различных состояний и пр. На перечисленные выше вопросы и ряд других теория консер- вативных колебательных систем принципиально не может дать ответа. Учитывая это, в каждом случае следует заранее оценить, пригодна ли в данной конкретной задаче консервативная идеализа- ция. Совершенно естественно, что учет диссипации неизбежно серьезно усложняет анализ и если можно получить ответы на интересующие нас вопросы в рамках консервативной трактовки, то целесообразно этим воспользоваться. Что же касается ряда общих свойств системы, обладающей затуханием, то выводы, сде- ланные из анализа идеализированных консервативных систем, могут оказаться принципиально неверными, так как между консервативными и диссипативными системами имеется принци- пиальное физическое различие, вытекающее из различного пове- дения энергии в тех и других системах. И если на достаточно малом интервале времени эти различия могут проявляться весьма
42 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 слабо, то всегда по истечении достаточно большого промежутка времени от начала процесса движение в реальной диссипативной системе будет уже и количественно, и качественно отличаться от движения в идеализированной консервативной системе. Так, свободные колебания в системе без затухания должны существовать неограниченно долго и их амплитуда должна цели- ком определяться начальными условиями, тогда как в диссипа- тивной системе всегда можно указать такой конечный интервал времени, по истечении которого амплитуда движения при любых реальных начальных условиях будет меньше любой наперед задан- ной величины. С этим связано то обстоятельство, что сами по себе диссипа- тивные колебательные системы, не содержащие источников энергии, имеют только одно стационарное состояние: покой. В самом деле, любые начальные условия, любой исходный запас энергии служит исходной причиной, вызывающей начало затухания свободных колебаний, которые через достаточно большой промежуток вре- мени в реальных системах прекратятся или (в случае идеализи- рованных законов диссипации, например, линейное трение) их амплитуды станут меньше любых наперед заданных малых ве- личин. В математическом описании автономных консервативных систем мы встречаемся с интегралом типа Ф (х, y) = h, у = х, служащим математическим выражением условия постоянства запаса энергии движения системы с одной степенью свободы. В простей- шем случае x/2z/2 4- V (х) = h, где, как указывалось выше, V (х) — потенциальная функция, выражающая в определенном масштабе потенциальную энергию системы. В неконсервативной системе Ф(х, у) = W (t), где dW/dt^=0. Здесь функция W (t) характеризует мгновенное значение запаса колебательной энергии в системе. В подобном виде мы можем записать общее условие неконсервативности системы; следует добавить, что если хотя бы для сколь угодно малого промежутка времени Д£ в рассматриваемом интервале времени dW/dt ^0, то, значит, для данного интервала времени система не консерва- тивна, причем может оказаться, что на отдельных интервалах времени dW/dt — 0, и в этих временных пределах систему можно трактовать как консервативную, для которой dW/dt = 0. В диссипативной системе всегда dW/dt <z.Q, что физически соответствует наличию потерь, приводящих к непрерывному уменьшению запаса энергии, связанной с изучаемым движением. Обозначим скорость диссипации новой функцией F (х, у) = = — dW/dt. В диссипативных системах всегда выполняется условие F (х, у) > 0. В реальных случаях эта функция выражает величину
S 2.11 ПРОЦЕССЫ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ 43 мощности потерь, мощности, рассеиваемой на диссипативных эле- ментах колебательной системы. Для простейшей системы, в которой движение описывается энергетическим уравнением Х/2У2 + V (х) = W (t), легко получить уравнение для действующих в ней сил + V (*)]==-Л*. У), y-f(x) + ^F(x, у) = о-, здесь, как и раньше, V (х) = — $ f (х) dx, О где — f (х) — возвращающая сила. Выражение (l/y)F(x, у) = = —(\/y)dW/dt дает величину силы трения, которая в различных системах характеризуется той или иной зависимостью от состоя- ния движения системы. Заметим, что выражение для силы трения (\/y)F(x, у) должно обращаться в нуль при # = 0, т. е. в отсутствие движения. Это следует из физических соображений, а именно, из того, что сила трения и потери могут иметь место лишь при наличии движения в системе (у^=0). Отсюда следует, что в функцию F (х, у) пере- менная у должна входить в степени, большей первой. Учитывая обязательное для диссипативных систем условие F(x, у)>0, мы приходим к выводу, что выражение (i/y)F(x, у) должно быть знакопеременным и принимать знак, совпадающий со знаком у, т. е. со знаком скорости движения в системе или тока в электрическом контуре. Для многих диссипативных систем сила трения зависит только от скорости (или силы тока) и не зависит от координаты (заряда), однако характер этой зависимости может быть различным в зави- симости от свойств системы и условий, в которых совершается изучаемое движение. Сила трения, не зависящая от величины скорости и связанная лишь с ее знаком, носит название сухого трения. Этот идеализи- рованный тип трения позволяет понять существенные особенности процессов, происходящих в ряде реальных механических систем, но ему нельзя найти аналога среди процессов, реализующихся в простых электрических колебательных цепях. Идеализированная характеристика сухого трения имеет вид, изображенный на рис. 2.1, причем (\ly)F(x, у)— а, где а>0 при z/>0, а <0 при у<0. Здесь характерно наличие разрыва непрерывности в выраже- нии для силы трения в точке у — 0; в аппроксимацию реальной физической зависимости силы трения от скорости необходимо вводить конечный разрыв непрерывности, или скачок, для аппрок- симируемой величины. Естественно, удобно рассматривать отдель-
44 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 ные этапы движения в системе, на которых выполняются разные законы диссипации. С необходимостью раздельного рассмотрения этапов движения мы столкнемся также и в тех случаях, когда сила трения (сопротивления) выражается степенной функцией скорости с чёт- Рис. 2.1. Характеристика сухого тре- ния. ным показателем степени, на- пример в случае так называ- емого «квадратичного» трения (l/y)F (х, у) = бу2, где 6 > 0 при у>0, б<0 при у<0. Заме- тим, что величина силы трения при у = 0 скачка не испыты- вает. При наличии скачкообразно- го изменения силы трения в точ- ке у = 0 удобно разбить всю за- дачу о собственных колебаниях в диссипативной системе на два этапа: первый соответствует одному знаку трения, второй— другому. Эти этапы при свобод- ных колебаниях поочередно сменяют один другого, и изучение всего движения в целом требует раздельного анализа обоих эта- пов с соответствующим сшиванием полученных решений. Линейная зависимость силы трения от скорости наиболее распространена в механических системах и описывает вязкое тре- ние в механике при небольших скоростях. В этом случае сила трения равна (\ly)F(x, y) = ty, т. е. F (х, y) = ty2 и б>0 при любых у. В электрических цепях сила трения соответствует обратной э. д. с., возникающей на обычном линейном сопротивлении, и поэтому она выражается в виде Ri, т. е. в наших обозначениях бу. Соответственно Ri2 равно мощ- ности таких потерь (мощности, выделяемой на сопротивлении). Для «кубического» трения имеем (1 /у) F (х, у) = б2у3. Этот закон трения, встречающийся в механике больших скоростей, справедлив также для электрических систем с нелинейным диссипативным элементом, причем часто встречается комбинация линейного и кубического трения. В случаях, когда степенная функция, аппроксимирующая зависимость силы трения от скорости, содержит лишь нечетные степени, весь диапазон возможных изменений исследуемых вели- чин описывается одним выражением с коэффициентами, общими для всей области значений переменных, и поэтому решение для свободных колебаний годится без модификации для всех значе- ний х и у. Для исследования движений в нелинейных диссипативных системах, а также в консервативных системах, можно применять
§ 2.1] ПРОЦЕССЫ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ 4Б различные качественные и количественные методы. Однако не все они, пригодные для анализа движений в консервативных систе- мах, можно без дополнительных оговорок или модификаций использовать для анализа диссипативных систем. При рассмотре- нии свободных колебаний метод фазовой плоскости остается пол- ностью пригодным и для этого класса задач, приводя лишь к большему разнообразию типов особых точек и фазовых траек- торий. Так, например, в фазовых портретах колебаний в дисси- пативных системах мы уже не встретимся с особыми точками типа центр, но зато могут появиться особые точки типа фокус или узел, в которые стягиваются все фазовые траектории, рас- положенные в определенной области вокруг этих особых точек. В фазовых портретах диссипативных колебательных систем мы встречаемся также со сходящимися траекториями колебательных систем вместо совокупности замкнутых траекторий, окружающих особые точки, соответствующие устойчивым положениям равнове- сия. Так же как и при рассмотрении поведения консервативных колебательных систем с помощью фазовой плоскости, построение самих фазовых траекторий для диссипативных систем может про- изводиться или посредством построения аналитически найденного решения уравнений фазовых траекторий или с использованием известных приближенных графических и аналитических методов. Отмеченные выше существенные особенности диссипативных систем, заключающиеся в том, что любые свободные колебания в системе, предоставленной самой себе, неизбежно затухают, при- водят к тому, что для количественного рассмотрения свободных колебаний с учетом потерь нельзя без существенных оговорок пользоваться методом последовательных приближений, в котором за нулевое приближение принимается гармоническое движение. Данный метод может применяться лишь для ограниченных вре- менных интервалов в случае достаточной малости затухания, и поэтому его использование с подобными оговорками существенно снижает его практическую ценность. Это заставляет нас в тех случаях, когда не удается найти прямое и точное решение диф- ференциального уравнения, описывающего систему, искать другие пути нахождения приближенного решения, учитывающего специ- фику нелинейных диссипативных систем и пригодного для любого интервала времени. Из возможных методов нахождения прибли- женного решения следует в первую очередь указать на метод поэтапного рассмотрения и, в частности, на кусочно-линейный метод, а также на метод медленно меняющихся амплитуд. Ку- сочно-линейный метод, пригодный для любых типов трения и нелинейности, основывается на замене общего рассмотрения дви- жения всей системы в целом решением ряда линейных задач — уравнений, приближенно описывающих различные этапы движе- ния системы, на которых ее можно считать более или менее
46 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [гл. г линейной. Так как любую нелинейную характеристику с требуемой степенью точности можно представить как совокупность прямо- линейных отрезков, а решение линейной задачи всегда можно довести до аналитического конца, то в результате мы получим точные решения серии идеализированных линеаризованных задач. Эти решения далее надо сшить для приближенного описания всего процесса в системе в целом при заданных начальных условиях. Этот метод принципиально прост и дает хорошие результаты, но обычно громоздок и страдает отсутствием общности, так как требует последовательного сшивания решения для каждого этапа с последующим, начиная с этапа, характеризующегося выбран- ными начальными условиями. Безусловное его преимущество состоит в том, что он пригоден для любых систем с любыми ха- рактеристиками трения и нелинейности консервативных элемен- тов и не требует аналитической аппроксимации этих зависимостей, а может с успехом применяться при наличии графического изобра- жения соответствующих характеристик. Метод медленно меняющихся амплитуд является весьма мощ- ным средством анализа движений в исследуемых системах, обла- дает большой общностью, может давать непрерывное решение для любых временных интервалов и позволяет изучать общие свойства движений, процессы установления и стационарные ре- жимы, но в полной мере применим лишь к ограниченному (правда широкому и весьма важному) классу колебательных систем, а именно, к системам с малой диссипацией и малой нелиней- ностью, в которых колебания мало отличаются от гармонических. В дальнейшем мы на ряде примеров разберем особенности этого метода и познакомимся с путями его применения к реше- нию конкретных колебательных задач, а также выясним возмож- ность и целесообразность использования в различных случаях и других методов. Следует отметить, что уравнения, описывающие поведение системы с малой диссипацией, но с существенной нелинейностью реактивного элемента, можно привести к уравнениям, мало отли- чающимся от уравнений линейных консервативных систем, путем перехода к новым переменным, для которых отклик сильно нели- нейного реактивного элемента будет описываться линейным соот- ношением. При этом исходное уравнение d2x . ., . г, / dx\ w+fW = pF(x, где f (х) — существенно нелинейная функция, а р —малая вели- чина, переходит в уравнение d2x, . г. ! dx1\ -s^+x1-[iFl\xlt
S 2.21 СИСТЕМЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ 47 причем между t и т и х и хг можно установить однозначное соответствие и найти аналитические выражения, связывающие х С X] и / с т. К преобразованному уравнению применим метод медленно меняющихся амплитуд (ММА). Таким образом, формально этим методом можно воспользоваться и для анализа систем с большой нелинейностью (при малой диссипации) при соответствующем не- линейном преобразовании переменных *). При анализе конкретной задачи необходимо задаваться какой- либо аналитической или графической аппроксимацией реальных нелинейных зависимостей, т. е. переходить к рассмотрению си- стемы, приближенно передающей свойства реальной системы, а затем искать точное или приближенное, качественное или коли- чественное решение соответствующей математически сформулиро- ванной задачи. От искусства выбора вида аппроксимации реальных нелиней- ных зависимостей, от пути идеализации и метода решения зависит сложным или простым путем будет найдено решение задачи, будет ли это решение содержать ответ на все поставленные воп- росы о свойства? исследуемой реальной системы, не приведет ли нас анализ неудачно идеализированной системы к неправильным выводам о свойствах реальной системы, и, наконец, в каких пределах полученное решение будет правильно описывать дей- ствительные процессы. § 2.2. Качественное рассмотрение свободных колебаний в диссипативных системах при различных законах трения Рассмотрим с помощью представления движения на фазовой плоскости несколько характерных примеров диссипативных нели- нейных колебательных систем с одной степенью свободы с раз- личными законами трения. 1. Начнем со случая, когда в системе, обладающей линейными реактивными элементами, трение описывается идеализирован- ным законом сухого трения. В этом случае, как указывалось выше, функция диссипации имеет вид F(y)=ay\ а>0 при у>О и а<0 при #<0. Зависимость силы трения от скорости была показана на рис. 2.1. Для простейшей системы с одной степенью свободы при линейности инерционных и упругих сил мы можем записать уравнение, описывающее движение в подобной системе, в виде Я + п4-С1)§х = 0. (2.2.1) *) Этот метод описан детально в монографии /С. А. Самойло, Метод ана- лиза колебательных систем второго порядка, М., «Сов. радио», 1976.
48 колебания в диссипативных системах [ГЛ. 2 Это линейное уравнение справедливо для всех значений х, х, при которых а остается постоянным, т. е. в областях постоянства знака х = у. Для всей совокупности отрицательных и положительных зна- чений у уравнение (2.2.1) нелинейно, так как при проходе х = у через значение # = 0, а изменяется скачком от +а0 до — ц, и обратно. Поэтому для изображения соответствующих движений на фазовой плоскости необходимо отдельно построить фазовые траектории для !/>0 и для #<0, а затем сшить их в точках г/= О для получения непрерывных фазовых траекторий на всей фазовой плоскости. В самом деле, система изучаемого типа при наличии инерционных и упругих сил, т. е. с резервуарами кине- тической и потенциальной энергий, может совершать лишь непре- рывные движения, допускает лишь непрерывные изменения коор- динаты и скорости, а, следовательно, ее фазовый портрет обладает только непрерывными фазовыми траекториями. Разрывы непре- рывности в значениях координаты или скорости и наличие конеч- ных скачкообразных изменений этих величин означали бы скачкообразное из- менение потенциальной или кинетичес- кой энергий, что соответствовало бы физически бессмысленному мгновенному выделению или поглощению бесконеч- ной мощности. Простейшая механическая модель по- Рис. 2.2. Модель механиче- добной системы с сухим трением может ской колебательной системы иметь вид, изображенный на рис. 2.2, с сухим трением. Где масса т скользит по сухой поверх- ности Т, совершая колебания за счет инерции самой массы и упругости пружины. Для электрической системы создать простой аналог сухого трения не представляется возможным, и мы в данном случае, характерном для применения метода линейного поэтапного рассмотрения, ограничимся указан- ным механическим примером. Для различных этапов движения получим уравнения Л’4-(0§Х = — аа для у>0, X + сфс = -ф а0 для у <Z 0. (2.2.2) Простыми подстановками х = х1 — а0/со§ для (/>0 и х = х2-фао/к>о для y<S> находим уравнение, общее для обоих знаков у. К, 2 + “о*1. 2= °- (2.2.3) Фазовые траектории, соответствующие этому уравнению, пред- ставляют собой эллипсы с центрами соответственно при х12 = 0.
§ 2.2J СИСТЕМЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ 49 Для построения фазовых траекторий, описываемых уравнением dyi.s ,,2 х1. 2 — — — ю° Т,— > аХ1. 2 У1, 2 (2.2.4) можно либо использовать прямое интегрирование уравнения (2.2.3) и получить интегральные траектории, либо применить, например, метод изоклин. Семейство изоклин в верхней полу- плоскости (у > 0) представляет собой прямые у = — (1 /Az) (а0 + сгщл:), проходящие через особую точку типа центр с координатами у = 0, х =— а0/юо- В нижней полуплоскости (у<0) семейство изоклин описывается уравнением У= +,— («0-“^). (2.2.5) а соответствующие этому уравнению прямые проходят через особую точку типа центр с координатами у = 0, х~а0/ад. При построении полного фазового портрета системы мы должны выпол- нить соответствующее построе- ние для хг (у > 0) и для х2(#<0)> сомкнув при у = 0 фазовые траектории верхней и нижней полуплоскостей. В ре- зультате получаются фазовые траектории, имеющие вид, по- казанный на рис. 2.3, на кото- ром изображен фазовый порт- рет идеализированной системы. Из этого фазового портрета сразу виден основной характер колебательных движений в дан- ной системе, а именно затуха- ние колебаний и прекращение движения после конечного чис- ла колебаний (при заданных на- чальных условиях — отклонении Рис. 2.3. Фазовый портрет системы с сухим трением. и начальной скорости). Напри- мер, одно такое движение от начальных условий х = х0, у = у0 (точка Р на фазовом портрете системы) изображено более жир- ной фазовой траекторией. Фазовый портрет (см. рис. 2.3) пока- зывает нам также одно характерное свойство колебательных систем с сухим трением, а именно наличие зоны застоя; в са- мом деле, прекращение движения (у = 0) может происходить при любых значениях х в области —a0/G>« х -ф n^/coo. откуда сле- дует, что при каких-то начальных условиях система, будучи представлена самой себе, не обязательно придет к состоянию покоя в точке х = 0, у — 0. Зона застоя тем больше, чем больше трение в системе.
50 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 Подобное явление хорошо известно в механических системах и с ним часто встречаются в измерительных приборах, где коле- бательным элементом служит подвижная система прибора с опре- деленной массой, находящаяся под воздействием возвращающей пружины и вращающаяся на оси с подпятником без смазки. Заметим еще, что смыкание (сшивание) фазовых траекторий при у = 0 обеспечивает также непрерывность производной dy/dx, т. е. отсутствие изломов фазовой траектории, так как для у = 0 и в нижней, и в верхней полуплоскости dy/dx— оо, как следует из способа получения уравнения фазовых траекторий dx у). ' dt у’ dy = Q (х, у) dy I dx у ’ dx |j/=o независимо от вида функции Q(x, у), если только она сама не обращается в нуль в этой точке. 2. Случай линейного трения, соответствующий для электри- ческих систем наличию постоянного омического сопротивления при линейности консервативных параметров, хорошо изучен и, как известно, приводит к линейному дифференциальному уравне- нию типа х 4* 26х 4* cogx = 0, (2.2.6) откуда при у = х у = - 2&у - cogx, g- = - . (2.2.7) Подстановкой г = у/х последнее уравнение приводится к виду dz _ z2-|-2Sz-|-cog _ dx zx ’ его интеграл легко найти, и мы можем написать In х2 (г2 4- 26z 4- cog) = ~ arctg 4* In С, где С — произвольная постоянная; со2 = cog — 62. Возвращаясь к переменным х и у, перепишем это решение в виде у2 4- 2&ху 4- cogx2 = С ехр arctg 1; (2.2.8) при cog > 62 оно соответствует спиралям на фазовой плоскости, описываемым уравнением р2 = С1ехр [^-б]. (2.2.9) При выводе (2.2.9) из (2.2.8) мы воспользовались обозначениями у + &х = и, u = psin6, cox = v, v = pcos6. При cog<62 получаем кривые, описываемые уравнением у2 4- 2Ьху 4- cogx2 = С [уХ(6-?)хР’ (2.2.9а)
§ 2.2] СИСТЕМЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ 61 где <72 = 62 —©о- Соответствующие этим двум случаям интеграль- ные кривые изображены на рис. 2.4 и 2.5. При б2<сод мы имеем дело с затухающими колебаниями линейного осциллятора, фазовый портрет которых представляет собой совокупность логарифмических спиралей, стягивающихся в особую точку типа фокус. Для б2 > (£>« система становится апериодической, и на фазовой плоскости движения изображаются фазовыми траекториями, имеющими вид кривых, сходящихся в особую точку типа узел без обходов вокруг нее. В обоих Рис. 2.4. Фазовый портрет линейной системы с затуханием меньше крити- ческого. Рис. 2.5. Фазовый портрет линейной системы с затуханием больше крити- ческого. случаях в диссипативных системах особые точки (фокус и узел) устойчивы и соответствуют единственному положению равновесия системы — состоянию покоя, к которому система приходит из любых начальных условий, при любом начальном смещении или скорости. Случай со? < 0 может реализоваться, если вместо возвращающей силы действует отталкивающая. В этом случае уравнение фазо- вых траекторий имеет вид [t/ + (6 + co)x]“/c+1[t/4-(6-co)x]“/e-1 = С, (2.2.10) где со2 = | шо I + б2. Уравнение (2.2.10) соответствует семейству гипербол с асимп- тотами при С = 0, у =—(б±со)х, (2.2.11) и мы имеем дело с особой точкой типа седло. Отметим, что разобранные нами уравнения фазовых траекто- рий для линейной системы остаются справедливыми и для нели-
52 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 нейных систем в ближней окрестности особых точек, так как для такой системы в окрестности особой точки первого порядка можно записать разложение нелинейной функции в ряд по степеням малых вариаций £ и т) по отношению к значениям, соответствую- щим координатам особой точки x = xh у = 0. Тогда для уравне- ния x = f(x, у) в окрестности особой точки имеем 0 + О)+|ЦЕ+||р_(,п+... Пренебрегая высшими степенями малых вариаций S и г) и учиты- вая, что f (xt, 0) = 0, получим уравнение фазовых траекторий в окрестности особой точки dt] _ + dl т] рассмотренное нами выше (см. стр. 50). В системе, нелинейной за счет одного из консервативных параметров, наличие линейного трения также приводит к качест- венному изменению фазового портрета системы по сравнению с фазовым портретом подобной же системы в пренебрежении затуханием (трением). При этом исчезают существовавшие в слу- чае консервативных систем особые точки типа центр и на их месте появляются особые точки типа устойчивого фокуса или устойчивого узла, а вместо континуума замкнутых фазовых тра- екторий возникают свертывающиеся траектории, приводящие из любого места фазовой плоскости (при любом начальном состоянии) к устойчивой особой точке —состоянию покоя. Наличие нелиней- ного консервативного параметра в колебательной системе в пер- вую очередь сказывается на форме фазовых траекторий, которые в этом случае не являются логарифмическими спиралями на всей фазовой плоскости, а переходят в них в окрестностях особой точки типа фокуса. Для иллюстрации можно привести фазовый портрет маятника при учете линейного трения (рис. 2.6). Опи- сывающее его дифференциальное уравнение имеет вид х4-26х-|-со;; sinjc = O. (2.2.12) В отличие от фазового портрета маятника без учета трения, который был изображен ранее на рис. 1.4, здесь не появляются убегающие траектории, нет замкнутых траекторий и нет замкну- тых разделительных линий — сепаратрис. Все траектории из любой точки фазовой плоскости стягиваются к одной из точек устойчивого положения равновесия — устойчивым фокусам (х = = 2т, у = 0). Это означает, что при наличии потерь система в общем случае после конечного числа оборотов (вращений) колебательным путем придет к устойчивому состоянию равно-
§ 2.2] СИСТЕМЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ 53 весия — покою, соответствующему нижнему положению массы маятника относительно точки подвеса. Введение затухания, обусловленного линейным трением, не вносит в фазовые портреты новых особых точек, а лишь меняет Рис. 2.6. Фазовый портрет маятника с затуханием. характер уже существующих и исключает возможность появле- ния новых точек типа центр в фазовых портретах диссипативных систем. 3. Наличие квадратичного трения при линейности консерва- тивных параметров колебательной системы с одной степенью сво- боды приводит к следующему дифференциальному уравнению: х 4-6х2 4-офс = 0, (2.2.13) где 6>-0 при у>0, 6<0 при £/<0. Этот случай соответствует электрическому колебательному контуру, содержащему постоянные самоиндукцию и емкость, а также сопротивление, величина которого пропорциональна протекающему по нему току. Уравнение фазовых траекторий имеет вид Вводя замену у2 = г, проинтегрируем это уравнение и тогда для фазовых траекторий получим уравнение ^ = [Cexp(-2fix)4-gr|-4x’ (2.2.15) где С —постоянная интегрирования, определяемая, как обычно, из начальных условий.
54 колебания в диссипативных системах [ГЛ 2 Величина 6 скачкообразно меняется при прохождении значе- ния у через нуль, и поэтому в данной задаче, как и для случая Рис. 2.7. Интегральные кривые системы с квадратичным трением для 6>0 (а) и для 6 < 0 (6). сухого трения, надо рассматривать решения для у>0 и t/<0 и строить отдельно фазовые траектории для верхней и нижней Рис. 2.8. Фазовый портрет системы с квадратичным трением. половин фазовой плоскости. Для 6 > 0 интегральные кри- вые описываются уравнением уг = |с ехр (—26%) + | - ““ х. (2.2.15а) Кривые, построенные для различных С, имеют вид, пока- занный на рис. 2.7, а. Для 6<0 У* = [С ехр (26х) + 2“°2] + х (2.2.156) и соответствующие кривые изображены на рис. 2.7, б. Так как 6>0 при у>0, а 6<0 при #<0, то для получения фазового портрета системы необходимо использовать верхнюю половину рис. 2.7, а и нижнюю половину рис. 2.7, б, которые в совокуп- ности дадут фазовые траектории движения в исследуемой системе для всех возможных значений у. Этот фазовый портрет показан на рис. 2.8; из его рассмотрения мы опять можем сделать вывод о затухающем характере происходящих в системе колебательных движений, приводящих независимо от начального состояния
§ 2.3] ПОСТРОЕНИЕ ФАЗОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ МЕТОДОМ ЛЬЕНАРА 55 к устойчивой особой точке — состоянию покоя системы (х — О, f/ = 0). Ограничивая качественное рассмотрение свободных колебаний в линейных и нелинейных диссипативных системах разобранными примерами, отметим, что в более сложных случаях, особенно для нелинейных задач, целесообразно пользоваться методом изоклин, построение которых позволяет составить представление об основ- ных чертах фазового портрета исследуемой системы и, тем самым, о характере совершаемых ею движений. При этом, как уже ука- зывалось, в диссипативных системах мы должны получить неза- висимо от начальных условий такие движения, которые приво- дят систему к устойчивой особой точке — состоянию покоя, т. е. к диссипации всей энергии, связанной с изучаемым движением. § 2.3. Построение фазовых траекторий свободных колебаний методом Льенара Познакомимся с возможностью приближенного графического построения фазовых траекторий диссипативной системы с одной степенью свободы при помощи приема, развитого Льенаром. Этот метод предложен для случая, когда нелинейные свойства системы определяются исключительно законом зависимости силы трения (или сопротивления) от скорости (или силы тока), причем сама сила не зависит от величины независимой переменной (коорди- ната или заряд). В таком случае уравнение движения имеет вид y + v^(y) + ®^ = 0; (2.3.1) У здесь возвращающая сила линейно связана с отклонением -— f (х) = офс. К уравнению аналогичного типа мы при- дем, рассматривая электрический контур с по- стоянными АиСис сопротивлением, зави- Рис. 2.9. Схема электрического контура с R (i). сящим от тока. Уравнение Кирхгофа для подобного контура (рис. 2.9) можно записать в виде L^4-z//?(i) + 4<? = °; (2.3.2) так как i = q, то, вводя ©о=1/£С, получим S + +“<''? = °- <2.з.з> Cll- Lj \ LIL ] Выберем соответствующий масштаб времени, т. е. введем без- размерное время т = ы0£ (2.3.4)
Бб Колебания в диссипативных системах [ГЛ. 2 Тогда в этом новом масштабе d_ d d2 2 d2 dt ~(£>0 dx’ dt2 ~ dx2 ’ уравнение движения может быть записано в виде <7+W) + <7 = °> или У + 4’(!/) + л: = 0> (2.3.5) (2.3.6) где q = x, q = y. Отсюда получаем ил" <2-3-7» Пусть нам задан вид функции ф (у), изображенной графически на рис. 2.10 (там же пунктиром показан вид этой функции для случая постоянного сопротивления). Рассмотрим плоскость пере- менных х, у —фазовую плоскость нашей задачи. Построим график зависимости — ф(у) от у. Для любой точки фазовой плоскости Рис. 2.10. График ф (у), т. е. э. д. с., возникающей на сопротивлении в приведенном масштабе. Рис. 2.11. Построение Льенара на фазовой плоскости. Р (х, у) можно получить направление касательной к фазовой траектории, проводя перпендикуляр к прямой АР через точку Р (х, у) (рис. 2.11). Наклон этой касательной равен dy/dx, и так как РВ = ф (у) ф- х, АВ = у, то выражение (2.3.7) показывает, что прямая АР перпендикулярна к касательной к фазовой траектории в точке Р (х, у). Производя подобное построение для последовательности инте- ресующих нас точек (начиная с точки, характеризующей исход- ное состояние системы) и образуя на плоскости х, у достаточно густую сетку (поле) направлений касательных к фазовым траек- ториям, нетрудно построить искомую фазовую траекторию с же- лаемой точностью.
§ 2.3] ПОСТРОЕНИЕ ФАЗОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ МЕТОДОМ ЛЬЕНАРА 57 При приближенном построении фазовой траектории по этому методу можно поступать следующим образом. Определим с помощью описанного построения направление фазовой траекто- рии в исходной точке Р (х0, у0), соответствующей заданным начальным условиям (х0, у0). Заменяя на небольшом интервале фазовую траекторию отрезком дуги окружности с центром в точ- ке А и повторяя ту же операцию для конца этого отрезка дуги с новым мгновенным центром, определим новое направление каса- тельной к траектории. Продолжив подобные операции необходимое число раз, получим ломаную кривую линию, с необходимой точ- ностью воспроизводящую ход действительной фазовой траектории. Для диссипативных систем, у которых знак ф (у) обязательно совпадает со знаком у, наклоны фазовых траекторий во всех точках фазовой плоскости таковы, что сами траектории проходят внутрь окружности, которую можно провести через данную точку с центром в начале координат. Это справедливо для любой формы функции ф (у), определяющей характер зависимости потерь от состояния системы, при условии, что система остается диссипа- тивной. Такая окружность являлась бы фазовой траекторией нашей системы для ф(у) = 0, т. е. в отсутствие затухания. Эти соображения подтверждают заключение о том, что в случае диссипативной системы фазовые траектории соответствуют более или менее быстрому уменьшению амплитуды колебаний и имеют вид спиралей или сходных с ними кривых, стягивающихся в начало координат (состояние покоя). Следует подчеркнуть, что в изложенном методе Льенара, учи- тывающем нелинейную зависимость силы трения от скорости (или обратной э. д. с. на сопротивлении от силы тока) нуж- но знать лишь ее графическое изображение, которое может быть получено и экспериментально. При этом построении, оче- видно, нет никаких существенных ограничений на вид функции потерь ф (у) и ее мгновенное значение, так что данный метод с одинаковым успехом применим как к случаю малых, так и к случаю больших потерь, а также к системам с большой и малой нелинейностью в диссипативном элементе. Последнее обстоя- тельство придает методу Льенара большую общность и позво- ляет с его помощью изучать колебательные свойства систем при изменении затухания от малых до весьма больших значений и с учетом различных законов трения (как линейного, так и существенно нелинейных законов). Заметим, что метод Льенара широко используется для построений фазовых портретов авто- колебательных систем с разными законами нелинейности, а именно для нахождения устойчивых предельных циклов — замкнутых фазовых траекторий. С помощью небольшого усложнения методики Льенара пред- ставляется возможным производить также построение фазовых
58 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ (ГЛ 2 траекторий для системы, в которой кроме потерь, зависящих произвольным, в том числе нелинейным, образом от скорости (силы тока), имеется еще и нелинейная жесткость (нелинейная емкость). Пусть мы имеем электрический колебательный контур с нелинейным сопротивлением и конденсатором с сегнетоэлектри- ком. Уравнение, описывающее колебания в подобной системе, имеет вид х + ф (х) ф-<р (х) = 0, (2.3.8) где х = q — заряд на конденсаторе. Время измеряется в новом масштабе т = <оо/, где <Оо=1/!С0, а напряжение на емкости, возникающее при сообщении этой емкости заряда q, равно нс = -^ = ^Ф(7), (2.3.9) a if (q) — по-прежнему функция, характеризующая силу трения. В системе координат х и у = х построим функции ср (х) и — Ф(^) (рис. 2.12). Для произвольной точки Р (х, у) найдем соответствующее значение ср (х) (точка В) и отложим его на оси абсцисс в направлении к началу координат от точки А до точки С, точки пересечения прямой ВС с осью абсцисс под углом в 45°. Тогда отрезок АС будет равен отрезку АВ и, следовательно, <р(х). Соединив далее точку С с точкой Е, проведем прямую/7!), параллельную СЕ, и, тем самым, перенесем отрезок, равный ф (у), на ось абсцисс и прибавим его к отрезку АС, равному ср(х). Отрезок AD будет равен ср (х) ф-ф (у}. Тогда очевидно, что прямая DP будет перпендикулярна к касательной к фазовой траектории в точке Р (х, у), так как А = _ (2.3. Ю) dx у ' ' Проводя подобное построение для интересующей нас последо- вательности точек, мы можем построить с требуемой точностью и саму фазовую траекторию, так же как и в предыдущем слу- чае. Заметим, что это построение переходит в предыдущее для случая линейной емкости, когда С = С0 и <р(х) = х. В рассматриваемом случае нелинейной диссипативной системы при нелинейной емкости фазовые траектории не обязательно во всех точках направлены внутрь окружности, проходящей через данную точку, с центром в начале координат. Но это не лишает справедливости утверждения, что фазовые траектории для иссле- дуемой системы при наличии потерь всегда направлены внутрь тех замкнутых фазовых траекторий, которые имели бы место для данной системы с данным видом нелинейности при исключении из нее потерь (при ф(у)==0, т. е. для консервативного случая). Окружности же с центром в начале координат просто пере- стают быть фазовыми траекториями для консервативной системы
§ 2.3] ПОСТРОЕНИЕ ФАЗОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ МЕТОДОМ ЛЬЕНАРА 59 при наличии в ней нелинейности. Это соответствует графическому воспроизведению на фазовой плоскости процесса, отличающегося от гармонического. Приведенный выше способ приближенного построения фазовых траекторий остается в силе и для нелинейной системы без потерь. Можно также графически найти направление касательной к фазовой траектории в любой ее регулярной точке, если из- вестен график функции ф(х), характеризующей нелинейность Рис. 2.Г2. Модифицированное построение Льенара в случае нелинейных R и С. Рис. 2.13. Модифицированное построение Льенара для систе- мы без потерь. консервативного элемента в системе. В таком консервативном случае на фазовой плоскости надо построить в качестве вспомогательной кривую <р (х) и, как указывалось выше, проведя из точки В линию под углом 45° к оси абсцисс ВхСг, найти точку Сг (рис. 2.13). Линия С1Р1 будет перпендикулярна к касательной к фазовой траектории в точке Рг (х, у). Это по-прежнему следует из основ- ного уравнения для такой системы х + ф(х) = 0, или у + <р(х) = 0; (2.3.11) Проводя подобные построения указанным выше способом для последовательности точек, можно получить ломаную линию, кото- рая сколь угодно близко будет воспроизводить искомую фазовую траекторию движения в нашей нелинейной консервативной си- стеме.
60 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 § 2.4. Исследование свободных колебаний в нелинейных диссипативных системах с одной степенью свободы методом поэтапного рассмотрения Точное решение задачи о свободных колебаниях в нелинейных диссипативных системах в подавляющем большинстве случаев наталкивается на весьма большие и очень часто неразрешимые трудности. Поэтому (как и в случае консервативных систем) при- ходится искать методы приближенного расчета, которые с задан- ной степенью точности позволили бы найти количественные соот- ношения, определяющие движения в исследуемой системе при заданных начальных условиях. Из ряда возможных приближен- ных методов рассмотрим в первую очередь метод поэтапного рас- смотрения. Мы уже указывали, что этот метод заключается в том, что в соответствии со свойствами системы все движение в ней заранее разбивается на ряд этапов, каждый из которых соответ- ствует такой области изменения переменных, где исследуемая система с достаточной точностью описывается или линейным диф- ференциальным уравнением, или нелинейным, но заведомо инте- грируемым уравнением. Записав решения для всех выбранных этапов, мы для заданных начальных условий находим уравнение движения для первого этапа, начинающегося с заданных началь- ных значений. Значения переменных (/, х, у~х) конца первого этапа считаем начальными условиями для следующего этапа. Пов- торяя эту операцию продолжения решения от этапа к этапу со сшиванием поэтапных решений на основе условия непрерывности переменных х и у = х, мы можем получить значения исследуемых величин в любой момент времени. Если разбиение всего движе- ния системы на этапы основано на замене общей нелинейной характеристики ломаной линией с большим или меньшим числом прямолинейных участков, то подобный путь обычно называется кусочно-линейным методом. В этом случае на каждом этапе система описывается линейным дифференциальным уравнением. Условие сшивания решений на смежных этапах — непрерывность хи у = х — необходимо и достаточно для системы с одной степенью свободы при наличии в ней двух резервуаров энергии и двух форм запа- сенной энергии (потенциальной и кинетической, электрической и магнитной). Существование двух видов резервуаров энергии является также необходимым условием для возможности осуще- ствления в системе свободных колебательных движений, хотя для диссипативных систем оно недостаточно. При большом затухании система и с двумя резервуарами энергии может оказаться неко- лебательной — апериодической. Применение метода поэтапного расчета нелинейных диссипа- тивных систем мы проиллюстрируем несколькими примерами и начнем рассмотрение со случая системы с сухим трением, кото-
§ М ПОЭТАПНОЕ РАССМОТРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 61 рая уже подвергалась качественному исследованию с помощью построения ее фазового портрета. 1. Уравнение, описывающее движение в колебательной системе с сухим трением, как мы уже видели, имеет вид х + ©оХ = а, где а — — а0 при х > 0 и а = -{-а0 при х < 0. Подстановками х = %! — «0/<0в для х>0 и х = х2+«o/<i»o для х<0 получим урав- нение, одинаковое и для х1г и для х2 ^1.2 + “ах1.2 = 0; его решение xli2 = A cos sin cooi. (2.4.1) Задаемся начальными условиями t = 0, х = х0, у = 0. (2.4.2) Для первого этапа, соответствующего x = y<z0, имеем х = Aj cos a>ot + Вг sin toot+a0/(og, 0 =g t sg л/Ц), или с учетом начальных условий x = (x0 — aofa%) cos toof+a0/®o- (2.4.3) В конце этапа < = л/со„, xn/t0o =— л'(,-Ь 2«0/со'^. Это значение хп/<в0 следует считать начальным для второго этапа. Второй этап соответствует х = р>0; л/соо =g / =g 2л/соо. Так как при t — л/<о0, х= — х0 + 2а0/й>2, то X = (Хо — Зй0/С0о) COS (i>ot — CZo/COo- (2.4.4) К концу этого этапа при I = 2л/соо получаем Х2л/и0 = х0 — 4п0/о>о. Для рассмотрения второго периода колебаний надо продолжить рассмотрение по этапам. Третий этап соответствует х = у<^0, 2л/ш0 =g / =g Зл/о>0 и х — Аа cos aot-f-Ba sin ®0Z4-o0/a>§. Для / = 2л/со0, х = х0 — 4а0/соо, у = 0 имеем х — (х0 — 5а0/и>5) cos (Dot + a0/®g. (2.4.5) К концу этапа при £ = 3л/соо получаем Хзл/ю0 =— х0 + 6а0/о§. Ана- логично для следующего этапа при у>0 и Зл/о>0 sg t =g 4л/<оо находим х — (х0 — 7о0/о>о) cos (not — о0/Юо, (2.4.6) и в конце этапа Х4л/ы0 = хп — 8а0/а>1- Полученное решение представлено графически в координатах I, х на рис. 2.14.
62 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ (ГЛ. Й В соответствии с основными особенностями системы с сухим трением подобные расчеты имеют смысл лишь до тех пор, пока при у = 0 | х | > а0/о>о, т. е. пока система не пришла в зону застоя. Если в момент наибольшего отклонения возвращающая сила ока- жется меньше силы трения, то система не будет продолжать свое движение и останется в зоне застоя. За каждый период колебания амплитуда уменьшается на величину 4a0/(D„. Таким образом, через п целых периодов отклонение будет равно |х| =х0 —4nau/<Dg. (2.4.7) Отсюда следует, что система совершит только конечное число колебаний, определяемое из условия 0 < х0 — 4па0/а>о < а0/Юо- Из этого условия вытекает, что п удовлетворяет неравенству 4со/®о 4fzo/co® 74- (2.4.8) 2. В качестве другого примера поэтапного рассмотрения сильно нелинейной колебательной системы обратимся к движениям, кото- Рис. 2.14. График движения в системе с су- хим трением, полученный методом поэтап- ного рассмотрения. рые могут происходить в контуре, состоящем из ем- кости, сопротивления и индуктивности с легко на- сыщаемым ферромагнит- ным сердечником. Для Рис. 2.15. Схема контура, со- держащего индуктивность с фер- ромагнитным сердечником. такого контура, изображенного на рис. 2.15, уравнение Кирхгофа запишем в виде n-^ + /?i + -^<7 = °. (2.4.9) Здесь Ф — магнитный поток, пронизывающий п витков обмотки. Запишем это уравнение иначе: /гдг4+/?‘‘+^==0- <2-4-10) Примем, что кривая намагничения сердечника имеет идеализи- рованный вид, показанный на рис. 2.16. Тогда, пренебрегая изме- нением магнитного потока при насыщении сердечника (что допу-
S 2.4] ПОЭТАПНОЕ РАССМОТРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 63 стимо при малом числе витков обмотки и высокой магнитной проницаемости сердечника достаточно большого сечения), мы можем считать, что зависимость Ф от тока изображается графиком, при- веденным на рис. 2.17. Подобная идеализация позволяет нам Рис. 2.16. Идеализированная кри- Рис. 2.17. Идеализированная кри- вая намагничения сердечника. вая зависимости магнитного пото- ка Ф от тока i с полным насы- щением. разбить процессы в системе на этапы, в которых | I | «С i0 или 111 i0. Для 111 i0 справедливо уравнение Lq + Rq + ±q = G, (2.4.11) . ДФ где L = n-^-. Для | i | i0 получаем дифференциальное уравнение первого порядка Rq + ±q = 0. (2.4.12) Более строгое рассмотрение с учетом изменения Ф в областях насыщения магнитного поля привело бы нас к уравнению с малым параметром X типа tij + Rq + ±q = O. (2.4.13) Решение этого уравнения для малого Д взятое для достаточно большого интервала времени, близко к решению написанного выше уравнения первого порядка. Рассмотрим теперь движения в исследуемой системе для задан- ных начальных условий. Пусть при t = 0, q = q0 и q = i = 0. Тогда в качестве первого этапа необходимо рассматривать процесс при | i | < i0, и мы получим Lq+ + <7 = 0, или «у + 2б<7 + ©о<7 = 0, (2.4.14) где 2b = R/L, u^=l/LC.
64 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 Решение этого уравнения имеет вид <7 = е~6/[Д cos coi-f-B sin со£], (2.4.15) где <о2 = со§ —62. Из начальных условий находим ^==e-^^oCOS(0^_|_-^o.sin(o/ji i = (j =--q^t sin at. (2.4.16) Если начальный заряд q0 достаточно велик и через время < п/2а значение i = q стало равным — i0, то процесс переходит из первого этапа во второй. Конечные значения q и i = q в момент времени равны qtt — g-cn J^cos at + sin ; ift = — i0 = —qe~6ti sin co^. Решение идеализированного уравнения второго этапа имеет вид q=D^, i — q — — ~e~t/x, (2.4.17) где D — начальная амплитуда заряда, т — RC — постоянная времени. Отсюда вытекает однозначная связь между q и i, даваемая соот- ношением i = — (1/т) q. Это условие может оказаться в противоречии с полученными нами значениями qtl и — i0, явившимися результатом движения системы от исходного состояния q = q0, i = 0 к границе первого этапа. Значения qt, и — i0 должны служить начальными усло- виями для движения во время второго этапа. Однако здесь полу- чается одно лишнее начальное условие, так как для определения исходного движения записанное нами идеализированное уравне- ние первого порядка требует только одного начального условия. Этот «конфликт» между идеализированным законом движения системы и начальными условиями требует введения дополнитель- ных условий, если мы хотим остаться в рамках сделанной идеа- лизации (Ф = const при | i | > i0) и не хотим исследовать решений уравнения (2.4.13), т. е. уравнения второго порядка. Таким дополнительным условием является допущение бесконеч- но быстрого изменения той переменной, изменение которой не связано с изменением запаса энергии системы. В нашей задаче в рамках второго этапа возможно произволь- ное мгновенное изменение i = q до значений, определяемых выра- жением (2.4.16), так как при постоянстве Ф изменение i не свя- зано с изменением магнитной энергии системы. Величина же q определяет электрическую энергию заряженного конденсатора и ее скачкообразное изменение означало бы расход или потребле- ние бесконечной мощности, что физически бессмысленно. Естественно, в реальной системе не может быть бесконечно быстрого изменения тока, но весьма слабая зависимость магнит-
$ 2.41 ПОЭТАПНОЕ РАССМОТРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 65 кого потока от величины тока при | i | > i0 эквивалентна исче- зающе малому значению коэффициента самоиндукции, и в подоб- ной системе вполне допустимы очень быстрые изменения силы тока. Таким образом, в нашей идеализированной системе, вырож- денной по отношению к полной системе с двумя резервуарами энергии, мы вводим скачок i, ликвидирующий «конфликт» между возможными движениями системы и заданными начальными усло- виями и приводящий значение i от значения —i0 к величине itl = — qtjx. При этом q не претерпевает разрывов непрерывно- сти, так как на всех этапах движения величина q определяет запас электростатической энергии NE = q2l%C. Дальнейший процесс в системе будет протекать в соответствии с решением уравнения второго этапа. Величина заряда будет изменяться по закону q = qtt exp [— (t — ^)/т], а ток — согласно выражению i = — (<fr,/т) exp [— (t — /х)/т]. Этот экспоненциальный процесс будет продолжаться до тех пор, пока значение i не ста- нет вновь равным — i0. Если в момент времени i = /2 мы приходим к концу второго этапа, то it, = — = — (qtjx) exp [— (i2 - <х)/т], 94 = qt, exP [— & ~ O/T] = Tl‘o. откуда можно определить /2. С этого момента начнется движение, отвечающее этапу изме- нения Ф, и для третьего этапа мы вновь должны воспользоваться решением вида q = exp [— 6 (t — i2)] [Д cos © (t — i2) + В sin co (t — Q], (2.4.18) причем А и В находят обычным способом. Как нетрудно показать, указанные значения qts и it,=— i0 соответствуют экстремуму функции q = — exp [— 6 (t — i2)] [(В© — 6Д) cos © (t — /2) — — (Дюф-бВ) sin ©(< —i2)]. (2.4.19) Вследствие потерь дальнейшее движение уже не будет выводить значения I за пределы ± i0, и вплоть до полного затухания дви- жение в системе будет описываться уравнением (2.4.14) и его решением (2.4.15) с определенными обычным образом коэффи- циентами. Для начала этого третьего (и последнего) этапа при t = tt получаем q = qt, = Ats, q = it2 = i0 = B^a — bAtt, откуда В‘> = 4 А/‘ + ©’ = 3 В. В. Мнгулин и др.
