Jak „czysto” obwody elektryczne mogą emitować dźwięk?

Ruchome membrany lub materiały piezoelektryczne oczywiście wytwarzają fale dźwiękowe, ale w jaki sposób „czysto” obwody elektryczne, takie jak transformatory lub przerywacze DCDC (i inne) często mają słyszalny hałas? Czy materiał rozszerza się i kurczy pod mikroskopem z prądem?

Naprawdę pytasz, w jaki sposób obwody elektryczne mogą powodować niewielkie ruchy. W końcu dźwięk jest ruchem powietrza.

Odpowiedź jest taka, że ​​istnieją różne sposoby, w jakie pola elektryczne lub prądy elektryczne mogą powodować siły lub ruchy. Efekty te są wykorzystywane w projektowaniu różnych przetworników , które istnieją, aby celowo wywoływać lub wyczuwać niewielkie ruchy. Jednak prawa fizyki, które pozwalają na działanie tych przetworników, nie zatrzymują się poza obudową przetwornika. Istnieją wszędzie, więc wiele rzeczy to niezamierzone przetworniki. Różnica polega na tym, że zwykle efekt jest raczej słaby, bez celowego zaprojektowania go tak, jak w przetworniku.

Niektóre z tych efektów to:

1. Siła elektrostatyczna . Dwa obiekty pod innym napięciem będą miały między sobą siłę. Siła jest proporcjonalna do napięcia i odwrotnie proporcjonalna do odległości. Jest to ta sama siła, która pozwala balonowi przykleić się do włosów po otarciu go kotem lub czymś innym. W przypadku zwykłych obwodów siła ta jest bardzo słaba, a przewodniki są utrzymywane na miejscu znacznie silniej niż ona. Mimo to czasem można uzyskać słyszalny dźwięk dzięki obwodom wysokiego napięcia.

2. Siła elektrodynamiczna . Ruchomy ładunek tworzy wokół niego okrągłe pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest proporcjonalne do prądu i może być dość silne przez zapętlenie drutu w cewkę. To pole magnetyczne może być wykorzystywane do poruszania rzeczy i jest podstawą działania elektromagnesów, silników i głośników.

   Ładunki ruchowe również doświadczają siły, jeśli przepłyną przez pole magnetyczne o właściwej orientacji. Większość głośników faktycznie działa na tej zasadzie; są one wykonane w taki sposób, że mocowany jest stały magnes stały, a cewka porusza się, co z kolei przesuwa środek stożka głośnika. To samo dzieje się w dowolnym cewce indukcyjnej. Każdy kawałek drutu z prądem podlega pewnej sile z powodu ogólnego pola magnetycznego. Niektóre brzęczenia, które słyszysz z transformatorów, to pojedyncze kawałki drutu poruszające się w wyniku tego trochę.

3. Efekt piezoelektryczny . Niektóre materiały, na przykład kwarc, nieznacznie zmienią swój rozmiar lub kształt w zależności od przyłożonego pola elektrycznego. Niektóre małe słuchawki działają na tej zasadzie. Istnieją również mikrofony „kryształowe”, które działają na tej zasadzie w odwrotnej kolejności, co oznacza, że ​​przyłożenie siły do ​​kryształu powoduje wytworzenie napięcia. Powszechne zapalniki grilla działają na tej zasadzie, uderzając mocno kryształ kwarcu i nagle wystarczająco, aby wytworzyć wystarczająco wysokie napięcie, aby spowodować iskrę.

   Niektóre materiały kondensatorów wykazują wystarczająco tego efektu, że sztywno zamontowane na płytce drukowanej mogą powodować słyszalny dźwięk. Musiałem raz przepalić deskę i zastąpić ceramiczną nasadkę elektrolitem tylko dlatego, że ceramika powodowała irytujące słyszalne skomlenie.

4. Efekt magnetostrykcyjny . Jest to magnetyczny analog efektu piezoelektrycznego. Niektóre materiały zmieniają kształt lub rozmiar w zależności od przyłożonego pola magnetycznego, a efekt ten działa również w odwrotnym kierunku. Pracowałem nad czujnikami magnetycznymi, które wykorzystywały ten efekt.

   Materiały w transformatorach i cewkach są wybrane tak, aby nie wywoływały tego efektu, ale i tak jest ich niewielka ilość. Rdzeń cewki indukcyjnej zmienia się bardzo nieznacznie wraz ze zmianą pola magnetycznego. Może to powodować słyszalny dźwięk, szczególnie jeśli cewka indukcyjna jest mechanicznie sprzężona z czymś, co stanowi większy obszar w powietrzu, jak na przykład płytka drukowana.

Idealny induktor lub transformator może być elementem czysto elektronicznym, ale prawdziwy induktor lub transformator wytwarza (szybko zmieniające się) pole magnetyczne. Celem konstrukcyjnym takiego elementu jest utrzymanie tego pola magnetycznego w elemencie (na przykład wewnątrz rdzenia ferromagnetycznego), ale nie zostanie to osiągnięte w 100%. „Wyciekające” pole magnetyczne spowoduje, że rzeczy się poruszają (wibrują), a to powoduje, że powietrze wokół nich porusza się podobnie. Presto: (niechciany) głośnik elektromagnetyczny.

