Mi az a disszipáció?

A QCM-alapú műszerekről beszélve gyakran találkozunk a “disszipáció” vagy “csillapítás” fogalmával. Mit jelentenek ezek a fogalmak, és miért fontosak?

Disszipáció, csillapítás és energiaveszteség

A “disszipáció”, pontosabban az “energia disszipáció” a vizsgált rendszerből elvesző energiára utal. A QCM egy harmonikus oszcillátor, és mint minden valós oszcillátor, ez is csillapított.

Egy olyan oszcillátor, amelyet nem kényszerítünk külső erővel rezgésre, fokozatosan egyre kisebb amplitúdóval fog rezegni, és végül az oszcilláció elhal. A rezgés amplitúdójának ez a csillapítása, amelyet itt figyelembe veszünk, súrlódási veszteségekből származik, amelyek lehetnek belső súrlódások magában az oszcillátorban vagy a környező közegben (levegő, víz stb.). A súrlódás hatására a rezgési energia hő formájában disszipálódik, innen a disszipáció elnevezés.

A disszipáció információt tartalmaz a vizsgált anyagról

A QCM esetében az indukált energiaveszteségek elsősorban az oszcilláló érzékelő felületével érintkező anyagokból származnak. Minden, a felülettel érintkező anyag energiaveszteséget indukál. A jelenség különösen hangsúlyos ömlesztett folyadékok jelenlétében vagy lágy filmek lerakódásakor. A rezgés során a felülettel érintkező folyadékok és lágy filmek deformálódnak, ami energiaveszteséget eredményez a rendszerből. Ha az érzékelő felülete levegővel vagy vákuummal érintkezik, az indukált energiaveszteség viszonylag kicsi. Ugyanez vonatkozik a vékony és merev rétegek lerakódása által indukált veszteségekre is. A vékony és merev rétegek nem deformálódnak a rezgés során, ezért a veszteségek kisebbek, mint a puha és/vagy vastag rétegek által indukált veszteségek. Következésképpen a nagy disszipáció azt jelzi, hogy puha vagy viszkózus anyaggal érintkezünk, míg az alacsony disszipáció azt jelzi, hogy a felületen lévő anyag merev és követi a rezgést.

A disszipáció és a Q-tényező meghatározása és kapcsolata

Az oszcillátor tulajdonságait leíró fontos paraméter a minőségi tényező, vagy Q-tényező. Ez egy dimenziótlan paraméter, amely a rezgés csillapítását írja le rezonanciánál, a tárolt energia mennyiségének és az elveszített energia mennyiségének viszonyával. A disszipáció, D, amely a Q-tényező inverze, a rendszerben rezgési ciklusonként fellépő összes energiaveszteség összege. Meghatározható úgy is, hogy az oszcillációnként elvesztett energiát elosztjuk a rendszerben tárolt teljes energiával.

Q = 2π ⋅ (tárolt energia)/(ciklusonként elveszett energia) = 1/D (1)

Az 1. egyenletből megállapítható, hogy a magas Q-tényező azt jelzi, hogy az energiaveszteség kicsi, és a rezgés hosszú ideig fennmarad, és fordítva, 1. ábra. Minél nagyobb a Q, annál kisebb a csillapítás, és annál tovább tart a rezgés.

1. ábra. A hangvilla (balra) esetében a disszipáció kicsi, és a rezgés sokáig fennmarad. A zselé esetében az energia disszipáció nagyobb, és a rezgés gyorsabban kihal.

Töltse le az áttekintést, hogy többet tudjon meg a disszipációról