Элементы применяемые в фильтрах акустических систем (колонок) и о принципах их работы.

Эта статья об электрических элементах применяемых в фильтрах акустики. Статья является базовой для проектирования, изготовления и использовании многополосной акустики не только для автомобиля, но и в домашних условиях. Здесь не будут приведены расчеты, а будут приведены основные принципы, которые должны быть реализованы в акустике с несколькими динамиками. 

При конструировании звуковоспроизводящего комплекса (головное устройство – усилитель – акустика) для воспроизведения мы неизбежно сталкиваемся с согласующими связями между компонентами системы. Часто данные связующие элементы требуют не только элементарного подключения, но и выполнения определенных условий связанных с характеристиками работы оборудования. 
Фильтры акустических систем это не бесполезные блок – схемы без которых можно обойтись, это прежде всего грамотное использование имеющегося оборудования для достижения оптимальных условий работы, звуковоспроизведения.

 
Любой динамик на сколько он не был бы совершенен не в состоянии воспроизвести с равномерной характеристикой (воспроизведения – уровень сигнала) весь диапазон частот воспринимаемый ухом человека. Как правило, ко всем динамикам прилагается амплитудно – частотная характеристика (Рисунок 1) именно она отражает насколько динамик равномерно (можно сказать правильно) воспроизводит свои рабочие частоты. Идеальной характеристикой является равномерный уровень звукового давления на всем диапазоне рабочих воспроизводимых частот динамика (красная линия).

Рисунок 1.

Для того чтобы воспроизвести качественно весь диапазон частот, воспринимаемый ухом человека (16-20 000 Гц) применяют многополосные системы (несколько динамиков). В этом случае каждый динамик отвечает за свою частоту. (Рисунок 2)

Рисунок 2.

Именно в ограниченных возможностях воспроизведения частот динамиками и проявляется негативное влияние отсутствия фильтров. В случае когда на динамики поступает весь диапазон частот это приводит к тому, что у акустической системы не появляются дополнительные прибавки по частотам воспроизведения, а фактически приводит к зашумлению – воспроизведению неравномерной АЧХ (амплитудно-частотной характеристики).

Кроме того при воспроизведении не рабочего диапазона динамик зачастую воспроизводит и собственную резонансную частоту, которую производители при проектировании и изготовлении конструкции динамика стараются максимально отнести от диапазона рабочих частот воспроизведения.
Теперь после описания целей и назначения применения фильтров для акустических систем (динамиков, колонок) необходимо более подробно рассказать и о том, как же ограничивают определенные частоты для каждого конкретного динамика.

Индуктивность (катушка) или влияние индуктивности на диапазон пропускания частот при изготовлении многополосных АС

 Для начала описания принципов работы катушки индуктивности необходимо еще раз освежить наши знания по физики о процессах связанных с магнитным полем. Что за физическая субстанция магнитное поле до настоящего времени является неразрешимым определением, но что вызывает магнитное поле и что оно вызывает собой, поддается объяснению и логическому анализу.

Магнитное поле образуется вокруг проводника, по которому течет ток. Также верно и обратное утверждение, когда ток образуется в проводнике движущемся в магнитном поле, например постоянного магнита. При этом магнитное поле в зависимости от характера возбуждения постоянный ток или переменный ток также является постоянным или переменным. При этом наблюдается интересная зависимость, когда сила магнитного поля зависит от времени изменения тока в проводнике. То есть при мгновенном изменении тока (например, замыкание контура через выключатель) магнитное поле стремится к бесконечности, тем самым наводя обратно на проводник гораздо более сильный ток, относительно первоначального. Такой ток называется индукционным. Магнитное поле и ток неотделимы друг от друга, изменение одного из этих параметров влечет за собой пропорциональное изменение другого. 
 На основании аксиом предыдущего абзаца можно понять и принцип пропускания частот катушкой индуктивности. В частности получается следующая ситуация. Катушка является проводником и при прохождении тока (переменного тока от усилителя) вокруг проводника наводится магнитное поле, при этом это же магнитное поле влияет и на ток в проводнике. Чем более быстро будет меняться ток в проводнике, тем более существенное влияние на него окажет магнитное поле, так как оно фактически является «памятью» предыдущего уровня тока. В этой ситуации получается минимальное сопротивление для тока с незначительным изменением уровня относительно промежутка времени, то есть фактически с низкой частотой. 
Катушка индуктивности пропускает низкие частоты и соответственно является сопротивлением для высоких частот, именно это свойство и используется в фильтрах акустических систем для ограничения полосы пропускаемости. Естественно данной полосой пропускаемости можно управлять, устанавливая определенные параметры для катушки индуктивности (плотность намотки витков, количество витков, сердечник и т.д.)

Конденсатор (емкость) или влияние конденсатора на диапазон пропускания частот при изготовлении многополосных АС

 Свойства конденсатора заключаются в возможности накапливать электрический потенциал. Во время пока конденсатора заряжается, в его проводниках течет ток. Ток не проходит через конденсатор, он течет на пластины конденсатора, когда пластины не в состоянии будут принимать больший заряд, ток соответственно пропадет. 
Более подробно о строении конденсатора можно посмотреть в статье « Подключение конденсатора (емкости) к автомагнитоле, сабвуферу, усилителю в автомобиле.»

 В результате данного свойства можно логически построить следующую картину происходящего. При высокой частоте переменного тока (ВЧ от усилителя) конденсатор не успевает зарядиться полностью и условно говоря проводит ток. При этом низкие частоты имеют более длинный полупериод волны, тем самым успевая заряжать конденсатор и в конечном итоге приводя к тому, что ток прекращает течь в проводниках конденсатора.
Соответственно можно сделать вывод о том, что конденсатор является сопротивлением для низких частот. Как и в предыдущем выводе с катушкой индуктивности данной полосой пропускаемости можно управлять, устанавливая определенные параметры для конденсатора индуктивности (площадь пластин, расстояние между ними и т. д.)

Теперь зная данные основы Вы конечно не сможете точно рассчитать какой именно состав элементов будет необходим для пропускания определенной звуковой частоты, но при последующем рассмотрении принципиальной электрической схемы будете представлять, что и главное зачем установлено в фильтрах для акустических систем.

Модернизация АС 35АС-012 S-90 Часть 4

В разработке пассивных разделительных фильтров важную роль играет их конструкция, а также выбор типа конкретных элементов – катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов. В частности, большое влияние на характеристики АС с фильтрами оказывает взаимное размещение катушек индуктивности. При неудачном расположении, вследствие взаимной связи, возможны наводки сигнала между близко расположенными катушками.

Связи катушек. Катушки индуктивности являются одним из важнейших компонентов пассивных разделительных фильтров.  В настоящее время многие зарубежные фирмы применяют катушки индуктивности на сердечниках из магнитных материалов, обеспечивающий большой динамический диапазон, низкий уровень нелинейных искажений и малых габаритов. Однако конструирование катушек с магнитными сердечниками связано с применением специальных материалов, поэтому многие разработчики применяют катушки с воздушным сердечником, основные недостатки которых – большие габариты при условии малых потерь (особенно в фильтре низкочастотного канала), а также большой расход меди; достоинства – пренебрежимо малые нелинейные искажения [1]. Конфигурация цилиндрической катушки с воздушным сердечником изображена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция цилиндрической катушки индуктивности с воздушным сердечником:  D – средний диаметр катушки;  d – внутренний диаметр катушки; b – высота намотки; h – ширина намотки; O – геометрический центр.

 

Вокруг катушки, через которую протекает переменный электрический ток, образуется переменное магнитное поле. Если рядом с такой катушкой установить еще одну катушку, то часть силовых линий магнитного поля  первой катушки попадут на витки второй катушки, пересекая их. Чем ближе катушки друг к другу, тем больше пересечений силовых линий с витками катушки. В результате на второй катушке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), то есть на выводах второй катушки появиться переменное напряжение. Связь близко расположенных катушек можно проследить с помощью доступных подручных устройств – генератора звуковой частоты и мультимера, используя схему на рис. 2. Одну из катушек  (L1)  присоединяют к генератору, другую (L2) к мультимеру, включенного в режиме вольтметра.  В качестве генератора используют персональный компьютер с соответствующей программой  и усилитель НЧ.  Катушку L1 к усилителю следует подключать через резистор R1. Суммарное сопротивление резистора и катушки индуктивности должно соответствовать выходному сопротивлению усилителя. Генератор подает на катушку  L1 сигнал нужной частоты и амплитуды  (измеряют вольтметром в точках А, Б на схеме). Наводящуюся на катушке L2 ЭДС показывает мультимер. Величина показаний меняется в зависимости от удаленности катушек и их взаимного расположения. Если вместо мультимера подключить динамик, то ЭДС индукции катушки L2 можно еще и услышать.  

Рис. 2. Схема измерения ЭДС индукции катушки

 

Результаты тестирования при различных взаимных положениях катушек индуктивности L1 1,8 мГн подключенной к генератору, и катушки L2 0,43 мГн, подключенной к мультимеру, отображены в таблице 1. 

Таблица 1. Зависимость величины ЭДС индукции от взаимного расположения катушек 

Параметры сигнала, подаваемого на катушку L1		Взаимное расположение цилиндрических катушек индуктивности с воздушным сердечником
		1				2				3				4
		Расстояние между катушками, см
		0	1	5	10	0	1	5	10	0	1	5	10	0	1	5	10
U, В	Частота, Гц	ЭДС индукции катушки L2, мВ
10	100	550	250	50	12	85	47	10	4	25	11	3	0	4	0	0	0
	500	1166	630	110	25	155	100	22	7	60	33	5	2	19	4	2	0
	1000	1250	705	140	28	180	103	23	8	85	49	12	2	12	4	0	0
	5000	1269	784	215	29	188	103	23	7	68	49	6	0	8	4	0	0
	10000	1075	503	110	18	141	81	18	3	68	34	0	0	6	0	0	0

Как видно из таблицы, самым верным взаимным расположением катушек является позиция 4 – ортогонально цилиндрическими (боковыми) поверхностями. Немного худший результат показало размещение катушек в позиции 3 – взаимноперпендикулярное. В позиции 2 надлежит размещать катушки не ближе 100 мм, а в позиции 1 – более 100 мм. Следует заметить, что в позиции 3 измерения проводились при положении геометрического центра O  катушки I  на оси симметрии катушки II. При смещении центра с оси ЭДС значительно возрастает и достигает своего максимума, когда проекция центра катушки I находится на линии среднего диаметра D (рис. 1) катушки II. В остальных случаях увеличение ЭДС в результате смешений катушек не прослеживается, а наоборот – уменьшается.  Величина индуцированной ЭДС зависит от числа силовых линий, пересекаемых витки катушки.   

Исходя из полученных данных, проект платы будущего фильтра для акустической системы начинают с выбора взаимного расположения катушек индуктивности.  Если в фильтре две катушки, все просто, располагают в положении 4. Но если больше, 5, 6 катушек, необходимо подходить комплексно. Правильно подбирать не только взаимное положение катушек, но расстояния между ними.  

Платы. Реализация схемы фильтра модернизированной акустической системы 35АС-012 “S-90”, приведенной на рис. 14 во второй части статьи, оказалась весьма затруднительной на родной фанерной плате из-за  недостатка места для новых компонентов. Поэтому изготавливают новую плату большего размера на фольгированом стеклотекстолите. Это позволит поместить  катушки индуктивности с минимальным взаимным влиянием, упорядочить монтаж  других компонентов, избавиться от большого количества соединительных проводов и перемычек, что, в свою очередь,  облегчит работы по подключению, обслуживанию и ремонту фильтра в будущем.

Наиболее подходящее в корпусе АС место для основания фильтра – внутренняя нижняя плоскость. На ней помещается плата размерами 205х195 мм.  Именно таких размеров вырезают заготовку для основной печатной платы – рис. 3,а. Конструкция имеет еще одну, дополнительную, плату, размерами 155х90 мм – рис. 3,б. На основной плате располагаются печатные проводники СЧ и ВЧ звеньев фильтра, на дополнительной – НЧ звена. Подготовку рисунка печатного монтажа выполняют на компьютере, оснащенном специальной программой Sprint-Layout. Каких-нибудь особых требований к плате не предъявляется: проводники должны быть максимально короткими и широкими; не допускают изгибов токопроводящих дорожек под прямым углом; элементы схемы с условным обозначением “общий провод” соединяют в одном месте. После ориентирования катушек, определяются с другими компонентами – конденсаторами, резисторами. Для удобства подключения фильтра предусматривают места и под ножевые клеммы. При проектировании в программе используют опцию двухсторонней печатной платы, т. е. на одном рисунке размещают проекты основной и дополнительной плат. Оба рисунки отдельно распечатывают на лазерном принтере на мелованной бумаге или глянцевой для принтерной фотопечати. Для основной платы рисунок должен быть в зеркальном изображении. 

На металлизированные стороны заготовок, предварительно отшлифованные наждачной бумагой нулевой зернистости, прикладывают рисунки и переводят с помощью утюга. После бумагу отмачивают. Платы готовы к травлению. Для травления площади в 100 см2  наиболее пригодный для бытовых условий раствор: 100 мл трехпроцентного раствора перекиси водорода, 50 – 75 г лимонной кислоты, 15 г поваренной соли. После травления удаляют принтерный тонер, сверлят отверстия, тщательно облуживают проводники.  Если есть возможность изготовить платы более прогрессивным способом, воспользуйтесь им.
Правильно изготовленные платы должны накладываться друг на друга, свободными от проводников поверхностями, как показано на рисунке 3,в. 

а

 

б

 

в

 

г

 

д

 

Рис. 3. Печатные платы фильтра АС: а – основная; б – дополнительная; в – взаимное расположение; г – размещение элементов на основной плате; д – размещение элементов на дополнительной плате. Условные обозначения: Jmp1 – к контакту 9 делителя; Jmp2 – к отрицательному проводу СЧ головки; Jmp3 – к контакту 1 делителя; Jmp4 – к отрицательному проводу ВЧ головки; Jmp5 – к положительным проводам СЧ и ВЧ головок, отрицательной клемме К4; Jmp6 – к отрицательному проводу НЧ головки; Jmp7 – к положительной клемме К1; Jmp7 – к положительному проводу НЧ головки, отрицательной клемме К2; R” – резистор включенный в точке А.  

 

Монтаж. Катушки индуктивности (рис. 4) следует осмотреть и, по возможности, провести измерения индуктивности. При обнаружении плохой плотности намотки или большого несоответствия фактической величины индуктивности с заявленной, катушки перематывают. Конструкция каркасов катушек индуктивности СЧ, ВЧ звеньев имеет отверстие для крепления в центре одного из оснований. Винт или шуруп из магнитного материала, по сути, являющийся сердечником, увеличивает ее индуктивность на 2…3 мГн, а из немагнитного (латуни) – наоборот, снижает. Поэтому применение таких крепежных элементов дает положительный эффект, если  реальная величина индуктивности катушки на 2…3 мГн меньше (больше) указанной в схеме. А вообще не рекомендуется крепить такие катушки на металлические винты. Намоточные данные катушек индуктивности фильтра “S-90” от завода изготовителя приведены в таблице 2 [27]. 

Рис. 4. Катушки индуктивности фильтра АС.

 

Схема дополнена катушками номиналами 0,22 мГн и 0,43 мГн. Их рассчитывают исходя из размеров каркаса и толщины обмоточного провода. Для расчета катушек существует много программ. Из практики известно, не каждая программа дает верный результат. Следует наматывать на 5-10 витков больше расчетных. После чего заданный номинал катушки устанавливают отматыванием витков, подвергая ее измерениям. Измерять индуктивность с помощью приставок к мультимерам не желательно. В них не учитывается сопротивление катушки, как результат – большая погрешность в измерениях. Относительно точно рассчитать катушку можно с помощью компьютерной программы CoilCalc 1.02b.

