Добротность - Q factor

Для другого использования терминов Q, Добротность, и Фактор качества, видеть Q значение (значения).

Затухающие колебания. Низкая добротность - здесь около 5 - означает, что колебания быстро затухают.

В физика и инженерное дело в фактор качества или же Q фактор это безразмерный параметр, описывающий, как недостаточно демпфированный ан осциллятор или же резонатор является. Он приблизительно определяется как отношение начальной энергии, запасенной в резонаторе, к энергии, потерянной за один радиан цикла колебаний.^[1] В качестве альтернативы добротность определяется как отношение центральной частоты резонатора к его пропускная способность под действием колеблющейся движущей силы. Эти два определения дают схожие, но не идентичные результаты.^[2] Выше Q указывает на меньшую скорость потери энергии, и колебания затухают медленнее. Маятник, подвешенный на качественной опоре, колеблющийся в воздухе, имеет высокую Q, а погруженный в масло маятник имеет низкий. Резонаторы с высокими добротностями имеют низкую демпфирование, чтобы они звонили или вибрировали дольше.

Объяснение

Q-фактор - это параметр, описывающий резонанс поведение недемпфированного гармонический осциллятор (резонатор). Синусоидально ведомый резонаторы имея более высокий Q факторы резонировать с большими амплитудами (на резонансной частоте), но с меньшим диапазоном частот вокруг той частоты, для которой они резонируют; диапазон частот, на котором резонирует осциллятор, называется полосой пропускания. Таким образом, высокийQ настроенная схема в радиоприемнике было бы сложнее настроить, но было бы больше избирательность; он будет лучше фильтровать сигналы от других станций, находящихся поблизости в спектре. Высоко-Q генераторы колеблются с меньшим диапазоном частот и более стабильны. (Видеть фазовый шум генератора.)

Добротность генераторов существенно различается от системы к системе в зависимости от их конструкции. Системы, для которых важно демпфирование (например, демпферы, предохраняющие дверь от захлопывания), имеют Q рядом¹⁄₂. Часы, лазеры и другие резонирующие системы, которым необходим сильный резонанс или высокая стабильность частоты, имеют высокие показатели качества. Камертон имеет добротность около 1000. Фактор качества атомные часы, сверхпроводящий РФ полости, используемые в ускорителях, и некоторыеQ лазеры может достигать 10^11[3] и выше.^[4]

Физики и инженеры используют множество альтернативных величин для описания затухания осциллятора. Важные примеры включают: коэффициент демпфирования, относительная пропускная способность, ширина линии и пропускная способность измеряется в октавы.

Концепция чего-либо Q возникла у К. С. Джонсона из Western Electric Company Инженерный отдел России при оценке качества катушек (индукторов). Его выбор символа Q только потому, что в то время все остальные буквы алфавита были взяты. Этот термин не был задуман как сокращение для «качества» или «фактора качества», хотя эти термины стали ассоциироваться с ним.^[5][6][7]

Определение

Определение Q с момента его первого использования в 1914 году было обобщено для применения к катушкам и конденсаторам, резонансным цепям, резонансным устройствам, резонансным линиям передачи, объемным резонаторам, материалам Q и спектральным линиям.^[5]

Резонансные устройства

В контексте резонаторов есть два общих определения Q, что не совсем эквивалентно. Они становятся примерно эквивалентными как Q становится больше, что означает, что резонатор становится менее демпфированным. Одно из этих определений - отношение частоты к полосе пропускания резонатора:^[5]

${\displaystyle Q\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {f_{r}}{\Delta f}}={\frac {\omega _{r}}{\Delta \omega }},\,}$

куда ж_р - резонансная частота, Δж это ширина резонанса или же полная ширина на половине максимальной (FWHM), то есть полоса пропускания, в которой мощность вибрации превышает половину мощности на резонансной частоте, ω_р = 2πж_р это угловатый резонансная частота, а Δω - угловая ширина полосы половинной мощности.

Согласно этому определению, Q является обратной величиной относительная пропускная способность.

