АВТОКОЛЕБАНИЯ
АВТОКОЛЕБАНИЯ, незатухающие колебания, поддерживаемые внешними источниками энергии, в нелинейной диссипативной системе, вид и свойства которых определяются самой системой. Термин «автоколебания» введён в 1928 А. А. Андроновым. Автоколебания принципиально отличаются от остальных колебательных процессов в диссипативной системе тем, что для их поддержания не требуется периодического воздействий извне. Колебания скрипичной струны при равномерном движении смычка, тока в радиотехническом генераторе, воздуха в органной трубе, маятника в часах - примеры автоколебаний. В простейших автоколебательных системах можно выделить колебательную систему с затуханием, усилитель колебаний, нелинейный ограничитель и звено обратной связи. Например, в ламповом генераторе (генераторе Ван-дер-Поля) колебательный контур, состоящий из ёмкости С, индуктивности L и сопротивления R, представляет собой колебательную систему с затуханием, цепь катод - сетка и индуктивность L' образуют цепь обратной связи. Случайно возникшие в контуре LC малые собственные колебания через катушку L' управляют анодным током ia лампы, который усиливает колебания в контуре при соответствующем взаимном расположении катушек L и L',- положительная обратная связь. Если потери в контуре меньше, чем вносимая таким образом в контур энергия, то амплитуда колебаний в нём нарастает. С увеличением амплитуды колебаний, вследствие нелинейной зависимости анодного тока iа от напряжения V на сетке лампы, поступающая в контур энергия уменьшается и при некоторой амплитуде колебаний сравнивается с потерями. В результате устанавливается режим стационарных периодич. колебаний, в котором все потери энергии компенсирует анодная батарея. Таким образом для установления автоколебаний важна нелинейность, приводящая к ограниченности колебаний, т. е. нелинейность управляет поступлением и тратами энергии источника. Рассмотренный режим возникновения автоколебаний, не требующий начального толчка, называется режимом мягкого возбуждения. Встречаются системы с жёстким возбуждением автоколебаний. Это такие системы, в которых колебания самопроизвольно нарастают только с некоторой начальной амплитуды. Для перехода таких систем в режим стационарной генерации необходимо начальное возбуждение (толчок) с амплитудой, большей некторого критического значения. Амплитуда и частота автоколебаний определяются только параметрами системы, что отличает их как от собственных колебаний, частота которых определяется параметрами системы, а амплитуда и фаза - начальными условиями, так и от вынужденных колебаний, амплитуда, фаза и частота которых определяются внешней силой. Периодическому автоколебанию в фазовом пространстве соответствует замкнутая траектория, к которой стремятся все соседние траектории,- т. н. устойчивый предельный цикл. Для автоколебательных систем с несколькими степенями свободы характерны такие явления, как синхронизация колебаний и конкуренция колебаний. Внешняя синхронизация автоколебаний, или «захватывание частоты» (т. е. установление автоколебаний с частотой и фазой, соответствующими частоте и фазе внешнего периодического воздействия), широко используется для управления и стабилизации частоты мощных малостабильных генераторов с помощью высокостабильных маломощных (например, в лазерах). Полоса захватывания - область расстроек между частотами собственных колебаний и внешнего сигнала, внутри которой устанавливается режим синхронизации,- расширяется при увеличении амплитуды внешнего воздействия. Вне границы захватывания устойчивый режим генерации с частотой внешней силы сменяется режимом биений. Взаимная синхронизация колебаний используется, например, при работе нескольких генераторов на общую нагрузку. Конкуренция колебаний (мод), т. е. подавление одних колебаний другими, в автоколебательной системе возможна, когда эти колебания черпают энергию из общего источника. При этом одна из нарастающих мод «организует» дополнительное нелинейное затухание для других. При очень слабой связи между автоколебательными модами они сосуществуют, не подавляя друг друга. При достаточно сильной связи выживает одна из них. При изменении соответствующих параметров в системах с конкуренцией мод переход от режима генерации одной из мод к режиму генерации другой моды происходит скачком и характеризуется эффектом затягивания. Благодаря эффекту конкуренции оказывается возможным, в частности, создание на базе многомодовых резонаторов генераторов монохроматических колебаний (см. Лазер). Эффекты конкуренции и синхронизации во многих случаях определяют возникновение в диссипативных неравновесных средах (распределённых системах) сложных, хорошо организованных (детерминированных) структур, напр, периодич. нелинейных волн, ячеистых структур (см. Синергетика). В автоколебательных системах с одной степенью свободы возможны только простые периодические автоколебания. В автоколебательных системах с несколькими степенями свободы автоколебания могут быть сложными периодическими и даже стохастическими. Стохастические автоколебательные системы (пли генераторы шума) - это диссипативные системы, совершающие незатухающие хаотические колебания (колебания со сплошным спектром) за счёт регулярных источников энергии. Примером такого генератора шума может служить ламповый генератор, если в контур последовательно с индуктивностью добавить нелинейный элемент с невзаимно однозначной вольт-амперной характеристикой. Получившийся генератор при определ. параметрах будет создавать колебания, неотличимые от случайных (стохастических).