Таблица 2. Намоточные данные катушек фильтров 35АС-012. 

Катушка	Индуктивность, мГн	Число витков	Провод	Внутренний диаметр намотки, мм	Длина каждого слоя, мм
L1	2,1	235	ПЭВ-1 1,12	40	28
L2	0,23	145	ПЭВ-1 0,63	15	18. 5
L3	1,67	350	ПЭВ-1 0,63	15	18.5
L4	0,55	215	ПЭВ-1 0,63	15	18.5

Конденсаторы и резисторы поддают измерениям их номиналов, поскольку они имеют некий допустимый разброс параметров. По результатам замеров их сортируют на близкие по характеристикам пары.  Каждую пару разбивают на две группы предельно подобранные по номиналам для одного и второго фильтра. Результирующие схемы двух фильтров должны быть максимально похожи друг на друга.

С выводов конденсаторов МГБО-2 отпаивают подводящие лепестки – рис. 5,а. Затем закрепляют их на основной плате. Сверху прикладывают дополнительную плату, продевая выводами через отверстия – рис. 5,б. Обе платы скрепляют резьбовыми шпильками или муфтами – рис. 5,в. Резьбовое соединение должно жестко соединять обе платы и обеспечивать зазор между ними 55,5 мм – расстояние от стеклянного изолятора конденсатора до его нижнего габарита.

а

 

б

 

в

 

Рис. 5. Монтаж конденсаторов МБГО-2: а – отпаивание подводящего лепестка; б – размещение на плате; в – резьбовая шпилька.

 

Все конденсаторы для СЧ и ВЧ звеньев фильтра устанавливают лавсановые серии К73-16 рабочим напряжением 160 и 250 В. Стандартами предусмотрены определенные ряды значений номиналов радиоэлементов (конденсаторов, резисторов), не всегда совпадающие с указанными в схеме.  Конденсаторы К73-16 с рабочим напряжением 250В выпускаются наибольшей емкостью 10 мкФ, а рабочем напряжением 160В – 6,8 мкФ. Наиболее близкий к 4 мкФ – 3,9, к 6,6 мкФ – 6,8, и т. д. Поэтому, для набора необходимой емкости конденсаторы собирают в параллель. Например: 30 мкФ – три  по 10 мкФ; 6,6 мкФ – три по 2,2 мкФ; 4 мкФ – 2,2 мкФ и 1,8 мкФ. При параллельном соединении конденсаторов снижается такой важный параметр как эквивалентное последовательное сопротивление.

Резисторы серии ПЭВ заменяют на С5-16В или, еще лучше, на ОСС5-16В, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего и импульсного тока напряжением до 300В, или несколькими параллельно или последовательно включенными пленочными (металлоокисными). Количество резисторов подбирают исходя из необходимой мощности рассеивания. Например, мощность рассеивания резистора R1 на 75 Ом определяют по формуле: Рр=U2/R, где Рр – мощность рассеивания резистора, U – подводимое напряжение, R – сопротивление резистора, 112/75 = 1,61 Вт. Рекомендуется устанавливать резисторы мощность в 1,5…2 раза выше расчетной. Поскольку звуковой сигнал носит импульсный характер, резистора мощностью на 2 Вт вполне достаточно. К примеру, в акустической системе 35АС-212 “S-90” установлен резистор R1 типа ОМЛТ номиналом 100 Ом и мощностью 2 Вт. Пленочные резисторы имеют гораздо меньшую паразитную индуктивность, сравнительно с ПЭВ и С5-16В, и более пригодны для применения в звуковых цепях. А если применять несколько параллельно включенных резисторов, паразитная индуктивность снижается в столько раз, сколько установлено резисторов. 

Элементы кроссовера работают в условиях воздействий вибраций и повышенного звукового давления. Во избежание возникновения призвуков, или еще хуже, отслаивания токопроводящих элементов платы, обламывания выводов массивных деталей, рекомендуется укреплять их на плате с помощью герметики, клея (силиконовый, акриловый), стяжек и т. п.  После сборки плату (рис. 6) осматривают, проверяют, винтовые соединения и дорожки покрывают цапон-лаком. Фильтр  устанавливают на предусмотренное место в корпусе АС. Монтажные провода закрепляют стяжками.

Рис. 6. Фильтр акустической системы 35АС-012 “S-90”

 

Литература  

27. Ласис Д. 35АС-013. Радио № 3 1985, №7, 1986.
28. Николаенко М. Настольная книга радиолюбителя конструктора. – М: ДМК Пресс, 2004.

Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина

K-69 Катушка для фильтра Акустической Системы

0.93$ 0.81 € 26.04 грн Цена указана за: 1 шт. На складе: да Минимальный заказ: 2 шт. Вес с упаковкой: 0.035 kg	Доставка по Украине: – от 1000 грн. – бесплатно! – оплата при получении Подробнее…   KS: +38(067)900-14-64 MTC: +38(066)02-453-02 MTC:  +7(980)306-50-43 Бесплатно со всех городских и мобильных телефонов: 0 800 750-150
Перезвонить Вам ?		☎ +38 (0432) 69 14 64 +38 (044) 384 14 64
Поделиться с друзьями:

• Все
• Описание
• Характеристики
• Рекомендуем
• Оставить отзыв
• Есть вопросы?

Описание

Катушка K-69 для фильтров (кроссоверов) Акустических Систем

Катушка K-69 рекомендована для самостоятельного изготовления катушек индуктивности пассивных фильтров (кроссоверов) Акустических Систем.

 

Если вы являетесь производителем акустических систем или просто собираете акустику напишите нам и мы предложим вам выгодные условия сотрудничества.    

 

Купить Катушку K-69 для фильтра Акустической Системы компании “ГОРН” – Якубович вы всегда сможете на сайте AudioSila. Звоните прямо сейчас! +38(044)3841464

Характеристики

Отзывы

К товару нет отзывов

Возможно вы уже используете K-69 Катушка для фильтра Акустической Системы поделитесь своим искренним отзывом ниже. Спасибо.

Взаимное влияние катушек в фильтрах акустических систем

Я давно удивлялся тому, что катушки для фильтров колонок делают короткими и большого диаметра. Это технологично, но короткие катушки большого диаметра гораздо чувствительнее к помехам, чем длинные маленького диаметра. Вот пример хорошо сделанных катушек в качественных колонках:

И обратный пример катушек большого диаметра (во всех этих случаях катушка получается не оптимальной по активному сопротивлению, но если в первом случае есть оправдание — лучшая помехозащищенность, то во втором оправданий никаких нет):

Причем катушки на правом фото (наихудшие) работают как приемники всего на свете и расположены наихудшим образом. Самое пикантное, что это изделие одной российской аудиофильской фирмы, при этом неправильные конструкция и расположение катушек компенсируются стрелочками на проводах.

На рис.1 показана силовая линия магнитного поля помехи (В). Если поле проходит сквозь виток (рис. 1а), то в нем наводится ЭДС. Если силовая линия сквозь виток не проходит (рис. 1б), то оно на виток и не воздействует. В случае короткой катушки, помеха воздействует на все витки (рис.1в), если же катушка длинная (рис.1 г), то поле воздействует лишь на небольшую часть витков, и это воздействие тем меньше, чем меньше диаметр катушки.

Но это было не настолько веской причиной, чтобы про это писать. Тем более, что передача помех по воздуху на звуковых частотах довольно слаба.

Не так давно мне понадобилось послушать звучание ВЧ динамиков. Я собрал LC-фильтр, подключил на «крокодилах» динамик, подал сигнал с компьютерного усилителя (рис.2). Чтобы колонки не мешали, я вынул по одному проводу из их терминалов.

Подключил один динамик, послушал. Отсоединил, взял второй, начал подключать… Наклонился над схемой и вдруг услышал, что колонка играет!!! Хоть и очень-очень тихо. Причем оба ее динамика: и ВЧ, и НЧ! Первой моей мыслью было — наверное отсоединенный провод слегка касается самореза терминала, тот в свою очередь где-то внутри колонки касается деталей кроссовера, вот сигнал и проходит. Проверил: ничего подобного. Отсоединил от колонки и второй провод. Звук остался!

Причина была такая: магнитное поле, создаваемое катушкой моего «настольного» фильтра наводило в колонку сигнал, достаточный для ее очень тихого, но звучания. Изменяя положение катушки, я изменял и громкость звучания колонки.

Но на что же именно в колонке влияет магнитное поле катушки? Непосредственно на динамики магнитное поле влияет очень слабо — при поднесении катушки прямо к динамику, а динамика — прямо к уху, звук еле-еле слышно. Причем независимо от того — экранированный динамик, или нет. Значит, наводка идет на катушки кроссовера (в этой колонке их две — на ВЧ и на НЧ).

Для проверки этой гипотезы, я взял две катушки (из старого кроссовера, поэтому они не очень красиво выглядят, но зато работают — отлично!) индуктивностью примерно по 500 мкГн (рис.3).

Рис. 3. Катушки для эксперимента.

Одну из них через резистор 6 Ом подключил к тому же компьютерному усилителю, а вторую катушку — к динамику (рис. 4).

Рис. 4. Звуковоспроизведение через связь между катушками.

Результат: при работе усилителя на полную мощность и расстоянии между катушками 1 см (спичечный коробок), динамик играл довольно даже громко — 64 дБ на расстоянии 0,5 метра! Я делаю такую громкость, когда хочу слышать звуки Винды и программ (например некоторых игр), но чтобы они мне не мешали.

Конечно, такое положение катушек наиболее неоптимальное, но тем не менее, выходит, что взаимное влияние катушек прямо-таки сразу отбрасывать не стОит. Давайте проверим, как катушки влияют друг на друга. Нечто подобное делал Дуглас Селф, но он исследовал катушки, включаемые на выходе усилителя, а они — мелочь по сравнению с катушками кроссоверов. Кроме того, Селф исследовал катушки на холостом ходу, а в реальности к ним подключены динамики, что вызывает уменьшение наводимого напряжения. Кроме того, я попробовал обобщить все это дело, чтобы можно было оценить наводки в любых ситуациях.

Я пропускал через одну катушку ток 1 ампер на частоте 10 кГц. А вторую располагал определенным образом относительно первой и измерял наведенную в ней ЭДС (все величины — действующие значения). Измерения проводились и на холостом ходу, и под нагрузкой 8 Ом (нагрузка подключалась параллельно катушке-приемнику). На графиках приведена как абсолютная ЭДС, наводимая в катушке-приемнике, так и относительная в дБ — относительно напряжения 8 Вольт, требуемого для получения тока 1 Ампер.

Итак (расстояние измерялось непосредственно между обмотками катушек), это расположение — самое плохое:

Второй вариант лучше:

Еще вариант — примерно то же самое (но тут геометрия катушек влияет на результат гораздо сильнее, чем в предыдущем случае):

Такое расположение — еще чуть-чуть лучше:

Самое лучшее расположение — симметричное. В идеале наводок вообще никаких не должно быть (наводки на обе половины катушки одинаковы и противоположны, поэтому вычитаются до нуля)! Но в реальности абсолютной симметрии катушек получить не удается. Более того, небольшой сдвиг катушки в сторону резко нарушает эту самую симметрию, поэтому мне пришлось сделать направляющие и перемещать катушку вдоль них — при малейшем сдвиге в сторону напряжение в катушке-приемнике резко возрастало.

В принципе, если катушки несимметричны, то можно добиться их почти абсолютного взаимного невлияния, расположив их также немного несимметрично. Т.е. если немного поколдовать. Но там уже начинает сказываться влияние отдельных проводков, идущих к катушкам.

На всех этих графиках линии, показывающие амплитуду в дБ, должны быть прямыми. Их отклонение от прямой — погрешность эксперимента, в основном она вызвана некоторым смещением катушек от заданного взаимного положения и неточностью установки (или измерения) расстояния Х.

Теперь повторим опыт №1 (рис. 5), но на частоте 1 кГц:

Результаты предсказуемые. Во-первых, амплитуда на хх уменьшилась пропорционально частоте, то есть на порядок (с учетом погрешности). Во-вторых, разница между напряжением на хх и под нагрузкой также уменьшилась. Поясню этот второй факт. Система из двух катушек образует трансформатор (с воздушным сердечником). Полная Т-образная схема замещения трансформатора нас сейчас не интересует, а упрощенно (и главное) получается вот что:

Здесь М — взаимоиндуктивность катушек. Из схемы замещения трансформатора остается только XL связи (т.к. активное сопротивление катушек очень мало, а поперечная ветвь вообще нам не нужна). Lсвязи = const при неизменном взаимном положении, а его индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте. На высоких частотах это сопротивление больше, больше и падение напряжения на нем при протекании тока, больше и просадка напряжения под нагрузкой.

Пока что физика на нашей стороне: на низких частотах меньше наведенная ЭДС, на высоких ЭДС больше, но больше и просадка напряжения под нагрузкой — в любом случае нагруженные катушки имеют меньшее напряжение наводок.

Рассчитать параметры схемы замещения можно по формулам:

Здесь f — частота, I — ток, М — взаимная индуктивность катушек. Все величины в Вольтах, Амперах, Генри, Герцах. Вот только взаимную индуктивность теоретически рассчитать не представляется возможным. Зато можно измерить: через одну катушку пропустить переменный ток, а в другой померять напряжение на холостом ходу, и из формулы (1) рис.12.

Менее точно (но с достаточной точностью) можно определить взаимную индуктивность М из моих опытов. Для этого мне нужно было отрешиться от индуктивности моих катушек и определить коэффициент индуктивной связи К между ними. Вот графики, соответствующие взаимным расположениям, показанным на рисунках 5-9:

Для определения взаимной индуктивности М в произвольном случае, нужно коэффициент связи К, взятый из графика, умножить на корень из произведения индуктивностей обеих катушек. Вот формула для определения М:

Вот пример расчета для 1-й позиции (рис. 5), тока 1 Ампер, расстояния между катушками 1 см и индуктивностью каждой L1=L2=500 мкГн:

Как видно, Енаведенное совпадает с измеренной ЭДС на холостом ходу. На частоте 10 кГц Lсвязи имеет сопротивление порядка 60 Ом, поэтому просадка напряжения под нагрузкой большая.

Для учета формы катушки (вспомним, с чего все началось: катушка может быть тонкой и длинной, или короткой большого диаметра), при вычислении взаимной индуктивности можно воспользоваться эмпирическим поправочным коэффициентом (очень-преочень грубым), равным квадратному корню из отношения диаметра катушки к ее длине (в одинаковых единицах, например, в сантиметрах):

В заключение хочется отметить, что все же взаимное влияние катушек весьма незначительно, и если не делать грубых ошибок, то оно вреда никакого и не принесет.

16.02.2009

Total Page Visits: 1821 – Today Page Visits: 2

Катушка индуктивности: устройство, принцип работы, назначение

Катушки индуктивности нашли широкое применение в электротехнике в качестве накопителей энергии, колебательных контуров, ограничения тока. Поэтому их можно встретить везде, начиная от портативной электроники, заканчивая подстанциями в виде гигантских реакторов. В этой статье мы расскажем, что это такое катушка индуктивности, а также какой у нее принцип работы и многое другое.

Определение и принцип действия

Катушка индуктивности — это катушка смотанного в спираль или другую форму изолированного проводника. Основные особенности и свойства: высокая индуктивность при низкой ёмкости и активном сопротивлении.

Она накапливает энергию в магнитном поле. На рисунке ниже вы видите её условное графическое обозначение на схеме (УГО) в разных видах и функциональных назначениях.

Она может быть с сердечником и без него. При этом с сердечником индуктивность будет в разы больше, чем если его нет. От материала, из которого изготовлен сердечник, также зависит величина индуктивности. Сердечник может быть сплошным или разомкнутым (с зазором).

