Физики разработали сеть с пассивным фильтрованием шума

Физики разработали сеть с пассивным фильтрованием шума

Физики из США и Германии теоретически показали, что из осцилляторов с произвольными параметрами можно построить такую сеть, которая будет пассивно выравнивать определенные типы шумов. Оказалось, что для выравнивания сильно скоррелированных шумов сеть должна быть плотной, а для слабо скоррелированных шумов — разреженной. В последнем случае строение сети напоминает прожилки листа. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Сети повсеместно встречаются в природе и технике — например, водопроводная и электрическая сеть доставляют в наши дома воду и электроэнергию, а нервная и сердечно-сосудистая система проводят нейронные импульсы и снабжают клетки кислородом. Очень часто потоки на концах сети не постоянны, но меняются во времени и пространстве. Из-за этого эффективность сети снижается, а при особенно сильных перепадах она может не справиться с перегрузкой и выйти из строя. Известным примером отказа сети из-за неравномерной нагрузки может служить блэкаут — нарушение работы электросети в результате аварии. Другой хороший пример — это тиннитус (звон в ушах), который также возникает из-за неравномерной нагрузки на слуховую сенсорную систему.

В настоящее время инженеры умеют выравнивать неравномерный сигнал, поступающий на входы сети, с помощью систем активного контроля. Например, системы активного шумоподавления накладывают на звуковые колебания волны с такой же амплитудой и частотой, но противоположной фазой, тем самым выравнивая сигнал. Тем не менее, несколько лет назад ученые обнаружили, что некоторые устройства умеют пассивно выравнивать сигнал — в частности, такими способностями обладает изолированный осциллятор. К сожалению, до сих пор физики не могли перенести эти свойства на случай сети, которая перераспределяет нагрузку между узлами. Если бы исследователям это удалось, они смогли бы во много раз повысить стабильность сетей без больших финансовых затрат.

Группа ученых под руководством Хенрика Ронелленфича (Henrik Ronellenfitsch) теоретически показала, что из затухающих осцилляторов с произвольными параметрами всегда можно построить такую сеть, которая будет пассивно выравнивать сигнал, подаваемый на ее входы. Единственное условие, которое физики накладывали на коэффициенты — это симметричность; другими словами, ученые считали, что в каждой паре осцилляторы одинаково откликаются на воздействие со стороны соседа (конечно, если эти узлы связаны между собой). Выравнивающие способности такой сети определяются усредненным по времени квадратом отклонения положения осцилляторов от равновесных значений. Теоретически, эту величину можно сделать сколь угодно малой, неограниченно увеличивая коэффициенты связи между всеми узлами. Фактически, в этом пределе покоящиеся осцилляторы немедленно «гасят» колебания соседей, на которые поступает случайный сигнал. Тем не менее, на практике неограниченного усиления достичь невозможно. Поэтому ученые наложили на коэффициенты дополнительное условие постоянной стоимости — предположили, что затраты на создание связи пропорциональны степени α от ее силы, а суммарная стоимость сети не должна превышать определенной суммы, пропорциональной количеству ее узлов.

Исходя из таких предположений, ученые разработали алгоритм, который итеративно (шаг за шагом) строит сеть, выравнивающую некоторые типы шумов. Для определенности исследователи рассматривали треугольные сетки и полагали число узлов равным 100. Такой алгоритм начинает с произвольной конфигурации связей между узлами, а потом присоединяет к ним новые узлы или отсоединяет старые, минимизируя стоимость и средний квадрат отклонения осцилляторов. Вообще говоря, для этого нужно решать систему дифференциальных уравнений или вычислять след от произведения матриц, описывающих шум и граф системы (формализм Ланжевена). Для простоты ученые считали, что пространственная и временна́я зависимости шумов расщепляются, то есть не влияют друг на друга. В качестве временно́го шума физики выбрали шум Орнштейна—Уленбека (Ornstein-Uhlenbeck noise), а в качестве пространственного — гауссов шум. Первый тип шума определяется корреляционным временем τ, второй — корреляционной длиной σ. В пределе τ → 0 или σ → 0 корреляции в обоих типах шума полностью пропадают.

В результате ученые обнаружили, что в зависимости от значений параметров τ, σ и α связи сети выстраиваются в одну из трех основных картин. Если шумы сильно скоррелированы во времени или пространстве (то есть параметры τ и σ не малы), то сеть получается сильно разреженной. В этом случае поток стекается по «узким» каналам слабой связи к «широкому» каналу сильной связи, который замыкается сам на себя. В результате получается картина связей, которая напоминает прожилки листа. С другой стороны, если шумы скоррелированы слабо, поток распространяется по плотной системе узких каналов. В обоих случаях системы эффективно подавляли шумы, практически до нуля снижая средний квадрат отклонений осцилляторов от равновесного значения.

