¿Cómo pueden los circuitos eléctricos “puramente” emitir sonido?

Lo que realmente estás preguntando es cómo pueden los circuitos eléctricos causar pequeños movimientos. Después de todo, el sonido es el 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 percibir deliberadamente pequeños movimientos. Sin embargo, las leyes de la física que permiten que estos transductores funcionen no se detienen fuera de la caja 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 se diseñe deliberadamente para un transductor.

Algunos de estos efectos son:

1. Fuerza electrostática . Dos objetos a una tensión 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. Para circuitos ordinarios, esta fuerza es muy débil y los conductores se mantienen en su lugar mucho más fuertemente que ellos. Sin embargo, 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 se puede hacer bastante fuerte enrollando el cable en una bobina. Este campo magnético se puede hacer para mover cosas, y es la base de cómo funcionan los solenoides, los motores y los altavoces.

   Las cargas en movimiento también experimentan una fuerza si fluyen a través de un campo magnético con la orientación correcta. La mayoría de los altavoces realmente funcionan con este principio; están hechas de manera que un imán permanente fuerte se fija 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 algo de fuerza debido al campo magnético general. Como resultado, parte del zumbido que se escucha en los transformadores son piezas individuales de alambre que se mueven un poco.

3. Efecto piezoeléctrico . Algunos materiales, como el cuarzo, por ejemplo, cambiarán su tamaño o forma ligeramente en función del campo eléctrico aplicado. Algunos auriculares pequeños funcionan con este principio. También hay micrófonos de "cristal" que funcionan en este principio a la inversa, lo que significa que aplicar fuerza al cristal hace que se cree un voltaje. Los sistemas de encendido comunes de la parrilla de barbacoa funcionan con 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 los condensadores muestran suficiente efecto que cuando se monta rígidamente en una placa de circuito puede producir un sonido audible. Tuve que tomar una tabla una vez y reemplazar una tapa de cerámica con un electrolítico solo porque la cerámica estaba causando un molesto silbido.

4. Efecto magnetostrictivo . 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 los 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 una mayor área al aire, como una placa de circuito.

Un inductor o transformador ideal podría ser un componente puramente electrónico, pero un inductor o transformador real produce un campo magnético (que cambia rápidamente). Es un objetivo de diseño de tal componente mantener ese campo magnético dentro del componente (por ejemplo, dentro del núcleo ferromagnético), pero eso no se logrará en un 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 capacitores de alto voltaje, donde las placas conductoras se atraen entre sí según el voltaje. Esto corresponde a un altavoz electrostático :)

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

No se está expandiendo o contrayendo el material, lo que emite el sonido en los circuitos basados en transformadores o inductores. Sin embargo las partes se están moviendo.

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 emiten sonido. Los convertidores DC-DC a menudo tienen inductores de herida, que también se mueven por el mismo motivo.

Aquí hay uno más

El sonido cambia las propiedades del plasma o gas circundante debido a la exposición de un campo eléctrico y / o descarga eléctrica

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

Otro efecto que aún no se ha tocado es el enderezamiento de cables bajo carga: los cables do tienden a enderezarse cuando la corriente pasa a través de ellos, ya sea de manera microscópica o visible. El cable dentro de los devanados de un transformador de potencia intenta enderezar ligeramente de 100 a 120 veces por segundo (dependiendo de la frecuencia de la potencia municipal).

Este fenómeno se puede observar muy fácilmente cuando "arranca" un vehículo con cables de puente pequeños, especialmente si el vehículo que se está arrancando tiene una batería agotada. Cuando el motor de arranque está activado, a menudo es fácil ver que los cables saltadores "saltan" y se ponen rígidos 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 de CC / CC (y otros) a menudo tener un ruido audible? ¿El material se está expandiendo y encogiendo microscópicamente con la corriente?

Mientras que otros han explicado la parte sobre el movimiento del material, un punto clave es que el ruido audible requiere movimiento en el rango audible humano . Por lo general, eso significa 20 Hz a 20 kHz, pero puede ser un poco más alto o más bajo, 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, como la suerte lo tiene, ese rango es el típico que se usa en muchos circuitos, desde interruptores de CC / CC, transformadores, inversores de panel EL, PWM para circuitos de luz, por lo que a menudo es un subproducto.

Aquí ha habido mucha teoría. En la práctica, usualmente están involucrados cables sueltos de inductores. Hacer tapping en las bobinas (no con algo magnético como un destornillador: intentarlo en las bobinas del circuito de retorno de CRT es algo que no hace más de una vez) puede ayudar a localizar al culpable, y un pegamento o clavo caliente adecuado El pulido puede ayudar a tenerlo bajo control.

Desde mi experiencia, la mayor parte del tiempo que un transformador hace ruido se debe a una laminación suelta o un montaje suelto. Un helicóptero mecánico hace ruido porque la lengüeta 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 cual 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 ellos cocinarán tu cerebro.