品质因数有什么物理含义,一个阻尼振动的品质因数反应了这个振动的什么物理性质?

我们一般用品质因数来描述一个二阶系统的特征;同时,在二阶系统中,根据定义,阻尼系数与品质因数有如下的反比关系:

品质因数有什么物理含义,一个阻尼振动的品质因数反应了这个振动的什么物理性质?

因此,对品质因数的讨论,可以转换为对阻尼系数的讨论。

阻尼,顾名思义,既有消耗能量的特点,也起到阻碍能量传递的作用,阻尼越大,额外的损耗越大,能量的传递越慢。想象一下推小滑块,如果摩擦阻力越大,那额外的摩擦损耗越多,且滑块动能增加的速度越慢。

在一阶系统(只有一个惯性器件的系统)中,也存在阻尼,一般称之为时间常数。用时间常数表征信号(能量)传输的快慢。能量的传输,既包括能量的存储也包括能量的释放(分解为零输入响应和零状态响应的叠加),但无论能量存储还是能量释放,都以同样的时间常数为系数指数变化。

在二阶系统中,由于存在两个储能器件,在一定条件下它们会进行能量交换,阻尼则衡量了储能器件能量交换的效率。在阻尼较小时,由于能量交换的消耗相对小,能量可以在储能器件间来回转换,这就产生欠阻尼振荡;在阻尼较大时,能量多数被消耗,振荡次数减少;且能量传递减缓,振荡频率降低。当阻尼大于等于1时,不复有振荡形式。在二阶系统中,阻尼系数归一化于谐振频率(不是振荡频率),表征一个谐振周期内,能量的的衰减速度。

下面几张图片,表示了不同阻尼系数的二阶系统的零输入响应(冲击响应),其中谐振频率wn为100;

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从上述波形图可看出,零输入条件下,阻尼系数反应了系统储能在一个谐振周期内消耗的速度。阻尼小,振荡周期接近于谐振周期,且储能在一个振荡周期内衰减很少,说明系统储能与(一个谐振周期)耗能之比很大;阻尼大则反之。

品质因数所谓的“品质”,大概是源自选频电路吧。正如其他答主所说,品质因数高(阻尼小)时,在谐振频率会出现一个很窄的尖峰,使输入远大于输出,产生了很好的选频效果。从宏观直觉看,这是因为在稳态时,输入的能量全数消耗于阻性器件,阻尼越小,则需更大的振荡才能消耗同样的能量(实际上小阻尼反而消耗更大能量)。

能量因相位差的存在而得以输入。可以通过玩悠悠球来增强对相位差的直觉(下图),只需手指轻轻上下摇动,若频率控制得当,下面经弹性绳相连的小球就可以大幅摆动。注意观察,会发现球往下动时,手指正往上拽,这种步调错位就是相位差。能量因此输送到弹性细绳中,并在后半个周期转移到小球上。

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嗯,这是一个品质因数不错的二阶系统。这个品质因数反应振动的什么本质呢?

品质因数越高,振得越猛,玩起来越high

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