对数衰减率(δ)

当一个系统被激励产生振荡后,撤去所有外部激励函数(即系统随后处于自由振动状态),由于系统内部的损耗,振幅会衰减。该衰减是指数型的,由下式给出 —

\begin{align} \label{eq:13401a} u = U e^{-(\delta \, f \, t)} \sin(2\pi \, f \, t) \end{align}

式中 —

\( u \) = 瞬时振幅
\( U \) = 某一峰值振幅
\( \delta \) = 对数衰减率
\( f \) = 频率
\( t \) = 时间

(方程 \eqref{eq:13401a} 中的指数实际上是近似的,但当 \( \delta ≤ 2 \) 时几乎是精确的,而这适用于所有超声系统。)

图 1 中的虚线给出了方程 \eqref{eq:13401a} 的一个示例。注意,\( \delta \) 的值越大,振幅衰减得越快。

由方程 \eqref{eq:13401a} 可以证明:如果在时刻 \( t_0 \) 测得一个振幅最大值,之后在时刻 \( t_n \) 再测一次,则对数衰减率由下式给出(见图 1) —

\begin{align} \label{eq:13402a} \delta = (1/n) \ln \left[ \frac{U_0}{U_n} \right] \end{align}

式中 —

\( U_0 \) = 时刻 \( t_0 \) 处的振幅
\( U_n \) = 之后 \( n \) 个周期后的振幅
\( n \) = \( U_0 \)\( U_n \) 之间的周期数
图 - 对数衰减率的测量
图 1. 对数衰减率的测量

说明:

  1. 振幅 \( U_0 \)\( U_n \) 可以采用任何一致的类型(峰值或峰‑峰值)。为方便起见,上图使用峰值振幅。
  2. 可以选择任意一个振荡峰值来测量 \( U_0 \)
  3. \( n \) 是任意的。不过,较大的 \( n \) 会提高计算精度。
  4. 随着 \( U_0 \)\( U_n \) 之间的差值变小(即振幅衰减得更慢),\( \delta \) 也变得更小。

对于图 1 所示的例子,对数衰减率为 —

\begin{align} \label{eq:13403a} \delta &= (1/10) \ln \left[ \frac{0.889}{0.346} \right] \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= 0.094 \nonumber \end{align}

注:图 1 显示 \( t = 0 \) 时起始振幅为 0,但这是任意的。计算得到的 \( \delta \) 不取决于起始振幅。可以想象将整个振幅波形向左或向右平移,便可看出这一点。

与 Q 的关系

\( \delta \)Q(品质因数)的关系为 —

\begin{align} \label{eq:13404a} Q = \frac{\pi}{\delta} \end{align}

因此,当 \( \delta \) 很小(振幅衰减缓慢)时,\( Q \) 很大。

另请参见 —
衰减
带宽
阻尼比
损耗角正切