В физике и технике добротность или Q - фактор — это безразмерный параметр, описывающий, насколько недодемпфирован осциллятор или резонатор . Он определяется как отношение начальной энергии, запасенной в резонаторе, к энергии, потерянной за один радиан цикла колебаний. [1] Q -фактор также определяется как отношение центральной частоты резонатора к его полосе пропускания при воздействии колебательной движущей силы. Эти два определения дают численно схожие, но не идентичные результаты. [2] Более высокая Q указывает на более низкую скорость потери энергии, и колебания затухают медленнее. Маятник, подвешенный на высококачественном подшипнике, колеблющийся в воздухе, имеет высокую Q , в то время как маятник, погруженный в масло, имеет низкую. Резонаторы с высокой добротностью имеют низкое затухание , поэтому они звенят или вибрируют дольше.
Фактор добротности — это параметр, описывающий резонансное поведение слабозатухающего гармонического осциллятора (резонатора). Синусоидально возбуждаемые резонаторы с более высокими факторами добротности резонируют с большими амплитудами (на резонансной частоте), но имеют меньший диапазон частот вокруг той частоты, на которой они резонируют; диапазон частот, на которых резонирует генератор, называется полосой пропускания. Таким образом, высокодобротную настроенную схему в радиоприемнике будет сложнее настроить, но она будет иметь большую избирательность ; она будет лучше отфильтровывать сигналы от других станций, которые находятся поблизости в спектре. Высокодобротные генераторы колеблются с меньшим диапазоном частот и более стабильны.
Добротность генераторов существенно различается от системы к системе в зависимости от их конструкции. Системы, для которых важно демпфирование (например, демпферы, удерживающие дверь от захлопывания), имеют добротность около 1 ⁄ 2 . Часы, лазеры и другие резонирующие системы, которым требуется либо сильный резонанс, либо высокая стабильность частоты, имеют высокие добротности. Камертоны имеют добротности около 1000. Добротность атомных часов , сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, используемых в ускорителях, и некоторых лазеров с высокой добротностью может достигать 10 11 [3] и выше. [4]
Существует много альтернативных величин, используемых физиками и инженерами для описания того, насколько затухает осциллятор. Важные примеры включают: коэффициент затухания , относительную полосу пропускания , ширину линии и полосу пропускания, измеренную в октавах .
Концепция Q возникла у К. С. Джонсона из инженерного отдела компании Western Electric Company при оценке качества катушек (индукторов). Он выбрал символ Q только потому, что в то время все остальные буквы алфавита были заняты. Термин не был задуман как сокращение от «качества» или «фактора качества», хотя эти термины стали ассоциироваться с ним. [5] [6] [7]
Определение Q с момента его первого использования в 1914 году было обобщено для применения к катушкам и конденсаторам, резонансным контурам, резонансным устройствам, резонансным линиям передачи, объемным резонаторам [5] и вышло за рамки области электроники, чтобы применяться к динамическим системам в целом: механическим и акустическим резонаторам, материальной Q и квантовым системам, таким как спектральные линии и резонансы частиц.
В контексте резонаторов существуют два общих определения для Q , которые не являются точно эквивалентными. Они становятся приблизительно эквивалентными по мере увеличения Q , что означает, что резонатор становится менее затухающим. Одно из этих определений — отношение частоты к полосе пропускания резонатора: [5]
где f r — резонансная частота, Δ f — ширина резонанса или полная ширина на уровне половины максимума (FWHM), т.е. полоса пропускания, в которой мощность вибрации больше половины мощности на резонансной частоте, ω r = 2 πf r — угловая резонансная частота, а Δ ω — угловая ширина полосы пропускания на уровне половинной мощности.
Согласно этому определению, Q является величиной, обратной дробной полосе пропускания .
Другое общее почти эквивалентное определение Q — это отношение энергии, запасенной в колеблющемся резонаторе, к энергии, рассеиваемой за цикл в результате процессов затухания: [8] [9] [5]
Множитель 2π делает Q выражаемым в более простых терминах, включающих только коэффициенты дифференциального уравнения второго порядка, описывающего большинство резонансных систем, электрических или механических. В электрических системах запасенная энергия представляет собой сумму энергий, запасенных в безпотерьных индукторах и конденсаторах ; потерянная энергия представляет собой сумму энергий, рассеиваемых в резисторах за цикл. В механических системах запасенная энергия представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергий в некоторый момент времени; потерянная энергия представляет собой работу, совершаемую внешней силой за цикл для поддержания амплитуды.
