品質因子

Q因子較高的振子在共振時，在共振頻率附近的振幅較大，但會產生的共振的頻率範圍比較小，此頻率範圍可以稱為頻寬。例如一台無線電接收器內的調諧電路Q因子較高，要調整接收器對準一特定頻率會比較困難，但其選擇性較好，在過濾頻譜上鄰近電台的訊號上也有較佳的效果。Q因子較高的振子會產生共振的頻率範圍較小，也比較穩定。

系統的Q因子可能會隨著應用場合及需求的不同而有大幅的差異。強調阻尼特性的系統（例如防止門突然關閉的阻尼器）其Q因子為¹⁄₂，而時鐘、雷射或是其他需要強烈共振或是要求頻率穩定性的系統其Q因子也較高。音叉的Q因子大約為1000，原子鐘、加速器中的超導射頻或是光學共振腔的Q因子可以到10¹¹[3]甚至更高[4]。

Q因子的概念是來自電子工程中，評量一調諧電路或其他振子的「品質」。

Q因子可定義為在一系統的共振頻率下，當信號振幅不隨時間變化時，系統儲存能量和每個週期外界所提供能量的比例（此時系統儲存能量也不隨時間變化）：

${\displaystyle Q=2\pi \times {\frac {\mbox{Energy Stored}}{\mbox{Energy dissipated per cycle}}}=2\pi f_{r}\times {\frac {\mbox{Energy Stored}}{\mbox{Power Loss}}}.\,}$

大部份的共振系統都可以用二階的微分方程表示，Q因子中2π的係數，使Q因子可以表示成只和二階微分方程係數有關的較簡單型式。在電機系統中，能量會儲存在理想無損失的電感及電容中，損失的能量則是每個週期由電阻損失能量的總和。力學系統儲存的能量是該時間動能及位能的和，損失的能量則是因為摩擦力或阻力所消耗的能量。

針對高Q因子的系統，也可以用下式計算的Q因子，在數學上也是準確的：

${\displaystyle Q={\frac {f_{r}}{\Delta f}}={\frac {\omega _{r}}{\Delta \omega }},\,}$

其中f_r為共振頻率，Δf為頻寬，ω_r = 2πf_r是以角頻率表示的共振頻率，Δω是以角頻率表示的頻寬

在像電感等儲能元件的規格中，會用到和頻率有關的Q因子，其定義如下[5]：

${\displaystyle Q(\omega )=\omega \times {\frac {\mbox{Maximum Energy Stored}}{\mbox{Power Loss}}},\,}$

其中ω是計算儲存能量和功率損失時的角頻率。若電路中只有一個儲能元件（電感或是電容），也可用上式來定義Q因子，此時Q因子會等於无功功率相對有功功率的比例。

Q因子可決定一個簡單阻尼諧振子的量化特性（有關數學的細節及不同系統的行為，請參考諧振子及线性时不变系统理论等條目）。

• 低Q因子的系統（Q < ½）是過阻尼系統。過阻尼系統不會振盪，當偏離穩態輸出平衡點時，會以指數衰減的方式，漸近式的回到穩態輸出。其冲激响应是二個不同速度的指數衰減函數的和。當Q因子減少時，衰減較慢的響應函數其影響會變明顯，因此整個系統會變慢。一個Q因子很低的二階系統其步階響應類似一階系統。

• 高Q因子的系統（Q > ½）是欠阻尼系統。欠阻尼系統在特定頻率的輸入下，其輸出會振盪，其振幅也會指數衰減。Q因子略高於½的系統可能會振盪一或二次。若Q因子提高，阻尼的效果也會降低。高品質的鐘在敲擊後可以長時間發出單一音調的聲音，沒有阻尼的諧振系統其Q因子是無限大，類似一個敲擊後可永遠發出聲音的鐘。若二階低通濾波器有很高的Q因子，其步階響應一開始會快速上昇，在平衡點附近震盪，最後才收斂到穩態的值。

• Q因子為½的系統是臨界阻尼系統。臨界阻尼系統和過阻尼系統一様不會震盪，也不會有过冲的情形。臨界阻尼系統和欠阻尼系統一様，會對階躍有快速的響應，臨界阻尼可以使系統在不过冲的條件下有最快的反應，實際的系統若要求更快的反應，一般會允許一定程度的过冲，若系統不允許过冲，可能會使反應時間放慢，以提供一定的安全係數。

