Comment des circuits «purement» électriques peuvent-ils émettre du son?

Les membranes en mouvement ou les matériaux piézoélectriques produisent évidemment des ondes sonores, mais comment des circuits "purement" électriques tels que des transformateurs ou des découpeurs DCDC (et autres) peuvent-ils souvent produire un bruit audible? Le matériau est-il en train de se dilater et de se contracter avec le courant au microscope?

Ce que vous demandez vraiment, c'est comment les circuits électriques peuvent provoquer de petits mouvements. Après tout, le son est un mouvement de l'air.

La réponse est qu'il y a différentes manières pour les champs électriques ou les courants électriques de générer des forces ou des mouvements. Ces effets sont exploités dans la conception de divers transducteurs , conçus pour provoquer ou détecter délibérément de petits mouvements. Cependant, les lois de la physique qui permettent à ces transducteurs de fonctionner ne s'arrêtent pas en dehors du cas du transducteur. Ils existent partout, tant de choses sont des transducteurs involontaires. La différence est qu’en général l’effet est plutôt faible sans qu’il soit délibérément conçu pour un transducteur.

Certains de ces effets sont:

1. Force électrostatique . Deux objets à une tension différente auront une force entre eux. La force est proportionnelle à la tension et inversement proportionnelle à la distance. C'est la même force qui permet à un ballon de coller à vos cheveux après les avoir frottés contre un chat ou quelque chose du genre. Pour les circuits ordinaires, cette force est très faible et les conducteurs sont maintenus beaucoup plus fermement en place. Pourtant, vous pouvez parfois obtenir un son audible avec des circuits haute tension.

2. Force électrodynamique . Une charge en mouvement crée un champ magnétique circulaire autour d'elle. Le champ magnétique est proportionnel au courant et peut être rendu assez puissant en enroulant le fil dans une bobine. Ce champ magnétique peut être utilisé pour déplacer des objets et constitue la base du fonctionnement des solénoïdes, des moteurs et des haut-parleurs.

   De même, les charges en mouvement subissent une force si elles traversent un champ magnétique de la bonne orientation. La plupart des haut-parleurs fonctionnent réellement sur ce principe; ils sont conçus de manière à ce qu'un puissant aimant permanent soit fixé et que la bobine se déplace, ce qui déplace le centre du cône de l'enceinte. La même chose se passe dans n'importe quel inducteur. Chaque morceau de fil traversé par le courant subit une certaine force en raison du champ magnétique global. Une partie du bourdonnement que vous entendez des transformateurs provient de fils individuels qui bougent un peu à la suite.

3. Effet piézoélectrique . Certains matériaux, comme le quartz par exemple, changeront légèrement de taille ou de forme en fonction du champ électrique appliqué. Certains petits écouteurs fonctionnent sur ce principe. Il existe également des microphones "à cristal" qui fonctionnent sur ce principe en sens inverse, ce qui signifie que le fait de forcer le cristal à créer une tension. Les allumeurs de gril de barbecue courants fonctionnent sur ce principe en frappant un cristal de quartz de manière suffisamment dure et soudaine pour créer une tension suffisamment élevée pour provoquer une étincelle.

   Certains matériaux de condensateur présentent suffisamment de cet effet pour qu’un son audible puisse être provoqué par un montage rigide sur une carte de circuit imprimé. J'ai dû respirer une fois une planche et remplacer un capuchon en céramique par un électrolytique juste parce que la céramique causait un gémissement audible gênant.

4. Effet magnétostrictif . C'est l'analogue magnétique de l'effet piézoélectrique. Certains matériaux changent de forme ou de taille en fonction du champ magnétique appliqué, et cet effet fonctionne également en sens inverse. J'ai travaillé sur des capteurs magnétiques qui exploitaient cet effet.

   Les matériaux dans les transformateurs et les inductances sont choisis pour ne pas avoir cet effet, mais une petite quantité existe quand même. Le noyau d'un inducteur change en fait très légèrement de taille lorsque le champ magnétique change. Cela peut provoquer un son audible, en particulier si l'inducteur est couplé mécaniquement à quelque chose qui présente une plus grande surface dans l'air, comme un circuit imprimé.

Une inductance ou un transformateur idéal pourrait être un composant purement électronique, mais une inductance ou un transformateur réel produit un champ magnétique (changeant rapidement). Un objectif de conception d'un tel composant est de conserver ce champ magnétique à l'intérieur du composant (par exemple à l'intérieur du noyau ferromagnétique), mais cela ne sera pas réalisé à 100%. Le champ magnétique qui "fuit" va faire bouger les choses (vibrer), et ces choses vont faire bouger l'air autour d'eux. Presto: un haut-parleur électromagnétique (non désiré).