Катушки и конденсаторы

Другое распространенное почти эквивалентное определение для Q - отношение энергии, запасенной в колеблющемся резонаторе, к энергии, рассеиваемой за цикл в результате процессов демпфирования:^[8][9][5]

${\displaystyle Q\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ 2\pi \times {\frac {\text{energy stored}}{\text{energy dissipated per cycle}}}=2\pi f_{r}\times {\frac {\text{energy stored}}{\text{power loss}}}.\,}$

Фактор 2π делает Q можно выразить в более простых терминах, включая только коэффициенты дифференциального уравнения второго порядка, описывающего большинство резонансных систем, электрических или механических. В электрических системах запасенная энергия представляет собой сумму энергий, сохраненных без потерь. индукторы и конденсаторы; потерянная энергия - это сумма энергий, рассеянных в резисторы за цикл. В механических системах накопленная энергия - это максимально возможная накопленная энергия или полная энергия, то есть сумма потенциал и кинетический энергии в определенный момент времени; потерянная энергия - это работа внешнего консервативная сила, за цикл, чтобы поддерживать амплитуду.

В более общем плане и в контексте спецификации реактивных компонентов (особенно катушек индуктивности) частотно-зависимое определение Q используется:^{[8][10][неудачная проверка – см. обсуждение][9]}

${\displaystyle Q(\omega )=\omega \times {\frac {\text{maximum energy stored}}{\text{power loss}}},\,}$

куда ω это угловая частота при котором измеряются запасенная энергия и потери мощности. Это определение согласуется с его использованием при описании цепей с одним реактивным элементом (конденсатором или катушкой индуктивности), где можно показать, что он равен отношению Реактивная сила к Реальная власть. (Видеть Отдельные реактивные компоненты.)

Q коэффициент и демпфирование

Основные статьи: демпфирование и линейная инвариантная во времени (LTI) система

В Q фактор определяет качественный поведение простых затухающий генераторы. (Математические подробности об этих системах и их поведении см. гармонический осциллятор и линейная инвариантная во времени (LTI) система.)

• Система с низкая добротность (Q < ​¹⁄₂) называется чрезмерно демпфированный. Такая система вообще не колеблется, но при смещении со своего равновесного установившегося выхода она возвращается к ней через экспоненциальный спад, приближаясь к установившемуся значению асимптотически. Имеет импульсивный ответ это сумма двух убывающие экспоненциальные функции с разной скоростью распада. По мере уменьшения добротности более медленный режим затухания становится сильнее по сравнению с более быстрым режимом и доминирует над откликом системы, что приводит к более медленной системе. Второй порядок фильтр нижних частот с очень низкой добротностью имеет переходную характеристику почти первого порядка; выход системы реагирует на шаг ввод, медленно поднимаясь к асимптота.
• Система с фактор высокого качества (Q > ​¹⁄₂) называется недостаточно демпфированный. В системах с недостаточным демпфированием колебания определенной частоты сочетаются с уменьшением амплитуды сигнала. Недемпфированные системы с низкой добротностью (чуть выше Q = ​¹⁄₂) может колебаться только один или несколько раз перед тем, как исчезнуть. По мере увеличения добротности относительная величина демпфирования уменьшается. Качественный колокол звонит единым чистым звуком очень долго после удара. Чисто колебательная система, такая как вечный звонок, имеет бесконечную добротность. В более общем смысле, выход второго порядка фильтр нижних частот с очень высоким коэффициентом качества реагирует на ступенчатый вход, быстро поднимаясь выше, колеблясь вокруг и в конечном итоге приближаясь к установившемуся значению.
• Система с промежуточная добротность (Q = ​¹⁄₂) называется критически затухающий. Как и в системе с избыточным демпфированием, выходной сигнал не колеблется и не выходит за пределы своего установившегося выхода (т. Е. Приближается к установившейся асимптоте). Подобно слабозатухающему отклику, выходной сигнал такой системы быстро реагирует на входной единичный шаг. Критическое демпфирование приводит к максимально быстрому отклику (приближению к окончательному значению) без перерегулирования. Спецификации реальной системы обычно допускают некоторый перерегулирование для более быстрого начального отклика или требуют более медленного начального отклика для обеспечения коэффициент безопасности против перерегулирования.

