¿Cómo pueden los circuitos eléctricos "puramente" emitir sonido?

Las membranas en movimiento o los materiales piezoeléctricos obviamente producen ondas de sonido, pero ¿cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos como los transformadores o los interruptores DCDC (y otros) a menudo tienen un ruido audible? ¿El material se expande microscópicamente y se contrae con la corriente?

Lo que realmente pregunta es cómo pueden los circuitos eléctricos causar pequeños movimientos. Después de todo, el sonido es movimiento del aire.

La respuesta es que hay varias formas en que los campos eléctricos o las corrientes eléctricas pueden causar fuerzas o movimientos. Estos efectos se aprovechan en el diseño de varios transductores , que existen para causar o detectar movimientos pequeños deliberadamente. Sin embargo, las leyes de la física que permiten que estos transductores funcionen no se detienen fuera del estuche del transductor. Existen en todas partes, muchas cosas son transductores involuntarios. La diferencia es que, por lo general, el efecto es bastante débil sin que esté diseñado deliberadamente para un transductor.

Algunos de estos efectos son:

1. Fuerza electrostática . Dos objetos a un voltaje diferente tendrán una fuerza entre ellos. La fuerza es proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la distancia. Esta es la misma fuerza que permite que un globo se adhiera a tu cabello después de frotarlo contra un gato o algo así. Para los circuitos ordinarios, esta fuerza es muy débil y los conductores se mantienen en su lugar con mucha más fuerza. Aún así, a veces puede obtener un sonido audible de esto con circuitos de alto voltaje.

2. Fuerza electrodinámica . Una carga en movimiento crea un campo magnético circular a su alrededor. El campo magnético es proporcional a la corriente, y puede hacerse bastante fuerte colocando el cable en una bobina. Este campo magnético se puede hacer para mover cosas, y es la base de cómo funcionan los solenoides, motores y altavoces.

   Las cargas móviles también experimentan una fuerza si fluyen a través de un campo magnético de la orientación correcta. La mayoría de los altavoces realmente funcionan según este principio; están hechos de manera que se fija un imán permanente fuerte y la bobina se mueve, lo que a su vez mueve el centro del cono del altavoz. Lo mismo sucede en cualquier inductor. Cada pieza de cable con corriente a través de ella experimenta cierta fuerza debido al campo magnético general. Como resultado, algunos de los zumbidos que escuchas de los transformadores son pedazos individuales de cable que se mueven un poco.

3. Efecto piezoeléctrico . Algunos materiales, como el cuarzo, por ejemplo, cambiarán ligeramente su tamaño o forma en función del campo eléctrico aplicado. Algunos auriculares pequeños funcionan según este principio. También hay micrófonos "cristalinos" que funcionan en este principio a la inversa, lo que significa que la aplicación de fuerza al cristal hace que cree un voltaje. Los encendedores comunes de parrillas funcionan según este principio golpeando un cristal de cuarzo con fuerza y ​​de repente lo suficiente como para crear un voltaje lo suficientemente alto como para provocar una chispa.

   Algunos materiales de condensadores exhiben suficiente efecto de este tipo que cuando se montan rígidamente en una placa de circuito pueden causar un sonido audible. Tuve que girar una tabla una vez y reemplazar una tapa de cerámica con un electrolítico solo porque la cerámica estaba causando un molesto sonido audible.

4. Efecto magnetoestrictivo . Este es el análogo magnético del efecto piezoeléctrico. Algunos materiales cambian de forma o tamaño según el campo magnético aplicado, y este efecto también funciona a la inversa. He trabajado en sensores magnéticos que explotaron este efecto.

   Los materiales en transformadores e inductores se eligen para que no tengan este efecto, pero de todos modos hay una pequeña cantidad. El núcleo de un inductor en realidad cambia de tamaño muy ligeramente a medida que cambia el campo magnético. Esto puede causar un sonido audible, especialmente si el inductor está acoplado mecánicamente a algo que presenta un área mayor al aire, como una placa de circuito.

Un inductor o transformador ideal puede ser un componente puramente electrónico, pero un inductor o transformador real produce un campo magnético (que cambia rápidamente). Es un objetivo de diseño de dicho componente mantener ese campo magnético dentro del componente (por ejemplo, dentro del núcleo ferromagnético), pero eso no se logrará al 100%. El campo magnético de 'fuga' hará que las cosas se muevan (vibren), y estas cosas harán que el aire a su alrededor se mueva de la misma manera. Presto: un altavoz electromagnético (no deseado).

