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Sorgenti sonore sorprendenti: sapete come producono rumore gli induttori e i trasformatori?
Nella nostra vita quotidiana, spesso sentiamo ronzii o sibili provenienti dagli elettrodomestici. Le fonti principali di questi suoni sono spesso induttori e trasformatori a cui non prestiamo molta attenzione. Questo fenomeno è chiamato rumore indotto elettromagneticamente ed è causato dalla vibrazione dei materiali sotto la stimolazione di forze elettromagnetiche. In questo articolo esploreremo il motivo per cui questi dispositivi emettono rumori e come spiegare questi suoni confusi.
Il rumore indotto elettromagneticamente è una vibrazione sonora significativa causata da materiali sottoposti a stimolazione elettromagnetica.
Il rumore indotto elettromagneticamente, spesso definito rumore di bobina, ha origine dai campi elettromagnetici creati quando gli elettrodomestici sono in funzione. Questi campi causano sottili vibrazioni nei materiali all'interno del dispositivo. Quando la frequenza di queste vibrazioni è compresa tra 20 Hz e 20 kHz, si forma un suono udibile. I principali produttori di questo suono sono apparecchiature come induttori, trasformatori e alcuni motori rotanti. Questo fenomeno acustico può essere visto come la controparte della microfonica, che descrive come le vibrazioni meccaniche o i suoni possano causare disturbi elettronici indesiderati.
Concetti di base del rumore elettromagnetico
La fonte delle forze elettromagnetiche risiede nell'esistenza dei campi elettromagnetici, che includono le forze causate dal tensore di stress di Maxwell, dalla magnetostrizione e dalla forza di Lorentz. Quando queste forze vengono trasferite tra diversi mezzi, provocano deformazioni nei materiali e producono vibrazioni e rumori diversi. Quando le frequenze naturali dei modi strutturali coincidono con le frequenze delle forze elettromagnetiche esterne, queste vibrazioni vengono amplificate, producendo suoni più forti. In parole povere, questo suono è la risonanza del materiale causata dalle variazioni dei campi elettrici e magnetici.
Rumore elettromagnetico nei motori
In un motore elettrico, le forze elettromagnetiche provocano variazioni di coppia, che a loro volta provocano vibrazioni torsionali nel rotore e nello statore. Soprattutto nelle macchine sincrone a magneti permanenti, la "coppia di cogging" rappresenta una variazione significativa che provoca rumore strutturale. L'entità e la gravità di questo rumore dipendono spesso dalla progettazione del dispositivo, dalle sue condizioni di funzionamento e dalle proprietà dei materiali.
Il rumore trasmesso dalla struttura ha origine dalla diffusione delle vibrazioni dell'asse del rotore. Quando queste vibrazioni influenzano il telaio e l'asse, viene generato ulteriore rumore.
Caratteristiche acustiche di induttori e trasformatori
In un induttore, l'energia elettromagnetica viene immagazzinata nell'intercapedine d'aria del circuito magnetico e il rumore causato è strettamente correlato al materiale dell'intercapedine d'aria e alla geometria del circuito magnetico. Lo stesso vale per i trasformatori, in cui la magnetostrizione negli avvolgimenti e nel nucleo laminato può causare vibrazioni e rumore quando cambia il carico. I condensatori possono immagazzinare tensione e anche produrre effetti elettroacustici quando la tensione è instabile. Questo è chiamato effetto "condensatore cantante", e tutto ciò che porta è sorprendente.
Metodi per ridurre il rumore elettromagnetico
Le tecniche per ridurre il rumore e le vibrazioni elettromagnetiche includono in particolare miglioramenti della progettazione, come la selezione di combinazioni appropriate di slot/poli e di progetti di avvolgimento, evitando la risonanza e aumentando le proprietà di smorzamento dei materiali. Inoltre, modifiche a dispositivi specifici, come l'aggiunta di uno strato di colla a un televisore, possono ridurre efficacemente il "rumore della bobina". Queste semplici soluzioni possono spesso migliorare significativamente l'esperienza dell'utente.
I miglioramenti nella progettazione acustica si sono concentrati sulla riduzione dell'intensità dell'eccitazione elettromagnetica e dell'intensità della risposta strutturale per ridurre il rumore.
Esempi sperimentali e simulazioni digitali
Per comprendere il funzionamento del rumore elettromagnetico, è utile effettuare esperimenti o simulazioni numeriche. Esempi di diversi effetti acustici osservati spostando un campo magnetico CC o applicando una corrente a frequenza variabile non solo migliorano la nostra comprensione della generazione del rumore, ma anche del modo in cui questi fenomeni si verificano quando viene applicata la corretta teoria fisica.
Che si tratti di apparecchiature statiche o rotanti, l'esistenza del rumore elettromagnetico è un argomento vasto e complesso. Studiare e comprendere i suoni prodotti da questi dispositivi può aiutarci non solo a migliorare l'efficienza nella progettazione motoria, ma anche a migliorare l'esperienza di utilizzo di vari prodotti nella vita quotidiana. Ma come influenzeranno questi fenomeni la progettazione futura degli elettrodomestici e il loro utilizzo?
