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, настроенную схему с высокой добротностью в радиоприемнике будет сложнее настроить, но она будет иметь большую избирательность ; она будет лучше отфильтровывать сигналы от других станций, которые находятся поблизости в спектре. Генераторы с высокой добротностью 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 , — эффект 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.
Q духового инструмента или инструмента с медной духовкой должен быть достаточно высоким, чтобы выделить одну частоту из более широкого спектра жужжания губ или трости. Напротив, вувузела сделана из гибкого пластика, и поэтому имеет очень низкую Q для духового инструмента, что придает ему грязный, хриплый тон. Инструменты из более жесткого пластика, латуни или дерева имеют более высокие значения Q. Чрезмерно высокая Q может затруднить взятие ноты. Q в инструменте 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]