機械與電學振動
品質因數 Q(quality factor)
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一個振子振盪得有多好?教堂大鐘一敲後鳴響好幾秒;一團黏土的悶響瞬間消失。調得精細的收音機能乾淨地挑出一個電台;差的則把它們糊在一起。品質因數,記作 Q,是捕捉這種「好壞」的單一數字:系統在能量耗盡前完成多少次振盪,以及等價地,它多尖銳地偏好自己的共振頻率。
Q 量度每個週期儲存能量與損失能量之比。對彈簧-質量-阻尼系統,它算出來是 Q = sqrt(m k) / c = omega_0 m / c,並透過 Q = 1/(2 zeta) 直接連到阻尼比。高 Q 意味著輕阻尼:系統鳴響很久(振幅明顯淡去前大約 Q 次振盪),且其頻率響應峰又高又窄。低 Q 意味著重阻尼:振鳴在一兩擺內消失,響應曲線是寬闊平緩的隆起。
工程師不斷使用 Q,因為它用一個數字總結系統的選擇性。收音機調諧器或雷射腔想要極高的 Q(數千到數百萬)以獲得極佳的頻率選擇性;汽車懸吊想要低 Q(接近 1)以免不停彈跳。Q 也估計共振危險:共振時的峰值放大大約是靜態響應的 Q 倍,所以 Q = 50 的結構能把共振推力放大五十倍——這是工程師認真看待的警訊。
對 m = 1、k = 400、c = 2:omega_0 = 20,故 Q = sqrt(1·400)/2 = 10。系統淡去前約振鳴 10 個週期,其共振峰放大約十倍。
Q = 10 意味著約十次振鳴與十倍的共振放大。
Q、阻尼比與對數衰減率是同一件事的三種視角(Q = 1/(2 zeta),且輕阻尼時 delta ≈ pi/Q)。它們不是獨立的量——選對你的問題最自然的那個即可。
又稱
另見