Wie können "rein" elektrische Schaltungen Schall abgeben?

Was Sie wirklich fragen, ist, wie elektrische Schaltkreise kleine Bewegungen verursachen können. Schall ist schließlich Bewegung der Luft.

Die Antwort ist, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, wie elektrische Felder oder elektrische Ströme Kräfte oder Bewegungen hervorrufen können. Diese Effekte werden bei der Konstruktion verschiedener Wandler genutzt , die dazu dienen, absichtlich kleine Bewegungen zu verursachen oder zu erfassen. Die physikalischen Gesetze, die das Funktionieren dieser Wandler ermöglichen, enden jedoch nicht außerhalb des Wandlergehäuses. Sie existieren überall, so viele Dinge sind unbeabsichtigte Wandler. Der Unterschied besteht darin, dass die Wirkung meist eher schwach ist, ohne dass sie bewusst wie bei einem Wandler darauf ausgelegt ist.

Einige dieser Effekte sind:

1. Elektrostatische Kraft . Zwischen zwei Objekten mit unterschiedlicher Spannung entsteht eine Kraft. Die Kraft ist proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Abstand. Dies ist die gleiche Kraft, die es einem Ballon ermöglicht, an Ihrem Haar zu haften, nachdem Sie es an einer Katze oder etwas anderem gerieben haben. Bei gewöhnlichen Schaltungen ist diese Kraft sehr schwach, und Leiter werden viel stärker an Ort und Stelle gehalten. Bei Hochspannungsschaltkreisen kann es jedoch manchmal zu hörbaren Geräuschen kommen.

2. Elektrodynamische Kraft . Eine sich bewegende Ladung erzeugt um sich herum ein kreisförmiges Magnetfeld. Das Magnetfeld ist proportional zum Strom und kann ziemlich stark gemacht werden, indem der Draht in eine Spule geschlungen wird. Dieses Magnetfeld kann dazu gebracht werden, Dinge zu bewegen, und ist die Grundlage für die Funktionsweise von Solenoiden, Motoren und Lautsprechern.

   Bewegte Ladungen erfahren ebenfalls eine Kraft, wenn sie durch ein Magnetfeld der richtigen Ausrichtung fließen. Die meisten Lautsprecher funktionieren tatsächlich nach diesem Prinzip; Sie sind so konstruiert, dass ein starker Permanentmagnet fixiert ist und sich die Spule bewegt, was wiederum die Mitte des Lautsprecherkegels bewegt. Dasselbe passiert in jedem Induktor. Jedes Stück Draht, durch das Strom fließt, erfährt aufgrund des gesamten Magnetfelds eine gewisse Kraft. Einige der Summen, die Sie von Transformatoren hören, sind einzelne Drahtstücke, die sich dadurch ein wenig bewegen.

3. Piezoelektrischer Effekt . Einige Materialien, wie zum Beispiel Quarz, ändern ihre Größe oder Form geringfügig als Funktion des angelegten elektrischen Felds. Einige kleine Ohrhörer funktionieren nach diesem Prinzip. Es gibt auch "Kristall"-Mikrofone, die nach diesem Prinzip umgekehrt arbeiten, was bedeutet, dass das Anwenden einer Kraft auf den Kristall dazu führt, dass er eine Spannung erzeugt. Herkömmliche Grillzünder arbeiten nach diesem Prinzip, indem sie einen Quarzkristall hart und plötzlich genug schlagen, um eine Spannung zu erzeugen, die hoch genug ist, um einen Funken zu erzeugen.

   Einige Kondensatormaterialien zeigen genug von diesem Effekt, dass sie, wenn sie starr auf einer Leiterplatte montiert sind, hörbare Geräusche verursachen können. Ich musste einmal ein Board neu drehen und eine Keramikkappe durch eine Elko ersetzen, nur weil die Keramik ein störendes hörbares Heulen verursachte.

4. Magnetostriktiver Effekt . Dies ist das magnetische Analogon des piezoelektrischen Effekts. Manche Materialien ändern je nach angelegtem Magnetfeld ihre Form oder Größe, und dieser Effekt funktioniert auch umgekehrt. Ich habe an Magnetsensoren gearbeitet, die diesen Effekt ausgenutzt haben.

   Materialien in Transformatoren und Induktoren sind so gewählt, dass sie diesen Effekt nicht haben, aber eine kleine Menge ist trotzdem vorhanden. Der Kern eines Induktors ändert seine Größe tatsächlich nur geringfügig, wenn sich das Magnetfeld ändert. Dies kann zu hörbaren Geräuschen führen, insbesondere wenn der Induktor mechanisch mit etwas gekoppelt ist, das der Luft eine größere Fläche bietet, wie z. B. einer Leiterplatte.

Ein idealer Induktor oder Transformator könnte ein rein elektronisches Bauteil sein, aber ein echter Induktor oder Transformator erzeugt ein (sich schnell änderndes) Magnetfeld. Es ist ein Konstruktionsziel eines solchen Bauteils, dieses Magnetfeld innerhalb des Bauteils (beispielsweise innerhalb des ferromagnetischen Kerns) zu halten, aber das wird nicht zu 100% erreicht. Das „austretende“ Magnetfeld wird Dinge dazu bringen, sich zu bewegen (zu vibrieren), und diese Dinge werden die Luft um sie herum ebenfalls in Bewegung bringen. Presto: ein (unerwünschter) elektromagnetischer Lautsprecher.

Ein ähnlicher Effekt lässt sich wahrscheinlich bei Hochspannungskondensatoren erzielen, bei denen sich die leitenden Platten je nach Spannung anziehen. Das entspricht einem elektrostatischen Lautsprecher :)

Ein dritter Effekt sind (unerwünschte) piezoelektrische Effekte in Bauteilen. Ich bin mir nicht sicher, ob dies tatsächlich auf einer beobachtbaren Ebene der Fall ist.

Es ist nicht das Ausdehnen oder Zusammenziehen des Materials, das den Ton in transformator- oder spulenbasierten Schaltungen abgibt. Allerdings bewegen sich die Teile.

Transformatoren sind erheblichen mechanischen Kräften ausgesetzt, die durch elektromagnetische Wechselfelder verursacht werden. Dadurch bewegen sich Drähte und Bleche und geben somit Schall ab. DC-DC-Wandler haben oft gewickelte Induktivitäten, die sich aus dem gleichen Grund ebenfalls bewegen.

Hier ist noch einer

Schall durch Veränderung der Eigenschaften des umgebenden Plasmas oder Gases aufgrund der Einwirkung eines elektrischen Feldes und/oder einer elektrischen Entladung

Basierend auf dem "Singing Arc", der um 1900 von William Duddell entdeckt wurde, erzeugt das Ionophon oder wie es meistens als Plasmalautsprecher / Hochtöner bezeichnet wird (wird tatsächlich in Lautsprechern verwendet) Schallwellen, indem es Plasma auflädt, um die Größe des Plasmas in a zu ändern normalerweise schmales Feld zwischen den Elektroden. Aufgrund der sehr geringen Masse, die bewegt werden muss, kann dieser Lautsprecher eine sehr genaue Wiedergabe der den Elektroden zugeführten Wellen erzeugen, besonders gut für hohe Frequenzen.

Ein weiterer Effekt, der noch nicht angesprochen wurde, ist die Drahtbegradigung unter Last - Drähte neigen dazu, sich zu begradigen, wenn Strom durch sie geleitet wird, ob mikroskopisch oder sichtbar. Der Draht in den Wicklungen eines Leistungstransformators versucht, sich 100 bis 120 Mal pro Sekunde (abhängig von der Frequenz des Stadtstroms) ganz leicht zu begradigen.

Dieses Phänomen kann sehr leicht beobachtet werden, wenn ein Fahrzeug mit kleinen Überbrückungskabeln "über Starthilfe" gestartet wird, insbesondere wenn das zu startende Fahrzeug eine stark entladene Batterie hat. Wenn der Starter eingeschaltet ist, ist es oft leicht zu sehen, wie die Starthilfekabel „springen“ und sich versteifen, wenn sie sich unter starker Belastung leicht strecken.

Bewegte Membranen oder piezoelektrische Materialien erzeugen offensichtlich Schallwellen, aber wie können "rein" elektrische Schaltungen wie Transformatoren oder DC/DC-Chopper (und andere) oft ein hörbares Geräusch haben? Dehnt sich das Material mikroskopisch aus und schrumpft es mit dem Strom?

Während andere den Teil über die Bewegung des Materials gut erklärt haben, ist ein wichtiger Punkt , dass hörbare Geräusche eine Bewegung im für den Menschen hörbaren Bereich erfordern . Typischerweise bedeutet dies 20 Hz bis 20 kHz, kann aber etwas niedriger oder höher sein, sowie Alter/Hörverlust berücksichtigen. Alles, was über oder unter diesem Bereich schwingt (Infraschall oder Ultraschall), ist normalerweise nicht zu hören. Glücklicherweise ist dieser Bereich der typische, der in vielen Schaltkreisen verwendet wird, von DC/DC-Zerhackern, Transformatoren, EL-Panel-Wechselrichtern, PWM für Lichtschaltkreise, also ist es oft ein Nebenprodukt.

Hier gab es viel Theorie. In der Praxis handelt es sich meist um lose Drähte von Induktivitäten. Herumklopfen auf den Spulen (nicht !!!! mit irgendetwas Magnetischem wie einem Schraubendreher: Das Probieren an Spulen in CRT-Flyback-Schaltkreisen ist etwas, das Sie nicht mehr als einmal tun) kann helfen, den Schuldigen zu lokalisieren, und geeigneten warmen Kleber oder Nagel Polieren kann helfen, es in den Griff zu bekommen.

Aus meiner Erfahrung macht ein Transformator meistens Geräusche, was auf eine lockere Laminierung oder eine lockere Befestigung zurückzuführen ist. Ein mechanischer Chopper macht Geräusche, weil das Schilf, das den Strom "hackt", sich bewegt/vibriert. Offensichtlich macht alles, was sich bewegt, Geräusche. Ein Transformator erzeugt normalerweise ein 60-Hz-Brummen, während ein Zerhacker von der Frequenz abhängt, für die er ausgelegt ist (typischerweise 400 Hz).

Ich glaube nicht, dass sich das Material mikroskopisch ausdehnt und zusammenzieht, aber wenn es so wäre, wäre die Frequenz so hoch, dass sie nicht hörbar wäre. Außerdem kann es sein, dass es nicht laut genug ist.

Die einzigen rein nicht-mechanischen Schaltungen, die Töne erzeugen können, sind Mikrowellensender. Aber sie werden dein Gehirn kochen.