Elektrisches Feld in der Nähe eines dynamischen Lautsprechers bei Resonanzfrequenz

Hintergrund

Ich fahre einen billigen 8 Ohm Lautsprecher mit einem LM386. Die LM386-Schaltung ist nahezu identisch mit der im unten gezeigten Datenblatt, außer dass Vin über einen 10-uF-Kondensator wechselstromgekoppelt ist und der 250-uF-Kondensator nur 100 uF beträgt. Der Lautsprecher sieht ähnlich aus wie der im Digikey-Link unten, aber ich bin mir über das genaue Modell nicht sicher.

https://www.digikey.com/product-detail/en/pui-audio-inc/AS03608MR-5-R/668-1398-ND/4147322 Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich verbinde den Eingang des LM386 mit einem Funktionsgenerator und treibe ihn mit einer Sinuswelle an. Dann verwende ich eine Nahfeld-E-Feld-Sonde, um das elektrische Feld neben dem Lautsprecher zu messen. Meine E-Feldsonde ist die Breitbandsonde aus dem unten verlinkten Bausatz.

https://www.com-power.com/ps-400_near_field_probes.html

Bei der Resonanzfrequenz des Lautsprechers (~510Hz) kann ich mit der E-Feldsonde direkt vor der Lautsprechermembran ca. 10mV pk-pk Sinus messen. Die Amplitude nimmt ab, wenn sich die Sonde von der Mitte der Membran wegbewegt. Bei anderen Frequenzen wird das Signal sehr klein oder nicht messbar.

Wenn sich die E-Feld-Sonde vor der Mitte der Membran befindet, ist das gemessene E-Feld gegenüber dem Ausgang des LM386 um 180 Grad phasenverschoben. Wenn ich die E-Feld-Sonde in die Mitte der Rückseite des Lautsprechers bewege, ist das gemessene E-Feld kleiner und es ist auch in Phase mit dem LM386-Ausgang. Durch das Vertauschen der Lautsprecherkabel bleibt die 180-Grad-Phasendifferenz zwischen dem vor der Membran und hinter dem Lautsprecher gemessenen Feld erhalten, aber die Phase relativ zum LM386-Ausgang ist umgekehrt.

Wenn Sie den Lautsprecher öffnen und auf die Schwingspule schauen, wickelt sich der Draht nach unten und dann wieder nach außen. Das Ergebnis ist, dass sich beide Enden des Drahtes am selben Ende der Spule befinden und es 2 konzentrische Drahtzylinder gibt.

Nebenbei bemerkt kann ich mit der H-Feldsonde nichts messen. Weder in der Mitte der Membran noch entlang der Kabel, die mit dem Lautsprecher verbunden sind. Mir ist klar, dass die Bandbreite der Sonde viel höherfrequent ist und möglicherweise nicht empfindlich genug ist.

Frage

Wie strahlt der Lautsprecher das E-Feld aus? Warum passiert es nur bei der Resonanzfrequenz? Warum ist die Phase zwischen Vorder- und Rückseite des Lautsprechers unterschiedlich?

Danke schön!

BEARBEITEN: Nach dem Öffnen des Lautsprechers stellte ich fest, dass die Schwingspule so gewickelt ist, dass die beiden Enden des Drahtes auf derselben Seite enden. Dies kann die Hypothese widerlegen, dass auf gegenüberliegenden Seiten der Spule entgegengesetzte Ladungen vorhanden sind.

Ich bin mir bei dieser Antwort nicht sicher. Bitte korrigieren Sie mich, wenn es falsch ist. Ich habe mit Hilfe der Antwort von @ Dave Tweed an diese Antwort gedacht.

Der Lautsprecher strahlt ein E-Feld aus, weil er Ladungen an entgegengesetzten Enden der Schwingspule hat, die sich bewegen.

Das Feld ist bei der Resonanzfrequenz maximal, weil die Spitzengeschwindigkeit der Schwingspule maximal ist. Obwohl die Menge der Spitzenladung proportional zur Spitzenspannung und konstant ist, gilt: je höher die Spitzengeschwindigkeit der Schwingspule, desto größer die Änderungsrate der Stromdichte und desto größer das elektrische Feld.

Das Feld hat auf gegenüberliegenden Seiten des Lautsprechers eine entgegengesetzte Phase, da es vom Feld der nächsten Ladung dominiert wird und die gegenüberliegenden Seiten der Spule entgegengesetzte Ladungen haben.

Die Analyse für diese Antworten ist unten dargestellt.

Die Schwingspule hat eine sinusförmige Bewegung bei Resonanz mit der Position X , Geschwindigkeit X ' , und Beschleunigung X ″ . Die Kraft auf die Spule ist sowohl zum Strom als auch zur Beschleunigung proportional, sodass Strom und Beschleunigung in Phase sind. Die Spannung ist gleich dem Strom multipliziert mit der Spuleninduktivität, da bei Resonanz der Blindanteil des mechanischen Systems Null ist. Die Spannung hat gegenüber dem Strom und der Beschleunigung eine 90-Grad-Phasenvoreilung, ist also in Phase mit der Geschwindigkeit der Schwingspule. Die Ladung auf der Schwingspule ist ebenfalls proportional zur Spannung und in Phase mit der Geschwindigkeit.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Kräuselung des Magnetfelds ist gleich der Stromdichte, die proportional zur Ladung multipliziert mit der Geschwindigkeit ist. Da die Ladung und die Geschwindigkeit in Phase sind, ist die Stromdichte proportional zu C Ö S 2 ( T ) . Die Kräuselung des elektrischen Feldes ist proportional zum Negativen der zeitlichen Ableitung des magnetischen Feldes und ist proportional zu − C Ö S ( T )

Je größer die zeitliche Ableitung der Stromdichte, desto größer das elektrische Feld. Da der Verstärker eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, ist die Spannung über der Spule konstant und die Ladung ist konstant. Nur die Geschwindigkeit der Spule kann erhöht werden, um die zeitliche Ableitung der Stromdichte zu erhöhen. Die Geschwindigkeit der Spule ist bei der Resonanzfrequenz maximal.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ist das ein Plastiklautsprecher? Oder ist es altes schwarzes Papier? Sofern Ihre Luftfeuchtigkeit nicht sehr hoch ist, werden alle Kunststoffoberflächen normalerweise elektrostatisch aufgeladen, wenn Sie andere Gegenstände berühren. (Wenn Sie den Lautsprecherkegel gegen eine nichtmetallische Oberfläche hämmern lassen, wird der Lautsprecher definitiv aufgeladen!)
@wbeaty Der Lautsprecher ist aus Kunststoff. Ich habe die Erdungsebene der Platine über mein Zielfernrohr mit der Erdung verbunden und eine andere Erdungsleitung des Zielfernrohrs mit der Membran verbunden, um statische Aufladungen abzuleiten. Mit meiner E-Feld-Sonde konnte ich noch eine ähnliche Amplitude messen.
Eine mit einer vibrierenden Platte verbundene Metalloberfläche wird als "WOBBULATOR" bezeichnet und wurde in der frühen Geschichte des UKW-Radios als Modulator verwendet. google.com/search?q=wobbulator+capacitor Außerdem bin ich auch in Seattle, drüben auf dem UW-Campus. Ich probiere den spkr-with-foil-Trick an einem Oszilloskopeingang aus und treibe ihn mit einem Sig-Generator. Sofortiger elektrostatischer Feldsensor, ein Detektor mit mehreren Metern Reichweite, zum Erfassen von an Haaren geriebener Luftballons oder kürzlich verwendeter Klebebandspender.

Antworten (2)

Das Metallgehäuse sollte Ihnen viel Abschirmung bieten. Und das E-Feld sollte alle von den Lötanschlüssen und den Spulendrähten auf dem Kegel kommen.

Da dies anscheinend nicht der Fall ist, hat Ihr Lautsprecher wahrscheinlich einen Kunststoffkegel. Wenn der Kunststoff mit den Fingern berührt oder schlimmer noch an einer Plastiktüte oder Kleidung gerieben wurde, kann der Kunststoff immer noch eine erhebliche Oberflächenladung von mehreren hundert Volt gegen Erde aufweisen. (Wie niedrig ist die Luftfeuchtigkeit an Ihrer Werkbank?!)

Kunststoff lädt sich normalerweise negativ auf, wenn er von menschlicher Haut berührt wird, sodass der sich bewegende Lautsprecher eine negative Spitze erzeugen würde, wenn er sich physisch auf den E-Feld-Sensor zubewegt. Wenn sich der geladene Lautsprecherkegel hinein- und herausbewegt, würde er außerdem eine starke entgegengesetzte Ladung auf dem Metallrahmen erzeugen, die durch elektrostatische Induktion verursacht wird (als ob der Lautsprecherkegel eine vibrierende Kondensatorplatte und der Metallrahmen eine zweite Kondensatorplatte wäre). )

Versuchen Sie, den Vibrationskegel mit den Fingern zu halten, um zu sehen, ob das große Signal verschwindet, wenn Wechselstrom angelegt wird, sich der Lautsprecherkegel jedoch nicht bewegt. Wenn eine elektrostatisch aufgeladene Kunststoffplatte vibriert, erzeugt sie ein starkes e-Wechselfeld, das leicht von nahegelegenen Elektrodenantennen erkannt werden kann.

Um eventuelle Oberflächenaufladungen loszuwerden, verwenden Sie vielleicht ein leicht feuchtes Tuch, um die gesamte Kunststoffoberfläche der Lautsprecher abzuwischen. Wenn Ihr starkes Signal nach dem Entladen des Kunststoffs kleiner ist (oder sogar fehlt), dann war die Ursache eher ein aufgeladener Lautsprecherkegel als die AC-Antriebsspannung. Oder versuchen Sie stattdessen, den Lautsprecherkonus vor dem Befeuchten mit einer Plastikfolie, einem Gummiballon oder Armhaar zu reiben. Wenn Ihr E-Feld-Signal dadurch enorm wird, haben Sie die wahrscheinlichste Ursache gefunden. (Und versuchen Sie in diesem Fall auch, es mit Klempner-Teflonband oder mit einer Plastiktüte, mit Gummi, Papier usw. abzureiben. Auf unterschiedliche Polarität der erfassten Impulse prüfen!)

Auch die Verwendung einer vibrierenden oder rotierenden Oberfläche ist ein klassischer Weg, um eine "Feldmühle" zum Erfassen von E-Feldern zu erstellen, die keine AC-Komponente haben. Ihre Nahfeldsonden können nur die Änderungen in Feldern erkennen, nicht die Felder selbst. Bringen Sie eine kleine Folie an Ihrem vibrierenden Lautsprecher an, verbinden Sie ihn mit einem dünnen Folienstreifen mit einem AC-DVM- oder Oszilloskopeingang und vibrieren Sie dann den Lautsprecher. Sehen Sie, ob Sie diese Feldmühle verwenden können, um ein entferntes Stück Styropor zu erkennen, das Sie auf Ihr Haar gerieben haben.

https://www.google.com/search?q=diy+field-mill

Außerdem können Sie einen geladenen Kunststoff-Lautsprecherkegel spüren, indem Sie die Gate-Leitung einer JFET/LED-Schaltung in seine Nähe schwenken, wie in meinem Artikel: http://amasci.com/emotor/chargdet.html

Ich bin in Seattle WA, also ist meine Bank ziemlich feucht. Ich habe versucht, ein Oszilloskop-Massekabel mit der Lautsprechermembran zu berühren, aber die Messung mit der E-Feld-Sonde hat sich nicht geändert. Außerdem schwebt die Metallrückseite. Wenn es geerdet ist, gibt es kein messbares Feld hinter dem Lautsprecher, aber immer noch vor der Membran.
@DavidG25 was ist passiert, als du es an Armhaaren oder einer Plastiktüte gerieben hast? Was ist passiert, als Sie die Kunststoffoberfläche benetzt haben? Das Berühren von Kunststoff mit Metall bewirkt nichts, kann einen Isolator nicht erden, nur ein Metall.
Wow, das Benetzen mit einer nassen Q-Spitze ließ das gemessene Feld vollständig verschwinden!
Ja, es war die ganze Zeit aufgeladen. Selbst bei Feuchtigkeit kann ein extrem sauberer Kunststoff tagelang aufgeladen bleiben.
Ich kann die Messung erhöhen, indem ich meine Armhaare daran reibe, und verringern, indem ich sie befeuchte. Vielen Dank für deine Hilfe!
@DavidG25 als nächstes ein Stück Folie auf den Lautsprecher kleben! Lassen Sie die Folie nicht den Rahmen berühren. Schließen Sie ein Wechselstrom-Voltmeter an die Folie an (das andere Messkabel geht an Masse), vibrieren Sie den Lautsprecher und halten Sie einen geladenen Gegenstand in die Nähe. Es wandelt das unsichtbare E-Feld in Wechselstrom um, der leicht gemessen oder auf einem Oszilloskop betrachtet werden kann. Es ist ein Fernobjektdetektor, aber nur für geladene Objekte. Viele Projekte in diesem Buch: electrostatic.com/bookstore/books/moorebk.htm
Ich habe billb(at)amasci.com auf Ihrer Website gefunden. Funktioniert diese E-Mail, um Sie zu kontaktieren?
@DavidG25 ja, oder gmail, beatywj

Wie strahlt der Lautsprecher das E-Feld aus?

Über die Schwingspule wird eine Spannung angelegt, und sie bewegt sich physisch hin und her. Zusammen ergeben diese ein messbares Feld.

Warum passiert es nur bei der Resonanzfrequenz?

Bei der mechanischen Resonanzfrequenz ist die physikalische Bewegung der Spule am größten.

Warum ist die Phase zwischen Vorder- und Rückseite des Lautsprechers unterschiedlich?

Sie sehen die gegenüberliegenden Enden der Bewegung zusammen mit der Spannung am gegenüberliegenden Ende der Spule.

Heben sich die Felder von den gegenüberliegenden Enden der Spule nicht wie bei einem Parallelplattenkondensator gegenseitig auf?
Nur auf Distanz. Deshalb müssen Sie in der Nähe sein, um überhaupt etwas zu messen.
Ein Parallelplattenkondensator hat keine gelöschten Felder. Stattdessen hat es einfach viel stärkere Felder zwischen den Platten. Wenn an den Kondensatorplatten eine Spannung anliegt, dann gibt es außerhalb des Kondensators im Raum in der Nähe dieser Platten ein E-Feld
Können Sie näher auf die Entstehung des E-Feldes eingehen? Ich verstehe, dass aufgrund der Spannung an den gegenüberliegenden Enden der Spule Ladung anliegt. Erzeugt die Bewegung dieser Ladung ein zirkulierendes H-Feld in derselben Ebene wie die Lautsprechermembran, das wiederum ein zirkulierendes E-Feld senkrecht zur Membran erzeugt? Das umlaufende E-Feld addiert sich konstruktiv im Zentrum der Spule, ist das richtig?
Ich habe keine Ahnung, wohin du damit gehst. Zwischen den Enden der Schwingspule besteht eine Potentialdifferenz, die ein E-Feld erzeugt. Dies gilt unabhängig davon, ob sich die Schwingspule bewegt oder nicht. Die physische Bewegung verbessert einfach die Fähigkeit Ihrer "E-Feld-Sonde" (die Sie nicht beschrieben haben), es aufzunehmen. Ladung und H-Feld haben damit nichts zu tun.
@DaveTweed In meiner Frage gibt es einen Link zur E-Feld-Sonde. Der Link ist unter dem Schaltplan. Ich denke, die Bewegung der Schwingspule macht das E-Feld bei der Resonanzfrequenz stärker. Siehe meine Antwort - ich bin mir nicht sicher, ob sie richtig ist. Danke auch für deine Hilfe.
Elektrisches Feld in der Nähe eines dynamischen Lautsprechers bei Resonanzfrequenz
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