品质因数Q

什么是品质因数Q

品质因数Q，也被称品质因素，表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标，元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。

品质因数Q是一种将总存储能量与耗散能量（损耗）相关联的属性-

“每个周期耗散的能量”是维持固定量的振动所需的外部能量（功）。如果分子和分母乘以频率f（周期/秒），分母变成“能量耗散/秒”（即功率），因此上述方程也可以写成- Q没有单位-

可以为任何系统（电气，机械等）或系统的任何单个组件或部分确定Q。注意，对于“完美”系统（即，没有能量耗散），Q是无限的。


共振系统

对于自由振荡的谐振系统，Q表示振荡由于能量损耗而衰减的速率。较高Q值表示衰减相对较慢（图1的示例），而较低Q值表示相对较快的衰减。

系统高Q值（衰减慢）

图-1


系统低Q值（衰减快）

图-2


在超声系统中，能量损失可能来自振动材料内部的内部摩擦（随着温度的升高而出现），传递给支撑结构或空气的能量或传递给负载的能量。另外，换能器将由于电流而具有电（电阻）损耗。


非共振系统

尽管Q通常用于谐振系统，但这不是必需的。 实际上，等式（1）和（2）可以等效地应用于非谐振系统，尤其是电容器和电感器。

非理想电容器（即损耗电容器）可以表示为与电阻RC串联的理想电容器C。

对于电容器-

对于电感器-

字母分别代表：

RC =电容器的等效电阻

RL =电感的等效电阻

C =电容

L =电感

f =频率


谐振器材料Q值

对于用于超声谐振器的材料，相关因素。

Q值是一种材料特性（类似于弹性模量）。但是，必须指定测试条件，因为Q可能取决于：

  • 材料的热处理。例如，D2工具钢在硬化后损耗(功率)明显降低，因此Q值更高。
  • 零件所受的应变。通常Q值会随着应变的增加而减小，但这取决于材料的特定。

Q值通常与频率无关。

用于压电陶瓷 Q值取决于操作条件（静态压缩，电场，温度等）。

如果已知材料的Q值，则可以根据公式以下确定存储的能量（势能（应变能）或动能），可以计算出谐振器的理论功率：


增益

同义词：放大系数

一般来说（对于任何系统）：

对于超声谐振器，增益表示振幅比：

或有时是速度比：

对于给定的谐振器，公式（2）和（3）给出相同的值。

除非另有规定 -

  • 所有振幅均为轴向。
  • 输出振幅在谐振器的输出表面测量。
  • 输入振幅是在螺柱表面的中心测量的。

如果说谐振器具有增益，但未提及具体值，则假定增益大于1.0（即，正向增益）（如果增益小于1.0，则称谐振器具有反向增益）。