Напомним один из законов коммутации:

Ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Это значит, что катушка индуктивности — это своего рода инерционный элемент в электрической цепи (реактивное сопротивление).

Давайте поговорим, как работает это устройство? Чем больше индуктивность, тем больше изменение тока будет отставать от изменения напряжения, а в цепях переменного тока — фаза тока отставать от фазы напряжения.

В этом и заключается принцип работы катушек индуктивности – накопление энергии и задерживание фронта нарастания тока в цепи.

Из этого же вытекает и следующий факт: при разрыве в цепи с высокой индуктивностью напряжение на ключе повышается и образуется дуга, если ключ полупроводниковый — происходит его пробой. Для борьбы с этим используются снабберные цепи, чаще всего из резистора и конденсатора, установленного параллельно ключу.

Виды и типы катушек

В зависимости от сферы применения и частоты цепи может отличаться конструкция катушки.

По частоте можно условно разделить на:

• Низкочастотные. Пример — дроссель люминесцентной лампы, трансформатор (каждая обмотка представляет собой катушку индуктивности), реактор, фильтры электромагнитных помех. Сердечники чаще всего выполняются из электротехнической стали, для цепей переменного тока из листов (шихтованный сердечник).
• Высокочастотные. Например, контурные катушки радиоприемников, катушки связи усилителей сигнала, накопительные и сглаживающие дроссели импульсных блоков питания. Их сердечник изготавливают обычно из феррита.

Конструкция отличается в зависимости от характеристик катушки, например, намотка может быть однослойной и многослойной, намотанной виток к витку или с шагом. Шаг между витками может быть постоянным или прогрессивным (изменяющимся по длине катушки). Способ намотки и конструкция влияют на конечные размеры изделия.

Отдельно стоит рассказать о том, как устроена катушка с переменной индуктивностью, их еще называют вариометры. На практике можно встретить разные решения:

• Сердечник может двигаться относительно обмотки.
• Две обмотки расположены на одном сердечнике и соединены последовательно, при их перемещении изменяется взаимоиндукция и индуктивная связь.
• Сами витки для настройки контура могут раздвигаться или сужаться приближаясь друг к другу (чем плотнее намотка — тем больше индуктивность).

И так далее. При этом подвижная часть называется ротором, а неподвижная — статором.

По способу намотки бывают также различными, например, фильтры со встречной намоткой подавляют помехи из сети, а намотанные в одну сторону (согласованная намотка) подавляют дифференциальные помехи.

Для чего нужны и какие бывают

В зависимости от того, где применяется катушка индуктивности и её функциональных особенностей, она может называться по-разному: дроссели, соленоиды и прочее. Давайте рассмотрим, какие бывают катушки индуктивности и их сферу применения.

Дроссели. Обычно так называются устройства для ограничения тока, область применения:

• В пускорегулирующей аппаратуре для розжига и питания газоразрядных ламп.
• Для фильтрации помех. В блоках питания — фильтр электромагнитных помех со сдвоенным дросселем на входе компьютерного БП, изображен на фото ниже. Также используется в акустической аппаратуре и прочем.
• Для фильтрации определенных частот или полосы частот, например, в акустических системах (для разделения частот по соответствующим динамикам).
• Основа в импульсных преобразователях — накопитель энергии.

Токоограничивающие реакторы — используются для ограничения токов короткого замыкания на ЛЭП.

Примечание: у дросселей и реакторов должно быть низкое активное сопротивление для уменьшения их нагрева и потерь.

Контурные катушки индуктивности. Используются в паре с конденсатором в колебательном контуре. Резонансная частота подбирается под частоту приема или передачи в радиосвязи. У них должна быть высокая добротность.

Вариометры. Как было сказано — это настраиваемые или переменные катушки индуктивности. Чаще всего используются в тех же колебательных контурах для точной настройки частоты резонанса.

Соленоид — так называется катушка, длина которой значительно больше диаметра. Таким образом внутри соленоида образуется равномерное магнитное поле. Чаще всего соленоиды используются для совершения механической работы — поступательного движения. Такие изделия называют еще электромагнитами.

Рассмотрим, где используются соленоиды.

Это может быть активатор замка в автомобиле, шток которого втягивается после подачи на соленоид напряжения, и звонок, и различные исполнительные электромеханические устройства типа клапанов, грузоподъёмные магниты на металлургических производствах.

В реле, контакторах и пускателях соленоид также выполняет функцию электромагнита для привода силовых контактов. Но в этом случае его чаще называют просто катушка или обмотка реле (пускателя, контактора соответственно), как выглядит, на примере малогабаритного реле вы видите ниже.

Рамочные и кольцевые антенны. Их назначение — передача радиосигнала. Используются в иммобилайзерах автомобилей, металлодетекторах и для беспроводной связи.

Индукционные нагреватели, тогда она называется индуктором, вместо сердечника помещают нагреваемое тело (обычно металл).

Основные параметры

К основным характеристикам катушки индуктивности можно отнести:

1. Индуктивность.
2. Силу тока (для подбора подходящего элемента при ремонте и проектировании это нужно учитывать).
3. Сопротивление потерь (в проводах, в сердечнике, в диэлектрике).
4. Добротность — отношение реактивного сопротивления к активному.
5. Паразитная емкость (емкость между витками, говоря простым языком).
6. Температурный коэффициент индуктивности — изменение индуктивности при нагреве или охлаждении элемента.
7. Температурный коэффициент добротности.

Маркировка

Для обозначения номинала катушки индуктивности используют буквенную или цветовую маркировку. Есть два вида буквенной маркировки.

1. Обозначение в микрогенри.
2. Обозначение набором букв и цифр. Буква r – используется вместо десятичной запятой, буква в конце обозначения обозначает допуск: D = ±0. 3 нГн; J = ±5%; К = ±10%; М = ±20%.

Цветовую маркировку можно распознать аналогично таковой на резисторах. Воспользуйтесь таблицей, чтобы расшифровать цветные полосы или кольца на элементе. Первое кольце иногда делают шире остальных.

На это мы и заканчиваем рассматривать, что собой представляет катушка индуктивности, из чего она состоит и зачем нужна. Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео по теме статьи:

Материалы по теме:

Автор: Алексей Бартош

Индуктивности без сердечника – Amping.ru Корпуса колонок и комплектующие АС

Индуктивность:

Выбрать опцию0,130 мГн0,150 мГн0,175 мГн0,210 мГн0,250 мГн0,270 мГн0,280 мГн0,300 мГн0,340 мГн0,350 мГн0,360 мГн0,380 мГн0,390 мГн0,420 мГн0,430 мГн0,470 мГн0,480 мГн0,490 мГн0,520 мГн0,580 мГн0,630 мГн0,680 мГн0,720 мГн0,790 мГн0,900 мГн1,00 мГн1,05 мГн1,10 мГн1,20 мГн1,40 мГн1,50 мГн1,70 мГн1,80 мГн2,00 мГн2,10 мГн2,30 мГн2,40 мГн2,70 мГн3,00 мГн3,40 мГн 0,130 мГн 0,150 мГн 0,175 мГн 0,210 мГн 0,250 мГн 0,270 мГн 0,280 мГн 0,300 мГн 0,340 мГн 0,350 мГн 0,360 мГн 0,380 мГн 0,390 мГн 0,420 мГн 0,430 мГн 0,470 мГн 0,480 мГн 0,490 мГн 0,520 мГн 0,580 мГн 0,630 мГн 0,680 мГн 0,720 мГн 0,790 мГн 0,900 мГн 1,00 мГн 1,05 мГн 1,10 мГн 1,20 мГн 1,40 мГн 1,50 мГн 1,70 мГн 1,80 мГн 2,00 мГн 2,10 мГн 2,30 мГн 2,40 мГн 2,70 мГн 3,00 мГн 3,40 мГн Очистить

для чего она нужна и как работает, параметры

Индукционная катушка — это дроссель или изолированный проводник. Используется электрический каркас, композитные вставки. При рассмотрении понятия необходимо изучить свойства, основные особенности катушки индуктивности.

Определение устройства

Катушка индуктивности — это устройство, которое обладает малой емкостью и значительным сопротивлением. Дроссель является отменным проводником электрического тока, учитывается высокий показатель инерционности. Устройства применяются в качестве свернутого изолированного проводника. Винтовые, спиральные модификации способны справляться с помехами, колебаниями в сети.

Индукционная катушка

Важно! Устройство работает в цепях переменного тока при низкой и высокой частоте.

Назначение и принцип действия

Специалисты задаются вопросом, зачем нужна токовая катушка индуктивности в цепи, и для этого необходимо разобраться в показателях. Коэффициент ЭДС (электродвижущая сила) показывает разницу между энергией и магнитным потоком. Устройства самоиндукции способны влиять на изменения в цепи. Чаще всего дроссели применяются в силовых установках. Они способны контролировать уровень напряжения, не допускают разрыва цепи.

Устройства самоиндукции

Также компоненты устанавливаются на пару с конденсаторами либо резисторами. Благодаря работе катушки фильтры находятся в безопасности. Теперь вызывает интерес, как включается индукционная катушка. Принцип работы построен на изоляции проводников. В конструкции используется электрический каркас с различным сечением. За счёт намоток обеспечивается распределение ёмкости на дросселе.

Интересно! Витки наматываются с определенным шагом, многое зависит от типа катушки.

Виды и типы

Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.

Устройства в радиотехнике

Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.

Низкочастотные

Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.

Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.

Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.

Низкочастотная катушка

Высокочастотные

Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.

Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.

Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.

Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.

Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.

Высокочастотная катушка

У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.

Основные технические параметры

Катушки индуктивности имеют следующие характеристики:

• добротность отклонения;
• эффективность;
• начальная индуктивность;
• температура;
• стабильность;
• предельная емкость;
• номинальная индуктивность.

Стабильность демонстрирует свойства устройства при изменении условий использования. Температура фиксируется вследствие различных причин. Многое зависит от размера каркаса. Когда температура уменьшается, индуктивность также снижается. Современные параметры — это цикличность, которая является отношением температуры к линейному расширению. Учитывается изменение в керамической основе плюс показатель плотности.

Температура отслеживается на горячей намотке. В этом плане хорошо себя показали многослойные дроссели с сердечником, которые сделаны из карбонильного железа. Ёмкость отображает количество витков катушки, берется в расчет количество секций и контуров. Высокочастотные модели считаются более емкостными и стабильными.

Емкостные катушки

Номинальная индуктивность — это параметр, который учитывает изменение размеров волны. Измерение происходит в микрогенрах. Если смотреть на формулу, учитывается количество витков, длина намотки, плюс диаметр катушки.

Маркировка

При рассмотрении катушек индуктивности оценивается цветовая и кодовая маркировка. Если смотреть на первые цифры, отображается показатель индуктивности. Далее учитывается параметр отклонения:

• Серебряный 0,01 мкГн, 10%.
• Золотой 0,1 мкГн, 5%.
• Черный 0,1мкГн, 20%.
• Коричневый 1,1 мкГн.
• Красный 2, 2 мкГн.
• Оранжевый 1 мкГн.
• Желтый 4 мкГн.
• Зеленый 5 мкГн.
• Голубой 6 мкГн.
• Фиолетовый 7мкГн.
• Серый 8 мкГн.
• Белый 9 мкГн.

Маркировка

В нестабильной цепи переменного электрического тока не обойтись без катушки индуктивности. Выше описаны основные типы изолированных проводников, продемонстрированы их параметры. Учитывается уровень частоты, а также свойства.

мер против акустического шума в силовых дросселях | Руководство по решению

Руководство по решению

Такие продукты, как ноутбуки и планшеты, смартфоны, телевизоры и автомобильные электронные устройства, иногда издают высокие звуки во время работы. Это явление, известное как «акустический шум», иногда вызывается пассивными компонентами, включая конденсаторы и катушки индуктивности. Механика акустического шума у ​​конденсаторов и катушек индуктивности различна, но акустический шум в катушках индуктивности особенно сложен, поскольку он включает в себя сочетание факторов.В этой статье представлены некоторые причины и эффективные меры против акустического шума в силовых индукторах, которые являются основными компонентами силовых цепей таких устройств, как преобразователи постоянного тока.

Содержание

Причины акустического шума в силовых индукторах

Такие факторы, как прерывистая работа, режимы с переменной частотой и изменения нагрузки, вызывают вибрации слышимых частот

Звуковые волны — это упругие волны, которые проходят через воздух и человек слышит в диапазоне частот от 20 до 20 кГц.Основные корпуса силовых индукторов DC-DC преобразователей вибрируют при протекании переменных токов и импульсных волн частот в слышимом диапазоне, что приводит к возникновению акустического шума, который иногда называют «завыванием катушки» (рис. 1).

Рисунок 1: Механика акустического шума в силовых индукторах

Силовые индукторы преобразователей постоянного тока являются одной из причин появления звуков и шумов наряду с повышением производительности электронных устройств. Преобразователи постоянного тока обеспечивают стабильные постоянные токи фиксированного напряжения путем создания импульсных токов из состояний ВКЛ/ВЫКЛ с помощью переключающих элементов и управления длительностью (шириной импульса) времени включения.Это известно как «ШИМ (широтно-импульсная модуляция)» и широко используется в качестве основного метода для преобразователей постоянного тока.

Однако частоты коммутации DC-DC преобразователей высокие, от нескольких сотен кГц до нескольких МГц, и колебания этих частот не слышны, так как звуки и шумы превышают слышимый человеком диапазон. Это оставляет вопрос о том, почему силовые катушки индуктивности преобразователей постоянного тока генерируют акустические шумы.

Существует несколько возможных причин, но одной из основных может быть то, что преобразователи постоянного тока работают с перерывами для экономии заряда батареи или переключение преобразователя постоянного тока с метода ШИМ на метод ЧИМ (импульсно-частотная модуляция) и работа режим переменной частоты. На рис. 2 показаны основные принципы метода PWM и метода PFM.

Рисунок 2: Метод ШИМ (широтно-импульсная модуляция) и метод ЧИМ (частотно-импульсная модуляция)

Акустический шум от прерывистой работы преобразователей постоянного тока, например, при ШИМ-управлении яркостью

Прерывистая работа преобразователей постоянного тока используется в таких областях, как функции автоматического затемнения подсветки жидкокристаллических дисплеев в мобильных устройствах, например, с целью экономии энергии.Это система, в которой срок службы батареи продлевается за счет автоматического уменьшения яркости подсветки в соответствии с освещенностью окружающей среды.
Существует несколько методов диммирования, но тот, который контролирует продолжительность периода, в течение которого светодиодный свет включается и выключается, известен как «ШИМ-диммирование». Система диммирования по методу ШИМ используется для подсветки таких устройств, как ноутбуки и планшетные ПК, из-за их преимуществ, включая минимальные изменения цветности из-за диммирования.

ШИМ-диммирование — это метод регулировки яркости путем прерывистой работы преобразователя постоянного тока на относительно низкой частоте около 200 Гц и повторения цикла включения-выключения.Яркость увеличивается, если время освещения увеличивается, и уменьшается, если оно сокращается. Во время прерывистой работы на частоте около 200 Гц мерцание подсветки очень слабое, что можно заметить глазами. Однако это слышимая частота, поэтому основной корпус силового индуктора, установленный на подложке, может вибрировать и генерировать акустический шум из-за воздействия протекающего тока при прерывистой работе.

Примечание: Коэффициент заполнения

В преобразователях постоянного тока отношение периода переключения (время включения + время выключения переключающих элементов) к времени включения называется «скважностью».В случае ШИМ-управления яркостью светодиодов время включения света / (время включения + время выключения света) является коэффициентом заполнения и указывает степень яркости.

Акустический шум от преобразователей постоянного тока в режиме переменной частоты

Преобразователи постоянного тока

, работающие по методу ШИМ, имеют высокий КПД 80–90% и более при нормальной работе. Однако эффективность значительно падает при низких уровнях нагрузки, например, в режиме ожидания. Коммутационные потери пропорциональны частоте.Таким образом, эффективность падает, поскольку возникают постоянные потери при переключении даже при низких уровнях нагрузки.