Un effet similaire peut probablement être obtenu dans les condensateurs à haute tension, où les plaques conductrices s'attirent en fonction de la tension. Cela correspond à un haut-parleur électrostatique :)

Un troisième effet est constitué par les effets piézoélectriques (indésirables) des composants. Je ne suis pas sûr que ce soit réellement le cas à un niveau observable.

Il ne s'agit pas d'une expansion ou d'une contraction du matériau, qui émet le son dans des circuits à transformateur ou à inducteur. Cependant les pièces bougent.

Les transformateurs sont soumis à des forces mécaniques importantes causées par les champs électromagnétiques alternatifs. Cela fait bouger les fils et les stratifications, et donc émet un son. Les convertisseurs continu-continu ont souvent des inducteurs bobinés, qui se déplacent également pour la même raison.

En voici un de plus

Son en modifiant les propriétés du plasma ou du gaz environnant en raison de l'exposition d'un champ électrique et / ou d'une décharge électrique

Basé sur le "Singing Arc" découvert vers 1900 par William Duddell, l’ionophone ou son surnom à plasma (produit en réalité par les haut-parleurs) produit des ondes sonores en chargeant le plasma pour modifier champ généralement étroit entre les électrodes. En raison de la très faible masse qui doit être déplacée, cette enceinte peut produire une reproduction très précise des ondes transmises aux électrodes, particulièrement utile pour les hautes fréquences.

Un autre effet pas encore abordé est redressage de fil sous charge - fils faire tendent à se redresser lorsque le courant est passé à travers eux, que ce soit ou visiblement microscopiquement. Le fil dans les enroulements d'un transformateur de courant tente de se redresser très légèrement de 100 à 120 fois par seconde (en fonction de la fréquence de l'alimentation municipale).

Ce phénomène peut être très facilement observé lors du "démarrage en démarrage" d'un véhicule équipé de câbles de connexion de petite taille, en particulier si le véhicule en cours de démarrage contient une batterie complètement déchargée. Lorsque le démarreur est engagé, il est souvent facile de voir les câbles de démarrage "sauter" et se raidir lorsqu'ils se redressent légèrement sous une charge importante.

Les membranes en mouvement ou les matériaux piézoélectriques produisent évidemment des ondes sonores, mais comment des circuits "purement" électriques tels que des transformateurs ou des découpeurs CC / CC (et autres) peuvent-ils souvent produire un bruit audible? Le matériau est-il en train de se dilater et de se contracter avec le courant au microscope?

Tandis que d'autres ont expliqué la partie sur le matériau se déplaçant bien, un point clé est que le bruit audible nécessite un mouvement dans la plage audible humaine . En règle générale, cela signifie 20 Hz à 20 kHz, mais peut être légèrement inférieur ou supérieur, ainsi que pour tenir compte de l'âge / de la perte auditive. Tout ce qui oscille au-dessus ou au-dessous de cette plage (Infrasonic ou Ultrasonic) ne sera normalement pas entendu. Comme par hasard, cette plage est la gamme typique utilisée dans de nombreux circuits, des hacheurs DC / DC aux transformateurs, en passant par les inverseurs à panneau EL, les PWM pour circuits de lumière, ce qui en fait souvent un sous-produit.

Il y a eu beaucoup de théorie ici. En pratique, des fils desserrés d'inducteurs sont généralement impliqués. Taper sur les bobines (pas !!!! avec tout ce qui est magnétique comme un tournevis: essayer cela sur des bobines dans des circuits de retour rapide CRT est quelque chose que vous ne faites pas plus d'une fois) peut aider à localiser le coupable, et à utiliser de la colle chaude ou un clou approprié polir peut aider à le maîtriser.

D'après mon expérience, la plupart du temps, un transformateur fait du bruit, est dû à un laminage ou à un montage lâche. Un hacheur mécanique fait du bruit parce que l'anche qui "hache" le courant se déplace / vibre. Évidemment, tout ce qui bouge émet un son. Un transformateur produit généralement un bourdonnement à 60 Hz, tandis qu'un hacheur dépend de la fréquence pour laquelle il a été conçu (généralement 400 Hz).

Je ne crois pas que le matériau se dilate et se contracte au microscope, mais si c'était le cas, la fréquence serait si élevée qu'elle serait inaudible. En outre, il pourrait ne pas être assez fort.

Les seuls circuits purement non mécaniques pouvant produire des sons sont les émetteurs hyperfréquences. Mais ils vont faire cuire votre cerveau.