Затем физики изготовили настоящий магнитный диод, основанный на этом эффекте. Для удобства ученые заменили полубесконечную плоскость U-образным круглым медным проводником — неограниченно долго поддерживать вращение легче, чем поступательное движение. Одну из катушек исследователи поместили внутрь проводника, а другую — строго под его основанием. Так же как и в случае плоскости, численное моделирование подтверждало, что «изолированность» в такой системе зависит от скорости вращения и может неограниченно расти. Чтобы экспериментально подтвердить этот эффект, ученые подавали на внутреннюю катушку переменный ток с частотой около девяти герц и измеряли напряжение на второй катушке в зависимости от частоты вращения проводника. Как и ожидалось, при достаточно большой частоте вращения сигнал на принимающей катушке пропадал, причем «критическая» частота увеличивалась при отдалении катушки от проводника.

Наконец, исследователи напрямую подтвердили нарушение принципа взаимности, измерив взаимные индуктивности катушек M12 и M21. Вторая катушка была удалена от основания проводника на 13 миллиметров, «критическая» частота в этом случае составляла примерно 35 герц. Для покоящегося проводника обе индуктивности были равны M12 = M21 ≈ (22+3i) наногенри. Однако при вращении проводника с частотой, близкой к критической, индуктивности составляли M12 ≈ (0+2i) наногенри и M21 ≈ (36+0i) наногенри. Все измерения проводились с погрешностью около 0,6 наногенри. Таким образом, принцип взаимности действительно нарушался.

Авторы статьи отмечают, что их разработку пока еще нельзя применить на практике — установка громоздка и сложна в изготовлении, а наблюдаемый эффект слишком мал. Тем не менее, ученые считают, что похожими свойствами должны обладать и другие, менее громоздкие системы. Например, они предлагают заменить металлический проводник графеном, в котором плотность тока достигает 108 ампер на квадратный сантиметр, а электроны движутся со скоростями, близкими к скорости света. Поскольку средняя скорость электронов накладывает самые сильные ограничения на величину эффекта, в графене он должен проявляться гораздо сильнее, чем в меди. Возможно, в будущем физики смогут построить более компактные магнитные диоды на основе графена.

Физики часто используют метаматериалы с необычными свойствами, чтобы изготовить «диоды» для потоков самых разных величин. Например, в феврале 2017 года физики из США и Нидерландов разработали метаматериал-диод для механической нагрузки, который растягивается в одну сторону и блокирует смещение в противоположном направлении. В октябре 2015 китайские инженеры напечатали акустический диод. А в сентябре 2015 китайские физики построили водяной диод — микрофлюидное устройство, которое пропускает воду только в одном направлении.