В более общем плане и в контексте спецификации реактивных компонентов (особенно индукторов) используется частотно-зависимое определение Q : [8] [10] [ проверка не удалась – см. обсуждение ] [9]
где ω — угловая частота, на которой измеряются запасенная энергия и потери мощности. Это определение согласуется с его использованием при описании цепей с одним реактивным элементом (конденсатором или индуктором), где можно показать, что оно равно отношению реактивной мощности к реальной мощности . ( См. Отдельные реактивные компоненты.)
Фактор Q определяет качественное поведение простых затухающих осцилляторов. (Математические подробности об этих системах и их поведении см. в гармоническом осцилляторе и линейной системе с инвариантностью во времени (LTI) .)
В системах с отрицательной обратной связью доминирующий отклик замкнутого контура часто хорошо моделируется системой второго порядка. Фазовый запас системы с разомкнутым контуром задает добротность Q замкнутой системы; по мере уменьшения фазового запаса приближенная система замкнутого контура второго порядка становится более колебательной (т. е. имеет более высокую добротность).
где R w — радиус стенки полости, δ — глубина скин-слоя стенки полости, v m,p — скаляр собственного значения ( m — азимутальный индекс, p — радиальный индекс; в данном случае глубина скин-слоя равна ) [12]
С физической точки зрения Q приблизительно равен отношению накопленной энергии к энергии, рассеиваемой за один радиан колебания; или, что почти эквивалентно, при достаточно высоких значениях Q , 2π, умноженному на отношение общей накопленной энергии к энергии, теряемой за один цикл. [14]
Это безразмерный параметр, который сравнивает экспоненциальную постоянную времени τ для затухания амплитуды колеблющейся физической системы с ее периодом колебаний . Эквивалентно, 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 значениях Q несколько выше частоты колебаний, измеренной путем пересечения нуля.
Эквивалентно (для больших значений Q ), фактор Q приблизительно равен числу колебаний, необходимых для того, чтобы энергия свободно колеблющейся системы упала до e −2 π , или около 1 ⁄ 535 или 0,2% от ее первоначальной энергии. [15] Это означает, что амплитуда падает примерно до e − π или 4% от ее первоначальной амплитуды. [16]
Ширина (полоса пропускания) резонанса определяется (приблизительно): где f N — собственная частота , а Δ f — полоса пропускания , ширина диапазона частот, для которого энергия составляет по крайней мере половину своего пикового значения.
Резонансная частота часто выражается в натуральных единицах (радианы в секунду), а не с помощью f N в герцах , как
Коэффициенты Q , коэффициент затухания ζ , собственная частота ω N , скорость затухания α и экспоненциальная постоянная времени τ связаны следующим образом: [17] [ нужная страница ]
а коэффициент затухания можно выразить как:
Огибающая колебаний затухает пропорционально e − αt или e − t/τ , где α и τ можно выразить как:
и
Энергия колебаний, или рассеиваемая мощность, убывает вдвое быстрее, то есть как квадрат амплитуды, как e −2 αt или e −2 t/τ .
Для двухполюсного фильтра нижних частот передаточная функция фильтра равна [17]
Для этой системы, когда Q > 1/2 (т. е. когда система недостаточно затухает), она имеет двакомплексно-сопряженныхполюса, каждый из которых имеетдействительную часть−α.То есть параметр затуханияαпредставляет собой скоростьэкспоненциального затуханияколебаний (то есть выходного сигнала после импульса)в системе. Более высокий коэффициент качества подразумевает более низкую скорость затухания, и поэтому высокодобротныесистемыколеблются в течение многих циклов. Например, высококачественные колокола имеют приблизительночистый синусоидальный тонв течение длительного времени после удара молотком.
Для электрически резонансной системы добротность отражает эффект электрического сопротивления , а для электромеханических резонаторов, таких как кварцевые кристаллы , — механического трения .
Двусторонняя полоса пропускания относительно резонансной частоты F 0 (Гц) равна F 0 / Q .