66 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ (ГЛ. 2 Таким образом, окончательные выражения для q и i для третьего этапа будут иметь вид 9 = ехр [—б(/—4)]х XI qtt cos со (t -12) 4- -J- (6?z, + to) sin co (t — 4)1, L J (2.4.20) i = exp [— 6 (t — i2)] x X [t0 cos a + ~ (afc, 4- 6t0) sin co (t - 4)]. Так как, согласно закону изменения q, во втором этапе qt, = xi0, то окончательно для третьего этапа мы можем записать выраже- ния ? = ioexp[ — б(/ —4)][tcosco(Z —4)4- — (6т4- 1)х х sin со (t — 4)], (2.4.21) i = t'o ехр [ — 6 (t — 4)] [cos co (/ — 4) 4~ (йот 4* 6) sin co (t — 4)]- Этот затухающий процесс имеет один и тот же характер при любых начальных значениях q0. Каков бы ни был начальный заряд емкости, система после апе- риодического процесса в области Ф = const придет к затухающему движению в области | i | sc i0 с одними и теми же значениями q и I, т. е. q = ti’o, i = — t0. Рассмотренный процесс будет соответствовать фазовой траек- тории на фазовой плоскости q, q — i, показанной на рис. 2.18. Все другие фазовые траектории, отвечающие другим начальным условиям, должны иметь тот же характер, что и на рис. 2.18. В областях 11‘ | > 4 принятая идеализация допускает только одно движение, соответствующее единственной фазовой траекто- рии i — — q/x. Из любой другой точки фазовой плоскости в этих областях система должна скач- ком с бесконечно быстрыми изме- Рис. 2.18. Фазовая траектория движе- ния в контуре с насыщающимся сер- дечником. нениями i перейти или на границу области с дальнейшим движе- нием по одной из спиралей, или на единственную траекторию, соответствующую экспоненциальному разряду емкости.
§ 2.4) ПОЭТАПНОЕ РАССМОТРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 67 Если построить графики изменения q и i в функции времени, то для выбранных нами начальных условий они будут иметь вид, показанный на рис. 2.19. и 2.20. При других начальных условиях может появиться и два скачка (например, если в начальный момент £ = 0, q = q0 и тогда сразу же движение начнется с первого скачка тока до величины t0, а затем после прохождения по первому этапу произойдет второй Рис. 2.19. График изменения q в функции времени для колебательного кон- тура с насыщающимся сердечником. Рис. 2.20. График изменения i в функции времени для колебательного кон- тура с насыщающимся сердечником. скачок, приводящий систему в режим апериодического разряда емкости, как наблюдалось в разобранном примере. Учет слабого изменения Ф в областях насыщения и, следо- вательно, рассмотрение уравнения второго порядка во всех этапах процесса избавляет от необходимости допускать скачки и дает возможность найти непрерывное решение задачи для всех возможных значений q и i. Но такое уточнение связано с боль- шими трудностями и не дает интересующих нас принципиально новых качественных результатов, так что для общего рассмотре- ния хода процесса свободных колебаний в изучаемой системе сделанная идеализация вполне оправдана. Если же нас будет инте- ресовать сама форма быстрого процесса перехода от одного типа движения к другому, тогда, конечно, необходим более последова- тельный и строгий анализ. При этом следует иметь в виду, что 3*
68 колебания в диссипативных системах [ГЛ. 2 изучение более тонких деталей схематически рассмотренных про- цессов требует также использования более точной аппроксимации реальных кривых намагничения. В действительности нет скачкообразных изменений хода кри- вых намагничения, а магнитные свойства сердечников могут изменяться лишь непрерывно, хотя и достаточно быстро в опре- деленные фазы процесса. 3. Разберем еще системе посредством 4-1 Рис. 2.21. Идеализиро- ванные кривые гистере- зиса. один пример колебаний в диссипативной поэтапного рассмотрения. Проанализируем колебания в уже описанном электриче- ском колебательном контуре с катушкой индуктивности, содержащей ферромагнит- ный сердечник, но в отличие от ранее принятой идеализации не будем вводить в рассмотрение насыщение, а учтем нали- чие нестационарной петли в кривой на- - магничения. Будем считать, что петли гистерезиса можно приближенно пред- ставлять так, как показано на рис. 2.21 для разных амплитуд периодически изме- няющегося Н. Уравнение колебаний в контуре (см. рис. 2.15) имеет вид n 4r+^t’ + С idi = 0, где </ = ( i dt\ til til C J J (2.4.22) как и раньше, Ф —полный магнитный поток, пронизывающий все п витков обмотки катушки. Рассматривая движение по этапам, получаем следующие урав- нения. Для этапов, где n-^ = L, имеем <7 + 20(7 + ? = 0; здесь q — заряд на емкости, в качестве масштаба времени взято т = <оо/ (<оо = 1/БС), 20 ^R/b^L. Для этапов, где Ф = const, находим = ~~ R^C q‘ Рассмотрим сначала этап возрастания I и Ф (t) от начальных условий qx-o = — qo, ?т-о = 0 до максимального значения q (и соот- ветственно Ф); потом проанализируем процесс, описываемый урав- нением (2.4.24), далее возьмем этап убывания Ф (i), когда вновь вступает в силу уравнение (2.4.23), вплоть до достижения наи- (2.4.23) (2.4.24)
§ 2.4] ПОЭТАПНОЕ РАССМОТРЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 69 большего отрицательного значения i = i3 и Ф (i3). Затем опять следует этап постоянства Ф и, начиная от значения i = i4, дви- жение описывается уравнением (2.4.24) вплоть до наступления нового возрастания Ф (t). При этом происходит постепенный переход от одной петли гистерезиса к другой, соответсвующей меньшим значениям тока и магнитного потока. Строго говоря, здесь происходит некоторое отклонение хода зависимости Ф(1) от выбранного нами идеализи- рованного закона, но при не слишком широкой петле гистерезиса оно достаточно мало, и учет поправки при данном приближенном рассмотрении не представляется оправданным. Рис. 2.23. Фазовый портрет иде- ального контура без потерь с ин- дуктивностью с сердечником, обла- дающим гистерезисом. Рис. 2.22. Фазовый портрет коле- бательной системы с потерями и сердечником, обладающим гистере- зисом. Повторяя последовательно подобное исследование по этапам, можно получить выражение для изменения q и q во времени. На фазовой плоскости соответствующий фазовый портрет системы имеет вид, изображенный на рис. 2.22. Фазовые траектории будут представлять отрезки спиралей, соединенные отрезками прямой q = — q/d>QRC в точках i = q, соответствующих началам и концам этапов Ф = const. Таким образом, мы видим, что при учете ги- стерезисных явлений должно происходить более быстрое умень- шение амплитуды свободных колебаний исследуемого контура. Это обусловлено тем, что существование гистерезисной петли при- водит к потерям в материале сердечника за счет работы на его перемагничивание, вызванным взаимодействием элементарных об- ластей намагничения с остальной массой вещества сердечника, и в конечном счете—-к переходу магнитной энергии в тепловую за счет работы, расходуемой на переориентацию указанных обла- стей, или доменов.
70 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 2 По этой причине наличие ферромагнитного сердечника с гисте- резисными свойствами в индуктивности колебательного контура даже при отсутствии в нем активного сопротивления приводит к появлению потерь, и такая система оказывается принципиально диссипативной. На рис. 2.23 показан фазовый портрет подобного идеального контура, не обладающего активным сопротивлением, но содержа- щего индуктивность с сердечником, имеющим гистерезисные свой- ства. Здесь фазовая траектория составляется из полуокружностей, радиус которых уменьшается в зависимости от ширины петель гистерезиса. В этом процессе этап движения, соответствующий Ф = const, происходит мгновенно, что связано с отсутствием в изу- чаемом контуре активного сопротивления, которое ограничивало бы скорость изменения q. § 2.5. Метод медленно меняющихся амплитуд и его применение к расчету колебаний в слабо нелинейных системах с малым затуханием Изложенный в предыдущем параграфе метод поэтапного рас- смотрения, как указывалось, не накладывает никаких ограниче- ний на нелинейность исследуемой колебательной системы и при- годен для любых законов затухания. Однако этот метод обычно приводит к громоздким вычислениям или сложным графическим построениям, причем полученные результаты относятся только к одному виду движения при заданных начальных условиях и не позволяют наглядно представлять общие особенности движений системы при различных условиях и разных значениях ее пара- метров. Поэтому весьма важно рассмотреть те приближенные ме- тоды, которые хотя бы для ограниченного класса колебательных систем могли бы дать единое решение для любого момента коле- бательного процесса при произвольных начальных условиях. Та- кого рода приближенный метод был в свое время предложен Ван дер Полем и получил в дальнейшем название метода мед- ленно меняющихся амплитуд. Он позволяет весьма успешно исследо- вать класс колебательных систем с малой нелинейностью и малым затуханием. Электрические контуры с ферромагнитным сердечни- ком при малых потерях на гистерезис в области значений ампли- туд магнитного поля, далеких от насыщения, контуры с нели- нейными емкостями при аналогичных ограничениях, линейные контуры с постоянными L и С при малых затуханиях (независимо от их линейности или нелинейности), многочисленные механи- ческие аналоги указанных выше высокодобротных линейных и нелинейных систем составляют тот класс систем, в которых дви- жения можно приближенно рассчитывать методом медленно меня- ющихся амплитуд. Условия малой нелинейности подобных систем
$ 2.6] МЕТОД МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ АМПЛИТУД 71 и малого затухания в силу непрерывности изменения свойств системы и решения описывающего ее дифференциального уравне- ния приводят к тому, что движение в данном случае будет близко к точно гармоническому, соответствующему линейной консерва- тивной системе. Для линейной консервативной системы с одной степенью сво- боды уравнение, описывающее колебания в ней при соответ- ственно выбранном масштабе времени, нам уже известно: х -|- -|-х = 0. В этом случае масштаб времени т определяется соотно- шением т = <оо/, где <оо — круговая частота свободных колебаний системы, / — обычное время. Для системы, близкой к линейной консервативной, х-|-х = /*(*. х), (2.5.1) где f* (х, х) — произвольная регулярная в общем случае нелиней- ная функция координаты х и скорости ее изменения, значения которой остаются малыми по сравнению со значениями членов, стоящих в левой части уравнения (2.5.1) (в силу слабой нели- нейности параметров и малых потерь в системе). Если соответствующим выбором масштаба координаты х рас- сматривать такие изменения переменной х, при которых она по- рядка 1, то правая часть уравнения (2.5.1) будет мала по срав- нению с единицей. Поэтому это уравнение целесообразно записать в виде х-{-х = р/(х, х), (2.5.2) где f (х, х) — заданная ограниченная регулярная функция, не свя- занная условиями малости, а р —малый параметр (р<^1), вели- чина которого характеризует степень близости данной системы к линейной консервативной. Исследуемая система переходит в последнюю при р->0. При р = 0 решением уравнения (2.5.2) будет х =а cos т-f-b sinx, где а и b — постоянные, задаваемые начальными условиями, т. е. начальным запасом колебательной энергии в системе. Следуя Ван дер Полю, считаем, что для р #= 0, но р 1 ре- щение может быть записано в виде х = и cos т-f-u sin т, (2.5.3) где и (т) и v (т) — медленно меняющиеся функции (медленно меняю- щиеся амплитуды) *), так что й и и v v. Перейдем от пере- менных х и х к переменным и и v посредством соотношений x = wcosT-f-vsinT, х = — wsinT-j-vcosT, (2.5.4) *) В дальнейшем изложении метода медленно меняющихся амплитуд (ММА) мы будем следовать Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси, которые в своей работе (ЖЭТФ 4, 1934) впервые дали математическое обоснование метода ММА и областей его применимости.
72 колебания в диссипативных системах [ГЛ. 2 что эквивалентно введению дополнительного условия, связываю- щего й и v: й cost + ® sinт = 0. (2.5.5) Используя (2.5.4) и (2.5.5), можно от уравнения (2.5.2) перейти к системе й = — р/(н cost-J- v sin т; — и sin т -j-v cost) sinx, v = pf (и cos т + v sin т; — и sin т ф- v cos т) cos т. Эта система двух уравнений первого порядка точно соответствует исходному уравнению (2.5.2) второго порядка. Она не дает ника- ких преимуществ в смысле упрощения решения задачи. Однако из этой системы следует, что производные й и v имеют порядок малости р<^1, что подтверждает справедливость выбранных усло- вий й и, v^v. Существенный шаг в сторону нахождения при- ближенного решения можно сделать, если заменить мгновенное значение и и v их средними величинами за каждый период коле- бательного процесса, равный 2л. Производя усреднение по периоду от 0 до 2л, мы приходим к системе так называемых «укороченных» уравнений 2л 2л й = J pf(u, v, т) sinrrir, л = J p.f(w, п, T)cosxdT. (2.5.7) Эта система вида й = ф(и, v), й = ф(и, v) (2.5.8) уже не содержит в правых частях в явном виде времени т и во многих случаях ее можно проинтегрировать, получая временной ход медленно меняющихся функций и (т) и v (т), являющихся «амплитудами» искомого решения. Систему уравнений (2.5.8) можно получить из системы (2.5.6), если правые ее части разложить в ряд Фурье как периодические функции с периодом 2л и отбросить все осциллирующие члены. В этом отбрасывании осциллирующих членов и заключается «уко- рочение», приводящее от системы уравнений, точно соответствую- щей исходному уравнению, к приближенным укороченным урав- нениям. Переход от переменных х, х к переменным и, v эквивалентен переходу от одной декартовой системы координат х, х к другой, также прямоугольной с общим началом координат, повернутой на угол т по часовой стрелке (рис. 2.24). Это означает, что система координат и, v в координатной плоскости х, х вращается с угло- вой частотой, равной единице. Поэтому в случае линейной кон- сервативной системы изображающая точка Р описывает окруж- ность в фазовой плоскости координат х, х, вращаясь с перио-
S 2.5] МЕТОД МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ АМПЛИТУД 73 дом 2л, а в плоскости переменных и, v остается неподвижной. Это соответствует гармоническому колебанию с амплитудой А = = У н2 + V2. Полученная система укороченных уравнений позволяет отыски- вать состояния равновесия для переменных и и v, что соответ- ствует стационарным движениям. Для стационарных движений (состоя- ний) н = «/, v = bit u — v = 0, и тогда <р(«ь bz) = 0, -ф (cti, bi) = 0, (2.5.9) так как н = •£ = (). Решения системы (2.5.9) должны дать возможные стационарные амплитуды гар- монических движений, приближенно от- ражающих реальный стационарный про- цесс. Устойчивость стационарных движе- ний можно определить известным мето- дом возмущений, заключающимся в со- ставлении уравнений для малых вариаций Рис. 2.24. Системы коорди- нат X, X и и, V. вокруг найденных стационарных зна- чений и = а{, v = bi, соответствующих равновесию вспомогательной системы, описываемой укороченными уравнениями. Если задать u = «z-j-T], а = &/ + £, то для вариаций т] и £ имеем уравнения П = ф(«/+'П; &/ + 0, bi+Q. (2.5.10) Разлагая правые части этой системы в ряд в окрестности стацио- нарных значений ait bt и пренебрегая степенями малых величин т] и t выше первой, получим систему линейных уравнений C = cc2jT] + a2.2G. Вводя зависимость вариаций от времени т] = г]ое’"т и £ = Coe%T и подставляя эти выражения в (2.5.11), находим два линейных уравнения для амплитуд вариаций т]0 и Со (а11 По + И12?0 — 0» а21Ло + (а22 — ^)£о = О. (2.5.12) Как обычно, поведение вариаций будет определяться характером решений характеристического уравнения, которое получается из условия нетривиальности решения системы (2.5.12) |ац-Л ай | = Ов (2.5.13) | 0^21 0^22 — | '
74 КОЛЕБАНИЯ В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ [ГЛ. 9 Отсюда X2 —(а11 + а22)Х+а11а22 —а12сс21 = 0 и ^i,2 = V2 («ц -г- а22) ± r/2 V(«и — «гг)2 + (2.5.14) Если оба корня имеют знак минус у вещественной части X, то соответствующее стационарное решение (u = ai, v = b{) устойчиво. Если хотя бы одно из значений X имеет знак плюс у веществен- ной части, то исследуемое решение неустойчиво. Наличие или отсутствие мнимой части в к определяет характер устойчивости или неустойчивости стационарного решения. Мы не будем сейчас углубляться в детали вопроса об иссле- довании устойчивости стационарных движений, а вернемся к нему позднее при рассмотрении параметрических и активных систем, в которых возможны различные типы стационарных движений. Для диссипативных же систем ясно, чю может существовать лишь одно стационарное состояние — состояние покоя, которое всегда устойчиво. Рассмотрим теперь другой вариант метода медленно меняю- щихся амплитуд с переходом от исходных координат х и х к новым переменным — амплитуде А и фазе 6, которые также являются медленными переменными в масштабе времени т. Очевидно, что w = /lcos6; v = — A sin 6 и A2 — u2A-v2\ tg0 = = — v/u, где и и V — медленно меняющиеся амплитуды. Л и 6 представляют собой соответственно полярные координаты описы- вающей точки на плоскости переменных и и и. Поскольку пере- менные и n V — медленные функции времени т, то и амплитуда А, и фаза 0 также медленно меняются со временем т. Будем теперь искать решение исходного уравнения (2.5.2) в виде х = A cos [т -|- 6 (т)]. (2.5.15) Введем замену переменной х: х =— A sin[t-|-6 (т)]. (2.5.16) Следует обратить внимание на то, что последнее выражение для х не есть результат дифференцирования х по времени т, ибо производная х по т имеет вид х== A cos (т + 6) — A sin (T-J-0) — A sin (t-{-6) -6. Из (2.5.15) и (2.5.16) следует условие A cos(т + 0) — sin(T-|-0) = O. (2.5.17) Если переменную х продифференцировать по времени т и подста- вить х, х и х, выраженные в новых переменных А и 6, в исход- ное дифференциальное уравнение (2.5.2), то с учетом (2.5.17)
S 2.5] МЕТОД МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ АМПЛИТУД 75 получим систему двух уравнений Л81п(т + 0) + ЛбсО8(т + 6) = —^(Л, е, т), Л cos (т4-6) — Л6 sin (т-{-0) = 0. ' Отсюда находим точную систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы в системе, Л = — р/(Л, 0, т) sin (т4-0), Лб = — р/(Л, 0, т) cos (т 4-0). (2.5.19) Здесь Л (т) и 0 (т) являются медленными функциями времени т, что позволяет усреднить правые части (2.5.19) за период, считая, что за это время Л и 0 не меняются. Указанная процедура усред- нения приводит к системе двух укороченных уравнений вида 2л 2л Л = — 2^- у [if (Л, 0, т) sinтхdij, Лб = — f [if(Л, 0, т) cos dxlt о о (2.5.20) где т1 = т4-0. Из системы укороченных уравнений (2.5.20) можно определить стационарные значения амплитуды и фазы колебаний в конкрет- ной системе, исследовать процессы установления (переходные про- цессы) этих величин, а также определить устойчивость найденных решений. Применение такого варианта метода медленно меняющихся амплитуд иногда упрощает нахождение стационарных решений, особенно в задачах, где отсутствует опорное колебание (вызванное, например, внешней силой, модуляцией параметра, синхронизи- рующим сигналом), фазовый сдвиг (фаза) которого относительно искомого колебания естественно вошел бы в решение. К подобным системам относятся, в частности, пассивные линейные и нелиней- ные колебательные системы, автоколебательные системы и др. Некоторое облегчение решения задач этот вариант метода ММА дает также в тех случаях, когда нелинейные характеристики каких-либо параметров колебательной системы аппроксимируются высокими степенями разложения в ряд. Проиллюстрируем теперь метод медленно меняющихся амплитуд примерами его применения к расчету колебаний в простейших системах. Линейный контур с постоянным затуханием (линейный осцил- лятор с затуханием). Эта задача легко решается прямым интегри- рованием дифференциального уравнения (2.2.6), но для иллюстра- ции метода проделаем соответствующие расчеты для свободных колебаний методом медленно меняющихся амплитуд.
76 колебания в диссипативных СИСТЕМАХ (ГЛ. 2 Колебания в рассматриваемом контуре описываются уравне- нием d2x , ns dx i 2 n 'dF + 26 ~dT + “°X _ °- Если положить т — (£>ot, то = a>o и x + Я'&х+x = 0, где 2'0 = = 26/<оо. Тогда можно записать, что % + % = — 2,0х, т. е. yf(x, х) = = — 2'0%. Условием применимости метода ММА в данной задаче будет требование '& = р 1. Применим вариант метода с медленно меняющимися амплитудой и фазой. Укороченные уравнения для исследуемого линейного осциллятора с трением будут 2Л А = — тг~ ( 2'0A sin2 т, dilt 2л J 11’ о 2Л Аб = — -Д- » 2'&Л sin т, cos т, dx„ 2л J 1 11* о где т1 = т4-6. Отсюда А = — &/'!, Аб = О. Эти укороченные уравнения легко интегрируются, и мы получаем А = Аоей\ е = е0, откуда х = Aoe~flT cos (т + 60). Заметим, что найденное приближенное решение несколько отли- чается от точного решения исходного линейного уравнения. В точ- ном решении х = Ао exp^—cos (со^4-6о), где = поэтому скорость уменьшения амплитуды одна и та же и в точном, и в приближенном решениях. Частота же колебаний в точном решении ю = —62, что отличается от ы0, принимаемой за угловую частоту приближенного решения, найденного из укоро- ченных уравнений. Нелинейный контур без затухания. Рассмотрим контур с кон- денсатором с сегнетоэлектриком в пренебрежении затуханием. В этом случае Lq-\-u(q) = 0. Введем x = q/q0, где </0 — некоторый заряд, соответствующий ожидаемой максимальной амплитуде коле- баний в контуре, и зададимся для нелинейной зависимости и (q) выражением вида и (q) — (q/C0) (1 +№)• Тогда наше уравнение примет вид х 4- С0о (х+VtAo*3) = 0, где Wo = 1 /ЬС0.
§ 2.51 МЕТОД МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ АМПЛИТУД 77 Введем новый масштаб времени т = <о/, где <о не обязательно сов- падает с <о0. С учетом этой подстановки X + (cog/co2) (х+-y0<7gx3) = 0. Вводя обозначения = 1 — у = yoq%, получим х-[~х = %х — (1 — Е) ух3. Учитывая, что мы ограничиваемся случаем £ 1 и у<^1,можно, отбрасывая член второго порядка малости, приближенно записать х + х = £х — ух3. Это уравнение принадлежит к типу х’4-х = р/(х, х), и к нему можно применить метод медленно меняющихся амплитуд. Исполь- зуем вариант с медленно меняющимися амплитудами и ис. Укоро- ченные уравнения будут иметь вид 2л й = — 2л J — ух3) sin т dx, о 2л ® = 2^t J ~~ V^3) C0S Т о где х= и cos т + v sin т. После усреднения получаем й = — l/£v 4- 3/8у (и2 4- v2) V, z> = 1/£и - 3/8у (и2 4- v2) и, или иначе й = V2 (3/4Т? - I) v, i> = —% (3/4уг - £) и. Здесь г = иг4-^2 — квадрат амплитуды искомого колебания. Не занимаясь решение?.! полученной системы укороченных уравнений, сделаем некоторые заключения о характере возмож- ных движений в системе. Стационарный процесс в системе тре- бует удовлетворения системы уравнений (3/4??о -1) = °, (3/4?го — |) и0 = 0. Это возможно при u0 = v0 = 0 или 3/4yzo —£ = 0. Первая возмож- ность соответствует состоянию покоя, вторая — стационарному колебанию с постоянной амплитудой 4(| = ]Лг0. Наличие стацио- нарной ненулевой амплитуды в этой задаче вытекает из условия консервативности системы. Однако при этом расстройка g должна иметь определенное значение | = 3/4уг0. Так как g = (со2 — <og)/co2, то мы получаем для частоты стационарных колебаний выражение co2 = cog/(l — 3/4уг0), где г0 —задается начальными условиями, создающими в системе
78 КОЛЕБАНИЯ в диссипативных системах [ГЛ. 2 определенный исходный запас колебательной энергии. Эта зави- симость частоты свободных колебаний от амплитуды, уже полу- ченная нами раньше другими методами (см. (1.3.15)), отражает неизохронносгь данной нелинейной системы. Электрический контур с малым нелинейным затуханием. Рас- смотрим колебания в контуре с постоянными L и С, но с сопро- тивлением R (i), зависящим от тока по закону R = Ro (1 +Yol2)- Это соотношение качественно передает зависимость омического сопротивления проводников от протекающего через них тока за счет их нагрева. Составим уравнение движения в этом контуре L9 + Ро [1 + То^2] Q + q/C = 0. Вводя, как обычно, новые переменные x = q/q0 и т = со0/, где ®о = 1/ЬС, получим уравнение х-|-2Ф0[1 4-ух2] х 4-х = 0. Здесь 2'&0 = Po/L(oo; y = 'y0<7o®o- При малом затухании, когда [1 Ь для приближенного решения задачи можно при- менить метод ММА. Тогда исходное уравнение удобно записать в виде x-j-x = —2'&0х —2,&0-ух3 = pf (х, Л). Положим х— A cos (т4-6); х = — A sin (т 4- В); тогда для А и 0 имеем укороченные уравнения 2л А = — [2О0А sin Tj 4- 2i%yA3 sin3 тх] sin тх drlt С 2л А0 = — у [2'&0A sin тх 4- S'&oyА3 sin3 тх] cos тх dt1, о где т1 = т4-6. Производя интегрирование, получим Л = —#0А(14-3/4уА2), 6 = 0. Из уравнения для фазы 0 находим 6 = 60. Уравнение для ампли- туды мы можем записать в виде z =—2Ф0(1 4-3/4yz)z, где г = А2. Интегрируя это уравнение, получим 1 2 — (D ехр (2ф,т) — 8/4у) ’ где D — постоянная, определяемая из начальных условий. Если в начальный момент при т = 0 z = z0, то D = 1/г04-3/4у. и мы можем записать г =___________5“__________ (14- 3/4Тг0) ехр (2©от) — 3/4уг0 ‘
S 2.5] МЕТОД МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ АМПЛИТУД 79 Полученное соотношение для г выражает закон уменьшения квадрата амплитуды колебаний в исследуемом нелинейном кон- туре, начиная от исходного значения г = г0. Этот закон перехо- дит в обычный экспоненциальный при у = 0, т. е. при переходе к линейному случаю (линейно- му осциллятору с постоянным затуханием). На рис. 2.25 в условном масштабе показано спадание квадрата амплитуды z для некоторого значения у. На том же рисунке приведен закон убывания г, соответствующий у = 0. Отметим также, что, как следует из проведенного рас- смотрения, величиной, опреде- ляющей ход процесса, является амплитуда колебания (z или Рис. 2.25. Графики уменьшения ам- плитуды свободных колебаний в кон- туре с нелинейным и линейным зату- ханием. ]Лг), а фаза колебания не играет никакой роли. Это обстоятель- ство вполне понятно, так как характер движения задается исходным запасом колебательной энергии, сообщенной контуру в начале процесса, а фаза колебания никак не определяет ход колебания — соответствующим выбором произвольного для авто- номной системы начала отсчета времени фазу можно сделать любой.
ГЛАВА 3 КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ § 3.1. Вынужденные колебания в линейной системе при гармоническом силовом воздействии До сих пор мы рассматривали колебания в изолированных от внешних воздействий системах. В них могут происходить только собственные колебания. Однако необходимо отметить, что даже в изолированных колебательных системах затухающие или нарастающие колебания возникают только после некоторого внеш- него воздействия. Внешнее воздействие задает начальное откло- нение и начальную скорость, которые в свою очередь определяют начальную амплитуду и начальную фазу колебаний. Частота колебаний со и коэффициент затухания б определяются только свойствами самой системы. Если же рассматривать колебания в системе под действием внешней периодической силы — так называемые вынужденные коле- бания, то их свойства зависят не только от параметров систем (со, б), но и от амплитуды и частоты внешней силы. При изучении внешнего воздействия на колебательные системы необходимо различать силовое и параметрическое воздействия. Силовым воздействием называется такое воздействие, при котором не изменяются параметры (со, 6) колебательной системы. Пара- метрическое воздействие, напротив, изменяет только эти пара- метры. Как будет показано в следующих разделах, силовое воздейст- вие на колебательную систему практически всегда сопровождается появлением вынужденных колебаний, тогда как при параметри- ческом воздействии колебания в системах могут не возникать. Очевидно, что чисто силовое воздействие на колебательные системы может иметь место только при определенной их идеали- зации, а именно, при допущении линейности системы. Если же происходит параметрическое воздействие, то колебательная система должна иметь по крайней мере один параметр, величина кото- рого зависит от мгновенного значения действующей на нее внеш- ней силы. Однако в случае реальных систем, которые принципиально нелинейны, нельзя строго разделить силовое и параметрическое воздействия. Это можно пояснить простым примером. Представим
§ З.П КОЛЕБАНИЯ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 81 себе, что мы воздействуем на какую-либо реальную колебатель- ную систему внешней силой. Тогда при некоторых небольших амплитудах внешнего воздействия колебательная система оста- нется линейной и, следовательно, имеет место силовое воздействие на систему. По мере увеличения амплитуды внешней силы или увеличения амплитуды вынужденных колебаний в системе появ- ляется нелинейная зависимость какого-либо параметра системы от мгновенного значения внешней силы, и тогда такое воздейст- вие следует считать смешанным, т. е. и силовым, и параметри- ческим. Наиболее интересны и важны такие внешние воздействия, которые изменяют запас колебательной энергии в системе. В случае механических колебательных систем решение задачи о действии периодической внешней силы наталкивается на извест- ные трудности, ибо, согласно законам механики, источник такой силы будет испытывать обратное воздействие со стороны колеба- тельной системы. Одним из наиболее простых способов механического внешнего воздействия на механическую колебательную систему является Рис. 3.1. Способ задания силового воздействия на механическую колебатель- ную систему. задание смещения некоторой определенной точки А системы (рис. 3.1). Если через х обозначить отклонение массы т от поло- жения равновесия, то уравнение движения без учета сил трения запишется в виде тх -}~kx = k' (F(i) — х), или mx-]-(k-]-k') x = F (i) k'. На систему действует внешняя сила k'F (t), а собственная частота системы равна ы0 = У (k-\-k')lm. Если мы теперь потребуем, чтобы сила воздействовала на колебательную систему, собственное движение в которой описы- вается дифференциальным уравнением tnx-\~kx — Q (ю0 = ]Ak/tn), то для реализации этого нужно, чтобы k' <^k, но величина внеш- ней силы k'F (t) была достаточной для получения необходимого вынужденного процесса.
82 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Анализ вынужденных колебаний в линейных системах облег- чается благодаря возможности применения принципа суперпозиции. Если внешняя сила Ft (t) вызывает вынужденное колебание х± (/), а сила (0 — колебание x2(t), то сила F(t) = Fi (t)-]-F2(t) создаст вынужденное колебание x(t) = x1(t)-\-x2(t). Колебания, вызывае- мые различными внешними силами, складываются друг с другом так же, как и внешние силы, если они действуют одновременно на линейную систему с трением, характеризуемым коэффициен- том h, т. е. если тх1 ф- hx± ф- kxr = F± (t) и tn%2 ф- hx2 -|- kx2 = F2 (t), то m (xt + x2) +h(xl + x2) + k (xr + x2) = Л (t) = F2(f). Если теперь через x(t) обозначить x1(t)-\-x2(t), а через F(t) = — Ei(0 + E2(Z), to получим уравнение mx ф- hx ф- kx — F (t). Принцип суперпозиции, справедливый только для линейных систем, означает, что в них отсутствует нелинейное взаимодей- ствие колебаний, вызванных различными одновременно действую- щими внешними силами. Необходимо также иметь в виду, что в колебательной системе, наряду с вынужденными колебаниями под действием внешней силы, возникают также собственные колебания при изменении величины внешней силы, при ее включении, выключении и других изменениях. Однако в диссипативных системах собственные коле- бания затухают с постоянной времени переходного процесса. Через время /^>1/6 переходный процесс в диссипативной коле- бательной системе можно считать закончившимся. Рассмотрим вынужденные колебания в диссипативной системе под действием внешней синусоидальной силы. В случае механи- ческой колебательной системы с трением (рис. 3.2) уравнение движения имеет вид mx ф- hx ф- kx = Fo cos pt, где p — частота внешней силы, Eq —ее амплитуда, а в случае электрической системы (рис. 3.3) — вид Llj ф- Rq ф- q/C = So cos pt. Если обозначить q через x, то оба дифференциальных уравнения с точностью до коэффициентов совпадут: х ф- 28х ф- офх = Ро cos pt, (3.1.1) где 2b = h/m = RlL\ a^ = k/m = l/LC\ Po = F0/m = %0/L. Решение дифференциального уравнения (3.1.1), как известно из соответ-
§ 3.1] колебания при гармоническом воздействии 83 ствующего раздела математики, можно записать в виде х (t) = xi (О + Ае ~6t cos (ю/ + ф) = = Хо cos (pt + <p) + Ле~6‘ cos (at + ф); здесь /Л =_____________Рр cos pt____________ 11 ' l(ct>§—P2) cos ср — 26/p sin <p] ’ v _ _ P o/^o ./v П - " -------------—— ' Г-. ~ a K(w? — p2)2 + 4S2p2 f (l _ у 2)2 y2/Q2 (3.1.2) где у — p/a0- Q = <b0L//?; tg ф = ^>p/(^ — <4), А и ф — начальные амплитуда и фаза собственных колебаний. Первое слагаемое реше- ния лу (/) характеризует вынужденное колебание в системе под действием внешней силы. Второе слагаемое через время /^>1/6 затухает и характеризует собственное колебание в системе. Трение Рис. 3.2. Механическая колебательная система с затуханием при внешнем силовом воздей- ствии. Рис. 3.3. Электричес- кая колебательная си- стема с вынуждающей электродвижущей си- лой. Из выражения для Хо видно, что при определенных соотноше- ниях между ю0 и р достигается максимум амплитуды вынужден- ных колебаний Хиакс. Получив выражение для Хмакс = Хрез можно построить различные семейства нормированных резонансных кри- вых, например Ф(р) = Х (р)/Хрез. В этом случае переменным пара- метром считается частота внешней силы р. Однако возможно нахождение и построение резонансных характеристик другого вида, при которых фиксируется частота внешней силы р, а пере- менным параметром является или С, или L, т. е. в конечном счете (оо. Тогда получаются семейства нормированных резонанс- ных кривых Ф (С), Ф (L), Ф (и0). Очень удобен для изучения вынужденных колебаний в линей- ных системах метод комплексных амплитуд. По определению комплексная амплитуда X = Хов7’41, где Хо — модуль комплексной амплитуды, ф —аргумент (фаза) колебания. Для решения уравнения движения (3.1.1) методом комплексных амплитуд нужно обратиться к уравнению с теми же параметрами,
84 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 но с комплексной вынуждающей силой Poeipt, т. е. у + 2Ьу + ^у = Рое’Р‘. (3.1.3) Решение этого уравнения ищем в виде y=Xe!pt. В силу линей- ности (3.1.3) решение y = u-\-jv содержит реальную часть, кото- рая относится к уравнению (3.1.1). Тогда (— p2+28jp + a20) Х = Р0 или X = P0/(w§ —р2Ц-26/р). Обычным способом находим модуль Хо комплексной амплитуды X и аргумент (фазу) ср: Хо = Р°...- .=, (3.1.4) —p2)2 + 462p2 ' <P = arctg 8 . (3.1.5) Р Ш0 Следовательно, частное решение (вынужденное колебание) имеет вид х = Re (X ехр (jpt)) = Re [Х() ехр [/ (pt + ср)]] = Хо cos (pt + ср). Применим этот метод решения для случая последовательного элек- трического колебательного контура (см. рис. 3.3), для которого Рис. 3.4. Семейство нормированных резонансных кривых Ф,, (соо) для разных значений добротности Q. уравнение движения, как нам уже известно (см. стр. 82), можно записать в виде l 4t + Ri + i J *'dt=^elpl- (3-1 -6) Решая это уравнение методом комплексных амплитуд (i = = Ie/pt), получаем I = tjZ, где Z = R + / (pL — l/pC). Для модуля тока имеем = | / | = ^о/1Z | = S0/VR2 + (PL- 1/рС)2. (3.1.7)
§ 3.11 Колебания при гармоническом Воздействии 85 Теперь нетрудно найти максимальную амплитуду тока /Омпкс. Для этого необходимо найти экстремум (минимум) знаменателя выражения для модуля тока; тогда /0 макс = So/R, что справедливо при pL = \/pC, т. е. при р = ю0. Семейство нормированных резонансных кривых для тока в последовательном электрическом колебательном контуре (рис. 3.4) может быть записано в виде Ф , (о) = —= г R - = , 1 (3.1.8) /о /о макс /R2+(pL-l/pC)2 Vl+№(1-W где Qo = a0L/R, у = р/ю0. Заметим, что операции с комплексными амплитудами произ- водятся так же, как при операционном исчислении, т. е. если i = Ieipt, то “ ~ jple3pt и С i dt = - Ieipt. Исходя из этого, легко аг J /Р получить выражения для напряжений на всех элементах рассма- триваемого колебательного контура: \ur\ = \I\R, \ul\ = PL\I\, |«c| = ^|Z|. Отсюда путем нахождения экстремумов можно также найти максимальные (резонансные) значения напряжений на элементах контура R, L и С. Читателю нетрудно убедиться в том, что резонанс напряжения при р = соо наступает только для напряже- ния на сопротивлении R. Резонанс напряжения на емкости | ис | макс Q^n получается при уа= 1 — 1/2Q2, т. е. при более низкой чем <в0 частоте р, а резонанс напряжения на индуктивности | иь | Макс — ПРИ У2 = = 1/(1 — l/2Qg), т. е. на более высокой чем ю0 частоте р. Все три максимума совпадают только при Q0->oo (практически при Qo>102). На этом примере легко убедиться в том, что при небольших величинах добротности электрических колебательных контуров (Qo = 2 — 5) резонансные максимумы uL, ис, uR отлича- ются друг от друга по частоте на несколько процентов, что может быть весьма существенно при использовании таких систем в радиоизмерительных устройствах. В приведенных выше рассуждениях мы считали, что L = const, С = const, R = const (ю0 = const), а меняется только частота внеш- него воздействия р. Однако на практике часто интересуются резонансными зависимостями, при которых частота внешнего воз- действия р = const, а меняется один из энергоемких параметров L или С (или т или k в случае механической колебательной системы). Особенность этого случая состоит в том, что одновре- менно с изменением собственной частоты соо (из-за изменения параметров колебательной системы) меняется также добротность системы Q = (f>0L/R — (l/R) L/C (в случае механического аналога
86 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 QKex = motnlh = \rkmlh). Поэтому резонансные зависимости в таком случае (рис. 3.5) отличаются от рассмотренных выше. Следует отметить, что в последовательном электрическом коле- бательном контуре при постоянной р и переменной <в0 экстре- мальные значения напряжения на конденсаторе и на индуктив- ности могут достигаться для каждого из этих напряжений при Рис. 3.5. Семейство нормированных резонансных кривых Ф(о (со0) при изме- нении собственной частоты соо контура для разных значений добротности. Ф. (С0о) - 7о-^Мо^ =—.г 1 . - <2о = ^г, Р=const. '° /вМ8кс ri+QHV-v2-1)2 R различных значениях <оо в зависимости от того, какой из пара- метров L или С является переменным в данной системе и ответ- ственным за изменение и0. Для амплитуд колебаний напряжения на конденсаторе, равных 11 \/рСн при переменной индуктивности в системе, и для амплитуд колебаний напряжения на индуктив- ности, равных 111 pL0 при переменной емкости, форма резонан- сных кривых одинакова, а экстремальных значений они дости- гают при одних и тех же собственных частотах ю0 = р. Итак, в такой колебательной системе при одном переменном реактивном параметре всегда совпадают по частоте два экстре- мума: резонансное значение напряжения на сопротивлении и резонансное значение напряжения на другом постоянном реак- тивном элементе. С помощью метода комплексных амплитуд (для тока, напря- жения, импеданса) можно построить различные семейства резо- нансных кривых: амплитуды смещений (амплитуды заряда на конденсаторе, напряжения на конденсаторе), амплитуды скорости
§ 3.2] ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ 87 (амплитуды тока), амплитуды ускорений (амплитуды напряжения на индуктивности). Для каждого из перечисленных семейств резонансных кривых можно построить свое семейство фазовых характеристик, опреде- ляющее сдвиг фазы вынужденных колебаний относительно фазы внешней силы, которую мы считаем начальной и для простоты полагаем равной нулю. § 3.2. Элементы теории амортизации и регистрирующих приборов Амортизирующее устройство. На основе поведения колеба- тельных систем, находящихся под внешним воздействием, можно проанализировать действие амортизирующих колебательных устройств. Обычно основное назначение амортизаторов состоит в том, чтобы уменьшить силу давления на фундамент или другую опору со сто- роны некоторой периодической силы (на- пример, вибрирующих машин, станков, двигателей внутреннего сгорания и т. д.). На рис. 3.6 изображена простейшая колебательная система, которую можно при определенных условиях рассматри- вать как амортизирующее устройство. Уравнение движения в ней можно запи- сать в виде Рис. 3.6. Схема амортизи- рующего устройства. /п + Л ~ 4- = F (0 = Ро cos pt, (3.2.1) где т — масса вибрирующего тела, h — коэффициент трения, k — коэффициент упругости пружины амортизатора, х — отклонение массы от положения равновесия; внешнюю силу F (t) для прос- тоты будем считать изменяющей по гармоническому закону. Записывая силу в комплексной форме Poeipt, можно благодаря линейности уравнения движения (3.2.1) искать решение методом комплексных амплитуд в виде х = Хе’р‘. Тогда нетрудно полу- чить выражение для модуля амплитуды колебаний Ро У (А —Щр2)2 + /12р2 (3.2.2) На фундамент (опору) в этом случае действует со стороны вибри- рующего устройства сила F1 = kx-\-hx, откуда для величины силы находим |F1| = F0 = X0]//e2 + ^. (3.2.3)
88 колебания под действием вынуждающей силы [ГЛ. 3 Если ввести коэффициент амортизации а = Fo/Po, (3.2.4) который, естественно, должен быть меньше единицы (что вытекает из нормальных требований к работе амортизирующего устрой- ства), и выразить его через параметры колебательной системы и частоту внешней силы, то получим следующее выражение: а= fea4-/i2p2 (k—mp2)2-{-h2p2 l+T2/Q? (1_v2)2+t2/qS 1/ Qg+v2 V QHI-yV+y2’ (3.2.5) где y = p/(oo; Q„ = /e/oJ0/i. Легко показать (см. (3.2.5)), что а меньше единицы при (1 — т2)2> 1, т. е. при у>]/2. На рис. 3.7 приведены кривые для коэффициента амортиза- ции при нескольких значениях добротности. Из рассмотрения семейства кривых для а в интересующей нас области (у>]/2\ а<1) можно заключить, что для эффек- тивной амортизации амортизирующая колебательная система дол- жна иметь как можно большую добротность Q и как можно меньшую собственную частоту соо. (При фиксированной частоте внешнего воздействия р это приводит к повышению у и, следовательно, к снижению а.) Однако не следует применять амортизирующую систему с очень высокой добротностью, ибо такой выбор может приве- сти к опасным последствиям. При высокой добротности амор- тизаторов в них могут при не- которых условиях возникать опасные вибрации за счет воз- Рис. 3.7. Графики зависимости коэф- фициента амортизации от у при неко- торых значениях добротности Qo. буждения паразитных резонансных колебаний. Это обстоятельство хорошо известно из практики работы мощных турбогенераторов и других подобных механизмов. Если вибрирующее тело является источником колебаний не N одной частоты р, а нескольких частот У, то в предположе- п = 1 нии о линейности системы к ней можно применить принцип суперпозиции колебаний. Тогда результирующее действие колеба- ний тела т с разными частотами приведет к воздействию на опору (фундамент) совокупности нескольких сил, каждая из
§ 3.2] ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ 89 которых соответствует определенной частоте, т. е. N N Р = Хроп = ^ХопУ^ + ^р2п. (3.2.6) п=1 П=1 Однако, как нетрудно сообразить, наибольший вклад в совокуп- ность сил, действующих на фундамент, вносят силы с самыми низкими частотами рп, что следует из рассмотренных выше гра- фиков для а (у, Qo). Поэтому во многих практических случаях вполне достаточно рассчитать и выполнить амортизатор для наи- меньшей из совокупности возбуждающихся в вибрирующем уст- ройстве частот. Регистрирующие приборы. На основе рассмотренных ранее явлений можно построить некоторые типы приборов для реги- страции быстропеременных во времени величин. Такие приборы будем в дальнейшем называть регистрирующими приборами. Во всех типах приборов, которые мы здесь будем рассматри- вать, имеется определенная закономерная связь между измеряе- мой величиной и силой (часто моментом силы). Например, в маг- нитоэлектрических приборах момент магнитных сил поворачивает катушку с закрепленной на ней стрелкой до тех пор, пока он не станет равным моменту силы, действующей на катушку со стороны «восстанавливающей» пружины. Если х — показания стрелки прибора под действием измеряе- мой величины г (t), то можно записать следующее очевидное со- отношение: х = f (z), или х (/) = f[z (/)], которое позволяет сформу- лировать основные характеристики регистрирующих приборов. Чувствительность прибора характеризуется отношением Дх/Дг, показывающим, насколько сильно отклоняется стрелка прибора при действии на прибор единицы измеряемой величины. Погрешностью, даваемой прибором, называется отношение минимально регистрируемой измеряемой величины Да к величине всей измеряемой величины z, т. е. t\zlz. Идеальным является прибор, с помощью которого можно измерить z(/) = j8x(0, где В = const, т. е. не зависит ни от величины г, ни от х. Немало- важная характеристика регистрирующего прибора — постоянство его показаний во времени или, иными словами, воспроизводи- мость результатов измерений. Приборы, одинаково пригодные для регистрации совершенно произвольных процессов, не существуют и существовать никогда не будут. Каждый прибор вносит в измерения свои искажения, которые можно определенным образом свести к минимуму только для определенного класса физических или технических процессов. Более подробно рассмотрим основные характеристики и осо- бенности следующих четырех классов приборов, предназначенных для регистрации определенных типов процессов: квазистэтичес- кие, сейсмические, резонансные, баллистические.