В негативный отзыв систем, доминирующий отклик с обратной связью часто хорошо моделируется системой второго порядка. В запас по фазе разомкнутой системы устанавливает добротность Q замкнутой системы; по мере уменьшения запаса по фазе приближенная замкнутая система второго порядка становится более колебательной (т.е. имеет более высокий коэффициент качества).

Факторы качества общих систем

• Единство Топология фильтра нижних частот Саллена – Ки с одинаковыми конденсаторами и одинаковыми резисторами критически демпфируется (т. е. Q = ​¹⁄₂).
• Второй порядок Фильтр Баттерворта (то есть фильтр с непрерывным временем с самой плоской частотной характеристикой полосы пропускания) имеет слабозатухающий Q = ​¹⁄_√2.^[11]
• А Фильтр Бесселя (т. е. непрерывный фильтр с групповая задержка ) имеет недемпфированный Q = ​¹⁄_√3.^{[нужна цитата ]}

Физическая интерпретация

Физически говоря, Q - приблизительно отношение накопленной энергии к энергии, рассеиваемой в течение одного радиана колебания; или почти то же самое, при достаточно высоком Q значения, 2π умноженное на соотношение общей накопленной энергии и энергии, потерянной за один цикл.^[12]

Это безразмерный параметр, который сравнивает экспоненциальная постоянная времени τ для распада колеблющийся физическая система амплитуда к его колебаниям период. Точно так же он сравнивает частоту, с которой система колеблется, со скоростью, с которой она рассеивает свою энергию. Точнее, используемые частота и период должны основываться на собственной частоте системы, которая при низких Q значения несколько выше, чем частота колебаний, измеренная по пересечениям нуля.

Эквивалентно (для больших значений Q), Q Фактор приблизительно равен количеству колебаний, необходимых для того, чтобы энергия свободно колеблющейся системы упала до е^−2π, или около¹⁄₅₃₅ или 0,2% от его первоначальной энергии.^[13] Это означает, что амплитуда падает примерно до е^−π или 4% от исходной амплитуды.^[14]

Ширина (полоса пропускания) резонанса определяется (приблизительно):

${\displaystyle \Delta f={\frac {f_{\mathrm {N} }}{Q}},\,}$

куда ж_N это собственная частота, а Δж, то пропускная способность, - ширина диапазона частот, для которого энергия составляет не менее половины своего пикового значения.

Резонансная частота часто выражается в натуральных единицах (радианах в секунду), а не в ж_N в герц, так как

${\displaystyle \omega _{\mathrm {N} }=2\pi f_{\mathrm {N} }.}$

Факторы Q, коэффициент демпфирования ζ, собственная частота ω_N, коэффициент затухания α, и экспоненциальная постоянная времени τ связаны таким образом, что:^[15]

${\displaystyle Q={\frac {1}{2\zeta }}={\omega _{\mathrm {N} } \over 2\alpha }={\tau \omega _{\mathrm {N} } \over 2},}$

и коэффициент демпфирования можно выразить как:

${\displaystyle \zeta ={\frac {1}{2Q}}={\alpha \over \omega _{\mathrm {N} }}={1 \over \tau \omega _{\mathrm {N} }}.}$

Огибающая колебаний затухает пропорционально е^−αt или же е^−т/τ, куда α и τ можно выразить как:

${\displaystyle \alpha ={\omega _{\mathrm {N} } \over 2Q}=\zeta \omega _{\mathrm {N} }={1 \over \tau }}$

и

${\displaystyle \tau ={2Q \over \omega _{\mathrm {N} }}={1 \over \zeta \omega _{\mathrm {N} }}={1 \over \alpha }.}$

Энергия колебаний, или рассеиваемая мощность, спадает в два раза быстрее, то есть пропорционально квадрату амплитуды, как е^−2αt или же е^−2т/τ.

Для двухполюсного фильтра нижних частот функция передачи фильтра^[15]

${\displaystyle H(s)={\frac {\omega _{\mathrm {N} }^{2}}{s^{2}+\underbrace {\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}} _{2\zeta \omega _{\mathrm {N} }=2\alpha }s+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}}\,}$

Для этой системы, когда Q > ​¹⁄₂ (т.е. когда система недостаточно демпфирована), она имеет два комплексно сопряженный полюса, каждый из которых имеет реальная часть из -α. То есть параметр затухания α представляет собой скорость экспоненциальный спад колебаний (то есть выхода после импульс ) в систему. Более высокий коэффициент качества подразумевает меньшую скорость затухания и, следовательно, высокийQ системы колеблются в течение многих циклов. Например, качественные колокольчики имеют примерно чистый синусоидальный тон долгое время после удара молотком.