Например, антенна, настроенная на значение Q 10 и центральную частоту 100 кГц, будет иметь полосу пропускания по уровню 3 дБ 10 кГц.
В аудио, полоса пропускания часто выражается в терминах октав . Тогда соотношение между Q и полосой пропускания будет
где BW — ширина полосы пропускания в октавах. [19]
В идеальной последовательной цепи RLC и в настроенном радиоприемнике (TRF) коэффициент добротности равен: [20]
где R , L и C — сопротивление , индуктивность и емкость настроенного контура соответственно. Большие последовательные сопротивления соответствуют меньшим значениям Q контура .
Для параллельной RLC-цепи добротность является обратной величиной для последовательной цепи: [21] [20]
[22]
Рассмотрим схему, в которой R , L и C соединены параллельно. Чем меньше параллельное сопротивление, тем больше оно будет оказывать демпфирующее действие на схему и, таким образом, приводить к снижению Q. Это полезно при проектировании фильтров для определения полосы пропускания.
В параллельной LC-цепи, где основные потери возникают из-за сопротивления индуктора R , последовательного с индуктивностью L , Q как в последовательной цепи. Это обычное явление для резонаторов, где ограничение сопротивления индуктора для улучшения Q и сужения полосы пропускания является желаемым результатом.
Добротность отдельного реактивного компонента зависит от частоты, на которой он оценивается, которая обычно является резонансной частотой схемы, в которой он используется. Добротность катушки индуктивности с последовательным сопротивлением потерь представляет собой добротность резонансной цепи, использующей эту катушку индуктивности (включая ее последовательные потери) и идеальный конденсатор. [23]
где:
Добротность конденсатора с последовательным сопротивлением потерь такая же, как добротность резонансного контура, использующего этот конденсатор с идеальной индуктивностью: [23]
где:
В общем случае добротность резонатора, включающего последовательное соединение конденсатора и катушки индуктивности, можно определить из значений добротности компонентов, независимо от того, вызваны ли их потери последовательным сопротивлением или чем-то другим: [23]
Для одной демпфированной системы масса-пружина фактор Q представляет собой эффект упрощенного вязкого демпфирования или сопротивления , где демпфирующая сила или сила сопротивления пропорциональна скорости. Формула для фактора Q следующая: где M — масса, k — константа пружины, а D — коэффициент демпфирования, определяемый уравнением F демпфирование = − Dv , где v — скорость. [24]
Q музыкального инструмента имеет решающее значение; чрезмерно высокая Q в резонаторе не будет равномерно усиливать множественные частоты, которые производит инструмент. По этой причине струнные инструменты часто имеют корпуса сложной формы, так что они производят широкий диапазон частот довольно равномерно.
Добротность духового инструмента или инструмента с медной духовкой должна быть достаточно высокой, чтобы выделить одну частоту из более широкого спектра жужжания губ или трости. Напротив, вувузела сделана из гибкого пластика, и поэтому имеет очень низкую добротность для духового инструмента, что придает ей грязный, хриплый тон. Инструменты из более жесткого пластика, латуни или дерева имеют более высокие значения добротности . Чрезмерно высокая добротность может затруднить взятие ноты. Добротность инструмента может меняться в зависимости от частоты, но это может быть нежелательным.
Резонаторы Гельмгольца имеют очень высокую добротность , поскольку они предназначены для выделения очень узкого диапазона частот.
В оптике добротность резонансной полости определяется по формуле: где f o — резонансная частота, E — запасенная в полости энергия, а P = − дЭ/дт — рассеиваемая мощность. Оптическая добротность равна отношению резонансной частоты к ширине полосы резонанса полости. Среднее время жизни резонансного фотона в полости пропорционально добротности полости . Если добротность полости лазера резко изменяется с низкого значения на высокое, лазер излучает импульс света, который намного интенсивнее обычного непрерывного выходного сигнала лазера. Этот метод известен как переключение добротности . Добротность имеет особое значение в плазмонике , где потери связаны с затуханием поверхностного плазмонного резонанса . [25] Хотя потери обычно считаются препятствием при разработке плазмонных устройств, это свойство можно использовать для представления новых расширенных функций. [26]