N+1

Похожие новости:
Проблема плохой связи вскоре будет решена
Независимо от количества релейных станций, покрытия вашего города, качество сигнала мобильного телефона может падать весьма значительно - иногда это вопрос нескольких метров. Исследователи из Массачусетского технологического института полагают, что их система Коррекции ошибок является решением этой ..
2012-02-15 1545 0 Технология
0
Ученые США создают тихий асфальт
Высокий уровень фонового шума в современных городах стал серьезной проблемой. И основной вклад в его создание вносит транспорт. Шум производят как сами автомобили, так и дорожное покрытие при контакте с покрышками,сообщает «WordScience.org». Разработкой “тихого” покрытия человечество озабочено уже давно. Это не так просто: материал с более ..
2012-06-17 1800 0 Технология
0
Канада начала испытания прототипа бесшумного снегохода
Вооруженные силы Канады в обстановке секретности испытывают прототип бесшумного снегохода для спецопераций в Арктике, сообщило в воскресенье Canadian Press со ссылкой на документы, полученные из министерства обороны в соответствии с Законом о свободе информации. Снегоход, на создание которого уже затрачено 620 тыс. долларов, получил ..
2013-08-19 1410 0 Технология
0
В США создали самые стабильные в мире атомные часы
Физики из Национального института стандартов и технологий (США) побили рекорд стабильности работы атомных часов. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!«Мы устранили критический тип шума в процессе работы часов, эффективно делая тактовый ..
2016-11-29 2503 0 Технология
0
Volvo представила концепцию роботов-мусоросборников
Компания Volvo продолжает развивать проекты в области инновационных автомобильных технологий и робототехники. Очередной инициативой в данной сфере стала концепция роботов-мусоросборников. Проект назван ROAR — сокращённо от Robot-based Autonomous Refuse handling. В нём, помимо Volvo, принимают участие ..
2015-09-22 1618 0 Технология
0
Система экологичной энергии появится на домах
Несмотря на самые распространенные технологии использования возобновляемых источников энергии, солнечных батарей и ветряных турбин, они по-прежнему имеют свои недостатки. Особенно, когда дело доходит до городской среды. Отсутствие пространства и опасения по поводу шума — это только две проблемы ..
2013-05-24 1272 0 Технология
0
Создан эко-робот, питающийся бетоном
Демонтаж — это грязное дело. Во время демонтажа много шума, пыли и большие горы строительного мусора. Есть отличная новость!!! Создали роботов, «поедающих» бетон, они смогут свести на нет все вышеописанные проблемы, сообщает telegrafist.net. «Робот, названный ERO, был создан студентом ..
2013-07-18 2254 0 Технология
1
Инновационные окна пропускают воздух, но не шум
Шумовое загрязнение является одним из бичей современной цивилизации. Оно может заглушить мелодию природы, вызвать раздражение, стресс или даже потерю слуха. Существует новый прототип специального звукоизоляционного окна, с множеством резонаторов Гельмгольца, способных подавлять шум. Проще говоря, ..
2013-07-18 2103 0 Технология
0
В Беларуси появилась автозаправка на солнечных батареях
Первая в Беларуси автозаправка, которая использует электроэнергию от солнечных батарей, построена в Гомеле на улице Добрушской. Ее собственником является РУП "Производственное объединение "Белоруснефть", сообщили корреспонденту БЕЛТА в пресс-службе предприятия.Установленное здесь оборудование позволит вырабатывать 10-12 кВт.ч в зависимости от погоды. ..
2012-01-1 2070 0 Технология
0
Япония тестирует следующее поколение левитирующих поезд
Японские "парящие" поезда будущего, скорость которых составляет 500 км/час, прошли первые испытания. Новое поколение поездов L0 Series, разработанных с применением последних достижений в области магнитной левитации, пришедшей на смену колёсам, будут введены в эксплуатацию в 2027 году. Первые пять ..
2013-06-6 2114 0 Технология
0
Создан канал связи, передающий данные со скоростью 186 Гбит/сек
Новая технология передачи данных со скоростью до 186 гигабатов в секунду разрабатывается группой исследователей из Калифорнийского института совместно с Международным университетом Флориды. За сутки с такой скоростью можно передать около двух миллионов гигабайтов данных, сообщает Newsru.com В основу новой ..
2011-12-15 2123 0 Технология
0
На Урале второй реактор на быстрых нейтронах включен в сеть
Четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800 включен в сеть и выработал первую электроэнергию на Урале. Об этом сообщает концерн «Росэнергоатом».Пуск состоялся в четверг, 10 декабря 2015 года в 21:21 по местному времени (19:21 по мск). Новый энергоблок включился ..
2015-12-14 1360 0 Технология
1
Умные частицы вырабатывают инсулин в крови
Американские исследователи разработали тип наночастиц, которые автоматически вырабатывают инсулин в крови, когда уровень глюкозы становится слишком высоким. Ученые продемонстрировали, что воздействие наночастиц у мышей длится в течение 10 дней. Проведение регулярных инъекций частиц может означать, что больные диабетом ..
2013-05-8 1547 0 Технология
0
Сеть кровеносных сосудов удалось напечатать
Возможность биопечати тканей и органов в один прекрасный день позволит создавать искусственные, но при этом вполне жизнеспособные части тела, которые будут использованы для трансплантации. Учёные ещё на шаг приблизились к тому дню, когда это станет реальностью: им удалось напечатать искусственные сосудистые ..
2014-07-04 1521 0 Технология
0
Ericsson передала данные со скоростью 5 гигабит в секунду через сеть 5G
Компания Ericsson продемонстрировала передачу данных со скорость 5 гигабит в секунду через сотовую сеть 5G. Об этом говорится в сообщении компании. Передача данных проводилась в Швеции, использовался частотный диапазон 15 гигагерц. В демонстрации принимали участие представители японского оператора NTTDOCOMO и южнокорейского ..
2014-07-02 1949 0 Технология
0