在負回授系統中，閉回路系統的響應常常用二階系統來表示。設定開迴路系統的相位裕度可以決定閉回路系統的Q因子，當相位裕度減少時，對應的二階閉回路系統振盪會變大，也就是Q因子提高。

根據物理學，Q因子等於${\displaystyle 2\pi }$乘以系統儲存的總能量，除以單一周期損失的能量，也可以表示為系統儲存的總能量和單位弳度損失能量的比值。[7]

Q因子是無因次的參數，是比較系統振幅衰減的時間常數和振盪週期後的結果。當Q因子數值較大時，Q因子可近似為系統從開始振盪起，一直到其能量剩下原來的 ${\displaystyle 1/e^{2\pi }}$（約1/535或0.2%），中間歷經的振盪次數[8]。

共振的頻寬可以用下式表示

${\displaystyle \Delta f={\frac {f_{0}}{Q}}\,}$,

其中${\displaystyle f_{0}}$為共振頻率，${\displaystyle \Delta f}$為頻寬，也就是能量超過峰值能量一半以上的頻率範圍。

Q因子、阻尼比ζ及衰減率α之間有以下的關係[9]

${\displaystyle \zeta ={\frac {1}{2Q}}={\alpha \over \omega _{0}}.}$

因此Q因子可表示為

${\displaystyle Q={\frac {1}{2\zeta }}={\omega _{0} \over 2\alpha },}$

而指數衰減率可表示為

${\displaystyle \alpha =\zeta \omega _{0}={\omega _{0} \over 2Q}.}$

二階低通濾波器的響應函數可以用下式來表示[9]

${\displaystyle H(s)={\frac {\omega _{0}^{2}}{s^{2}+\underbrace {\frac {\omega _{0}}{Q}} _{2\zeta \omega _{0}=2\alpha }s+\omega _{0}^{2}}}\,}$

若此系統的${\displaystyle Q>0.5}$（欠阻尼系統），系統有二個共軛複數極點，其實部為${\displaystyle \alpha }$。衰減參數${\displaystyle \alpha }$表示其冲激响应指數衰減的速率。Q因子大表示其衰減率較慢，因此Q因子很大的系統可以持續振盪較長的時間。例如高Q因子的鐘，用鎚子敲擊後，其輸出近似純音，且可以維持很長的時間。

濾波器振幅增益的圖，其中標示頻寬為增益值為-3 dB的寬度，增益約為0.707倍，能量是峰值的一半。圖中的頻率軸可以是線性尺度或是對數尺度。

對電子共振系統而言，Q因子表示電阻的影響，若針對機電共振系統（例如石英晶体谐振器），也包括摩擦力的影響。

對於一個有阻尼的質量－彈簧系統，可以用Q因子表示簡化的黏滯阻尼或阻力對系統的影響，其中的阻尼力（或阻力）和速度成正比。此系統的Q因子可以用下式表示：

${\displaystyle Q={\frac {\sqrt {Mk}}{D}},\,}$

其中M是質量，k是弹簧常数，而D是阻力係數，可用下式來定義：

${\displaystyle F_{\text{damping}}=-Dv}$

其中${\displaystyle F_{\text{damping}}}$是阻力，${\displaystyle v}$是速度[13]。

雷射系統中，光學共振腔的Q因子可以用下式表示

${\displaystyle Q={\frac {2\pi f_{o}\,{\mathcal {E}}}{P}},\,}$

其中${\displaystyle f_{o}}$為共振頻率，${\displaystyle {\mathcal {E}}}$為共振腔中儲存的能量，${\displaystyle P=-{\frac {dE}{dt}}}$為耗散的能量。光學共振腔的Q因子等於共振頻率和共振腔頻寬的比值。共振光子的平均壽命和Q因子成正比，若雷射共振腔中的Q因子突然地調高，共振腔會輸出雷射脈衝，其強度遠高於平常共振腔連結輸出的強度，此技術稱為為Q切換。

• 阻尼比
• 衰減率
• 相位裕度
• 頻寬
• 品質因子表
• 散逸因数