Probablemente se pueda tener un efecto similar en los condensadores de alto voltaje, donde las placas conductoras se atraen entre sí dependiendo del voltaje. Esto corresponde a un altavoz electrostático :)

Un tercer efecto son los efectos piezoeléctricos (no deseados) en los componentes. No estoy seguro de si este es realmente el caso en un nivel observable.

No está expandiendo o contrayendo el material, que emite el sonido en transformadores o circuitos basados ​​en inductores. Sin embargo, las partes se mueven.

Los transformadores están sujetos a fuerzas mecánicas significativas causadas por los campos electromagnéticos alternativos. Eso hace que los cables y las laminaciones se muevan y, por lo tanto, emitan sonido. Los convertidores DC-DC a menudo tienen inductores de heridas, que también se mueven por la misma razón.

Aquí hay uno más

Sonido al cambiar las propiedades del plasma o gas circundante debido a la exposición de un campo eléctrico y / o descarga eléctrica

Basado en el "Arco de canto" que fue descubierto alrededor de 1900 por William Duddell, el Ionophone o como se le llama principalmente altavoz / tweeter de plasma (en realidad se usa en altavoces) produce ondas de sonido al cargar plasma para cambiar el tamaño del plasma dentro de un generalmente campo estrecho entre electrodos. Debido a la muy baja masa que se debe mover, este altavoz puede producir una reproducción muy precisa de las ondas alimentadas a los electrodos, especialmente bueno para frecuencias altas.

Otro efecto aún no tocado es de enderezamiento de alambre bajo carga - los cables no tienden a enderezar cuando la corriente pasa a través de ellos, ya sea microscópicamente o visiblemente. El cable dentro de los devanados de un transformador de potencia intenta enderezarse muy ligeramente de 100 a 120 veces por segundo (dependiendo de la frecuencia de la energía municipal).

Este fenómeno se puede observar fácilmente cuando se "arranca" un vehículo con cables de puente más pequeños, especialmente si el vehículo que se está arrancando tiene una batería muy descargada. Cuando el motor de arranque está activado, a menudo es fácil ver que los cables de puente "saltan" y se endurecen a medida que se enderezan ligeramente bajo una carga pesada.

Las membranas en movimiento o los materiales piezoeléctricos obviamente producen ondas de sonido, pero ¿cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos como los transformadores o los interruptores CC / CC (y otros) a menudo tienen un ruido audible? ¿El material se expande microscópicamente y se contrae con la corriente?

Mientras que otros han explicado la parte sobre el material moviéndose muy bien, un punto clave es que el ruido audible requiere movimiento en el rango audible humano . Por lo general, eso significa de 20 Hz a 20 kHz, pero puede ser ligeramente más bajo o más alto, además de tener en cuenta la edad / pérdida auditiva. Normalmente, no se oirá nada que oscile por encima o por debajo de ese rango (Infrasónico o Ultrasónico). Sin embargo, por suerte, ese rango es el típico utilizado en muchos circuitos, desde choppers DC / DC, transformadores, inversores de panel EL, PWM para circuitos de luz, por lo que a menudo es un subproducto.

Ha habido mucha teoría aquí. En la práctica, generalmente están involucrados cables sueltos de inductores. Hacer tapping en las bobinas (¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡EN EN EL PELÍCULA CRT flyback CRT EN CRT YA! El esmalte puede ayudar a controlarlo.

Según mi experiencia, la mayoría de las veces un transformador hace ruido, se debe a una laminación suelta o un montaje flojo. Un helicóptero mecánico hace ruido porque la caña que "corta" la corriente se mueve / vibra. Obviamente, todo lo que se mueve, hace un sonido. Un transformador generalmente produce un zumbido de 60 Hz, mientras que un chopper depende de la frecuencia para la que fue diseñado (típicamente 400 Hz).

No creo que el material se esté expandiendo y contrayendo microscópicamente, pero si lo fuera, la frecuencia sería tan alta que sería inaudible. Además, puede que no sea lo suficientemente fuerte.

Los únicos circuitos puramente no mecánicos que pueden producir sonidos son los transmisores de microondas. Pero te cocinarán el cerebro.