Q faktörü - Q factor

Sönümlü bir salınım. Düşük bir Q faktörü - burada yaklaşık 5 - salınımın hızla sona erdiği anlamına gelir.

Olarak fizik ve mühendislik , kalite faktörü ya da Q, bir faktör a, boyutsuz bir açıklamaktadır parametre underdamped bir osilatör veya rezonatör olup. Yaklaşık olarak rezonatörde depolanan ilk enerjinin , salınım döngüsünün bir radyanında kaybolan enerjiye oranı olarak tanımlanır . Q faktörü, alternatif olarak, salınımlı bir itici güce maruz kaldığında bir rezonatörün merkez frekansının bant genişliğine oranı olarak tanımlanır . Bu iki tanım, sayısal olarak benzer, ancak aynı olmayan sonuçlar verir. Daha yüksek Q , daha düşük bir enerji kaybı oranını gösterir ve salınımlar daha yavaş ölür. Yüksek kaliteli bir yataktan asılı, havada salınan bir sarkaç yüksek Q değerine sahipken, yağa batırılmış bir sarkaç düşük bir değere sahiptir. Yüksek kalite faktörlerine sahip rezonatörler düşük sönümlemeye sahiptir , böylece daha uzun süre çalabilir veya titreşebilirler.

Açıklama

Q faktörü, düşük sönümlü harmonik osilatörün (rezonatör) rezonans davranışını tanımlayan bir parametredir . Daha yüksek Q faktörlerine sahip sinüzoidal olarak tahrik edilen rezonatörler daha büyük genliklerle (rezonans frekansında) rezonansa girer, ancak rezonansa girdikleri frekans çevresinde daha küçük bir frekans aralığına sahiptir; osilatörün rezonans ettiği frekans aralığına bant genişliği denir. Bu nedenle, bir radyo alıcısındaki yüksek Q ayarlı bir devrenin ayarlanması daha zor olacaktır, ancak daha fazla seçiciliğe sahip olacaktır ; spektrumda yakınlarda bulunan diğer istasyonlardan gelen sinyalleri filtrelemek için daha iyi bir iş çıkarırdı. Yüksek Q osilatörleri daha küçük bir frekans aralığıyla salınır ve daha kararlıdır. (Bkz. osilatör faz gürültüsü .)

Osilatörlerin kalite faktörü, yapılarına bağlı olarak sistemden sisteme önemli ölçüde değişir. Sönümlemenin önemli olduğu sistemlerde (bir kapının çarpmadan kapanmasını engelleyen damperler gibi) 12 civarında Q değeri vardır . Güçlü rezonansa veya yüksek frekans kararlılığına ihtiyaç duyan saatler, lazerler ve diğer rezonans sistemleri yüksek kalite faktörlerine sahiptir. Ayar çatalları 1000 civarında kalite faktörüne sahiptir. Atomik saatlerin , hızlandırıcılarda kullanılan süper iletken RF boşluklarının ve bazı yüksek Q lazerlerin kalite faktörü 10 11 ve daha yüksek değerlere ulaşabilir .

Fizikçiler ve mühendisler tarafından bir osilatörün ne kadar sönümlü olduğunu açıklamak için kullanılan birçok alternatif miktar vardır. Önemli örnekler şunları içerir: sönümleme oranı , bağıl bant genişliği , satır genişliği ve oktav cinsinden ölçülen bant genişliği .

Q kavramı, bobinlerin (indüktörlerin) kalitesini değerlendirirken Western Electric Company'nin Mühendislik Departmanından KS Johnson ile ortaya çıktı . Q sembolünü seçmesinin tek nedeni, o sırada alfabenin diğer tüm harflerinin alınmış olmasıydı. Terim, "kalite" veya "kalite faktörü" için bir kısaltma olarak tasarlanmamıştır, ancak bu terimler onunla ilişkilendirilecek şekilde büyümüştür.

