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Das Geheimnis der elektromagnetischen Resonanz: Warum machen manche Motoren bei bestimmten Frequenzen ein hohes Geräusch?
In unserem täglichen Leben hören wir oft ein unangenehmes Geräusch, bei dem es sich um den natürlichen hohen Ton handelt, der von einigen Motoren oder elektronischen Geräten erzeugt wird. Diese Art von Geräusch wird als elektromagnetisches Resonanzgeräusch bezeichnet und entsteht hauptsächlich durch die Vibration von Materialien, die durch elektromagnetische Kraft angeregt werden. Dieses Phänomen tritt nicht nur bei bestimmten Gerätetypen auf, sondern kann sogar bei Transformatoren, rotierenden elektrischen Maschinen und sogar einigen Beleuchtungskörpern auftreten.
Quellen elektromagnetischer Resonanzgeräusche können das Brummen von Transformatoren, das Brummen rotierender Motoren und das Brummen von Leuchtstofflampen sein.
Zuerst müssen wir das Prinzip der elektromagnetischen Resonanz verstehen. Unter elektromagnetischer Kraft versteht man die Kraft, die durch das Vorhandensein elektromagnetischer Felder entsteht. In elektrischen Geräten wirken diese Kräfte auf die Struktur von Leitern und magnetischen Materialien und erzeugen hörbare Geräusche. Wenn beispielsweise ein elektrischer Strom durch eine Wicklung fließt, erzeugt der Leiter unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds eine Lorentzkraft, die das Material in Schwingungen versetzt.
Die Frequenz dieser Schwingungen liegt im Allgemeinen zwischen 20 Hz und 20 kHz. Wenn die Schwingungsamplitude groß genug ist, kann sie in hörbaren Schall umgewandelt werden. Wenn diese elektromagnetischen Kräfte mit der Strukturfrequenz des Geräts übereinstimmen, verstärken sie die Vibrationen und erhöhen so die Lautstärke des Schalls. Dies wird als mechanische Resonanz bezeichnet.
Unter bestimmten Bedingungen erzeugt die statische elektromagnetische Kraft zwar keine Vibrationen, die durch ihre Änderung verursachte Drehmomentschwankung ist jedoch die Hauptgeräuschquelle.
Was sind also die spezifischen Ursachen für elektromagnetisches Rauschen und Vibrationen in Motoren? Dies hängt hauptsächlich mit der Konstruktion und dem Betriebszustand der Ausrüstung zusammen. Wenn beispielsweise ein Strom durch die Wicklung des Transformators fließt, werden der Lorentz-Effekt und die Maxwell-Kraft erzeugt. Diese Kräfte bewirken, dass die natürlichen Schwingungsmodi der Wicklung und des Kerns in Resonanz geraten, wodurch Geräusche erzeugt werden.
Ein weiteres Beispiel sind Induktoren und Batterien, die aufgrund von Änderungen in internen elektrischen Feldern und Strömen ebenfalls Geräusche erzeugen können. Wenn die durch die Bewegung dieser Ladungen erzeugten Feldfluktuationen die Struktur des Materials weiter beeinflussen, entsteht ein nicht zu vernachlässigender Schall.
Interessanterweise hat die Forschung zu diesem Phänomen durch Nobelpreisträger mit der Entwicklung der Elektrotechnik immer mehr Aufmerksamkeit erhalten, und viele Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, dieses Rauschen zu reduzieren.
Um dieses elektromagnetische Rauschen zu reduzieren, können verschiedene technische Maßnahmen eingesetzt werden. Die erste betrifft Designüberlegungen, wie z. B. die Wahl eines geeigneten Wicklungsdesigns und die Verwendung spezieller Materialien und Strukturen, um die Möglichkeit von Vibrationen zu reduzieren. Darüber hinaus können bei einigen bedeutenden elektromagnetischen Rauschphänomenen, wie z. B. „Spulenrauschen“, Maßnahmen zur Verstärkung der Komponenten während des Herstellungsprozesses ergriffen werden, wie z. B. das Hinzufügen von Klebstoffen, um die Schallerzeugung im Laufe der Zeit zu reduzieren.
Motorendesigner und Ingenieure sind ständig auf der Suche nach den besten Lösungen. Beispielsweise können unterschiedliche Nut-/Pol-Kombinationsdesigns mechanische Resonanzen wirksam reduzieren. Durch die Änderung der aktuellen Bedingungen, beispielsweise durch den Einsatz der Spread-Spectrum-Modulationstechnologie, kann das Rauschen ebenfalls bis zu einem gewissen Grad reduziert werden.
Die Entwicklung dieser Forschung gibt uns Hoffnung auf leisere elektrische Geräte in der Zukunft. Für normale Benutzer ist dies jedoch immer noch ein Thema, über das man nachdenken sollte: Können wir die Auswirkungen dieses Lärms vollständig beseitigen?
Aber wie wir wissen, hängt die Entstehung dieses Lärms nicht nur vom Design ab, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit der Betriebsumgebung. Unter realen Betriebsbedingungen können Maschinenunwucht, Verschleiß von Teilen und sogar Störungen durch die äußere Umgebung die Lautstärke und Tonhöhe elektromagnetischer Geräusche beeinflussen.
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie erforschen Ingenieure neue Materialien und Technologien in der Hoffnung, das Auftreten dieser elektromagnetischen Störungen weiter zu reduzieren. Gleichzeitig kann das Verständnis der Hintergründe dieser Technologien für Verbraucher dazu beitragen, fundiertere Entscheidungen zu treffen. Können wir in Zukunft mit einer ruhigeren Arbeitsumgebung rechnen oder werden diese elektromagnetischen Geräusche ein fester Bestandteil unseres Lebens werden?
