基于双稳态悬臂梁振动共振的微弱信号增强机理及实验验证

张云翔; 陈衍茂; 刘奇贤

doi:10.11714/acta.snus.ZR20260060

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基于双稳态悬臂梁振动共振的微弱信号增强机理及实验验证

更新时间：2026-05-15

- 基于双稳态悬臂梁振动共振的微弱信号增强机理及实验验证
- Mechanism and experimental verification of weak signal enhancement via vibrational resonance in bistable cantilever beams
- 中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2026年页码：1-9
- 作者机构：
  
  中山大学航空航天学院，广东深圳 518107
- 作者简介：
  
  张云翔（2000年生），男；研究方向：非线性动力学；E-mail： zhangyx283@mail2.sysu.edu.cn
  刘奇贤（1989年生），男；研究方向：非线性动力学；E-mail： liuqx8@mail.sysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  深圳市自然科学基金(JCYJ20250604175525033);国家自然科学基金(12572033)
- DOI：10.11714/acta.snus.ZR20260060
  中图分类号： O32
- 收稿：2026-03-14，
  
  录用：2026-04-14，
  
  网络首发：2026-05-15，
- 稿件说明：
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张云翔, 陈衍茂, 刘奇贤. 基于双稳态悬臂梁振动共振的微弱信号增强机理及实验验证[J/OL]. 中山大学学报(自然科学版)(中英文), 2026,1-9.

Zhang Yunxiang, Chen Yanmao, Liu Qixian. Mechanism and experimental verification of weak signal enhancement via vibrational resonance in bistable cantilever beams[J/OL]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2026, 1-9.
张云翔, 陈衍茂, 刘奇贤. 基于双稳态悬臂梁振动共振的微弱信号增强机理及实验验证[J/OL]. 中山大学学报(自然科学版)(中英文), 2026,1-9. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260060.

Zhang Yunxiang, Chen Yanmao, Liu Qixian. Mechanism and experimental verification of weak signal enhancement via vibrational resonance in bistable cantilever beams[J/OL]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2026, 1-9. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260060.

摘要

针对一种具有双稳态特性的磁耦合悬臂梁系统，从理论分析与实验验证两个层面对其振动共振特性进行了研究。首先，建立了双稳态悬臂梁系统的非线性动力学模型，并采用快慢变量分离方法推导了系统低频响应的解析表达式，从理论上揭示了高频激励诱发振动共振的内在机理。随后，搭建了磁耦合双稳态悬臂梁实验平台，在双频激励条件下开展实验研究。从实验结果可以清晰观测到振动共振现象，且其变化规律与理论分析结果一致。本文从力学实验层面验证了振动共振在宏观结构中的可实现性，同时为基于非线性动力学机制的微弱信号放大与检测提供了一种切实可行的研究思路。

Abstract

This paper constructs a magnetic coupling cantilever beam system with bistable characteristics，and conducts a systematic study on its vibration resonance properties from both theoretical analysis and experiment. Firstly，a nonlinear dynamic model of the bistable cantilever beam system is established，and the analytical expression of the system's low-frequency response is derived using the fast-slow variable separation method. This theoretically reveals the intrinsic mechanism by which the high-frequency excitation modulates the slow variable to equivalent natural frequency and induces vibration resonance. Subsequently，a magnetic coupling bistable cantilever beam experimental platform is built，and experimental research is carried out under dual-frequency excitation conditions. The experimental results clearly observe the vibration resonance phenomenon，and its variation pattern is in good consistency with the theoretical analysis results. This paper validates the realizability of vibration resonance in macroscopic structures from the mechanical experiment perspective，and provides a practical research idea for weak signal amplification and detection based on the nonlinear dynamic mechanism.

关键词

Keywords

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唐炜，王小璞，曹景军， 2014 . 非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析［J］. 物理学报， 63 （ 24 ）： 240504 .

Bordet M ， Morfu S ， 2012 . Experimental and numerical enhancement of vibrational resonance in neural circuit ［J］. Electron Lett ， 48 （ 15 ）： 903 - 905 .

Chizhevsky V N ， 2021 . Amplification of optical signals in a bistable vertical-cavity surface-emitting laser by vibrational resonance ［J］. Phil Trans R Soc A ， 379 （ 2192 ）： 20200241 .