Tanım

Q'nun 1914'teki ilk kullanımından bu yana tanımı, bobinler ve kondansatörler, rezonans devreleri, rezonans cihazları, rezonans iletim hatları, boşluklu rezonatörler için genelleştirildi ve genel olarak dinamik sistemlere uygulamak için elektronik alanın ötesine geçti: mekanik ve akustik rezonatörler, malzeme Q ve spektral çizgiler ve parçacık rezonansları gibi kuantum sistemleri.

bant genişliği tanımı

Rezonatörler bağlamında, Q için tam olarak eşdeğer olmayan iki ortak tanım vardır. Q büyüdükçe yaklaşık olarak eşdeğer hale gelirler , yani rezonatör daha az sönümlenir. Bu tanımlardan biri, rezonatörün frekans-bant genişliği oranıdır:

burada f r rezonans frekansıdır, Δ f olan rezonans genişliği ya da yarı maksimum tam genişlik yani titreşim gücü rezonans frekansında yarısı güç, daha büyük olan fazla bant genişliği (FWHM) ω r  = 2 π f r olan açısal rezonans frekansı ve Æ co açısal yarı güç bant genişliği.

Bu tanım altında Q , kesirli bant genişliğinin karşılığıdır .

Depolanan enerji tanımı

Q için diğer yaygın neredeyse eşdeğer tanım , salınımlı rezonatörde depolanan enerjinin, sönümleme süreçleri tarafından döngü başına dağıtılan enerjiye oranıdır:

2 π faktörü , Q'yu daha basit terimlerle ifade edilebilir kılar , sadece elektriksel veya mekanik çoğu rezonans sistemini tanımlayan ikinci mertebeden diferansiyel denklemin katsayılarını içerir. Elektrik sistemlerinde depolanan enerji, kayıpsız indüktörlerde ve kapasitörlerde depolanan enerjilerin toplamıdır ; kayıp enerji, döngü başına dirençlerde harcanan enerjilerin toplamıdır . Mekanik sistemlerde depolanan enerji, belirli bir zaman noktasındaki potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamıdır ; kayıp enerji, genliği korumak için çevrim başına bir dış kuvvet tarafından yapılan iştir .

Daha genel olarak ve reaktif bileşen spesifikasyonu (özellikle indüktörler) bağlamında, Q'nun frekansa bağlı tanımı kullanılır:

burada ω , depolanan enerjinin ve güç kaybının ölçüldüğü açısal frekanstır . Bu tanım, oranına eşit olduğu gösterilebilir tek bir reaktif elemanın (kondansatör veya indüktör) ile devreleri tarif onun kullanımı ile tutarlıdır reaktif güç için gerçek gücün . ( Bkz. Bireysel reaktif bileşenler .)

Q faktörü ve sönümleme

Q faktörü belirler niteliksel basit sönümlenmiş osilatörler davranış. (Bu sistemler ve davranışları hakkında matematiksel ayrıntılar için bkz. harmonik osilatör ve doğrusal zamanla değişmez (LTI) sistemi .)

  • Düşük kalite faktörüne ( Q  <  12 ) sahip bir sistemin aşırı sönümlü olduğu söylenir . Böyle bir sistem hiç salınım yapmaz, ancak denge kararlı durum çıktısından çıkarıldığında üstel bozulma ile ona döner ve kararlı durum değerine asimptotik olarak yaklaşır . Farklı bozunma oranlarına sahip iki azalan üstel fonksiyonun toplamı olan bir dürtü yanıtına sahiptir . Kalite faktörü azaldıkça, daha yavaş bozulma modu daha hızlı moda göre daha güçlü hale gelir ve sistemin tepkisine hakim olur ve bu da daha yavaş bir sistemle sonuçlanır. Çok düşük kalite faktörüne sahip ikinci dereceden bir alçak geçiren filtre , neredeyse birinci dereceden bir adım yanıtına sahiptir; sistemin çıkışı, bir asimptota doğru yavaşça yükselerek bir adım girişine yanıt verir .
  • Yüksek kalite faktörüne ( Q  >  12 ) sahip bir sistemin yetersiz sönümlü olduğu söylenir . Az sönümlü sistemler, belirli bir frekanstaki salınımı, sinyalin genliğinin azalmasıyla birleştirir. Düşük kalite faktörüne sahip ( Q12 'nin biraz üzerinde) yetersiz sönümlü sistemler, sönmeden önce yalnızca bir veya birkaç kez salınım yapabilir. Kalite faktörü arttıkça, nispi sönüm miktarı azalır. Yüksek kaliteli bir zil, vurulduktan sonra çok uzun bir süre tek bir saf tonla çalar. Sonsuza dek çalan bir zil gibi tamamen salınımlı bir sistem, sonsuz bir kalite faktörüne sahiptir. Daha genel olarak, çok yüksek kalite faktörüne sahip ikinci dereceden bir alçak geçiren filtrenin çıktısı, hızlı bir şekilde yukarı çıkarak, salınım yaparak ve sonunda bir sabit durum değerine yakınsayarak bir adım girişine yanıt verir.
  • Ara kalite faktörüne ( Q  =  12 ) sahip bir sistemin kritik sönümlü olduğu söylenir . Aşırı sönümlü bir sistem gibi, çıktı salınım yapmaz ve kararlı durum çıktısını aşmaz (yani, bir kararlı durum asimptotuna yaklaşır). Düşük sönümlü bir yanıt gibi, böyle bir sistemin çıkışı, bir birim adım girişine hızlı bir şekilde yanıt verir. Kritik sönümleme, aşma olmaksızın mümkün olan en hızlı tepkiyi (nihai değere yaklaşma) sağlar. Gerçek sistem spesifikasyonları genellikle daha hızlı bir ilk yanıt için bir miktar aşmaya izin verir veya aşmaya karşı bir güvenlik payı sağlamak için daha yavaş bir ilk yanıt gerektirir .