Чтобы устранить эту проблему, используется преобразователь постоянного тока, который автоматически переключается с метода ШИМ на метод ЧИМ при низких уровнях нагрузки. Метод PFM — это метод управления частотами коммутации в соответствии с уменьшением нагрузки при неизменном времени включения. Частота коммутации постепенно уменьшается, когда время выключения увеличивается, потому что время включения постоянно.Эффективность при низких уровнях нагрузки увеличивается при снижении частоты, поскольку потери при переключении пропорциональны частоте. Однако в мощном индукторе может быть акустический шум, если пониженная частота достигает диапазона примерно от 20 до 20 кГц, что является слышимой частотой.

Акустический шум, вызванный нагрузкой

Мобильные устройства, такие как портативные ПК, включают в себя различные формы энергосберегающих технологий для экономии заряда батареи, но иногда это является причиной акустического шума в катушках индуктивности.Например, процессоры портативных ПК имеют режим, который периодически изменяет токи потребления, чтобы сбалансировать как низкое энергопотребление, так и вычислительную мощность, но это может повлиять на дроссель мощности и вызвать акустический шум, если этот период соответствует слышимой частоте.

Примечание. Роль силовых катушек индуктивности в преобразователях постоянного тока

Катушки индуктивности обеспечивают плавное протекание постоянного тока, но они генерируют электродвижущую силу в направлении сдерживания изменений от самоиндуцированных эффектов и ведут себя как сопротивление, когда речь идет о изменяющихся токах, таких как переменные токи. Это когда катушки индуктивности преобразуют электрическую энергию в магнитную энергию и сохраняют ее, или превращают ее в электрическую энергию и излучают ее. Величина этой энергии пропорциональна значениям индуктивности катушек индуктивности.
Силовые катушки индуктивности, также известные как силовые катушки или силовые дроссели, являются основными компонентами, используемыми в силовых цепях, работающих по методу переключения в таких устройствах, как преобразователи постоянного тока, и они играют роль сглаживания высокочастотных импульсов, создаваемых ВКЛ. /OFF состояния переключающих элементов посредством согласования с конденсаторами.
В силовых индукторах силовых цепей протекают большие токи, поэтому типы обмоток являются основными. Высокие значения индуктивности и меньшие размеры могут быть достигнуты при меньшем числе витков за счет использования в сердечниках магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью (ферриты и магнитомягкие металлы). На рис. 3 показана базовая схема преобразователей постоянного тока (неизолированный тип/метод прерывателя) с использованием силовых катушек индуктивности.

Рисунок 3: Базовая схема преобразователей постоянного тока (неизолированный тип/метод прерывателя)

Механика колебаний основных корпусов силовых индукторов и усиление звуков и шумов

Вибрации, возникающие в основных корпусах силовых индукторов, генерируют акустический шум из-за втекающих токов частот в слышимом диапазоне.Ниже приведены причины вибраций и причины усиленных звуков и шумов.

Причины вибрации

1. (1) Магнитострикция (магнитная деформация) магнитопровода
2. (2) Притяжение за счет намагничивания магнитного сердечника
3. (3) Вибрации в обмотке из-за потока рассеяния

Причины усиленных звуков и шумов

1. (1) Контакт с другими компонентами
2. (2) Воздействие на окружающие магнитные тела из-за потока рассеяния
3. (3) Согласование с собственными частотами вибрации всего комплекта, включая подложки

На рис. 4 показаны причины вибраций, вызывающих акустический шум в силовых индукторах, и причины усиленных звуков и шумов. Ниже приводится объяснение основных причин.

Рисунок 4: Причины вибраций, вызывающих акустический шум в силовых индукторах, и причины их усиления

Причины, вызывающие вибрации, и их последствия

Причина вибрации (1): Магнитострикция (магнитная деформация) магнитного сердечника

Внешняя форма будет незначительно изменяться, если магнитное тело подвергается воздействию магнитного поля и намагничивается. Это явление известно как «магнитострикция» или «магнитная деформация».Индукторы с сердечниками из магнитных тел, таких как ферриты, расширяются и сжимаются из-за магнитных полей переменного тока, создаваемых обмоткой, и возникающие в результате вибрации иногда могут быть обнаружены как звук.

Рисунок 5: Магнитострикция (магнитная деформация) магнитных тел

Магнитные тела представляют собой массы небольших участков, известных как «магнитные домены» (рис. 5). Направление магнитных моментов атомов внутри магнитных доменов находится в унисон, поэтому магнитные домены представляют собой микромагнетики, в которых спонтанные намагниченности направлены на постоянные, но магнитные тела в своей совокупности не проявляют характеристик магнитов. Это связано с тем, что множество магнитных доменов, составляющих магнитные тела, расположены так, что спонтанные намагниченности компенсируют друг друга и кажутся размагниченными.
Диапазоны магнитных доменов изменяются, если эти магнитные тела в размагниченном состоянии подвергаются воздействию магнитных полей извне, потому что каждый магнитный домен пытается расположиться таким образом, чтобы направления спонтанных намагниченностей были обращены в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле. поля. Это вызвано смещением магнитных стенок, которые являются границами между магнитными доменами.Преобладающие магнитные домены расширяются по площади по мере развития намагниченности до тех пор, пока на конце не останется один магнитный домен, обращенный в том же направлении, что и внешнее магнитное поле (в состоянии насыщенной намагниченности). Во время этого процесса намагничивания на атомном уровне происходят мельчайшие изменения положения, поэтому магнитострикция, то есть изменения внешней формы магнитных тел, происходят на макроуровне.
Изменения внешней формы из-за магнитострикции очень малы и составляют всего от 1/10 000 до 1/1 000 000 первоначальных размеров, но магнитные тела многократно расширяются и сжимаются, вызывая вибрации, когда они намотаны катушками и протекают переменные токи, как показано на рис. Рисунок 5.Поэтому колебания в магнитопроводах, вызванные магнитострикцией, не могут быть устранены даже в силовых индукторах. Вибрации в одиночных силовых индукторах будут усиливаться и могут быть слышны как акустический шум, даже если они находятся на низком уровне, если они соответствуют собственным частотам вибрации подложек при их установке.

Причина вибраций (2): Взаимное притяжение из-за намагничивания магнитопровода

Рисунок 6: Акустический шум из-за взаимного притяжения между
сердцевиной барабана и экранированной сердцевиной

Магнитные тела проявляют характеристики магнитов и взаимно притягиваются к окружающим магнитным телам, когда они намагничиваются из-за внешних магнитных полей. На рис. 6 показан пример силового индуктора с полным экранированием. Это силовой индуктор с замкнутым магнитным путем и имеет зазор между сердечником барабана и экранированным сердечником (кольцевым сердечником), где генерируются звуки и шумы. Это результат того, что намагниченный сердечник барабана и экранированные сердечники притягиваются друг к другу за счет магнитной силы из-за магнитных полей, создаваемых протеканием переменного тока в обмотке, и звуки и шумы можно услышать, если колебания находятся в диапазоне слышимых частот.

Зазоры между сердечником барабана и экранированным сердечником закрыты клеем, но вибрации, возникающие от взаимного притяжения, не могут быть полностью подавлены, потому что слишком твердые материалы могут создавать трещины из-за напряжения и поэтому не могут использоваться для этой цели.

Причина вибраций (3): Вибрации в обмотке из-за потока рассеяния

Вышеупомянутый акустический шум от взаимного притяжения между сердечником барабана и экранированным сердечником из-за намагничивания является проблемой, которая не возникает с силовыми индукторами неэкранированного типа, не имеющими экранированных сердечников. Однако с неэкранированными типами возникает другая проблема. Поток рассеяния действует на обмотку, потому что неэкранированные типы имеют открытые магнитные пути. Сила действует на обмотку в соответствии с правилом левой руки Флеминга, потому что по ней протекают электрические токи. Поэтому сама обмотка может вибрировать и вызывать акустический шум, если через обмотку протекают переменные токи (рис. 7).

Рисунок 7: Вибрации обмотки из-за потока рассеяния

Причины усиленных звуков и шумов

Причины усиления звуков и шумов (1) Контакт с другими компонентами

Незначительные вибрации в индукторах могут быть слышны как акустический шум, если индукторы соприкасаются с другими компонентами в подложках силовых цепей, подвергшихся монтажу с высокой плотностью в большом количестве электронных компонентов и устройств.

Причины усиленных звуков и шумов (2) Воздействие на окружающие магнитные тела из-за потока рассеяния

Если рядом с индуктором находится магнитное тело, такое как защитная крышка, это может вызвать акустический шум из-за вибраций, вызванных потоком рассеяния индуктора.

Причины усиленных звуков и шумов (3) Совпадения с собственными частотами вибрации целых комплектов, включающих подложки

Вибрации в воздухе из-за магнитострикции обычно не распознаются как акустический шум, когда речь идет о типах одиночных компактных магнитных сердечников, используемых с индукторами.Однако будут генерироваться несколько слышимых собственных частот вибрации, вызывающих акустический шум, поскольку вибрации усиливаются, если индуктор сформирован из комбинации нескольких частей и установлен на подложке. Кроме того, согласование с несколькими собственными частотами вибрации во всем наборе может генерировать акустический шум после внедрения в набор.
На рис. 8 показаны примеры колебаний подложек, установленных на силовых индукторах, проанализированных с помощью компьютерного моделирования с использованием МКЭ (метода конечных элементов).Была использована модель анализа, в которой силовой индуктор располагался в центре подложки (FR4) и две поверхности длинных сторон подложек были закреплены.
Обычно существует много характерных значений (собственных частот колебаний), при которых конструкции резонируют, и существуют различные режимы вибрации, соответствующие им. Даже с этой моделью анализа [мощный индуктор + подложка] различные режимы вибрации появляются для каждой собственной частоты вибрации по мере того, как частоты становятся выше.Силовой индуктор считается источником колебаний в первичном, вторичном, пятеричном и восьмидесятикратном режимах вибрации, показанных на рисунке 8. Частота вибрации основного режима примерно такая же, как частота вибрации одиночного силового индуктора. . Однако следует отметить, что во вторичном режиме, когда вибрация в направлении Z (в направлении высоты) значительна, частоты кажутся чрезвычайно низкими, когда силовой индуктор прикреплен к подложке, в то время как при использовании одного силового индуктора они кажутся высокими.

Рисунок 8: Примеры вибраций [силовой индуктор + подложка], проанализированные с помощью компьютерного моделирования

Индуктор питания размещен в центре подложки (FR4).
Граничное условие: Две поверхности длинных сторон подложек зафиксированы.

• Основной режим: 2034 Гц
• Дополнительный режим: 2262 Гц
• Пятикратный режим: 4048 Гц
• Октоденарный режим: 16226 Гц

Меры против акустического шума в силовых индукторах

Ниже приведены пункты по мерам против акустического шума в силовых дросселях преобразователей постоянного тока.

Точка 1: Не позволять течь токам слышимых частот

Не позволять течь токам слышимых частот – самая основная мера.
Тем не менее, попробуйте меры по глушению, такие как перечисленные ниже, если нельзя избежать передачи слышимых частот, например, в случае прерывистой работы или преобразователей постоянного тока в частотно-регулируемый режим с целью экономии энергии.

Пункт 2: Не размещать магнитные тела в близлежащих районах

Не размещайте рядом с индукторами магнитные тела, на которые может повлиять поток рассеяния (например, крышки экрана). Если их необходимо расположить близко друг к другу, обратите внимание на направление их массивов при выборе экранированных типов с низким потоком рассеяния (с замкнутыми магнитными путями).

Пункт 3: Сдвиг частот собственных колебаний

Сдвиг или увеличение частоты собственных колебаний иногда может уменьшить акустический шум. Например, собственные частоты колебаний целых комплектов, включающих подложки, можно изменять, изменяя такие условия, как форма, тип и расположение индукторов, а также крепление подложек.Кроме того, генерация акустического шума может быть обнаружена в индукторах относительно большой мощности размером около 7 мм или более. Применение компактных силовых индукторов размером 5 мм или менее, типоразмера , повышает частоту собственных колебаний и иногда может снизить акустический шум.

Пункт 4: Замена цельнометаллическим молдингом типа

Как указано выше, акустический шум может генерироваться в промежутках с силовыми индукторами полностью экранированного типа из-за взаимного магнитного притяжения между сердечником барабана и экранированным сердечником. Вибрации проводов из-за потока рассеяния также могут вызывать акустический шум в силовых индукторах неэкранированного типа.
Замена на металлические отливки является эффективным решением таких проблем с акустическим шумом, как силовые индукторы. Это силовые индукторы, в которых катушки с воздушным сердечником засыпаны и отлиты из магнитомягкого металлического порошка. Проблемы вибрации в обмотке из-за потока можно избежать, поскольку между сердечниками нет взаимного притяжения, поскольку нет зазоров, а также поскольку катушки объединены с магнитными телами и закреплены.Кроме того, поскольку в продуктах TDK используются металлические магнитные материалы с низким уровнем магнитострикции, можно контролировать вибрации, вызванные магнитострикцией, и можно ожидать снижения акустического шума путем замены неэкранированных и полностью экранированных типов.

Сравнение акустического шума в полностью экранированных типах и типах с цельным металлическим литьем

Мы провели исследование состояния генерации звуков и шумов с полностью экранированными и полуэкранированными силовыми индукторами (изделия TDK размером около 6 мм), а также с полностью экранированными и цельнолитыми металлическими силовыми индукторами (изделия TDK размером около размером 12 мм) в качестве образцов для измерений. Микрофон был помещен в безэховую камеру, и пиковое акустическое давление было зарегистрировано с разверткой слышимых частот от 20 Гц до 20 кГц с распределением мощности в течение 60 секунд при 0 А до синусоидальных волн номинального тока с использованием измерительных образцов, установленных на подложках (рис. 8). .
Как видно из графиков, уровни акустического давления различаются в зависимости от частоты при сравнении полноэкранированных и полуэкранированных типов.
Различия значительны при сравнении полноэкранированных типов и типов с цельным металлическим литьем.Звуки и шумы на уровне от 30 до 50 дБ генерируются в широком диапазоне частот с полностью экранированными типами. С другой стороны, у типов с металлическим литьем они поддерживают такие же низкие уровни фонового шума в широком диапазоне частот, при этом пиковые части также контролируются на уровне около 20 дБ по сравнению с типами с полным экраном. Можно видеть, что замена на цельнометаллические молдинги эффективна, так как контроль уровня 20 дБ находится на уровне 1/10.

Рисунок 9: Оценка шумов и звуков для каждого типа силового индуктора

Условия привода
Размер подложки	100x40x1.6мм
Расстояние до микрофона	300 мм
Частота развертки	от 20 Гц до 20 кГц
Время развертки	60 секунд
Текущий	Номинальный ток

Силовые катушки индуктивности цельнолитого металлического типа от TDK эффективно снижают акустический шум и являются оптимальными в таких ситуациях, когда их необходимо размещать вблизи сигнальных линий, поскольку они имеют чрезвычайно низкий поток рассеяния.Подробности см. в примечаниях по применению «Руководство по выбору силовых индукторов с учетом потока утечки».
Типы силовых катушек индуктивности TDK, в которых используются ферритовые сердечники, выпускаются с широким диапазоном индуктивности и характеризуются способностью поддерживать высокие значения индуктивности. Они также превосходны, когда речь идет о массовой производительности, поэтому они используются в различных устройствах.
Различные типы силовых катушек индуктивности имеют свои характеристики и преимущества при использовании.Пожалуйста, найдите правильный тип для правильной ситуации и позвольте ему помочь в вашем производстве.