Chowdhury A ， Clerc M G ， Barbay S ， et al ， 2020 . Weak signal enhancement by nonlinear resonance control in a forced nano-electromechanical resonator ［J］. Nat Commun ， 11 （ 1 ）： 2400 .

Du L C ， Song W H ， Guo W ， et al ， 2016 . Multiple current reversals and giant vibrational resonance in a high-frequency modulated periodic device ［J］. EPL Europhys Lett ， 115 （ 4 ）： 40008 .

Fang C J ， Liu X B ， 2012 . Theoretical analysis on the vibrational resonance in two coupled overdamped anharmonic oscillators ［J］. Chin Phys Lett ， 29 （ 5 ）： 050504 .

Gammaitoni L ， HäNggi P ， Jung P ， et al ， 1998 . Stochastic resonance ［J］. Rev Mod Phys ， 70 （ 1 ）： 223 - 287 .

Ghosh S ， Ray D S ， 2015 . Optical Bloch equations in a bichromatic field； vibrational resonance ［J］. Eur Phys J B ， 88 （ 1 ）： 23 .

Jeyakumari S ， Chinnathambi V ， Rajasekar S ， et al ， 2009 . Single and multiple vibrational resonance in a quintic oscillator with monostable potentials ［J］. Phys Rev E ， 80 （ 4 ）： 046608 .

Jothimurugan R ， Thamilmaran K ， Rajasekar S ， et al ， 2013 . Experimental evidence for vibrational resonance and enhanced signal transmission in chua’s circuit ［J］. Int J Bifurcation Chaos ， 23 （ 11 ）： 1350189 .

Kolebaje O ， Popoola O O ， Vincent U E ， 2021 . Occurrence of vibrational resonance in an oscillator with an asymmetric Toda potential ［J］. Phys D Nonlinear Phenom ， 419 ： 132853 .

Landa P S ， Mcclintock P E ， 2000 . Vibrational resonance ［J］. J Phys A： Math Gen ， 33 （ 45 ）： 433 - 438 .

Laoye J A ， Roy-Layinde T O ， Omoteso K A ， et al ， 2019 . Vibrational resonance in a higher-order nonlinear damped oscillator with rough potential ［J］. Pramana ， 93 （ 6 ）： 102 .

Madiot G ， Barbay S ， Braive R ， 2021 . Vibrational resonance amplification in a thermo-optic optomechanical nanocavity ［J］. Nano Lett ， 21 （ 19 ）： 8311 - 8316 .

Monwanou A V ， KoukpéMèDji A A ， Ainamon C ， et al ， 2020 . Nonlinear dynamics in a chemical reaction under an amplitude-modulated excitation：Hysteresis， vibrational resonance， multistability， and chaos ［J］. Complexity ， 2020： 8823458 .

Olusola O I ， Shomotun O P ， Vincent U E ， et al ， 2020 . Quantum vibrational resonance in a dual-frequency-driven Tietz-Hua quantum well ［J］. Phys Rev E ， 101 （）： 052216.

Paul S ， Shankar R D ， 2021 . Vibrational resonance in a driven two-level quantum system， linear and nonlinear response ［J］. Phil Trans R Soc A ， 379 （ 2192 ）： 20200231 .

Roy-Layinde T O ， Omoteso K A ， Kolebaje O T ， et al ， 2023 . Vibrational resonance in a multistable system with position-dependent mass ［J］. Commun Theor Phys ， 75 （ 11 ）： 115602 .

Sarkar P ， Ray D S ， 2019 . Vibrational antiresonance in nonlinear coupled systems ［J］. Phys Rev E ， 99 （ 5 ）： 052221 .

Wang C J ， 2011 . Vibrational resonance in an overdamped system with a sextic double-well potential ［J］. Chin Phys Lett ， 28 （ 9 ）： 090504 .

Wellens T ， Shatokhin V ， Buchleitner A ， 2004 . Stochastic resonance ［J］. Rep Prog Phys ， 67 （ 1 ）： 45 .

Yang Y F ， Wang C J ， 2013 . Theory and numerics of double-vibrational resonance in the overdamped oscillator ［J］. Chin J Phys ， 51 （ 4 ）： 728 - 737 .

Yao C ， Zhan M ， 2010 . Signal transmission by vibrational resonance in one-way coupled bistable systems ［J］. Phys Rev E ， Stat Nonlin Soft Matter Phys， 81 （ 6 ）： 061129 .

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