90 Колебания под действием вынуждающей силы [ГЛ. з Квазистатические приборы. Квазистатические приборы исполь- зуются для регистрации больших и малых сил как переменных во времени, так и от времени не зависящих (статических). На рис. 3.8 показана схема такого регистрирующего прибора. Идеальным квазистатическим прибором является прибор, в котором имеется пружина со стрелкой и отсутствует масса т и трение h, т. е. выполняются условия | тх | — 0 и | hx | = 0. Если, кроме того, мы выберем для работы упругого элемента (пружи- ны) линейный участок, то, по- скольку выполняются условия ква- зистатичности, можно учитывать только упругие силы системы. От- метим попутно, что в настоящее Рис. 3.8. Схема квазистатического прибора. время имеются надежные радиотехнические методы регистрации очень малых смещений (до величин порядка 2 — 3 10~14 см) в макроскопических механических системах. В действительности же, при действии переменных во времени сил на такую измерительную систему с одной степенью свободы нельзя пренебрегать силами инерции и трения, как было сделано выше. Рассмотрим факторы, которые способствуют или препят- ствуют выполнению условия квазистатичности нашего измери- тельного прибора. Заметим, что статическая чувствительность прибора для реги- страции силы равна Ах/Д/7 = 1/^. Пусть на прибор действует гармонический сигнал с частотой р. Тогда переменные процессы прибор регистрирует как статические только при выполнении условий | hx | | kx |. (3.2.7) Здесь, как обычно, можно ввести w^ = k/m и Qo = mayjh = kp$oh. Эти два условия в предположении о гармоническом воздействии принимают вид тр2 k, или р2 соо. или у2 <С 1: (3 2 8) hp <^k, или у <Q0. 1 ’ Таким образом, для того чтобы измерительный прибор работал как квазистатический необходимо выполнение двух требований: у2<^1 и y^Q0. Однако нетрудно заметить, что требованием2^ 1 выполняется для заданной частоты внешнего воздействия р тем лучше, чем больше ю0, но с ростом ю0 будет уменьшаться чувствительность, ибо она обратно пропорциональна k. Следова- тельно, для квазистатических приборов характерно противоречие
$ 3.2] ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ 91 между условием квазистатичности (неискажаемости, или точности) и чувствительностью. Если на регистрирующий прибор действует многокомпонент- ная сила с частотами plt р2,..рп, то не все частотные компо- ненты будут «передаваться» правильно, так как не для всех ком- понент будет выполняться условие квазистатичности. Оценим верхнюю границу частот тех компонент, которые кваэкстатичес- кий прибор может регистрировать без заметных искажений. Для неискажаемости необходимо, чтобы все частотные компоненты воспроизводились с ошибкой, не превосходящей определенной наперед заданной величины. Пусть на прибор действует сложная сила N F(0 = 2F„cos(p„/+e„), (3.2.9) п — 1 где е„ —начальная фаза частотных компонент силы. Тогда при условии линейности системы используем принцип суперпозиции и найдем собственные и вынужденные колебания под действием этой сложной силы л VI Frjk х (0 = cos (со/ + ф)+2 cos (Рп* + фл + е„), (3.2.10) где А —начальная амплитуда, ф —начальная фаза собственных колебаний, а Ул = рл/®0; <p„ = arctgy„/[Q0(l — у«)]. Естественно, что начальный участок регистрации воздействия искажен соб- ственными колебаниями прибора. Однако по прошествии неболь- шого времени (например, t-=r/f>, г = 5) амплитуда собственных колебаний упадет до 1% (е~в) от начальной. Для неискаженной регистрации воздействия необходимо, чтобы для всех компонент рп значения a„-(l-y„) +q5 и bn — были примерно одинаковы. Так как обязательно выполнение усло- вия квазистатичности у 1, то с уменьшением у до нуля вели- чина ап стремится к единице, а Ьп — к нулю. Поэтому следует выбирать величину Qo такой, чтобы при возможных больших значениях у„ величина ап мало отличалась от единицы, а вели- чина Ьп — от нуля. Разумеется, это требование можно выполнить только с некоторой конечной точностью для ограниченного диа- пазона частот рп. На рис. 3.9 показана зависимость 1/]/а от у для Qo = 0,9. Анализируя зависимости ап и Ьп от у, мы видим, что для
92 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 достижения мало искаженной квазистатической регистрации воздей- ствия необходимо работать с приборами, у которых собственная частота по крайней мере в 10 раз выше частоты р„ (уп < 0,1). Действительно, при уп = 1 <р„ = 90°, что заведомо недопустимо; даже при фп = 35—40°, что также означает сильное иска- жение регистрируемой силы. В области звуковых частот в качестве квазистатического меха- нического прибора могут быть использованы пьезодатчики, имею- щие очень высокую собственную частоту (юо»а1ОБ—10’ рад/с, Qo< 10; при этом уя<4), а также емкостные датчики давления. Рис. 3.9. Кривая зависимости ампли- туды частотных компонент от частоты воздействия. Рис. 3.10. Схема шлей- фового осциллографа. Высокие значения добротности квазистатических приборов нежелательны, так как это приводит к увеличению длительности переходных процессов. В качестве квазистатического прибора можно также использо- вать шлейфовый осциллограф, схематически показанный на рис. 3.10. Прибор предназначен для оптической записи колебаний тока, пропускаемого по проводнику, изогнутому в виде рамки и поме- щенному в поле постоянного магнита. При пропускании тока через рамку последняя поворачивается на угол, пропорциональный изменению тока в цепи, и отклонение луча света, отраженного от поворачивающегося вместе с рамкой зеркальца А, регистрируется на проградуированной шкале (в шлейфовых приборах ю0/2л = 103 Гц, Q0=l—2). Для процессов, закон изменения которых во времени не может быть представлен гармонической функцией, в общем случае нельзя оценить воспроизводимость исследуемого процесса данным прибором. В этих случаях для анализа качества прибора используют кривую записи скачкообразного изменения измеряемой величины (напри- мер, силы), т. е. исследуют так называемую функцию отклика р (/).
§ 3.2] ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ 93 В нашем случае р (0 = [ 1 — e”ez cos + ф)] • (3.2.11) где ф —начальная фаза осциллирующей части функции отклика, (о2 = а>о — б2, 1§ф =— б/ю, 6 = /i/2m. На рис. 3.11 показан характер нормированных функций отклика регистрирующего прибора при разных значениях добротности Q, колебательной системы, рассчитанных на единичный толчок внеш- ней силы. Из рисунка видно, что в отсутствие трения (Q0 = oo) прибор будет периодически показывать удвоенную амплитуду дейст- вующей силы с периодом Т — 2л/со = 2л m/k. При наличии потерь Рис. 3.11. Графики функции отклика при внешнем воздействии в виде еди- ничного скачка для различных добротностей. максимальное превышение амплитуды над статическим отклонением (в процентах) равно о = 100 ехр (—лб/со) = 100 ехр (—л/)/4Qo — 1). На границе колебательного и апериодического режимов работы (Qo = 1/2)a = O, но зато Т->оо, ибо ю->0. Поэтому в данном, как и во многих других случаях, необходимо оптимизировать измери- тельную систему в соответствии с тем, для какого класса измере- ний она предназначается. Если интересуются в первую очередь точностью измерений воздействующей силы, то необходимо исполь- зовать систему с Qo 1 и проводить измерения через большие промежутки времени. Наоборот, если первоочередным требованием к измерительной системе является ее быстродействие, то нужно использовать системы с Qo> 1, проигрывая при этом в точности. Сейсмические приборы. Сейсмические приборы используются для регистрации смещений. Для определения уровня вибраций в автобусах, железнодорожных вагонах, на кораблях, самолетах и аналогичных системах необходимы особые приборы, которые назы- ваются сейсмическими но той причине, что все они построены по
94 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Рис. 3.12. Схема действия сейсмических приборов. тому же принципу, что и сейсмограф, регистрирующий колебания почвы. В них измеряются колебания точки вибрирующего тела относительно неподвижной системы координат. Следовательно, необходимо подобрать такую механическую колебательную систему, которая покоилась бы относительно неподвижной системы коор- динат, а затем измерять смещения вибрирующего тела относительно этой «неподвижной» системы. На рис. 3.12 схематически показан принцип устройства и работы приборов сейсмического типа. Основу прибора составляет колебательная система, состоящая из массы, соединенной через пружину с колеблющейся опорой (основанием, поч- вой и т. д.). Если через хг обозначить коорди- нату смещения массы относительно виб- рирующего тела, а через х —коорди- нату смещения всей опоры (основания) относительно неподвижной системы ко- ординат, то уравнение движения мас- сы т прибора относительно системы отсчета, связанной с х, запи- шется как 1 г, dxi . • d2x m~di^+h~dT+kXl ~т dt2 ’ к т где —сила инерции. Как и раньше, предположим, что опора совершает колебание по гармоническому закону х = ге>р1\ тогда и масса т колебатель- ной системы после окончания переходного процесса будет коле- баться (хг) по гармоническому закону с частотой р (вынужденный процесс). Для того чтобы колебание xt наиболее «правильно» передавало колебание х опоры (почвы), необходимо чтобы Рассмотрим условия, при которых можно выполнить это требование. Оно выполняется при максимальном увеличении массы т регистрирую- щего прибора и максимальном уменьшении коэффициента упру- гости k пружины, а также при уменьшении трения в колебательной системе, т. е. при у >> 1 (у = р/ю0) и малых /i(Q0>l). Действи- тельно, если искать хг и х в виде хг = Хге’р‘, х = zelpt, то к линейной системе можно применить метод комплексных амплитуд, и тогда (—pa+(/i/m) /р + юо) Хх =—р2г, или для модуля амплитуды гр2уя Та = z . = гФл- (у), (3.2.12) ГН-Р2)а-Ла(Ра/та) Н1-Т2)2+т
S 3.2] ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ S5 для фазы имеем 'r“arclEc?(fcrt- (3.2.13) Из выражения (3.2.12) видно, что условие | | = z достигается при Фл.(7)->1. Фаза вынужденного колебания х} при 1, как следует из (3.2.13), близка к л. Добротность системы Qo должна быть небольшой (Q0^l) (Рис- 3.13), что необходимо для быстрого гашения собственных колебаний в системе (уменьшения длитель- ности переходного процесса). Для регистрирующих при- боров этого класса требова- ние неискажения величины внешней силы при ее реги- страции совпадает с требова- нием максимальной чувстви- тельности при у^>1 и, сле- довательно, для сейсмических приборов не возникает проти- воречия между чувствитель- ностью и неискажаемостью (точностью) при увеличении -у, Рис. 3.13. Кривые зависимости безраз- мерных амплитуд вынужденных колеба- ний от у при разных значениях доброт- ности. что имеет место для квази- статических приборов. Таким образом, если час- тота колебаний вибрирующей опоры р много больше соб- ственной частоты ю0 регистрирующего прибора, то колебание хг (с точностью до знака) сообщает нам информацию о колебаниях вибрирующей опоры, к которой прикреплена регистрирующая колебательная система. Физически работу прибора сейсмического типа можно себе представить следующим образом. Благодаря очень высокой часто- те р вибрации опоры по сравнению с собственной частотой ю0 масса колебательной системы (см. рис. 3.12) остается практически неподвижной и образует, таким образом, неподвижную систему координат. При этом опора (почва) будет двигаться (колебаться) относительно массы т, и это относительное движение мож- но зарегистрировать тем точнее, чем больше р по сравне- нию с ю0. Резонансные приборы. Работа резонансных приборов основана на особенностях резонансных законов в линейных цепях. Обычно они используются для определения амплитуды и (или) частоты одного гармонического колебания или для определения амплитуд и частот нескольких гармонических компонент, входящих в состав сложного колебания.
96 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Поскольку ширина резонансной кривой колебательного контура обратно пропорциональна его добротности Qo, а амплитуда вынуж- денных колебаний при резонансе почти в Qo раз превосходит амплитуду внешней силы, то, увеличивая добротность резонансного прибора, можно одновременно повысить его чувствительность и избирательность. При высокой добротности (Qo= 102 — 104 и выше) резонансный прибор практически реагирует только на ту частоту, на которую он настроен. Резонансные приборы пригодны только для индикации устано- вившихся процессов в системе. Наиболее типичными их примерами являются волномеры, спектранализаторы, куметры и тому подоб- ные устройства. Однако если прибор предназначен для регистрации процессов с меняющейся частотой, то в нем могут использоваться резонанс- ные системы с различными собственными частотами при не слиш- ком высокой добротности, чтобы затухание колебаний в каждом резонаторе происходило достаточно быстро по сравнению с време- нем изменения регистрируемой частоты. Подобные частотомеры с набором механических резонаторов, возбуждаемых магнитным полем переменного тока, широко используются в электротехнике для контроля частоты технического переменного тока. Баллистические приборы. Баллистические приборы служат для регистрации кратковременных импульсов сил или связанных с ними Рис. 3.14. График им- пульса силы. Рис. 3.15. Действие импульса си- лы на колебательную систему. Если на механическую колебательную систему с одной свободы и с собственной частотой ю0 действует сила f (t) величин, степенью в течение времени т (рис. 3.14), то импульс силы, или количество движения, которое сообщается телу массы т, равно mv о (3.2.14) Пусть на массу т действует импульс силы, но мы не учитываем действия на ту же массу упругой силы пружины и силы трения;
§ 3.21 ТЕОРИЯ АМОРТИЗАЦИИ И РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПРИКОРОВ 47 тогда скорость и0, которую импульс сообщает массе т, с точностью до малых поправок, равняется т v0 = -^f(t)dt. (3.2.15) о Если время действия т импульса силы f{t) мало по сравнению с периодом Т колебательной системы (рис. 3.15), т. е. Т^-т, или 2л/ю^>т, и если принять, что т много меньше собственного времени установления колебаний в системе 4=1/6, т. е. т<^/0, то с достаточной точностью можно считать, что в момент / = т смещение х массы т равно нулю {х 0), a и0 ¥= 0 и определяется выражением (3.2.15). При указанных выше условиях после окончания действия импульса силы система колеблется как свободная с заданной начальной скоростью и0 и со своими характерными параметрами: затуханием б и собственной частотой ю2 = ю„ —б2. Наблюдая и измеряя эти колебания, можно определить скорость п0. Скорость г0 определим из соотношения х (/) = e~6t cos (cot — у) = sin cot (3.2.16) Время t± (четверть периода затухающих колебаний), необходимое системе для достижения амплитудного значения колебаний x(t1) = a1, вычисляется из соотношения h = “ arctg -у = -i- arctg У"— 1. Теперь уже с учетом написанных выше соотношений можно опре- делить количество движения (величину импульса) mv0 — PmcZj, (3.2.17) где Р — коэффициент баллистической постоянной прибора, равный р=-^7-е«>. R sin ыц В зависимости от назначения баллистического прибора вели- чина т, а следовательно и Т, может выбираться в некоторых пределах. Хотя точность прибора повышается с увеличением т вследствие лучшего выполнения неравенства Т т, при этом, однако, уменьшается чувствительность (пропорциональная Р), и поэтому в приборах такого типа наблюдается противоречие между точностью и чувствительностью. Если оценить максимальную погрешность в определении импульса, возникающую из-за неучета действия упругой силы 4 В. В, Мигулин и др.
98 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 и силы трения на массу т во время воздействия импульса силы на колебательную систему, то окажется, что суммарная ошибка не превышает 1%, если сила f(t) имеет прямоугольную форму, Т = 100т и Qo = 10. § 3.3. Вынужденные колебания в нелинейной консервативной системе при гармоническом силовом воздействии При воздействии гармонической силы на линейную систему в ней, как хорошо известно, возникает гармонический вынужден- ный процесс с частотой вынуждающей силы и с амплитудой, определяемой параметрами системы, частотой и величиной внешней силы. В частности, при совпадении частоты воздействующей силы с частотой свободных колебаний системы в ней при отсутствии потерь (т. е. в случае консервативной системы) возбуждается бесконечно нарастающий вынужденный колебательный процесс, соответствующий наступлению резонанса. Однако если по-преж- нему рассматривать консервативную, но нелинейную систему, то вследствие возможной неизохронности при возникновении в ней колебаний условие резонанса с изменением амплитуды колебаний может измениться, и в этом случае мыслимо установление конечной амплитуды вынужденного колебания при любой частоте воздей- ствия. Как и исследование линейных систем, изучение вынужденных колебаний в идеализированных консервативных системах дает нам очень много ценных сведений о протекании самого явления в реальных диссипативных системах. Для нелинейных систем это, вероятно, еще более справедливо, так как для большого класса явлений в таких системах основным фактором, определяющим характер вынужденных процессов, служат именно нелинейные свойства элементов, а не наличие затухания, как было в линей- ных системах. В данном параграфе нас будут интересовать исключительно вынужденные процессы, и поэтому мы не будем рассматривать вопросы, связанные с установлением вынужденных движений, в особенности учитывая, что в консервативных системах они про- текают принципиально иначе, чем в реальных диссипативных. Укажем лишь, что в реальных системах всегда можно выбрать такой интервал времени после начала воздействия, по истечении которого в системе будет существовать практически только чисто вынужденное движение, не зависящее от начального состояния системы, тогда как в консервативных системах это принципиально невозможно. Даже при анализе наиболее простого случая гармонического воздействия на нелинейную консервативную систему, вообще говоря, приходится сталкиваться со значительными трудностями,
§ 3.3] КОЛЕБАНИЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ 99 и нет возможности указать удобные аналитические методы рас- смотрения подобной задачи. Нахождение вынужденного решения нелинейного уравнения второго порядка, описывающего консервативную нелинейную колебательную систему с одной степенью свободы при периодической вынуждающей силы, можно осуществить, отыскивая это решение в виде ряда Фурье с основной частотой, равной частоте воздей- ствующей силы N х = У, (ап cos npt + bn sin npt), n = l где p — частота воздействия. Тогда после подстановки ряда с достаточно большим числом членов в исходное уравнение принципиально возможно, произведя соответствующие тригонометрические преобразования, получить систему алгебраических уравнений для отыскания коэффициентов ап и Ьп. Таким путем в принципе можно находить значения ап и Ьп и определять их зависимость от параметров системы и харак- тера воздействующей силы, которая может быть представлена в виде ряда Фурье с компонентами частоты р, 2р, Зр, ... Однако такой путь весьма громоздок и сложен и в редких случаях с его помощью удается решить задачу достаточно полно, а многие существенные особенности поведения нелинейных консервативных систем, находящихся под внешним периодическим воздействием, не выявляются достаточно отчетливо. Поэтому мы ограничимся лишь некоторыми частными случаями и отдельными приемами, позволяющими выяснить наиболее характерные стороны рассматриваемого явления. Рассмотрим простейшую нелинейную консервативную систему, описываемую уравнением x = f(x). При воздействии на нее гар- монической силы Р cos pt уравнение, описывающее ее поведение, необходимо записать в виде х — f (х) = Р cos pt. (3.3.1) Из общих соображений вытекает, что вынужденное решение должно иметь тот же период, что и вынуждающая сила, и содер- жать компоненту a cos pt. Принимая, что система не слишком далека от линейной и эта компонента с частотой, совпадающей с частотой вынуждающей силы, является доминирующей в общем выражении для вынуж- денного процесса, мы в качестве основного (первого) приближения будем рассматривать решение х == a cos pt. При этом, разумеется, наиболее интересными будут выводы об амплитуде этого процесса а, так как вполне очевидно, что особенности формы действительного процесса здесь просто опу- скаются. 4*
100 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Если искать вынужденное решение в форме х = а cos pt, то уравнение (3.3.1) будет иметь вид — р2а cos pt — f(a cos pt) = P cos pt. (3.3.2) Так как оно должно удовлетворяться при любых значениях аргументов, то необходимо потребовать, чтобы — f(a) = P + p2a. (3.3.3) Решение этого уравнения удобно получить графически (рис. 3.16). Строя заданную функцию г~ — f (а) и прямую г = Р-{-р2а, мы в точке их пересечения получим Рис. 3.16. Графическое определе- ние амплитуды вынужденных коле- баний в нелинейной системе. искомое решение а, т. е. найдем амплитуду приближенного гар- монического решения. Для раз- ных Р и р2, т. е. для различ- ных амплитуд и частот воздей- ствия можно найти значения а Рис. 3.17. Зависимость амплитуд вы- нужденных колебаний от частоты воздействия в системе с «жесткой» нелинейной возвращающей силой. п сстроить соответствующие кривые а (р) для различных Р, т. е. построить некоторый аналог резонансным кривым для резонанса в линейных системах. Изображенный на рис. 3.16 график функ- ции f (а) характерен для «жесткой» упругой силы. При этом, как обычно, принято, во-первых, что /(0) = 0; во-вторых, упругая сила всегда антисимметрична, т. е. /(—а) = — f(a), в третьих, для малых амплитуд а система близка к линейной, и в четвер- тых, — f(a)>0, ибо сила возвращающая. Для f(a), имеющей характер, показанный на рис. 3.16, эти кривые а(р) имеют вид, изображенный на рис. 3.17, где показаны три такие кривые, соответствующие трем значениям Р (РЛ < Р2 < <Р3). При Р = 0 получим кривую, изображенную пунктиром; она соответствует собственной частоте свободных колебаний о>
§ 3.31 КОЛЕБАНИЯ Б НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ 101 изучаемой системы при различных амплитудах и называется скелетной кривой. Рассматривая характер полученных резонансных кривых, мы замечаем следующее: при частоте воздействия р, меньшей частоты свободных колебаний <в0, в системе всегда происходит однозначно определяемое колебательное движение с амплитудой, зависящей от величин Р и р. Когда в процессе своего изменения р становится больше <в0, то, начиная со значения р > <в0, в системе, кроме существовавшего ранее движения, оказываются возможными еще два колебательных процесса с различными амплитудами. При этом амплитуда исходного вынужденного процесса с ростом р продолжает расти (область А), амплитуды же двух вновь появившихся решений изменяются так, что одна из них растет с ростом р (область С), другая уменьшается (область Б). Линия раздела этих областей показана на рис. 3.17 штрих-пунктиром и она проходит через точки амплитудных кривых с вертикальными касательными. Таким образом, если для заданной амплитуды Р воздействующей силы ее частота р изменяется, начиная с малых значений до любых сколь угодно больших значений и обратно, мы получим однозначное решение, соответ- ствующее одной из ветвей резонансной кривой в области А. Заметим, что здесь нас интересовала лишь величина а, ее абсо- лютное значение, а знак амплитуды, связанный с возможным изменением фазы на л не учитывается. Отметим лишь, что коле- бания в областях А и В для одной и той же амплитуды внешней силы Р отличаются друг от друга по фазе на л. Если же рассматривать поведение амплитуды вынужденного движения, начиная с больших значений р, то мы будем двигаться по ветви резонансной кривой в области В в сторону уменьшения р и роста а до той точки, где касательная к резонансной кривой станет вертикальной. Дальнейшее уменьшение р может сопровож- даться лишь скачком амплитуды вынужденного колебания а на ветвь кривой в области А и дальнейшим изменением а в соот- ветствии с формой этой части резонансной кривой. Таким образом, мы не обнаружили естественного хода процесса, при котором система оказалась бы на ветви резонансной кривой в области С. Это согласуется с тем, что строгий анализ особенностей всех трех типов решений показывает неустойчивость движений, соответству- ющих области С, в отношении любых сколь угодно малых вариаций параметров. Правда, не следует придавать слишком большого значения сделанным выводам о вынужденных колебаниях при больших а и сильных уклонениях р от а>0, так как в этих условиях действительное движение может значительно отличаться от гар- монического, и допущения, положенные в основу построения рассмотренной картины резонансных кривых, станут несправедли- выми, не говоря уже о расхождениях, связанных с заменой
102 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 реальной системы консервативной. Однако если оставить в стороне вопрос о поведении реальной системы при увеличении р, сопро- вождающемся ростом амплитуды а до больших значений в области А, то мы можем выяснить весьма характерные особенности резонансных явлений в нелинейных системах. Изобразив резонансную кривую для некоторой заданной амплитуды воздействия Р — const на отдельном чертеже (рис. 3.18), отметим следующие особенности. Во-первых, отсутствие бесконечно нарастающей амплитуды а при совпадении р с соо, что является следствием неизохронности коле- баний в нелинейных системах. Во-вторых, неоднозначность про- текания явлений в зависимости от направления изменения часто- ты воздействия. С ростом р, начинающимся от малых значений, амплитуда а растет монотонно. При умень- шении р от больших значений Рис. 3.18. Резонансная кривая для консервативной нелинейной систе- мы с жесткой нелинейностью. в сторону соо, сначала а растет монотонно, затем в точке р' совершает скачок и далее уменьшается, а при увеличении р ампли- туда монотонно растет. В дальнейшем мы увидим, что более полное рассмотрение задачи указывает на наличие второго скачка а, который соответ- ствует перебросу а с ростом р с ветви А на ветвь В, но в области значений р, превышающих величины, характерные для скачка с В на Л. Рассмотрим теперь ту же задачу приближенным аналитическим способом, методом гармонического баланса. Уравнение исследуемой системы, находящейся под гармониче- ским воздействием, возьмем тем же (см. (3.3.1)). Задавшись гармоническим решением х = a cos со/ + b sin со/, (3.3.4) получаем для Р = 0 — осо2 cos со/ — Ьсо2 sin cat — f {a cos cat -ф- b sin co/) — 0, (3.3.5) где f (a cos cat b sin cat) — периодическая функция с периодом 2л/со. Если разложить — f (х) в ряд Фурье, то очевидно, что только члены с cos cat и sin cat будут в сочетании с х давать тождественно нуль, как того требует уравнение (3.3.5). Члены же с высшими гармоническими составляющими не будут скомпенсированы, и это является естественным следствием сделанного допущения о гар- моничности искомого решения.
«3.31 КОЛЕБАНИЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ 103 Таким образом, если представить функцию в виде ряда — f (a cos со/ + b sin со/) = СО со = a1cos со/ + ₽!sin со/-}- а„ cos со„/-}-^ p„sinco„/f (3.3.6) п=2 п=2 то, пренебрегая ап и рп для n 2s 2, можно записать (ccj — асо2) cos со/-}- (Рх — йсо2) sin со/ = 0. (3.3.7) Заметим, что постоянный член в фурье-разложении функции —f (х) должен равняться нулю, как следует из самого существа задачи. Из уравнения (3.3.7) получаем два условия псо2 = а1( 6со2=Р]. (3.3.8) Для свободных колебаний оба уравнения совершенно идентичны, так как ввиду произвольности выбора начала отсчета времени х может быть с равным успехом выражено через cos со/ или sin со/ и их комбинацию. Коэффициенты ах и рх определяются из соотно- шений для нахождения коэффициентов Фурье + л/Сй ах =— f (acos со/-}-b sin со/) cos со/ dt, — Л/й) -Ьл/й) рх = — f (a cos со/-}- b sin со/) sin со/ dt, — л/о> или иначе + л ах =— § f (a cos т-j-bsin т) cos т dx, л (3.3.9) Рх = — f (a cost-}-b sin т) sinх dx, — Л где т = со/. Используя соотношение (3.3.8), определим частоту свободных колебаний +л со2 == — — I / (a cos х -|- b sin т) cos т dx, — л ИЛИ + л со2 = — ~ f (a cost-}-bsmt) sin т dx. (3.3.10) — л Для заданного вида функции f(x) можно, произведя соответствую- щее интегрирование, найти величину со в функции амплитуды.
104 колебания под действием вынуждающей силы (ГЛ. 3 Например, при начальных условиях t = 0, х = а, х = 0 получаем x = a cos со/, Ь = 0 и тогда используем первое из выражений (3.3.9). Пусть для примера —f (х) = + есо®№. Тогда — f (a cos т) = со® a cos т + со^еа3 cos3 т, или — / (a cos т) cos т = сбой cos2 т + еооа3 cos4 т = = С/^оа + 3/8еыоа3) + (V^iga 1/2еоВа3) cos 2т + 1/8ео)оа3 cos 4т. При этом интеграл равен Л § f (a cos т) cos т di = (х /2а>оО + 3/8есооа3) 2л, — Л а выражение для неизохронной частоты приобретает вид со2= cog[l +3/4ео2]- (3.3.11) Найденное выражение для частоты свободных колебаний несколько отличается от выражения (1.4.18), полученного при использовании метода последовательных приближений для кон- тура с нелинейной емкостью. Однако с точностью до членов с более высокими степенями 3/4еа2 эти два выражения приводятся одно к другому, а различие, существенное при не слишком малых значениях еа2, связано с тем, что в методе последовательных приближений мы используем не чисто гармоническое решение, а учитываем наличие высших (например, третьей) гармонических составляющих. Для других типов нелинейностей мы, естественно, получили бы другие выражения для частоты свободных колебаний нелинейной системы при конечных амплитудах колебаний. Эти соотношения, характеризующие зависимость частоты свободных колебаний от их амплитуды, дают нам приближенное математическое выражение свойства неизохронности данной системы. Разобранные примеры с нелинейной емкостью показывают, что с ростом амплитуды колебаний возрастает действующее значение ее «жесткости», т. е. уменьшается действующее значение емкости. Подобная «жесткая» система в согласии с полученными выражениями характеризуется возрастанием частоты колебаний с ростом их амплитуды, т. е. с увеличением сообщенного системе запаса колебательной энергии. Очевидно, что для обратной зависимости жесткости системы от амплитуды колебаний, т. е. при уменьшении этой величины (росте действующего значения емкости электрической колебатель- ной системы) с возрастанием амплитуды колебаний, мы будем иметь уменьшение частоты свободных колебаний при увеличении их амплитуды. Подобную закономерность нетрудно получить, например, если в выражениях, аппроксимирующих нелинейные
§ 3.3] КОЛЕБАНИЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ 105 Рис. 3.19. Графики измене- ния частоты собственных колебаний с ростом ампли- туды для мягких и жестких систем. свойства системы, считать е<0. Тогда соответствующие соотно- шения, передающие свойства неизохронности системы, дадут закон уменьшения частоты со с ростом амплитуды, т. е. с увели- чением сообщенного системе общего запаса колебательной энер- гии (рис. 3.19). Следует еще раз подчеркнуть, что найденные выражения, равно как и использованный метод расчета, являются прибли- женными, пригодными лишь для доста- точно малых значений е, причем чем меньше е, тем до больших значений амплитуд можно применить как рас- четы, так и полученные соотношения. Критерием для подобной оценки может служить неравенство |ео2|<1. (3.3.12) Возвращаясь к анализируемой зада- че, рассмотрим теперь случай действия внешней силы на систему, т. е. Р =И= 0. Тогда, отыскивая решение с частотой внешней силы в нашем приближении, положим х = а cos pt-\-b sin/?/ (3.3.13) и введем обозначение pt = x. Из уравнения (3.3.1) следует, что — ар2 cost — fe/?2 sinr — f(a cos т-f-fe sinr) = P cost. Пренебрегая высшими гармониками фурье-разложения, получим два уравнения а1 — ар2 = Р, ₽1-Ь/?2 = 0. (3.3.14) Здесь, как и раньше, +л ± У f(a cos т 4- (? sin т) cos т dx, —л 4-л Pt = — У f (a cos т b sin т) sin т dx. —л Используя соотношение (3.3.8), находим осо2 — ар2 = Р, bw2 — bp2 = 0, (3.3.15) где, как и раньше, со —частота свободных колебаний в системе при данной амплитуде. Так как соотношения (3.8.15) должны быть справедливы при любых р и со, то второе из этих уравнений
10в КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. Э <о2 где, как указывалось, со2 есть Рис. 3.20. Построение резонансных кривых для системы с нелинейной возвращающей силой: р2 = ш2(а)± ±Р/\а\. может удовлетворяться лишь при 5 = 0. Тогда из первого уравне- ния (3.3.15) получаем Р -Р2’ /нкция а. Изменение знака зна- менателя соответствует измене- нию фазы колебания x = ncosT на л, т. е. на 180°. В таком виде исследование резонансных свойств достаточно затруднительно. Поэтому рас- смотрим зависимость р2 от а. Имея для данной системы определенную, уже подсчитан- ную зависимость со от а, мож- но построить кривую со2 (п) и затем, задаваясь различными значениями ± а, найти соот- ветствующие им значения р2 и по полученным точкам пост- роить резонансные кривые для различных Р. Таким образом, можно построить и изучить поведение резонансных кривых иссле- дуемой системы и вновь получить те же особенности протека- ния вынужденных колебаний, которые уже отмечались выше (рис. 3.20). § 3.4. Приближенное рассмотрение работы умножителя частоты с нелинейной емкостью В предыдущем параграфе мы рассмотрели вынужденные коле- бания, возбуждаемые в слабо нелинейной консервативной системе гармоническим внешним воздействием. Определение слабой нели- нейности в нашем толковании основано на близости исследуемого колебательного процесса к соответствующему колебательному про- цессу, происходившему в линейной системе. Поэтому, как ука- зывалось ранее, даже для существенно нелинейных консерватив- ных систем в большинстве случаев *) можно найти такую область амплитуд свободных или вынужденных колебаний, оставаясь внутри которой, нам удается с требуемой точностью описывать *) Исключением, конечно, будут те случаи, когда функция, описывающая нелинейные свойства системы, имеет особенность в точке о = 0 и в окрест- ностях этой точки не может быть разложена в степенной ряд с конечным числом членов. К числу таких систем, например, относятся механические системы с люфтами.
§ 3.4] УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕЛИНЕЙНОЙ ЕМКОСТЬЮ 107 процессы методом гармонического приближения. Однако подобное ограничение исключает из нашего рассмотрения ряд особенностей протекания колебательных процессов в нелинейных системах. В самом деле, из общих качественных соображений ясно, что в нелинейной системе при гармоническом воздействии вынужден- ный процесс не чисто гармонический и содержит гармонические компоненты высших частот, кратные частоте воздействия. Эти высшие гармонические компоненты достаточно малы пока система для данной амплитуды колебаний слабо нелинейна, но воз- растают по мере роста амплитуды вынужденных колебаний. Если частота одной из возникших за счет нелинейности системы гармо- нических компонент близка к собственной частоте колебаний системы, то амплитуда этой компоненты может существенно воз- расти. В итоге при исходной гармонической вынуждающей силе результирующий колебательный процесс может иметь характер весьма далекий от гармонического с резким увеличением ампли- туды тех компонент, частоты которых лежат в резонансной области. При этом, естественно, от вида нелинейных зависимостей (тип нелинейности) существенно зависит возможный характер резуль- тирующего процесса. Это свойство нелинейных систем используется в умножителях частоты, в которых за счет соответственно подобранной нелинейности системы при гармоническом (или близком к нему) воздействии возникают колебания значительной амплитуды с частотами, крат- ными частоте воздействия. Подобные умножители частоты с катуш- ками индуктивности с ферромагнитными сердечниками, конденса- торами с сегнетоэлектрическими диэлектриками или другими нелинейными элементами позволяют производить энергетически эффективное умножение частоты в 3, 5 и более раз в одном эле- менте. Из нечетности функций, аппроксимирующих нелинейные характеристики соответствующих катушек и конденсаторов, сле- дует, что в указанных устройствах эффективное умножение частоты возможно лишь в нечетное число раз. Для соответствующего приближенного расчета подобных про- цессов целесообразно пользоваться следующими элементарными приемами. Исходя из известной (например, полученной экспери- ментально) определяющей свойства системы нелинейной зависи- мости, необходимо выбрать ее математическую аппроксимацию. Наиболее удобна полиномиальная аппроксимация. Наивысшую степень аппроксимирующего полинома следует выбирать, исходя из условий желаемой точности аппроксимации реальной физи- ческой зависимости в используемом интервале значений перемен- ных и, что самое важное, из ожидаемой кратности умножения частоты. Можно просто выбрать высшую степень полинома равной номеру интересующей нас гармоники гармонического воздействия. Считаем, что собственная частота системы близка к частоте этой
108 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ ГГЛ. 3 гармоники и составляем уравнение системы. Решение ищем в виде суммы компонент с частотами р; Зр; 5р; пр, где п — кратность умножения. Подставляя предполагаемое решение в уравнение движения (см. (3.3.1)), разлагаем нелинейную функцию f (х) в ряд Фурье по частоте р, начиная с основной частоты и до членов с номером п. Из полученных выражений можно составить систему п уравнений для нахождения амплитуд. Как уже указывалось выше, этот прием, обладая общностью, приводит к весьма гро- моздким вычислениям и может эффективно применяться лишь для отдельных случаев. Рассмотрим, например, колебания в нелинейной консерватив- ной системе с конденсатором с сегнетоэлектриком при достаточно большой амплитуде гармонического воздействия, причем собствен- ная частота малых свободных колебаний системы близка к утро- енной частоте воздействия (утроитель частоты). Уравнение в такой системе запишется в виде L^-t + uc = P0 cos pt, (3.4.1) где Ро cos pt — внешнее воздействие. Пусть ис = (1/С0) (q-\-eq3), что достаточно хорошо согласуется с экспериментальными зависимостями для конденсаторов с сегнето- электриками разных типов. Тогда, вводя обозначения l/LCo = o)g и PjL = P, получаем •^2 + «о (</ + е<73) = (^о/Ь) cos pt. (3.4.2) Вводя новый масштаб времени т = pt, преобразуем это нелиней- ное уравнение к виду p2q 4- cog (q + eq3) = P cos t. (3.4.3) Таким образом, мы вновь получили уже известное уравнение типа q+f (q) = P cos(t) (cm. (3.3.1)). Однако в этом случае в соответствии со спецификой задачи ищем решение в виде суммы двух компонент q = al cos т + <23 cos Зт (3.4.4) и тогда имеем q: = — Gj cos т — 9аа cos Зт. Оставляя в разложении f (q) в ряд Фурье только члены с cos т и cos Зт и приближенно положив —f(q) = ccj cos т + а3 cos Зт, получим систему двух уравнений — р2а1-^а1 = Р\ — 9/?2а3а3 = 0, (3.4.5) где а1 = со§ф1(о1, а3); а3 = соВф2(а1, а3).
S 3.41 УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕЛИНЕЙНОЙ ЕМКОСТЬЮ 109 Для выбранного вида нелинейности f (q) = cogtp (</) = cog (q + имеем «1 = cog (ar + 3/2ecZjCzl Д- 3/4еаща + 3/4eczf), as = wB(a3 + 1/4eoi + 3/2eaf6z3 + 3/4ea|). 1 ‘ Для свободных колебаний системы с нелинейностью (Р = 0) полу- чим уравнения — o)2aj аг — 0; — 9со2а3-|-а3 = 0. (3.4.7) Здесь со —основная частота свободных колебаний нелинейной системы, заменившая частоту р, которая задавалась внешним воздействием. Последняя система дает два соотношения со2 = о'1/а1, ci)2 = a3/9ag, из которых определяется соотношение между аг и а3 aj/Gj = а3/9оз, (3.4.8) а для заданных начальных условий — форма колебаний, т. е. относительные амплитуды свободных колебаний основной частоты и третьей гармоники; частота этих колебаний задается соотно- шением со2 = сх1/а1 или со2 = а3/9аа. Нетрудно убедиться, что частота таких свободных колебаний будет равна со2 = со§ (1 + 3/2еа§ + 3/ie.a1a3 + 3/4eaf). (3.4.9) Как мы видим, со2 отличается от cog лишь на величину порядка е. Иначе обстоит дело при наличии воздействия (Р =# 0). Тогда частота возбуждаемого колебания будет задаваться внешним воз- действием. В рассматриваемом случае частота соо близка к Зр. В результате соотношение между амплитудами основного колеба- ния и его третьей гармоники должно быть совсем иным. Для определения а± и а3 имеем систему —/?2а1 + а1 = Р, — 9р2а3 + <х3 = 0. (3.4.10) Заменяя в первом уравнении на со2^, где по-прежнему со2 —квадрат частоты свободных колебаний нелинейной системы, получаем — р2ах + со2^ = Р, откуда cz1 = P/(co2 — р2). Так как со соо (с точностью до величины порядка е), a coof« г^Зр, то можно, не делая существенной ошибки, заменить со2 на cog и получить выражение с^РДсоб — р2), (3.4.11) откуда с той же степенью приближения = Р/Зр2. Для определения а3 воспользуемся соотношением — 9р2а3 -ф -ф а3 = 0; тогда — 9p2as -ф cog (а3 + + 3/2eczla3 -ф 3/4eczi) = 0. (3.4.12) Вводя относительную расстройку £, определяемую как 9p2/cog = 1 + (3.4.13)
по КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ (ГЛ 3 получим из соотношения (3.4.12) уравнение третьей степени отно- сительно аэ 3/4еа1 + (3/2еп1 — g) og + = °- Положив £ = еД, имеем a!+Da3 + ^ = 0, (3.4.14) где D = 2а® — 4/3Д, § = Изо- графическое рассмотрение полученного уравнения позволяет найти качественные особенности амплитуды колебания утроенной частоты а3. Перепишем уравнение (3.4.14) в виде аз =—Das — S, и построим график левой и правой частей этого уравнения в функ- ции Og. <S = ИзО > 0, так как аг всегда больше нуля при ы «а Зр. В зависимости от величины Д меняется наклон прямой z = = — Das — S, и соответственно получаются различные (одна, две Рис. 3.21. Графическое построение для определения амплитуды колеба- ния утроенной частоты. Рис. 3.22. График амплитуды колеба- ния утроенной частоты в системе с жесткой нелинейностью. или три) точки пересечения этой прямой с кубической параболой г = «з (рис. 3.21), соответствующие решениям исследуемого урав- нения. Примерный вид кривых, изображающих зависимость абсо- лютного значения амплитуды | а31 от Д, показан на рис. 3.22. При Д' = 3/2а® = Д имеем 0 = 0 и амплитуда | as | = 3. Эти кривые нелинейного резонанса для жесткой системы, пока- зывают, что значительная амплитуда утроенной частоты Зр, т. е. эффективность умножения частоты, требует вывода рабочего режима
9 3.4] УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕЛИНЕЙНОЙ ЕМКОСТЬЮ Ш системы в область достаточных расстроек (5 или А). Лишь в этом случае при режиме колебаний, отвечающих ветви А (см. рис. 3.22), амплитуда колебаний тройной частоты может стать достаточно большой. Вывод системы на данный режим достигается либо соответствующим выбором начальных условий, либо постепенным изменением расстройки (начиная, например, от начального значе- ния £=А = 0, т. е. от условия а>0 = 3/?). Отметим весьма характерное обстоятельство, а именно то, что эффективная работа умножителя частоты данного типа при воз- растающей с амплитудой жесткостью системы требует наличия определенной расстройки соответствующей Зр>а>0. Из исследования данной задачи в консервативной идеализации получаются также весьма важные выводы — возможность существо- вания различных режимов колебаний тройной частоты (ветви А и В на рис. 3.22) и зависимость установившегося режима от началь- ных условий и «истории» системы. Эта особенность аналогична соответствующим свойствам рассмотренного в предыдущем параг- рафе резонансного процесса в нелинейной системе при воздействии с частотой, близкой к собственной частоте колебаний системы, но в разбираемом примере она проявляется по отношению к треть- ему обертону воздействующей гармонической силы. Принятое нами пренебрежение затуханием системы привело к возможности неограниченного роста а3 с ростом А (см. рис. 3.22). Очевидно, что этот вывод несправедлив, и учет потерь должен изменить картину процесса, в особенности в области больших А. Увеличение А от малых значений приводит к переходу устой- чивого состояния системы с ветви А на ветвь В резонансной кривой (см. рис. 3.22), а возможность увеличения | а3 | за счет выбора достаточно большого значения расстройки А ограничена определенным оптимальным значением этой величины (Аопт). Увеличение амплитуды воздействия Р дает рост значения | а31 при данной расстройке. Это следует из анализа корней куби- ческого уравнения (3.4.14) и из его графического рассмотрения, так как величина аг с большой степенью точности просто про- порциональна Р. Интересно отметить, что в нашем рассмотрении значение | а31 при заданных Р, р и ы0 растет с уменьшением е, т. е. параметра, характеризующего нелинейность системы. Это можно сбъяснить следующим образом. Уменьшение е при заданных р и а>0 приво- дит к увеличению А и, следовательно, к дальнейшему уходу системы по ветви А в сторону возрастания | а3 |, причем умень- шение е приводит вместе с тем к увеличению крутизны ветви А, что еще более ускоряет рост |й3|. Этот результат физически вполне понятен, так как уменьше- ние е хотя и сопровождается соответствующим уменьшением «удельного веса» гармонических компонент в процессе вынужден-
112 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 ных колебаний системы в области, далекой от каких-либо резо- нансов, но зато уменьшение нелинейности системы приводит к более сильному возрастанию амплитуды третьей гармоники, частота которой лежит вблизи собственной частоты системы. Мы рассматриваем консервативную идеализацию, и поэтому ампли- туда любой сколь угодно малой гармонической составляющей, возникающей за счет нелинейности системы, может достичь боль- шой величины при надлежащей близости частоты этой компо- ненты к собственной частоте системы. Следует лишь отметить, что в данном случае будет возрастать время установления стационарного колебания умноженной ча- стоты. Влиянием же роста амплитуды третьей гармоники на вели- чину аг мы с самого начала пренебрегаем. Очевидно, что учет потерь должен принципиально изменить указанные выше особен- ности. В самом деле, уменьшение амплитуды третьей гармоники при уменьшении нелинейности соответствует уменьшению соот- ветствующей доли энергии, тогда как потери считаются незави- симыми от нелинейных свойств системы. Последнее обстоятельство существенно изменит характер зависимости амплитуды третьей гармоники воздействия от степени нелинейности системы. Однако выводы, которые не нуждаются в существенной кор- ректировке при учете затухания и были получены нами при кон- сервативной идеализации, весьма принципиальны и дают много ценных сведений о работе практически важных систем умножи- телей частоты без активных элементов. § 3.5. Рассмотрение вынужденных колебаний в слабо нелинейных диссипативных системах при гармоническом силовом воздействии методом гармонического приближения Как указывалось ранее, не представляется возможным выбрать единый эффективный метод для анализа вынужденных колебаний в нелинейной диссипативной системе с произвольной нелинейно- стью и любой диссипацией при наличии внешнего силового воз- действия произвольной формы. Поэтому в первую очередь необ- ходимо сузить наше рассмотрение рамками определенных типов воздействий. Обратимся к особо важному случаю гармонического воздей- ствия и из всего многообразия нелинейных диссипативных систем с одной степенью свободы выберем слабо нелинейные системы, в которых вынужденные колебания при таком воздействии также близки к гармоническим. Требование малости диссипации не столь уж принципиально, но поскольку нас интересуют в основном системы с отчетливо выраженными колебательными свойствами, а не апериодические, то мы в нашем рассмотрении ограничимся случаями небольшого затухания (малой диссипации).
