與諧波振蕩器QCM原理相關(guān)的耗散是什么？

談到基于QCM原理的儀器，人們經(jīng)常會(huì)遇到“耗散”或“衰減”的概念。 這些概念是什么意思?為什么它們是相關(guān)的？

耗散、衰減和能量損失

耗散或“能量耗散”，更確切地說，是指從被研究的系統(tǒng)中損失的能量。QCM是一個(gè)諧波振蕩器，就像所有現(xiàn)實(shí)中的振蕩器一樣，它具有能量衰減的效果。
一個(gè)振蕩器如果沒有外力的作用，它的振幅就會(huì)越來越小，最終振蕩就會(huì)消失。我們在這里考慮的振蕩振幅的衰減來自摩擦，它可以是振蕩器本身，或周圍介質(zhì)(空氣、水等)的內(nèi)部摩擦。摩擦導(dǎo)致振蕩能量以熱量的形式消散，因此稱為耗散。

耗散包含被研究材料的有關(guān)信息

QCM的能量損失主要來源于與振蕩傳感器表面接觸的材料。所有與表面接觸的材料都會(huì)引起能量損失。這種能量損失現(xiàn)象在液體存在下或在柔性膜沉積時(shí)特別明顯。在振蕩過程中，與表面接觸的液體和柔性膜會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致系統(tǒng)中能量的損失。當(dāng)傳感器表面與空氣或真空接觸時(shí)，能量損失相對較小。薄層和剛性層沉積引起的損失也是如此。薄層和剛性層在振動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生變形，因此能量損失比柔性層和/或厚的薄膜層引起的損耗要小。因此，高耗散表明有柔性或粘性的材料與表面接觸，而低耗散表明與表面接觸的材料是剛性的，并隨著表面一起振蕩。

耗散與Q因子的定義及關(guān)系

描述振蕩器特性的一個(gè)重要參數(shù)是品質(zhì)因子，即Q因子。這是一個(gè)無量綱參數(shù)，通過將存儲(chǔ)的能量與能量損失量相關(guān)聯(lián)來描述諧振振蕩的衰減。耗散D值是Q因子的倒數(shù)，是系統(tǒng)每振蕩周期的能量損失之和。它也可以定義為每次振蕩消耗的能量除以系統(tǒng)中存儲(chǔ)的總能量。  
由式(1)可知，Q因子越大，能量損失越小，振蕩持續(xù)時(shí)間越長，反之亦然，如圖1所示。Q值越高，衰減越低，振蕩持續(xù)的時(shí)間就越長。


圖1所示：在音叉(左) 振蕩時(shí)，耗散低，振蕩會(huì)持續(xù)很長時(shí)間；而在果凍振蕩時(shí)，能量耗散較高，振蕩衰減較快。