Тип фильтра (2-й порядок) Функция передачи[16] НЧ ${\displaystyle H(s)={\frac {\omega _{\mathrm {N} }^{2}}{s^{2}+{\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}}s+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}}}$ Bandpass ${\displaystyle H(s)={\frac {{\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}}s}{s^{2}+{\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}}s+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}}}$ Нотч (Bandstop) ${\displaystyle H(s)={\frac {s^{2}+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}{s^{2}+{\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}}s+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}}}$ Высокая частота ${\displaystyle H(s)={\frac {s^{2}}{s^{2}+{\frac {\omega _{\mathrm {N} }}{Q}}s+\omega _{\mathrm {N} }^{2}}}}$

Электрические системы

График величины усиления фильтра, иллюстрирующий понятие –3 дБ при усилении по напряжению 0,707 или ширине полосы половинной мощности. Частотная ось этой символической диаграммы может быть линейной или линейной. логарифмически масштабируется.

Для электрически резонансной системы Q фактор представляет собой эффект электрическое сопротивление и для электромеханических резонаторов, таких как кристаллы кварца, механический трение.

Отношения между Q и пропускная способность

Двусторонняя полоса пропускания относительно резонансной частоты F₀ Гц F₀/Q.

Например, антенна настроена на Q значение 10 и центральная частота 100 кГц будет иметь полосу пропускания 3 дБ 10 кГц.

В аудио пропускная способность часто выражается через октавы. Тогда отношения между Q и пропускная способность

${\displaystyle Q\ =\ {\frac {2^{\frac {BW}{2}}}{2^{BW}-1}}\ =\ {\frac {1}{2\sinh \left({\frac {\ln(2)}{2}}BW\right)}},}$

куда BW ширина полосы пропускания в октавах.^[17]

RLC схемы

В идеальной серии RLC схема, а в настроенный радиоприемник (TRF) Q Фактор:^[18]

${\displaystyle Q={\frac {1}{R}}{\sqrt {\frac {L}{C}}}={\frac {\omega _{0}L}{R}}={\frac {1}{\omega _{0}RC}}}$

куда р, L и C являются сопротивление, индуктивность и емкость настроенного контура соответственно. Чем больше последовательное сопротивление, тем ниже цепь. Q.

Для параллельного RLC цепь, Q Фактор является обратным случаю серии:^[19][18]

${\displaystyle Q=R{\sqrt {\frac {C}{L}}}={\frac {R}{\omega _{0}L}}=\omega _{0}RC}$^[20]

Рассмотрим схему, в которой р, L и C все параллельно. Чем ниже параллельное сопротивление, тем большее влияние оно окажет на демпфирование цепи и, следовательно, тем ниже будет Q. Это полезно при разработке фильтра для определения полосы пропускания.

Параллельно LC цепь, где основные потери - сопротивление индуктора, рпоследовательно с индуктивностью, L, Q как в последовательной цепи. Это обычное явление для резонаторов, когда ограничение сопротивления индуктора для улучшения Q а сужение полосы пропускания - желаемый результат.

Отдельные реактивные компоненты

В Q индивидуального реактивного компонента зависит от частоты, на которой он оценивается, которая обычно является резонансной частотой цепи, в которой он используется. Q индуктора с последовательным сопротивлением потерь - это Q резонансного контура, использующего эту катушку индуктивности (включая ее последовательные потери) и идеальный конденсатор.^[21]

${\displaystyle Q_{L}={\frac {X_{L}}{R_{L}}}={\frac {\omega _{0}L}{R_{L}}}}$

куда:

• ω₀ резонансная частота в радианах в секунду,
• L это индуктивность,
• Икс_L это индуктивное сопротивление, и
• р_L - последовательное сопротивление индуктора.