5 3.5] ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГАРМОНИЧЕСКОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ 113 С учетом всех этих оговорок можно сформулировать задачу следующим образом: требуется найти параметры (амплитуду и фазу) приближенно гармонического колебания, возбуждаемого в слабо нелинейной колебательной системе с малым затуханием, при заданной гармонической внешней силе. С подобной задачей мы встречаемся не только при рассмотрении механических систем, но и при анализе различных колебательных цепей в радиотехни- ческих устройствах при наличии нелинейных диссипативных эле- ментов (полупроводниковые приборы, радиолампы), а также при использовании ферромагнитных или сегнетоэлектрических мате- риалов в катушках индуктивности и конденсаторах этих цепей. Заметим также, что введение силы, действующей по заданному временному закону, например гармонической силы, весьма непри- нужденно осуществляемое в электрических системах, довольно затруднительно реализовать в системах механических. В самом деле, с помощью соответствующих устройств (например, с помо- щью индуктивной связи) в электрические системы легко ввести э. д. с. с заданной временной зависимостью при любом мгновен- ном состоянии самой системы. В механической же системе легко задать определенное смещение, а задание силы, меняющейся по заданному закону, требует использования достаточно сложных устройств, например тех или иных электромеханических приспособлений. Итак, рассмотрим колебательную систему, Рис. 3.23. Схема контура с нелиней- ными конденсато- ром С (д) и сопро- описываемую уравнением вида । ч Г" f dX \ I г, t + = —j-^pCOspt (3.5.1) при малых значениях функции F (х, dx/dt). Подобным уравнением, например, описывает- ся электрический контур с нелинейной нагруз- тивлением при тар- моническом внеш- нем воздействии. кой и нелинейным конденсатором при гармонической внешней силе (рис. 3.23), для которого уравнение примет вид L^ + R +uc(q) = U0cospt. Если считать, что вольт-кулоновая зависимость такого контура выражается как ис (q) = (1/С0) [1 4- <p(g)] q, то можно записать = — 26 (q) (q) + cos pt, (3.5.2) где Wo=l/LCo; 26 = /?(i)/L, i = dq/dt. Полученное уравнение имеет тот же вид, что и (3.5.1), причем F [х’ W) = ~ 26 ~ р = ^о/^7и.
Н4 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 и если нелинейность и диссипация в системе малы, то выражение [— 26 (q) dq/dt — cog<p (9)] также мало по сравнению с членами, стоящими в левой части уравнения (3.5.2). Это позволяет нам искать приближенное реше- ние уравнения (3.5.2) в виде х = п cos pt+ b sin/?f + o0, (3.5.3) где х = q/q0 — безразмерный заряд. В отличие от случая вынужденных колебаний в консерватив- ной нелинейной системе (см. § 3.4), здесь необходимо учитывать постоянный член а0. Нелинейные свойства диссипативного члена R (i) могут привести к несимметрии вынужденных колебаний, которые учитываются в решении при помощи постоянной состав- ляющей-члена а0. В примере с электрическим контуром (см. рис. 3.23) этот слу- чай соответствует нелинейному сопротивлению R (Г), и следова- тельно, на конденсаторе возникает постоянный заряд q0, величина которого связана с амплитудой переменной составляющей вынуж- денного процесса. Очевидно, чтоб установившемся режиме постоян- ная составляющая тока в подобном контуре существовать не может, и для установившихся колебаний ток определяется выражением dx -^- =— ар sin pt-}-bp cos pt, (3.5.4) причем переходные процессы методом гармонического приближе- ния рассматривать нельзя. Подставляя (3.5.3) и (3.5.4) в исходное уравнение (3.5.2) и сравнивая коэффициенты при cos pt и sin pt, получаем систему уравнений, справедливую с точностью до членов, содержащих компоненты с частотами 2р, Зр, ... и т. д. в разложении функ- ции F(x, х) в ряд Фурье, а(<$ — р2) = «!-)- Р, — р2) = ₽1, (ojao = «i. (3.5.5) причем = «0-1-0^ cos /?/ + ₽! sin pt + л a0=q - \ F {х, ~~\dx, x = acospt + bsinpt, -1 \ (Il i — Л л “1 = 4? \ F\x' dr)cos х dx, -£- = — ар sin ptbp cos pt, JT 1 \ ОТ / G,L — Л 4“31 ₽i = -Jr J ^sifiTdr, * = Pt-
§ 3.5] ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГАРМОНИЧЕСКОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ 115 Рис. 3.24. Схема контура с нелиней- ной емкостью C(q) и гармонической воз- действующей си- лой. Система (3.5.5) должна позволить найти величины «0, а, b в зави- симости от Р и соотношения между ы0 и р для заданного вида функции F (х, dx/dt), аппроксимирующей в общем случае функ- цию, описывающую нелинейные реактивные и диссипативные свойства системы. Рассмотрим этим методом два примера. Контур с нелинейной емкостью и постоянным сопротивлением. Уравнение, описывающее систему, изображенную на рис. 3.24, имеет вид ^+ ^«с(?) = -26 J +^° cosp/. (3.5.6) Как указывалось ранее (см. стр. 76), для аппроксимации реальной зависимости ис (q) для конденсатора с сегнетоэлектриком можно с хо- рошим приближением воспользоваться выраже- нием ис (q) = (1/С0) (<?-]- у0<73). Вводя безразмер- ную переменную x=qlq(t, получим •^--|-(05Х = — wgyx3 —26 ~ 4-Pcosp/; (3.5.7) Lex CLt здесь cog = 1/LCO, у — y(,ql, 26 = R/L, Р = Uf}/Lq0. Решение для х ищем в виде х = а cos pt-\-b sin pt\ тогда -п- = — ар sin pt -|- bp cos pt. Постоянную составляющую в решении для х мы опустим, так как 26, согласно условию задачи, является постоянной величи- ной, и правая часть уравнения (3.5.7) с учетом искомого реше- ния представляет собой нечетную функцию cos pt и sin pt, и, значит, а0 = 0 (см. (3.5.3)). Производя вычисления коэффициентов аг и Pi фурье-разложения нелинейной функции F(x, х) Л 04 = -^ (а cos t + b sinT)3-|-26 (apsinx — bp cost)]cost dr, — Л Л p1 = -i [—ywo (a cos т-|-Ь sinT)3 + 26 (czp sinx — 6pcosT)]sinTdT, — Jt где x = pt, получим cq = — 26p6 — 3/4(OaV (a® 4- b2) a, Pi = 26pcz — 3/4couV (a2 + b2) b. (3.5.8)
46 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Тогда система уравнений (3.5.5) для нашего случая примет вид [cog - р2 + 3/4ЫоТ^2] а + 2дрЬ -Р, [wj — р2 + 3/4ы^Л2] Ь — 2Ьра = О, где А2 = а2-\-Ъ2. Возводя в квадрат и складывая оба написанных выше урав- нения, получаем [tog - р2 + 3/4у(0]А2]2 А2 + 462/?2Л2 = Р2, или [И2 _ р2]2 /2 _|_ 4б2р2Л2 _ р2 = 0> (3.5.10) где и2 = <0j (1 + 3/4уЛ2) — квадрат частоты свободных колебаний той же нелинейной системы при 6 = 0 (т. е. для консервативного случая (см. (3.3.11)), характеризующей неизохронность системы. Для удобства рассмотрения перепишем уравнение (3.5.10) в виде /?4 + 2 (262 - и2) р2 + и4 - Р2/А2 = 0, откуда легко находим р2 = (И2 _ 262) ± VР2/А2 - 462 (и2 - 62). (3.5.11) Полученную зависимость р2 от А при у>0 можно представить графически в виде семейства резонансных кривых. На рис. 3.25 Рис. 3.25. Семейство резонансных кривых для нелинейного контура с посто- янным затуханием. изображено подобное семейство для одного заданного значения 6 и для различных амплитуд воздействующей силы Р. Исследование особенностей поведения кривых р2(А), задавае- мых уравнением (3.5.11), позволяет разделить их на два вида. Кривые одного вида соответствуют значениям амплитуды внеш- ней силы, меньшим некоторой критической величины, и характе-
§ 3.5] ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ГАРМОНИЧЕСКОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ 117 ризуются однозначным ходом амплитуды вынужденного колеба- ния А в зависимости от частоты воздействующей силы (тип /). Все они расположены ниже кривой для Р = Ркр. Резонансные кри- вые такого типа представляют собой несколько деформированные кривые резонансной амплитуды для обычного линейного контура с затуханием. Максимум у них смещен в сторону больших частот в соответствии с возрастанием частоты свободных колебаний с ро- стом амплитуды, обусловленным неизохронностью. При значениях Р, больших определенного критического зна- чения Ркр, в резонансных кривых появляются участки с верти- кальной касательной, и для определенной области значений /?2 возникает неоднозначная зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты воздействия (тип 2). На рис. 3.25 заштри- хована область, где резонансные кривые имеют обратный наклон, а ее границы соответствуют вертикальным касательным к резо- нансным кривым. Амплитуды резонансных кривых, лежащие в заштрихованной области, неустойчивы, и при непрерывном изменении частоты воздействия р для достаточно больших ампли- туд внешней силы Р > Ркр появляются скачки амплитуды при достижении границы неустойчивой области. Неустойчивость этих решений не следует прямо из приведен- ных расчетов. Метод гармонического приближения не дает воз- можности определить устойчивость найденных решений. Для этого необходимы дополнительные исследования полученных значений амплитуды. Как видно из формулы (3.5.11) при 6 = 0, мы приходим к соот- ношению, аналогичному (3.3.15) и связывающему частоту воздей- ствия и амплитуду вынужденного колебания в консервативной нелинейной колебательной системе р2 = а2± P/А. В соответствии с этим и семейство резонансных кривых рис. 3.25 при 6—>0 пере- ходит в семейство изолированных кривых, разделенных скелетной кривой со2 (Л). Очевидно, что в случае обратного закона зависимости ис от q или, говоря языком механики, обратной зависимости жесткости от отклонения при аналогичной аппроксимации необходимо счи- тать у < 0, и соответствующие резонансные кривые будут иметь наклон в обратную сторону, что схематически показано на рис. 3.26 (случай мягкой возвращающей силы). Контур с постоянными L и С и с нелинейным затуханием (рис. 3.27). Пусть 7?(0 = 7?о(1 + Ро1Ч-То12). (3.5.12) Тогда уравнение, описывающее поведение данного контура, можно записать в виде х ф- 260 (х 4- |3х2 + уха) ф- <о§х = Р cos pi, (3.5.13)
118 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ (ГЛ. 3 где х = <7/<70; 26o = /?o/L, ti>* = lfLC, P = UjLqf}, Р = Ро<7„, y = Wo- Ищем решение в гармоническом приближении в виде х = а cos pt-\-b sin pt-\-a0, x = — ap sin pt-\-bp cos pt. Для определения a0, a, b получаем из (3.5.5) систему уравнений «Х = — 60Рр2Л2, (cog - р2) а = - 260р (1 + 3/4урМ2) b + Р, (3.5.14) (И2-/72)Ь = 2б0р(1+3/4Т/72Л2)«. Из первого уравнения следует, что ао = -(Р>о)РМ2- (3.5.15) Найденное выражение дает величину постоянного напряжения смещения, образующегося на емкости за счет несимметрии нели- нейного сопротивления. Появление этого напряжения на радио- Рис. 3.26. Семейство резонансных кри- вых для мягкой нелинейности в контуре с постоянным затуханием. техническом языке называет- ся детектированием воздей- ствующего гармонического сиг- нала. Отметим, что величина постоянного напряжения сме- щения для заданной ампли- туды воздействия связана лишь с коэффициентом р, Рис. 3.27. Схема контура с по- стоянными L и С и с нелинейным затуханием при гармоническом внешнем воздействии. т. е. с коэффициентом при квадратичном члене функции, аппрок- симирующей нелинейность системы. Члены разложения нелиней- ной функции с нечетными степенями не приводят к возникновению постоянной составляющей. В нашем примере, как и в более слож- ных случаях, ответственны за детектирование члены с четными степенями полинома, аппроксимирующего нелинейность, которые и приводят к несимметрии характеристики последней. Для определения амплитуды вынужденного колебания нужно рассмотреть систему уравнений (ы5 — р2) а + 26,ур (1 + 3/4ур2/2) b = Р, К - Р2) b - 260р (1 + 3/4ур2 Д2) а = О,
S 3.6] АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ММА 119 откуда получаем (<о? - /?в)2 + 46^2 (1 + 3/4у/?М2)2 = Р2/Л2. (3.5.16) Примем, что нам заданы параметры воздействия: его амплитуда Р = const и частота р — const. Будем менять в системе собствен- ную частоту контура wj;. Для нахождения аналитического выра- жения о>о запишем следующее биквадратное уравнение: (о*-2р2(о? + р« + 46И1 +3/4ТРМ2)2-Р2/Л2 = О, (3.5.17) откуда и? = /?2 ± У Р2/Л2 - 4S?/?2 (1 + 3/4у/?М2)2. (3.5.18) Если изобразить передаваемую этим соотношением связь между А и %, то получится семейство резонансных кривых (рис. 3.28). Дифференцируя уравнение (3.5.16) по (£>5 и находя производную дЛ2/д(£>п, нетрудно показать, что в пределах выбранного прибли- жения она обращается в нуль при <£>о = р2 независимо от вели- чины амплитуды колебаний А2. Для контуров с нелинейным затуханием резонансные кривые при малых величинах у и при небольших амплитудах внешней силы незначительно отличаются от обычных резонансных кривых для линейного контура, и лишь для больших амплитуд наблюдает- ся уплощение их вершин. Это свя- Рис. 3.28. Семейство резонансных кривых для контура с нелинейным затуханием. зано с ростом эффективного затухания системы с возрастанием амплитуды колебаний по закону = 6 (1 + 3/4ур2Л2). § 3.6. Применение метода медленно меняющихся амплитуд к анализу поведения слабо нелинейных систем с малыми потерями при гармоническом силовом воздействии В § 2.5 были описаны основы метода медленно меняющихся амплитуд применительно к анализу автономных слабо нелиней- ных систем с малым затуханием. Там же были даны примеры при- менения этого метода для исследования свободных колебаний в некоторых нелинейных системах. Однако исходные положения, на которых основана возможность получения упрощающих задачу укороченных уравнений, допускают также применение этого метода к случаю систем, находящихся под внешним воздействием.
120 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Если на колебательную систему, близкую к линейной консер- вативной, действует периодическая сила с частотой, существенно отличной от собственной частоты колебаний системы, то эта сила вызовет вынужденное колебание с частотой внешней силы и с амплитудой, в основном определяемой различием между часто- той воздействия и собственной частотой системы. При гармоническом воздействии на слабо нелинейную систему с малым затуханием необходимо рассматривать уравнение вида + = -^) + Pcosp/, (3.6.1) причем в рассматриваемом случае р достаточно сильно отличается от ш0, а р 1 • Пусть х = х1 + « cosp/, (3.6.2) где а = Р/(шо — р2) — амплитуда вынужденного колебания для под- системы х ш^х = Р cos pt, в которую переходит (3.6.1) при р = 0. Тогда хг будет удовлетворять уравнению -^-+ci)gXi = pf(x1+ocospZ; ^--posinp/). (3.6.3) Это уравнение при Р = 0 допускает только одно стационарное решение хг = 0, так как при этом исходная система должна нахо- диться в покое. При Р=#0 уравнение (3.6.3) можно рассматри- вать как уравнение, описывающее колебательную систему с вынуж- денными колебаниями и амплитудами порядка ц и периодом 2л/р, взаимодействующими с собственными колебаниями вследствие нели- нейности системы. Вопрос же о существовании стационарных собственных колебаний требует дополнительного исследования, так как в этом случае система, вообще говоря, претерпевает перио- дическое (с частотой, кратной р) изменение энергоемких пара- метров, что может при выполнении определенных частотных соот- ношений привести к эффектам параметрического вложения энер- гии. При этом предполагается, что амплитуда воздействующей силы Р не ограничена условием малости подобно силам сопротив- ления и силам, связанным с нелинейными свойствами системы, которые имеют порядок малости р. Если частотные и энергетические соотношения, обусловливаю- щие параметрическое вложение энергии в систему, не выполняются, то для р, достаточно отличающегося от ш0, движение в рассмат- риваемой системе будет в основном зависеть от вынужденных процессов, описываемых вторым членом соотношения (3.6.2). Если частота воздействия близка к собственной частоте коле- баний слабо диссипативной системы, то соответствующие резонанс- ные колебания (xj приобретут значительную амплитуду, которая
§ 3.6] АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ММА 121 будет возрастать до величины порядка 1/р при приближении ча- стоты воздействия к собственной частоте системы. Это обстоятель- ство не позволяет в подобном случае использовать указанную подстановку и заставляет при рассмотрении данной задачи ввести ограничения на амплитуду воздействия. Для возможности приме- нения метода медленно меняющихся амплитуд необходимо потре- бовать, чтобы внешняя сила была мала по амплитуде и имела бы тот же порядок малости, что и малые силы, связанные с нели- нейными и диссипативными свойствами системы и возникающие при конечных амплитудах колебаний в ней. В таком случае воз- действующую силу можно объединить с этими малыми силами и свести рассмотрение задачи к приближенному исследованию урав- нения типа X + СО,'Х = рД (х, х, t), которое отличается от рассмотренного ранее (см. (2.5.2)) тем, что функция зависит не только от переменной х и ее производной х, но и явно от времени. Решение этого уравнения будем искать в виде х = и cos pt + + v sin pt, где, как и раньше, и и v — медленно меняющиеся функ- ции. Вводя в исходное уравнение новый масштаб времени x — pt, получим х + (шо/р2) х = pf(x, х, т). (3.6.4) Вводя обозначение cog/p2 = l-£ (3.6.5) и требуя, чтобы расстройка £ была величиной порядка малости р, запишем уравнение (3.6.4) окончательно в виде J+x = pf(x, х, х). (3.6.6) Тогда в соответствии с изложенным методом медленно меняю- щихся амплитуд имеем х = и cos x-j-v sinx, х — — и sin х v cos х и можно перейти к укороченным уравнениям для определения функций и и V. 2л й = — ~ J р?(х, х, T)sin-cdT, v = С pf(x, х, x)cosxdx. О о (3.6.7)
122 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ (ГЛ. 3 Если х — A cos (т-)-0), х = —A sin (т-|-6), то укороченные урав- нения для определения амплитуды и фазы будут иметь вид 2л 2л А — — kz- ( р/(А, е> т) sinТ1 dtlt Ав = — ( р/(Д, 6, TjcoSTid-n, А ^ЗТ А о о (3.6.8) где = т + 6. В отличие от описанного пути нахождения методом медленно меняющихся амплитуд приближенного решения уравнения (3.3.1), мы для упомянутого ранее случая существенного различия между р и ш0 (т. е. области, далекой от резонанса) должны поступить несколько иначе. Вводя через подстановку (3.6.2) новую переменную хг, соот- ветствующую колебанию с частотой, близкой к собственной частоте системы (w^w0), мы, применяя метод медленно меняющихся амплитуд, должны искать для хх решение с частотой р/п (слу- чай р = нш) или игр (случай р = а/m) и соответственно вводить новый масштаб времени т = (р/п)/ = ш/ или т = mpt = at. При этом расстройка будет определяться из соотношений а>о/со2 = аЦт^р2 = 1 — £ или тг2а>о/р2 = 1 — £, а для основной подстановки (см. (2.5.3)) имеем по-прежнему Xj — ti cosт-|- v sinт, %! = — н sin ти cos т. Когда ю0 близко к тр, мы будем определять амплитуду колеба- ния с частотой, соответствующей m-му обертону воздействующей силы, а когда а^^р/п, речь будет идти об отыскании возмож- ных унтертонов, или субгармоник. Если же не представляется возможным подобрать такое т или п, чтобы расстройка g удов- летворяла выбранному критерию малости, то тогда описываемый путь решения теряет смысл. В этом случае наиболее вероятно, что искомое установившееся решение будет с большой степенью точности описываться вторым членом в правой части (3.6.2). Исследование укороченных уравнений для описанных случаев проводится теми же приемами, что и для автономных систем. В качестве простейшего примера рассмотрим методом ММА вынужденные колебания в контуре с нелинейным затуханием, которые были рассчитаны в § 3.5 методом гармонического баланса (гармонического приближения). Для подобного контура (см. рис. 3.27) мы можем записать уравнение Кирхгофа в виде Если считать, что нелинейная зависимость сопротивления R от тока i имеет квадратичный характер, а собственная частота
§ 3.6] АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ММА 123 контура а>0 близка к частоте внешней силы р, то вводя обозна- чения mg = 1/LC, 2$ = R/Lp, х = q/q0, со«/р2=1 — I, x = pt, R = R0(l+y^z), приходим к уравнению = — 2'fl'x — 2'fl,yx34-PcosT, (3.6.9) где Р = U0/Lq0p2, Т = Уо9о/А а Уо>0- Для применимости метода медленно меняющихся амплитуд к решению этого уравнения необходимо потребовать, чтобы выполнялись неравенства: рас- стройка затухание в системе 2$ 1, амплитуда внешнего воздействия Р<^1, т. е. чтобы все члены в правой части урав- нения были малы по сравнению с членами в левой его части. Решение ищем в виде х= A cos (т-|-6), х = —Л sin (т 4-6). Тогда, вводя т1 = т4-0, получаем следующие укороченные урав- нения: 2л А = — Д cos ту 2fM sin ту 20'уД3 sin3 4- о + P cos (ту — 6)] sin ту thy, 2л Д6 = — У [ЕД cos ту 2'&A sin Tj 4- 20'y Д3 sin 4- о + P cos (ту — 6)] cos ту diy, а после выполнения интегрирования имеем Д =— (Ы —VgPsinB —V^flyX3, Дё =—— VjjP cos 6. (3.6.10) Стационарные решения находят из укороченных уравнений при условии А = 6 = 0, т. е. из системы уравнений 2-0- (1 4- 3/4у/Ц) До = — Р sin 60, Мо = — Р cos 60. Возводя правые и левые части этих уравнений в квадрат и скла- дывая их, получаем Л? = Р^2 + 4^(1 +3/4уЛЭТ; оно представляет уравнение резонансной кривой для добротного колебательного контура с нелинейным сопротивлением. В случае линейного контура (уо = 0) получается известное уже нам выражение (см. (3.5.10)) для резонансной кривой
124 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Соответствующие семейства резонансных кривых показаны на рис. 3.28 пунктирными линиями. Как мы видим, резонансные кривые для контура с нелинейным затуханием уплощаются в обла- сти расстроек, близких к нулю. Это изменение тем больше, чем больше резонансная амплитуда. Вдали от области малых рас- строек резонансные кривые линейного и нелинейного контуров практически совпадают. Однако следует иметь в виду, что эти кривые нигде не пересекаются и резонансная кривая нелинейного контура при у>0 даже вдали от резонансной частоты всегда расположена ниже резонансной кривой линейного контура. Однако полученные выше укороченные уравнения позволяют найти не только стационарные амплитуду и фазу вынужденного колебания, но в принципе и закон установления стационарного процесса путем интегрирования системы уко- роченных уравнений (3.6.10). В этом, в част- ности, заключается большая эффективность метода ММА по сравнению с методом гар- монического приближения, дающего в прин- ципе только стационарные значения амплитуд. В качестве другого примера применения метода ММА рассмотрим вынужденные коле- бания в контуре с нелинейной индуктив- ностью (рис. 3.29). Будем считать однознач- ной связь между магнитным потоком Фо и током I, т. е. пренебрежем гистерези- сом. R и С принимаются постоянными. При соответствующем выборе масштаба для функции Ф, пропорциональной величине магнитного потока Фо, мы можем записать уравнение, описываю- щее процессы в контуре, в виде Рис. 3.29. Схема кон- тура с нелинейной ин- дуктивностью при воз- действии гармоничес- кой силы. ^4-Ri + 9/C = t/0cosp(, ИЛИ гф(г) + /г2а+г«“(7»“5'>'- (3.6.11) Зададимся выражением для аппроксимации зависимости Ф(() в форме Ф (i) = Lo (t — yot3), (3.6.12) где i = dq/dt. Подобная простейшая полиномиальная аппроксимация кривой намагничения, естественно, может удовлетворительно передавать ее реальный ход лишь в определенном ограниченном интервале зна- чений i. Поэтому, прежде чем обсуждать полученные результаты, необходимо убедиться, что найденные значения амплитуды тока не выходят за те пределы, в которых применима выбранная аппрок- симация.
S 3.6] АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ММА 125 Дифференцируя (3.6.12) «й - (ло-з/,тл = Щ1 -3r.(f )!]$, и подставляя найденное соотношение в (3.6.11), имеем L^j — 3Lgygq2q -J- Rq -J- q/C = Uo cos pt. Перепишем это уравнение в виде Loij 4- q/C = 3L0y0q2q — Rq + Uo cos pt. (3.6.13) Так как мы рассматриваем случай малого затухания и малой нелинейности, то первые два слагаемых в правой части (3.6.13) малы по сравнению с членами, стоящими в левой части, и мы приходим к уравнению вида = (q, q, q) + P0CQ$pt, которое допускает применение метода медленно меняющихся ампли- туд для произвольного Ро при частоте р, сильно отличающейся от too, и для Ро порядка р при р, близкой к too. Рассмотрим сначала случай частоты р, далекой от оу,. Урав- нение (3.6.13) запишем в виде х = ух2х — 26х Ро cos pt', (3.6.14) здесь о>о—1/^'0^'» Т — ^Уо^7о» 26 — R/Lg, Рд-—Ug[Lqg, х — qlq^- Положим x = Xj4—cospf. Тогда для Xj получим из (3.6.14) р + (Ogxj = у - рР sin pt)2 - рЧ> cos pt} - - 26 (-^--рР sin pt}, (3.6.15) где Р = Pg/fwf, — р2). Правая часть этого уравнения периодична с периодом 2л/р и мала по сравнению с членами, стоящими в левой его части. Поэтому при частоте р, далекой от ш0, вынужденное колебание в решении уравнения (3.6.10) будет иметь амплитуду по крайней мере того же порядка малости, что и члены с у и 26. Исключе- ния соответствуют случаям, когда тр too. Тогда высшие гармо- нические компоненты в правой части уравнения (3.6.15) могут вызвать резонансные эффекты. В этих случаях можно ожидать появления вынужденных колебаний с конечными амплитудами на частотах тр, т. е. работы подобной системы как умножителя частоты.
126 КОЛЕБАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 3 Довольно очевидно, что относительная интенсивность этих гармонических компонент будет определяться видом нелинейной характеристики системы и для выбранной аппроксимации будет прямо задаваться видом аппроксимирующей функции. При кубической аппроксимации появится лишь третий обер- тон, и резонансные эффекты могут возникать лишь при соо, близ- кой к Зр, т. е. в этом случае исследуемая система будет работать в качестве утроителя частоты. Использование больших участков нелинейной характеристики привело бы к необходимости введения в аппроксимирующий поли- ном членов с более высокими степенями, и тогда имели бы место отчетливо выраженные резонансные эффекты для т = 5, 7 и т. д. При этом антисимметрия характеристики намагничения соответ- ствует присутствию в аппроксимирующем полиноме лишь нечет- ных степеней и, следовательно, возможны резонансные процессы только на нечетных гармониках воздействующей силы. Эти же свойства нелинейной характеристики приводят к тому, что в резуль- тате появления в системе вынужденных колебаний с частотой р возникает периодическое изменение ее индуктивности с ча- стотой 2р. Как указывалось, случай ш0 Зр соответствует работе системы в качестве утроителя частоты с использованием гармоники воз- действующей силы, возникающей на нелинейной реактивности контура. Случай ы0^2р соответствует появлению возможных параметрических эффектов (параметрическая генерация, парамет- рическое усиление (см. гл. 4)), а случай ш0 р — известному явлению возбуждения резонансных вынужденных колебаний в нелинейной системе. Случай Для возможности применения метода ММА примем, что амплитуда внешней силы Ро имеет величину порядка малости 26 и у. Тогда уравнение (3.6.14) переходит в х + х = Ех — 26'х + у'х2х -J- Р cos т, (3.6.16) где т = pt, (£>l/p2 — 1 — I, 2® = 26/р, у’ = уыЦр2, Р = Ро/Р2- Для решения задачи, вновь используя вариант метода ММА, изложенный в § 2.5 с применением медленно меняющихся ампли- туды А (т) и фазы 6 (т), находим х = A cos (т-j-e), х ——A sin (т-|-0). В правой части уравнения (3.6.16) следует ограничиться членами первого порядка малости относительно единицы, и поэтому член у'х2х нужно записать в виде у’х2х =— у'A3 sin2 (т 4- 6) cos (т-|- 6), пренебрегая членами, содержащими А и 6, так как в силу «мед- ленности» А (т) и 6 (т) справедливы условия А<^А, 6 <^6.
5 3.6] АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ММА 127 Укороченные уравнения принимают вид 2л Л = — ~ У [Е Л cos т4 2ФЛ sin Tj — у'Л3V* cos Tj 4- о + cos Зт4 4- P cos (Tj — 6)] sin -q d^, 2л 6= — f-Ц- i [£Л cos Tj 4-2$ sinTj — у'Л31/4 cost4- ZJT.Z1 e) " L 0 4- y' cos 3т, 4- P cos (г, — 6)] cos т, d-rlt где т1 = т4-6. После выполнения интегрирования получаем сле- дующие укороченные уравнения: Л = — <► А — */2Р sin 6, ё = — ~ [£Л —1/4y,X34-7’cos6]. (3.6.17) Стационарную амплитуду вынужденных колебаний Ао можно найти из решения системы (3.6.17) при условии, что Л = 0, 0 = 0, т. е. 2М04-Р sin 6о = 0, ^0-1/4y'ZS4-PcOseo = 0. (3.6.18) Решая эту систему относительно £, получаем выражение, удобное для расчетов и графического построения при заданных значе- ниях # и Р ё = 1/4Т'^±]/Р2/Л^-4^. (3.6.19) На рис. 3.30 приведено типичное семейство соот- ветствующих резонансных кривых для различных зна- чений амплитуды вынуж- дающей силы. Как видно из этого рисунка, здесь Рис. 3.30. Семейство резонансных кривых для контура с нелинейной индуктивностью. вследствие затухания в системе мы не встречаем- ся с бесконечным нараста- нием амплитуды вынужденных колебаний с ростом расстройки, как было в консервативном случае (см. § 3.3). Здесь для каждой амплитуды воздействующей силы существует своя максимальная амплитуда установившихся вынужденных колебаний на частоте воздействия. Дальнейшее изменение частоты воздействия (или соб- ственной частоты контура), приводящее к увеличению расстройки £ до величины, превышающей значение, соответствующее максималь- ной амплитуде вынужденных колебаний, приводит к скачкообраз-
128 КОЛЕБАНИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ [ГЛ. 9 ному уменьшению этой амплитуды до значений, отвечающих моно- тонно спадающей ветви резонансной кривой. Уменьшение £ при- водит к возрастанию Ао в соответствии с устойчивой ветвью кривой вплоть до того значения £, при котором касательная к резонансной кривой станет вертикальной. Тогда произойдет «обратный» скачок амплитуды Ло вверх до выхода на верхнюю устойчивую ветвь резонансной кривой. Очевидно, что при достаточно малой амплитуде внешнего воз- действия и других соотношениях между параметрами у' и 'О' мно- гозначности может и не быть, и тогда возникает лишь некоторая несимметрия резонансной кривой за счет нелинейных свойств системы, что уже было показано в § 3.5 (см. рис 3.25). Возможность получения трех значений стационарных, отлич- ных от нуля амплитуд, из которых два устойчивы, а одно неустой- чиво, является следствием того, что для определения стационар- ных амплитуд необходимо решать уравнение третьей степени относительно Ло. Устойчивость найденных решений можно определить методом возмущений; тогда, задаваясь вариациями амплитуды и фазы вблизи стационарных значений Ао и 0О в виде Л = ЛЙ+С и 6 = 60-1-1], получаем систему укороченных уравнений для вариаций £ = —fl£—i/2Pcos60T], (3.6.20) Если задаться временной зависимостью вариаций в виде С = т] = т]ое^, где % — характеристический показатель (в общем случае комплекс- ный), и учесть, что Р sin 60 = — 2'6’Ао и Р cos 60 = Ао f/tf'AJ — £), то получим систему однородных уравнений относительно £0 и 1]р - (0+Со - ’/Ио Ы - С) По=0. - 2^(5-8/4Т'^)Со-(^+^)По = 0. (3,6 21) Составляя определитель дтя этой системы л требуя для нетри- виальное™ решения равенства его нулю, получаем для характе- ристического показателя X следующее выражение: X = - 0 (3.6.22) Для некоторой совокупности параметров колебательной системы действительная часть % может быть положительной, и тогда система уйдет из этого стационарного состояния; для другой совокупно- сти параметров она может быть отрицательной, и тогда вынужден- ное колебание с такой амплитудой Ао будет устойчивым.
ГЛАВА 4 КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ §4.1. Параметрическое воздействие на колебательные системы До сих пор мы рассматривали колебательные системы, в ко- торых происходили либо свободные колебания, определяемые на- чальными условиями, либо чисто вынужденные, возникающие под действием внешней силы, приложенной к колебательной си- стеме. Для электрических систем это соответствовало введению в изучаемый контур вынуждающей э. д. с. или введению задан- ного тока в какой-либо элемент цепи. Однако, как известно, существует еще один важный вид воз- действия на колебательные системы, который заключается в том, что внешней силой производится изменение одного из параметров системы. Такой вид воздействия мы называем параметрическим. В этой главе будут рассмотрены колебательные системы, в кото- рых один из параметров меняется во времени. Исследуя только системы с одной степенью свободы, мы огра- ничим свою задачу рассмотрением лишь периодических изменений или, как часто говорят, случаем периоди- ческой модуляции параметра. Для выясне- ния специфических особенностей процес- сов, вызываемых периодическим парамет- рическим воздействием, рассмотрим про- стейшую модель. Возьмем линейный колебательный кон- тур (рис. 4.1), состоящий из последова- тельно соединенных L,RwC. Пусть емкость Рис. 4.1. Колебательный контур с меняющейся во времени емкостью. конденсатора контура меняется во времени с помощью какого-то внешнего устройства по изображенному на графике закону (рис. 4.2, а). Предположим кроме того, что заряд на конденсаторе меняется по закону, близкому к гармони- ческому. Если при наличии колебаний заряда на конденсаторе q (t) изме- нять указанным образом его емкость Со во времени С (/), то каж- дый раз при ее уменьшении на 2ДС энергия конденсатора соот- ветственно увеличивается. Заряд q при скачкообразном изменении емкости не меняется, ибо является инерционной величиной. Пусть частотные и фазовые соотношения между q (/) и С (t) таковы, что 5 В. В. Мигулин и др.
130 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 емкость конденсатора уменьшается каждый раз точно в те моменты времени, когда заряд на емкости проходит через экстремум (рис. 4.2, б). При этом вложение энергии в систему будет максимальным, так как при раздвижении обкладок конденсатора для уменьшения С Рис. 4.2. Графики периодического изменения С (а) и и (б) при параметри- ческом воздействии. совершается максимальная работа против электростатических сил притяжения между его пластинами. Частота изменения параметра (емкости) в этом случае в два раза выше частоты колебаний в контуре. Рассчитаем приращение электростатической энергии конденса- тора Д/V, которое получается в момент скачка емкости: ... qo Г 1 1 1_ 2ДС .л 1 п 2 Lg-дс Со-|-ДСJ 2 сё-(ДСГ Считая, что ДС<С0, можно записать AN ъ (^/2С0) 2ЛС/С0 = No 2ДС/С0, (4.1.2) где No = qU2C0 характеризует энергию, запасенную в конденсаторе до скачка емкости. Если ввести коэффициент т, называемый глу- биной модуляции параметра: т = бмакс ___________ АС С'макс +С мин (4.1.3) то приращение колебательной энергии в контуре после одного скачкообразного уменьшения емкости равняется AN = No 2т. Важно отметить, что величина изменения колебательной энергии AN в контуре при параметрическом воздействии или, как часто гово-
$ 4.11 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СИСТЕМЫ 131 рят, при параметрической «накачке», пропорциональна самой энергии /Уо, запасенной в системе. В соответствии с выбранным фазовым соотношением между накачкой и колебанием, действующим в контуре, следующее скачко- образное увеличение емкости не вызовет изменения энергии в системе, ибо в соответствующие моменты времени начальная энергия равна нулю (9 = 0), как показано на рис. 4.2. За один период колебания энергия вкладывается два раза, строго говоря, неодинаковыми порциями, однако в силу условия АС <^С0 их можно считать одинаковыми, и тогда общее приращение энергии в системе за период равно 2AW = W04m = (7о/2Со) 4m. (4.1.4) Теперь необходимо определить потери в контуре. Если считать колебания заряда приближенно гармоническими, т. е. q = q0 sin at, то q = aq0 cos at, и, следовательно, мощность потерь W = 1/г^^2 = ^'/tR&q’o. Энергия, теряемая системой за период Т, равна % 7?<о2 q30T = nRaql. (4.1.5) Сравнивая (4.1.4) и (4.1.5), получим условие, при выполнении ко- торого вкладываемая энергия превосходит потери, и в системе происходит нарастание колебаний: (qo/2Co) 4m > nRaqo, т. е. m>1/2n.RC0a (4.1.6) или ____ Ш ^-> ^порог “ /2nRVCjL=\2d, где d^nRjfCg/L — логарифмический декремент затухания контура. Этот процесс возбуждения колебаний за счет периодического из- менения энергоемкого параметра колебательной системы мы будем называть параметрическим возбуждением колебаний или пара- метрическим резонансом. Если емкость меняется с той же периодичностью, но по дру- гому закону, то качественно получится тот же результат, хотя коэффициент в соотношении (4.1.6) будет не л/2, а меньше, так как выбранный нами скачкообразный закон изменения С опти- мален для вложения энергии. Нарастание амплитуды возбужда- емого колебания, а следовательно, и увеличение энергии системы происходят за счет работы внешних сил, изменяющих параметр. В рассмотренном примере параметр изменялся дважды за пе- риод возбуждаемых колебаний. Однако можно производить вло- жение энергии за счет изменения параметра один раз за период, два раза за три периода и вообще при выполнении условия р = 2а[п, (4.1.7) б*
132 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (ГЛ. 4 где п=1, 2,... , р — частота изменения параметра, со —частота возбуждаемых колебаний. При этом, конечно, энерговложение в возбуждаемую систему за период будет тем меньше, чем больше п. Аналогичные соотношения мы получим, если скачком меняется индуктивность L. При этом Nl = Однако поскольку при изменении L изменяется также и ток i, то для расчета вложения энергии удобнее пользоваться выражением Mz. = O2/2L, где Ф —ве- личина магнитного потока, который является инвариантом при скачкообразном изменении L. Поэтому при изменении L на вели- чину 2AL Л., ФОГ 1 11 — 2 Н-о—i-o+Ai-J’ или при AL<^L0 ДМ j=« No 2AL/L0 = No 2m, (4.1.8) где /п = ^максТ^мин . ^макс 4-ЕМИН Отметим, что в линейной колебательной системе при выполне- нии условия параметрического возбуждения колебаний (условия параметрического резонанса) происходит неограниченное нараста- ние амплитуды возбужденных колебаний. Это связано с тем, что и потери, и вложение энергии в данном случае пропорциональны квадрату амплитуды колебаний (пропорциональны колебательной энергии системы). Для вынужденных колебаний в линейных систе- мах при силовом воздействии вложение энергии пропорционально первой степени амплитуды колебаний, а потери по-прежнему про- порциональны квадрату амплитуды, что приводит к образованию конечной амплитуды вынужденных колебаний. Очевидно, что параметрическое возбуждение колебаний воз- можно лишь при изменении одного из энергоемких параметров L или С. Изменение R может привести лишь к изменению закона диссипации— затухания имеющихся колебаний, но система оста- нется диссипативной. Мы уже говорили, что явление, состоящее в возникновении в контуре нарастающего колебательного процесса с частотой, же- стко связанной с частотой внешнего параметрического воздействия, и вызываемое именно этим воздействием, принято называть пара- метрическим возбуждением колебаний или параметрическим резо- нансом. Параметрический резонанс имеет место при выполнении определенных соотношений между частотой изменения параметра р и частотой возбуждаемых колебаний и, близкой или совпадающей с собственной частотой возбуждаемой системы и0 (р = 2со/и), а также при выполнении условий, определяющих изменение параметра т (т > mnopor) для данного соотношения частот.
$ 4.1] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СИСТЕМЫ ' 33 Математическое описание параметрического резонанса в линей- ных системах производится с помощью линейного дифференциаль- ного уравнения с переменными коэффициентами х + фх (0 х + ф2 (0 х = О, где (0 и ф2 (0 — периодические функции времени. Подстановкой х = гехр {— х/2 $ фх (0 dt] это уравнение преобразуется к уравне- нию Хилла вида 2+ф(0г = О, (4.1.9) где ф (0 = [ф2 (0 — х/2фх (0 ~ ‘Лф! (0] — периодическая функция. Частным случаем уравнения Хилла является уравнение Матьё у + соо (1+ mcosp0 t/ = 0. (4.1.10) Теория этих уравнений разработана с большой полнотой, известны и все существенные свойства их решений, обычно записываемых в виде х = сх% (0 еи + сд (— 0 е ~и, (4.1.11) гДе X (0— ограниченные функции с периодом, равным периоду изменения параметра или половине этого периода, и X —комплекс- ная величина, называемая характеристическим показателем, вещественная часть которой определяет, имеет ли решение возра- стающий характер или нет. Полный анализ решений математически довольно сложен и для линейных случаев и, тем более, для нелинейных задач. Поэтому он сводится к нахождению таких областей значений соотношения частот 2и0/р и глубин модуляции т, для которых имеются комплексные значения и Х2. Тогда в системе могут происходить нарастающие колебания, т. е. воз- никает параметрический резонанс. В 1927 г. А. А. Андронов и М. А. Леонтович рассчитали эти области значений для систем без затухания и с затуханием, опи- сываемых уравнениями х + cog (1 -J- т cos pt) х = 0 и i) + 26у -|- cog (1 -}-т cos pt)y = O. Результаты их расчетов в виде графиков показаны на рис. 4.3. Из них видно, что при наличии потерь в системе вершины обла- стей параметрической неустойчивости поднимаются; они лежат на прямой, которая составляет угол ф = агс!§26 с осью абсцисс. Заштрихованные области соответствуют нарастающему процессу с частотой и = пр/2 соо (п=1, 2, 3, ...). Вне этих областей в случае консервативной системы получается сложный незату-
134 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 хающий процесс, а в случае диссипативной— затухающий процесс колебаний. На границе областей имеет место баланс энергии. Из графиков видно также, что для заданного значения т0 ширина областей параметрического возбуждения для разных Рис. 4.3. Области параметрического возбуждения для системы без затуха- ния (а) и с затуханием (6). номеров п различна для консервативной и неконсервативнои систем. Ширина области неустойчивости с одним и тем же номе- ром области всегда меньше у диссипативной колебательной системы, чем у консервативной. С ростом этого номера из-за более редкого вложения энергии в систему (р = 2ю/п, п — 1, 2, 3,...) Рис. 4.4. Амплитудно-частотные ха- рактеристики параметрически возбуж- даемой линейной системы. необходимо увеличить глубину модуляции реактивного пара- метра для получения той же ширины области параметриче- ского возбуждения. Если графики рис. 4.3, а, б представить в виде амплитудно- частотных характеристик пара- метрически возбуждаемой ли- нейной колебательной системы, то для фиксированных и р они будут иметь вид, показанный на рис. 4.4. Как мы видим, по- лосы возбуждения сужаются с ростом номера области неус- тойчивости п, а также из-за наличия диссипации в системе (полосы, ограниченные пунктиром). Из рис. 4.4 видно также, что для выбранного значения глубины модуляции (параметра т) и при данном конкретном значении затухания 26 в системе воз- будить параметрические колебания в четвертой области неустой- чивости не представляется возможным. Теперь необходимо рассмотреть, что нового вносит в проте- кание параметрического резонанса наличие нелинейности. Даже без дальнейшего анализа ясно, что наличие нелинейности, вызы-
§ 4.1J ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СИСТЕМЫ 135 вая неизохронность, будет приводить с ростом амплитуды коле- баний к изменению частоты собственных колебаний системы, а следовательно, к нарушению условий резонанса и к ограниче- нию амплитуды параметрически возбужденных колебаний. Мы уже познакомились с тем, как неизохронность проявляется при обыкновенном силовом резонансе (см. рис. 3.25), и теперь сле- дует рассмотреть ее для случая параметрического резонанса. Поста- раемся выяснить некоторые наиболее существенные особенности поведения интересующих нас систем при допущениях и предпо- ложениях, весьма далеких от строгости, но позволяющих пра- вильно оценить характер параметрического резонанса в ряде нелинейных систем. Для простоты рассмотрим консервативную систему, состоящую из индуктивности и конденсатора с сегнето- электриком (рис. 4.5). Пусть в этой системе происходит такое периодическое изменение индук- г тивнОсти, что г Lo £(/)__-------- ' ' 1 + т cos pt (4.1.12) ,L(t) С\ Тогда уравнение, описывающее колебания в си- стеме при р = 2со, будет <7' + (1 +т cos 2<i)Z) (1/LO) ис (?) = 0- Выразив зависимость ис (q) в виде ис (q) = = (l/QHV)’ получим <7-Ь с°о (1 А-т cos 2tot)f(q) = 0, (4.1.13) Рис. 4.5. Схема контура с меня- ющейся во вре- мени индуктив- ностью и кон- денсатором с сегнетоэлект р и- ком С(д). где 1/L0C0 — собственная частота колебаний при достаточно малых амплитудах, /(^ — функция, описывающая нелинейную характеристику конденсатора. Заметим, что точно такое же уравнение было бы получено при постоянстве индуктивности, но при периодическом изменении значения емкости с глубиной модуляции т по закону С (/) = — Со/(1 -\-т cos 2со/). Для случая контура с нелинейной индуктивностью при пери- одическом изменении L или С описывающее его уравнение не удается привести к такому простому виду. Однако общий харак- тер явлений, происходящих в подобном контуре, остается тем же, так что для простоты ограничимся приближенным исследованием решений уравнения (4.1.13). Будем искать приближенное решение вида q = а cos (о/ 4- + b sin и/, т. е. вида установившегося колебания (о —const, b — const) с частотой, равной половине частоты параметрического воздействия, что соответствует первой области параметрического возбуждения. Подставляя это решение в уравнение (4.1.13), имеем — aw2 cos со/ — to)2 sin a>t (i>o (1 4-vz! cos 2tot)f(a cos (i)/4-tsino)/) = 0.