Olarak negatif geri besleme sistemleri, baskın kapalı-devre yanıtı genellikle ikinci dereceden sistemi tarafından iyi modellenir. Faz marjı , açık döngü sisteminin kalitesi faktörü belirler Q kapalı döngü sistemi; faz marjı azaldıkça, yaklaşık ikinci dereceden kapalı döngü sistemi daha salınımlı hale getirilir (yani, daha yüksek bir kalite faktörüne sahiptir).

Bazı örnekler

  • Eşit kapasitörlere ve eşit dirençlere sahip birlik kazançlı Sallen–Key alçak geçiren filtre topolojisi kritik olarak sönümlenir (yani, Q  =  12 ).
  • İkinci dereceden bir Bessel filtresi (yani, en düz grup gecikmeli sürekli zamanlı filtre ) düşük sönümlü Q  =  13'e sahiptir .
  • İkinci dereceden bir Butterworth filtresi (yani, en düz geçiş bandı frekans yanıtına sahip sürekli zaman filtresi) düşük sönümlü bir Q  =  12'ye sahiptir .
  • Bir sarkacın Q faktörü: , burada M cismin kütlesidir, ω  = 2 π / T sarkacın salınım radyan frekansıdır ve Γ birim hız başına sarkaç üzerindeki sürtünme sönümleme kuvvetidir.
  • Bir yüksek enerji tasarım (yakın THz) gyrotron , her ikisi de kırınımlı Q-faktörünü rezonatör uzunlukta (bir fonksiyonu olarak L ) ve dalga boyu ( ) ve ohmik Q faktörü ( -modes) , burada boş oda duvarı yarı çapı, bir deri derinliği , boş oda duvarının bir özdeğer skalar (m, p radyal göstergesi azimut endeksidir edilir) (Not: Bu başvuruda cilt derinliği )

Fiziksel yorumlama

Fiziksel olarak konuşursak, Q yaklaşık olarak depolanan enerjinin salınımın bir radyanı boyunca yayılan enerjiye oranıdır; veya hemen hemen eşdeğer olarak, yeterince yüksek Q değerlerinde, tek bir döngüde depolanan toplam enerji ile kaybedilen enerjinin oranının 2 π katıdır.

Salınım yapan bir fiziksel sistemin genliğinin osilasyon periyoduyla bozulması için üstel zaman sabiti τ'yı karşılaştıran boyutsuz bir parametredir . Eşdeğer olarak, bir sistemin salınım sıklığını, enerjisini dağıtma hızıyla karşılaştırır. Daha kesin olarak, kullanılan frekans ve periyot, sistemin düşük Q değerlerinde sıfır geçişlerle ölçülen salınım frekansından biraz daha yüksek olan doğal frekansına dayanmalıdır .