В Q конденсатора с последовательным сопротивлением потерь такое же, как Q резонансного контура, использующего этот конденсатор с идеальной катушкой индуктивности:^[21]

${\displaystyle Q_{C}={\frac {-X_{C}}{R_{C}}}={\frac {1}{\omega _{0}CR_{C}}}}$

куда:

• ω₀ резонансная частота в радианах в секунду,
• C это емкость,
• Икс_C это емкостное сопротивление, и
• р_C - последовательное сопротивление конденсатора.

В целом Q резонатора, включающего последовательную комбинацию конденсатора и индуктора, можно определить из Q значения компонентов, независимо от того, вызваны ли их потери последовательным сопротивлением или иным образом:^[21]

${\displaystyle Q={\frac {1}{{\frac {1}{Q_{L}}}+{\frac {1}{Q_{C}}}}}}$

Механические системы

Для одинарной демпфированной системы масса-пружина Q фактор представляет собой эффект упрощенного вязкий демпфирование или тащить, где демпфирующая сила или сила сопротивления пропорциональна скорости. Формула для Q-фактора:

${\displaystyle Q={\frac {\sqrt {Mk}}{D}},\,}$

куда M это масса, k - жесткость пружины, и D - коэффициент демпфирования, определяемый уравнением F_{демпфирование} = −Dv, куда v - скорость.^[22]

Акустические системы

В Q музыкального инструмента критично; чрезмерно высокий Q в резонатор не будет равномерно усиливать множество частот, производимых инструментом. По этой причине струнные инструменты часто имеют корпуса сложной формы, так что они довольно равномерно воспроизводят широкий диапазон частот.

В Q из духовой инструмент или же духовой инструмент должен быть достаточно высоким, чтобы выбрать одну частоту из более широкого спектра жужжания губ или язычка. вувузела изготовлен из гибкого пластика, поэтому имеет очень низкий Q для медного духового инструмента, придавая ему мутный, хриплый тон. Инструменты из более жесткого пластика, латуни или дерева имеют более высокое значение Q. Чрезмерно высокий Q может затруднить взятие ноты. Q в приборе могут варьироваться в зависимости от частоты, но это может быть нежелательно.

Резонаторы Гельмгольца имеют очень высокую добротность, так как предназначены для выделения очень узкого диапазона частот.

Оптические системы

В оптика, то Q фактор резонансная полость дан кем-то

${\displaystyle Q={\frac {2\pi f_{o}\,E}{P}},\,}$

куда ж_о - резонансная частота, E - запасенная энергия в полости, а п = −dE/dt это рассеиваемая мощность. Оптический Q равна отношению резонансной частоты к ширине полосы резонанса полости. Среднее время жизни резонансного фотон в полости пропорционален Q. Если Q фактор лазер Резонатор резко меняется с низкого значения на высокое, лазер излучает пульс света, который намного интенсивнее обычного непрерывного излучения лазера. Этот метод известен как Q-переключение. Q фактор имеет особое значение в плазмоника, где потери связаны с затуханием поверхностный плазмонный резонанс.^[23] Хотя потери обычно считаются препятствием в разработке плазмонных устройств, это свойство можно использовать для представления новых улучшенных функций.^[24]

Смотрите также

• Акустический резонанс
• Затухание
• Предел Чу – Харрингтона
• Пьезоэлектрические свойства материала
• Запас по фазе
• Q метр
• Q множитель
• Коэффициент рассеяния

