\( Q \)(品质因数)

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    • 图 1. 高 \( Q \) 系统(衰减缓慢)
    • 图 2. 低 \( Q \) 系统(衰减迅速)
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    • 表 1. 各种材料的 \( Q \)

概述

\( Q \)(品质因数)是将总储存能量与耗散能量(损耗)相关联的一个属性 —

\begin{align} \label{eq:13601a} Q = 2\pi \left[ \frac{\textsf{Energy stored}}{\textsf{Energy dissipated per cycle}} \right] \end{align}

"每周期的耗散能量"是指为维持固定振荡量所需的外部能量(功)。

如果将分子和分母同乘以频率 \( f \)(周/秒),分母即变为"每秒耗散的能量"(即功率),因此上式也可写成 —

\begin{align} \label{eq:13602a} Q = 2\pi \, f \left[ \frac{\textsf{Energy stored}}{\textsf{Power}} \right] \end{align}

\( Q \) 没有单位。

对于任何系统(电系统、机械系统等)或系统中的任何单个组件或部分,都可以确定其 \( Q \)。注意,对于"理想"系统(即无能量耗散),\( Q \) 为无穷大。

释义

谐振系统

对于自由振荡的谐振系统,\( Q \) 表示振荡因能量损耗而衰减的速率。高 \( Q \) 表示衰减相对缓慢(如图 1 所示),而低 \( Q \) 表示衰减相对迅速(如图 2 所示——参见对数减缩)。

高 Q 系统(衰减缓慢)
图 1. 高 \( Q \) 系统(衰减缓慢)

低 Q 系统(衰减迅速)
图 2. 低 \( Q \) 系统(衰减迅速)

在超声系统中,能量损耗可能来自振动材料内部的摩擦(表现为温度升高)、传递到支撑结构或空气中的能量,或传递到负载的能量。此外,换能器还会因电流流过而产生电(电阻)损耗。

非谐振系统

虽然 Q 常用于谐振系统,但这并非必需。事实上,公式 \eqref{eq:13601a} 和 \eqref{eq:13602a} 同样适用于非谐振系统——特别是电容器和电感器。

一个非理想电容器(即有损耗的电容器)可以表示为理想电容 \( C \) 与电阻 \( R_C \) 的串联。

对于电容器 —

\begin{align} \label{eq:13603a} Q &= \frac{R_C}{(1/2\pi \, f \, C)} \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= R \, (2\pi \, f \, C) \nonumber \end{align}

对于电感器 —

\begin{align} \label{eq:13604a} Q &= \frac{R_L}{(2\pi \, f \, L)} \end{align}

式中 —

\( R_C \) = 电容器的等效电阻
\( R_L \) = 电感器的等效电阻
\( C \) = 电容
\( L \) = 电感
\( f \) = 频率

错误的理解

如果已知材料的 \( Q \),则由公式 \eqref{eq:13602a} —

如果已知材料的 \( Q \),并且储存能量(无论是势能(即应变能)还是动能)可以确定或计算出来,那么谐振器理论上耗散的功率就可以由公式 \eqref{eq:13602a} 计算 —

\begin{align} \label{eq:13605a} \textsf{Power} = 2\pi \, f \left[ \frac{\textsf{Energy stored}}{Q} \right] \end{align}

注意,虽然 \( Q \) 与功率损耗相关,但它并不是实际的功率损耗,因为 \( Q \) 还取决于储能。例如,考虑两个完全相同的变幅杆,一个由钛制成,另一个由热处理钢制成。假设两种材料具有相同的 \( Q \),那么这两个相同的变幅杆也将具有相同的 \( Q \)。(在适当的条件下这确实可以实现。)人们可能忍不住会说,由于两个变幅杆具有相同的 \( Q \),因此它们的损耗也相同。然而,钢的密度比钛大 1.5 倍,弹性模量也比钛大 1.5 倍。因此,其储存能量将比钛大 1.5 倍,由公式 \eqref{eq:13605a} 可知其损耗也将大 1.5 倍。