Eşdeğer olarak ( Q'nun büyük değerleri için ), Q faktörü yaklaşık olarak serbestçe salınan bir sistemin enerjisinin orijinal enerjisinin e -2 π veya yaklaşık 1535 veya % 0,2'sine düşmesi için gereken salınım sayısıdır . Bu, genliğin yaklaşık olarak e - π veya orijinal genliğinin % 4'üne düştüğü anlamına gelir .

Rezonansın genişliği (bant genişliği) (yaklaşık olarak) ile verilir:

burada f , N olan doğal frekans ve Δ f , bant genişliği , enerji en az yarısını tepe değeri olduğu frekans aralığında genişliğidir.

Rezonans frekansı çoğu zaman (radyan saniye), kullanmak yerine doğal birimleri ile ifade edilir f N de Hertz olarak,

Q faktörleri , sönüm oranı ζ , doğal frekans ω N , zayıflama oranı α ve üstel zaman sabiti τ şu şekilde ilişkilidir:

ve sönüm oranı şu şekilde ifade edilebilir:

Salınım zarfı e αt veya e t / τ ile orantılı olarak azalır , burada α ve τ şu şekilde ifade edilebilir:

ve

Salınım enerjisi veya güç kaybı, e -2 αt veya e -2 t / τ olarak genliğin karesi olarak iki kat daha hızlı azalır .

İki kutuplu bir alçak geçiren filtre için filtrenin transfer fonksiyonu şu şekildedir:

Bu sistem için, zaman Q  >  1 / 2 (yani sistem underdamped olduğunda), bu iki yer alır kompleks eşleniği her bir olduğunu direkleri , gerçek parçanın arasında - a . Yani, zayıflama parametresi α , sisteme salınımların (yani bir darbeden sonraki çıktının ) üstel azalma oranını temsil eder . Daha yüksek bir kalite faktörü, daha düşük bir zayıflama oranı anlamına gelir ve bu nedenle yüksek Q sistemleri birçok döngü için salınım yapar. Örneğin, yüksek kaliteli çanlar, bir çekiçle vurulduktan sonra uzun bir süre boyunca yaklaşık olarak saf sinüzoidal bir tona sahiptir .

Filtre tipi (2. sıra) Aktarım işlevi
Düşük geçiş
bant geçişi
Çentik (Bant Durdurucu)
Yüksek geçiş

Elektriksel sistemler

0,707 veya yarım güç bant genişliğinde bir voltaj kazancında -3 dB kavramını gösteren bir filtrenin kazanç büyüklüğünün grafiği. Bu sembolik diyagramın frekans ekseni doğrusal veya logaritmik olarak ölçeklenebilir.

Elektriksel olarak rezonanslı bir sistem için, Q faktörü elektrik direncinin etkisini ve kuvars kristalleri gibi elektromekanik rezonatörler için mekanik sürtünmeyi temsil eder .

Q ve bant genişliği arasındaki ilişki

F 0  Hz'lik bir rezonans frekansına göre 2 taraflı bant genişliği F 0 / Q'dur .

Örneğin, Q değeri 10 ve merkez frekansı 100 kHz olacak şekilde ayarlanmış bir antenin 3 dB bant genişliği 10 kHz olacaktır.

Seste bant genişliği genellikle oktav cinsinden ifade edilir . O zaman Q ve bant genişliği arasındaki ilişki

burada BW , oktav cinsinden bant genişliğidir.

RLC devreleri

İdeal bir seri RLC devresinde ve ayarlanmış bir radyo frekansı alıcısında (TRF) Q faktörü:

burada R, , L ve C olan direnç , endüktans ve kapasitans sırasıyla ayarlı devrenin. Seri direnç ne kadar büyük olursa, Q devresi o kadar düşük olur .

Paralel bir RLC devresi için Q faktörü, seri durumun tersidir:

R , L ve C'nin paralel olduğu bir devre düşünün . Paralel direnç ne kadar düşük olursa, devreyi sönümlemede o kadar fazla etkisi olur ve dolayısıyla Q o kadar düşük olur . Bu, bant genişliğini belirlemek için filtre tasarımında kullanışlıdır.

Ana kaybın indüktörün direnci olduğu paralel bir LC devresinde , endüktans ile seri olarak R , L , Q seri devredeki gibidir. Bu, indüktörün Q'yu iyileştirmek ve bant genişliğini daraltmak için direncini sınırlamanın istenen sonuç olduğu rezonatörler için yaygın bir durumdur .