%PDF-1.4 % 340 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 340 113 0000000016 00000 н 0000003237 00000 н 0000003365 00000 н 0000003401 00000 н 0000004072 00000 н 0000004243 00000 н 0000004382 00000 н 0000004520 00000 н 0000004657 00000 н 0000004795 00000 н 0000004933 00000 н 0000005071 00000 н 0000005209 00000 н 0000005347 00000 н 0000005485 00000 н 0000005624 00000 н 0000005763 00000 н 0000005902 00000 н 0000006040 00000 н 0000006179 00000 н 0000006318 00000 н 0000006455 00000 н 0000006594 00000 н 0000006733 00000 н 0000006872 00000 н 0000007474 00000 н 0000007867 00000 н 0000008290 00000 н 0000008782 00000 н 0000009297 00000 н 0000009347 00000 н 0000009461 00000 н 0000010056 00000 н 0000010168 00000 н 0000010589 00000 н 0000010937 00000 н 0000011365 00000 н 0000011844 00000 н 0000012833 00000 н 0000013247 00000 н 0000013795 00000 н 0000014221 00000 н 0000014336 00000 н 0000014733 00000 н 0000015211 00000 н 0000015797 00000 н 0000016564 00000 н 0000017028 00000 н 0000017470 00000 н 0000017993 00000 н 0000018322 00000 н 0000018974 00000 н 0000019748 00000 н 0000020541 00000 н 0000021314 00000 н 0000024294 00000 н 0000026416 00000 н 0000029257 00000 н 0000032131 00000 н 0000033103 00000 н 0000036083 00000 н 0000038907 00000 н 0000039569 00000 н 0000040176 00000 н 0000044180 00000 н 0000047626 00000 н 0000049794 00000 н 0000050615 00000 н 0000051707 00000 н 0000052197 00000 н 0000053018 00000 н 0000054186 00000 н 0000054587 00000 н 0000055408 00000 н 0000056635 00000 н 0000057016 00000 н 0000057837 00000 н 0000058967 00000 н 0000059367 00000 н 0000060188 00000 н 0000061302 00000 н 0000083098 00000 н 0000084720 00000 н 0000085915 00000 н 0000085954 00000 н 0000088707 00000 н 0000092730 00000 н 0000095670 00000 н 0000097099 00000 н 0000097442 00000 н 0000097823 00000 н 0000098733 00000 н 0000119364 00000 н 0000119470 00000 н 0000119607 00000 н 0000119750 00000 н 0000119889 00000 н 0000120028 00000 н 0000120185 00000 н 0000120330 00000 н 0000120556 00000 н 0000120782 00000 н 0000120961 00000 н 0000121140 00000 н 0000121319 00000 н 0000121498 00000 н 0000121594 00000 н 0000121690 00000 н 0000121869 00000 н 0000122048 00000 н 0000122227 00000 н 0000122406 00000 н 0000002556 00000 н трейлер ]/предыдущая 554363>> startxref 0 %%EOF 452 0 объект >поток hb“g`a“(ab@

Эффекты взаимной индуктивности и связи в акустических резонансных элементарных ячейках

Материалы (Базель). 2019 май; 12(9): 1558.

Поступила в редакцию 19 марта 2019 г.; Принято 10 мая 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Эта статья цитировалась в других статьях в PMC. .

Abstract

Представлен акустический метаматериал (АММ), состоящий из гантелевидной расщепленной полой сферы (ДПШС). Результаты экспериментов и моделирования показали пропускание на резонансной частоте АММ, что продемонстрировало свойство отрицательного модуля.Поскольку два разделенных отверстия в DSSHS оказывали сильное влияние на акустическую среду в локальной области, наклоном можно было просто управлять, настраивая расстояние между разделенными отверстиями. При достаточно большом расстоянии взаимная индуктивность исчезала, и в структуре существовало слабое взаимодействие. В соответствии со свойством слабого взаимодействия многозонный АМЗ и широкополосный АМЗ с отрицательным модулем могут быть получены путем группировки кластеров DSSHS с разным расстоянием. Кроме того, взаимная индуктивность и связь в DSSHS усиливают локальный резонанс, и этот тип ячейки можно использовать для проектирования акустической метаповерхности для аномального управления рефракционными волнами.

Ключевые слова: взаимная индуктивность, гантелевидная разрезная полая сфера (ДШГС), акустический метаматериал (АММ), акустическая метаповерхность (АМП), широкополосный

1. Введение

Предложение метаматериалов [1,2] ускоряет развитие аномальных манипуляций волнами. Электромагнитные (ЭМ) метаматериалы или метаповерхности представляют собой искусственные материалы, изготовленные методами «сверху вниз» или «снизу вверх» [3,4]. Они манипулировали электромагнитными волнами необычными способами, такими как отрицательное преломление, субволновая визуализация, маскировка, поглощение, эффект захваченной радуги, преобразование поляризации, оптический вихрь и другие [5,6,7,8,9,10,11].Поскольку в акустическое поле вводится понятие локального резонанса [12], акустические метаматериалы (АММ) (объемный материал) или метаповерхности [13] (с субволновой толщиной) проявляют аналогичные свойства для акустических волн, что и электромагнитные аналоги, такие как двойные отрицательные параметры , плоская фокусировка, субволновое изображение, маскировка, аномальное отражение и преломление, фазовая инженерия, полное поглощение звука, характеристики, вдохновленные топологией [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29], увеличение коэффициента демпфирования, ширина запрещенной зоны вибрации и т. д. [30,31,32,33].

Однако, поскольку необычные эффекты АМЗ основаны на механизме локального резонанса, диапазон рабочих частот очень узок. Этот недостаток АММ затрудняет его применение в нашей повседневной жизни. Резонатор Гельмгольца может быть использован для получения АМЗ с отрицательным модулем вблизи резонансной частоты в водной среде [15]. Шэн и др. [14,16] представили АММ мембранного типа, который имел отрицательную массовую плотность или двойные отрицательные параметры в узкой полосе из-за локального резонанса. Из наших более ранних работ реакция отрицательных параметров происходила только в узкой полосе вблизи резонансной частоты [18,20,34,35].Поэтому проектирование широкополосных AMM очень важно. Один из путей заключается в объединении резонансных ячеек разного размера в группу для получения многополосных и/или широкополосных АММ, в которых каждая ячейка выполняет свою функцию и колеблется в своей локальной полосе резонансных частот, а наложение локального резонанса будет производить широкополосные эффекты. 19,36,37,38,39]. Путем соединения разделенных полых сфер (ШС) с различными геометрическими размерами можно реализовать многозонный и широкополосный АМЗ с отрицательными модулями [19].Ян и др. использовали мембраны разного веса для достижения широкополосного затухания звука [36]. Другой метод заключается в соединении локального резонанса с брэгговскими запрещенными зонами [40,41]. Запрещенные зоны Брэгга в фононных кристаллах основаны на механизме брэгговского рассеяния, в котором рабочие длины волн сравнимы с постоянными решетки [42,43,44]. Локальные резонансные запрещенные зоны основаны на резонансных структурах с субволновыми размерами менее λ/3. Кроме того, для изучения широкополосных AMM были представлены некоторые другие виды пассивно и активно настраиваемых AMM [45,46,47,48].Все методы реализации широкополосных АМЗ основаны на внутренних свойствах элементарных ячеек.

В этой статье мы представим другой метод резонансной связи между элементарными ячейками для получения широкополосного АМЗ со структурой гантелевидной разделенной полой сферы (DSSHS). Резонансная связь вызвана взаимной индуктивностью двух резонаторов, СВС, которые будут генерировать богатые свойства для падающих акустических волн. Настраивая расстояние между двумя резонаторами, мы можем добиться различных взаимных индуктивностей в структуре, что приводит к различным локальным резонансным частотам для разработки широкополосных АММ.ДВСШ с взаимной индуктивностью может усилить резонанс блока СВС и может быть использован для построения передающей АИС.

2. Анализ модели

SHS представляет собой полую сферу с цилиндрическим разрезным отверстием, как показано на рис. a также дает трехмерную схематическую диаграмму модели DSSHS в среде акустического волновода. DSSHS состоял из двух SHS одинакового размера с разрезными отверстиями, обращенными друг к другу. Из схемы поперечного сечения ДСШС в б толщина полой сферы t = 1 мм, радиус полой сферы R = 25 мм, диаметр разрезных отверстий d = 4 мм, а расстояние между двумя разрезными отверстиями d ₀ можно настроить от 0. от 5 до 20 мм. Как было представлено в предыдущих работах [18,19,22,23,24], одиночный СВС можно было рассматривать как акустический резонатор Гельмгольца (ГР), и он был эквивалентен акустическому LC-контуру. Резонансную частоту можно было перестраивать только пассивно, изменяя диаметр разрезных отверстий или полости полой сферы, что должно было изменить внутреннюю структуру СВС. Однако в этой работе мы манипулировали расстоянием между отверстиями между двумя СВС для настройки резонансной частоты, которая использовалась для получения активных, настраиваемых акустических метаматериалов.То есть DSSHS был модифицированным HR и обладал более богатыми свойствами. Две полости DSSHS могли хранить больше энергии и заставляли звуковую среду колебаться в двух отверстиях и из них. Звуковая среда в двух СВС взаимодействовала друг с другом и влияла на ее внутренние свойства, которые зависели от расстояния между двумя разделенными отверстиями. Рядом с двумя расщепленными отверстиями возникнет сильная локальная связь. Резонатор ДСШС был аналогичен схеме конденсатор–индуктор–индуктор–конденсатор. Две полости ДСШС выполняли роль двух последовательных конденсаторов с емкостью:

( a ) 3D схема ДСШС в акустическом волноводе; ( б ) схема поперечного сечения ДСШС и акустического эффективного LC-контура.

Эффективная акустическая емкость:

Ceff=C1C2C1+C2=V/(2ρc02),

(2)

где V — объем полой полости, а ρ0 и c0 — массовая плотность и скорость звука звуковой среды.

Два разделенных отверстия рассматривались как два последовательных индуктора, которые включали вклад двух открывающихся отверстий и связанное взаимное взаимодействие. Эффективная акустическая индуктивность равна:

Чтобы получить связь между эффективной индуктивностью L _eff и расстоянием между двумя разделенными отверстиями d ₀ в DSSHS, мы ввели акустическую индуктивную проводимость:

Когда эффекта связи не было, индуктивная проводимость ДСШС была

где Ls — акустический индуктор одинарной СВС [18] конструкции:

где S — площадь поперечного сечения отверстия, а d _s — эффективная длина отверстия, связанная с t и d :

скорость G была пропорциональна G-G0. Отношение может быть выражено как:

Взяв начальное условие ( d ₀ = 0, G = 0) в дифференциальное уравнение (9), мы можем получить решение как:

G=G0( 1−e−k(d0+δ)),

(10)

где δ — поправочный коэффициент, связанный с эффектом связи, а k — константа пропорциональности. Согласно модели L-C резонансная частота равна:

f=12πCeffLeff=f01−e−k(d0+δ),

(11)

где f0 — резонансная частота одиночного СВС.Расстояние между разделенными отверстиями d ₀ может экспоненциально настраивать резонансную частоту DSSHS из-за взаимной индуктивности и эффекта связи.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Акустический метаматериал (AMM) с перестраиваемой полой сферой в форме гантели (DSSHS) с отрицательным модулем

Сначала мы провели полноволновое моделирование для исследования AMM DSSHS с помощью программного по методу конечных элементов (МКЭ).a показывает среду моделирования. ДСГС располагался в акустической волноводной трубе с периодической границей, что означало, что ДСГС АММ конструировалась периодической решеткой ДСГС. Левая и правая боковые грани задавались границами излучения. Плоская гармоническая акустическая волна (1 Па) падала перпендикулярно на левую боковую грань. Вся область волновода была разделена свободными тетраэдрами на основе сетки граней, а предопределенный пользователем размер был установлен как «уточнить», подразумевая, что максимальный размер элемента равен 9.6 мм, минимальный размер элемента 1,2 мм, максимальная скорость роста элемента 1,45 мм. Модель была рассчитана в частотной области, а решатели были выбраны как MUMPS. Из моделирования, AMM DSSHS показал провал передачи, как показано на a, который был аналогичен одиночным AMM SHS. Падение может быть настроено расстоянием разделенных отверстий. Примечательно, что провал передачи был приписан локальному резонансу одиночного СВС в DSSHS; однако настройка провала могла быть вызвана эффектом взаимной связи между двумя СВС.

( a ) Структура DSSHS, напечатанная на 3D-принтере; ( б ) изготовленный образец ДСШС АММ.

Для проверки моделирования мы провели эксперимент по передаче DSSHS AMM в системе импедансной трубки для исследования ее акустических свойств. DSSHS был изготовлен по технологии 3D-печати с использованием термопластов (Stratasys Dimension Elite, точность 0,1 мм, Шэньчжэнь, Китай), а элементарная ячейка была закреплена двумя скобами, состоящими из пластиковых стержней, как показано на рис.Образец готовили, встраивая семь ДСШГ в губчатую матрицу с периодом решетки 30 мкм, как показано на б. Измерения амплитуды передачи проводились в приборе Shengwang для определения импеданса потерь при передаче, который был представлен в [19]. Испытательное оборудование, которое состояло из импедансной трубки, четырех микрофонов, усилителя мощности, анализатора сбора данных и компьютера, было показано на рис. Диаметр импедансной трубки 100 мм, диаметр образца ДСШС АМЗ 100 мм. На вставке в правом верхнем углу показан исследуемый образец в импедансной трубке.

Физическая схема оборудования для испытания трубок на сопротивление.

Результаты испытаний представлены в b. Было продемонстрировано, что для АМЗ ДСШС существует провал пропускания, который можно сдвинуть за счет настройки расстояния d ₀ структуры. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами моделирования. Также было показано, что экспериментальный провал пропускания образца становится глубже с увеличением диаметра СВС.Однако смоделированный провал передачи был близок к нулю для каждого AMM DSSHS, что не отражало четкого изменения a. Поскольку смоделированная среда была настроена на идеальные условия без какого-либо демпфирования, резонанс DSSHS привел к почти нулевому падению передачи. Но в экспериментах демпфирующие силы четырех АММ DSSHS приводили к разной глубине провала передачи, как показано на рис. b.

( a ) Смоделированные и ( b ) экспериментальные передачи АММ ДСШС с настроенными дистанциями, d ₀ , от 0. от 5 до 4 мм.

Мы систематически исследовали связь между резонансной частотой и расстоянием между двумя разделенными отверстиями в DSSHS, чтобы дополнительно проиллюстрировать особенность настройки резонансной частоты, как показано на рис. Результаты теоретической формулировки (красная кривая) и моделирования на основе метода конечных элементов (черная кривая) хорошо согласуются с экспериментальными данными. Было ясно, что резонансная частота вызывает синее смещение по мере увеличения расстояния d ₀ в DSSHS.Однако при расстоянии d ₀ больше 8 мм резонансная частота стабилизировалась на уровне 1150 Гц, что и было локальной резонансной частотой одиночного СВС. Он показал, что между двумя СВС было только слабое взаимодействие без эффектов связи, когда расстояние было достаточно большим. Когда разрезные отверстия СВС находились близко друг к другу, резонансы в ячейках влияли друг на друга и приводили к эффекту взаимной связи, что приводило к перестройке резонансной частоты.

Зависимость между резонансной частотой и расстоянием, d ₀ , двух косых отверстий в ДСШС.

Чтобы наглядно продемонстрировать физический механизм резонансной связи, мы провели моделирование Comsol на основе метода конечных элементов (упомянутого выше) для изучения распределения акустического поля DSSHS и одиночного SHS на каждой резонансной частоте. В б было показано, что одиночный СВС накапливал большое количество акустической энергии в резонаторе и высвобождал ее из расщепленного отверстия на частоте 1150 Гц, что продемонстрировало явление резонанса.То есть акустическая энергия запасалась в резонаторе и выбрасывалась из разрезного отверстия СВС. Когда энергия в двух акустических структурах вызывала синергетический отклик, элементарная ячейка резонировала, сохраняя максимальную энергию в полости, и высвобождала большое количество энергии из расщепленного отверстия в широкой области.

