Извлечения энергии из шума

Ученые обнаружили способ усиления сигнала с помощью шума в системах с памятью

Сигналы могут быть усилены оптимальным количеством шума, но этот так называемый стохастический резонанс - довольно хрупкое явление. Исследователи из AMOLF первыми изучили роль памяти для этого явления в заполненном маслом оптическом микрорезонаторе. Влияние медленной нелинейности (т.е. памяти) на стохастический резонанс ранее не рассматривалось, но эти эксперименты показывают, что стохастический резонанс становится устойчивым к изменениям частоты сигнала, когда системы имеют память. Это имеет значение для многих областей физики и энергетических технологий. В частности, ученые численно показали, что введение медленной нелинейности в механический осциллятор, собирающий энергию из шума, может увеличить его эффективность в десять раз. Свои выводы они опубликовали 27 мая в журнале Physical Review Letters.

Эффект памяти

Нелегко сосредоточиться на сложной задаче, когда рядом с вами громко разговаривают два человека. Однако полная тишина часто не является лучшей альтернативой. Будь то негромкая музыка, шум отдаленного транспорта или гул болтающих вдалеке людей, для многих людей оптимальное количество шума позволяет им лучше сосредоточиться. "Это человеческий эквивалент стохастического резонанса", - говорит руководитель группы AMOLF Саид Родригес. "В наших научных лабораториях стохастический резонанс происходит в нелинейных системах, которые являются бистабильными. Это означает, что при заданном входном сигнале выходной сигнал может переключаться между двумя возможными значениями. Когда входной сигнал является периодическим, реакция нелинейной системы может быть усилена оптимальным количеством шума с помощью условия стохастического резонанса".

Подписывайтесь на наш youtube канал!

В 1980-х годах стохастический резонанс был предложен в качестве объяснения повторения ледниковых периодов. С тех пор он наблюдается во многих природных и технологических системах, но это широко распространенное наблюдение ставит перед учеными загадку. Родригес: "Теория предполагает, что стохастический резонанс может возникать только при очень определенной частоте сигнала. Однако многие системы, поглощающие шум, живут в среде, где частота сигнала колеблется. Например, было показано, что некоторые рыбы охотятся на планктон, обнаруживая испускаемый им сигнал, и что оптимальное количество шума повышает способность рыбы обнаруживать этот сигнал благодаря явлению стохастического резонанса. Но как этот эффект может пережить колебания частоты сигнала, происходящие в таких сложных средах?".

Родригес и его аспирант Кевин Питерс, который является первым автором статьи, первыми продемонстрировали, что для решения этой загадки необходимо учитывать эффект памяти. "Теория стохастического резонанса предполагает, что нелинейные системы мгновенно реагируют на входной сигнал. Однако в реальности большинство систем реагируют на окружающую среду с определенной задержкой, и их реакция зависит от всего, что произошло раньше", - говорит он. Такие эффекты памяти трудно описать теоретически и контролировать экспериментально, но группе "Взаимодействующие фотоны" в AMOLF теперь удалось сделать и то, и другое. Родригес: "Мы добавили контролируемое количество шума в луч лазерного света и направили его на крошечную полость, заполненную маслом, которая представляет собой нелинейную систему. Свет вызывает повышение температуры масла и изменение его оптических свойств, но не сразу. На это уходит около десяти микросекунд, поэтому система также не является мгновенной. В наших экспериментах мы впервые показали, что стохастический резонанс может возникать в широком диапазоне частот сигнала при наличии эффекта памяти".

Показав, что широко распространенный стохастический резонанс может быть обусловлен пока еще незамеченной динамикой памяти, исследователи надеются, что их результаты вдохновят коллег из ряда других областей науки на поиск эффектов памяти в собственных системах. Чтобы расширить влияние своих выводов, Родригес и его команда теоретически исследовали влияние не мгновенного отклика на механические системы для сбора энергии. "Небольшие пьезоэлектрические устройства, которые собирают энергию от вибраций, полезны в тех случаях, когда замена батарей затруднена, например, в кардиостимуляторах или других биомедицинских устройствах", - объясняет он. "Мы обнаружили десятикратное увеличение количества энергии, которую можно было бы собрать из вибраций окружающей среды, если бы были учтены эффекты памяти".

Очевидно, что следующим шагом для группы будет расширение системы за счет нескольких соединенных полостей, заполненных маслом, и изучение коллективного поведения, возникающего под воздействием шума. Родригес не боится выйти за пределы своей научной зоны комфорта. Он говорит: "Было бы здорово, если бы мы смогли объединиться с исследователями, которые имеют опыт работы с механическими осцилляторами. Если мы сможем реализовать наши эффекты памяти в этих системах, влияние на энергетические технологии будет огромным". опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet