非線性能量阱系統的強調制響應研究

柴凱，李爽，樓京俊，朱石堅

（海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢 430033）

非線性能量阱（Nonlinear Energy Sink，NES）是指剛度近似為立方剛度用于振動控制的非線性振子，它在一定條件下會出現靶能量傳遞現象.與傳統線性吸振器相比，NES 能有效增加吸振帶寬，大幅提升減振效率，目前在航空航天［1］、房屋橋梁抗震［2］、能量采集［3］以及振動噪聲控制［4］等領域得到了廣泛的應用.在受外加激勵作用的耦合NES系統中，由于非線性參數的作用，系統會呈現幾種具有明顯差異的響應形式，即周期、弱調制、強調制和混沌響應.廣義上前3 種類型均屬于穩態響應，但其對應相軌跡具有明顯差異，使得NES 的振動抑制效果也具有很大的不同［5］.

NES 因其寬頻控制的特性引起了相關學者的廣泛關注.Jiang 等［6］研究了正弦激勵作用下，NES 在較寬頻帶從線性振子吸收能量，且不論向前還是向后掃頻，均能實現能量定向傳遞.Zhang 等［7］研究了主結構受正弦周期力、多約束下碰撞非線性系統的能量傳遞問題，指出當激勵幅值達到一定閾值時，能量會向NES振子聚積，而且根據激勵幅值不同，系統會呈現周期、弱調制、強調制等多種具有明顯差異的響應形式.Starosvetsky 等［8］通過相軌跡法給出了系統響應類型與平衡點之間的關系，指出系統慢變方程對應周期解是否分岔是NES振子實現靶能量傳遞的關鍵.Gourdon 等［9］研究了NES 系統的強調制響應（Strongly Modulated Response，SMR），給出了系統產生強調制響應的條件，通過對比說明了NES 的減振效果在非周期響應時要比穩態周期響應更好.李爽等［10］采用柔性鉸鏈結構提出了一種NES 構造方法，分析了簡諧激勵下耦合系統的局部分岔特性.張也弛等［11］通過數值方法研究了兩自由度NES系統在簡諧激勵下的力學特性與抑振效果.由于強調制響應下NES 系統的振動抑制效率比穩態振動更優越，因此有必要對系統產生強調制響應的充要條件作進一步研究.

本文從近似解析計算角度出發，重點研究NES系統的強調制響應.利用復變量平均法推導主共振下系統響應幅值的慢變動力流方程，深入探討NES系統產生強調制響應的充要條件，通過電路仿真和試驗驗證理論分析的正確性和強調制響應的真實性，從而間接證明NES 振子在簡諧激勵能否實現靶能量傳遞.

1 NES系統的慢不變流形

1.1 動力學建模

如圖1 所示，建立機械設備耦合非線性能量阱的兩自由度非線性吸振系統動力學模型（以下簡稱NES 系統）.機械設備主系統中m1為待減振機械設備，通過線性剛度彈簧k1、阻尼λ1與剛性基座連接；NES 子系統安裝于機械設備上層并與其耦合連接，其組成元素包括質量m2、剛度k2以及阻尼λ2；fb=FcosΩT為作用于機械設備上的外界激勵信號，F為激勵力幅值，Ω為激勵力頻率，機械設備和NES 產生的垂向位移分別為z1和z2.本文主要研究具有本質非線性的立方剛度型NES，故其非線性彈簧回復力為fNES=k2(z2-z1)3.

圖1 NES系統的動力學模型Fig.1 Dynamic model of NES system

相應的動力學方程為：

采用復變量平均法推導系統的慢變動力流方程.以質量比ε為小參量，引入長度量綱，l0對應線性彈簧k1在重量G1=m1g作用下的靜態形變量，并作如下無量綱變換：

將式（2）代入式（1）可得：

考慮激勵頻率接近主系統固有頻率時的1∶1∶1主共振響應，令ω=1 +εσ，其中σ為調諧參數，用來描述內共振頻率之間的接近程度.將系統振動響應分解為質心運動以及兩個振子之間的相對運動，對系統再次簡化，引入新變量：u=x1+εx2，v=x1-x2，在不考慮主系統阻尼（即ξ1=0）的情形下，將u和v代入式（3）可得：

引入復變量φ1ejt=u˙+ju、φ2ejt=v˙+jv，其中，j為虛數單位，φi(i=1，2)為振動響應的慢變幅值，代入式（4），并進行平均化處理，消除快變部分ejt，保留慢變部分φi，并令φi(t)=ρi(t)ejεσt，其中ρ1、ρ2分別表示機械設備與NES振動響應慢變振幅包絡，可得：

1.2 系統慢不變流形

引入新的時間尺度τk=εkt，k=0，1，…，并令ρ2=ρ2(τ0，τ1，…)，采用多尺度法展開，并忽略高階項，可得式（6）關于ε的前兩階方程：

考慮慢變幅值ρ2關于快變時間尺度τ0的近似解，對式（7）第一式進行積分，可得：

由式（9）可知，平衡點Φ(τ1)只與τ1有關，將復變量用模和相角表示，即Φ(τ1)=N(τ1)exp[jθ(τ1)]，(N，θ) ∈(R+×S1)，代入式（9）求模后可得：

由圖2 可知，由于流形的不變性，系統慢變幅值只能沿著曲線運動，當達到折疊線N1、N2時，可能從一支穩定分支跳躍至另一支穩定分支，從而出現跳躍現象.此外，在折疊線N1、N2處可能存在鞍結分岔過程，從而形成N1→Nu→N2→Nd→N1的連續跳躍環路并使系統響應慢變幅值出現周期性變化，類似于目標能量轉移過程中“泵能”與“放能”現象.文獻［13］將其稱為強調制響應，該響應下NES 系統出現靶能量傳遞現象，在其主共振附近會出現準周期響應，且幅值變化較為劇烈，能使NES具有優異的振動抑制效果.

圖2 系統慢不變流形Fig.2 Slow invariant manifold of the system

2 強調制響應產生的必要條件

2.1 折奇點產生條件和慢不變流形相軌跡特征

式中：Φ(τ1)=N(τ1)exp[jθ(τ1)].對式（12）兩邊取復數共軛，通過化簡得到：

選取系統參數C=，ξ2=0.2，σ=0，普通平衡點分岔情況如圖3 所示.由圖3 可知，當f變化時，系統只存在一個周期解，不穩定解位于折疊線N1=0.595 0、N2=0.989 6 之間.另外，通過聯合求解式（14）可得折疊線對應的激勵力分岔值為fb1=0.241 9、fb2=0.989 2.

圖3 周期吸引子分岔情況Fig.3 Bifurcation diagram of the system periodic attractor

進一步求解fck可得折奇點對應分岔值為fc1=0.176 0、fc2=0.984 4，滿足fc1＜fb1＜fc2＜fb2.系統的全局分岔如圖4 所示，圖中rp 為周期吸引子，fs1、fs2分別為上、下折奇點，bp1、bp2為周期吸引子分岔點，普通平衡點與折奇點穩定性通過慢變系統線性化擾動方程的雅可比矩陣特征值判斷.同時，結合Runge-Kutta 數值方法與Matlab Streamline 命令繪制不同激勵力幅值下系統的慢不變流形，如圖5 所示.圖5 中縱坐標為慢變幅值N，橫坐標為相位θ，θ?(0，2π)，曲線代表相軌跡，直線分別對應下折疊線N1和上折疊線N2，N1～N2之間為系統響應的不穩定區域，箭頭代表流形變化方向，普通吸引子用“□”標注，折奇點用“·”標注.