Распределение акустического поля на частоте 1150 Гц ( a ) DSSHS и ( b ) SHS. Пропускаемое акустическое поле ДСГС с разным расстоянием между отверстиями на резонансной частоте, ( c ) 1, ( d ) 2, ( e ) 4 и ( f ) 19 мм.

Однако, начиная с а, внутреннее поле ДСШС с расстоянием между отверстиями 1 мм было слабым, на частоте 1150 Гц, а акустическая энергия была близка к фоновому давлению, что не показало резонансного отклика. В случае частоты 910 Гц акустическое давление в объеме ДСГС достигало максимального отрицательного значения, как показано на в, что свидетельствовало о резонансе с отрицательным откликом. Акустическое поле резко менялось вблизи разрезных отверстий с сильной взаимной индуктивностью. В этом случае акустическая среда, выпущенная из разрезных отверстий двух СВС, не могла свободно колебаться, т.е. они вошли в другое разделенное отверстие и полость СВС, чтобы соединиться друг с другом, что увеличило эффективную акустическую индуктивность каждого СВС и произвело новый резонансный эффект в области более низких частот. Кроме того, энергия акустических колебаний вблизи разрезных отверстий в DSSHS была больше, чем в SHS, что говорит о том, что взаимная связь усиливает резонанс акустических волн. Этот тип более сильной резонансной структуры может быть применен для разработки передающих AMS, которые обсуждаются в следующем разделе.

c–f показаны резонансные акустические поля четырех типов СВС с расстоянием между отверстиями 1, 2, 4 и 19 мм соответственно, которые продемонстрировали взаимную индуктивность в СВС. По сравнению с четырьмя типами распределения акустического поля акустическая энергия в полости ослабевала с увеличением расстояния между отверстиями d ₀ и взаимной связи между двумя разделенными отверстиями.Другими словами, каждая эффективная акустическая индуктивность становилась все больше и больше, что приводило к синему сдвигу резонансной частоты. Когда расстояние было достаточно большим, как показано на f, было очень трудно увидеть взаимную индуктивность и эффект связи между двумя разделенными отверстиями в DSSHS на резонансной частоте. Первая ячейка DSSHS демонстрировала сильные резонансные эффекты с тем же распределением давления, что и одиночная SHS, как показано на b, в то время как энергия во второй ячейке была слабой и близкой к фоновому давлению, что указывало на слабое взаимодействие между двумя резонансными ячейками в DSSHS. .Подводя итог, можно сказать, что различное расстояние между двумя разделенными отверстиями привело к изменяющимся эффектам связи, которые можно было использовать для управления резонансной частотой DSSHS. В соответствии со слабым взаимодействием мы разработали своего рода широкополосный АММ.

3.2. Широкополосный ДШГС АММ

Широкополосный образец был изготовлен путем заполнения четырех видов ДШГС с расстояниями 0,5, 1, 2 и 4 мм. Экспериментальные результаты передачи показаны на . Было четыре провала передачи в соответствии с каждым образцом DSSHS, которые иллюстрировали слабые взаимодействия между различными DSSHS.Поскольку резонансные частоты были очень близки друг к другу, резонансные участки перекрывались и образовывались провалы широкополосной передачи. Из полувысокого пика кривой пропускания было продемонстрировано, что широкополосный провал находится в диапазоне частот 820~1110 Гц.

Передача широкополосного АММ.

Чтобы подтвердить свойство широкополосного АМЗ, мы получили акустические эффективные параметры четырех видов АММ. показали, что АММ ДСШС с расстояниями 0.5, 2 и 4 мм имели резкие изменения эффективной плотности массы и модуля вблизи резонансных частот соответственно. Частотный диапазон отрицательного модуля был немного выше, чем у провала пропускания. Массовая плотность всегда была положительной, но модуль мог достигать отрицательных значений вблизи резонансной частоты. Что касается широкополосного АМЗ, то эффективная массовая плотность всегда была положительной, а эффективный модуль отрицательным в широкополосной области частот 900~1270 Гц, выше диапазона частот провала.Было возможно, что различные резонансные блоки связаны друг с другом, чтобы представить отклик с отрицательным модулем в области более высоких частот.

Эффективные параметры широкополосного АМЗ: ( a ) эффективная массовая плотность и ( b ) эффективный модуль.

3.3. Передаваемая акустическая метаповерхность с DSSHS

Более ранние исследования [22, 23, 24] показали, что SHS можно использовать только для проектирования отраженной AMS, поскольку резонанс SHS был недостаточно сильным.Однако, согласно анализу в разделе 3.1, резонансная связь в структуре DSSHS может быть использована для улучшения силы резонансного отклика. При более сильном резонансе структура DSSHS могла давать больший диапазон фазовых сдвигов для прошедших волн. Выбрав подходящее расстояние между каждым DSSHS в структуре, передаваемые фазовые сдвиги могут охватывать фазовый диапазон 0 ~ 2π. Мы разработали восемь типов ДСВС с шагом фазовых сдвигов π/5; Эти восемь ячеек были пространственно расположены в виде массива передачи в матрице, как показано на рис.Прошедшие волны рассчитывались по обобщенному закону Снеллиуса (ОПС).

n2sinθt−n1sinθi=λ2πdΦdx

(12)

Проходящее акустическое поле метаповерхности ДСГС. Белые стрелки указывают направление энергии акустических волн.

Передаваемое акустическое поле из моделирования показано на . Фазовый градиент этого вида АМС был выбран как dΦ/dx=π/64 рад/мм. Когда падающая акустическая волна с частотой 3640 Гц была перпендикулярна поверхности образца, фронтом волны манипулировали в соответствии с заданным фазовым градиентом.То есть уходящая волна косо преломлялась от АМС. Угол преломления составлял 47° от распределения акустического поля фронта волны, что хорошо согласовывалось с формулой GSL 46,9°.

4. Выводы

В заключение мы предложили метод резонансной связи для достижения широкополосного АМЗ. Резонансная связь была вызвана взаимной индуктивностью двух резонаторов СВС, что создавало богатые свойства для падающих акустических волн. Настраивая расстояние между плевыми между двумя СВС, мы добивались разных взаимных индуктивностей СВС, что приводило к разным локальным резонансным частотам. Взаимные индуктивности ДСШС могут быть использованы для создания широкополосных АМЗ и проходящих АМС, в которых можно добиться аномального преломления плоских волн.

Вклад авторов

Концептуализация и методология, CD, YD и XZ; Анализ данных, CD, YD и KS; Расследование К.Д., С.З. и Ю.В.; Программное обеспечение, компакт-диск и Ю.Д.; Написание – подготовка первоначального проекта, CD, YD; Написание – обзор и редактирование, CD, KS и XZ.

Финансирование

Это исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая (грант No.11404261, 61601375, 11674267, 51272215), фонды фундаментальных исследований для центральных университетов (гранты № 3102017zy015, 3102016ZY029) и план фундаментальных исследований в области естественных наук в провинции Шэньси, Китай (гранты № 2018JQ1036).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Smith D.R., Pendry J.B., Wiltshire M.C.K. Метаматериалы и отрицательный показатель преломления. Наука. 2004; 305:788. doi: 10.1126/science.1096796. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]2.Веселаго Г., Нариманов Э.Э. Левая рука яркости: прошлое, настоящее и будущее материалов с отрицательным индексом. Природа Матер. 2006; 5:759. doi: 10.1038/nmat1746. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]3. Чжао Х.П. Восходящие методы изготовления оптических метаматериалов. Дж. Матер. хим. 2012;19:9439. дои: 10.1039/c2jm15979a. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]4. Гомес-Кастаньо М., Чжэн Х., Гарсия-Помар Дж.Л., Валле Р., Михи А., Равейн С. Метаматериалы с настраиваемым индексом, созданные с помощью восходящих подходов. Наномасштаб Adv.2019;1:1070. doi: 10.1039/c8na00250a. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]5. Лю Ю.М., Чжан С. Метаматериалы: новый рубеж науки и техники. хим. соц. 2011; 40:2494. doi: 10.1039/c0cs00184h. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Liu H., Zhao X.P., Yang Y., Li Q., ​​Lv J. Изготовление инфракрасных левых метаматериалов с помощью двойного электрохимического осаждения с помощью шаблона. Доп. Матер. 2008;20:2050. doi: 10.1002/adma.200702624. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 7. Молет П., Гарсия-Помар Х.Л., Матрикарди К., Гаррига М., Алонсо М.И., Михи А. Ультратонкие полупроводниковые сверхпоглотители от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Доп. Матер. 2018;30:1705876. doi: 10.1002/adma.201705876. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]8. Чжао Х.П., Луо В., Хуанг Дж.С., Фу К.Х., Сонг К., Ченг С.С., Луо Ч.Р. Эффект захваченной радуги в левых гетероструктурах видимого света. заявл. физ. лат. 2009;95:071111. дои: 10.1063/1.3211867. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]9. Ю Н., Женевет П., Кац М.А., Айета Ф., Тетьен Ж.П., Капассо Ф., Габурро З. Распространение света с фазовыми разрывами: обобщенные законы отражения и преломления. Наука. 2011; 334:333. doi: 10.1126/science.1210713. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Грэди Н., Хейес Дж., Чоудхури Д.Р., Зенг Ю., Рейтен М., Азад А., Тейлор А., Далвит Д., Чен Х. Терагерцовые метаматериалы для преобразования линейной поляризации и аномальной рефракции. Наука. 2013;340:1304. doi: 10.1126/science.1235399. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Ю Н., Капассо Ф. Плоская оптика с дизайнерскими метаповерхностями.Природа Матер. 2014;13:139. doi: 10.1038/nmat3839. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Лю З.Ю., Чжан С., Мао Ю., Чжу Ю.Ю., Ян З., Чан С.Т., Шэн П. Локально резонансные звуковые материалы. Наука. 2000; 289:1734. doi: 10.1126/science.289.5485.1734. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Ассуар Б., Лян Б., Ву Ю., Ли Ю., Ченг Дж., Цзин Ю. Акустические метаповерхности. Нац. Преподобный Матер. 2018;3:460. doi: 10.1038/s41578-018-0061-4. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 14. Ян З., Мэй Дж., Ян М., Чан Н.Х., Шэн П.Акустический метаматериал мембранного типа с отрицательной динамической массой // Физ. Преподобный Летт. 2008;101:204301. doi: 10.1103/PhysRevLett.101.204301. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Фанг Н., Си Д., Сюй Дж., Амбати М., Сритураванич В., Сунь С., Чжан С. Ультразвуковые метаматериалы с отрицательным модулем. Природа Матер. 2006; 5:452. doi: 10.1038/nmat1644. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Ян М., Ма Г.К., Ян З.Ю., Шэн П. Связанные мембраны с дважды отрицательными массовой плотностью и объемным модулем. физ. Преподобный Летт.2013;110:134301. doi: 10.1103/PhysRevLett.110.134301. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Каммер С.А., Кристенсен Дж., Алу А. Управление звуком с помощью акустических метаматериалов. Природа Преподобный Матер. 2016; 1:16001. doi: 10.1038/natrevmats.2016.1. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 18. Дин С.Л., Хао Л.М., Чжао С.П. Двумерный акустический метаматериал с отрицательным модулем. Дж. Заявл. физ. 2010;108:074911. doi: 10.1063/1.3493155. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19. Дин С.Л., Чжао С.П. Многополосный и широкополосный акустический метаматериал с резонансными структурами.Дж. Физ. Д: заявл. физ. 2011;44:215402. doi: 10.1088/0022-3727/44/21/215402. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 20. Чен Х.Дж., Цзэн Х.К., Дин С.Л., Луо Ч.Р., Чжао С. П. Двойной отрицательный акустический метаматериал на основе метаатома из полой стальной трубы. Дж. Заявл. физ. 2013;113:104902. doi: 10.1063/1.47

. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 21. Xie YB, Wang WQ, Chen HY, Konneker A., ​​Popa B.-I., Cummer S.A. Модуляция волнового фронта и субволновая дифракционная акустика с акустической метаповерхностью. Община природы. 2014;5:5553.doi: 10.1038/ncomms6553. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Дин С.Л., Чен Х.Дж., Чжай С.Л., Лю С., Чжао С.П. Аномальное манипулирование акустическими волнами на основе плоской метаповерхности с расщепленной полой сферой. Дж. Физ. Д: заявл. физ. 2015;48:045303. doi: 10.1088/0022-3727/48/4/045303. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 23. Дин С.Л., Чжао С.П., Чен Х.Дж., Чжай С.Л., Шен Ф.Л. Модуляция отраженных волновых фронтов акустической метаповерхностью на основе двухщелевой полой сферы. заявл. физ. А. 2015; 120:487. дои: 10.1007/s00339-015-9275-0. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 24. Дин С.Л. , Ван З.Р., Шен Ф.Л., Чен Х.Дж., Чжай С.Л., Чжао С.П. Экспериментальная реализация акустической метаповерхности с двухконтурной полой сферой. Твердотельный коммун. 2016; 229:28–31. doi: 10.1016/j.ssc.2015.12.015. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 25. Ма Г.К., Ян М., Сяо С.В., Ян З.Ю., Шэн П. Акустическая метаповерхность с гибридными резонансами. Природа Матер. 2014;13:873. doi: 10.1038/nmat3994. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Чжу Ю.Ф., Фан Х.Д., Лян Б., Ченг Дж. К., Цзин Ю. Ультратонкий акустический диффузор Шредера на основе метаповерхности. физ. Ред. X. 2017; 7:021034. doi: 10.1103/PhysRevX.7.021034. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 28. Ли Ю., Шен С., Се Ю.Б., Ли Дж.Ф., Ван В.К., Каммер С.А., Цзин Ю. Настраиваемая асимметричная передача через акустические метаповерхности с потерями. физ. Преподобный Летт. 2017;119:035501. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.035501. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Чжан С., Сяо М., Ченг Ю., Лу М.Х., Кристенсен Дж. Топологический звук. коммун.физ. 2018; 1:97. doi: 10.1038/s42005-018-0094-4. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 30. Хронопулос Д., Антониадис И., Коллет М., Иччоу М. Усиление демпфирования волн в метаматериалах, содержащих включения с отрицательной жесткостью. Волновое движение. 2015;58:165. doi: 10.1016/j.wavemoti.2015.05.005. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 31. Эльмадих В., Сиам В.П., Маскери И., Хронопулос Д., Лич Р. Запрещенная зона механических колебаний в поверхностных решетках. Доп. Произв. 2019;25:421–429. doi: 10.1016/j.addma.2018.11.011. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Ха К.С., Лейкс Р.С., Плеша М.Е. Проектирование, изготовление и анализ решетки, демонстрирующей поглощение энергии за счет сквозного поведения. Матер. Дизайн. 2018;141:426. doi: 10.1016/j.matdes.2017.12.050. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 33. Кохманн Д.М., Бертольди К. Использование микроструктурной нестабильности в твердых телах и структурах: от метаматериалов к структурным переходам. заявл. мех. 2017; 69:050801. doi: 10.1115/1.4037966. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 34. Ян З., Дай Х.М., Чан Н.Х., Ма К.Г., Шэн П. Акустические панели из метаматериала для звукоизоляции в режиме 50-1000 Гц. заявл. физ. лат. 2010;96:041906. doi: 10.1063/1.3299007. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 35. Дин С.Л., Чен Х.Дж., Чжай С.Л., Чжао С.П. Акустический метаматериал на основе многоразрезных полых сфер. заявл. физ. А. 2013;112:533. doi: 10.1007/s00339-013-7785-1. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 36. Дин К.Л., Чжао С.П., Хао Л.М., Чжу В.Р. Акустический метаматериал с разделенными полыми сферами. Акта физ. Грех. 2011;60:044301.[Google Академия] 37. Сяо С., Ма Г., Ли Ю., Ян З., Шэн П. Активный контроль акустического метаматериала мембранного типа с помощью электрического поля. заявл. физ. лат. 2015;106:091904. doi: 10.1063/1.4913999. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 38. Ляо Ю., Чен Ю., Хуан Г., Чжоу С. Широкополосная низкочастотная звукоизоляция с помощью легких адаптивных метаматериалов. Дж. Заявл. физ. 2017;123:091705. дои: 10.1063/1.5011251. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 39. Хименес Н., Ромеро-Гарсия В., Панье В., Гроби Дж. П. Поглотители радуги: широкополосное, идеальное и асимметричное звукопоглощение субволновыми панелями для проблем передачи.науч. Отчет 2017; 7:13595. doi: 10.1038/s41598-017-13706-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40. Каина Н., Финк М., Лерози Г. Композитные среды, смешивающие брэгговские и локальные резонансы для сильного затухания и широкой запрещенной зоны. науч. Отчет 2013; 3:3240. doi: 10.1038/srep03240. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]41. Крушинская А.О., Миниачи М., Бозиа Ф., Пуньо Н.М. Связь локального резонанса с брэгговскими запрещенными зонами в однофазных механических метаматериалах. Экстремальный мех. лат.2017;12:30–36. doi: 10.1016/j.eml.2016.10.004. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 42. Пеннек Ю., Вассер Ж.О., Джафари-Рухани Б., Добжиньски Л., Деймиерб П.А. Двумерные фононные кристаллы: примеры и приложения. Серф. науч. Респ. 2010; 65:229. doi: 10.1016/j.surfrep.2010.08.002. [CrossRef] [Google Scholar]43. Кастинейра-Ибаньес С., Рубио К., Ромеро-Гарсия В., Санчес-Перес Х.В., Гарсиа-Раффи Л.М. Проектирование, изготовление и характеристика акустического барьера, состоящего из цилиндрических рассеивателей с множеством явлений, расположенных в геометрии на основе фракталов.Арка акуст. 2012;37:455. doi: 10.2478/v10168-012-0057-9. [CrossRef] [Google Scholar]44. Моранди Ф., Миниачи М., Марзани А., Барбарези Л., Гараи М. Стандартизированные акустические характеристики шумозащитных экранов из звуковых кристаллов: звукоизоляционные и отражающие свойства. заявл. акуст. 2016;114:294. doi: 10.1016/j.apacoust.2016.07.028. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 45. Ю К., Фанг Н.С., Хуанг Г., Ван К. Магнитоактивные акустические метаматериалы. Доп. Матер. 2018;30:1706348. doi: 10.1002/adma.201706348. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]46.Попа Б.-И., Шинде Д., Коннекер А., Каммер С.А. Активные акустические метаматериалы, реконфигурируемые в реальном времени. физ. Ред. Б. 2015; 91:220303. doi: 10.1103/PhysRevB.91.220303. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 47. Попа Б.-И., Зигоняну Л., Куммер С.А. Перестраиваемые активные акустические метаматериалы. физ. Ред. Б. 2013; 88:024303. doi: 10.1103/PhysRevB.88.024303. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 48. Чжай С.Л., Чжао Х.П., Лю С., Шен Ф.Л., Ли Л.Л., Луо Ч.Р. Обратные эффекты Доплера в широкополосных акустических метаматериалах. науч. Респ.2016;6:32388. doi: 10.1038/srep32388. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Что отличает звучание эквалайзеров Inductor?

