Co to jest dyssypacja?

Mówiąc o oprzyrządowaniu opartym na QCM, często spotykamy się z pojęciami 'dyssypacji’ lub 'tłumienia’. Co oznaczają te pojęcia i dlaczego są istotne?

Dyssypacja, tłumienie i utrata energii

„Dyssypacja”, lub dokładniej „dyssypacja energii”, odnoszą się do energii, która jest tracona z badanego systemu. QCM jest oscylatorem harmonicznym i jak wszystkie oscylatory w świecie rzeczywistym, jest tłumiony.

Oscylator, który nie jest zmuszany do oscylacji przez siłę zewnętrzną, będzie stopniowo oscylował z coraz niższą amplitudą i w końcu oscylacja zaniknie. To tłumienie amplitudy oscylacji, które tutaj rozważamy, pochodzi ze strat tarcia, które mogą być tarciem wewnętrznym w samym oscylatorze lub w otaczającym go medium (powietrze, woda, itp.). Tarcie powoduje, że energia oscylacji jest rozpraszana w postaci ciepła, stąd nazwa dyssypacja.

Dissipation zawiera informacje o badanym materiale

W przypadku QCM, indukowane straty energii będą pochodzić głównie z materiałów będących w kontakcie z oscylującą powierzchnią czujnika. Wszystkie materiały mające kontakt z powierzchnią będą indukowały straty energii. Zjawisko to jest szczególnie wyraźne w obecności cieczy lub przy osadzaniu miękkich warstw. Podczas oscylacji, ciecze i miękkie warstwy stykające się z powierzchnią ulegają deformacji, co powoduje utratę energii z układu. Gdy powierzchnia czujnika jest w kontakcie z powietrzem lub próżnią, indukowane straty energii są stosunkowo niewielkie. To samo dotyczy strat indukowanych przez osadzanie cienkich i sztywnych warstw. Cienkie i sztywne warstwy nie odkształcają się podczas oscylacji, a zatem straty są mniejsze niż te wywołane przez miękkie i/lub grube warstwy. W konsekwencji, wysoka dyssypacja wskazuje, że mamy miękki lub lepki materiał w kontakcie z powierzchnią, podczas gdy niska dyssypacja wskazuje, że materiał na powierzchni jest sztywny i podąża za oscylacją.

Definicja i związek pomiędzy dyssypacją a współczynnikiem Q

Ważnym parametrem opisującym charakterystykę oscylatora jest współczynnik jakości, lub współczynnik Q. Jest to bezwymiarowy parametr opisujący charakterystykę oscylatora. Jest to bezwymiarowy parametr, który opisuje tłumienie oscylacji w rezonansie, poprzez odniesienie ilości zmagazynowanej energii do ilości energii utraconej. Dyssypacja, D, która jest odwrotnością współczynnika Q, jest sumą wszystkich strat energii w systemie na cykl oscylacji. Można ją również zdefiniować jako energię rozproszoną na oscylację podzieloną przez całkowitą energię zmagazynowaną w systemie.

Q = 2π ⋅ (energia zmagazynowana)/(energia utracona na cykl) = 1/D (1)

Jak można wywnioskować z równania 1, wysoki współczynnik Q wskazuje, że straty energii są małe i że oscylacja będzie utrzymywać się przez długi czas, i odwrotnie, rysunek 1. Im wyższy Q tym mniejsze tłumienie i tym dłużej oscylacja będzie się utrzymywać.

Rysunek 1. W przypadku widelca stroikowego (po lewej), dyssypacja jest mała i oscylacja będzie się utrzymywać przez długi czas. W przypadku galaretki, rozpraszanie energii jest wyższe, a oscylacja zgaśnie szybciej.

Pobierz przegląd, aby dowiedzieć się więcej o rozpraszaniu