【Sonic π】電聲學之電路學《三》

集總電路』Lumped circuit 中『Lumped』 一詞是什麼意思的呢?考之以『牛津字典』︰

 lump

名詞

A compact mass of a substance, especially one without a definite or regular shape:

there was a lump of ice floating in the milk.

動詞

Put in an indiscriminate mass or group; treat as alike without regard for particulars:

Hong Kong and Bangkok tend to be lumped together in holiday brochures.

Nigel didn’t like being lumped in with prisoners.

語源

Middle English: perhaps from a Germanic base meaning ‘shapeless piece‘; compare with Danish lump ‘lump’, Norwegian and Swedish dialect lump ‘block, log’, and Dutch lomp ‘rag’.

,看來『lump』意指『沒有形狀的小塊物體』。

對比著『古典力學』中常用的『質點』 material particle 概念,這是一種『理想』的『假設』,是一個具有『質量』與『位置』的『物質點』,任何『聚集物』都可以藉此來建構,就好比在一般『幾何學』中使用之抽象的『』一樣。這通常代表『物理模型』有一組『限制』之『假設條件』,實務中必須考察這個『適用性』的問題。這就是『集總』一詞在『科學』中的術語意義,是指這個物理系統中的『交互作用』可以描述為『集中』於一『』之上。所謂的『集總模型』 lumped model 就是指那些『物理現象』可以用這種方法來作『近似』。

集總電路』 Lumped circuit 是由『電源』、『電阻』、『電容』與『電感』種種『集總元件』  Lumped element 所組成之電路。在理想化的電路分析裡,各『節點』之間的信號是『瞬時』的,而且『集總元件』的所有電流過程都集中於在『元件內部』,這就是『集總電路』之『元件特性』的假設。再者『集總電路』以及『集總元件』滿足我們在《【Sonic π】電聲學導引《八》》一文中所說的『克希荷夫』的『電流』 KCL 與『電壓』 KVL 兩個定律。於是『集總元件』的尺寸大小遠小於『集總電路』最高『工作頻率』所對應的『電磁波波長』。反之在『微波電路』中,一個『波導管』的尺寸大小相當於『操作』的『電磁波波長』,因此不能將『波導管』視為『集總元件』,此時必須考慮『電磁場』在『波導管』內『空間分佈』的情況,所以就稱之為『分佈元件』 Distributed element 以示區別。其次,假設所有『導體』外部的『磁通變化率\frac{\partial \phi_B} {\partial t} = 0 為零;以及假設所有『集總元件』內部之『電荷量變化率\frac{\partial q} {\partial t} = 0 為零。

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電阻類推模型

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電容類推模型

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電感類推模型

人的眼睛看不到『電流』的傳導『現象』,『電壓』又代表什麼樣的『壓力』的呢?於是產生了一類『類推模型』,從『類似的現象』比類相推,方便著一些『概念』的『了解』與『想像』。在『適度』的範圍內,這不失是個好方法,就像把『電壓』比喻成『水壓』;將『管內』之『堵塞』想像為『電阻』的『大小』,通常有助於理解。然而必須注意的是,一般相關的『物理概念』構成一整個『體系』,形成系統化的『理論』說明,因此只有『離散』的『類推模型』就可能會產生不恰當的『誤導』,所以在使用時務必要謹慎。假使能夠『比擬合宜』的話,對於『宇宙』與『人生』的萬象,將會有一番不同的『體會』的吧!!

如果說一個『類推模型』是系統化的『對等類比』,此時就能用『甲系統』的『行為』來推演『乙系統』的『行為』,從數學上來講,除了其中『物理量』的『名字』不同之外,甲乙系統的描述『方程式』是『相同』的。舉例來說『小空間聲學』Acoustics in small spaces 的『集總模型』。在《【Sonic π】聲波之傳播原理︰共振篇《四下》》一文中,我們談到常溫下聲波速度約為 343.2 米/秒。如此 20 Hz 的聲波波長十七點一六米,即使人耳最敏感的 1 k Hz 聲波之波長也有 34.32 公分長,因此在客廳裡、小家電或者攜帶式裝置上,可以將之考慮成『空間大小』遠小於『聲波波長』的『近似』,這就是『小空間聲學』的『集總模型』。它將『聲學系統』看作由一系列的『空腔』與『狹管』所構成。『聲壓』 比之於『電壓』,空氣中『聲粒子』的『速度』擬之為『電流』。如此『狹管』的作用像一個『電感』串接『電阻』,『空腔』的功能就是一個『電容』。『吸音材料』也當作『電阻』,『揚聲器』就是一個有『內阻』的『電壓源』串上『空腔』和『狹管』。如下圖,這就將一個『聲學系統』轉換成了『電路系統』來作計算。

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於是,一個複雜的三維『偏微分方程組』就簡化成了『集總假設』下的熟悉的『常微分方程組』的了。

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一八五五年德國物理學家阿道夫‧菲克 Adolf Fick 提出了『擴散方程式』,他假設『擴散通量』── 單位時間內通過某單位面積的物質量 ── 和『濃度梯度』── 空間導數 ──成正比。不知是否有簡單的『集總模型』解釋『聞香下馬』的嗎??