Цитата:

Первоначально Послано ryansupak ➡️ Привет, у меня есть несколько эквалайзеров, и эквалайзеры Inductor — мои любимые по чисто эстетическим причинам.

Кажется, что большинство основных строительных блоков схемы аудиофильтра можно реализовать с помощью любых двух из трех: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, а катушки индуктивности, как правило, являются самыми дорогими и подверженными шуму. Индукторы, конечно, снова входят в моду.

Но что же такого, из-за чего они звучат по-разному? Я читал несколько утверждений по этому поводу, но не видел их проверенными:

1) Катушки индуктивности могут насытиться.

Да искажение, зависящее от низкой частоты/уровня.

Цитата:

2) Точка оборота катушки индуктивности может программно смещаться, если через нее подается сигнал высокого уровня.

Я не уверен, что следую этому … Некоторая зависимость от температуры из-за изменения сопротивления провода.Нелинейность с током из-за несовершенства магнитных сред, не знакомых с каким-либо трубчатым смещением смещения в переходном режиме с сигналом.

Еще одной уникальной характеристикой катушек индуктивности является то, что магнитные поля от близко расположенных и неэкранированных катушек индуктивности могут взаимодействовать, снова вызывая отклонения от предсказанного отклика.

Цитата:

3) Катушки индуктивности могут сжимать тяжелые басовые сигналы.

Сжатие — довольно щедрый способ описать искажение насыщения. В то время как насыщение ленты широко использовалось выборочно на некоторых типах источников.

Цитата:

Кто-нибудь имеет представление об этом?

Спасибо,
р.

Возможно, имеет значение как «эффект» для выборочного добавления искажений к пропущенным полосам низких частот (полоса, пропущенная топологией эквалайзера) широкополосного сигнала. Искаженные НЧ-сигналы могут звучать лучше, чем такое же количество искажений для сигналов средних или высоких частот из-за более слабой способности человеческого слуха различать низкочастотные звуки.

====
Многие обсуждения, кажется, путают топологию эквалайзера, которых существует несколько, и поведение пассивного компонента.

Погоня за малоизвестными искажениями кажется хорошим развлечением для студийных инженеров. Игра началась.

младший

Что такое шум катушки и как его исправить – Clever Creations

В настоящее время относительно легко построить бесшумный компьютер. Но есть один особый шум, который трудно устранить: визг катушки. Этот пронзительный шипящий или царапающий шум не только сильно раздражает, но и звучит так, будто что-то работает не так, как должно.

В этой статье я объясню, что такое свист катушки, что вызывает его, и научу вас, как найти, откуда он исходит.Я также раскрою несколько методов и техник, которые вы можете использовать, чтобы уменьшить или даже полностью остановить звук.

Что такое свист катушки?

Проще говоря, свист катушки — это пронзительный шум, вызванный вибрациями в электромагнитных катушках. Когда ток проходит через индуктор (электронный компонент), он заставляет его медный провод вибрировать относительно его сердечника с высокой слышимой частотой. Этот раздражающий звук мы называем визгом катушки.

Большую часть времени катушки вибрируют на частотах, лежащих за пределами диапазона нашего слуха.Только когда они вибрируют на слышимой частоте, это становится проблемой.

Несмотря на то, что во многих продуктах и ​​компонентах может возникать гул катушки, это особенно часто встречающаяся проблема в современных компонентах ПК. В первую очередь графические карты (GPU), блоки питания (PSU) и модули регулятора напряжения (VRM) на материнских платах.

На что похож свист катушки?

Свист катушки можно узнать по высокому звуку. Его можно описать как высокочастотное электронное жужжание, шипение, визг или царапанье.Он не всегда звучит одинаково, но его безошибочно узнают, если вам не посчастливилось с ним познакомиться.

Визг катушки и визг конденсатора

Визг катушки иногда приписывают конденсаторам и называют визгом конденсаторов . Хотя конденсаторы могут генерировать высокочастотные звуки, в подавляющем большинстве случаев высокий звук в вашем компьютере вызван катушками индуктивности.

Одним из способов, которым конденсаторы издают звук, является их выход из строя и выброс ядовитого газа через верхнюю часть.Это может создать высокий свистящий звук, похожий на визг катушки. Неисправные конденсаторы служат недолго и их легко распознать по вздутию или вытеканию жидкости из верхней части.

Керамические конденсаторы

также могут издавать подобные звуки из-за пьезоэлектрического эффекта, но это не так распространено в современных ПК, как свист катушек.

Что такое индуктор и для чего он нужен?

Катушка индуктивности состоит из сердечника с намотанной на него катушкой из медной проволоки.Он также известен как катушка индуктора . Его работа заключается в хранении электрической энергии в магнитном поле. Сердечник обычно изготавливается из железа или феррита, что способствует увеличению магнитного поля и индуктивности.

В зависимости от того, для чего используется индуктор, он может называться по-разному, например, катушка, дроссель, реактор или соленоид.

Одной из задач катушек индуктивности является сглаживание подачи энергии и отфильтровывание любых неравномерностей.

В блоках питания вы обычно найдете несколько больших катушек индуктивности открытого типа, тогда как на графических картах и ​​материнских платах вы увидите многие из них меньшего формата, заключенные в крошечные коробки для подачи питания на основные компоненты.

Поскольку частота тока, проходящего через катушку, изменяется в зависимости от нагрузки системы, катушка может начать механически резонировать. Это может привести к созданию высокочастотного шума.

Что вызывает свист катушки?

Когда ток проходит через катушки индуктора, катушка вибрирует. В тех случаях, когда катушка вибрирует относительно сердечника индуктора с частотой, лежащей в диапазоне нашего слуха, мы получаем свист катушки.

В зависимости от количества проходящего тока колебания могут изменяться по амплитуде и частоте. В результате меняется громкость и высота звука. Вот почему шум катушки не всегда может присутствовать в вашем компьютере. В зависимости от того, находится ли ПК в режиме ожидания или под нагрузкой, высокое нытье может появляться и исчезать.

Также возможно появление гула на катушках индуктивности с плохой пайкой на печатной плате, но это менее распространено.

Может ли шум катушки привести к повреждению?

Даже если может показаться, что с вашим компьютером возникла какая-то проблема, свист катушки не является вредным или опасным. Хотя это раздражает и неприятно иметь дело, нет никакого риска повреждения вашего ПК.

На самом деле свист катушки является индикатором того, что катушки индуктивности работают нормально. Если бы они были повреждены и не могли пропускать ток, они вообще не издавали бы никакого звука.

В принципе любое электронное устройство имеет шум катушки, просто в большинстве случаев его не слышно.Это совершенно нормально, и нет необходимости беспокоиться о повреждении.

Это проходит или ухудшается со временем?

Вонь катушки может уменьшиться по интенсивности или полностью исчезнуть со временем. Иногда это происходит в течение нескольких дней после получения нового графического процессора/блока питания, в других случаях это может занять больше времени. Но бывают и случаи, когда он остается и не исчезает.

Громкость звука катушки частично зависит от физических свойств катушки индуктивности.Эти свойства могут слегка измениться при использовании ПК-компонента, а это означает, что звук высокого тона, который вы слышите, может выйти за пределы диапазона вашего слуха.

К сожалению, это работает и в другом направлении. Свист катушки также может усилиться или внезапно появиться. Это может быть связано с небольшими изменениями в самом индукторе, а также с программным обеспечением (обычно играми), которое потребляет определенную мощность и заставляет индуктор вибрировать с определенной частотой.

Можно ли устранить шум катушки?

Определенно можно остановить или уменьшить шум катушки.Для этого можно использовать несколько методов. Я перечислил их ниже на странице. Важно отметить, что эти методы не имеют 100% успеха, поэтому ваши результаты могут отличаться.

Какие компоненты ПК могут вызывать шум катушки? Компоненты ПК

, которые в основном ответственны за шум катушки, — это графическая карта (GPU), блок питания (PSU) и материнская плата. Вой катушки хуже, когда через катушки индуктора проходит больший ток, а это компоненты, которые имеют индукторы под высокой нагрузкой.

Некоторые электронные устройства имеют больше проблем со свистом катушек, чем другие. Например, ноутбуки серий Dell XPS 15 и XPS 13 печально известны своими проблемами с высокими звуками. Некоторые MacBook Pro, такие как MBP15 2018 года, также часто имеют его.

Что касается компонентов, то высокопроизводительные видеокарты Nvidia, такие как видеокарты серии GTX 1080/1070 и RTX 2080/2070, регулярно имеют свист катушки, особенно при высоких нагрузках (подробнее об этом позже).

Это не означает, что другие видеокарты не испытывают этой проблемы.Это широко распространенная проблема, которая не может быть сведена к конкретным моделям, определенным брендам или даже к конкретным типам компонентов. Любой компонент с катушками индуктивности может в конечном итоге испытать это, но у некоторых, как правило, это больше, чем у других.

Как определить источник высокого звука

Как мы обсуждали выше, шум катушки в ПК почти всегда вызван графическим процессором, блоком питания или материнской платой. Обычно в таком порядке вероятности. Поэтому, когда мы пытаемся найти источник звука, это первые места, которые нужно искать.Или послушайте, технически.

Итак, как мы можем определить, какой компонент нашего компьютера создает высокий звук?

Для этого мы можем использовать несколько различных методов.

Определение звука на слух

Выяснить, откуда в компьютере исходит звук катушки, может быть сложно. Обычно от вентиляторов много фонового шума, что усложняет работу. Один из способов сделать это проще — использовать устройство, похожее на воронку, чтобы блокировать эти фоновые звуки.

Для этого можно использовать свернутый лист бумаги формата А4, соломинку или настоящую воронку. Поднесите его к уху и направьте другой конец на область, которую хотите изолировать. Это направит звук из этой области в ваше ухо и частично заблокирует окружающий шум.

Начните с прослушивания видеокарты, затем блока питания, затем материнской платы. Везде, где шум катушки является самым громким, этот компонент является вероятным виновником.

Есть некоторые неправильные представления о вентиляторах, вызывающих высокий звук.Вентиляторы редко бывают причиной этого, поэтому вам не нужно тратить время на их осмотр.

Замена компонентов

Если вы не можете обнаружить свист катушки на слух, попробуйте заменить компоненты, которые могут быть причиной проблемы. Когда вы замените ответственный компонент, высокий звук должен исчезнуть.

Конечно, для этого нужно иметь под рукой запасные компоненты. Покупка дополнительной видеокарты или блока питания может оказаться дорогостоящим решением, если только вы не сможете вернуть их в магазин впоследствии.

Если у вас есть дополнительные компоненты, начните с замены видеокарты. Если это не поможет, попробуйте поменять блок питания.

Материнскую плату заменить сложнее, но если вы уже заменили и графический процессор, и блок питания, вероятно, причиной звука являются катушки VRM материнской платы.

После того, как вы нашли компонент, вызывающий проблему, пришло время устранить свист катушки.

Как устранить шум катушки

Существует несколько способов уменьшить или остановить шум катушки.Однако ни один из методов не дает 100% успеха, поэтому это будет процесс проб и ошибок. Я разделил приведенные ниже методы на программные и аппаратные категории.

Что попробовать в первую очередь

Вот несколько вещей, которые вы должны попробовать, прежде чем переходить к фактическим решениям.

Возврат/замена компонента по гарантии

Если GPU/PSU/материнская плата все еще находятся на гарантии, вы можете просто вернуть их через RMA (разрешение на возврат товара) и получить замену.Некоторые производители покрывают вой катушки гарантией, но большинство этого не делает. Обычно вы можете узнать, покрывают ли они это по гарантии, на их веб-сайте.

Хотя вы можете ожидать, что замена компонента на идентичную модель вызовет ту же проблему, это не обязательно так. Микроскопические допуски на конкретной катушке могли быть нарушены, или могла быть проблема с конкретной партией катушек, которые использовались. Заменяющий компонент, вероятно, использует другую партию катушек.

Использование варианта гарантии/RMA может избавить вас от многих хлопот при поиске и устранении неполадок самостоятельно. Нет никакой гарантии, что это сработает, попробовать не помешает.

Подождите немного

В качестве альтернативы, вы можете подождать пару дней (или столько, сколько вы можете стоять, чтобы слушать звук), чтобы увидеть, исчезнет ли гул катушки сам по себе. Иногда она постепенно уменьшается по мере «изнашивания» спирали, а через день или пару недель может полностью исчезнуть.

