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Überraschende Schallquellen: Wissen Sie, wie Induktoren und Transformatoren Geräusche machen?
Im Alltag hören wir häufig summende oder zischende Geräusche von Elektrogeräten. Die Hauptquellen dieser Geräusche sind oft Induktoren und Transformatoren, denen wir keine große Aufmerksamkeit schenken. Dieses Phänomen wird als elektromagnetisch induziertes Rauschen bezeichnet und wird durch die Vibration von Materialien unter der Anregung elektromagnetischer Kräfte verursacht. In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, warum diese Geräte Geräusche machen und wie sich diese verwirrenden Geräusche erklären lassen.
Elektromagnetisch induzierter Lärm ist ein deutliches Vibrationsgeräusch, das durch Materialien verursacht wird, die einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt sind.
Elektromagnetisch induziertes Rauschen, oft auch als Spulenrauschen bezeichnet, entsteht durch die elektromagnetischen Felder, die beim Betrieb elektrischer Geräte entstehen. Diese Felder verursachen leichte Vibrationen in den Materialien im Gerät. Wenn die Frequenz dieser Schwingungen zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt, erzeugen sie einen hörbaren Ton. Geräte wie Induktoren, Transformatoren und bestimmte rotierende Motoren sind die Hauptverursacher dieses Geräusches. Dieses akustische Phänomen kann als Gegenstück zur Mikrofonie betrachtet werden, die beschreibt, wie mechanische Vibrationen oder Geräusche unerwünschte elektronische Störungen verursachen können.
Grundlegende Konzepte elektromagnetischen Rauschens
Die Quelle elektromagnetischer Kräfte liegt in der Existenz elektromagnetischer Felder, zu denen unter anderem Kräfte gehören, die durch den Maxwell-Spannungstensor, die Magnetostriktion und die Lorentzkraft verursacht werden. Wenn diese Kräfte zwischen verschiedenen Medien übertragen werden, verursachen sie eine Verformung der Materialien und erzeugen unterschiedliche Vibrationen und Geräusche. Wenn die Eigenfrequenzen der Strukturmodi mit den Frequenzen externer elektromagnetischer Kräfte übereinstimmen, werden diese Schwingungen verstärkt, was zu lauteren Geräuschen führt. Einfach ausgedrückt ist dieser Klang die Resonanz des Materials, die durch Änderungen in elektrischen und magnetischen Feldern verursacht wird.
Elektromagnetisches Rauschen in Motoren
Bei einem Elektromotor kommt es durch elektromagnetische Kräfte zu Drehmomentänderungen, die wiederum Drehschwingungen im Rotor und Stator auslösen. Insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen stellt das „Rastmoment“ eine wesentliche Veränderung dar, die zu Körperschall führt. Die Größe und Intensität dieses Geräusches hängt oft von der Konstruktion des Geräts, seinen Betriebsbedingungen und den Materialeigenschaften ab.
Körperschall entsteht durch die Ausbreitung von Rotorachsenschwingungen. Wenn diese Schwingungen auf Rahmen und Achse wirken, entsteht zusätzlicher Lärm.
Akustische Eigenschaften von Induktoren und Transformatoren
In einer Induktivität wird elektromagnetische Energie im Luftspalt des Magnetkreises gespeichert und das dadurch verursachte Rauschen hängt eng mit dem Material des Luftspalts und der Geometrie des Magnetkreises zusammen. Das Gleiche gilt für Transformatoren, bei denen die Magnetostriktion in den Wicklungen und im Blechpaket bei Laständerungen zu Vibrationen und Geräuschen führen kann. Kondensatoren können Spannung speichern und bei instabiler Spannung auch elektroakustische Effekte erzeugen. Dies wird als „singender Kondensator“-Effekt bezeichnet und alles, was er mit sich bringt, ist überraschend.
Methoden zur Reduzierung elektromagnetischen Rauschens
Zu den Techniken zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen und Vibrationen zählen insbesondere Konstruktionsverbesserungen, wie etwa die Auswahl geeigneter Nut-/Polkombinationen und Wicklungskonstruktionen, die Vermeidung von Resonanz und die Verbesserung der Dämpfungseigenschaften von Materialien. Darüber hinaus können Änderungen an bestimmten Geräten, wie z. B. das Auftragen einer Klebstoffschicht auf einen Fernseher, das „Spulengeräusch“ wirksam reduzieren. Diese einfachen Lösungen können das Benutzererlebnis oft erheblich verbessern.
Bei Verbesserungen im akustischen Design lag der Schwerpunkt auf der Reduzierung der Intensität elektromagnetischer Anregung und der Intensität struktureller Reaktionen, um den Lärm zu verringern.
Experimentelle Beispiele und digitale Simulationen
Um zu verstehen, wie elektromagnetisches Rauschen funktioniert, ist es hilfreich, Experimente oder numerische Simulationen durchzuführen. Beispiele für unterschiedliche akustische Effekte, die durch die Bewegung eines magnetischen Gleichfelds oder die Anwendung von Strom mit variabler Frequenz beobachtet werden, verbessern nicht nur unser Verständnis der Geräuschentstehung, sondern auch, wie diese Phänomene entstehen, wenn die richtige physikalische Theorie angewendet wird.
Ob es sich um statische oder rotierende Geräte handelt, die Existenz von elektromagnetischem Rauschen ist ein umfangreiches und komplexes Thema. Das Studium und Verständnis der von diesen Geräten erzeugten Geräusche kann uns nicht nur dabei helfen, die Effizienz der Motorenkonstruktion zu verbessern, sondern auch das Erlebnis bei der Nutzung verschiedener Produkte im täglichen Leben zu steigern. Doch welche Auswirkungen werden diese Phänomene auf das zukünftige Gerätedesign und den Einsatz dieser Geräte haben?