136 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 Разлагая f (q) в ряд Фурье и сохраняя лишь члены с cos со/ и sin со/ (постоянный член в силу свойств нелинейного конденсатора равен нулю), находим уравнение, из которого, группируя коэф- фициенты при cos со/ и sin со/, получим систему двух уравнений coottj (1 4-/П/2) — aco2 = 0, cooPj (1 —/п/2) —Ьсо2 = 0. (4.1.14) Здесь, как и раньше при замене со/ на т, имеем Я f (a cos т -J- b sin т) cos т с/т, — Л я Рх = -i- f (a cos т + b sin т) sin т с/т. Л Отсюда можно найти амплитуду возможного стационарного реше- ния Л = ргсс24-Ь2 и его фазу ср = arctg (a/b). Правда, приближен- ное решение q — a cos coZ-J-fe sin со/ следует еще исследовать на устойчивость для определения того, насколько оно физически реально; должны быть изучены и пути установления процесса. Рассмотрим в качестве примера случай, когда нелинейная характеристика емкости задана выражением Н<7) = <7 + Т<78- (4.1.15) В этом случае «1 = а + 74уа3 + :i/,yab2, ₽х = b + 3/4уЬ3 + *1^а2Ь, и мы приходим к уравнениям “о (а 4- 3Л№ + 3/4yczb2) (1 + 72m) — czco2 = О, “о (b + 3/4yb3 + 3/4ycz2b) (1 — l/2m) — bco2 = О, или “ocz (1 + 74уЛ2) (1 + 72m) - czco2 = О, cogb (1 + 3/4y A 2) (1 - V2m) - bco2 = 0, ( > где A2 = a2A-b2. Эта система допускает следующие решения: a = b — А = 0, что соответствует отсутствию в системе установившегося периодического движения (состояние покоя). Такое состояние является возможным равновесным состоянием системы, и вопрос о его осуществимости при данных значениях параметров системы и характере внешнего воздействия можно решить только на основе рассмотрения вопроса об устойчивости данного состояния. Анализ устойчивости системы по отношению к малым отклонениям от состояния покоя приводит к линейному уравнению с периодически изменяющимся коэффи- циентом (типа уравнения Матьё). Для этого уравнения, как мы
«4.1] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СИСТЕМЫ 137 уже указывали (см. рис. 4.3), вблизи значений со0/со = 1, 2, 3, ..., п при данном т0 — глубине модуляции параметра — существуют определенные области значений со, в которых состояние покоя становится неустойчивым, и в системе должен возникать и нара- стать колебательный процесс с частотами со, 2со, Зсо и т. д. Мы в нашем приближенном рассмотрении ограничимся сначала лишь решением с частотой со, соответствующим нарушению усло- вий устойчивости состояния покоя (а = Ь = 0), в первой области неустойчивости в окрестности со0 = со. В рассматриваемой системе возможны также решения а #= О, Ь = 0 или а = 0, Ь=^0. Случай а=#0, Ь=/=0 невозможен, так как он приводит к несовместным уравнениям. Принимая ау=0, Ь — 0, получаем ©О (1 + 3Лт л2) (1 4- т/2) = со2, откуда А2 = ~ Зу со2 со? (1+т/2) (4.1.17) 1 Значение А тем больше, чем меньше у — коэффициент, характе- ризующий степень нелинейности системы. Этот результат вполне очевиден и из качественных соображе- ний. В самом деле, чем меньше у, тем при большей амплитуде колебаний средняя частота собственных колебаний системы за счет ее неизохровности изменится на величину, достаточную для выведения системы из области параметрического резонанса. Амплитуда А реальна (А2>0) при у>0 только в случае со? (l+m/2) т. е. при со/со0 > 1 + т/2, со > coj = соо 1 -ф т/2. Если о = 0, Ь=^0, то из второго уравнения (4.1.16) находим решение А2 = ±Г _ 11, (4.1.18) Зу | со? (1—m/2) р v ' откуда получим условие существования реального решения со/со0 > р 1 — т/2, со > со2 = соо ~]/Л — т/2 . Если в системе нелинейность имеет другой характер, при котором у<0 и, следовательно, средняя частота свободных коле- баний уменьшается с ростом амплитуды, то для вынужденных колебаний при параметрическом воздействии получим два выра- жения SlTlL1 co»(l+m/2) р '42_“3|V||_1 co? (1-т/2) J’ (4JJ9)
138 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 воздействии с данной глубиной Рис. 4.6. Кривые параметрического резонанса Л2 (со2) для консервативной нелинейной системы. Рис. 4.7. Кривые параметрического резонанса Л (<оо) для нелинейной кон- сервативной системы при двух значе- ниях коэффициента нелинейности (Тг>Т1) 11 ПРИ т=0,2. Изобразим полученные результаты графически. На рис. 4.6 в координатных осях со2 и А2 показаны зависимости, описываемые (4.1.17), (4.1.18). Характер процессов в изучаемой системе при параметрическом модуляции т можно себе пред- ставить следующим образом. Система остается в покое (т. е. в ней не появляются колебания с частотой со) при всех значе- ниях со < со2 и ос>со1. При значениях со, попадающих внутрь частотного интервала сох — со2, в системе возникает колебатель- ный процесс с конечной ампли- тудой А, величина которой су- щественно зависит от степени нелинейности системы (величи- ны у). В зависимости от харак- тера нелинейности (знак у) ко- лебания при дальнейшем изме- нении со за пределы указанной области (первой области па- раметрического возбуждения 2м>01р — О)о/О) 1) или спадают до нуля, или нарастают, тогда как состояние покоя на этих ча- стотах со вновь становится устой- чивым. Таким образом, здесь на примере проведенного расчета мы видим ограничивающую роль нелинейного элемента системы, позволяющего получить конеч- ные (ограниченные) амплитуды параметрически возбужденных колебаний в консервативной си- стеме, подобно тому, как это имело место в нелинейной консер- вативной системе при непосред- ственном силовом воздействии. Неизохронность системы приводит к тому, что при возникно- вении параметрически возбужденных колебаний собственная ее частота с ростом амплитуды изменяется, и сама система выво- дится на границу соответствующей области параметрического возбуждения. Это приводит к уменьшению энергии, вкладываемой в систему устройством, изменяющим параметр, и, тем самым, ограничивает нарастание амплитуды.
§ 4.2] ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЯХ 139 Если считать, что нам задана частота воздействия р = 2со, и принять, что в изучаемом случае регулируемой величиной является соо —собственная частота системы (для малых амплитуд), то полученные нами соотношения будут изображаться графически в координатах и0 и А так, как показано на рис. 4.7. Изобра- женные на нем области параметрического возбуждения для у > О (кривые параметрического резонанса) для исследованного частот- ного соотношения, соответствующего первой области неустойчи- вости линейного уравнения Матьё, переходят при у->-0 в соот- ветствующую область, изображенную на рис. 4.4. Здесь, как и в случае резонанса при силовом воздействии, получается дефор- мация резонансной кривой для линейной консервативной системы и ее наклон в сторону больших или меньших частот в зависи- мости от знака нелинейной поправки, т. е. в зависимости от типа неизохронной системы. § 4.2. Общие замечания о резонансных явлениях в колебательных системах Выше уже указывалось, что характер протекания резонансных явлений в колебательных системах с одной степенью свободы существенно меняется в зависимости от того, является ли изучае- мая система линейной или обладает определенными нелинейными свойствами, а также от характера рассматриваемого воздействия. Даже ограничиваясь случаем гармонической формы воздействия, мы встречаемся с весьма различными особенностями резонансных явлений при прямом (силовом) или параметрическом воздейст- виях. В предыдущих параграфах рассматривались процессы, про- текающие при простейших видах воздействия в линейных и нели- нейных системах. Консервативная идеализация, существенно упрощая рассмот- рение, в ряде случаев приводила к выводам, не оправдывающимся в реальных системах. Но вместе с тем ряд принципиально важ- ных особенностей вынужденных процессов в нелинейных системах мало зависит от наличия или отсутствия потерь (разумеется, если они не слишком велики), и выводы о резонансных явлениях в консервативных системах лишь с небольшими количественными поправками можно распространить на неконсервативные системы. С учетом этих замечаний рассмотрим некоторые уже установлен- ные особенности резонансных процессов в нелинейных системах при воздействиях различного типа. В нелинейных системах (в отличие от линейных) при прямом гармоническом воздействии резонансные явления наблюдаются при ряде частотных соотноше- ний, а не только при совпадении частоты воздействия с собст- венной частотой системы.
140 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 В линейной системе с одной степенью свободы резонанс (един- ственный) наступает при Р = «о> где р — частота силового воздействия, соо — собственная частота. В нелинейной системе резонансные явления возможны при ©о = пр, где п может принимать любое целое положительное значение 1, 2, ...Возможность возникновения резонансных процессов при различных значениях п определяется видом нелинейности системы. Далее, следует отметить, что в нелинейной системе (в отличие от линейной) даже при консервативной идеализации всегда имеет место ограничение амплитуды вынужденных колебаний. Это огра- ничение обязано своим существованием свойству неизохронности колебаний в нелинейных системах. Такие специфические особенности резонансных явлений (а также форма резонансных кривых) привели к тому, что подобные про- цессы в нелинейных системах часто выделяют в особую категорию и называют их феррорезонансом. Это связано с тем, что чаще всего такие процессы наблюдаются в системах, содержащих индук- тивности с ферромагнитными сердечниками или конденсаторы с сегнетоэлектриками. В зависимости от типа нелинейности форма резонансных кривых при феррорезонансе может иметь тот или иной специфический вид, но всегда сохраняется одна основная особенность, обусловленная отсутствием такого значения частоты воздействия, при котором даже в консервативной системе наблю- далось бы бесконечное возрастание амплитуды. При силовом воздействии вынужденные колебания существуют при любых соотношениях между частотой воздействия р и собст- венной частотой системы соо и возбуждаются при любой ампли- туде воздействующей силы. При наступлении резонанса происхо- дит лишь соответствующее увеличение амплитуды вынужденных колебаний. Переходя к резонансным явлениям при параметрическом воз- действии — параметрическому резонансу, можно также отметить ряд их особенностей. Прежде всего следует обратить внимание на то, что при параметрическом воздействии существует другой, чем при прямом, ряд частотных соотношений, при которых наблю- даются резонансные явления. При чисто параметрическом воздей- ствии даже в линейной системе резонансные эффекты возникают при соо₽«пр/2, где п=1, 2, 3, ... Таким образом, существуют дискретные области параметриче- ского возбуждения колебаний, или параметрического резонанса. Нелинейный случай отличается от линейного случая только деформацией границ этих областей при конечных амплитудах
§ 4.2] ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЯХ 141 возбудившихся колебаний. Поэтому для нелинейных систем (в от- личие от линейных) мы всегда имеем конечную амплитуду пара- метрически возбужденных колебаний опять-таки за счет неизо- хронности колебаний. В линейных же системах при осуществлении условия параметрического резонанса в любой из частотных обла- стей резонанса будет происходить неограниченное нарастание амплитуды. При этом для возникновения параметрического резо- нанса в диссипативной системе необходимо, чтобы амплитуда воз- действия (глубина модуляции параметра т) была больше некоторого порогового значения, различного для разных частотных областей. Для резонансных явлений в нелинейных консервативных системах как при силовом, так и при параметрическом воздейст- вии характерна и принципиальна несимметрия резонансных кри- вых, связанная с законом неизохронности колебаний рассматри- ваемой системы. Это общее свойство присуще также и неконсер- вативным системам, но лишь при условии, что по крайней мере один из их консервативных (энергоемких) параметров зависит от основной переменной, т. е. по введенной терминологии нелинеен (например, нелинейная емкость, нелинейная индуктивность, нели- нейная жесткость и т. п.). Для нелинейных систем (в отличие от линейных) неприменим принцип суперпозиции, и поэтому не представляется возможным разделить в результирующем процессе компоненты, вызванные отдельными составляющими внешнего воздействия. Это обстоя- тельство чрезвычайно усложняет анализ вынужденных процессов в нелинейных системах даже в консервативном приближении и делает не вполне корректным рассмотрение случая прямого сило- вого воздействия без учета одновременного воздействия на пара- метры системы. В самом деле, если учесть, что вынужденный периодический процесс, обязанный своим происхождением пря- мому воздействию, вызывает в свою очередь периодическое изме- нение параметров нелинейной системы, то становится ясным, что результирующие резонансные явления могут иметь весьма слож- ный характер. Частотные соотношения, при которых происходят резонансные явления, также будут задаваться условиями нели- нейных прямого или параметрического резонансов. Эти обстоя- тельства не позволяют для нелинейных систем полное разделение двух упомянутых типов резонансных явлений. Поэтому представ- ляется разумным, выделяя случай чисто параметрического резо- нанса, не противопоставлять ему случай силового, или прямого, резонанса для нелинейной системы. Можно лишь классифициро- вать виды воздействия, связанные с различными способами вне- сения энергии в систему, что является определяющим для проте- кания резонансных явлений. В консервативной системе при прямом воздействии внешняя сила в каждый данный момент уравновешивается упругими и
142 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 инерциальными силами системы, и, следовательно, внешняя сила производит работу и, тем самым, увеличивает запас колебатель- ной энергии системы лишь во время нестационарных процессов. Это происходит при амплитуде вынужденного процесса, меньшей стационарного ее значения, определяемого данными частотными соотношениями и параметрами системы. В таком случае интеграл работы внешней силы за период не равен нулю. По достижении стационарного значения амплитуды работа внешней силы за период становится равной нулю, и в консервативной системе дальнейший процесс не сопровождается изменением запаса ее колебательной энергии. Лишь в случае линейности системы при соо = р не существует конечной амплитуды стационарного вынужденного движения, а будет иметь место непрерывное возрастание амплитуды вынуж- денного колебания и соответствующий рост запаса колебательной энергии системы за счет работы, производимой силой внешнего воздействия. Это и есть то явление, которое мы называем линей- ным резонансом в консервативной системе. Очевидно, что характер его протекания принципиально изменится при введении в рас- смотрение любого сколь угодно малого затухания. При невыпол- нении условий резонанса учет малого затухания должен вносить лишь небольшие количественные поправки. Таким образом, при прямом воздействии энергия вынужден- ных колебаний образуется за счет непосредственной работы внеш- ней силы при движении системы. При параметрическом воздейст- вии увеличение запаса колебательной энергии происходит с пре- образованием энергии из одного типа в другой. Так, например, механическая работа, производимая при соответствующем изме- нении емкости конденсатора (при модуляции его емкости посред- ством периодического раздвигания или сближения пластин), приведет к изменению запаса электростатической и общей энергии электрических колебаний в электрическом колебательном контуре. Интеграл этой работы при периодическом воздействии не равен нулю (больше нуля) при частотах воздействия вблизи точного выполнения условий соо = пр/Я, « = 1, 2, 3, ..., что соответствует наличию при таких частотах нарастающего вынужденного процесса. Это и есть параметрический резонанс, а области частот, внутри которых работа внешних сил, расходуе- мая на периодическое изменение параметра, создает увеличение запаса колебательной энергии системы, являются областями пара- метрического резонанса. В линейной системе нарастание амплитуды параметрически возбужденных колебаний неограниченно для всех частотных соот-
§ 4.2J ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЯХ ИЗ ношений, лежащих внутри областей параметрического резонанса. Скорость нарастания амплитуды колебаний различна для различ- ных областей, а внутри каждой области изменяется от макси- мального значения при точном выполнении частотного соотношения соо = нр/2 до нуля на границе областей. Вне пределов этих областей работа внешнего воздействия за период равна нулю, и наличие воздей- ствия вызывает лишь соответствующее изменение формы собствен- ных колебаний, если они существуют в рассматриваемой консер- вативной системе при данных начальных условиях. В нелинейных системах, как было показано на отдельных примерах (см. рис. 4.6 и 4.7), даже в консервативном приближе- нии неограниченного нарастания параметрически возбужденных колебаний не происходит, ибо присущая нелинейным системам неизохронность приводит с ростом амплитуды колебания к нару- шению требуемых частотных и фазовых соотношений и к прекра- щению вложения энергии в систему со стороны механизма, изме- няющего параметр, а следовательно, к установлению определен- ной амплитуды вынужденных колебаний. Сопоставим основные свойства силового и параметрического резонансов. 1. Силовой резонанс возникает при р ю0 или пр соо (в нелинейной системе), но вынужденные колебания существуют при любой частоте воздействия р. В случае параметриче- ского резонанса существуют лишь ограниченные частотные интервалы вблизи точного выполнения соотношения р — 2(^п, внутри которых возникают параметрически возбужденные коле- бания. 2. Любая по величине внешняя сила может вызвать силовой резонанс. Для возникновения параметрического резонанса в некон- сервативной системе величина воздействия должна быть больше некоторой пороговой величины. 3. В силу существования порогового значения амплитуды параметрического воздействия в неконсервативной системе суще- ствует ограниченное число частотных интервалов, внутри которых осуществляется параметрический резонанс. 4. Для линейной неконсервативной системы при силовом резо- нансе всегда характерна ограниченная амплитуда колебаний, так как потери растут быстрее вложения энергии. 5. В линейной неконсервативной системе при параметрическом резонансе происходит неограниченный рост амплитуды, так как и вложение, и потери энергии пропорциональны квадрату ампли- туды и только в нелинейной системе происходит ограничение колебаний.
144 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (ГЛ. 4 § 4.3« Свойства активных систем и параметрическая регенерация Уже из общей теории параметрического резонанса следует, что путем периодического изменения реактивного (энергоемкого) параметра при определенных соотношениях между частотой воз- действия на параметр и собственной частотой системы можно реализовать нарастающий по амплитуде процесс, т. е. обеспечить увеличение энергии колебаний системы. Поэтому колебательные системы, испытывающие определенное параметрическое воздейст- вие, можно отнести к классу активных колебательных систем. Активными колебательными системами называются системы, в которых постоянно или в определенные интервалы времени (например, в течение части периода колебаний) происходит уве- личение энергии колебаний за счет источника энергии, входящего в состав рассматриваемой системы. Вложение колебательной энергии в систему за счет энергии источника можно представить себе как процесс частичной или полной компенсации потерь в системе. Этот процесс для данного типа движения (например, для колебаний данной частоты и формы или для определенного широкого класса типов колебаний) за счет внутренних свойств системы называется регенерацией. Для того чтобы обеспечить компенсацию потерь или пополне- ние запаса колебательной энергии в системе должен содержаться внутренний источник в сочетании с устройством, преобразующим энергию этого источника в требуемую форму (батарея с электрон- ной лампой, батарея с туннельным диодом, источник тока с газо- разрядным прибором, генератор напряжения или тока определен- ной частоты, вызывающий изменение энергоемкого параметра во времени и т. д.). Для физического и математического описания активных систем широко используется понятие «отрицательное сопротивление». Если ограничиться случаем гармонических колебаний, то мощ- ность потерь (рассеиваемая мощность) для линейной неконсерва- тивной системы можно записать в виде IF = 1/2Ri2, где 7? > 0. Точно так же можно обозначить вводимую в систему мощность, компенсирующую потери, только тогда необходимо считать, что сопротивление /?_ меньше нуля. В этом случае R_ отражает действие одного из возможных конкретных механизмов, подкачи- вающего энергию в исследуемую систему. Таким образом, отрицательное сопротивление уменьшает общее сопротивление цепи. Если представить себе цепь, состоящую из после- довательно соединенных R и 7?_, то общее сопротивление цепи будет Rx = R — R_. Как в колебательных системах можно создать отрицательное сопротивление путем периодического воздействия на какой-либо
§ 4.3] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ 145 реактивный параметр системы? В § 4.1 мы, рассматривая случай скачкообразного изменения емкости в колебательном контуре с L, R, С, нашли, что при изменении емкости с соответствующей фазой дважды за период колебаний в контуре вложение энергии за период равно (1/2qo/C0) 4т, где q0 — амплитуда заряда на емко- сти, Со — среднее значение емкости, т —глубина модуляции емкости. Параметрическое вложение энергии в систему можно формально приравнять «отрицательным» потерям энергии в контуре за период колебаний; тогда получаем у 4т = откуда определим отрицательное сопротивление Гъ *2.171 / L 2f7l гл п « ч = = (4-ЗЛ) JL у JI где p = ]/ L/Co. Таким образом, в колебательном контуре с периодически изменяющимся реактивным параметром при указанных частотных Рис. 4.8. Эквивалент- ная схема контура с регенерацией. Рис. 4.9. Эквивалентная схема регенерированного контура с внешним воз- действием. и фазовых соотношениях происходит регенерация, формально описываемая введением отрицательного сопротивления /?_; тогда колебательный контур, изображенный на рис. 4.1, можно пред- ставить эквивалентной схемой, показанной на рис. 4.8. При этом энергия, вкладываемая в систему, черпается из механизма, про- изводящего периодическое изменение реактивного параметра. Подобный тип регенерации обычно называют параметрической регенерацией. С помощью параметрического воздействия можно влиять на вынужденные колебания в колебательном контуре. В частности, при параметрической регенерации реализуется работа системы либо в качестве параметрического усилителя, либо в качестве парамет- рического генератора, что определяется соотношением между омическим R и отрицательным /?_ сопротивлениями. При пара- метрическом усилении R > R_, при параметрическом возбуждении (генерации) R<zR—
146 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 Рассмотрим линейный последовательный колебательный контур (рис. 4.9), в котором, кроме обычного омического сопротивления R, имеется отрицательное сопротивление 7?_, обусловленное парамет- рической регенерацией; кроме того, в контур вводится внешняя сила h = I7ocos pt. Будем считать, что собственные колебания, вызванные начальными воздействиями внешней силы и механизма изменения реактивного параметра, через определенное время затухнут, и в системе останутся только регенерированные вынуж- денные колебания с частотой внешней силы. При резонансе амплитуда тока, как известно, равна , ие io~R—R_' Отсюда следует, что введение регенерации действительно приводит к возрастанию резонансной амплитуды тока в контуре. В этом и заключается принцип работы регенеративных усилителей различных классов, в том числе параметрических усилителей. Мощность, выделяемая на сопротивлении W = в реге- нерированном контуре увеличивается, ибо Wr = 1/2/? [Uo/ (R — /?_)]2, тогда как без регенерации она равнялась W0 = 1/2R (U0/R)2. Таким образом, получаем и, следовательно, WJW(1 > I. Итак, в линейном, частично реге- нерированном (R>R-) контуре происходит усиление введенных в него извне колебаний. Введение отрицательного сопротивления приводит к увеличению отбираемой от источника колебаний энергии. Для осуществления параметрической регенерации в колебатель- ном контуре можно изменять во времени не емкость С, а второй реактивный параметр — индуктивность L. Выражение для отрица- тельного сопротивления в этом случае получается таким же, как и при изменении емкости, т. е. где m — \L/L0. Приведенные выше выражения для отрицательного сопротивления гри параметрической регенерации были получены в предположении об оптимальной фазе изменения параметра при двукратном его изменении за период колебаний, т. е. в первой области парамет- рического возбуждения. Очевидно, что фазовые соотношения между колебаниями, существующими в регенерируемой системе, и силой, изменяющей реактивный (реактивные) параметр системы, существенно влияют на ход процессов и характер параметрической регенерации.
§4.3] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ 147 Рис. 4.10. Схема ли- нейного колебатель- ного контура с перио- дически меняющейся емкостью и внешним воздействием. в виде и (t) = Ро cos pt + Q Для иллюстрации указанных выше особенностей параметрической регенерации рассмотрим линейную систему, представляющую собой последовательный колебательный контур с периодически изменя- ющейся емкостью С (t), в который включена внешняя сила и (t) (рис. 4.10). Пусть емкость конденсатора ме- няется по закону C(t) = . , С° „ ,, v ’ 1 + т cos ’ а выражение для внешней силы запишем 0 sin pt, чтобы можно было учесть фазовый сдвиг между внешней силой и накачкой — механиз- мом, изменяющим емкость конденсатора во времени. Уравнение движения в такой колебательной системе можно записать в виде z-S + r< + c75=“w' Вводя безразмерный заряд x — q/q0 и безразмерное время т = со/, получим х-}-2<Н-|-^ (1 -f-mcos 2r)x = Р cos^ т + Q sin^т, (4.3.3) где 2$ — R/Lu, Р = PfilLq(p>2, Q = Q0/Lq0a2. Если ограничиться исследованием колебательных процессов в первой области неустойчивости, то необходимо считать, что частота внешней силы р близка к половине частоты изменения па- раметра 2со, т. е. р со, и что в свою очередь собственная частота соо близка к со, т. е. co^coo; тогда можно записать, что р/со = 1-4-Д, где Д — малая величина. Для упрощения решения задачи и анализа результатов допустим, что со = (оо; тогда уравнение примет вид х + 2ftx -|- (1 4-mcos 2т) х = Р cos (1 + Д) т+ Q sin (1 + Д) т. (4.3.4) Если не рассматривать процессы установления, а интересоваться только стационарными (установившимися) состояниями, то решение полученного уравнения можно искать методом гармонического баланса, причем будем считать, что х = и cos т + v sin т, где и = const, v = const. Тогда, беря первую и вторую производные х =— и sinт-}-цcost, х — — iz cos т — ц sin т,
148 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 и подставляя их вместе с решением к = и cost г? sin т в диффе- ренциальное уравнение (4.3.4), получим выражение для квадрата амплитуды колебаний в контуре с частотой со в зависимости от параметров системы и фазового сдвига между внешней силой и модуляцией реактивного параметра. При этом мы пренебрегаем членами, содержащими утроенную частоту решения. Дальнейший анализ проведем для двух качественно отличных друг от друга случаев. Первый из них называется когерентным и относится к ситуации, когда между частотой внешней силы и половиной частоты изменения параметра имеет место точное равенство, т. е. р — а (Д = 0). Разумеется, такое соотношение частот отвечает только первой области неустойчивости; для других областей неустойчивости в соответствии с их номером требуются другие соотношения частоты внешней силы р и частоты изменения параметра. Итак, в гармоническом приближении в коге- рентном случае для первой области неустойчивости имеем л —и -t-v — р 4(402 —т2/4)2 » Щ.О.О) где p2 = P2+Q2, ф = arctg(P/Q). Здесь через р обозначена ампли- туда внешней силы, действующей на колебательную систему. Из полученного выражения для квадрата амплитуды вынуж- денных колебаний в контуре при наличии когерентного парамет- рического воздействия ясно видна роль фазовых соотношений между внешней силой и силой, изменяющей реактивный параметр системы. Действительно, при ф = л/4 максимальная амплитуда вынуж- денных колебаний в контуре равна А =----------= — ' С 4 3 макс 20 — т/2 20—m/2 ’ т. е. амплитуда вынужденных колебаний (т>0) увеличивается по сравнению с амплитудой, которая была в отсутствие модуляции параметра (т = 0). Это эквивалентно внесению в систему отрица- тельного сопротивления и называется случаем «сильного» пара- метрического резонанса. При ср = — л/4 получаем минимальную амплитуду вынужденных колебаний в контуре А--------Р — /д о у» лиии 2O+m/2 ~ 2О + т/2 • Так как величина 20 здесь характеризует потери в системе, то увеличение знаменателя на положительную величину т/2 приводит к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний по сравнению с амплитудой, которая была в отсутствие модуляции параметра
§ 4.3] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ 149 (m = 0). При таком фазовом соотношении часть энергии вынуж- денных колебаний отбирается от источника внешнего сигнала и передается в механизм накачки. Это эквивалентно внесению в колебательный контур дополнительного положительного сопро- тивления, уменьшающего амплитуду заряда (тока) в контуре, что можно описать введением 2йЭ1!|, = 2й-)-т/2. Таким образом, в зависимости от соотношения между фазой воздействия на параметр и фазой усиливаемого сигнала в системе получаем параметрическую регенерацию или параметрическую дегенерацию системы. На этом принципе можно создать системы фазовой селекции. Рассмотрим некогерентный случай параметрического усиления. При этом расстройка Д не равна нулю, и поэтому в правой части дифференциального уравнения (4.3.4) следует записать внешнюю силу в виде Р cos (1 + Д) т-р Q sin (1 -|-Д) т = P(cos tcos Дт —sin Дтбшт) -р -р Q (sinт cos Дт-psin Дт cos т) = Р' (т) cos т-р Q' (т) sinT. (4.3.8) Из-за малости расстройки (Д<^1) амплитуды Р' (т) и Q' (т) мало изменяются за период основного колебания. Поэтому в каждый момент времени процесс параметрического воздействия на вынуж- денные колебания можно приближенно считать установившимся и применять для расчетов амплитуд выражения, полученные ранее для стационарного случая. Поэтому, несмотря на то, что Р' (т) и Q' (т) медленно изменяются во времени, фазовый сдвиг между внешней силой и накачкой можно по-прежнему рассчитывать для каждого момента времени по формуле Ф (т) = arctg (Pz (t)/Q' (т)). (4.3.9) Отсюда видно, что <р (т) также является переменной во времени величиной, причем медленно меняющейся. Поэтому исследуемая система будет проходить через все возможные значения разности фаз между усиливаемым сигналом и накачкой, в том числе и через значения, при которых достигается максимальная и минимальная амплитуды, т. е. система попеременно будет переходить от сильного резонанса к слабому, затем снова к сильному и т. д. Следствием этого является амплитудная модуляция вынужденного колебания с частотой 2Дсо. За один период в системе два раза реализуется сильный и два раза слабый параметрический резонанс. Такое амплитудно-модулированное колебание можно представить как биения двух гармонических компонент с близкими частотами и постоянными амплитудами. На диаграмме частот это выглядит следующим образом (рис. 4.11). Здесь в полосе пропускания исследуемого контура оказывается сумма двух компонент с частотами внешней силы р
Рис. 4.11. Диаграмма распределе- ния частот в некогерентном па- раметрическом усилителе. 150 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 и разностью между частотой накачки и частотой внешней силы 2о> —р. Из рис. 4.11 также видно, что частота накачки 2со лежит далеко за пределами прозрачности рассматриваемого контура. Таким образом, в некогерентном случае в системе возникают две близкие гармонические компоненты, в сумме дающие биения. Если общая энергия этих сложных колебаний больше, чем энергия простых вынужденных колебаний при т = 0, то на основе таких систем можно создать регенера- тивные усилители. При помощи элементарных численных расчетов нетрудно убедиться в том, что при сильном параметрическом ре- зонансе в систему вкладывается большая энергия, чем отбирается при слабом параметрическом ре- зонансе. Такой тип параметрических уси- лителей наиболее распространен, так как слабый принимаемый сиг- нал, подлежащий параметрическому усилению, принципиально некогерентен сигналу местного генератора накачки. Регенеративный параметрический усилитель, работающий по принципу компенсации потерь в системе за счет внесения в систему некоторого отрицательного сопротивления, в принципе может давать неограниченное по величине усиление. Действительно, при сильном резонансе за счет вложения энергии происходит частичная компенсация потерь в системе и при = const увеличи- вается амплитуда тока /0, так что мощность, выделяющаяся на нагрузке, W = растет. Источник внешней силы при этом должен вкладывать в систему неограниченно возрастающую мощность (идеальный генератор напряжения). В более реальном случае ограниченной мощности источника сигнала (внутреннее сопротивление источника больше нуля), усиление можно получить за счет увеличения сопротивления нагрузки /?„ при соответствующей параметрической регенерации системы, когда 2'&экв = 2'0 — т/2. Дополнительная мощность в этом случае получается только за счет изменения реактивного параметра (накачки). Итак, при работе нашей системы в качестве параметрического усилителя (т. е. в недовозбужденном режиме, когда т < т„орог) для когерентного случая исходная форма гармонического сигнала
§ 4.4] ОДНОКОНТУРНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 151 сохраняется и он лишь увеличивает свою мощность. В некоге- рентном случае также происходит усиление мощности, но форма сигнала не сохраняется и вместо гармонического колебания с одной спектральной компонентой получается сложный сигнал, состоящий из двух гармонических компонент, наблюдаемый как квазигармо- нический сигнал с периодически изменяющейся амплитудой. Этот процесс усиления в некогерентном случае можно формально описать с помощью представления о периодически изменяющемся отрицательном сопротивлении (от некоторой величины отрицатель- ного сопротивления до значения, близкого к омическому сопротив- лению колебательного контура). § 4.4. Основные особенности одноконтурных параметрических усилителей В предыдущем параграфе было показано, что, используя параметрическую регенерацию электрического контура, можно создать усилитель электрических колебаний. Достоинство подобных параметрических усилителей состоит в том, что они позволяют усиливать сигналы, внося в тракт усиления лишь небольшие собственные шумы. Типичным пара- метрическим усилителем является охлаждаемый до низких темпе- ратур колебательный контур, в котором реактивный параметр, например емкость конденсатора, периодически меняется во времени. Уровень тепловых шумов в такой системе можно сделать мини- мальным. Первые опыты по параметрическому резонансу производились в ЗО-е годы путем механического перемещения ферромагнитного сердечника внутрь катушки индуктивности колебательного контура. Используя нелинейную зависимость намагничивания сердечника от проходящего по вспомогательной обмотке тока, можно было и электрическим путем менять реактивный параметр контура. На этих принципах были построены тогде первые в мире пара- метрические машины (генераторы) Мандельштама и Папалекси. Однако из-за неизбежных больших потерь за счет петли гистере- зиса и низких механических частот перемещения сердечника реализовать в те годы параметрическую регенерацию в диапазоне радиочастот для практических целей оказалось невозможным. Значительный прогресс в этой области и в теории параметри- ческих явлений, которым мы обязаны школе Мандельштама и Папалекси, был достигнут в 50-е годы после появления высококачественных магнитных материалов (ферритов) и парамет- рических полупроводниковых диодов. Вольт-амперная и вольт- фарадная характеристики полупроводникового диода показаны на рис. 4.12. Как мы видим, в запорном (и<0) направлении ток через диод практически отсутствует, а емкость легко меняется
152 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 в зависимости от величины напряжения, приложенного к р-п- переходу. Это обстоятельство позволяет весьма просто управлять емкостью последнего путем приложения к нему постоянного и переменного напряжений. При приближении напряжения Рис. 4.12. Характеристики полупровод- никовых диодов. к контактной разности по- тенциалов <рк, толщина р — п-перехода становится равной нулю, а емкость диода — бес- конечной. Таким образом, по- лучается некоторая нелиней- ная зависимость емкости диода от напряжения, а сле- довательно, и заряда на кон- денсаторе qc (и). Пусть на нелинейную емкость подано напряжение накачки ип и напряжение подлежащего усилению сиг- нала ис, причем напряже- ние сигнала ис<^.иа. Тогда функция q = f(u) (заряд), где и = ик -f- ис, можно разложить в ряд в окрестности и„ q = f(u)=f(uR)+dl\u=uUc+... н Если нас интересуют периодические колебания с частотой, отличной от частоты накачки, т. е. с частотой сигнала, то ^с —дн|и=и Uc (4-4.1) Величина Сд = 1 имеет характер и размерность емкости, однако, в отличие от обычной емкости, она называется дифферен- циальной емкостью и зависит от выбора рабочей точки на вольт* фарадной характеристике, т. е. с.=я|.-.„-я. <4-4-2» тогда как обычная емкость С = q/u. Это обстоятельство необхо- димо учитывать в расчетах при составлении уравнений Кирхгофа для цепей с переменными реактивными параметрами, где вели- чина заряд выражается как q^\c^du. О
§ 4.4J ОДНОКОНТУРНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 153 Параметрические диоды (ПД) отличаются исключительно малой инерционностью: дисперсия в них отсутствует до частот порядка 1011 Гц. При расчетах параметрических усилителей (генераторов) параметрический диод заменяется эквивалентной схемой, пока- занной на рис. 4.13 и справедливой для большинства типов ПД в любых рабочих диапазонах частот, включая СВЧ. Здесь через 7? обозначено сопротивление потерь, Сп —емкость монтажного патрона, L — паразитная индуктивность вводов. В диапазоне СВЧ типовые параметры ПД следую- щие: Сд от 1 до 0,1 пФ, R от 10 до 1 Ом, L^«0,l нГн, Сп от 1 до 0,5 пФ (вторые значения отно- сятся к ПД высокого качества). Для узких германиевых р -п- переходов функцию Ся (и) можно аппроксимировать выражением С =-------(4.4.3) Д (1 — И/Фк)1/Л ’ ' Рис. 4.13. Эквивалентная схема параметрического диода. где k 2 и зависит от типа полупроводника и технологии его изготовления. При расчетах параметрических усилителей необходимо задать зависимости q (и) или и (q). Первую зависимость можно получить, используя выражение заряда через дифференциальную емкость, т. е. и и q=ACKdu = cA п du .. = 2С0<рк[1 -(1 -«/Фк)*/2]. (4.4.4) J J (1 —«/<Рк)/г Отсюда путем простых алгебраических преобразований нетрудно получить выражение для и = u(q): u = (q/C0)(l-$q), (4.4.5) где коэффициент нелинейности 0 = 1/(4С0<рк). Задавая напряжение накачки ин относительно большим, а напря- жение сигнала uQ малым, можно осуществить нелинейное изме- нение емкости Сд с и„. Допущение, что оправдано исполь- зованием в качестве элементов параметрических усилителей колеба- тельных систем с большой добротностью. При этом контур настраивается на частоту, близкую к частоте малого (усиливаемого) сигнала, и он практически не реагирует на колебание с частотой накачки. Тогда в нулевом приближении можно считать, что напря- жение накачки меняет (модулирует) в контуре только реактивный параметр, и поэтому усиливается только вынужденное колебание, на частоту которого настроен контур параметрического усили- теля. В полосе пропускания (прозрачности) контура в общем
154 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 случае оказываются два близких гармонических колебания, одно с частотой внешней силы р, другое с разностной частотой сон — — р = 2а> — р<^ р. Одноконтурные параметрические усилители обладают усиле- нием в 20—30 дБ на каскад; эквивалентную шумовую темпера- туру можно довести до нескольких десятков градусов по шкале Кельвина, ширина полосы пропускания усилителя может достигать 10—15% от «сигнальной» частоты. Очевидно, что такие пара- метрические усилители не могут усиливать сигналы сложной формы, спектр которых содержит набор частот от нулевой (близ- кой к нулевой) до некоторой высокой частоты. Для усиления подобных сигналов (видеосигналов) необходимо использовать другую разновидность параметрического усилителя. Принцип действия параметрического усилителя видеосигналов (ПУВ) основан на возможности модуляции с частотой сигнала реактивного параметра колебательного контура, в котором суще- ствуют колебания, задаваемые внешним генератором. Рассмотрим работу параметрического усилителя видеосигналов на примере ПУВ с магнитным (ферритовым) сердечником в катушке индук- тивности параллельного колебательного контура. Если магнитное поле создается током, протекающим через обмотку, размещенную на ферромагнитном сердечнике, то его магнитная проницаемость является функцией этого тока. Тогда дифференциальная магнитная проницаемость рд = дВ/дН сердеч- ника при действии на него дополнительного магнитного поля И (подмагничивание) имеет вид, показаннный на рис. 4.14. Как мы видим, от величины тока (дополнительного магнитного поля) зависит индуктивность обмотки L, что приводит к перестройке колебательного контура по частоте. Такая перестройка контура, в котором поддерживаются вынужденные колебания высокой час- тоты, приводит к модуляции сигналом амплитуды этих вынуж- денных колебаний (рис. 4.15) и после их демодуляции позволяет получить усиленный сигнал. Действительно, пусть на одном и том же ферромагнитном сердечнике размещены две обмотки — контурная и сигнальная, и пусть по параллельному колебательному контуру протекает гармонический ток (ток накачки), задаваемый внешним генера- тором. Частота последнего может изменяться вблизи резонансной частоты контура и значительно (в 5—10 раз) превышать частоту сигнала. В результате модуляции индуктивности сигналом нас- тройка контура изменяется (контур «перестраивается»), что при- водит как к изменению уровня накачки в нем (амплитудная моду- ляция) так и к изменению со временем разности фаз контурного тока и тока внешнего генератора (фазовая модуляция). Амплитуд- ную и фазовую модуляции, несущие информацию о сигнале, можно выделить с помощью амплитудного и фазового детекторов. Ампли-
S 4.4] ОДНОКОНТУРНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 155 тудно-фазовая модуляция тока накачки будет тем эффективнее, чем больше добротность контура и чем значительнее глубина модуляции индуктивности сигналом (т. е. чем больше чувстви- тельность устройства). Кроме того, глубина и характер модуляции Рис. 4.14. Кривая изменения диффе- ренциальной магнитной проницаемо- сти ферромагнитного сердечника в за- висимости от ПОЛЯ. Рис. 4.15. Принцип действия пара- метрического усилителя с модуляцией и демодуляцией. высокочастотных колебаний зависят от расстройки контура отно- сительно частоты внешнего генератора. Мощность продетектирован- ного тем или иным образом сигнала может превысить мощ- ность входного сигнала. Для неискаженного вос- произведения сигнала необходи- мо следующее: устранить сим- метрию кривой рд (ic) путем по- стоянного подмагничивания фер- ритового сердечника; выполнить требование линейной зависимо- сти L=f(ic) в пределах измене- ния тока сигнала: при работес ам- плитудной модуляцией следует изменить настройку контура относительно частоты накачки. Рис. 4.16. Блок-схема одноконтурно- го параметрического усилителя видео- сигналов. / — генератор гармонической накачки, II — параллельный колебательный контур, III — сигнальная цепь, IV — цепь подмагничива- ния, V — ферритовый сердечник. Блок-схема одноконтурного параметрического усилителя видео- сигналов с нелинейной индуктивностью показана на рис. 4.16. Ширина полосы такого усилителя уменьшается с увеличением добротности Q (коэффициент усиления при этом растет) и зависит
156 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 от расстройки, так как ею определяется уровень боковых полос. Увеличение частоты накачки приводит к расширению полосы пропускания контура, если Q неизменно, и, следовательно, к уши- рению полосы пропускания усилителя. Для получения достаточного усиления необходимо, чтобы фер- ритовый модулятор обладал достаточной чувствительностью (силь- ная зависимость рд феррита от магнитного поля сигнала). Для того чтобы напряжение с частотой накачки не проникло в сиг- нальную цепь, применяется, например, модулятор со взаимно перпендикулярной ориентацией взаимодействующих полей. Эквивалентная схема усилителя приведена на рис. 4.17. Здесь генератор гармонической накачки заменен генератором тока с внут- ренним сопротивлением Rh амплитудой тока /0 и частотой со; L = Lo — AL (при увеличении тока сигнала индуктивность падает), ез действия сигнала, гг и г2—потери в кон- туре. Коэффициент s показывает долю вклю- чения L в левую ветвь резонансного контура. Система уравнений Кирхгофа для этой системы имеет вид (l-s)L J + гЛ + Л ( к dt = sL + r2i2, sL-^-\-r 2i2 = Rii3, i = t’i + i2 + i3. Разрешая систему относительно ilt получаем (1 —s) sL2 (Fit Г. S/-X-I-/-2 (1 —s) 1 T tPR Ri d/з + I + R{ Jb dP + Lo — индуктивность Рис. 4.17. Эквивалент- ная схема параметри- ческого усилителя ви- деосигналов. где i = /0coscoL Вводя, как обычно, безразмерные величи- ны т = со/ и х = 11/Хи (Хо —ток в стационар- ном режиме) и обозначения <о0 = 1/У LOCV m = AL/L0 (глубина модуляции параметра сигналом), 2g = 1 — «о/®2 (расстройка), 6 = (гг + г2)/2wL0 1 /2Q0 (затухание ненагруженного контура), е = (гг + г2)/Т?г, A= — sI0/X0, В = —r<J0/aL0X0, q = = r2/(ri + r2). считая, что |т|<Д, g<^l, se/6 (доброт- ности ненагруженного и шунтированного контуров велики), е<Д (внутреннее сопротивление источника питания велико), | (1—s)se/6 <Д, и пренебрегая величинами высших порядков малости, по- лучим Ц (1 — s) x-j-x-j- 26 fl + -j-m — 2g) х = A cos т-р В sin т,
§ 4.4] ОДНОКОНТУРНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 157 где | А | ««6 1, так как ток в контуре вблизи резонанса по- рядка sQI0, | В | y 62 1. Итак, окончательно получаем Х-{-х=— kx — Ох 4-(2g — т)х-}-А cosx-|-BsinT= р/(х, х, х, т), где = s^2^s^e и 0 = 26^1 + характеризуют затухание в на- груженном контуре. Решение ищем в виде х = С cos (т4~ф), х — — С sin (т + ф), х = С sin (т-Рф), где С = С(т), ф = ф(т). Укороченные уравнения для этой системы записываются сле- дующим образом: 2л с = — ~ j р/ (х, X, X, т)5Ш(т4-ф)с/(тЧ-ф), о 2л ф = — 2^с j (*’ Х’ C0S (т + Ф) (т + Ф)’ о С учетом того, что sin т = sin (т 4- ф) cos ф — sin ф cos (т 4- ф), cos т = cos (т 4- ф) cos ф 4- sin (т 4- ф) sin ф, получаем С = —[(О — k) С 4- A sin ф 4- В cos ф], Ф = — [(2g — а) С 4- A cos ф — В sin ф]. В отсутствие сигнала (т = 0) стационарные амплитуды Со и ф0 находятся из системы уравнений (С = ф = 0) (D — k) Со 4- A sin фо 4- В cos ф0 = О, 2gC0 4- A cos ф0 — В sin ф0 = 0. В режиме усиления (т 0) при малом сигнале амплитуду и фазу можно представить в виде С = СО+С» ф = Фо + 1Ъ При с^С0, Ч Фо можно считать, что sin ф «=; sin ф0 4- Л cos ф0, cos ф cos фо — т] sin фо,
158 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ 4 и тогда укороченные уравнения приобретают вид с= х/2 [2т]ЕС0 — с (D — £)], т] = V2 [т - 2+/С0 - т] (D - £)]. Исключая из этой системы т] и т], получаем уравнение для оги- бающей высокочастотного колебания с + (D - k) с + [V4 (D - k) + И с = г/^С0. Считаем, что сигнал гармонический, т. е. т = тоехр ^-т| (ча- стота сигнала Q<+<o), и нелинейные искажения отсутствуют. Не- трудно показать, что модуль коэффициента усиления такой си- стемы по току | Л/о | равен 1^1 = ; 2Ро I 6 I ________________Ks2 + W_________________________ Lo VW + (£ -k)2] {[(O-ky + ^-4 (Й/со)Т+ 16 (£>-kf (£2/0)2} ’ где po = AL/Aic AL/ic (при малых сигналах). Из выражения для | Лф, | можно определить оптимальный коэф- фициент включения s (дифференцированием по s). При s = 1 имеем I д- I _ Р»/о<221а I_______________}__________________ /о Lo К(1 4-а2) {[1 +а2—4 (й/сй)2 Q2j2_|_ щ (й/ш)2 Q2j ’ где Q = Qo/V 1 + Qa//Ri — добротность шунтированного контура, а = 2SQ — обобщенная расстройка. Из выражения для | К1(1 | видно влияние параметров контура на величину коэффициента усиления системы. В частности, обрат- ная пропорциональность | /С/о | ~ 1 /Ьо означает увеличение чувст- вительности системы (глубины модуляции) при уменьшении Lo и прочих неизменных параметрах. Из выражения для | Л/о | можно определить: 1) оптимальную расстройку ах, при которой для данной частоты сигнала усиление максимально; оно определяется соотношением [1+4 (П,/<о)2 Q2] = al {2а1 + (3 - 8Q2 (Qx/co)2)}, 2) частоту сигнала Qo, при которой усиление при фиксированной расстройке а0 превышает усиление на всех остальных частотах; оно определяется соотношением 4(^)2Q2 = o?-L Из последнего выражения видно, что частотная характеристика (коэффициент усиления) имеет максимум на частотах сигнала, от- личных от нуля, только при | ай | > 1, так как при | аи | < 1
§ 4 fl ОДНОКОНТУРНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 159 £20— мнимая величина. При | а01 1 | /С/о | монотонно падает с ростом частоты сигнала от некоторого максимального значения при £2=0. Величина максимумов коэффициента усиления для разных частот- ных характеристик (при |а0| > 1) падает с увеличением | а0 | по закону I ir । Po'oQ2 1 Отношение усиления на постоянном токе к усилению на опти- мальной частоте равно I |я=о _ о °о |*/.|В=П<, 1+«Г При ।\а01 яа 1 максимумы частотных характеристик | /</„ | выражены слабо. Ширину полосы пропускания находят из уравнений j7=|/Cr0|B=o = |/</„|B=firp при К10 |в=Во = I Л/„ |я=ягр при I а0 |Ssl; тогда ширина полосы пропускания Д/ (в герцах) равняется Af = (fH/2Q)/V2(l+oa)-(1 - о?) при | Со |^1. Af==(fH/2Q)]/a§+2|a0| —1 при 1 | а0 | ==£ 1+ ]/2, Д/ = (fH/2Q) []/со + 21 а01 — 1 — ]/оо —2|Со| —1] при | с0 |2s 1 + )/2, где /н = ю/2л. При | а01 1 + ]/2 полоса пропускания содержит нулевую ча- стоту (постоянный ток), при |а0|> 1 + ]/2 левая граничная ча- стота полосы сдвинута вправо относительно нуля (постоянного тока). Максимальное значение произведения | К1о | на ширину по- лосы пропускания соответствует | а01 = 1+1/2 (при этом /опт.с = = V2(l+]/2)A./2Q ~ (1,1/Q) гДе /опт. с = £2/2л) и равно С I АЛмакс = —~ 0,3 2 V 2 И 2 Lo L° Это максимальное значение (| /</о | Д/)макс получается при | /С/о |, равном 1/J/2 от максимального усиления, приходящегося на по- стоянный ток. Увеличение (| Кг„ | Д/) может быть достигнуто: а) улучшением чувствительности ферритового модулятора, б) вы- бором более высокой частоты накачки, в) увеличением уровня тока накачки в контуре и повышением добротности контура.