Рекомендации

1. Хикман, Ян (2013). Аналоговая электроника: объяснение аналоговой схемы. Newnes. п. 42. ISBN  9781483162287.
2. Тули, Майкл Х. (2006). Электронные схемы: основы и приложения. Newnes. С. 77–78. ISBN  978-0-7506-6923-8. В архиве из оригинала от 01.12.2016.
3. Энциклопедия лазерной физики и техники: Q фактор В архиве 2009-02-24 в Wayback Machine
4. Время и частота от А до Я: от Q до Ra В архиве 2008-05-04 на Wayback Machine
5. Грин, Эстилл I. (октябрь 1955 г.). "История Q" (PDF). Американский ученый. 43: 584–594. В архиве (PDF) из оригинала от 03.12.2012. Получено 2012-11-21.
6. Б. Джеффрис, К. Дж. Р. Астр. Soc. (1985) 26, 51–52
7. Пашотта, Рюдигер (2008). Энциклопедия лазерной физики и техники, Vol. 1 ЧАС НОЧИ. Wiley-VCH. п. 580. ISBN  978-3527408283. В архиве из оригинала 2018-05-11.
8. Слюсарь В. И. 60 лет теории электрически малогабаритных антенн .// Труды 6-й Международной конференции по теории и методике антенн, 17–21 сентября 2007 г., Севастополь, Украина. - Стр. 116 - 118. "ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ АНТЕНН" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала на 28.08.2017. Получено 2017-09-02.
9. У.А. Бакши, А. В. Бакши (2006). Сетевой анализ. Технические публикации. п. 228. ISBN  9788189411237.
10. Джеймс В. Нильссон (1989). Электрические схемы. ISBN  0-201-17288-7.
11. Сабах, Насир Х. (2017). Анализ цепей с помощью PSpice: упрощенный подход. CRC Press. п. 446. ISBN  9781315402215.
12. Джексон, Р. (2004). Новые датчики и зондирование. Бристоль: Институт физики Pub. п. 28. ISBN  0-7503-0989-X.
13. Бенджамин Кроуэлл (2006). «Свет и материя». В архиве из оригинала от 19.05.2011., Гл. 18
14. Анант., Агарвал (2005). Основы аналоговых и цифровых электронных схем. Лэнг, Джеффри (Jeffrey H.). Амстердам: Эльзевир. п. 647. ISBN  9781558607354. OCLC  60245509.
15. Зиберт, Уильям МакК. Цепи, сигналы и системы. MIT Press.
16. «Технический журнал« Аналоговый диалог »- Analog Devices» (PDF). www.analog.com. В архиве (PDF) из оригинала от 04.08.2016.
17. Деннис Бон, Рейн (январь 2008 г.). «Пропускная способность в октавах по сравнению с Q в полосовых фильтрах». www.rane.com. Получено 2019-11-20.
18. У.А. Бакши; А.В. Бакши (2008). Электрические схемы. Технические публикации. С. 2–79. ISBN  9788184314526.
19. «Полный ответ I - постоянный ввод». fourier.eng.hmc.edu. В архиве из оригинала от 10.01.2012.
20. Частотная характеристика: резонанс, полоса пропускания, Q Фактор В архиве 2014-12-06 в Wayback Machine (PDF )
21. Ди Паоло, Франко (2000). Сети и устройства, использующие плоские линии передачи. CRC Press. С. 490–491. ISBN  9780849318351. В архиве из оригинала на 2018-05-11.
22. Методы экспериментальной физики - Лекция 5: Преобразования Фурье и дифференциальные уравнения В архиве 2012-03-19 в Wayback Machine (PDF )
23. Таваколи, Мехди; Джалили, Юсеф Сейед; Элахи, Сейед Мохаммад (28 апреля 2019 г.). «Аппроксимация аномалии Рэлея-Вуда с FDTD-моделированием плазмонного массива нанотверстий золота для определения оптимальных необыкновенных оптических характеристик пропускания». Сверхрешетки и микроструктуры. 130: 454–471. Bibcode:2019SuMi..130..454T. Дои:10.1016 / j.spmi.2019.04.035.
24. Чен, банда; Махан, Джеральд; Меруэ, Лорин; Хуанг, Йи; Цуримаки, Ёитиро; Тонг, Джонатан К .; Ни, Джордж; Цзэн, Линпин; Купер, Томас Алан (31 декабря 2017 г.). «Потери в плазмонике: от уменьшения рассеяния энергии до использования функций, допускающих потери». Достижения в оптике и фотонике. 9 (4): 775–827. Bibcode:2017AdOP .... 9..775B. Дои:10.1364 / AOP.9.000775. ISSN  1943-8206.

дальнейшее чтение

• Агарвал, Анант; Лэнг, Джеффри (2005). Основы аналоговых и цифровых электронных схем. Морган Кауфманн. ISBN  1-55860-735-8.

внешняя ссылка

• Расчет частот среза, когда центральная частота и Q фактор дан
• Объяснение Q коэффициент в схемах настройки радио