Come possono i circuiti elettrici "puramente" emettere suoni?

Le membrane mobili o i materiali piezoelettrici producono ovviamente onde sonore, ma come possono i circuiti elettrici "puramente" come trasformatori o chopper DCDC (e altri) spesso avere un rumore udibile? Il materiale si espande e si restringe microscopicamente con la corrente?

Quello che stai veramente chiedendo è come possono i circuiti elettrici causare piccoli movimenti. Dopotutto, il suono è movimento dell'aria.

La risposta è che ci sono vari modi in cui i campi elettrici o le correnti elettriche possono causare forze o movimenti. Questi effetti sono sfruttati nella progettazione di vari trasduttori , che esistono per causare deliberatamente o percepire piccoli movimenti. Tuttavia, le leggi della fisica che consentono a questi trasduttori di funzionare non si fermano al di fuori della custodia del trasduttore. Esistono ovunque, quindi molte cose sono trasduttori involontari. La differenza è che di solito l'effetto è piuttosto debole senza che sia progettato deliberatamente come in un trasduttore.

Alcuni di questi effetti sono:

1. Forza elettrostatica . Due oggetti con una tensione diversa avranno una forza tra di loro. La forza è proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla distanza. Questa è la stessa forza che consente a un palloncino di attaccarsi ai capelli dopo averlo sfregato contro un gatto o qualcosa del genere. Per i circuiti ordinari, questa forza è molto debole e i conduttori sono tenuti in posizione molto più fortemente di esso. Tuttavia, a volte puoi ottenere un suono udibile da questo con circuiti ad alta tensione.

2. Forza elettrodinamica . Una carica in movimento crea un campo magnetico circolare attorno ad esso. Il campo magnetico è proporzionale alla corrente e può essere reso abbastanza forte avvolgendo il filo in una bobina. Questo campo magnetico può essere creato per muovere le cose ed è la base per il funzionamento di solenoidi, motori e altoparlanti.

   Allo stesso modo, le cariche in movimento subiscono una forza se fluiscono attraverso un campo magnetico con il giusto orientamento. La maggior parte degli altoparlanti funziona effettivamente su questo principio; sono realizzati in modo tale da fissare un forte magnete permanente e la bobina si sposta, il che a sua volta sposta il centro del cono dell'altoparlante. La stessa cosa accade in qualsiasi induttore. Ogni pezzo di filo con corrente passante subisce una certa forza a causa del campo magnetico complessivo. Alcuni dei ronzii che senti dai trasformatori sono singoli pezzi di filo che si muovono un po 'di conseguenza.

3. Effetto piezoelettrico . Alcuni materiali, come ad esempio il quarzo, cambieranno leggermente la loro dimensione o forma in funzione del campo elettrico applicato. Alcuni auricolari piccoli funzionano su questo principio. Esistono anche microfoni "a cristallo" che funzionano al contrario su questo principio, il che significa che applicare forza al cristallo provoca la creazione di una tensione. Gli accenditori per barbecue comuni funzionano su questo principio colpendo un cristallo di quarzo duro e improvvisamente abbastanza da creare una tensione abbastanza alta da provocare una scintilla.

   Alcuni materiali condensatori mostrano abbastanza di questo effetto che, se montati rigidamente su un circuito, possono causare un suono udibile. Una volta ho dovuto respingere una tavola e sostituire un tappo di ceramica con un elettrolitico solo perché la ceramica stava causando fastidiosi rumori udibili.

4. Effetto magnetostrittivo . Questo è l'analogo magnetico dell'effetto piezoelettrico. Alcuni materiali cambiano forma o dimensione a seconda del campo magnetico applicato e questo effetto funziona anche al contrario. Ho lavorato su sensori magnetici che hanno sfruttato questo effetto.

   I materiali nei trasformatori e negli induttori sono scelti per non avere questo effetto, ma c'è comunque una piccola quantità. Il nucleo di un induttore in realtà cambia leggermente le dimensioni al variare del campo magnetico. Ciò può causare un suono udibile, soprattutto se l'induttore è accoppiato meccanicamente a qualcosa che presenta una maggiore area nell'aria, come un circuito.

Un induttore o trasformatore ideale potrebbe essere un componente puramente elettronico, ma un induttore o trasformatore reale produce un campo magnetico (che cambia rapidamente). L'obiettivo di tale componente è quello di mantenere quel campo magnetico all'interno del componente (ad esempio all'interno del nucleo ferromagnetico), ma ciò non sarà raggiunto al 100%. Il campo magnetico 'che perde' farà muovere (vibrare) le cose, e queste cose faranno muovere l'aria attorno a loro allo stesso modo. Presto: un altoparlante elettromagnetico (indesiderato).

Probabilmente si può avere un effetto simile nei condensatori ad alta tensione, in cui le piastre conduttive si attraggono a seconda della tensione. Ciò corrisponde a un altoparlante elettrostatico :)

Un terzo effetto è (indesiderato) effetti piezoelettrici nei componenti. Non sono sicuro che questo sia effettivamente il caso a un livello osservabile.

Non si sta espandendo o contraendo il materiale, che emette il suono nei circuiti basati su trasformatore o induttore. Tuttavia le parti si stanno muovendo.

I trasformatori sono soggetti a significative forze meccaniche causate dai campi elettromagnetici alternati. Ciò provoca lo spostamento di fili e laminazioni e quindi l'emissione del suono. I convertitori CC-CC hanno spesso induttori avvolti, che si muovono anche per lo stesso motivo.

Eccone uno in più

Suono modificando le proprietà del plasma o del gas circostante a causa dell'esposizione di un campo elettrico e / o di una scarica elettrica

Basato sul "Singing Arc" che fu scoperto intorno al 1900 da William Duddell, lo ionofono o come viene principalmente chiamato altoparlante / tweeter al plasma (viene effettivamente utilizzato negli altoparlanti) produce onde sonore caricando il plasma per modificare le dimensioni del plasma all'interno di un campo solitamente stretto tra elettrodi. A causa della massa molto bassa che deve essere spostata, questo diffusore può produrre una riproduzione molto accurata delle onde che si alimentano agli elettrodi, specialmente per le alte frequenze.

Un altro effetto non ancora toccato è raddrizzamento del filo sotto carico - cavi non tendono a raddrizzare quando la corrente passa attraverso di loro, sia microscopicamente o visibilmente. Il filo all'interno degli avvolgimenti di un trasformatore di potenza cerca di raddrizzare leggermente da 100 a 120 volte al secondo (a seconda della frequenza della potenza municipale).

Questo fenomeno può essere osservato molto facilmente quando "si avvia" un veicolo con cavi jumper piccoli, specialmente se il veicolo in fase di avviamento ha una batteria molto scarica. Quando lo starter è innestato, spesso è facile vedere i cavi jumper "saltare" e irrigidirsi mentre si raddrizzano leggermente sotto un carico pesante.

Le membrane mobili o i materiali piezoelettrici producono ovviamente onde sonore, ma come possono spesso i circuiti elettrici "puramente" come trasformatori o chopper DC / DC (e altri) avere un rumore udibile? Il materiale si espande e si restringe microscopicamente con la corrente?

Mentre altri hanno spiegato la parte sul materiale che si muove bene, un punto chiave è che il rumore udibile richiede movimento nella gamma udibile umana . In genere ciò significa da 20 Hz a 20 kHz, ma può essere leggermente inferiore o superiore, oltre a tenere conto della perdita di età / udito. Qualsiasi cosa che oscilli al di sopra o al di sotto di tale intervallo (Infrasonico o Ultrasonico) normalmente non verrà ascoltata. Per fortuna, però, quella gamma è quella tipica utilizzata in molti circuiti, dai chopper DC / DC, trasformatori, inverter EL Panel, PWM per circuiti leggeri, quindi è spesso un sottoprodotto.

C'è stata molta teoria qui. In pratica, di solito sono coinvolti fili allentati di induttori. Toccando le bobine (non !!!! con qualcosa di magnetico come un cacciavite: provare che sulle bobine nei circuiti di flyback CRT è qualcosa che non si fa più di una volta) può aiutare a localizzare il colpevole e una colla o un'unghia calda adatta lo smalto può aiutare a metterlo sotto controllo.

Dalla mia esperienza, la maggior parte delle volte un trasformatore fa rumore, è dovuto a una laminazione allentata o ad un montaggio allentato. Un chopper meccanico fa rumore perché la canna che "taglia" la corrente si muove / vibra. Ovviamente tutto ciò che si muove emette un suono. Un trasformatore di solito produce un ronzio a 60 Hz, mentre un chopper dipende dalla frequenza per cui è stato progettato (in genere 400 Hz).

Non credo che il materiale si stia espandendo e contraendo microscopicamente, ma se lo fosse, la frequenza sarebbe così alta da essere impercettibile. Inoltre, potrebbe non essere abbastanza forte.

Gli unici circuiti puramente non meccanici che possono produrre suoni sono i trasmettitori a microonde. Ma ti cucineranno il cervello.