160 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 § 4.5. Параметрическая генерация электрических колебаний (параметрические генераторы) Выше уже упоминалось, что для нелинейных систем не пред- ставляется возможным провести четкое разграничение между сило- вым и параметрическим воздействиями. При силовом воздействии вынужденный колебательный процесс, вызванный внешней силой, будет за счет нелинейных свойств системы приводить к периоди- ческому изменению соответствующих параметров. Поэтому в конеч- ном счете результирующий вынужденный процесс может иметь некоторое сходство с параметрически возбуждаемым колебательным процессом; может нарушаться монотонность изменения амплитуды при изменении соотношения частот и могут наблюдаться интен- сивные колебания при частотных соотношениях, типичных для параметрических резонансов. В связи с этими особенностями поведения нелинейных систем представляется разумным собственно параметрическим воздействием на такую систему считать воздей- ствие, при котором принудитель- ное изменение реактивных (энер- гоемких) параметров системы не Рис. 4.19. Схема балансного модулятора емкости. Рис. 4.18. Схема балансного модулятора индуктивности. сопровождается введением в систему соответствующих периодиче- ских сил, способных вызвать обычным путем вынужденные коле- бания. Это, например, может быть реализовано при механическом изменении емкости или индуктивности. Возможно также осуществление балансных схем (рис. 4.18, 4.19), в которых подбором соответствующих элементов можно добиться практически полной компенсации э.д.с., наводимых на частоте накачки 2ю в системы, и рассматривать последние как колебательные цепи с периодически изменяющимися параметрами. В первой схеме (см. рис. 4.18) происходит периодическое измене- ние индуктивности с частотой 2а; во второй (см. рис. 4.19) — периодическое изменение емкости, образованной двумя запертыми р — «-переходами в полупроводниковых диодах, также с частотой внешнего воздействия (накачки) 2а. Предположим теперь, что условия параметрического возбуждения выполнены, и тогда ампли- туда любого малого колебания с частотой, удовлетворяющей соот-
§ 4.5] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ 161 ношению со = 1/гпр, где п — номер соответствующей области воз- буждения, будет нарастать за счет вложения в систему энергии со стороны устройства, периодически изменяющего параметр с часто- той р. Вследствие нелинейности системы нарастание амплитуды можно ограничить, и при некотором значении амплитуды подобных параметрически возбужденных колебаний возможно установление энергетического баланса между потерями и вложением энергии. Как отмечалось в § 4.1, в консервативной нелинейной системе установление стационарной амплитуды характеризуется уменьше- нием до нуля величины вкладываемой энергии и реализуется за счет изменения средних значений нелинейных реактивных пара- метров (емкости или индуктивности). В диссипативной же системе достижение энергетического баланса и соответственно установление стационарной амплитуды происходит при отличных от нуля вло- жениях энергии и может осуществляться не только за счет эффек- тивной расстройки системы, связанной с изменением среднего значения одного из реактивных параметров системы, но при нали- чии в возбуждаемой системе нелинейного затухания и путем изменения величины потерь. Если в возбуждаемой системе зна- чения L и С не зависят от величин тока и напряжения, а эффек- тивные потери растут с увеличением амплитуд колебаний быстрее, чем квадрат последней, что соответствует возрастанию величины R или нагрузки с увеличением тока (это весьма легко реализовать, например, за счет термических эффектов), то можно ввести в рас- смотрение медленно меняющееся затухание и представить дело так, как будто с ростом амплитуды возбужденных колебаний увеличивается наклон прямой, проходящей через вершины областей неустойчивости, и области неустойчивости поднимаются вверх (см. рис. 4.3, б). Это будет происходить до тех пор, пока изобра- жающая точка, ранее находившаяся внутри одной из областей неустойчивости, не окажется на ее границе, что будет свидетель- ствовать о наступлении энергетического баланса. При ограничении же амплитуды за счет нелинейности реак- тивных параметров процесс установления равновесного режима можно связывать с соответствующим перемещением изображающей точки и некоторой деформацией самих областей неустойчивости, происходящими до тех пор, пока изображающая точка также не окажется на границе области параметрического возбуждения. В зависимости от механизма ограничения нарастания амплитуд параметрически возбуждаемых колебаний процесс установления стационарной амплитуды идет либо монотонно, либо имеет осцил- ляторный характер. При изучении кривых параметрического резонанса, т. е. кри- вых, изображающих зависимость амплитуды установившихся коле- баний при параметрическом возбуждении от соотношения между частотой изменения параметра и собственной частотой колебаний 6 В. В. Мигулии и др.
162 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 возбуждаемого контура, можно наблюдать различные типы кривых при различных видах нелинейности в диссипативных системах. Если в нелинейной системе затухание постоянно и не зависит от тока или напряжения в системе, то различие между получаю- щимися кривыми параметрического резонанса для диссипативных систем и консервативных (см. рис. 4.6) сводится к тому, что в первых происходит смыкание двух различных ветвей кривой и исключается возможность бесконечного возрастания амплитуды при увеличении расстройки системы (т. е. ухода ее собственной частоты от значения, определяемого точным выполнением соотно- шения ю0 = 1/2 пр). Примерный характер кривых для случая пара- метрического возбуждения контура с постоянным затуханием и с нелинейной емкостью при различных типах этой нелинейности Рис. 4.20. Кривые параметрическо- го резонанса в диссипативном кон- туре с нелинейной емкостью. Рис. 4.21. Кривые параметри- ческого резонанса в контуре с нелинейным затуханием. показан на рис. 4.20. Сплошные и пунктирные кривые соответ- ствуют двум типам нелинейности реактивного параметра (емкости). Сплошной кривой соответствует убывание среднего значения емко- сти, пунктирной — ее возрастание с ростом амплитуды колебаний. Видно также характерное для параметрического резонанса суще- ствование ограниченной области расстроек, т. е. ограниченного частотного интервала, внутри которого возможно параметрическое возбуждение, причем ширина этого интервала 2Е0 зависит от глу- бины модуляции параметра т и обращается в нуль при т, равном критическому значению ткр, соответствующему равенству энергии, вносимой в систему при изменении параметра, потерям в системе. Когда ограничение амплитуды осуществляется за счет нелиней- ного сопротивления при постоянных средних значениях реактивных параметров, форма кривых параметрического резонанса имеет вид, показанный на рис. 4.21. Здесь характерна симметрия кривой параметрического резонанса и отсутствие неустойчивых ветвей и скачкообразных изменений амплитуды при монотонном изменении расстройки. По-прежнему в качестве основного признака парамет- рического резонанса остается существование конечного интервала
§ 4.5] параметрическая генерация колебаний 163 расстроек (2Е0), внутри которого возможно осуществление парамет- рического возбуждения. Из всего изложенного выше вытекает, что для теоретического исследования явления параметрической генерации колебаний необ- ходимо привлечь к рассмотрению нелинейные характеристики параметров системы. Их анализ позволяет получить как закон установления амплитуды параметрических колебаний, так и выра- жения для стационарных значений этих амплитуд. Рассмотрим более подробно методом ММА процессы, проис- ходящие в параметрическом генераторе при туды колебаний в нем с помощью нелиней- ного элемента. Одноконтурный параметрический генера- тор с нелинейным затуханием. Рассмотрим последовательный колебательный контур с элементами L, С, R и допустим, что во вре- мени меняется только реактивный параметр С (t), а активное (омическое) сопротивление зависит от проходящего через него тока R (i). Тогда при параметрическом воздейст- вии такая колебательная система с нелиней- ограничении ампли- Рис. 4.22. Схема па- раметрического гене- ратора с нелинейным сопротивлением. ным сопротивлением (рис. 4.22) при определенных условиях, нала- гаемых на параметры системы, может стать одноконтурным пара- метрическим генератором. Если омическое сопротивление увеличивается при увеличении проходящего через него тока, то повышается диссипация энергии в системе и, как следствие, наступает баланс между параметри- чески подкачиваемой энергией и энергией, рассеиваемой на сопро- тивлении, т. е. ограничение амплитуды колебаний. При этом необходимо такое сопротивление, которое увеличивается с возра- станием тока вне зависимости от его направления в цепи. Этому требованию можно удовлетворить, если выбрать закон падения напряжения на сопротивлении в виде = Ro (i + Ро'3). (4.5.1) что равносильно выбору следующей характеристики сопротивления: /? = /?0(1+₽0Га), причем Ро должно быть больше нуля. Пусть закон изменения емкости во времени, как обычно, выра- жается в виде С =_____б0_____ 1 +т cos 2а>/ Тогда уравнение Кирхгофа для рассматриваемой системы примет вид L + R ddt + Г <1 + т cos ? = °- 6*
164 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГГЛ. 4 Для обеспечения общности результатов введем безразмерную коор- динату х = q/q0 и безразмерное время т = at; тогда это уравнение движения запишется в виде х + ~-х + (1 + tn cos 2т) х — О, где дифференцирование ведется по т, сой = 1/LCO и R = =Я0(1 + 1Ш«2*2)- Если ввести обозначения <og/<oa=l—g, 2f)1 = R/aL, p = P(l<72co2, то получим уравнение (1 — g) (1 -\-m cos 2t)x = 0. Будем считать, что колебательная система обладает малой дисси- пацией (2й'1 << 1), а g и т тоже малые величины (£<4; т^\). Тогда, обозначая R0/aL = 2ft, имеем х + % = gx — 2йх — 2й'Рх3 — mx cos 2т, (4.5.2) где опущен член второго порядка малости с коэффициентом mg. Применим к (4.5.2) приближенный метод решения — метод мед- ленно меняющихся амплитуд. Тогда, как и для автономных систем, решение можно искать (для первой области неустойчивости) в виде х — и cosтЦ-о sinт, х = —п sin т-|-о cos т, где и (т) и v (т) — медленно меняющиеся функции времени т. В соответствии с методикой получения решений методом ММА, изложенной в § 2.5, для рассматриваемого случая можно записать укороченные уравнения, которые после усреднения примут вид 2Я й — — ~ j (gx — 2'fl’x — 2офх3 — mx cos 2т) sin т dx = о = - О [ 1 + %р а2] и - !/2 (т/2 + g) V, и = ~ j (gx — 2'0'Х — 2'йрх3 — mx cos 2т) cos т dx = (4.5.3) о = % (Е — т/2) и — О [1 + 3/4рA2] v, где через А2=п2 + п2 обозначен квадрат амплитуды параметри- чески возбуждаемых колебаний в системе. Решение системы укороченных уравнений позволяет в прин- ципе получить полное решение задачи о возбуждении колебаний в исследуемой системе и о процессе установления стационарного режима. Однако в силу нелинейности дифференциальных уравне- ний (подобных (4.5.3)) их, как правило, не удается проинтегри- ровать до конца. Тем не менее они очень удобны для исследо-
§ 4.5] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ I65 вания стационарных состояний системы (при этом анализе, естественно, переходные процессы не рассматриваются). В стационарном состоянии /2 = ^ = 0. Тогда из рассмотрения системы однородных уравнений (4.5.3) вытекает, что в системе возможно состояние покоя (zz0 = п0 = 0) — первое стационарное состояние системы. Второе стационарное состояние системы с отличной от нуля амплитудой {ио=£0, оп=^ 0, До=^0) можно найти из (4.5.3), если ее записать в виде Ф (1 + 3/4Р^б) Щ (S + nz/2) Я (1 + 3АРAD о0 = % (g - т/2) ип. Поскольку ип =# 0 и <jn=#0, то мы вправе перемножить обе левые и обе правые части уравнений и сократить на tiovo. Тогда fl2 (1 + 3/4₽ До)2 = - % (I2 - т2/4). Извлечем квадратный корень из обеих частей равенства и най- дем выражение для стационарной амплитуды колебаний: |4-5-4’ Поскольку коэффициент нелинейности ₽>0 и 2Ф>0, то знак минус перед корнем нужно опустить, так как по определению амплитуда должна быть больше нуля (До>0). Тогда из выра- жения (4.5.4) следует, что условием существования стационарной отличной от нуля амплитуды колебаний является следующее нера- венство: <4-5-5' откуда получается, что расстройка в системе не может превосхо- дить величины |2=т2/4 - 4й2, а на глубину модуляции параметра т должно быть наложено условие т1 > W'fl12 -ф 4g2. (4.5.6) Эта связь между параметрами системы определяет возможность или (при противоположном знаке неравенства) невозможность возбуждения параметрических колебаний в системе. Из выражения для Дц ясно видна роль нелинейности сопро- тивления (Р) системы. Если р ->0, т. е. если уменьшать нелиней- ность системы, то амплитуда параметрических колебаний будет постепенно увеличиваться, и в пределе для линейной системы должна обратиться в бесконечность, что согласуется с теорией параметрического возбуждения линейных диссипативных систем.
163 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГГЛ. 4 Кривые параметрического возбуждения для разных величин коэффициента затухания системы и фиксированных значений т и р показаны на рис. 4.23. Из рассмотрения этих графиков и выражения для стационарной амплитуды можно сделать следую- щие заключения. При наличии нелинейного сопротивления ампли- туда параметрических колебаний всегда ограничена; область воз- буждения симметрична относительно нулевой расстройки и сужа- ется при увеличении потерь (йз1>0г)- Кроме того, ширина области параметрического возбуждения не зависит от нелинейности системы, а определяется исключительно соотношением параметров Рис. 4.23. Области параметри- ческого резонанса для разных значений затихания. Рис. 4.24. Области парамет- рического резонанса для раз- ных значений коэффициен- тов нелинейности 6, и р2- т, %, •&. В частности, при данном т и потерях в системе, боль- ших или равных O-j (например, 0,1), параметрические колебания возбудить вообще невозможно. Области параметрического возбуждения для разных коэффи- циентов нелинейности р,, Р2 и при фиксированных значениях т и показаны на рис. 4.24. Амплитуда параметрических колебаний в системе макси- мальна при | = 0 и равна Ч-.-Ш-1)- <4-5-71 Границы области возбуждения можно определить из для стационарной амплитуды (4.5.4), приравнивая имеем выражения его нулю; E1 = ]/m2/4-4e2 , ga =—рл/п2/4-4^2. Исследуем найденные стационарные решения системы (4.5.3) на устойчивость методом малых возмущений (вариаций); тогда и — + т]; o = i»n + ?- Подставляя эти выражения в укороченные уравнения « = и), v = (p3(u, v) и разлагая их правые части
« 4.5] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИИ 167 в ряд по малым вариациям, получим, ограничиваясь первыми членами разложения, 4 = ^ 1 ди n+*₽ll г+..„ U = Uo dv |U = UObT ’ V = OQ и = 00 о — 00 О — оо ибо в стационарном состоянии <рт (и0, ио) = 0, гр<>(ип, о0) = 0. Будем искать решение системы дифференциальных уравнений для ц н £ в виде т1 = £ = е(/?'с; тогда получается система линейных однородных алгебраических уравнений, детерминант которой для нетривиальное™ решения должен быть равен нулю, т. е. Вводя обозначения <?Ф1 __ , d<pi ди dv дф2 Йфа ди dv а _d<Pi и ~ ди ’ _ 3ф1 ___<Эф2 _3ф2 fl12 ~ dv ’ 21 “ du ' 22 ~ dv и разрешая приведенное выше уравнение второго порядка отно- сительно X, получим к = */2 («И + й22) ± % V(Оц - а22)2 + 4й12с21. Применим ту же процедуру для исследования устойчивости состояния покоя системы (нулевой стационарной амплитуды, т. е. ы0 = = Ao = 0). Тогда X = —& dz % V ш2/4 — I2- Если потребо- вать, чтобы ReZ>0, т. е. интересоваться соотношением пара- метров системы, при котором состояние покоя будет неустойчивым, то это требование означает, что ± */2 У т2/4 — |2 > Ф, т. е. £2 < m2/4 — 4Ф2. Последнее выражение в точности соответствует условию суще- ствования отличной от нуля стационарной амплитуды До. Для области расстроек |, удовлетворяющих неравенству £2<т2/4— — 4'й2, для которых существует стационарная отличная от нуля амплитуда Ло, состояние покоя системы неустойчиво. Следова- тельно, оно неустойчиво внутри области параметрического резо- нанса (от gj до £2). Состояние покоя устойчиво вне области пара- метрического резонанса, когда ReX<0 и для соотношения параметров системы получается неравенство вида g2 > m2/4 — 402. Аналогичным образом анализируется устойчивость состояния с отличной от нуля стационарной амплитудой (До=^0). После довольно громоздких вычислений находим, что эта амплитуда устойчива (ReZ<0) во всей области расстроек, где она
168 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГГЛ. 4 существует ( — Н2-с£ ;=£ ^). Области устойчивых стационарных решений системы (4.5.3) на графиках рис. 4.24 отмечены кружоч- ками, области неустойчивых стационарных решений — крестиками. Роль нелинейного механизма ограничения и установления амплитуды параметрических колебаний выполняет в рассмотрен- ной задаче нелинейное затухание (сопротивление). Нелинейным сопротивлением на частотах до сотен килогерц может служить обыкновенная лампа накаливания. Часто в качестве механизма Рис. 4.25. Схема па- раметрически возбуж- даемого контура с не- линейной емкостью. ограничения амплитуды параметрических колебаний используется нелинейная реактивность, например нелинейная емкость. Одноконтурный параметрический генератор с нелинейным реактивным элементом. Рассмотрим колебательную систему (рис. 4.25), в которой L — const, R = const, а ем- кость является функцией времени и нели- нейно зависит от заряда q, т. е. С= С(0 q (q). Пусть емкость по-прежнему меняется по закону С = Со/( 1 + т cos 2и(), а напряжение на емкости — по закону ис = = (q/C) (1 + YoQ2), т. е. в отсутствие модуля- ции параметра напряжение на емкости изме- няется по закону кубической параболы (конденсатор с сегнето- электриком, см. рис. 1.6), что реально наблюдается у большой группы сегнетоэлектриков, исследованных в ранних работах И. В. Курчатова. С увеличением заряда емкость такого конден- сатора уменьшается. Если в уравнении Кирхгофа для рассматриваемой системы Lq + Rq + ис (q, 0 = 0 ввести прежние обозначения x = q/q0, i = и^=1/£С0, toj/w2 = = 1— g, 2'0 = /?/oj£, y = yoq5 и считать величины у0, g, •&, т малыми по сравнению с единицей, то можно получить следующее нелинейное дифференциальное уравнение движения, допускающее применение метода ММА: х + х = — 2'0'х — ул3 — тх cos 2т, (4.5.8) в котором отсутствуют члены второго порядка малости. Таким образом, метод ММА в данном случае применяется к слабо нелинейной системе с малой диссипацией. Решение (4.5.8), как и прежде, ищем в виде x = ucost-]- v sin т, — н sin т + оcost. Подставляя выражения для х и х в правые части укороченных уравнений и проводя их усредне- ние по периоду, получаем следующую систему укороченных
«4 5] ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ 169 уравнений для рассматриваемого случая-: 2Л й = — (Нх — 2'0’x — ух3 — тх cos 2т) sin т di = = — - */а [(ZTZ/2 + £) — 3/4уД2] v = ф, (и, v), 2Л •Ь = (Е,х — 2'0’х — ух3 — тх cos 2т) cos т di — (4.5.9) о = — */2 [(т/2 — |) 4- 3/4уД2] и — 0-ц = ф2 (и, п), где A2 = u2 + v2. По-прежнему будем искать только стационарные решения этих уравнений. При ti = fi = O могут реализоваться два режима: состояние покоя системы ип = ц, = До = 0 и состояние с отличной от нуля амплитудой колебаний ноу=0, пп^0, Доу=0. Рассмот- рим условия существования этих режимов и исследуем устойчи- вость состояния покоя (анализ устойчивости стационарных реше- ний, отличных от нуля, из-за громоздкости выкладок проводить не будем). Исследование укороченных уравнений (4.5.9) показывает, что нулевые стационарные решения ии = ц0 = Д„ = 0 (состояние покоя) возможны в системе при любых величинах параметров т, О, у, £ (разумеется, в пределах малости этих величин по сравнению с единицей, как требуется для применения метода ММА к дан- ной задаче). Стационарное отличное от нуля решение системы (но=^0, поу=0) определяется тем же путем, что и выше (см. стр. 163), имеем = — % [(т/2 + £) - 3/4уДб] Цо. ,, е J m <4 = - % [(т/2 -1) + 3/4у Д о] и0. ' Тогда выражение для квадрата стационарной амплитуды прини- мает вид Д; = (4/Зу) (g ± |/гл2/4 — 4^2). (4.5. II) Отсюда сразу виден физический смысл коэффициента нелиней- ности у. Чем меньше коэффициент нелинейности у, т. е. чем ближе нелинейная система к линейной, тем больше возможная в системе амплитуда параметрических колебаний. Определим теперь условия существования действительных значений отличной от нуля стационарной амплитуды. Из формы кривой для uc(q) (см. рис. 1.6) видно, что у > 0. Поэтому, чтобы не исключать из рассмотрения область отрицательных расстроек Н, необходимо потребовать выполнения условия тг/4 > 4'й2 или m/2> 1/Q.
170 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 Тогда для выполнения условия Л? > 0 необходимо, чтобы g2 < ш2/4 — 4ft2, или для глубины модуляции /и2 > 4£2 + 1 6ft2. (4.5.12) График кривых параметрического резонанса для одноконтурного параметрического генератора с ограничением амплитуды за счет нелинейной емкости показан на рис. 4.26, где для общности Рис. 4.26. Кривые параметрического резонанса в контуре с нелинейной емкостью. Кружки — устойчивое состояние, крестики — неустойчивое. картины изображена также область параметрического резонанса для случая конденсатора с у<0. Граничные расстройки g, и получаются из условия Ло = О и равны соответственно Ej = VmW - 4 ft2 и Е2 = — Vт2/4 ~ 4ft2. (4.5.13) Исследование устойчивости стационарных реи ений можно, как и в предыдущей задаче, провести методом возмущений. Тогда для случая нулевой стационарной амплитуды нужно соста- вить определитель для нахождения характеристического показа- теля X. Если правые части укороченных уравнений (4.5.9) обоз- начить через (fj (и, v) и ф2 (и, v), то для рассматриваемой задачи имеем ди дфг dv =0 или -ft-X =0. д<Рг ди ди — фа (т/2—£) — ft —А Решения этого квадратного уравнения относительно X равны
S 4.51 ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИИ 171 Состояние покоя системы неустойчиво, если л имеет положитель- ную вещественную часть, т. е. ReX>0, тогда с2 < щ2/4 — 4й2. Итак, получено условие параметрического возбуждения сис- темы. Нетрудно заметить, что состояние покоя неустойчиво именно в пределах области существования отличной от нуля амплитуды параметрических колебаний. Вне данной области, т. е. при £2> > т2/4 — 4,&2, существует устойчивое стационарно? состояние покоя (ии = ц, — йо = О), так как при этом условии ReZ<0. Более подробный анализ устойчивости стационарных отличных от пуля решений показывает (см. рис. 4.26), что устойчивы обе прямые с кружками (при у > 0 и у<0) и неустойчивы — обе прямые с крестиками (при у>0 и у<0). При движении (для у > 0) из области отрицательных расстроек £ (со<<оо) амплитуда Ао, оставаясь сперва нулевой, затем, начиная со значения Е2 = = — /п2/4 — 4й2, мягко (плавно) начинает увеличиваться. В области расстроек от с.2 до состояние покоя неустойчиво и малейшие флуктуации в системе нарастают до А;, # 0. При движении в обратном направлении — из области положи- тельных расстроек £ (<» > ып) — параметрические колебания можно возбудить при значениях, больших с, = 1 m2/4 —4&2, но такое возбуждение может быть только жестким. Если системе, находя- щейся правее точки сообщить толчок, больший амплитуды ко- лебаний в нижнем (неустойчи- вом) стационарном состоянии, то колебания в системе раска- чаются до значения А„ =/= 0, со- ответствующего устойчивой ста- ционарной амплитуде для дан- ной расстройки. Если же такой системе, находящейся правее точ- ки сообщить толчок Д.-42, меньший амплитуды колебаний в системе в неустойчивом состоя- Рис. 4.27. Реальные кривые парамет- рического резонанса в диссипативной системе с нелинейной емкостью. нии, то он не вызовет в системе устойчивой параметрической генерации. Это возмущение со временем затухнет и снова насту- пит состояние покоя. Экспериментальное исследование работы одноконтурных пара- метрических генераторов показало, что кривые параметрического резонанса для них в действительности имеют вид, показанный на рис. 4.27. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, использованное нами математическое приближение при решении укороченных уравнений привело к тому, что в них отсутствовали
172 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 члены порядка yg и m%, ибо были удержаны только члены порядка у и т. Уже учет этих членов второго порядка малости приводит к согласию теории с экспериментом. Во-вторых, в реальных колебательных системах с нелинейными реактивными элементами необходимо учитывать также нелинейную проводимость (сопротивление) последних, например сопротивление запертого полупроводникового диода или конденсатора с сегнето- электриком. Сопротивления нелинейных элементов увеличиваются с ростом амплитуды параметрических колебаний, в результате чего для областей параметрического возбуждения таких систем характерно сочетание специфических черт, присущих как системам с нелинейной реактивностью (наклон области возбуждения), так и системам с нелинейной диссипацией (замкнутость кривой, огра- ничивающей! область возбуждения), при решении задачи с учетом членов только первого порядка малости. При изучении одноконтурных параметрических генераторов мы не рассматривали конкретный механизм изменения реактив- ного параметра во времени, а задавались математическим законом модуляции параметра, например, в виде С (/) = Со/(1 -{-tn cos 2оД. Такие системы принято называть параметрическими генераторами первого рода, в отличие от параметрических генераторов второго рода (параметрических преобразователей), в которых изменение нелинейного реактивного параметра происходит в результате дей- ствия некоторой периодической силы, включенной в колебатель- ную систему. § 4.6. Параметрические преобразователи (параметрические генераторы второго рода) В подобных системах параметрический механизм возбуждения колебаний в колебательной системе реализуется за счет управле- ния нелинейным параметром с помощью напряжения накачки, что можно осуществить включением генератора на- пряжения в последовательный колебательный контур, содержащий нелинейный реактивный элемент. На рис. 4.28 представлен нелинейный элек- трический колебательный контур, состоящий из элементов L, R, С (q) и генератора напря- жения t70cos2<oZ. Проанализируем процессы, происходящие в такой системе, рассмотрим условия и особенности возбуждения колебаний в ней, выясним вопрос о наличии стационар- нуля амплитуды параметрически возбужденных колебаний. Для того чтобы не усложнять расчеты нелинейным параметром данной колебательной системы, будем считать по-прежнему только Рис. 4.28. Схема контура с нелиней- ной емкостью и ге- нератором накачки. ной отличной от
§ 4.6] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 173 емкость конденсатора, которую можно аппроксимировать выра- жением ис (q) = (q/C0) tp (q), где tp(q) — нелинейная функция. Если в качестве нелинейного параметра использовать емкость конден- сатора с сегнетоэлектриком, то, исходя из вида нелинейности кривой ис (q) (см. рис. 1.7), можно ограничиться кубическим чле- ном полинома (кубическая парабола), аппроксимирующего реаль- ную вольт-кулоновую зависимость на конденсаторе. Тогда ис (<7) = (9/С0) ср (<?) = (<7/С0) (1 + То<72). а уравнение Кирхгофа для рассматриваемой системы примет вид L Тр + R djt + (4) t1 + Vo<72) = ^0 cos 2<ot Если ввести обычные обозначения x = q/q0, i — <i>l=l/LC0, (Dj/co2 = 1 — g, y=yoqf}1 2й=^ и считать, что 2&<J1, £<<1, y ^l, то исходное уравнение запишется следующим образом: х-{-х = £х — ух3 — + cos 2т, (4.6.1) где U — UjLqifi?. При этом, как и раньше, мы пренебрегли членом второго порядка малости Нух3. В правой части (4.6.1) первые три члена малы, однако послед- ний член, представляющий напряжение генератора накачки, в общем случае, достаточно велик. Это обстоятельство не позво- ляет применять непосредственно к данному уравнению метод ММА. Однако если ввести новую переменную у такую, что х = у — (^/3) cos 2т, (4.6.2) где (U/3) cos 2т = Р cos 2т — вынужденное решение уравнения х ф- х = ЗР cos 2т = U cos 2т, то, произведя в исходном уравнении замену переменной х на переменную у, получим у + у = £ (у — Р cos 2т) — 2& (у — 2Р sin 2т) — у (у — Р cos 2т)3. (4.6.3) Теперь правая часть дифференциального уравнения движения содержит члены только первого порядка малости, поэтому к дан- ному уравнению применим метод ММА. В рассматриваемой системе происходят два процесса: один с собственной частотой соо, другой —с частотой внешней силы 2со. Общий результирующий процесс складывается из двух периоди- ческих процессов с соизмеримыми частотами соо и 2<о и поэтому также является периодическим. В соответствии с методом ММА решение уравнения для первой области неустойчивости ищем в виде у — и cos т4~ и sin т, у = — и sin т-|-п cost,
174 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГГЛ 4 где и и и — медленные переменные времени т. Используя стан- дартную процедуру нахождения усредненных по периоду укоро- ченных уравнений, получим « = — + Vs (3/4?^2 + :72Тр2 - 5) и = Ф1 (и, v), R т> = —72 (3/4уЛ2+3/2уР2 —P)n-Of = cp2(u, v). ' ‘ ‘ ' Рассмотрим стационарные решения данной задачи (й = г» = 0). Сразу видно, что нулевые стационарные решения (и0 = и0 = Д„ = 0) существуют при любых параметрах исследуемой системы во всей области расстроек g. Для ненулевых стационарных амплитуд (До 0) находим опи- санным выше способом следующее выражение: 20 = J/-(%T/U+s/aTp*-g)5 которое, как видно, не имеет физического смысла, ибо затухание в системе всегда положительно и не может равняться мнимой величине. Это значит, что стационарных отличных от нуля реше- ний системы (4.6.4) быть не может, а может существовать только состояние покоя (и0 = г»0= Ло — 0). Нетрудно убедиться в том, что если в системе не могут воз- буждаться колебания на частоте со с отличной от нуля амплиту- дой, то состояние покоя должно быть устойчивым. Для исследо- вания устойчивости этого состояния используем известный метод возмущений, при котором необходимо потребовать равенства нулю следующего определителя: dv _0 I -0-Х — l/2(3/3YP2_g) I ftp* ’ Р/гР/аТР2-?) -0-Х ди dv откуда X = -0 ± 7г /-(72yP2-g)2- Видно, что квадратный корень при любых у, Р, В является мни- мой величиной, а вещественная часть характеристического пока- зателя X всегда отрицательна, ибо по определению потери в системе всегда больше нуля, т. е. 0>О. Следовательно, состояние покоя рассматриваемой системы всегда устойчиво, стационарной ампли- туды /1п #=0 в системе не существует ни при каких значениях параметров. Объяснение невозможности возбуждения колебаний в системе на частоте, равной половине частоты напряжения накачки, сле- дует искать в невыполнении некоторых условий возбуждения параметрических колебаний в первой области Матье. Дело в том, что взятая в рассматриваемой задаче симметричная относительно начала координат вольт-кулоновая характеристика конденсатора
§ 4.6] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 175 обусловливает двукратное за один период напряжения накачки увеличение емкости конденсатора и двукратное ее уменьшение. Поскольку частота напряжения накачки в два раза выше частоты искомых параметрических колебаний, то емкость колебательной системы меняется четыре раза за период собственной частоты системы, т. е. условия параметрического возбуждения в такой системе не выполняются, ибо максимальная частота изменения реактивного параметра за период искомых параметрических коле- баний (первая область Матьё) равна двум. В областях неустойчи- вости с более высокими номерами она еще ниже, так как частота изменения параметра должна подчиняться условию р^2соо/л, где п = 2, 3, 4, ... Для того чтобы обеспечить выполнение условий параметри- ческого возбуждения для колебательной системы с конденсатором с сегнетоэлектриком, необходимо при- дать вольт-кулоновой характеристике ис (?) несимметричный вид, что можно осуществить путем подачи на конден- сатор постоянного напряжения сме- щения (например, —ип). Тогда кри- вая ис (?) будет иметь вид, показан- ный на рис. 4.29. Можно для этой же цели использовать в качестве не- линейной емкости р — «-переход полу- проводникового диода. Здесь кривая С (и) всегда несимметрична и имеет вид, показанный на рис. 4.12. Наличие несимметрии кривых ис (?) или С (и) требует учета в их Рис. 4.29. Вольт-кулоновая ха- рактеристика нелинейного кон- денсатора со смещением. аппроксимирующих выражениях ква- дратичных членов; иными словами, для конденсатора с сегнето- электриком и с постоянным смещением необходимо пользоваться зависимостью ис (?) = (?/С„) (1 + р„? + т0?2). (4.6.5) Тогда с учетом этого соотношения исходное уравнение движения в тех же обозначениях примет вид х-\-х = gx — 2'Ох — 0х® — yxs-|-£7 cos 2т, (4.6.6) где Р==Р0?0<1. Это уравнение получено в результате пренебрежения членами второго порядка малости, т. е. в предположении, что и (1-|)₽^р.
1 76 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ТГЛ. 4 Решение этого уравнения, как и прежде, ищем методом мед- ленно меняющихся амплитуд с помощью следующих подстановок: х = у — Р cos 2т, y = ucosT-|-f sinx, у — — и sin т + v cos т. Тогда получаются следующие укороченные уравнения: « = — + — %*)v, i = 1/2 (₽Р-Н*) и — ftv, (4.6.7) где ^ = £-3/4уЛ*-3/2уР2. Последнее обозначение оправдано физическими соображениями и еще раз подтверждает, что расстройка частоты в колебательном контуре с нелинейной реактивностью зависит от амплитуд дей- ствующих в нем напряжений. При увеличении амплитуды пара- метрических колебаний в системе изменяется среднее значение нелинейной емкости, что вводит некоторую дополнительную рас- стройку и ограничивает амплитуду колебаний иа более низком уровне, чем при той же расстройке £ и малых действующих ампли- тудах А^О и Рг=&0. В полученном решении присутствуют и вынужденные колебания, которые служат источником энергии для параметрических колебаний н способствуют увеличению их ампли- туды. Поэтому расстройка Е* характеризует изменение собственной частоты контура соо по отношению к половине частоты напряжения накачки от первоначального значения при Л = 0, Р = 0 до значе- ний при А =^=0, Р=^=0. В полученных укороченных уравнениях член рР соответствует члену т/2 для случая параметрических генераторов первого рода и характеризует отрицательное сопротивление или степень регене- рации, вносимых в нелинейный колебательный контур генерато- ром накачки. Из системы укороченных уравнений легко находятся стацио- нарные решения для Ло = 0 и Ао^=О. Состояние покоя (u0 = v0= = Ло = О) возможно в системе при любой комбинации параметров. Выражение для стационарной отличной от нуля амплитуды параметрических колебаний имеет вид А* = (4/з?) - 3/2УР2± (4.6.8) и показывает, что ограничение амплитуды параметрических коле- баний здесь также происходит за счет кубического члена нели- нейного реактивного параметра. Для существования стационарного режима параметрических колебаний с амплитудой, отличной от нуля, необходимо выполне- ние двух очевидных требований: 1) величина ]/[№ —4й2 должна быть вещественной и 2) должно выполняться неравенство у ppTZ:i/gVpi. (4.6.9)
§ 4.6] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 177 Кривая параметрического резонанса в этом случае несимметрична относительно оси ординат А%, что видно на графике рис. 4.30 и следует из выражения для стационарной отличной от нуля ампли- туды параметрических колебаний. Рис. 4.30. Кривые параметрического резонанса для контура с нелинейной емкостью при электрической накачке. Характеристическое уравнение для анализа устойчивости состо- яния покоя можно найти из следующего приравненного нулю детерминанта: I -О-Л ‘/.(pP-Uln I]/2(PP+Uo) -Ь-Ь I ’ где означает расстройку при Ао = 0 и Р =/= 0. Решение харак- теристического уравнения X2 + 2flX + fl2 - (р2Р2 - ^0) = 0 приводит к Л = -»±1/гГ^2-?*о- Чтобы состояние покоя системы стало неустойчивым, необходимо потребовать выполнения неравенства % у Р2Р2 —- Йо > ® > откуда следует условие параметрического возбуждения й„ < ₽2Р2 - 4fl2. (4.6.10) Сравнивая условие параметрической неустойчивости состояния по- коя (4.6.10) с условием существования стационарного решения для А()--/=0 (4.6.9), нетрудно заметить, что эти условия совпадают. Из них легко получаются интервалы расстроек, в которых суще- ствуют неустойчивое состояние покоя и стационарные ненулевые амплитуды параметрически возбужденных колебаний; имеем Й = — /Р2Р2 - 4fl2 - :'/2уР2 <g-cKp2^2-4fl2-s/a^2=Bi- (4.6.11)
178 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ [ГЛ. 4 Из этого выражения отчетливо видна несимметрия области пара- метрического резонанса, о которой речь шла выше. Несимметрию области параметрического резонанса для колебательной системы с нелинейным реактивным параметром и генератором накачки можно объяснить также качественно. Дело в том, что в рас- сматриваемом нелинейном колебательном контуре при воздействии на него напряжения накачки возникают вынужденные колебания, которые изменяют среднее значение емкости системы, чем и объясняется начальная расстройка контура в отсутствие параме- трически возбужденных колебаний (несимметрия и с2 относи- тельно оси ординат). Анализ устойчивости показывает, что верхние кривые пара- метрического резонанса, как и прежде, устойчивы, нижние —не- устойчивы. Из выражений для и следует, что изменением амплитуды накачки Р можно регулировать ширину области параметрического возбуждения. При этом амплитуда накачки должна превосходить некоторую минимальную величину — порог, определяемый из условия Рпорог = 2»/Р при ^о = О. (4.6.12) Наличие порога для величины накачки, естественно, объясняется параметрической природой вложения энергии в рассматриваемой задаче, как и во всех других случаях параметрического возбуж- дения колебаний, когда вкладываемая за счет модуляции реактив- ного параметра энергия должна превосходить начальные потери. В реальных колебательных системах, где в качестве нелиней- ного элемента используются р — «-переходы полупроводниковых (параметрических) диодов, одновременно фигурируют и оказывают ограничивающее действие и нелинейная реактивность, и нелиней- ное затухание. Поэтому кривые параметрического резонанса огра- ничивают наклонные замкнутые области параметрического возбуж- дения. Общий математический анализ реальных параметрических систем — сложная задача, которая обычно решается приближен- ными методами, в частности методами численных расчетов с исполь- зованием ЭВМ. Таким образом, в рассмотренной системе при определенных условиях, накладываемых на параметры, и при несимметричности характеристики нелинейного реактивного элемента можно возбу- дить параметрические колебания, частота которых точно в два раза ниже частоты генератора накачки, а амплитуда напряжения накачки через нелинейный реактивный элемент влияет на ампли- туду параметрических колебаний и ширину области возбуждения. Поэтому такой параметрический генератор второго рода называют также париметри .еским преобразователем, т. е. устройством, пре-
S 4.61 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 179 Рис. 4.31. Схема одноконтурного па- раметрического ге- нератора с автома- тическим смеще- нием. заходе в область образующим один периодический процесс в другой периодический процесс, причем оба процесса являются когерентными. Как отмечалось выше, для задания определенного вида несим- метрии вольт-кулоновой (цс (qj) или вольт-фарадной (С (и)) харак- теристик пользуются источником постоянного напряжения. В слу- чае реальных реактивных элементов таким путем можно одновре- менно задать рабочую точку как на характеристике нелинейной реактивности, так и на ее вольт-амперной характеристике. Однако и в случае параметрических генераторов для этих целей часто используется автоматическое смещение. Схема такого одноконтурного параметрического генератора (параметрического преобразователя) с полупроводниковым диодом имеет вид, показанный на рис. 4.31. В полу- проводниковых диодах с изображенной на рис. 4.12 зависимостью С (и) напряжение на емкости с достаточной степенью точности можно аппроксимировать выражением ис (<7) = (l/Со) (<7 + Ро<72). где для реальных диодов 0О < 0. Сопротивление диода в положительном (пря- мом) направлении, как видно из того же рис. 4.12, весьма мало, в обратном направлении сопротив- ление очень велико. Чтобы учесть влияние токов через диод и резкого изменения сопротивления nj положительных токов можно ввести разделительный конденсатор с емкостью Ср. Диод с последовательно включенным с ним кон- денсатором работает как пиковый детектор, и рабочая точка при этом сдвигается влево по характеристике (даже при минимальном заходе в область положительных смещений). Если предположить, что напряжение на конденсаторе равно амплитуде колебаний, то решение можно искать в виде х = у — Р cos 2т, y = ucosT-{- v sinx—А, у = — и sin т -}- v cos т, где по-прежнему и = и (т), v — v (т). Уравнение движения в рассматриваемой колебательной системе при указанной для полупроводникового диода аппроксимации в принятых нами обозначениях имеет вид х + х = &с — 2'Ох — + U cos 2т. (4.6.13) Как видно, в нем в явном виде не фигурирует нелинейная про- водимость, однако она скрыта в самом решении, точном в случае бесконечной проводимости диода в прямом направлении. Решение задачи методом ММА при указанной замене переменных приводит к следующей системе укороченных уравнений, аналогичной
180 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГГЛ. 4 предыдущей и имеющей вид й = — fl'M + 1/2(₽^ -£*) v, й = 1/2(р/Ч-НД«-йс>, (4.6.14) где U = £ + 2М- Поскольку в колебательной системе имеются параметрически возбужденные колебания с амплитудой А, то существует допол- нительное смещение (напряжение), которое смещает рабочую точку влево от нуля, изменяя тем самым нелинейную дифференциаль- ную емкость диода. При этом, естественно, изменяется и рас- стройка системы Выражение для стационарной, отличной от нуля амплитуды в рассматриваемом случае получается стандартным способом и имеет вид Рис. 4.32. Кривая параметрическо- го возбуждения для системы с автосмещением. Дп = - др (g ч- V₽2Р2 - 4<Н = 2ТЛ ч= /₽2^2 - 4^2), (4.6.15) ибо для реальных диодов р < 0. Сравнивая выражения для стационарных амплитуд в случае одноконтурного параметрического генератора с нелинейной реак- тивностью и параметрического генератора на ПД с автосмещением, можно заметить их сходство; это, естественно, приводит к анало- гии в положении и виде областей параметрического возбуждения. Поэтому в рассматриваемом случае можно использовать получен- ные ранее результаты исследова- ния устойчивости стационарных решений. Если в укороченных уравне- ниях сохранить член с коэффициен- том Pg, то выражение для стацио- нарной амплитуды примет несколь- ко иной вид, а именно, = 2Т(П^ ч“ 4= ]/р2(1 -g)2 Р2 —4'62]. (4.6.16) Это выражение соответствует зам- кнутым кривым, ограничивающим области параметрического возбуждения (рис. 4.32), что весьма хорошо согласуется с экспериментальными результатами го изме- рению ширины областей параметрического возбуждения. Как и в рассмотренных ранее системах, наличие нелинейной реактивности приводит в данном случае к наклону области воз- буждения, причем кроме сохраняющейся области мягкого возбуж- дения (при появляется область жесткого возбуждения, лежащая между и Е3. Для возбуждения в ней параметрических
« 4.6] ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1Я1 колебаний системе необходимо сообщить определенный начальный толчок, величина которого зависит от расстройки t, что хорошо вид ю на рис. 4.32. В случае одноконтурного параметрического генератора на ПД с автосмещением ограничение амплитуды колебаний происходит не за счет нелинейного затухания (ибо мы рассматривали идеаль- ный пиковый детектор без потерь), а за счет расстроечного меха- низма ограничения (Р =#0), при котором получается наклон области возбуждения, так как кривая зависимости дифференциальной емкости от заряда у полупроводникового диода имеет несиммет- ричный вид. Этот механизм ограничения амплитуд параметрически возбужденных колебаний в таком генераторе называют иногда ограничением за счет автосмещения. При анализе работы параметрических генераторов разного типа с разными механизмами ограничения амплитуды параметрических колебаний мы интересовались в основном стационарными реше- ниями, которые можно получить из общего решения той или иной задачи (разумеется, если ее удается решить аналитически), если время устремить в бесконечность. Однако значительный интерес представляет рассмотрение переходных процессов (процессов уста- новления) в параметрических генераторах различных типов, т. е. исследование зависимости амплитуды возбуждающихся колебаний от времени. В большинстве реальных случаев, когда действует одновре- менно несколько механизмов ограничения амплитуды, т. е. в си- стеме имеется несколько нелинейных элементов, полное решение задачи удается провести только численными методами с помощью ЭВМ. Однако характер переходного процесса можно качественно (а иногда и количественно) определить на основании исследова- ния характеристического показателя Z. Общий характер устойчивости стационарных решений для па- раметрических генераторов всех типов следует из анализа вещест- венной и мнимой частей характеристического показателя X. Если вещественная часть для ненулевых решений отрицательна, то соответствующий стационарный режим является устойчивым по Ляпунову, причем наличие или отсутствие мнимой части харак- теристического показателя выявляет характер этой устойчивости. Если ReX<0 и отсутствует мнимая часть Х(1тХ = 0), то возмущения в области устойчивости апериодически затухают; если же характеристический показатель X комплексен, то затуха- ние происходит в осцилляторном режиме. Поэтому выход на ста- ционарную амплитуду в случае диссипативного механизма огра- ничения (ограничение за счет нелинейного сопротивления) всегда имеет апериодический характер (рис. 4.33, сплошная кривая). На том же рисунке пунктирной линией показан процесс уста- новления стационарной амплитуды в ламповом генераторе. Осо-
182 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 1ГЛ. 4 бенность переходного процесса при параметрическом возбуждении колебаний связана с тем, что увеличение энергии параметрически возбуждаемых колебаний пропорционально самой их энергии. Вследствие малости запасенной начальной энергии (энергия теп- ловых флуктуаций) амплитуда параметрических колебаний вна- чале на участке О — t, растет медленно, затем на участке t1~te быстро увеличивается, а на участке г>/2, когда вступает в дей- ствие механизм ограничения, амплитуда колебаний параметриче- ского генератора асимптотически приближается к стационарной амплитуде Л() (случай нелинейного затухания). Рис. 4.33. График установления ста- ционарной амплитуды в параметриче- ском генераторе при диссипативном механизме ограничения. Рис. 4.34. График установления ам- плитуды колебаний в параметрическом генераторе при ограничении за счет нелинейности реактивного параметра. При ограничении параметрических колебаний за счет нелиней- ной реактивности (расстроенный механизм ограничения) система приходит к своему стационарному состоянию осцилляторно (рис. 4.34). Колебательный процесс установления колебаний может возникать за счет инерционности реактивного параметра. В этом случае характеристический показатель X является комплексной величиной, в которой действительная часть (ReZ) определяет скорость уменьшения амплитудных вариаций, а мнимая часть (Im X) —частоту (период) осцилляций при выходе на стационарную амплитуду. При наличии в параметрическом генераторе нелинейного сопро- тивления, нелинейной емкости и цепочки автосмещения в зависи- мости от соотношения нелинейных параметров, глубины модуля- ции, расстройки и от соотношения между постоянной времени цепи автосмещения и периода параметрических колебаний в си- стеме можно реализовать как апериодический, так и осцилляторный процессы установления; можно также получить стационарный режим с синусоидальной или прерывистой автомодуляцией. Физически процесс параметрического возбуждения колебаний в параметрическом генераторе можно представить себе следующим образом. Колебательный контур одноконтурного параметрического ганератора представляет собой высокодобротную колебательную
S4.B) ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 183 систему; в ней еще до включения генератора накачки вследствие наличия тепловых флуктуаций существуют электрические колеба- ния с широким спектром частот, причем колебание с одной из частот to, на которую примерно настроен контур параметрического генератора, значительно превышает все остальные по среднеквад- ратичной амплитуде. Тогда включение генератора накачки с часто- той 2со приведет к возрастанию амплитуды шумовой компоненты с частотой, точно равной половине частоты накачки (для первой области параметрической неустойчивости): фаза этой компоненты по отношению к фазе колебаний накачки соответствует случаю «сильного» параметрического резонанса. Однако, как следует из особенностей «сильного» параметрического резонанса, при измене- нии фазы усиливаемого сигнала на л процесс его параметриче- ского усиления абсолютно не изменится. Отсюда вытекает важное следствие, а именно, то, что параметрический генератор позволяет возбудить колебание либо в одной, либо в другой (противополож- ной) фазе. Таким образом, одноконтурные параметрические генераторы обладают тем свойством, что фазы параметрически возбуждаемых в них колебаний зависят от начальных условий. Если начальные условия случайны (например, тепловой шум), то фаза возбужден- ных колебаний тоже будет случайной. При непрерывном действии 1енератора накачки подбором начальных условий можно возбу- дить колебание либо в одной, либо в другой (противоположной) фазе, условно обозначаемых 0 и л. Фаза этих колебаний относи- тельно фазы напряжения накачки сохраняется в параметрическом генераторе сколь угодно долго. На этом свойстве параметрических генераторов основана работа параметронов — малых по габаритам и по потребляемой мощности одноконтурных параметрических генераторов, которые исполь- зуются в технике в качестве элементов памяти, в счетных и логи- ческих машинах и устройствах (сочетание большого количества параметронов в одной машине). В силу специфического характера переходных процессов при параметрическом возбуждении колеба- ний (наличие начального участка с медленным ростом амплитуды, в результате чего процесс установления стационарной амплитуды длится примерно 20—30 колебаний основной частоты) счетные и логические устройства на основе параметронов используются обычно в тех случаях, когда требуется не очень большое быстро- действие, но высокая надежность, например, для управления ме- ханическими станками с программным управлением. В колебательных системах с параметрическим воздействием возможно появление комбинационных явлений. В параметриче- ских преобразователях, в которых преобразование частоты произ- водится с помощью напряжения накачки с использованием не- линейных элементов, может возникнуть целый ряд комбинационных
184 КОЛЕБАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЙ ГГЛ 4 р частот. В частности, параметрические колебания могут воз- буждаться при подаче на нелинейный реактивный элемент не одного, а, например, двух напряжений накачки с разными часто- тами. Схема такого одноконтурного параметрического генератора с двумя генераторами накачки с раз- ными частотами показана на рис. 4.35 Здесь в качестве нелинейного реактив- ного элемента используется конденсатор с сегнетоэлектриком. Уравнение, описывающее колебатель- ный процесс в такой системе, имеет вид Рис. 4.35. Схема параметри- dp четкого генератора с двумя L Uq (q) — генераторами накачки. = «д COS (Од/ + U2 COS со2/. L С(Ч) ltfCOS6)ft Если вольт-кулоновую зависимость ис (q) на конденсаторе представить в виде полинома “с (9) = J (? + Ро?2 + То?3+•• •). Со что соответствует изменению емкости нелинейного конденсатора по закону 1/С=1 (1 + ₽0? +То?2+ Со и ограничиться записанными выше членами разложения, а также положить, что в рассматриваемом контуре существуют вынужден- ные колебания с несоизмеримыми частотами сод и <о2, то эти коле- бания, воздействуя на нелинейный элемент, вызовут комбинаци- онные колебания. Первый нелинейный член разложения \\tq2 обусловит появле- ние компонент изменения обратной емкости с частотами вида а>д±а)2 (т. е. с частотами, представляющими комбинацию исход- ных частот, отсюда и термин «комбинационные частоты»). Если учесть еще более высокие степени разложения обратной емкости по степеням заряда q, то комбинационных частот станет еще больше и они будут в общем случае иметь вид Щ<Вд ± /го>2, где т и « — произвольные целые числа, причем сумма т-\-п соответствует степени высшего члена в разложении обратной емкости. Если колебание какой-либо комбинационной частоты ю удов- летворяет условиям параметрического возбуждения, то в контуре возникают колебания с частотой (o^w0, где <оо — собственная частота контура параметрического генератора. Для первой области
§ 4.6] параметрические преобразователи 185 параметрической неустойчивости это может произойти в случае Wj = 2<о (а>2 = 0), в случае ю2 = 2а> (0^ = 0), в случае o)1rLo)2 = 2o) или в общем случае ты1± = Таким образом, кроме возбуждения колебаний с частотой, равной половине частоты одного генератора накачки со = iOj/2 (<о2 = 0) и со = а^/2 (со, = 0) в системе с двумя генераторами накачки могут возбуждаться также колебания с частотами со = % (со, ± со2), или в общем случае с частотами ю = V2 (/ncoj ±/1ю2). (Для простоты мы рассматривали частотные условия возбуждения параметрических колебаний, соот- ветствующих первой области Матьё. Разумеется, комбинационные колебания могут также возбуждаться в областях Матьё более высокого порядка.) При рассмотрении комбинационных явлений в параметрических системах предполагалось, что о, и оц — несоизмеримые частоты, т. е. такие частоты, период повторения суммы которых на много порядков превосходит периоды колебаний со, и се2. Если бы частоты со, и о)2 были соизмеримы, то сумма напряжений иг cos + и2 cos <D„t изменялась бы периодически. Тогда в правой части исходного уравнения стояла бы периодическая функция времени, и исполь- зование метода ММА с усреднением точных дифференциальных уравнений по периоду не представляло бы трудностей. Необхо- димо только учесть еще и фазовые соотношения между воздейст- вующими частотами. При несоизмеримых значениях со, и со2 применение метода ММА становится весьма неточным и для решения исходного уравнения необходимо прибегнуть к соответ- ствующим приближениям.