Podobny efekt można prawdopodobnie uzyskać w kondensatorach wysokonapięciowych, w których płyty przewodzące przyciągają się w zależności od napięcia. To odpowiada głośnikowi elektrostatycznemu :)

Trzecim efektem są (niepożądane) efekty piezoelektryczne w komponentach. Nie jestem pewien, czy tak rzeczywiście jest w przypadku obserwowalnego poziomu.

Nie rozszerza ani nie kurczy materiału, który emituje dźwięk w obwodach transformatorowych lub cewkowych. Jednak części się poruszają.

Transformatory podlegają znacznym siłom mechanicznym wywołanym przez alternatywne pola elektromagnetyczne. To powoduje, że druty i laminacje poruszają się, a tym samym emitują dźwięk. Przetwornice DC-DC często mają uzwojone cewki indukcyjne, które również poruszają się z tego samego powodu.

Oto jeszcze jeden

Dźwięk poprzez zmianę właściwości otaczającej plazmy lub gazu w wyniku ekspozycji pola elektrycznego i / lub wyładowania elektrycznego

W oparciu o „Singing Arc”, który został odkryty około 1900 r. Przez Williama Duddella, jonofon lub jak to się zwykle nazywa głośnik plazmowy / głośnik wysokotonowy (w rzeczywistości jest używany w głośnikach) wytwarza fale dźwiękowe poprzez ładowanie plazmy w celu zmiany wielkości plazmy w zwykle wąskie pole między elektrodami. Ze względu na bardzo niską masę, którą należy przenieść, głośnik ten może odtwarzać bardzo dokładnie fale zasilające elektrody, szczególnie dobre dla wysokich częstotliwości.

Kolejnym efektem, który nie został jeszcze dotknięty, jest prostowanie drutu pod obciążeniem - druty mają tendencję do prostowania się, gdy przepływa przez nie prąd, zarówno mikroskopowo, jak i wizualnie. Drut w uzwojeniach transformatora stara się bardzo nieznacznie wyprostować od 100 do 120 razy na sekundę (w zależności od częstotliwości energii miejskiej).

Zjawisko to można bardzo łatwo zaobserwować, gdy pojazd ma „rozruch rozruchowy” z małymi kablami zworowymi, zwłaszcza jeśli uruchamiany pojazd ma mocno rozładowany akumulator. Kiedy rozrusznik jest włączony, często łatwo jest zauważyć, że kable rozruchowe „podskakują” i sztywnieją, gdy lekko się prostują pod dużym obciążeniem.

Ruchome membrany lub materiały piezoelektryczne oczywiście wytwarzają fale dźwiękowe, ale w jaki sposób „czysto” obwody elektryczne, takie jak transformatory lub przerywacze DC / DC (i inne) często mają słyszalny hałas? Czy materiał rozszerza się i kurczy pod mikroskopem z prądem?

Podczas gdy inni wyjaśnili tę część o ładnym poruszaniu się materiału, jednym kluczowym punktem jest to, że słyszalny hałas wymaga ruchu w słyszalnym dla człowieka zakresie . Zazwyczaj oznacza to od 20 Hz do 20 kHz, ale może być nieco niższe lub wyższe, a także może uwzględniać wiek / ubytek słuchu. Nic oscylującego powyżej lub poniżej tego zakresu (Infrasonic lub Ultrasonic) zwykle nie będzie słyszalne. Na szczęście, zakres ten jest typowo stosowany w wielu obwodach, od przerywaczy DC / DC, transformatorów, falowników panelowych EL, PWM do obwodów świetlnych, więc często jest produktem ubocznym.

Tutaj jest dużo teorii. W praktyce występują zwykle luźne przewody cewek indukcyjnych. Dotykanie cewek (nie !!!! cokolwiek magnetycznego jak śrubokręt: próbowanie tego na cewkach w obwodzie CRT flyback jest czymś, czego nie robisz więcej niż jeden raz) może pomóc zlokalizować winowajcę i odpowiedni ciepły klej lub gwóźdź polski może pomóc w opanowaniu go.

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​przez większość czasu transformator hałasuje z powodu luźnej laminacji lub luźnego montażu. Mechaniczny rozdrabniacz hałasuje, ponieważ trzcina, która „tnie” prąd, porusza się / wibruje. Oczywiście wszystko, co się rusza, wydaje dźwięk. Transformator zwykle wytwarza szum 60 Hz, podczas gdy przerywacz zależy od częstotliwości, dla której został zaprojektowany (zwykle 400 Hz).

Nie wierzę, że materiał mikroskopowo rozszerza się i kurczy, ale gdyby tak było, częstotliwość byłaby tak wysoka, że ​​byłby niesłyszalny. Ponadto może nie być wystarczająco głośny.

Jedynymi czysto niemechanicznymi obwodami, które mogą wytwarzać dźwięki, są nadajniki mikrofalowe. Ale ugotują ci mózg.