圖4 三維平面(N，θ，f)系統全局分岔圖Fig.4 Global bifurcation diagram of the system in the(N，θ，f)

圖5 不同激勵力幅值下系統慢不變流形相軌跡Fig.5 Phase trajectory of the slow invariant manifold under different excitation force amplitude

由圖4 和圖5 可知，當f=0 時，從N2上方出發的相軌跡都可以回到N2，但從N1出發的相軌跡不能返回至N1.與圖2 對比可知，相軌跡從上穩定分支出發時能跳躍至下穩定分支，而從下穩定分支出發的相軌跡不能跳躍至上穩定分支，這與實際系統也是相符合的.當不存在外界激勵時，由于阻尼存在，系統能量會逐漸被耗散，直至趨于穩定.當f=0.1 時，對應f＜fc1，存在一個穩定的周期平衡點，不存在折奇點，所有的相軌跡都流入該吸引子.當f=fc1時，普通平衡點出現亞臨界分岔，在折疊線N1處產生一對不穩定的下折奇點.當f=0.18 時，對應f略大于fc1，存在一個周期平衡點與一對下折奇點（左側下折奇點為結點，右側下折奇點為鞍點），從鞍點右邊出發的相軌跡都被吸引至周期平衡點，結點左邊以及折疊線N1右邊部分出發的相軌跡吸引至結點，而結點與鞍點之間的相軌跡則有可能返回至折疊線N1，這意味著強調制響應可能發生.當fc1＜f＜fb1時，存在一對不穩定的下折奇點和一個穩定的周期吸引子.當f=fb1時，周期吸引子退化為不穩定解，同時下折奇點由不穩定變為穩定.當f=0.5時，對應fb1＜f＜fc2，系統性態發生了非常顯著的變化：首先，和f=0.18相比，普通平衡點消失，同時鞍點與結點沿著下折疊線往兩側移動，其中結點往左側移動，而鞍點往右側移動，鞍結點之間的距離擴大，表明最終能回到N1的相軌跡區域變大，同時出現強調制響應的可能性也將增加；另外，由于在繪制相軌跡過程中，相位只取一個周期（0，2π），當結點運動超過最左側時，又重新在右端出現，此時折奇點性質已由一對鞍結點通過碰撞演化成了一對穩定的焦點.當f=fc2時，平衡點再次出現亞臨界分岔，此時演變出一對穩定的上折奇點.當f=0.987時，對應f略大于fc2，在上折疊線N2出現一對鞍結點，而下折疊線N1的一對穩定焦點依然存在，仍有可能出現強調制響應.當f=fb2時，上折奇點由穩定退化為不穩定，同時周期吸引子再次發生Hopf分岔，由不穩定變為穩定.當f=1時，對應f＞fb2，折疊線N2上鞍結點演化成了一對不穩定的鞍點，同時在折疊線N2附近出現了穩定的普通平衡點，此時強調制響應依然有可能出現.

2.2 系統響應慢變流形

仍考慮時間尺度的前兩階，令ρ1(t)=a1(t) +jb1(t)、ρ2(t)=a2(t)+jb2(t)，對式（5）利用多尺度法直接展開，取ε0階分離實部與虛部，可得四階常微分方程組：

采用Runge-Kutta 數值方法對式（16）進行求解，系統響應慢變流形如圖6 所示.由圖6 可知，當f=0.18、σ=0.1 時，f略大于fc1，慢變幅值從0 逐漸增加到N1折疊線附近后陷入局部循環，無法跳躍至N2折疊線，也就無法出現強調制響應；當f=0.5、σ=-1時，由于慢變流形最大幅值未能超過N1折疊線對應的4|R|2幅值，慢變幅值經歷幾個周期變化后最終吸引至下穩定分支，也無法跳躍至N2折疊線，顯然也不能出現強調制響應；當f=0.5、σ=0 時，慢變流形最大幅值超過了N1折疊線對應的4|R|2幅值，且慢變流形在上、下折疊線之間形成了連續跳躍的環路，最終能呈現出穩定的強調制響應；當f=1、σ=-1 時，雖能出現上、下折奇點，慢變流形最大幅值也超過了N1折疊線對應的4|R|2幅值，但慢變流形最終被吸引至上穩定分支，也無法出現完整的強調制響應.

圖6 不同參數條件下系統響應的慢變流形Fig.6 Slow manifold of the system response under different parameters

對比圖7 中的系統響應時間歷程也可驗證以上分析結論，圖中實線為式（5）數值計算得到的實際響應，虛線為式（16）數值計算得到的慢變幅值.由圖7可知，通過慢變方程計算得到的幅值響應與真實幅值存在一定的誤差，這主要是由設定質量比為小參量條件引起的，但總體來說，預測值還是可靠的.

圖7 不同參數條件下系統響應時間歷程圖與慢變幅值Fig.7 Time response and slow manifold of the system under different parameters

圖8給出了C=4∕3、ξ2=0.2、f=0.5、σ=0，而質量比分別為0.05、0.01 和0.001 時的系統響應慢變流形.質量比并不影響慢不變流形的形狀，由圖8 可知，3 種情形均能出現強調制響應，且質量比參數越小，吻合程度越高，但總體而言，通過觀察慢變流形變化趨勢就可判斷系統是否出現了強調制響應.

圖8 不同質量比條件下的系統響應慢變流形Fig.8 Slow manifold of system response under different mass ratio

總結而言，f＞fc1并不能說明系統一定會出現強調制響應，當激勵頻率變化時，系統響應有可能被吸引至慢不變流形的某一穩定分支或陷入局部循環，從而導致無法形成N1→Nu→N2→Nd→N1的連續跳躍環路，也就不能產生強調制響應.因此，系統出現折奇點只是出現強調制響應的必要條件，仍需進一步探求系統出現強調制響應的充分條件.

3 強調制響應產生的充分條件

3.1 一維映射函數構建

仍考慮慢變系統，由式（15）可得N1折疊線上折奇點對應跳躍的邊界條件為Θ1和Θ2，令相軌跡可能從折疊線N1跳躍至上穩定分支的相位區間為R=[Θ1，Θ2].考慮R→R的一維映射，若從區間R出發的相軌跡經多次N1→Nu→N2→Nd→N14 個階段后仍可返回至R，則表明慢變系統出現了穩定的極限環，強調制響應必然會發生.而系統能夠產生穩定極限環的相軌跡區域則對應出現強調制響應的初始條件，這顯然也是產生強調制響應的充分條件.

為了建立R→R的一維映射具體函數，將連續跳躍環路N1→Nu→N2→Nd→N1分為4 個階段，其中Nu→N2和Nd→N1屬于慢變過程，對應慢不變流形的上下穩定分支；而N1→Nu和N2→Nd屬于快變過程，對應慢不變流形的不穩定區域.因此，以相軌跡(N1，θ1)，θ1?[Θ1，Θ2]作為映射起始點，依次可得到如下4個階段具體的映射函數：

1）第1 階段：N1→Nu.由于跳躍點處慢不變流形對應的4|R(τ1)|2為常值，因此存在

2）第2 階段：Nu→N2.由于慢不變流形的確定性，從(Nu，θu)出發的相軌跡必然只能沿著上穩定分支運動，對式（13）積分即可得到映射終點(N2，θ2).

3）第3 階段：N2→Nd.類似于N1→Nu的映射過程，映射表達式如下：

4）第4 階段：Nd→N1.類似于Nu→N2過程，從(Nd，θd)出發的相軌跡必然只能沿著下穩定分支運動，同樣對式（13）積分即可得到映射終點(N1，θ10).因此，可得到一維映射關系：R→R：(N1，θ1)→(N1，θ10).

顯然，當系統存在普通平衡點時，從R=[Θ1，Θ2]出發的相軌跡，有可能被吸引至慢不變流形的上下穩定分支，只有通過多次映射后映射終點仍落于R區間時，才能出現穩定的極限環，從而產生強調制響應.

3.2 數值討論與分析

當參數ε=0.05、C=、ξ2=0.2、f=0.5、σ=0時，對應Θ1=-0.911 0，Θ2=1.511 4，各階段映射過程如圖9 所示.圖9（a）對應第1 階段映射過程，相軌跡從R=[Θ1，Θ2]出發跳躍至上穩定分支Nu處；圖9（b）對應第2 階段映射過程，相軌跡通過上穩定分支慢變至N2折疊線處；圖9（c）對應第3階段映射過程，相軌跡從N2折疊線跳躍至下穩定分支；圖9（d）對應第4 階段映射過程，相軌跡通過下穩定分支慢變至N1折疊線處.由圖9 可知，經過一次完整的映射過程后，從R=[Θ1，Θ2]出發的相軌跡最終都會落在該區間內，且新得到的相位區間向內收縮，表明無論經過多少次映射，終點都會位于R=[Θ1，Θ2]內.因此，在該參數條件下，系統能在θ1≈0 處出現穩定的極限環.

圖9 當σ=0時，各階段的一維映射圖Fig.9 1D-mapping diagram of each stage when σ=0

進一步考慮在相同參數條件下，通過局部分岔得到的幅頻特性曲線，如圖10 所示.圖10 中，HPi（i=1，2，3）表示第i個Hopf分岔點；SNj（j=1，2，3，4）表示j個鞍結分岔點.由圖10可知，當σ=0時，系統不存在穩定的周期平衡點，從R=[Θ1，Θ2]出發的相軌跡無法被普通周期平衡點吸引，都能產生穩定的強調制響應，這也驗證了一維映射的分析結果.

當σ=2.5 時，系統存在一個幅值較小的穩定周期平衡點，與σ=0 相比，其一維映射過程也發生了明顯的變化，如圖11所示.由圖11可知，從R出發的相軌跡在第4 階段映射過程中有一部分被下穩定分支上的周期平衡點吸引，從而不能返回至R，在經過一次或多次映射過程后能夠返回至R區間的映射終點較映射起始點而言整體向右偏移，表明在經過一次或多次映射過程后，系統響應將從強調制響應狀態逃逸；從R區間出發的相軌跡都會逐漸吸引至穩定周期吸引子，從而不能產生穩定極限環，強調制響應也不會持續發生.

圖11 σ=2.5時的一維映射圖Fig.11 1D-mapping figure when σ=2.5

因此，通過繪制每個頻率失調參數下的一維映射圖，可以輕易判斷系統是否能夠產生強調制響應.以圖10 對應的參數為例，產生強調制響應的頻率區域為σ?(-1.654，2.150)，對應圖10 中實線之間的頻率范圍，頻率邊界附近的完整一維映射圖如圖12所示，圖中虛線代表穩定極限環的位置.

圖12 頻率邊界附近的一維映射圖Fig.12 1D-mapping figure near the frequency boundary

由圖12 可知，當超過該頻率區域時，不能產生強調制響應，同時根據一維映射圖可以大致判斷產生強調制響應的相角范圍，該相角范圍代表觸發強調制響應的系統初始條件；若在頻率邊界附近產生強調制響應的初始條件范圍大大縮小，則意味著出現強調制響應的條件將會更加苛刻.

綜上所述，NES 系統能產生穩定的強調制響應必須滿足以下條件：

1）慢變系統響應必須超過慢不變流形中下折疊線N1對應的4|R|2值，即系統出現折奇點.

2）必須形成N1→Nu→N2→Nd→N1的連續跳躍環路，且軌線不被周期平衡點吸引.

顯然以上兩個條件對系統參數、外界激勵以及初始條件都有嚴格的要求，特別是在多解共存區域，需要特定的初始條件才能激發穩定的強調制響應.同時，在某些激勵頻率區域，系統只存在穩定的強調制響應.仍以σ=0 為例，強調制響應的穩定極限環與慢變系統數值計算結果如圖13 所示.由圖13 可知：一是穩定極限環對應的初始相位為θ1≈-0.05；二是一維映射結果與實際系統響應吻合良好，可清晰看到調制響應的兩個慢變過程與兩個快變過程.

圖13 極限環的完整一維映射與數值計算比較Fig.13 Comparison of complete one-dimensional mapping of limit cycles with numerical calculations

4 強調制響應檢測電路設計與試驗

采用Tina-Ti 軟件中模擬電路開發模塊對特定參數下的NES 系統進行仿真計算，并開展強調制響應檢測電路試驗對理論分析結論進行驗證.

4.1 電路原理圖設計

考慮式（3）所示的動力學系統，將其改寫為四維狀態方程：

依據微分狀態方程與電路狀態方程的等價關系，強調制響應檢測電路主要由積分電路、反相比例電路、乘法器等幾個關鍵模塊組成，其中運算放大器選用UA741 封裝芯片，而乘法器選用具有8 引腳的AD633JN 封裝芯片，通過2 個AD633JN 乘法器串聯來實現狀態方程中的立方項.Tina-Ti 仿真軟件中模擬電路的原理如圖14 所示，各元器件工作電壓為-15～15 V，輸入余弦電壓信號幅值為25 mV，頻率為159 mHz，輸出電壓測點布置為VF1 與VF2，分別與式（19）中的x1、x2相對應.

圖14 基于Tina-Ti軟件的強調制響應檢測電路原理圖Fig.14 Electric scheme of the strong modulated response test circuit based on Tina-Ti software

4.2 電路仿真與試驗結果分析

利用Tina-Ti 電路仿真軟件中的瞬態響應求解器得到兩個測點的電壓響應，并與式（19）系統參數分別取ε=0.05、C=2、ξ2=0.2、f=0.5、σ=0，初始條件均為0 時的數值計算結果進行對比，如圖15 所示.由圖15可知，VF1測點與VF2測點均呈現穩定的強調制響應，這與數值計算結果中位移響應x1、x2的變化趨勢保持一致，存在的略微差異是由于輸入頻率只能近似取整為159 mHz，導致相位上存在一定延遲.

圖15 電路與數值的仿真計算結果對比Fig.15 Results comparison between circuit and numerical simulation

依據電路原理圖制作電路板，并開展電路試驗.其中信號發生器用于提供外界余弦激勵信號，穩壓電源設置為±14.9 V，用于提供元器件工作電壓，示波器用于采集測點VF1 和VF2 的電壓信號，相互連接關系以及電路試驗結果分別如圖16 和圖17 所示.由圖可知，試驗測試結果與電路仿真結果以及Runge-Kutta 數值方法結果吻合良好，表明強調制響應檢測電路是有效的，也驗證了強調制響應在NES系統中是真實存在的.

圖16 電路試驗現場圖Fig.16 Picture of circuit test

圖17 電路試驗測試結果Fig.17 Circuit test results of the measure points

5 結論

利用復變量平均法推導了主共振下NES 系統的慢變動力流方程，通過多尺度法研究快變與慢變兩個時間尺度上系統平衡點的特性，從慢不變流形相軌跡、慢變流形特征以及松弛振子一維映射等多視角探究了NES 系統產生強調制響應的充要條件，通過電路仿真與試驗驗證了理論分析的正確性.得出如下結論：

1）NES 系統出現多解共存的條件須滿足ξ2＜，除普通周期平衡點之外，在一定參數條件下，系統還可能存在折奇點這一類通過局部分岔觀察不到的平衡點.

2）強調制響應是由NES 系統慢變動力流中極限環的鞍結分岔引起的，出現穩定的強調制響應須滿足兩個條件：一是慢變系統響應超過慢不變流形中下折疊線N1對應的4|R|2值，即保證系統出現折奇點；二是形成N1→Nu→N2→Nd→N1的連續跳躍環路，且慢變系統響應不被周期平衡點吸引.

3）強調制響應檢測電路仿真和試驗結果與理論分析結果保持一致，驗證了NES 系統中強調制響應存在的真實性和靶能量傳遞的可行性.