ГЛАВА 6 АВТОКОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ § 5.1. Основные физические определения и классификация автоколебательных систем Автоколебательные системы относятся к классу активных колебательных систем, определение которых было дано в § 4.1. Однако, в отличие от активных систем, в которых вложение энергии можно однозначно описать с помощью отрицательного сопротивле- ния и которые могут быть линейными и неконсервативными, автоко- лебательные системы принципиально нелиней- ны и неконсервативны. Это их свойство обусловливает возможность существования в автоколебательных системах стационарных по форме и величине колебаний, что в рам- ках представлений о фазовой плоскости оз- начает наличие предельных циклов—асимпто- тических замкнутых фазовых траекторий. Схематически простейшую автоколеба- тельную систему можно представить так, как на рис. 5.1. Если через N обозначить запас колебательной энергии в системе, то в стационарном режиме автоколебаний изме- нение колебательной энергии за период по определению равно нулю, т. е. Рис. 5.1. Общая схе- ма автоколебательной системы. I — накопительный эле- мент, например LCR-noa- тур, 2 — канал обратной связи с источником посто- янной анергии. Ni+r — Az=0, или (АА)Г = О. Напомним, что для консервативных систем dN/dt^O, поскольку запас колебательной энергии N = const. В случае диссипативных систем dN/dt — — F(t)<Q, где F(t) — функция, характеризующая диссипативные свойства системы, причем для диссипативных систем F(t)>0. Функция диссипации характеризует мощность потерь в системе. Действительно, если написать уравнение, описывающее пове- дение последовательного колебательного контура, т. е. диссипа- тивной колебательной системы, в виде i‘S+'?2+ с’-°’ ₽л-'>
» 5.1] КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 187 то отсюда легко находим (5.1.2) Следовательно, изменение магнитной и электростатической энер- гий колебательного контура, т. е. изменение колебательной энер- гии системы, равно мощности потерь, или в обобщенной записи dN/dt = — F (I). Обычно Е(/)>0, но в автоколебательных систе- мах возможны интервалы времени при определенных амплитудах и скоростях, при которых Вполне очевидно, что условие F(t)<ZO присуще только активным системам. Из этих физичес- ких представлений вытекает основное уравнение энергетического баланса автоколебательных систем т J F (0 dt = 0. (5.1.3) о Совершенно ясно, что в линейной и нелинейной диссипативных системах невозможен автоколебательный процесс. Для осущест- вления автоколебательного процесса необходимо, чтобы функция диссипации F (/) была знакопеременной. При этом в течение одной части периода происходит пополнение колебательной энергии (что можно описать с помощью известного нам понятия отрицательного сопротивления 7?_), в течение другой его части — уменьшение колебательной энергии. Тогда можно обеспечить энергетический г баланс системы F (/) di — 0, что означает наличие стационарных о автоколебаний в колебательной системе. Если, к примеру, счи- тать, что в колебательной системе сопротивление зависит от про- текающего через него тока, т. е. R = R(i), то для реализации автоколебаний необходимо потребовать, чтобы функция F (t) = = R (i) t2 была знакопеременной. Только в этом случае можно выполнить условие (5.1.3). Как видно, для этого необходимо, чтобы знакопеременной была функция R (i). По поводу формы автоколебаний можно сделать некоторые предварительные физически обоснованные предположения. Если накопительный элемент / (см. рис. 5.1) представляет собой доб- ротный колебательный контур и в системе происходят автоколе- бания, то эти колебания будут близки к гармоническим; свойства цепи обратной связи лишь в небольшой степени повлияют на форму колебаний и в основном она служит только для пополне- ния колебательной энергии в течение части периода автоколеба- ний. Если при наличии автоколебаний разорвать цепь обратной связи, то в накопительном элементе будут наблюдаться затухаю- щие колебания. Автоколебательные системы, удовлетворяющие указанным выше условиям, мы будем называть автоколебатель-
188 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 ными системами осцилляторного типа. В осцилляторных системах потери энергии за период, а следовательно, и величина добавляе- мой энергии значительно меньше запаса энергии, накопленной в основной колебательной системе. Если же элемент / (см. рис. 5.1) представляет собой аперио- дический контур, состоящий в основном из RL- или RC-элементов, то форма автоколебаний существенно зависит от свойств цепи обратной связи. Если в такой колебательной системе выполнены условия самовозбуждения, то форма генерируемых колебаний, как правило, далека от синусоидальной, а период колебаний связан с временем релаксации системы, хотя в некоторых случаях (см. ниже) подбором параметров автоколебательной системы можно заставить ее генерировать колебания, близкие к гармоническим. Эти автоколебательные системы принято называть релаксацион- ными. Релаксационными системами считаются системы, в которых после разрыва канала, по которому восполняются потери в си- стеме (элемент 2 на рис. 5.1), колебания в накопителе 1 аперио- дически затухают независимо от формы этих колебаний до разрыва цепи обратной связи. Отсюда сразу же вытекает, что в релакса- ционных автоколебательных системах может происходить 100%-ный обмен энергии (рассеиваемой на пополняемую) в течение каж- дого периода автоколебаний. Как уже было отмечено выше, для получения автоколебаний в системе необходимо, чтобы функция диссипации была знако- переменной, для чего можно использовать различные по физи- ческой природе нелинейные двухполюсники с так называемыми N-mm Рис. 5.2. Вольт-амперная характе- ристика туннельного диода. Рис. 5.3. Вольт-амперная характе- ристика газоразрядного прибора. «падающими» участками на своих вольт-амперных характеристиках (рис. 5.2, 5.3). На этих участках путем принудительного поддер- жания определенных тока i0 или напряжения и0 в двухполюснике обеспечивается появление в системе отрицательного сопротивления и, следовательно, возможность возникновения автоколебаний. Такими падающими характеристиками обладают туннельные
§ 5.!] КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 189 диоды, газоразрядные приборы, многосеточные электронные лампы, тиристоры, диоды Ганна, джозефсоновские сверхпроводящие контакты и другие приборы. В случае параллельного подсоеди- нения нелинейного двухполюсника с отрицательным дифференци- альным сопротивлением к параллельному контуру необходимо использовать элемент с характеристикой TV-типа, показанного на рис. 5.2, так как общим для всех элементов такой колебательной системы является напряжение и. Урав- нение Кирхгофа для этой системы (рис. 5.4) имеет вид ! (п^ + С^4-^ + <р(«)=0 L J til > \ О Рис. 5.4. Схема колебатель- ной системы с нелинейным активным элементом с ха- рактеристикой W-типа. или после однократного дифференциро- вания (5.1.4) где R0=l/G, <р' (и) — дифференциальная проводимость нелиней- ного элемента с падающей характеристикой, называемая также крутизной характеристики и обозначаемая S (и). Условие само- возбуждения системы (неустойчивость состояний покоя ио = 0) получается, если потребовать выполнения неравенства 1Н- Ч>' («)] < 0. (5.1.5) Для этого необходимо, чтобы, во-первых, ф' (и) ju=Uo <0 и, во- вторых, | ф' (и) | > 1//?0. Иными словами, на нелинейный элемент нужно подать такое постоянное напряжение, чтобы попасть на падающий участок вольт- амперной характеристики и, кроме того, обес- печить, чтобы отрицательная дифференциальная крутизна ф' (и) в рабочей точке была по модулю больше активной проводимости в системе. Дан- ные требования отвечают выбору омического сопротивления Ro в соответствии с неравен- ством /?0> 1/| ф' (и) |. При последовательном соединении элемен- тов (рис. 5.5) общим для всех элементов яв- ляется ток i, и поэтому уравнение движения в Рис. 5.5. Схема последовательного контура с нелиней- ным активным эле- ментом с характе- ристикой S-типа. системе целесооб- разно записать в виде или L + i $‘^+Ф(»)=о, (5.1.6) (5.1.6 а)
190 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 В этом случае необходимо использовать элемент с вольт-амперной характеристикой S-типа (рис. 5.3). Условие самовозбуждения запишется следующим образом: [Яо + Ф'(0]<0, (5.1.7) что можно выполнить, если Ф' (0 <0 и | ф' (i) 'j > Rv. Для удовлетворения условий (5.1.7) необходимо введение в нели- нейный элемент дополнительного тока t0, обеспечивающего в ра- бочей точке падающую характеристику, и соответствующий выбор величины Ro. Заметим, что и для параллельного контура и для последова- тельной цепи создание неустойчивого состояния равновесия требует введения в систему дополнительных источников напряжения или тока. Это означает, что свойства активного элемента могут быть получены только при наличии источника энергии в системе. Если в качестве независимой переменной выбрать напряжение на емкости с тем, чтобы эта переменная х = ис не могла меняться скачком (энергия, запасенная в конденсаторе, не может меняться duc dx скачком), то с учетом ic — C — С и с введением безразмер- ного времени т = <о/, где <o2=l/LC, получаем из (5.1.6а) х [/?оС<ох ф (Сшх)] + х — 0 или х-ф-/(х)-ф-х = 0, (5.1.8) где f (Л) = R0Cux ф- ф (Сих). Если при всех движениях в системе функция f(x) мала, то это уравнение описывает систему, близкую к линейной консерва- тивной. Подобные автоколебательные системы осцилляторного ти- па принято называть томсоновскими. Если х = х0 —положение равновесия исследуемой системы, то f (х) !х=хо = /(О) = — х0. Устойчивость этого положения равновесия определяется характером решения уравнения для малых вариаций (возмущений) т] равновесного значения х = х0, т. е. х = х04-т]; тогда f(x) = f(r)) = f(O)+r (0)т]-Ь.- Уравнение для вариаций будет иметь вид »]+/' (О)П + П = °- (5.1.9) Если f (0) < 0, то любые сколь угодно малые возмущения т] вблизи начального значения х0 превратятся в нарастающие коле- бания. Параметры этих колебаний можно найти либо интегриро- ванием исходного уравнения (5.1.8), либо путем исследования
§ 5.2] ВЫРОЖДЕННЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 191 системы качественно на фазовой плоскости методом изоклин или методом Льенара. Уравнение фазовых траекторий для рассматри- ваемой системы имеет вид dy (х-Н(у)) dx у (5.1.10) где, как и ранее, у = х. § 5.2. Вырожденные автоколебательные системы Вырожденной автоколебательной системой называется система, не содержащая полного набора реактивных элементов. Рассмотрим пример такой системы, которая, естественно, является системой релаксационного типа (рис. 5.6). Для нее можно записать: Ri + u = E, i = ic4-i*; ic = C-^(, i*=q(u) и, следовательно, /?С ~ = E — u — R<p (и), du „ В стационарном состоянии =0 и ср (и) — (Е — u)/R. В (5.2.1) (5.2.2) качестве активного двухполюсника элемент с падающей вольт-амперной необходимо использовать (см. рис. 5.3). Представим уравнение (5.2.2) графи- чески для трех различных напряжений питания схемы Elt Е2, Es, соответствую- Рис. 5.6. Схема вырожден- ной автоколебательной си- стемы с С и R. характеристикой S-типа Рис. 5.7. Графическое определение положе- ний равновесия для вырожденного RC-pe- лаксационного генератора. щих трем стационарным состояниям системы 1, 2, 3 (рис. 5.7). Исследуем на устойчивость стационарное состояние ии. Пусть и = и04-г). Линеаризуя по малой вариации т] вольт-амперную характеристику ср (и) вблизи стационарного состояния и0, имеем Ч W = ср (и0 -Ь Ч) = ф («о) + W' («о);
192 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ. 5 подставляя полеченное выражение в исходное уравнение (5.2.1), находим /?С^ = -[1+/?ф'(Мт]. (5.2.3) Если [1 +/?<р' («0)|> 0, получаем затухающее решение, при [1 4-7?<р' (п0)] <0 — нарастающее решение. Следовательно, при [1 4-/?<p'iz0)] > 0 система, описываемая основным уравнением дви- жения (5.2.1), находится в устойчивом состоянии, а при [1 +W («о)1 < о состояние с и =-- tz„ неустойчиво. Отсюда сразу Рис. 5.8. Фазовый порт- рет колебаний в вырож- денном /?С-релаксацион- ном генераторе. видно, что состояние / и 3 на рис. 5.7, устойчивы, а состояние 2 может быть не- устойчивым, если ф'(и.2) <—1/7?. Построим фазовый портрет исследуемой релаксационной системы, для чего на фа- зовой плоскости в координатах ic = С du/dt и и изобразим вид функции С du/dt = = (Е — и)/Е — <р (и) (рис. 5.8). Рассмотрим положение равновесия (du/dt = 0), соответствующее точке 2 на рис. 5.7. Если система в силу флук- туаций в ней испытала толчок в сторо- ну увеличения значения и, то напря- di d { du \ — = — C — du du \ dt / жение будет увеличиваться ввиду поло- жительности du/dt до того момента, когда не станет равным бесконечности. Дальнейшее увеличение и невозможно, но описывающая точка с dic/du = оо не может быть равновесной. Таким образом, при анализе системы появилось внутреннее противоречие, возникшее вслед- ствие того, что математическое описание системы с помощью дифференциального уравнения первого порядка не отражает всех ее существенных особенностей. Для последовательного рассмотре- ния необходимо учесть в системе малую паразитную индуктив- ность, которая всегда существует в схемах, содержащих соедини- тельные проводники. Тогда систему описывает дифференциальное уравнение второго порядка, что позволяет получить периодиче- ское решение и, следовательно, автоколебательный процесс. Однако ) дается обойти возникшее противоречие, предположив, что система в процессе движения может совершать скачки с одной устойчивой ветви кривой на другую, т. е. из точки 1 в точку 2, а из точки 3 в точку 4. Такое предположение основано на том, что во время скачка тока при L = 0 энергия в системе не меня- ется, т. е. /Д+0 = АД(). Это условие непрерывности энергии, кото- рое применительно к данной системе приводит к условию непре- рывности напряжения на конденсаторе (uc)ti0 = (uc)t 0. Допуская
§ 5.2] ВЫРОЖДЕННЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 191 возможность существования бесконечно быстрых скачков тока в рассматриваемой системе, получим для ис (0 и ic (t) стационарные автоколебательные процессы, показанные на рис. 5.9 и 5.10. Такой упрощенный анализ движения не дает, естественно, исчерпывающей характеристики автоколебаний. Более точное Рис. 5.9. График изменения напря- жения на емкости вырожденного /?С-релаксационного генератора. Рис. 5.10. График изменения тока в вырожденном /?С-релаксационном ге- нераторе. решение получается, если учитывать наличие реально сущест- вующей паразитной индуктивности, что приводит к конечной скорости скачков. Аналогичные автоколебательные процессы возможны и в систе- мах с неоднозначной зависимостью напряжения от тока (вольт- амперная характеристика /V-типа), например в системе, изобра- женной на рис. 5.11. В этой системе возможно возбуждение и поддержание автоколебаний со скачками напряжения. Условием скачка в данном слу- I । чае будет непрерывность тока, т. е. непре- в Д рывность изменения величины магнитного по- Е тока в индуктивности L, определяющей запас 1 ____ энергии в системе. В момент скачка i/+0 = i/-0- I N I Другим примером вырожденной автоколе- рис 5 схема вы бательной системы является транзитронный рож'ленной автоколе- генератор, в котором используется падающий бательной Д/?-системы. участок вольт-амперной характеристики зави- симости тока второй сетки пентода от напряжения на антидинат- ронной сетке ig2 = <p (ugs) (рис. 5.12). Схема транзитронного генера- тора, представляющего собой систему с двумя вырожденными сте- пенями свободы, показана на рис. 5.13. Для нее можно записать следующие уравнения: RC^ + u+ur~Et„ (5.2.4) „,_Г(С^+(Ь-С,^). (5.2.5) 7 В В. Min ул ин и др.
194 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ 5 Из (5.2.4) получаем выражение для иг и подставляем его вместе с первой производной по времени dur/dt = — RC d2u/dt2 ф du/dt в (5.2.5), что приводит к следующему уравнению: RrCCx + [₽С + rC + rCJ + rZg, + и = Eg2. (5.2.6) Обозначим аргумент нелинейной транзитронной характеристики через х = ug = RC du/dt', тогда уравнение (5.2.6) после однократ- ного дифференцирования примет вид + + + +¥ги + яйс-х = 0’ (5-2-7) где, как обычно, S(x) = <p'(x). Нетрудно заметить, что 5 (х) имеет размерность проводимости и, следовательно, падающий участок Рис. 5.12. Транзитронная характе- ристика пентода. Рис. 5.13. Схема транзитронного генератора. транзитронной характеристики представляет собой часть вольт- амперной характеристики /V-типа (см. рис. 5.2). Анализируя уравнение (5.2.7), можно сделать некоторые важные выводы. Если предположить, что коэффициент при первой производной dx/di в состоянии покоя системы (х = 0) можно подбором параметров г, R, С, Сх, 5(0) сделать меньше нуля, то в системе могут возникнуть автоколебания. Их частота опреде- ляется произведением двух постоянных времени релаксации гСх и RC, т. е. cog = (RrCC^y1. Условия самовозбуждения системы имеют вид S(0)<0, |5(0)|> l/r+1/R + CjCR. (5.2.8) Если теперь предположить, что коэффициент при первой произ- водной в уравнении (5.2.7) останется малым для всех возможных значений х в процессе колебаний, то такое уравнение описывает автоколебательный процесс, близкий к гармоническому. Условие малости этого коэффициента можно реализовать, если обеспечить на линейном участке падающей характеристики следующее слабое неравенство: 15 (0) | 1 // ф l/R ф CX/CR,
S S-21 ВЫРОЖДЕННЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 195 Рассматривая поведение такой автоколебательной системы, следует обратить внимание на особую роль, которую играет в определении формы колебаний параметр Сх. Если уравнение (5.2.7) записать в виде г d2x Г 1 1 Cj с .1 dx , 1 _ dt2 + [7 + R + CR + S M] di + RrCX~ °’ и считать, что Cj —> 0, то получаем дифференциальное уравнение с малым коэффициентом при высшей производной. Такой класс уравнений в теории колебаний имеет большое значение. Действи- тельно, при С\—>-0 первый член уравнения влияет на характер движения только в тех областях изменения х, где dx/dt велико, т. е. наличие емкости С, позволяет учесть быстрые изменения тока (Cxd2x/dt2). Когда изменение тока медленно, а С, близко к нулю (например, Cj —только паразитная емкость схемы), то движение в системе описывается уравнением первого порядка ®|^ + 7+S«] + ^-0. (5-2.9) из которого следует, что dt=~ C\R+r-]-RrS (х)]- <5-2' В * 10> Поскольку выражение в квадратных скобках в (5.2.9) входит сомножителем в функцию диссипации колебательной системы и обязано быть знакопеременным в случае автоколебательных систем, то выражение в квадратных скобках в (5.2.10) при изме- нении х проходит через нуль в точках, определяемых соот- ношением |S(x)|=^±_r. (5.2.11) В этих точках в системе происходят очень быстрые изменения тока, и для определения конечного времени скачка необходимо учитывать член со второй производной C1d2x/dt2. Чем меньше Clt тем резче выражены быстрые этапы движения, т. е. автоколеба- ния носят разрывный релаксационный характер. Таким образом, изменяя в широких пределах Сх, можно заставить релаксационную автоколебательную систему, какой является транзитронный генератор, генерировать колебания от типично разрывных до колебаний, близких к гармоническим. Наиболее близки к гармоническим колебания, получающиеся при приближении к нарушению условия самовозбуждения (5.2.8) в результате увеличения параметра Сх. Эти особенности поведе- ния транзитронного генератора как релаксационной автоколеба- тельной системы в зависимости от параметра Сх можно наблюдать на
196 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ 5 фазовой плоскости путем построения фазовых портретов системы с учетом конкретного вида характеристики S (х). Если коэффициент при первой производной (5.2.7) записать в виде Ci ['г + R + CR + S — то уравнение фазовых траекторий для этой системы примет вид dy __ (l/RrCCjJx-l-E^! (л) г/ dx у а уравнение изоклин — вид 1 y = ~kl [ RrCCi + ’ где kt = dyldx. При малом е, что соответствует большим Си изоклины близки к прямым, и такую автоколебательную систему можно считать близкой к линейной консервативной с фазовыми траекториями, близкими к эллипсам. При большом е (Cj мало) изоклины сильно отличаются от прямых, и фазовые траектории содержат быстрые изменения производной от координаты. В пределе при Cj = 0 процесс описывается уравнением первого порядка, и на фазовой плоскости останется одна-единственная фазовая траектория. В этом случае периодические движения возможны лишь при наличии скачков производной при сохранении непрерывности изменения х, т. е. напряжения на емкости, определяющего запас энергии системы. Недостатком транзитронного генератора следует считать невоз- можность изменения частоты колебаний без изменения их формы и амплитуды, ибо все параметры, определяющие частоту колеба- ний, входят в условие самовозбуждения (5.2.8). § 5.3. Общее рассмотрение автоколебательных систем На примерах релаксационных систем мы убедились в том, что для математического описания движения в реальных автоко- лебательных системах с одной степенью свободы необходимо пользоваться дифференциальными уравнениями второго порядка. Для систем, описываемых такими уравнениями, можно получить изображение соответствующего движения на фазовой плоскости. В некоторых случаях, когда уравнение нелинейно и не поддается аналитическому решению, построение фазового портрета движе- ния в системе является существенной помощью в определении формы колебаний и динамики их установления. Следует отме-
§ S 3] РАССМОТРЕНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 197 тпть, что для решения сложных нелинейных уравнений исполь- зуются также численные методы с применением ЭВМ. Если рассматривать автоколебательные системы с постоянными реактивными параметрами в предположении, что нелинейность системы проявляется только в свойствах диссипативного члена в уравнении движения, то в общем виде его можно записать следующим образом: ^+МХ’ щ) + “гЛ'=°. (5.3.1) При соответствующем выборе функции ф0(х, dx/dt) оно справед- ливо для любого вида автоколебательных систем (как оснилля- торных, так и релаксационных). Вводя безразмерное время т = = получим х-|-ф(х, х)+х = 0. (5.3.2) Если, как обычно, положить х = у, то уравнение фазовых траек- торий запишется в виде бу __ |х+^(х. у)] dx у (5.3.3) Введение в уравнение (5.3.1) т==ш()/ необходимо для получения одинакового масштаба для х и у. Из физических определений известно, что если система явля- ется автоколебательной, то в ней должен существовать стационар- ный колебательный процесс, который на фазовой плоскости соот- ветствует замкнутой фазовой траектории, так как автоколебатель- ную систему можно рассматривать как квазиконсервативную. Если автоколебания в системе устойчивы, то и замкнутая фазовая траектория также должна быть устойчива, т. е. к ней должны сходиться все фазовые траектории в близкой ее окрестности. Подобные предельные фазовые траектории называют предельными циклами. Для предельного цикла должен соблюдаться энергетический баланс, т. е. за период колебаний 2л J ф (х, у) х dx = 0. и Доказано, что при определенных условиях, накладываемых на вид диссипативной функции ф(х, у), такие предельные циклы существуют, и они описывают автоколебательные процессы. При представлении автоколебательных систем на фазовой плоскости наряду с предельными циклами необходимо рассматривать также особые точки, соответствующие состояниям равновесия.
198 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕВАНИЙ (ГЛ. в Если положить, что ф (х, y)=f (у), что соответствует многим физическим колебательным системам, то уравнение фазовых тра- екторий примет вид rfy _ _ [х-И (У)] dx у (5.3.4) Приближенное графическое построение фазовых траекторий таких систем (см. § 2.3) удобно проводить методом Льенара. На рис. 5.14 показаны построения для нескольких точек (.4, С, В) фазовой плоскости при заданной форме f (у). Если система диссипативная, то функция f (у) должна иметь тот же знак, что и у. При введении в систему энергии знак f{y) противоположен знаку у. Мгновенный центр для построения отрезков фазовой траектории лежит при этом справа от начала координат, и сама фазовая траектория раскручивается. В случае стационарных автоколебаний необходи- мо, чтобы вложение энергии балансиро- валось потерями в системе; иными сло- вами, функция f(y) должна быть такой, чтобы в зависимости от состояния систе- мы менялся знак потерь. На рис. 5.14 Рис. 5.14. Построение эле- мента фазовой траектории методом Льенара. это соответствует движению описываю- щей точки по фазовой траектории из точки А к точке С; на этом участке траектория скручивается. На участке от точки С до точки В фазовая траектория раскручивается. Такая смена состояний системы на фазовой плоскости происходит четыре раза за период. Если уменьшения и увеличения амплитуды ком- пенсируют друг друга, то наблюдается устойчивый предельный цикл, и имеет место энергетический баланс в системе. Рассмотрим малые колебания вблизи положения равновесия. Приближенно можно считать, что для функции f (у), характери- зующей потери системы, мы вправе записать f(y)^f (°)*л Как известно, для неустойчивости состояния покоя необходимо, чтобы f (0) и у имели разные знаки, т. е. чтобы [' (0) у <0. В этом случае в системе происходит увеличение колебательной энергии. Если же f' (0) у>0, то в системе имеет место диссипация энергии. Поэтому график —f(y) для автоколебательной системы с малыми потерями должен иметь вид, показанный на фазовой плоскости рис. 5.15. При малых f (у) мгновенные центры для построения фазовых траекторий близки к началу координат, сами фазовые траектории
« 5.31 РАССМОТРЕНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 199 напоминают окружности, а колебания в системе близки к гармо- ническим. Подобные автоколебательные системы принадлежат к системам томсоновского типа. Следовательно, для томсоновских автоколебательных систем характерна малость / (у), что физически означает малую убыль и малое пополнение энергии за период колебания в стационарном режиме. Начало координат (см. рис. 5.15) является неустойчивой особой точкой типа фокус, и все траектории, выходящие из начала коор- динат, через большее или меньшее число периодов колебаний (в зависимости от добротности накопительного элемента системы) приходят на предельный цикл. В зависимости от знака f(y) вся фазовая плоскость делится на следующие области: / — инкре- ментная область, в которой вло- жение колебательной энергии превосходит потери; II — декре- ментные области, в которых по- тери превосходят вложения энер- гии (см. рис. 5.15). В инкремент- ной области расстояние фазовой траектории от начала координат увеличивается, т. е. увеличивает- ся энергия колебаний, в декре- ментной области фазовые траек- тории приближаются к началу Рис. 5.15. Построение фазовых траек- торий для томсоновской системы. координат, что соответствует уменьшению колебательной энергии системы. В такой системе в зависимости от начальных условий (л0, у„) фазовая траектория придет к предельному циклу либо изнутри, если Л'и<л'стац, У(] ^/стац» Либо СНаруЖИ, еСЛИ Хд^>Хстац, Z/q Z/clL1Ii, Где Л’стац и £/стац лежат на предельном цикле. Для автоколебательной системы, для которой функцию f (у) нельзя считать малой, фазовый портрет системы имеет вид, пока- занный на рис. 5.16. В такой системе колебания заметно отли- чаются от гармонических, процесс установления стационарных автоколебаний происходит значительно быстрее, чем в случае, показанном на рис. 5.15. Энергообмен в системе значительно больше, чем в системах томсоновского типа. Автоколебательная система такого типа занимает промежуточное положение между системами томсоновского и релаксационного типов. Если мы построим на фазовой плоскости фазовые траектории для системы, у которой функция f(u) меняется в больших преде- лах, то получим для данного вида f(у) фазовый портрет, показан- ный на рис. 5.17. Нелинейная функция f (у) такого вида соответ- ствует автоколебательной системе релаксационного типа, близкой
200 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ. 5 к вырожденной системе, для которой член с высшей производной необходимо учитывать только во время быстрых изменений коор- динаты у (случай скачков). Установление стационарных колебаний Рис. 5.16. Вид фазовых траекто- рий для системы промежуточного типа. Рис. 5.17. Вид фазовых траекто- рий для системы релаксационного типа. (выход на предельный цикл) в подобных системах происходит практически за доли периода колебаний. Энергообмен в систоме в режиме автоколебаний близок к 100%. Фазовый портрет такой г®, t Рис. 5.18. Графики установления колебаний для различных типов автоколе- бательных систем. системы показывает, что форма предельного цикла в сильной сте- пени зависит от вида нелинейной функции f(y). Если, как это сделал Ван дер Поль, провести численное интегрирование уравнения х ф- е (—1 ф- х2) х ф- х = 0, (5.3.5)
§ 5.41 СИСТЕМЫ ТОМСОНОВСКОГО ТИПА 201 в котором функция f (у) имеет вид f (у) = —е(1 — у2), то при раз- личных значениях безразмерного параметра е получаются суще- ственно разные картины процесса установления колебаний в системе, описываемой уравнением (5.3.5) (рис. 5.18). При 8 = 0,1 (рис. 5.18, а) установление колебаний происходит медленно, система добротна и представляет собой автоколебательную систему томсо- новского типа. При е=10 (рис. 5.18, в) стационарные колебания устанавливаются за доли периода колебаний, имеют четко выра- женный разрывный характер и соответствуют автоколебательной системе релаксационного типа, близкой к вырожденной. При е = 1 (рис. 5.18, б) процесс установления происходит за несколько периодов колебаний; форма колебаний существенно отличается от гармонической; такая автоколебательная система является проме- жуточной между системами томсоновского и релаксационного типов. Процессы установления в системах, описываемых уравнением Ван дер Поля с разными значениями коэффициентов при дисси- пативном члене, соответствуют фазовым портретам систем с раз- ными величинами функции f (у), рассмотренным ранее на фазовой плоскости методом Льенара. § 5.4. Автоколебательные системы томсоновского типа Выше уже отмечалось, что для автоколебательных систем томсоновского типа характерны малое затухание и малое вложение энергии за период колебаний по сравнению с запасом колебатель- ной энергии системы. Колебания в таких системах почти гармо- нические. Элементарная теория часов. Простейшая система такого типа — обыкновенные часы с маятником или балансом в качестве накопи- теля энергии. Принцип работы часов заключается в том, что когда маятник (баланс) совершает колебания и проходит через свое положение равновесия, ему через механизм, связанный с заведен- ной пружиной, сообщается толчок, который немного увеличивает скорость движения маятника. Если бы маятник (баланс) совершал колебания без подталки- вания со стороны заведенной пружины, то уравнение его движения записывалось бы в виде Я4-2<Н4-х=0, причем •б'>0, (5.4.1) а фазовая траектория имела бы вид постепенно скручивающейся спирали. Обозначив через d изменение скорости в момент прохождения маятника через х = 0, находим f/a+o)-t/(/-o)=d.
202 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ ГГЛ. 5 В этом случае в стационарном режиме колебаний при двух «подталкиваниях» за период предельный цикл на фазовой плоско- сти имеет вид, схематически показанный на рис. 5.19. Для данной автоколебательной системы нетрудно определить стационарную амплитуду колебаний, используя то обстоятельство, Рис. 5.19. Фазовая траектория установив- шихся автоколебаний в идеализированной модели часов. Если считать, что уменьшение амплитуды скорости за по- ловину периода (т = л) в точности компенси- руется увеличением скорости на d в резуль- тате одного толчка. Решение уравнения (5.4.1), как известно, имеет вид х = Ae~''ix sin т; тогда у — х = —sin т + cos т = = Ae~iix [cos т — 0 sin т]. При A.y<zd колебательная энергия систе- мы возрастает; при &y>d колебательная энергия системы убывает; при A.y = d имеет место стационарный автоколебательный ре- жим, при котором баланс вкладывае- мой и рассеиваемой энергий равен нулю, что толчок происходит при т = 0, то можно записать условие баланса за половину периода колебаний Ьу = А - Ае^п = Л [1 — е-Ся] = d, откуда сразу определяется стационарная амплитуда колебаний Л0==й/(1 - е-ея). Автоколебательные системы с электронными лампами. Для генератора с колебательным контуром в цепи сетки (рис. 5.20) Рис. 5.20. Схема лампового ге- Рис. 5.21. Схема лампового ге- нератора с контуром в цепи нератора с контуром в анодной сетки. цепи. в пренебрежении анодной реакцией легко выводится уравнение движения вида М dia х + 20х + х dx i (5.4.2)
§ 5.4] СИСТЕМЫ ТОМСОНОВСКОГО ТИПА 203 где x = q/q0, 2& = R/to0L, т = ®0/, g>o = 1/LC. Для генератора с кон- туром в анодной пени (рис. 5.21) дифференциальное уравнение движения имеет вид x + 2&x + x = ia/in, (5.4.3) где х = i/i0, 26 = /?/соо£, т = ««= 1 /LC. Поведение этих систем и методы анализа уравнений (5.4.2) и (5.4.3) зависят от типа системы и вида характеристик использу- емых ламп. В этом параграфе рассматриваются только автоколе- бательные системы томсоновского типа, уравнения движения которых можно привести к виду х + х = р/(х, х), (5.4.4) где f(x, ^ — ограниченная функция, ац^1. Начнем со случая линейной характеристики ia = i0-\-Sug, где ^ — постоянная состав- ляющая тока, S — крутизна характеристики (S = din/dug при на- пряжении на аноде иа — const), ug — сеточное напряжение. Этот вид зависимости ia от ug описывает поведение системы вблизи состоя- ния покоя. Рассмотрим колебания в системе в случае генератора с контуром в цепи сетки. Из рис. 5.20 видно, что ug = q/C= qox/C. Так как x = q/q0, то линейную аппроксимацию вольт-амперной характеристики лампы можно представить в виде ia = i0 + S (q0/C) x и уравнение (5.4.2) запишется следующим образом: х‘ + х = (—26 + SA4g>0) х. (5.4.5) Если (—20+ S7H(оо) >0, то система самовозбуждается. Аналогич- ное условие самовозбуждения получается для генератора с контуром в цепи анода, если записать очевидное соотношение ug = Mdildt= =M<aoiox. Тогда без учета постоянной составляющей i0 (5.4.3) примет вид х+х = —26x + 7Ww0Sx. (5.4.6) Таким образом, условием самовозбуждения обоих генераторов вблизи состояния покоя системы (х=0) является неравенство 7Wg>0S > 26. Следует отметить, что при таком рассмотрении задачи выпол- нение условия самовозбуждения означает, что колебания в иссле- дуемой системе нарастают неограниченно, что не происходит в реальных системах. Это обстоятельство связано с тем, что при- нятая нами линейная аппроксимация вольт-амперной характери- стики лампы пригодна лишь для небольших пределов изменения х. Это означает также, что в таком режиме работы подобные системы не могут генерировать стационарные колебания, т. е. не имеют на фазовой плоскости замкнутой фазовой траектории — предельного цикла.
