Последние новости науки

Шум борется с шумом
Подавление шумов, как внешних, так и внутренних, всегда было важнейшей инженерной задачей. Оказывается, и здесь возможны необычные, принципиально новые решения. Об одном из них - о подавлении внутренних шумов с помощью внешних - рассказывается в этой заметке.

Шумы и помехи в различных физических системах, приборах и установках издавна считаются источником беспорядочной работы системы, препятствием для обнаружения слабых сигналов. Например, при конструировании высокоточных приборов важнейшей инженерной задачей всегда является "экранировка" от внешнего хаотического воздействия. В зависимости от конкретной установки под внешним шумом могут подразумеваться и сейсмические колебания, и случайные внешние электромагнитные поля, и даже неупорядоченные возмущения, вызванные тепловыми колебаниями атомов. Кроме того, почти всегда существует и внутренние шумы, то есть, неустранимые, присущие самой физической системе беспорядочные колебания, некое "дрожание" системы. И борьба с этим внутренним шумом - зачастую гораздо более трудная задача, нежели подавление внешнего.

Сталкиваясь с проблемой "как минимизировать эти два типа шумов?", экспериментаторы, конструкторы, дизайнеры придумали и продолжают придумывать многочисленные ухищрения, которые, однако, являются лишь разными вариациями одного и того же метода: сначала устраняем внешние шумы, затем подавляем внутренние. За всю историю экспериментальной физики это был, пожалуй, единственный способ устранить помехи из системы.

Однако, как показано в работе [1], все это время ученые проходили мимо альтернативного способа подавления шумов, способа, который на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Метод этот заключается в том, чтобы подавлять внутренние шумы с помощью внешнего шума!

Авторы работы [1] показали, что этот эффект возникает в так называемых нединамических системах, то есть в системах с сильным трением. Благодаря трению система быстро релаксирует в стационарное состояние и в дальнейшем лишь слегка колеблется под действием неустранимого внутреннего шума. Заметьте, что свойства этих систем сильно отличаются от свойств динамических систем, в которых могут долгое время существовать колебания по инерции, а значит, возможна раскачка колебаний, резонанс и т.д.

Вторым необходимым условием существования эффекта была специфическая нелинейная зависимость внутренних шумов от величины внешнего воздействия. Если эти два условия выполнены, то получалось, что при внешнем воздействии, содержащем случайную компоненту (внешний шум), собственные шумы системы должны не увеличиваться, а наоборот - подавляться! Именно в строгом доказательстве этого факта и заключается суть работы [1].

После общих выкладок, авторы сразу же приводят примеры систем, в которых их находку уже можно использовать. Вот один из этих примеров, который послужит для нас хорошей иллюстрацией. Рассмотрим материал, через который течет электрический ток. Внешнее воздействие в этом примере - это приложенная разность потенциалов, а величиной, колебания которой мы будем исследовать, является сила тока как функция приложенного напряжения.

Если вначале не было никакого напряжения, то и сила тока равнялась нулю. Однако, как только мы включаем напряжение, электроны начинают разгоняться, сила тока быстро нарастает и выходит на константу. То есть, через некоторое, достаточно короткое время после включения напряжения система приходит в стационарное состояние, когда и напряжение, и ток постоянны. Это и есть пример нединамической системы.

Однако, как мы понимаем, даже при постоянном приложенном напряжении сила тока, измеряемая амперметром, всегда будет флуктуировать, слегка "прыгать" около среднего значения. Эти флуктуации и являются внутренним шумом системы. Поэтому возникает вопрос: как минимизировать эти хаотические колебания? (Для "чистоты" вопроса будем считать, что мы не может изменять таких свойств системы, как, скажем, температура.)

Так вот, как доказывают авторы работы [1], для этого достаточно заставить приложенное напряжение слегка колебаться, причем колебаться хаотично! Вот он, внешний шум, привносимый в систему. И оказывается, что этот внешний шум будет стабилизировать ток, уменьшит его "дрожание".

Такой эффект будет работать, конечно же, не для всех типов проводников - вспомните, что для него необходима нелинейная зависимость поведения системы от внешнего воздействия (то есть, нелинейная зависимость силы тока от приложенного напряжения - нелинейная вольт-амперная характеристика). Поэтому обычные проводники с постоянным сопротивлением не годятся - их вольт-амперная характеристика линейна. Однако системы, удовлетворяющие этому критерию, существуют: примером может служить любая среда, демонстрирующая насыщение тока при больших напряжениях. В них-то этот эффект и проявится.

В заключении хочется сказать, что описанный здесь пример "конструктивного" влияния шума - сколь необычным он бы не был - все же не единственный в своем роде. Существуют и другие примеры, когда шум не привносил в систему беспорядок, а наоборот устранял его. Самым известным из них является, пожалуй, стохастический резонанс, о котором мы писали в одной из прошлых заметок [2]. Так что иногда поистине удивляешься, сколько много интересного - и полезного! - открывается, когда присматриваешься поближе к, казалось бы, знакомым явлениям!

Ссылки:

[1] J.Vilar and J.Rubi, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 950.
[2] "Стохастический резонанс"




[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение ]



vlad@ssl.nsu.ru