Q 与频率的关系

对于谐振器材料,\( Q \) 与频率之间的关系尚未精确确立。在 Mason 对 Ti-6Al-4V 的测试中,他发现 Q 在高达 XXX MHz 的范围内与频率无关(图 X)。另一方面,ZZZ 发现铝的 \( Q \) 随频率升高而有所下降(图 Y)。不过,可以合理地假设 \( Q \) 在有限的频率范围内大致保持恒定。

Q 与测试条件的关系

\( Q \) 可能取决于以下测试条件 —

加载方式

正如材料可以用两个弹性模量(弹性模量刚性模量)来表征、且这两个模量取决于材料的加载方式一样, \( Q \) 也可能取决于加载方式。因此,在评估  \( Q \) 的测试数据时,可能需要确定测试是拉伸(最有可能)还是剪切方式。对于材料承受轴向载荷或弯曲载荷的情况,微元会发生体积变化。另一方面,在剪切载荷(如扭转)下,微元不会发生体积变化。(Fine[1A] 第 60 页)因此,有理由质疑在这些情况下耗散机理和耗散程度是否相同。

正如 Bedford[1A] 第 2 页所指出的 —

耗散机理尚未得到很好的理解,但下面的说法大概是正确的:\( Q \) 不仅取决于材料,还取决于几何构型和振动模式。\( Q \) 定义为储存能量与每周期耗散能量之比。储存能量显然通过等效质量和柔度参数而取决于构型和振动模式。当模式和构型改变时,耗散能量似乎不太可能以恰好保持 \( Q \) 不变的方式变化。

Zemanek[1C](第 1285 页)评论说,弯曲谐振比纵向谐振的阻尼更大。然而,尚不清楚他是指这是弯曲模态的固有特性,还是由于他激励弯曲模态的方式所致。

材料的热处理

工具钢淬火后通常损耗(功率)显著降低,因而 \( Q \) 更高。另一方面,当 Ti-6Al-4V 经热处理达到 STA 状态时,其 \( Q \) 会降低。

应变水平

\( Q \) 通常随应变增大而降低,但这取决于具体材料。对压电陶瓷而言尤其如此。

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工作条件

对于压电陶瓷\( Q \) 取决于工作条件(静态压缩、电场、温度、应变等)。

谐振器材料的 Q

表 1. 各种材料的 \( Q \)
材料 状态 应变 \( Q \) 参考文献
铝青铜 ----- ----- 17000 表注 2
硬铝(DTD 363) ----- ----- 50000 表注 2
Hiduminium(铝合金) ----- ----- 100000 表注 2
K-蒙乃尔合金 ----- ----- 5300 表注 2
MACOR 可加工陶瓷 来料状态 5000 表注 1
海军黄铜 3000 ----- ----- 表注 2
不锈钢 — 17-4PH 退火 7000 表注 1
不锈钢 — PH15-7Mo 退火 17000 表注 1
不锈钢 — PH15-7Mo 淬硬 17000 表注 1
不锈钢 — PH13-8Mo 退火 10000 表注 1
不锈钢 — Custom 455 H900 10000 表注 1
Ti-6Al-4V 来料状态 2000 - 6000 表注 1
Ti-6Al-4V 退火 18000 - 22000 表注 1
工具钢(KE 672) ----- ----- 1400 表注 2

注 —

  1. Wuchinich[1](图 10)通过敲击一个作弯曲振动的"音棒"测得了这些数值。然而,由于应变较低,所引数值在超声器件的典型应变下可能并不适用。
  2. Neppiras[1A](表 4,第 146 页)。

\( Q \) 的测量

对于谐振系统,\( Q \) 可以通过以下方法确定。要获得正确的测量结果,必须在系统的实际工作条件下测量 \( Q \)(见上文)。

  1. 对数减缩(δ)
  2. 带宽

另请参阅 —

衰减
阻尼比
损耗角正切
结构阻尼