Bireysel reaktif bileşenler

Q, tek bir reaktif bileşenin tipik olarak kullanılan bu devresinin rezonans frekansı Değerlendirilmiş olan frekansın, bağlıdır. Q , bir dizi kaybı direncine sahip bir indüktör olup Q kullanılarak rezonans devresinin bu indüktör (seri kaybı dahil) ve mükemmel bir kapasitör.

nerede:

  • ω 0 , saniyede radyan cinsinden rezonans frekansıdır,
  • L endüktanstır,
  • X, L olan indükleyici reaktansı ve
  • R L , indüktörün seri direncidir.

Q, bir dizi kaybı direncine sahip bir kapasitör ile aynıdır Q mükemmel indüktörle bu kondansatör kullanılarak bir rezonans devresinin:

nerede:

  • ω 0 , saniyede radyan cinsinden rezonans frekansıdır,
  • C kapasitanstır,
  • X, C olduğu kapasitif reaktans ve
  • R, Cı- kondansatörün seri direncidir.

Genel olarak, Q, bir kondansatör ve bir indüktör bir dizi kombinasyonu kapsayan bir rezonatörün belirlenebilir S kayıpları aksi seri direnci ya da gelen olmadığını, bileşenlerin değerleri:

mekanik sistemler

Tek bir sönümlü kütle-yay sistemi için, Q faktörü , sönümleme kuvvetinin veya sürükleme kuvvetinin hız ile orantılı olduğu, basitleştirilmiş viskoz sönümleme veya sürüklemenin etkisini temsil eder . Q faktörünün formülü:

burada M kütle, k yay sabitidir ve D , F sönüm  = − Dv denklemi ile tanımlanan sönümleme katsayısıdır , burada v hızdır.

akustik sistemler

Q, bir müzik enstrüman kritiktir; bir rezonatördeki aşırı yüksek bir Q , bir enstrümanın ürettiği çoklu frekansları eşit olarak yükseltmeyecektir. Bu nedenle, yaylı çalgılar genellikle karmaşık şekillere sahip gövdelere sahiptir, böylece geniş bir frekans aralığını oldukça eşit bir şekilde üretirler.

Q, a pirinç alet ya da rüzgar cihazı ihtiyaçları dudaklar ya da kamış geniş spektrumlu uğultu bir frekans üzerinden almak için yeterince yüksek olması. Buna karşılık, bir vuvuzela esnek plastikten yapılmıştır ve bu nedenle bir pirinç enstrüman için çok düşük bir Q'ya sahiptir ve ona çamurlu, nefesli bir ton verir. Daha sert plastik, pirinç veya ahşaptan yapılmış aletlerin Q değeri daha yüksektir. Aşırı yüksek bir Q , bir nota vurmayı zorlaştırabilir. Bir enstrümandaki Q , frekanslar arasında değişebilir, ancak bu istenmeyebilir.

Helmholtz rezonatörleri , çok dar bir frekans aralığını seçmek için tasarlandıkları için çok yüksek bir Q'ya sahiptir.

optik sistemler

Olarak optik , Q, bir faktör rezonans boşluğu ile verilir

burada f O rezonans frekansıdır, E boşluğu içinde depolanan enerji, ve p  = -dE/dtharcanan güçtür. Optik Q , rezonans frekansının boşluk rezonansının bant genişliğine oranına eşittir. Bir rezonant ortalama ömrü foton boşluğunda kavitedeki orantılıdır Q . Eğer S bir faktör lazerin boşluğu aniden yüksek bir düşük bir değerden değiştirilir, lazer yayacaktır atımı çok daha yoğun lazer normal sürekli çıkışı daha ışığın. Bu teknik Q- anahtarlama olarak bilinir . Q faktörü, kaybın yüzey plazmon rezonansının sönümlenmesiyle bağlantılı olduğu plazmonikte özellikle önemlidir . Kayıp, normalde plazmonik cihazların geliştirilmesinde bir engel olarak görülse de, bu özellikten yeni gelişmiş işlevler sunmak için yararlanmak mümkündür.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar