Как «чисто» электрические цепи могут излучать звук?

На самом деле вы спрашиваете, как электрические цепи могут вызывать небольшие движения. Ведь звук – это движение воздуха.

Ответ заключается в том, что существуют различные способы, которыми электрические поля или электрические токи могут вызывать силы или движения. Эти эффекты используются в конструкции различных преобразователей , которые существуют, чтобы преднамеренно вызывать или воспринимать небольшие движения. Однако законы физики, которые позволяют этим преобразователям функционировать, не ограничиваются пределами корпуса преобразователя. Они существуют повсюду, поэтому многие вещи являются непреднамеренными преобразователями. Разница в том, что обычно эффект довольно слабый, хотя он специально не предназначен для преобразователя.

Вот некоторые из этих эффектов:

1. Электростатическая сила . Между двумя объектами с разным напряжением будет сила. Сила пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна расстоянию. Это та же самая сила, которая позволяет воздушному шарику прилипнуть к вашим волосам после того, как он потерся о кошку или что-то в этом роде. Для обычных цепей эта сила очень слаба, и проводники удерживаются на месте гораздо сильнее, чем она. Тем не менее, вы можете иногда получить слышимый звук от этого с высоковольтными цепями.

2. Электродинамическая сила . Движущийся заряд создает вокруг себя круговое магнитное поле. Магнитное поле пропорционально току, и его можно сделать довольно сильным, если свернуть провод в катушку. Это магнитное поле можно заставить перемещать предметы, и оно лежит в основе работы соленоидов, моторов и громкоговорителей.

   Движущиеся заряды также испытывают силу, если текут через магнитное поле правильной ориентации. Большинство громкоговорителей на самом деле работают по этому принципу; они сделаны так, что крепится сильный постоянный магнит и движется катушка, которая, в свою очередь, перемещает центр диффузора динамика. То же самое происходит в любом индукторе. Каждый кусок провода с током через него испытывает некоторую силу из-за общего магнитного поля. Некоторое гудение, которое вы слышите от трансформаторов, — это отдельные куски провода, которые в результате немного двигаются.

3. Пьезоэлектрический эффект . Некоторые материалы, например кварц, слегка меняют свой размер или форму в зависимости от приложенного электрического поля. Некоторые маленькие наушники работают по этому принципу. Есть также «кристаллические» микрофоны, которые работают по этому принципу наоборот, то есть приложение силы к кристаллу заставляет его создавать напряжение. Обычные воспламенители для гриля для барбекю работают по этому принципу, сильно и внезапно ударяя по кристаллу кварца, чтобы создать достаточно высокое напряжение, чтобы вызвать искру.

   Некоторые материалы конденсаторов обладают таким эффектом, что при жестком монтаже на печатной плате может быть слышен слышимый звук. Мне пришлось один раз перекрутить плату и заменить керамический колпачок электролитическим только потому, что керамика вызывала раздражающий слышимый визг.

4. Магнитострикционный эффект . Это магнитный аналог пьезоэлектрического эффекта. Некоторые материалы меняют форму или размер в зависимости от приложенного магнитного поля, и этот эффект работает и в обратном направлении. Я работал над магнитными датчиками, которые использовали этот эффект.

   Материалы в трансформаторах и катушках индуктивности выбираются таким образом, чтобы не иметь такого эффекта, но все же небольшое количество присутствует. Сердечник индуктора на самом деле очень незначительно меняет размер при изменении магнитного поля. Это может вызвать слышимый звук, особенно если индуктор механически соединен с чем-то, что имеет большую площадь для воздуха, например, с печатной платой.

Идеальный индуктор или трансформатор может быть чисто электронным компонентом, но реальный индуктор или трансформатор создает (быстро меняющееся) магнитное поле. Целью конструкции такого компонента является удержание этого магнитного поля внутри компонента (например, внутри ферромагнитного сердечника), но это не будет достигнуто на 100%. «Утечка» магнитного поля заставит вещи двигаться (вибрировать), и эти вещи заставят воздух вокруг себя двигаться аналогичным образом. Presto: (нежелательный) электромагнитный динамик.

Аналогичный эффект, вероятно, может иметь место в высоковольтных конденсаторах, где проводящие пластины притягиваются друг к другу в зависимости от напряжения. Это соответствует электростатическому динамику :)

Третьим эффектом являются (нежелательные) пьезоэлектрические эффекты в компонентах. Я не уверен, так ли это на наблюдаемом уровне.

Это не расширение или сжатие материала, излучающего звук в трансформаторных или индукторных схемах. Однако детали движутся.

Трансформаторы подвержены значительным механическим воздействиям, вызванным переменными электромагнитными полями. Это заставляет провода и пластины двигаться и, следовательно, издавать звук. Преобразователи постоянного тока часто имеют катушки индуктивности, которые также движутся по той же причине.

Вот еще один

Звук за счет изменения свойств окружающей плазмы или газа из-за воздействия электрического поля и/или электрического разряда

Основанный на «Поющей дуге», которая была открыта Уильямом Дадделлом около 1900 года, ионофон или, как его чаще всего называют, плазменный динамик/твитер (на самом деле используется в динамиках), создает звуковые волны, заряжая плазму для изменения размера плазмы внутри обычно узкое поле между электродами. Благодаря очень малой массе, которую необходимо перемещать, этот динамик может очень точно воспроизводить волны, подаваемые на электроды, особенно хорошо для высоких частот.

Другой еще не затронутый эффект - выпрямление проводов под нагрузкой - провода имеют тенденцию выпрямляться, когда через них проходит ток, будь то микроскопически или визуально. Провод внутри обмоток силового трансформатора пытается слегка выпрямиться от 100 до 120 раз в секунду (в зависимости от частоты муниципальной сети).

Это явление можно очень легко наблюдать при «запуске» автомобиля от внешнего источника с помощью маленьких соединительных кабелей, особенно если у запускаемого автомобиля сильно разряжена аккумуляторная батарея. Когда стартер включен, часто легко увидеть, как соединительные кабели «прыгают» и становятся жесткими, когда они немного выпрямляются под большой нагрузкой.

Движущиеся мембраны или пьезоэлектрические материалы, очевидно, производят звуковые волны, но как могут «чисто» электрические цепи, такие как трансформаторы или прерыватели постоянного тока (и другие), часто иметь слышимый шум? Материал микроскопически расширяется и сжимается с током?

В то время как другие хорошо объяснили часть о движении материала, один ключевой момент заключается в том, что звуковой шум требует движения в слышимом для человека диапазоне . Обычно это означает от 20 Гц до 20 кГц, но может быть немного ниже или выше, а также с учетом возраста или потери слуха. Все, что колеблется выше или ниже этого диапазона (инфразвук или ультразвук), обычно не будет слышно. Однако, как назло, этот диапазон является типичным, используемым во многих схемах, от прерывателей постоянного / постоянного тока, трансформаторов, инверторов панели EL, ШИМ для световых цепей, поэтому он часто является побочным продуктом.

Здесь было много теории. На практике обычно задействованы незакрепленные провода катушек индуктивности. Постукивание по катушкам (не !!!! чем-то магнитным, например, отверткой: попытка этого на катушках в схеме обратного хода ЭЛТ - это то, что вы не делаете более одного раза) может помочь найти виновника, и подходящий теплый клей или гвоздь полировка может помочь получить его под контролем.

По моему опыту, в большинстве случаев трансформатор шумит из-за неплотного ламинирования или неплотного монтажа. Механический прерыватель издает шум, потому что трость, которая «рубит» ток, движется/вибрирует. Очевидно, что все, что движется, издает звук. Трансформатор обычно производит гул частотой 60 Гц, а прерыватель зависит от частоты, для которой он был разработан (обычно 400 Гц).

Я не верю, что материал микроскопически расширяется и сжимается, но если бы это было так, частота была бы настолько высокой, что ее было бы не слышно. Кроме того, он может быть недостаточно громким.

Единственными чисто немеханическими схемами, которые могут воспроизводить звуки, являются микроволновые передатчики. Но они сожгут твой мозг.