Параметрический резонанс. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Параметрический резонанс - явление раскачки колебаний при периодич. изменении параметров тех элементов колебат. системы, в к-рых сосредоточивается энергия колебаний (реактивные или энергоёмкие параметры). П. р. возможен в колебат. системах разл. физ. природы. Напр., в электрич. колебательном контуре реактивными параметрами являются ёмкость С и индуктивность L, в к-рых запасены электрич. энергия W_э = q²/2C и магн. энергия W_м = LI²/2 (где q - заряд на обкладках конденсатора, I - ток в катушке индуктивности). Собств. колебания в контуре без потерь с постоянными С и L происходят с частотой

= 1/LC. При этом полная энергия W = W_э + W_м, запасённая в контуре, остаётся неизменной, происходит лишь её периодич. трансформация из электрической в магнитную и обратно с частотой

Изменение параметров С и L, сопровождающееся работой внеш. сил (накачка), приводит к изменению полной энергии системы. Если ёмкость С изменить скачком за время, малое по сравнению с периодом собств. колебаний

(рис. 1,а), то заряд скачком измениться не может (поскольку сила тока I остаётся конечной величиной, рис. 1, б). В результате напряжение на ёмкости U = q/C (рис. 1,в) и электрич. энергия W, изменяются обратно пропорц. С, причём совершаемая при этом работа пропорц. q². Если изменять ёмкость С периодически в такт изменениям W_э, (обусловленным собств. колебаниями), уменьшая её в моменты, когда q² и W_э максимальны, и увеличивая, когда эти величины равны нулю (рис. 1), то в ср. за период над системой совершается положит. работа и, следовательно, полная энергия и амплитуда колебаний будут монотонно нарастать.

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

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

где п - целое число,

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

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

где С_1,2 - произвольные коэф., определяемые нач. условиями,

- периодич. функция с периодом Т_н - коэф., зависящий от параметров системы. При выполнении условия (1)

и один из членов (3) даёт нарастающие во времени колебания. Наиб. быстрая раскачка имеет место при п = 1, когда частота накачки

равна частоте колебаний величин W_о и W_Mв системе

Нарастание колебаний возможно не только при точном выполнении соотношений (1), но и в нек-рых конечных интервалах значений

вблизи

(в зонах неустойчивости), ширина зон тем больше, чем сильнее изменяются параметры С и L. Изменение параметра, напр. ёмкости С, характеризуют величиной

наз. глубиной изменения параметра. В частном случае синусоидального изменения

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

равен

так что в середине зоны

во второй зоне (п =2)

~ m², в третьей

~ т³ и т. д.
П. р. приводит к неустойчивости колебат. системы, т. е. к нарастанию малых нач. возмущений, напр. неизбежных во всякой системе флуктуаций, среди к-рых всегда найдётся составляющая с подходящей фазой по отношению к фазе изменения параметров. В отсутствие потерь энергии параметрич. неустойчивость наступает при сколь угодно малой глубине изменения параметров. Если же в системе имеются потери (напр., в контуре присутствует сопротивление R), то неустойчивость возникает только при достаточно больших изменениях С или L, когда параметрич. накачка энергии превосходит потери. Зоны неустойчивости при этом соответственно уменьшаются или даже исчезают совсем (на рис. 2) уменьшать l в нижнем и увеличивать в крайних положениях [при этом снова выполняется соотношение (1)], то работа внеш. силы, совершаемая в ср. за период, оказывается положительной и колебания могут раскачиваться. На П. р. основано самораскачивание на качелях, когда эфф. длина маятника периодически изменяется при приседаниях и вставаниях качающегося. П. р. учитывается в небесной механике при расчёте возмущений планетных орбит, вызванных влиянием др. планет.
В колебат. системах с неск. степенями свободы (напр., в системе из двух связанных контуров, маятников и др.) возможны нормальные колебания (моды) с разя, частотами

Поэтому колебания энергии, запасённой в к--л. реактивном элементе, содержат не только составляющие с частотами

, но и с частотами, равными суммам и разностям разл. нормальных частот. Соответственно нарастание колебаний здесь возможно как при выполнении условия (1) для любой из нормальных частот, так и, напр., при изменении параметра с суммарной частотой:

П. р. приводит к самовозбуждению обоих нормальных колебаний с определ. соотношением фаз. Резонансная связь мод возможна также при

однако при этом вместо самовозбуждения происходит лишь периодич. перекачка энергии между модами. Соотношение (2) выражает закон сохранения энергии при распаде кванта "накачки" с энергией

на два кванта:

. Отсюда следует также, что мощность Р_н, поступающая в колебат. систему на частоте

, и мощности Р₁, Р₂, потребляемые на частотах

пропорц. соответствующим частотам (частный случай т. н. соотношений Мэнли - Роу):

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

Рис. 4. Параметрическое побуждение колебаний струны.

Существ. особенность П. р. в волновых системах состоит в том, что его эффективность зависит от соотношения между законом изменения параметров системы в пространстве и пространственной структурой воли. Напр., если накачка, изменяющая параметры среды, представляет собой бегущую волну с частотой

и волновым вектором k_H, то возбуждение пары нормальных волн с частотами

и волновыми векторами k₁, k₂ осуществляется, если выполняются условия П. р. как во времени, так и в пространстве:

В предельном случае бесконечно большой фазовой скорости волны накачки

(k_н0 при конечном

) условия (4) дают k₂ - k₁, и в простейшем случае

т. е. нарастать может стоячая волна на половинной частоте. В другом предельном случае (

0 при конечном k_н,

) равенства (4) сводятся к условию резонансного (брэггов-ского) отражения от неподвижной периодич. неоднородности среды; здесь полная энергия сигнала остаётся постоянной, а происходит его отражение (непропускание) периодич. структурой.
На квантовом языке условия (4) означают, что при распаде кванта накачки сохраняются как энергия, так и импульс

. Нарастание амплитуд волн во времени и в пространстве (распадная неустойчивость) также ограничивается нелинейными эффектами: если значит. часть энергии накачки израсходована на возбуждение этих волн, то возможен обратный процесс - рост энергии накачки за счёт ослабления волн на частотах

; в среде без потерь такой обмен энергией происходит периодически.
Возможны также многоволновые процессы, когда во взаимодействии участвует большее число волн.
Параметрич. и нелинейные резонансные взаимодействия волн характерны, напр., для разл. типов волн в плазме, мощных световых волн (см. Параметрический генератор света ),волн в электронных пучках и др. волновых процессов.

Литература по параметрическим резонансам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.