什么是品质因数?什么是谐振电路的品质因数?

时间：2019-08-17 23:13:24

关键字： q因子物理品质因子

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[导读]品质因子或Q因子是物理及工程中的无量纲参数，是表示振子阻尼性质的物理量，也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q因子表示振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间。

品质因子或Q因子是物理及工程中的无量纲参数，是表示振子阻尼性质的物理量，也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q因子表示振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间。

例如一个单摆在空气中运动，其Q因子较高，而在油中运动的单摆Q因子较低。高Q因子的振子一般其阻尼也较小。

Q因子较高的振子在共振时，在共振频率附近的振幅较大，但会产生的共振的频率范围比较小，此频率范围可以称为带宽。

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根据物理学，Q因子等于乘以系统储存的总能量，除以单一周期损失的能量，也可以表示为系统储存的总能量和单位弪度损失能量的的比值。

Q因子是无量纲的参数，是比较系统振幅衰减的时间常数和振荡周期后的结果。当Q因子数值较大时，Q因子可近似为系统从开始振荡起，一直到其能量剩下原来的(约1/535或0.2%)，中间历经的振荡次数。

品质因子或Q因子是物理及工程中的无量纲参数，是表示振子阻尼性质的物理量，也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q因子表示振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间，例如一个单摆在空气中运动，其Q因子较高，而在油中运动的单摆Q因子较低。高Q因子的振子一般其阻尼也较小。

Q因子较高的振子在共振时，在共振频率附近的振幅较大，但会产生的共振的频率范围比较小，此频率范围可以称为带宽。例如一台无线电接收器内的调谐电路Q因子较高，要调整接收器对准一特定频率会比较困难，但其选择性较好，在过滤频谱上邻近电台的信号上也有较佳的效果。Q因子较高的振子能够产生共振的频率范围较小，也比较稳定。

系统的Q因子可能会随着应用场合及需求的不同而有大幅的差异。强调阻尼特性的系统(例如防止门突然关闭的阻尼器)其Q因子为⁄2，而时钟、激光或是其他需要强烈共振或是要求频率稳定性的系统其Q因子较高。音叉的Q因子大约为1000，原子钟、加速器中的超导射频或是光学共振腔的Q因子可以到10甚至更高。

Q因子的概念是来自电子工程中，评量一调谐电路或其他振子的“品质”。

Q因子可定义为在一系统的共振频率下，当信号振幅不随时间变化时，系统储存能量和每个周期外界所提供能量的比例(此时系统储存能量也不随时间变化)：

大部分的共振系统都可以用二阶的微分方程表示，Q因子中2π的系数，使Q因子可以表示成只和二阶微分方程系数有关的较简单型式。在电机系统中，能量会储存在理想无损失的电感及电容中，损失的能量则是每个周期由电阻损失能量的总和。力学系统储存的能量是该时间动能及位能的和，损失的能量则是因为摩擦力或阻力所消耗的能量。

针对高Q因子的系统，也可以用下式计算的Q因子，在数学上也是准确的：

其中fr为共振频率，Δf为带宽，ωr=2πfr是以角频率表示的共振频率，Δω是以角频率表示的带宽

在像电感等储能元件的规格中，会用到和频率有关的Q因子，其定义如下：

其中ω是计算储存能量和功率损失时的角频率。若电路中只有一个储能元件(电感或是电容)，也可用上式来定义Q因子，此时Q因子会等于无功功率相对实功功率的比例。

Q因子可决定一个简单阻尼谐振子的量化特性。

低Q因子的系统(Q< ½)是过阻尼系统。过阻尼系统不会振荡，当偏离稳态输出平衡点时，会以指数衰减的方式，渐近式的回到稳态输出。其冲激响应是二个不同速度的指数衰减函数的和。当Q因子减少时，衰减较慢的响应函数其影响会变明显，因此整个系统会变慢。一个Q因子很低的二阶系统其步阶响应类似一阶系统。

高Q因子的系统(Q> ½)是欠阻尼系统。欠阻尼系统在特定频率的输入下，其输出会振荡，其振幅也会指数衰减。Q因子略高于½的系统可能会振荡一或二次。若Q因子提高，阻尼的效果也会降低。高品质的钟在敲击后可以长时间发出单一音调的声音，没有阻尼的谐振系统其Q因子是无限大，类似一个敲击后可永远发出声音的钟。若二阶低通滤波器有很高的Q因子，其步阶响应一开始会快速上升，在平衡点附近震荡，最后才收敛到稳态的值。

Q因子为½的系统是临界阻尼系统。临界阻尼系统和过阻尼系统一様不会震荡，也不会有过冲的情形。临界阻尼系统和欠阻尼系统一様，会对阶跃有快速的响应，临界阻尼可以使系统在不过冲的条件下有最快的反应，实际的系统若要求更快的反应，一般会允许一定程度的过冲，若系统不允许过冲，可能会使反应时间放慢，以提供一定的安全系数。

在负回授系统中，闭回路系统的响应常常用二阶系统来表示。设定开回路系统的相位裕度可以决定闭回路系统的Q因子，当相位裕度减少时，对应的二阶闭回路系统振荡会变大，也就是Q因子提高。

常见系统的Q因子

单位增益的Sallen–Key拓扑结构滤波器为临界阻尼系统，Q因子为)。

巴特沃斯滤波器(有最平坦通带频率响应的的连续时间滤波器)为欠阻尼系统，Q因子为。

贝塞尔滤波器(有最平坦群延迟的连续时间滤波器)为欠阻尼系统，Q因子为。

在研究各种谐振电路时，常常涉及到电路的品质因素Q值的问题，那末什么是Q值呢?下面我们作详细的论述。

1是一串联谐振电路，它由电容C、电感L和由电容的漏电阻与电感的线电阻R所组成。此电路的复数阻抗Z为三个元件的复数阻抗之和。

Z=R+jωL+(-j/ωC)=R+j(ωL-1/ωC) ⑴

上式电阻R是复数的实部，感抗与容抗之差是复数的虚部，虚部我们称之为电抗用X表示, ω是外加信号的角频率。

当X=0时，电路处于谐振状态,此时感抗和容抗相互抵消了，即式⑴中的虚部为零，于是电路中的阻抗最小。因此电流最大，电路此时是一个纯电阻性负载电路，电路中的电压与电流同相。电路在谐振时容抗等于感抗，所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等，

电容上的电压有效值UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU 品质因素Q=1/ωCR，这里I是电路的总电流。

电感上的电压有效值UL=ωLI=ωL*U/R=QU 品质因素Q=ωL/R