204 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ 5 Рис. 5.22. Типичная харак- теристика триода «о=ф (и„). Метод колебательных характеристик. Для рассмотрения пове- дения автоколебательных систем при более сложных, нелинейных вольт-амперных характеристиках ламп применяется так называемый квазилинейный метод колебательных характеристик. В этом методе вводится усредненная крутизна, которая является переменной величиной, зависящей от амплитуды колебаний, т. е. S — f(A). Сущность квазилинейного метода ко- лебательных характеристик состоит в том, что ищется такая усредненная крутизна S, которая обеспечивает ра- венство нулю коэффициента при дис- сипативном члене в среднем за период колебания, т. е. в стационарном режиме (20 — S (Л) А4соо) = 0. Отсюда сразу по- лучается £(Л) = 2О/Мсо0 = /?СЖ (5.4.7) Под величиной 5 (Л) понимается отношение амплитуды первой гармоники анодного тока Д к амплитуде сеточного напряжения Hg, S (А) = Ц/ilg. Рассматриваемый метод пригоден для гармонических и почти гармонических колебаний. Пусть ia = 4>(ug), где ug = = Ug cos соо/; тогда, разлагая ia в ряд Фурье, получаем ia = /0 + + 1г cos cooZ /2 cos 2соо/ +... Рис. 5.23. Колебательная характе- ристика для мягкого режима воз- буждения колебаний. Рис. 5.24. Колебательная характе- ристика для жесткого режима воз- буждения колебаний. На рис. 5.22 показана типичная нелинейная характеристика io = <p(wg). Если выбрать начальные рабочие точки 1 и 2 так, как показано на рис. 5.22, т. е. точку 1 в середине участка характе- ристики с максимальной крутизной S, а точку 2 — где-то на изгибе характеристики <f(ug), то для этих начальных точек зависимости усредненной крутизны от амплитуды колебаний Л на сетке лампы имеют существенно различный характер (рис. 5.23, 5.24). Графическое решение уравнения (5.4.7) при выборе в качестве рабочей точки / имеет вид, изображенный на рис. 5.23. В этом
§ 5.4] СИСТЕМЫ ТОМСОНОВСКОГО ТИПА 205 случае находим единственное решение — стационарную амплитуду колебаний /1(|, при которой в системе обеспечивается баланс вкла- дываемой и рассеиваемой энергий за период колебаний. Из того же рисунка следует, что полученное решение До не только единственно возможно, но и устойчиво. Действительно, если амплитуда коле- баний А станет больше Ло, то потери в системе, пропорциональные RC/M, будут превышать вложение энергии, пропорциональное 5, и амплитуда А вернется в точку Л„. И наоборот, если А станет меньше Ао, то вложение энергии будет превосходить потери и, как следствие, амплитуда колебаний снова увеличится до значения Ао. Такой режим возбуждения с выходом на предельный цикл называется мягким и реализуется при выборе рабочей точки на участке характеристики с наибольшей крутизной; при этом на- чальные толчки (флуктуации) в системе могут быть сколь угодно малыми. Графическое решение уравнения (5.4.7) при выборе рабочей точки на изгибе вольт-амперной характеристики (точка 2 на рис. 5.22) показано на рис. 5.24. Из его рассмотрения можно сделать несколько выводов. При таком режиме возбуждения в потенциально автоколебательной системе не происходит самовозбуждения; иными словами, если флуктуации (амплитуды толчков) в системе не пре- вышают значения неустойчивой стационарной амплитуды Лх, то эти флуктуации спадают до нуля. Поэтому для возбуждения автоколебательной системы с такой колебательной характеристикой 5 (Л) необходимо сообщить ей толчок, величина которого А должна быть больше или равна Лх (жесткое возбуждение). Качественное определение устойчивости стационарных амплитуд А1 и Л2, аналогичное случаю мягкого режима, показывает, что решение Аг неустойчиво, а решение А2 устойчиво. Следует отметить, что квазилинейный метод основан на априор- ном предположении о существовании в рассматриваемой системе стационарных гармонических колебаний, для которых можно вычис- лить усредненное значение крутизны и получить ее зависимость от амплитуды колебаний. Только введение допущения о доста- точно медленном изменении амплитуды генерируемых колебаний позволяет изучать процессы возбуждения и установления стацио- нарных колебаний с помощью усредненных уравнений, аналогич- ных получаемым в методе ММА. Применение метода ММА к автоколебательным системам томсоновского типа. Уравнение, описывающее автоколебательные системы томсоновского типа с одной степенью свободы, всегда можно свести к обобщенному уравнению вида х + х = pf (х, х), (5.4.8) где ft 1. Такое же ограничение накладывалось на правую часть уравнения (2.5.1) с тем, чтобы для его решения можно было при-
206 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИИ [ГЛ 5 менять метод медленно меняющихся амплитуд. Поэтому для иссле- дования различных автоколебательных систем томсоновского типа очень часто используется метод ММА. На рис. 5.4 приведена обобщенная схема автоколебательной системы с активным элемен- том с характеристикой М-типа. К такой схеме можно привести ламповый генератор с контуром в цепи анода, генератор на тун- нельном диоде и многие другие генераторы томсоновского типа. Отметим, что характеристику М-типа с падающим участком можно получить с помощью электронной лампы или транзистора (кото- рые представляют собой четырехполюсники или трехполюсники), используя системы обратной связи (как, например, в схеме рис. 5.21), тогда как соответствующие полупроводниковые и газоразрядные приборы вследствие специфического механизма прохождения тока через них могут служить активными двухполюсниками с требуе- мыми характеристиками без дополнительных цепей обратной связи. Уравнение Кирхгофа для токов в контуре (рис. 5.4) имеет вид Ч> (н) = it + ф- z’c и при полиномиальной аппроксимации тока активного элемента получим ia = Ч> (и) = i0 + аои + рон2 + yous, где учитываются члены до кубического включительно. Тогда для нашей системы можно записать следующее уравнение движения: = (й + P-v +?х2) х, (5.4.9) где k — a — 2$, а = ссо/Ссоо, 2® = 1//?Ссоо, а>о=1/£С, р = 2роно/Ссоо, у = Зу0Но/Ссо0, х = и/и0, т = сооЛ Введенный таким способом коэф- фициент k = а — 2$ называется коэффициентом регенерации и пока- зывает соотношение между вложением и потерями энергии в коле- бательной системе при различных значениях ее параметров. Если считать, что коэффициент регенерации k и коэффициенты нелиней- ности р и у удовлетворяют требованию &<<1, Р «С 1 • Y’Ch то к такой системе применим метод ММА. Вводим новые переменные *) к = и cos т + nsinr, х = — и sin т ф- 4- vcos т и после усреднения уравнений ‘231 й = — [£ + ₽% + ух2] х sin т dx9 о 2Л cos т dr о *) Разумеется, здесь (как и много раз ранее) ц — новая переменная, а не напряжение.
§ 5 4J СИСТЕМЫ ТОМСОНОВСКОГО ТИПА 207 получаем систему укороченных уравнений й = 1/2[А + 1/4уг] н, v = % Рг + 'Луг] и, (5.4.10) где z = u2-f-o2. От двух укороченных уравнений для и и v можно перейти к одному уравнению для г: z = (k 4- 1/иуг) г. (5.4.11) В укороченных уравнениях (5.4.10), (5.4.11) отсутствуют члены с коэффициентом р, откуда следует, что квадратичные члены при усреднении не влияют на процессы установления и стационарные амплитуды в таких автономных автоколебательных режимах работы. Для данной системы существует два стационарных решения (z = 0). Одно из них является нулевым решением и соответствует состоянию покоя но = по = го = О, другое —с отличной от нуля амплитудой имеет вид г0 = — 4/г/у. Так как для самовозбуждения автоколебательной системы необходимо, чтобы коэффициент реге- нерации был больше нуля (£>0), то, значит, стационарная отлич- ная от нуля амплитуда автоколебаний в системе может быть только при у<0 (при выбранной аппроксимации нелинейной характеристики). Здесь мы встречаемся с обычным для автоколе- бательных систем условием, требующим, чтобы знак коэффициента при высшем члене в разложении вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (у0) был обратен знаку члена, обеспечиваю- щего вложение энергии, а члены (член), ответственные за вло- жение энергии в систему (а0), были всегда более низкого порядка, чем высший член в разложении. В нашем примере а0>0, у0<0. Исследуем устойчивость стационарных состояний системы. В случае состояния покоя системы г = 0-{-г], и тогда уравнение для возмущений (малых вариаций) в первом приближении имеет вид г] = Ь]. (5.4.12) Как мы видим, знак коэффициента регенерации k определяет устой- чивость состояния покоя: при k>0 состояние покоя неустойчиво, происходит самовозбуждение; при k<zO (а<2$) состояние покоя устойчиво. В случае ненулевой стационарной амплитуды (г0 = — 4k/y) ее значение при возмущении т] запишется как г =— 4^/у4-ц; тогда уравнение для возмущения примет вид т] = — kx\. (5.4.13) При /г>0 («>2'0) ненулевая стационарная амплитуда устой- чива, при &<0 («<20) амплитуда неустойчива. На рис. 5.25 приведена зависимость величины стационарной ненулевой ампли- туды от коэффициента регенерации, где кружочками обозначены
208 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 устойчивые стационарные состояния системы, крестиками — неустой- чивые состояния. Показанный на этом рисунке жирной линией режим возбуждения называется мягким режимом. Таким образом, каждому значению kt соответствует одно-един- ственное отличное от нуля стационарное состояние системы, что соответствует на фазовой плоскости одному предельному циклу — замкнутой фазовой траектории (рис. 5.26). Снаружи предельного Рис. 5.25. Зависимость стационар- ной амплитуды от коэффициента регенерации для мягкого режима. Рис. 5.26. Фазовый портрет авто- колебательной системы томсонов- ского типа при мягком режиме возбуждения. цикла фазовые траектории соответствуют затухающим колебаниям (скручивающиеся спирали), внутри предельного цикла фазовые траектории (раскручивающиеся спирали) соответствуют нарастаю- щим колебаниям; в начале координат находится особая точка типа неустойчивого фокуса. Если аппроксимировать ie = <p(w) полиномом пятой степени: ia = t0 + «о« + То»3 + ео»5. то уравнение движения (5.4.9) будет иметь вид х 4- х = (k 4- ух2 + 8х4) х, (5.4.14) где е = 5е0По/Ссо0, а остальные обозначения те же, что и в (5.4.9). Укороченное уравнение в этом случае запишется как г = г[^4-?г/44-ег2/8]. (5.4.15) Отсюда нетрудно определить стационарные состояния (z = 0) си- стемы, одно из которых является состоянием покоя (го = О) и воз- можно при любых параметрах системы. Второе отличное от нуля стационарное состояние системы определяется из решения уравнения 8ZJ/8 -|- 4 4~ k = 0, откуда г0 = — y/e.±~y-f-bke.. (5.4.16) С
§ 5.4] СИСТЕМЫ ТОМСОНОВСКОГО ТИПА 209 Поскольку коэффициент е при старшем члене должен быть меньше нуля (е < 0), то здесь возможны два случая: у<0 и у>0. Случай у<0. Качественно он не отличается от ситуации, когда ео = 0, т. е. соответствует мягкому режиму возбуждения. Тогда кривая второго порядка z0 (k) проходит очень близко от прямой, описывающей решение для кубической аппроксимации (ео = О) (рис. 5.27). Рис. 5.27. Зависимость стационарной амплитуды от коэффициента регенера- ции при аппроксимации характери- стики полиномом пятой степени для мягкого режима (у0 <0; е0 < 0). Рис. 5.28. Зависимость стационарной амплитуды от коэффициента регенера- ции при аппроксимации характери- стики полиномом пятой степени для жесткого режима (уо >0; е0 < 0). Случай у > 0. Решение для стационарной амплитуды можно записать в виде г0 = -рт г—т~т V V2 + 8&| е |. При k = 0 возможны два решения г0 = г01 = 2у/| е | и го = гО2 = 0. Однако оказывается, что и при некоторых отрицательных значе- ниях коэффициента регенерации k можно получить отличную от нуля амплитуду автоколебаний. Предельное отрицательное значе- ние k0 определяется из условия j/y2 + 8k„ 'е | = 0, откуда k0 = = — у2/8 е |; при этом го = го3 = у/|е |. Зависимость z0(k) показана на рис. 5.28. По-прежнему состояние покоя системы устойчиво при k < 0 и неустойчиво при k > 0. Однако на участке от k(t = = — Т2/81 е | до k = 0 состояние покоя лишь относительно устой- чиво; если амплитуда возмущения т|0 будет такой, что она достиг- нет нижней неустойчивой ветви амплитудной кривой, то в системе возбудятся автоколебания с отличной от нуля устойчивой стацио- нарной амплитудой. Такой режим возбуждения называется жест- ким. В области — у2/81 е | sc k 0 система самовозбудиться не может. Физическое объяснение явления жесткого возбуждения заключается в том, что при некоторых достаточно больших воз- мущениях г|0 регенерация системы возможна и происходит за счет кубического члена зависимости ia = <p(u), несмотря на отрицатель- ное значение коэффициента регенерации k.
210 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ 5 На фазовой плоскости область жесткого возбуждения для фик- сированного = const < 0 представлена двумя предельными цик- лами-окружностями, один из которых (больший) устойчив и соот- ветствует значениям амплитуд автоколебаний, лежащих в области от г03 = у/| е| до z01 = 2y/|e|; другой (меньший) неустойчив и соот- ветствует значениям амплитуд, лежащих в области от го2 = 0 до Рис. 5.29. Фазовый портрет автоколебательной системы том- соновского типа при жестком режиме возбуждения. Замкнутая сплошная линия—устой- чивый цикл, пунктирная — неустой- чивый цикл. гоз = Т/1Б1 (рис. 5.29). Начало коор- динат на фазовой плоскости являет- ся особой точкой типа устойчивого фокуса. Все возмущения, меньшие амплитуды, соответствующей неустой- чивому предельному циклу, осцил- ляторно затухают. Возмущения, боль- шие амплитуды, отвечающей неустой- чивому предельному циклу, осцилля- торно увеличиваются и амплитуды этих колебаний стремятся к пре- дельному устойчивому циклу изнутри. Если амплитуда колебаний по какой- либо причине стала больше ампли- туды, соответствующей устойчивому предельному циклу, то первая по- степенно будет уменьшаться, стремясь в пределе снаружи «навиться» на предельный цикл. При изменении значения k происходит эволю- ция картины на фазовой плоскости. При стремлении k к нулю слева радиус неустойчивого пре- дельного цикла уменьшается и стремится к нулю. Начало коор- динат на фазовой плоскости при этом обращается из особой точки типа устойчивого фокуса в особую точку типа неустойчивого фокуса. Одновременно радиус устойчивого цикла увеличивается. При стремлении k к нулю справа радиус единственного устой- чивого предельного цикла постепенно уменьшается, а неустойчи- вая особая точка типа фокус в начале координат приближается по характеру движения в ее окрестности к особой точке типа центр. § 5.5. Особенности поведения автоколебательных систем, содержащих инерционные элементы До сих пор при рассмотрении колебательных, параметрических и автоколебательных систем мы считали, что все линейные и нели- нейные элементы, составляющие эти системы, безынерционны, т. е. их вольт-амперные, вольт-кулоновые, вольт-фарадные и другие характеристики выражаются мгновенными функциями соответствую- щих координат. Например, токи туннельного диода, электронной
§ 5.5] СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ИНЕРЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 211 лампы, полупроводникового диода, тиристора, омического сопро- тивления и аналогичных элементов зависят от мгновенных значе- ний переменных напряжений на них; напряжения на линейных и нелинейных конденсаторах и емкости таких конденсаторов опре- деляются мгновенными значениями зарядов на них и т. д. Однако в природе существуют и искусственно могут быть соз- даны элементы, параметры которых зависят не от мгновенных значений координат, а от амплитудных значений. Такие элементы (устройства) Называются инерционными нелинейностями, ибо они принимают соответствующие значения не сразу, а через опреде- ленное время, называемое постоянной времени того или иного элемента. В § 4.5 описан одноконтурный параметрический гене- ратор с автосмещением, в котором действующее значение емкости контура, содержащего полупроводниковый диод с цепочкой авто- смещения, определяется не мгновенными значениями генерируемых колебаний интересующей нас величины, а ее амплитудой, и уста- навливается это значение емкости через время, равное постоянной времени цепи автосмещения. Другим примером инерционной нелинейности может служить обычное сопротивление, значение которого неизбежно зависит от величины протекающего по нему тока. В силу тепловой инерции температура, а следовательно, и сопротивление такого резистор- ного элемента не являются мгновенной функцией протекающего по нему тока. Эти инерционные нелинейные активные элементы называются термисторами, и их включение в те или иные авто- колебательные системы приводит к ряду особенностей, которые будут рассмотрены ниже. Уравнение теплового баланса для тонкого проводника, через который проходит переменный ток /0 cos pt, можно записать в виде mc~-\-k8 = RIl cos2 pt, (5.5.1) где т — масса проводника, с —удельная теплоемкость, & —коэф- фициент теплоотдачи, 6 — температура проводника. В уравнении (5.5.1) член тсМ характеризует изменение запаса тепла в системе, /гб dt — количество тепла, отдаваемое системой за время dt; правая часть уравнения показывает количество тепла, получаемого систе- мой извне. Решение уравнения (5.5.1) имеет следующий вид: 0 = еое-//д + ^£1 Г1 — (2р<+|Р)1, (5.5.2) где H± = tnc[k называется постоянной времени термистора, <р — на- чальная фаза. При / —>-со в решении (5.5.2) останутся только члены, характеризующие постоянный нагрев 6_ термистора и пуль- сации нагрева 6_ вокруг некоторой постоянной температуры.
212 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИИ [ГЛ. 5 Величина относительных пульсаций температуры определяется из соотношения е 1 — = , (5.5.3) е_ Vi+4p2A2 Этими вариациями температуры можно пренебречь, если 4р2Д2^> 1, т. е. р^> 1/Д. Если ввести период колебаний тока, протекающего через термистор Т = 2п/р, то условием малости 0~/6_ будет нера- венство Д^>7. (5.5.4) Физически это условие означает, что в течение всего периода колебаний тока, протекающего через термистор, температура тер- мистора остается постоянной с той же степенью точности, с какой выполняется условие (5.5.4). В таком случае можно считать, что сопротивление термистора равно R (9) или R (/0), т. е. зависит от амплитуды тока, а не от мгновенных значений действующего тока. В этом и заключается принцип применения термисторов в раз- личных радиотехнических и электротехнических устройствах. Однако инерционность термистора не должна быть слишком большой. Она должна быть по возможности меньше времени пере- ходных процессов в колебательных системах, в которых исполь- зуется термистор для стабилизации тех или иных параметров системы. Поэтому для нормальной работы термистора необходимо выполнение неравенства Т<Д<#1. (5.5.5) Рассмотрим поведение автоколебательной системы томсонов- ского типа с термистором в цепи последовательного резонансного контура с активным элементом с S-образной вольт-амперной харак- теристикой гр(х). Уравнение движения для такой системы имеет вид + [26 (а„) +гр' (х)] ~ 4- to2x = 0, (5.5.6) где а0 — стационарная амплитуда колебаний. Если 26 = const, т. е. потери не являются инерционными, то реализация стационарного автоколебательного процесса в системе возможна только при условии 26 = тр" (х) (гр' (х) — усредненная кру- тизна падающей вольт-амперной характеристики), что означает обязательный выход мгновенных значений тока х за пределы линей- ного участка падающей характеристики нелинейного элемента. Другой режим работы в такой системе можно осуществить при наличии в системе термистора, когда 26 (а0) const. В этом слу- чае можно выбрать достаточно большой линейный участок вольт- амперной характеристики п = гр(х), на котором tp' (х) = So = const; при этом ограничение амплитуды колебаний будет осуществляться
§ 5.5] СИСТЕМЫ, содержащие инерционные элементы 213 а Рис. 5.30. Графическое определение стационар- ной амплитуды в автоко- лебательной системе с термистором. с помощью термистора. Стационарную амплитуду а0 для автоко- лебательной системы, описываемой уравнением (5.5.6), можно найти либо аналитически, либо графически, как показано на рис. 5.30. Физическим механизмом ограничения амплитуды колебаний является реакция термистора на процессы в системе. Отметим некоторые принципиальные особенности данной авто- колебательной системы. В этой системе ф' (х) = So = const, член 26 (а0) в силу своей инерционности также постоянен в пределах всего периода колебаний. Поэтому коэффициент в квадратной скобке в уравнении (5.5.6) в силу автоколебательности системы равен нулю не в среднем за период, а для каждого момента времени в пределах лю- бого периода колебаний. Следовательно, подобную систему можно с большой сте- пенью точности считать консервативной системой, для которой характерна неиз- менность амплитуды и частоты колебаний. Нетрудно убедиться в том, что в по- добной системе невозможно отклонение амплитуды от своего стационарного зна- чения а0. Действительно, пусть для опре- деленности амплитуда колебаний в си- стеме увеличится, тогда сопротивление термистора увеличится в течение конечного времени из-за своей инерционности. При этом потери в системе будут превышать вносимую в систему коле- бательную энергию [26(o0) + S0]>0 и амплитуда колебаний системы монотонно вернется к исходному состоянию. Однако даже такое кратковременное изменение амплитуды колебаний в системе с тер- мистором невозможно, если выполняется неравенство (5.5.5), ибо переходные процессы во всей системе, определяющие возможность случайного изменения амплитуды ofl, в силу этого неравенства имеют гораздо большую постоянную времени, чем процессы в тер- мисторе. Поэтому всякие внешние попытки изменения а0 будут немедленно компенсироваться соответствующим изменением сопро- тивления термистора, что означает стабилизацию амплитуды и частоты колебаний в системе. Возможность получения в колебательных системах с термисто- рами автоколебаний, сколь угодно близких к гармоническим, позволяет использовать системы, содержащие добротные контуры, термисторы и активные элементы с линейными падающими уча- стками вольт-амперных характеристик, в ряде эталонов частоты (времени). Рассмотрим теперь возможность применения термисторов в ре- лаксационных автоколебательных системах. Как было показано ранее (см. стр. 192), для того чтобы транзитронный генератор
214 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ. 5 с двумя вырожденными степенями свободы генерировал колеба- ния, близкие к гармоническим, необходимо выполнение условия | S | >, 1/7? + l/r + C^RC. Если положить в этой системе S = S0, а ограничение амплитуды возложить на термистор, заменяющий резисторы с сопротивлениями R и (или) г, то ожидаемой стаби- лизации амплитуды автоколебаний не получится. Дело в том, что обычные термисторы увеличивают свое сопротивление с ростом амплитуды тока, и поэтому в рассмотренной схеме применение термисторов вместо постоянных резисторов с сопротивлениями R и г вызовет лишь улучшение условия возбуждения системы и дальнейшее увеличение амплитуды автоколебаний с обязательным ее выходом за пределы линейного участка падающей вольт-ампер- ной характеристики. Стабилизацию амплитуды автоколебаний в релаксационных генераторах, генерирующих колебания, близкие к гармоническим, можно осуществить, если использовать термистор в качество эле- мента, образующего отрицательную обратную связь в системе. Действительно, если включить термистор с сопротивлением р в катодную цепь генератора, а режим работы усилительного эле- мента (лампы) выбрать линейным, т. е. считать, что i = Sou для всех допустимых амплитуд автоколебаний, то тогда с учетом отри- цательной обратной связи имеем i = S0(u — pi) и, следовательно, Отсюда видно, что ток в системе зависит от новой действующей крутизны So/( 1 -1- pS0), которая меньше So. Так как р является функцией постоянной и переменной составляющих тока, то можно считать, что р = р(а0), если на термистор и систему, в которой он применяется, наложены требования (5.5.5). Тогда условие ста- билизации амплитуды транзитронного генератора можно записать в виде ++F^4 + 4+> <5-5-8) Соотношение (5.5.8) показывает, что в транзитронном генераторе с термистором увеличение амплитуды автоколебаний по сравнению с а0 приводит к тому, что баланс (5.5.8) нарушается, и система из консервативной превращается в диссипативную с естественным уменьшением амплитуды колебаний до значения а0. Если амплитуда автоколебаний стала меньше а0, то это озна- чает, что в системе появилось отрицательное сопротивление, и, следовательно, происходит увеличение колебательной энергии до тех пор, пока амплитуда снова не станет равной а(1. Таким обра- зом, оставаясь в пределах линейного участка падающей вольт- амперной характеристики релаксационных систем, можно осушест-
§ 5.6] СИСТЕМЫ ПРИ ВНЕШНЕМ ГАРМОНИЧЕСКОМ воздействии 215 вить генерацию колебаний, сколь угодно близких к гармониче- ским, со стабилизацией амплитуды и частоты автоколебаний с помощью термистора. Аналогичным образом можно осуществить стабилизацию автоколебаний в 7?С-генераторе и других релакса- ционных автоколебательных системах. При этом следует учесть, что в таких системах с термисторами баланс энергии должен со- храняться постоянным в течение всего периода колебаний, что, естественно, накладывает ограничения на форму генерируемых колебаний. § 5.6. Поведение автоколебательных систем при внешнем гармоническом воздействии Рис. 5.31. Схема лам- пового генератора с контуром в цепи сет- ки при внешнем воз- действии. Изучение поведения автоколебательных систем при внешнем гармоническом воздействии имеет большое значение для науки и техники, ибо его результаты позволяют осуществить синхрони- зацию колебаний нескольких маломощных источников, стабилиза- цию излучения (колебаний) мощного генератора с помощью ста- билизированного маломощного источника колебаний, решить многие вопросы преобра- зования частоты и т. п. В зависимости от вида нелинейной ха- рактеристики автоколебательной системы, уровня внешнего гармонического воздействия, соотношения частоты внешнего воздействия и частоты колебаний автоколебательной си- стемы будут наблюдаться различные резуль- тирующие эффекты. 1. Рассмотрим внешнее воздействие на регенеративный приемник — томсоновский ге- нератор с контуром в цепи сетки (рис. 5.31). Пусть внешнее воздей- ствие u(0 = Pos'nP^ напряжение на сетке лампы выберем в каче- стве переменной ug — u; тогда уравнение движения запишется в виде LC § + RC + и = Posin/7( +М d^t. Вводя обычные обозначения х = и/и0, ‘2b = R!L, = 1/LC, получаем ^- + 26-^ + ^x = ^sinp( + M^ (5.6.1) lit Hq LLq Lil Если искать решение с частотой внешнего воздействия р, то без- размерное время необходимо определить как т = pt', тогда урав- нение (5.6.1) примет вид x + 2flx + ^x==Xsin? + ^-^, (5.6.2) где 2® = R/pL, к — РоьлУиор\
216 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ b Рассмотрим регенеративный приемник при очень слабом внеш- нем сигнале. Так как исследуемая система является недовозбуж- денной (регенерированной), то в случае слабого сигнала анодно-се- точную характеристику лампы можно аппроксимировать на ли- нейном участке характеристики линейной зависимостью ia = Su, где S —крутизна характеристики. Тогда в резонансном случае (р = ю0) получаем уравнение х + [2'ft — Mco(1S] х х = Zsinт. (5.6.3) При 2'0’> Afc£>0S система недовозбуждена (коэффициент регенера- ции &<0), но регенерирована, т. е. затухание в контуре частично скомпенсировано положительной обратной связью. Поэтому за счет такой регенерации происходит усиление внешнего воздействия на частоте р. При увеличении амплитуды внешнего воздействия нелинейностью функ- ции ia = f(u) пренебрегать уже нельзя, и использованная нами линейная аппрок- симация ia = Su становится несправедли- вой. В этом случае резонанс имеет такой же характер, как и в контуре с нелиней- ным затуханием. Резонансные кривые по- прежнему симметричны, но имеют немного иную форму, а именно несколько «сплюс- k-const<0 О % нуты» сверху в окрестности резонансного ма- Рис. 5.32. Резонансная ксимума из-за увеличения потерь в системе кривая регенеративного с ростом амплитуды колебаний (рис. 5.32). приемника для немалых сигналов. 2. Если регенерация переходит в само- возбуждение (McooS > 2'flj, то наряду с вынужденными колебаниями на частоте р в системе появляются автоколебания на частоте со >=» и0. В режиме автоколебаний исследуемая система является квазиконсерватив- ной, что автоматически регулируется величиной амплитуды авто- колебаний. За счет нелинейного взаимодействия (при нелинейной сеточной характеристике) в такой системе могут возникать как биения, т. е. колебания с частотой П = |р — ®|, так и комбинационные составляющие с частотами вида | пр ± пип |, где т и и —целые числа. Рассмотрим приближенную теорию синхронизации для мягкого режима возбуждения на примере описанной выше автоколебатель- ной системы. Уравнение (5.6.2) при произвольной сеточной харак- теристике можно записать в виде х-|-х = f (х) x + + где £=1— ojjj/p2. (5.6.4) Если искать решение этого уравнения с частотой, точно равной частоте внешнего воздействия (т = р/), то, используя обычную за-
§ 5.6] СИСТЕМЫ ПРИ ВНЕШНЕМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 217 мену переменных в методе ММА х — A cos (т + 6). х —— Лв1п(т + е) и проводя стандартную процедуру усреднения, получаем следую- щие укороченные уравнения: 2 А — Ak (А) — Z cos 8; 28 =— g — (Xsin8)/A. (5.6.5) Рис. 5.33. График зави- симости функции потерь от амплитуды автоколе- баний. Здесь функция k (Л) описывает баланс потерь и вложения энер- гии в автономном генераторе (2i = 0). В случае мягкого режима график k(A) имеет вид, приведенный на рис. 5.33, где k (0) = а — 20'. Если, напри- мер, ia = i0 4- аои + ₽0w2 + у0и3, то k (Л) = (а — 20) + ‘/гТЛ2, где а = 7Иао(0п/р, у = 3/Wy(1wjjio(7P- Проана- лизируем уравнения (5.6.5). При Z = 0 (автономный режим генератора) имеем Л = Л£(Л)/2, 6 = —g/2. Эти уравнения имеют два стационарных решения (Л = 0, 6 = 0): состояние покоя системы (Ло = О), устойчивое при &(0)<0 и неустойчивое при ^(0) д>0, а также ненулевое решение Л = Л(1 и 8 = — £т/2-|-const, где Ло опреде- ляется из приравнивания нулю функции &(Ло) = О. Учитывая, что 8 — — £т/2, £ = 1 — coS/P2 «=* 2 (р — ы0)/р и т = pt, получаем х = Ло cos (т — Vg&r) = Л(| cos <п()/, (5.6.6) которое подтверждает, что в автономном генераторе колебания происходят с собственной частотой системы соо, а не с частотой р, с которой мы искали решение. Таким образом, мы видим, что использованный нами метод ММА исправил ошибку в определе- нии частоты генератора. Теперь рассмотрим неавтономный режим работы генератора (Zy=0) в области синхронизации. При /г(0)<0 (потери в системе превышают вложение энергии) в генераторе не выполняется усло- вие самовозбуждения, однако имеет место регенерация, т. е. ре- генеративный режим приемника. В этом случае получается не- сколько сплющенная сверху резонансная кривая (см. рис. 5.32), аналитическое выражение которой определяется из системы уко- роченных уравнений (5.6.5) и имеет вид A2fk2 (Л) + £2J = X2. Это уравнение при любых § имеет одно-единственное решение. При выполнении условия самовозбуждения генератора (6(0)>0) синхронный режим работы томсоновского генератора имеет место лишь при малых значениях £. Действительно, в стационарном синхронном режиме из системы уравнений (5.6.5) получаем си- стему Л /г (Л) = A cos 8; Л£ =— ZsinB,
218 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 или одно уравнение /2[^(Л) + ^] = 212. При произвольном k (Л) последнее уравнение аналитически не разрешается. Однако для очень малых значений Z можно считать, что амплитуда автоколебаний в автономном режиме и амплитуда автоколебаний при внешнем воздействии близки друг к другу, т. е. тогда из второго уравнения (5.6.5) получаем соот- ношение sin 6= — МоА. которое с очевидностью имеет стационар- ное решение лишь при |£ | sg|0 = ZM0, т. е. |р-й0|«5Хр/2Л0. (5.6.7) Это неравенство и определяет ширину полосы синхронизации, кото- рая пропорциональна отношению амплитуды внешнего воздействия Рис. 5.34. Схематическое изображение поведения амплитуды автоколебаний при синхронизации. Пунктир — амплитуда вынужденных колебаний, штрнх-пунктнр — амплитуда автоколебаний» к амплитуде автоколебаний в автономном режиме. На рис. 5.34 схематически показаны области биений, синхронизма, а также графики для амплитуд вынужденных и автоколебаний томсонов- ского генератора с мягким режимом возбуждения при внешнем гармоническом воздействии. В действительности синхронный режим возникает за счет сов- местного действия двух процессов. Во-первых, за счет подавления собственных автоколебательных движений в системе, причем внутри области синхронного режима сохраняется только чисто вынужден- ный колебательный процесс с частотой внешнего воздействия р. Во-вторых, при внешнем воздействии синхронный режим может возникать за счет принудительного изменения частоты автоколе- баний путем воздействия вынужденных колебаний на форму гене- рируемых автоколебаний. В томсоновских автоколебательных си- стемах, работающих в мягком режиме, главную роль играет первый процесс. При достаточно малых расстройках вынужденные коле-
§ 5.6] СИСТЕМЫ ПРИ ВНЕШНЕМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 219 бания за счет резонансных свойств системы приобретают большую амплитуду и, накладываясь на существующие автоколебания в ге- нераторе, уменьшают среднюю действующую крутизну. Это при- водит к нарушению условия поддержания автоколебаний, и в си- стеме остаются лишь вынужденные колебания. В колебательных системах, далеких от томсоновских, и особенно в релаксационных генераторах, где отсутствуют четко выражен- ные резонансные свойства, внешний сигнал вследствие нелиней- ности активного элемента существенно воздействует на форму автоколебаний и в некоторой области расстроек приводит к сов- падению частоты автоколебаний с частотой внешнего сигнала, т. е. к возникновению синхронного режима. 3. Рассмотрим поведение генератора при внешнем воздействии с большой амплитудой и с частотой воздействия, примерно в п раз большей, чем частота генератора в автономном режиме (р «=г/ги0). Для генератора с контуром в цепи сетки уравнение движения имеет вид (5.6.1). Для удобства введем в рассмотрение такую частоту <п, что р = пм. Из условий р = па> и р /ноо следует, что Введем безразмерное время т = со/, нормированное по о>, т. е. будем искать решение системы (5.6.1) с частотой, точно в п раз меньшей частоты внешнего воздействия р = псо. Если вве- сти расстройку g = 1 — wg/co2 = [p2 — (пи>)2]/р2 и аппроксимировать ток ia = f(u) полиномом третьей степени to = t04- ccou 4- Р(р2 Ц-y0u3, то с учетом написанных выше соотношений уравнение движения примет вид х 4-* = (& 4~ + Т*2) х 4- Psinzjx4-gx, (5.6.8) где k = a — 2ft, а = Ма0^/ч), Р = 2/Vfpon(,wii/m, у == ЗМ^иМ/й, 2'& = /?/coL, Р = Р0Юо/и0шг. Применение метода медленно меняю- щихся амплитуд для решения уравнения (5.6.8) при k<^\, Р<4, Т “С 1, £ 1 н большом Р требует перехода к новой переменной у, определяемой соотношением x = j/4-Qsin/i'C, (5.6.9) где Q — амплитуда вынужденных колебаний. Таким образом, ре- шение уравнения (5.6.8) представляется в виде суперпозиции двух решений, причем член Q sin пт соответствует чисто вынужденному процессу колебаний с частотой внешнего воздействия, а член у — колебаниям с частотой, близкой к собственной. Амплитуда Q опре- деляется условием Q = P/(l — п2). После подстановки (5.6.9) в урав- нение (5.6.8) последнее приобретает вид = (Л + ₽а: + таг2) х + gz/. (5.6.10) Это уравнение уже допускает применение метода ММА, так как в правой части уравнения стоят малые члены.
220 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ (ГЛ. 5 Рассмотрим случай /г 2; он представляет особый интерес, ибо при этом значении п возникает так называемый резонанс второго рода. Применяя метод медленно меняющихся амплитуд, вводя новые переменные у~ и cosт + nsinx, у = — wsinx-j-n cost и учитывая, что х = и cos т + nsinx -|-QsinnT и х = — и sin т v cost nQ cos пт, получаем укороченные уравнения « = %[* + ’А? (г + 2Q2)] и + % (2₽Q - В) Щ 5 * = 1/2[fe + 7aY(^ + 2Q2)]v + 1/2(2pQ + E)H, 1 ' ' J где г = и2 -|- v2, Q = — Р/3. Рассмотрим стационарные решения задачи (й = т> = 0). 1) В си- стеме возможны нулевые стационарные состояния (состояние по- коя системы) пи = v0 — zu = 0. 2) Отличные от нуля стационарные состояния (t/o#--O, v(,^=0, го=#0) легко получаются из системы (5.6.11) путем простых алгебраических преобразований: г0 = - | [k + | vQ2 ± У . (5.6.12) В зависимости от параметров рассматриваемой системы в ней может реализоваться несколько различных режимов. а) В автономном режиме (Р = 0, Q = 0) стационарная ампли- туда колебаний г0 = — 4k/y существует при коэффициенте регене- рации fe>0 (у<0) и равна нулю (г„ = 0) при fe<0. Это пол- ностью соответствует рассмотренной ранее автоколебательной си- стеме с мягким возбуждением (кубическая аппроксимация вольт- амперной характеристики). Генерация колебаний происходит на собственной частоте <оо системы. б) В неавтономном режиме при внешнем воздействии (Р -J= 0, Q=#0) на автоколебательную систему (fe>0, у<0) при упро- щающем условии <о = (оо амплитуда автоколебательного процесса определяется из соотношения г°=^гЬ+ ‘ yQ2±2₽q], (5.6.13) график которого изображен на рис. 5.35. Кривая АВ характеризует зависимость амплитуды автоколеба- ния г0 от амплитуды внешнего воздействия Q (Р). При увеличении амплитуды внешнего воздействия до значения Q^B в автоколе- бательной системе прекращаются автоколебания и заштрихованной области соответствует чисто вынужденный процесс с частотой р. Таким образом, в определенной области амплитуд внешнего воздействия (Q > В) в системе будет существовать синхронный автоколебательный процесс с частотой, точно вдвое меньшей ча-
§ 5.6] СИСТЕМЫ ПРИ ВНЕШНЕМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 221 Рис. 5.35. График амплитуды автоколебаний при воздействии внешней силы с удвоенной ча- стотой. стоты внешнего воздействия. Заметим, что такая синхронизация автоколебательной системы на кратной частоте позволяет делить частоту и фазу внешнего сигнала в целое число раз, как это имеет место в параметрических генераторах, где можно осуществить деление ча- стоты и фазы сигнала накачки в не- обходимое число раз. Зависимость г0 от £ при синхро- низации на кратной частоте похожа на эту зависимость при обычной син- хронизации (р = <о) (см. рис. 5.34). в) Случай 0, у<0, <о^о0 (| =/= 0) соответствует недовозбужден- ной автоколебательной системе с внешним воздействием на кратной частоте. Тогда в интервале —?0< < £<10 (вблизи точного совпадения значений со и <оо) при определенных Q (Р) возможен колебатель- ный процесс с амплитудой, определяемой из соотношения г«= |Y| (5-6.14) Отсюда нетрудно определить граничные расстройки, при кото- рых могут возникать колебательные процессы с половинной часто- той. Из условия го = 0 получаем 2 = ± /W2-(fe-P/2yQ2)2- (5-6.15) Явление возбуждения колебаний с частотой, вдвое меньшей частоты воздействия в недовозбужденной автоколебательной (потен- циально автоколебательной) системе, называется резонансом второго Рис. 5.36. Кривые резонанса вто- рого рода. Рис. 5.37. Амплитудная кривая ре- зонанса второго рода. рода. Кривые резонанса второго рода г0(£) при разных зна- чениях амплитуды внешнего воздействия показаны на рис. 5.36. Зависимость г0 от Р = 3 Q | имеет вид, изображенный на рис. 5.37; кривая PJ^ показывает зависимость амплитуды вынуж-
222 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИИ (ГЛ. 8 денных колебаний в недовозбужденном генераторе от амплитуды внешнего воздействия на двойной частоте. В заштрихованной об- ласти имеет место вынужденный процесс с небольшой амплитудой из-за большого различия между собственной частотой системы <о0 и частотой внешнего воздействия р (в нашем случае р^2ц,). Значение амплитуды внешнего воздействия, равное Plt называется порогом возбуждения, а значение Р2 — потолком возбуждения. В об- ласти значений от Рг до Р2 существует резонанс второго рода. Наличие порога возбуждения связано с параметрической приро- дой резонанса второго рода, а наличие потолка возбуждения объясняется тушением (подавлением) автоколебаний. Параметрическая природа резонанса второго рода связана с тем, что при наличии положительной обратной связи внешнее воздей- ствие вызывает периодическое изменение параметров системы с частотой, вдвое большей собственной частоты системы. Это про- исходит за счет квадратичного члена (|3 =/= 0) аппроксимирующего полинома, ибо действующая крутизна меняется в системе с часто- той воздействия. В определенной области, если при этом обеспечивается доста- точная глубина изменения параметра (порог для внешнего воз- действия), происходит параметрическое возбуждение колебаний в недовозбужденной автоколебательной системе с частотой, точно в два раза меньшей частоты внешнего воздействия. Этим объяс- няется форма резонансных кривых второго рода, аналогичных кривым параметрического резонанса в параметрических генерато- рах с нелинейным затуханием. Дальнейшее увеличение амплитуды внешнего воздействия при- водит к уменьшению средней крутизны вольт-амперной характе- ристики, росту эффективного затухания в системе и, как следст- вие, к нарушению условий параметрического возбуждения. Это явление сходно с явлением тушения автоколебаний при синхрон- ном и асинхронном воздействиях и приводит к существованию потолка для амплитуды внешнего воздействия при резонансе вто- рого рода. 4. В генераторах томсоновского типа с термисторами, нахо- дящихся под внешним воздействием с частотой, близкой к собст- венной частоте автономного генератора, процесс синхронизации в силу линейности выбранного участка вольт-амперной характе- ристики и наличия в контуре термистора происходит и может быть описан несколько иначе. Введем в контур генератора с термистором источник внешней силы частоты р (рис. 5.38). Тогда уравнение движения в такой системе можно записать в виде g + [26 (хЬ - ^MS0] + ov = Р cos pt, (5.6.16)
§ 5.6] СИСТЕМЫ ПРИ ВНЕШНЕМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 22 3 где 26 (х2) характеризует тепловой эффект разогрева термистора за счет суммарного действия автоколебаний с амплитудой А и вынужденных колебаний с амплитудой к, т. е. х2 = Л2-|-Х2. Если амплитуда автоколебаний автономного генератора с тер- мистором была стабилизирована на уровне Ао, то в присутствии вынужденных колебаний (после включения внешне- го воздействия) амплитуда автоколебаний должна Рис. 5.38. Схема лампового гене- ратора с термистором при воздей- ствии гармонической силы. Рис. 5.39. Графики изменения амплитуд автоколебаний и вынужденных колебаний в томсоновском генераторе с термистором при внешнем воздействии. уменьшиться до значения А2 = А„ — X2, где X — амплитуда вынуж- денных колебаний, которая для квазиконсервативной системы, ка- кой является генератор томсоновского типа с термистором, равна л = Р/(а)д — р2). Дальнейший рост Z, при стремлении р к <оо будет соп- ровождаться в таком генераторе уменьшением амплитуды автоколе- баний А вплоть до полного их гашения. Тогда в некоторой об- ласти расстроек в автоколебательной системе наступит режим чисто вынужденных колебаний с частотой внешней силы, причем их ам- плитуда может стать больше амплитуды А„ автономного генератора. Однако это сопровождается появлением нескомпенсированных по- терь в системе, ибо до наступления синхронного режима автоко- лебательная система была квазиконсереативной, т. е. [26 (Л^) — — ft>o7HS0] = 0, а в режиме синхронизации при р2^н>5 выражение в квадратных скобках, характеризующее функцию диссипации систе- мы, становится положительным, т. е. [26 (X2) — > 0, ибо X2 > > Л2. Повышенный разогрев термистора при ^2>Л„ приводит к тому, что колебательная система из квазиконсервативной становит- ся диссипативной, что сопровождается «притуплением» резонанс- ной кривой в полосе синхронизации генератора с активной инер- ционной нелинейностью (рис. 5.39). Для определения полосы синхронизации обозначим гра- ничные частоты, при которых она возникает, через р[>2 — = tog ± Но. Тогда в точках гашения автоколебаний можно запи- сать, что амплитуда вынужденных колебаний в точности равна амплитуде автономною генератора, т. е. А = А0 — Р/(<л„ — p[ig),
224 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 откуда 2^ = 2Р/Л0. (5.6.17) Из (5.6.17) следует, что ширина области синхронизации (гашения автоколебаний) пропорциональна амплитуде внешней силы Р. Это объясняется тем, что, чем больше амплитуда внешней силы, тем больше амплитуда вынужденного решения при той же расстройке (<оо — Р2) и, следовательно, тем раньше подавляются автоколеба- ния в системе (Л2 = Ло —Z,2). Несмотря на внешнее сходство явления синхронизации в том- соновских автоколебательных системах без термистора и с терми- стором (ср. рис. 5.34 и 5.39), между этими системами и в режиме синхронизации, и вблизи области синхронизации имеется сущест- венное различие. Томсоновский генератор без термистора принци- пиально не может генерировать гармонические колебания в авто- номном, синхронном и промежуточном режимах из-за неизбежного «захода» колебаний в нелинейные области характеристики для снижения значения ее действующей крутизны S (х) до величины, обеспечивающей квазиконсервативность системы. В томсоновских генераторах с термисторами ограничение амплитуды колебаний происходит за счет термистора, а значение крутизны характери- стики выбирается постоянным (So = const), т. е. колебания в авто- номном, синхронном и промежуточном режимах не выходят за пределы линейного участка характеристики системы и в таких системах колебания при выходе на стационарный режим не обо- гащаются гармониками и комбинационными компонентами. В заключение еще раз следует подчеркнуть, что в рассмотрен- ных системах при внешнем воздействии происходит гашение, по- давление автоколебаний и сохранение (в полосе синхронизации) только вынужденных колебаний. Поэтому общепринятый термин «синхронизация» не отражает физических процессов, происходя- щих в подобных автоколебательных системах с термисторами под действием внешней силы. § 5.7. Автоколебательные системы с запаздывающими силами Здесь мы рассмотрим особенности поведения автоколебательных систем с запаздыванием сил, определяющих работу этих систем. Ранее мы считали, что состояние автоколебательной системы в каждый данный момент мгновенно и однозначно определяется действием сил на нее. В реальных системах действие сил в каж- дый данный момент времени зависит не от мгновенного ее состоя- ния, а от всей предыстории последнего. Уже в случае активной инерционной нелинейности было установлено, что значение одного из параметров, например сопротивления термистора, зависящее
§ 5.7] СИСТЕМЫ С ЗАПАЗДЫВАЮЩИМИ СИЛАМИ 225 от температуры проводника, не является мгновенной функцией проходящего через термистор тока. Необходимость учета запаздывания сказывается и в электро- нике СВЧ. Например, за счет конечного времени пролета электро- нов между электродами лампы, мгновенные значения анодного тока не являются мгновенной функцией значений напряжений на управляющей сетке лампы. Пролетные эффекты искажают форму анодного тока, когда период колебаний становится соизме- римым со временем пролета электронов в системе. Большую роль играет запаздывание в акустических системах из-за относительно небольшой скорости распространения звука в газообразных, жид- ких и твердых средах. В теории колебаний существует множество задач, в которых, как мы видели, учитывать запаздывание не нужно. Но есть и Рис. 5.40. Блок-схема автоколеба- тельной системы с запаздыванием. Рис. 5.41. Схема лампового гене- ратора с запаздывающей обратной связью. такие, в которых невозможно не учитывать явления запаздыва- ния, так как оно приводит к качественно иным результатам. Схематически автоколебательная система с запаздывающей обратной связью отличается, как это видно из рис. 5.40, от обыч- ной автоколебательной системы наличием условного элемента с запаздыванием Д/. Термин «запаздывающие силы» предполагает, что в системе причина возникает в момент t, а вызванное ею действие сил вследствие конечной скорости передачи информа- ции — спустя время Д/. Математически учет подобного идеального запаздывания осуществляется просто: время I в выражении для силы заменяется временем / —Д/. В качестве примера систем с запаздывающими силами рас- смотрим автоколебательную систему томсоновского типа с элек- тронной лампой, в цепи обратной связи которой включен элемент с запаздыванием Д/ (рис. 5.41). Такая схема в какой-то мере соответствует электронной лампе, работающей в СВЧ-диапазоне. Если система генерирует колебания, близкие к гармоническим, то фазу колебания со/ при наличии запаздывания необходимо заменить на со (/— Д/) = со/— со Д/= со/— 6. Всякое запаздывание Д/ для гармонического процесса может быть записано в виде 8 В. В. Мигулин и др.
226 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ [ГЛ. 5 некоторого фазового сдвига, поэтому вместо элемента А/ в схему можно включить фазовращатель, обеспечивающий соответствую- щий фазовый сдвиг. Уравнение движения для схемы рис. 5.41 им