Mitä on häviäminen?

Keskusteltaessa QCM-pohjaisesta instrumentoinnista törmää usein käsitteisiin ”dissipaatio” tai ”vaimennus”. Mitä nämä käsitteet tarkoittavat ja miksi ne ovat merkityksellisiä?

Häviö, vaimennus ja energiahäviö

’Häviöllä’ tai tarkemmin sanottuna ’energiahäviöllä’ tarkoitetaan energiaa, joka häviää tutkittavasta järjestelmästä. QCM on harmoninen oskillaattori, ja kuten kaikki reaalimaailman oskillaattorit, se on vaimennettu.

Oskillaattori, jota ei pakoteta värähtelemään ulkoisella voimalla, värähtelee vähitellen yhä pienemmällä amplitudilla ja lopulta värähtely sammuu. Tämä tässä tarkasteltava värähtelyamplitudin vaimeneminen johtuu kitkahäviöistä, jotka voivat olla sisäistä kitkaa itse oskillaattorissa tai ympäröivässä väliaineessa (ilma, vesi jne.). Kitka aiheuttaa oskillaatioenergian haihtumista lämpönä, mistä nimi Dissipation.

Häviö sisältää tietoa tutkittavasta materiaalista

QCM:n tapauksessa indusoidut energiahäviöt ovat pääasiassa peräisin materiaaleista, jotka ovat kosketuksissa värähtelevän anturin pinnan kanssa. Kaikki materiaalit, jotka ovat kosketuksissa pinnan kanssa, aiheuttavat energiahäviöitä. Ilmiö on erityisen voimakas, kun läsnä on irtonesteitä tai pehmeiden kalvojen laskeutumisen yhteydessä. Värähtelyn aikana nesteet ja pehmeät kalvot, jotka ovat kosketuksissa pinnan kanssa, deformoituvat, mikä johtaa energian häviämiseen järjestelmästä. Kun anturin pinta on kosketuksissa ilman tai tyhjiön kanssa, indusoidut energiahäviöt ovat verrattain pieniä. Sama pätee ohuiden ja jäykkien kerrosten kerrostumisen aiheuttamiin häviöihin. Ohuet ja jäykät kerrokset eivät muutu värähtelyn aikana, joten häviöt ovat pienempiä kuin pehmeiden ja/tai paksujen kerrosten aiheuttamat häviöt. Näin ollen suuri häviö osoittaa, että meillä on pehmeää tai viskoosia materiaalia kosketuksissa pinnan kanssa, kun taas pieni häviö osoittaa, että pinnalla oleva materiaali on jäykkää ja seuraa värähtelyä.

Häviön ja Q-kertoimen määritelmä ja suhde

Tärkeä oskillaattorin ominaisuuksia kuvaava parametri on laatukerroin eli Q-kerroin. Tämä on dimensioton parametri, joka kuvaa värähtelyn vaimennusta resonanssissa suhteuttamalla varastoituneen energian määrä häviävän energian määrään. Häviö, D, joka on Q-kertoimen käänteisluku, on järjestelmän kaikkien energiahäviöiden summa värähtelyjaksoa kohti. Se voidaan myös määritellä värähtelyä kohti haihtuvaksi energiaksi jaettuna järjestelmään varastoidun energian kokonaismäärällä.

Q = 2π ⋅ (varastoitu energia)/(energiahäviö sykliä kohti) = 1/D (1)

Kuten yhtälöstä 1 voidaan päätellä, suuri Q-kerroin osoittaa, että energiahäviö on pieni ja että värähtely jatkuu pitkään, ja päinvastoin, kuva 1. Mitä suurempi Q-kerroin on, sitä pienempi on vaimennus ja sitä kauemmin värähtely jatkuu.

Kuva 1. Virityshaarukan (vasemmalla) tapauksessa dissipaatio on pieni, ja värähtely jatkuu pitkään. Jellon tapauksessa energiahäviö on suurempi, ja värähtely sammuu nopeammin.

Lataa yleiskatsaus, niin opit lisää häviöstä