Некоторые люди клянутся, что проводят стресс-тестирование ПК с помощью программного обеспечения для тестирования, чтобы уменьшить шум катушки. Хотя доказательств того, что этот метод работает, не так много, попробовать все же стоит.

Программные исправления

Целью этих программных исправлений для устранения шума катушек является изменение частоты колебаний катушек индуктивности. Это делается путем изменения энергопотребления видеокарты или материнской платы. Это, в свою очередь, также влияет на мощность, которую обеспечивает блок питания.

Повышение частоты колебаний катушек, например, с 15 000 Гц (в пределах слышимого человеком диапазона 20–20 000 Гц) до 22 000 Гц приводит к полному исчезновению шума катушек.

Ограничение частоты кадров

Один из способов ограничить количество энергии, потребляемой видеокартой или системой, — ограничить количество кадров в секунду (FPS), выдаваемых графическим процессором. Иногда игры и другое программное обеспечение не имеют верхнего предела набора FPS.

По этой причине высокий звук часто слышен во время загрузочных экранов и меню заголовков игр.Частота кадров в эти моменты иногда не ограничена, и вы можете получить более 200 кадров в секунду.

Более высокий FPS означает большую мощность и больший ток, проходящий через катушки индуктивности, и, следовательно, больший шум катушек.

Ограничение частоты кадров можно сделать разными способами:

Включение V-sync/G-sync/FreeSync

Включение V-Sync (или G-sync/FreeSync, если ваш монитор поддерживает это) в игре — самый простой способ справиться с визгом катушки. Это метод, который часто работает.Он синхронизирует FPS игры с частотой обновления монитора.

Например, если у вас монитор с частотой 60 Гц, игра ограничивает максимальный FPS на уровне 60.

V-sync может увеличить задержку ввода, поэтому, если вы хотите избежать этого, вы можете рассмотреть следующий метод.

Использование ограничителя кадров

Другой вариант — использовать ограничитель кадров для ограничения частоты кадров. Эта опция иногда встречается в играх, но всегда доступна в настройках драйвера видеокарты.Это можно сделать с помощью параметра ограничения количества кадров в панели управления nVidia или в настройках AMD Radeon.

Изменение скорости вентилятора

Некоторым людям удалось справиться с шумом катушки, изменив стандартную скорость вращения вентилятора графического процессора. По сути, это изменяет рабочую температуру компонентов видеокарты.

Микроскопические вибрации катушек могут уменьшаться, когда индуктор сжимается или расширяется больше из-за более высокой или низкой температуры.

Вы можете изменить скорость вращения вентилятора с помощью RivaTuner, MSI Afterburner или эквивалентного программного обеспечения производителя вашей видеокарты.

Поддерживайте температуру в пределах нормы и избегайте перегрева карты.

Ограничение мощности, разгон, понижение частоты и пониженное напряжение

Другими способами, которыми вы можете изменить потребляемую мощность вашей видеокарты и системы, являются изменение предела мощности, разгон, понижение частоты и снижение напряжения вашей карты.Для этого вы можете использовать некоторые другие настройки, доступные в MSI Afterburner или аналогичном программном обеспечении.

Эти методы также можно использовать для борьбы с шумом катушек VRM материнской платы, но для этого вам потребуется другое программное обеспечение.

Учитывая, что это более продвинутые методы, я рекомендую вам изучить их и применять только в том случае, если вы знаете, что делаете.

Короче говоря, все, что изменяет потребляемую мощность компонента, вызывающего гул катушки, потенциально может решить проблему.

Однако некоторые методы (уменьшение предела мощности, понижение частоты) ограничивают производительность. На мой взгляд, при нынешних ценах на видеокарты это не должно быть чем-то, что вам нужно делать, чтобы наслаждаться своим оборудованием в тишине.

Аппаратные исправления

Помимо программных решений, существуют также методы, связанные с аппаратным обеспечением, которые можно использовать для исправления или уменьшения шума катушки. Как правило, это более затратно (как по деньгам, так и по времени), но они, как правило, дают более постоянное решение.

Перемещение компьютера подальше

Мы могли бы также начать с самого простого решения, переместив компьютер подальше от ушей. Громкость высокочастотных звуков, таких как визг катушки, быстро уменьшается с расстоянием. Перемещение компьютера на дополнительный метр от вас может значительно уменьшить шум.

Очевидно, это возможно, только если у вас достаточно места. И если длина внешних кабелей позволяет. Часто это не вариант, но когда он есть, это относительно легко сделать.

Крепление катушек индуктивности

На другом конце спектра мы находим самый радикальный вариант, закрепление катушек на месте. Это включает в себя покрытие индуктора непроводящим материалом, таким как горячий клей. Его цель состоит в том, чтобы полностью предотвратить вибрацию катушки индуктора.

Обычно это делается с помощью изоляционного лака, эпоксидной смолы или горячего клея. Пока жидкость не проводит ток и через некоторое время высыхает, все должно быть в порядке. Когда это работает, это в основном создает постоянное исправление.

Рекомендуемые:

Основное руководство по горячему клею

Однако в настоящее время этот метод трудно реализовать на видеокартах и ​​материнских платах, поскольку в них не используются открытые тороидальные катушки индуктивности. Вместо этого они используют индукторы, заключенные в небольшие коробки с демпфирующим материалом.

Излишне говорить, что этот демпфирующий материал не всегда работает очень хорошо.Особенно, когда использовались более дешевые катушки индуктивности. Но не имея возможности вскрыть катушки индуктивности, невозможно нанести на катушки горячий клей или лак.

Этот метод также аннулирует гарантию, поэтому, если вы не испробовали все другие возможные решения, я не рекомендую это делать.

Изоляция ПК звукопоглощающей пеной

Если устранение шума катушки не помогает, то допустимым решением может быть предотвращение выхода шума из корпуса компьютера. Проще всего это сделать с помощью звукопоглощающей пены высокой плотности.Изоляция корпуса с его помощью помогает поглощать большую часть высокочастотных звуковых волн.

Чем лучше корпус изолирован демпфирующей пеной, тем меньше шума уходит наружу. Но не переусердствуйте! Вы не хотите препятствовать потоку воздуха.

Кожух со звукоизоляцией

В некоторых случаях шумопоглощающей пены недостаточно, чтобы остановить шум катушки. Например, если у вас особенно тонкий и/или открытый корпус компьютера, остановить выход высокочастотного звука может оказаться непростой задачей.

Замена всего корпуса на корпус, предназначенный для бесшумной работы, сводит к минимуму количество шума катушки, который достигает ваших ушей, а иногда делает его совершенно неслышимым.

В качестве дополнительного преимущества он также снижает уровень шума от вентиляторов и жестких дисков.

Fractal Design Define R5 — хорошая бесшумная башня средней ценовой категории, в то время как be quiet! Dark Base 900 — отличное решение, если вам нужна полноценная башня с большим пространством.

Замена блока питания

Независимо от того, какой компонент вызывает свист катушки, замена блока питания компьютера может решить проблему.«Грязное» питание от низкокачественного или неисправного блока питания может создать проблемы в дальнейшем по цепочке, например, в графическом процессоре или материнской плате.

Точно так же другой блок питания может выдавать немного другое напряжение на шинах, что приводит к тому, что катушки вибрируют с другой частотой.

Использование высококачественного источника питания снижает риск появления гула катушки, но это ни в коем случае не является гарантией. Большинство источников питания, кажется, справляются с этим, но некоторые больше, чем другие.

По моему опыту, блоки питания серии EVGA Supernova практически не имеют проблем с шумом катушки (и в целом бесшумны).

Наушники с шумоподавлением

Чтобы полностью избавиться от шума катушки, вы также можете использовать наушники с шумоподавлением или активным шумоподавлением. Амортизирующая пена амбушюров обычно хорошо поглощает высокие частоты.

В настоящее время вы можете найти пару приличных наушников с шумоподавлением по разумной цене.

Что можно сделать, чтобы предотвратить гул катушки?

Гарантировать, что катушка не будет визжать, практически невозможно, но, безусловно, можно снизить риск оказаться с ним.

Лучший способ сделать это — изучить продукт, который вы собираетесь купить. Прочтите отзывы о продукте и убедитесь, что жалоб на шум катушки не так много. Вы можете поискать продукт + «свист катушки» в Google, чтобы проверить.

Однако не всегда есть возможность проверить отзывы. Если вы хотите купить видеокарту или блок питания, которые только что были выпущены, у вас нет такой возможности. В этом случае может помочь покупка у производителя, который, как известно, покрывает вой катушки по гарантии, например EVGA.

Покупка в магазинах с хорошей политикой возврата также может помочь. Amazon и B&H не сложны, когда дело доходит до таких вещей. Но для других поставщиков, таких как Newegg и Best Buy, все может быть по-другому. Перед покупкой лучше уточнить политику магазина в отношении визга катушки.

Что делает свист катушки неизбежной проблемой?

Компоненты современных компьютеров, такие как видеокарты, представляют собой сложные устройства. Их детали работают на разных частотах, из-за чего они могут взаимодействовать и колебаться так, как инженеры никогда не планировали в процессе разработки. Именно это затрудняет не только предотвращение, но и полное устранение гула катушек!

Заключение

Свист катушки — это раздражающий высокий звук, который можно услышать из вашего компьютера. Это вызвано катушками индуктивности на видеокартах, блоках питания и материнских платах. Любой компьютерный энтузиаст, вероятно, когда-нибудь с этим столкнется.

Вы узнали:

• Что такое свист катушки и как он звучит
• Что такое индуктор
• Причины скрипа катушки
• Как узнать, откуда исходит высокий звук в вашем ПК
• Различные способы устранения шума катушки

• Тим — основатель умных творений.орг. Он увлечен строительством, ремонтом и всем, что связано с DIY. Когда он не занят написанием статей на эти темы, вы можете найти его в его мастерской.

  Просмотреть все сообщения

От Physclips Waves and Sound

Удельный акустический импеданс z представляет собой отношение звукового давления к скорости частиц, а z=ρv, где ρ – плотность, а v – скорость звука.(См. Акустическое сопротивление, интенсивность и мощность для пересмотра). Таким образом, для нашего воздуховода с площадью поперечного сечения A, при условии, что волна строго одномерна и распространяется в одном направлении, акустический объемный поток равен U=Au. Для этого особого случая мы определяем характеристическое акустическое сопротивление Z 0 , где Z 0   =  p/U  =  p/Au  =  z/A     так Z 0   =  ρv/A Конечно, обычно есть отражения от другого конца трубы, открытой или закрытой. Таким образом, есть сумма волн, бегущих вправо и влево, и довольно часто они дают сильные резонансы, что, в конце концов, и является тем, как работают музыкальные духовые инструменты. Однако для воздуховодов характеристический акустический импеданс Z 0 представляет собой размерную величину, которая масштабирует акустический импеданс. Чтобы увидеть, как выглядят спектры импеданса простых воздуховодов и музыкальных инструментов, см. Что такое акустический импеданс? Однако отражение может отсутствовать. Если длина трубы L очень велика, отражение возвращается в течение длительного времени.Таким образом, для времени 2L/v канал фактически бесконечен. Кроме того, когда эхо-сигналы в конце концов возвращаются, они сильно ослабляются за счет потерь на стене. (Я упоминаю об этом, потому что в нашей исследовательской лаборатории мы используем акустически бесконечные акустические волноводы в качестве калибровок для акустических измерений. См. этот веб-сайт для исследовательской лаборатории, эту страницу для методов измерения или эту научную статью для некоторой технической информации, если вы интересно. ) Акустическая инерция Акустическая инертность и акустическая податливость вводят два очень важных частных случая.Оба используют идею компактной области : области, размеры которой намного меньше, чем длины волн, которые мы рассматриваем. Как следствие, изменение фазы звуковой волны в этом районе мало, и поэтому давление (приблизительно) однородно. Чему равно сопротивление короткого цилиндра площадью A и длиной L << λ? Цилиндр вибрирует из-за перепада звукового давления р, приложенного к нему. Пусть он колеблется в направлении x с положением y = y m cos ωt, поэтому его ускорение равно a =  ∂ 2 y/∂t 2   =  – ω 2 y m  cos ωt, Из определения плотности ρ = масса/объем, масса цилиндра равна ρ.V  =  ρ.AL. Суммарная сила, действующая на него, равна p.A. Таким образом, замена во втором законе Ньютона ( F = m a ) дает pA = ρ. AL.( – ω 2 y m cos ωt,) =  – ω 2 ρ.ALy m cos ωt =  – (p m  cos ωt)A Таким образом, мы показали, что величина акустического давления, необходимая для создания описанного выше ускорения, равна p m  =  ω 2 ρ.Л.у м . (Обратите внимание, что здесь нет A: и сила, и масса масштабируются как A.) Этот цилиндр движется с частицами внутри него, поэтому, чтобы получить объемный поток, мы умножаем скорость частицы на площадь A, через которую она проходит: U = Au = A∂y/∂t =  – Ay м ω sin ωt, что говорит нам о том, что p и U на 90 90 816 ° не совпадают по фазе с 90 817 .Функция cos ωt на 90° опережает sin ωt. (Функция cos имеет максимум при t = 0, тогда как функция синуса имеет максимум на четверть периода позже.) Таким образом, когда мы определяем отношение p к U, мы должны учитывать эту разность фаз. Величина отношения просто p/U = ω 2 ρ.L.y м /ωy м A  = ω.ρ.L/A Таким образом, импеданс компактной области площадью A, длиной L и плотностью ρ равен . Z = ω.ρ.L/A        и имеет положительную фазу 90° (напорные выводы текут на 90°). Сравнение фазоров и комплексного импеданса дано в цепях переменного тока. В комплексной записи мы запишем предыдущий результат как Z  =  jω.ρ.L/A ,    где j 2   =  –1. Давайте проверим единицы измерения: Z – давление над расходом, поэтому (кг.м.с −2 /м 2 )/(м 3 /с) = кг.м −4 с −1 . В правой части ωρL/A имеет единицы измерения (с -1 ).(кг.м -3 ).м/м -2 = кг.м -4 с -1 . Инертность составляет всего L = ρL/A. Здесь требуется давление, потому что масса ускоряемого воздуха имеет массу. Вот почему Z пропорционально ω: вибрация на более высокой частоте требует большего ускорения и, следовательно, большего акустического давления. По этой причине импеданс, при котором давление опережает поток на 90°, называется инерционным импедансом .Вы можете вспомнить разницу фаз с помощью этого упрощенного рассуждения: вам нужно какое-то время прикладывать давление, чтобы ускорение создавало поток, поэтому давление на опережает поток на . (Вы можете задаться вопросом, почему инерция имеет площадь в знаменателе, когда она должна быть в числителе инерции. Я знал, когда впервые столкнулся с ней. Да, масса имеет A в числителе. Но есть два множителя, дающие A в знаменателе: во-первых, наш числитель импеданса – это давление, у которого в знаменателе есть А, а наш знаменатель равен U = uA, поэтому еще один А в знаменателе.) Акустическое соответствие Теперь рассмотрим небольшой объем V, опять же с размерами << λ. На этот раз приложенное давление сожмет его, поэтому давайте представим цилиндр воздуха в канале с поперечным сечением А, который закрыт с правой стороны. Приложим акустическое давление p к левому концу. Это сжимает его с колебательным смещением только на левом конце, y =  y m  cos ωt. В момент моего наброска p положительно, а ΔV отрицательно.Объем меняется со временем на ΔV =  y м cos ωt  =  (ΔV) м  cos ωt. Поток U в объем равен – ∂V/∂t, значит U  ​​=   – ∂/∂t (ΔV) м cos ωt  =  ω (ΔV) м  sin ωt Какое давление необходимо, чтобы сжать объем воздуха на ΔV/V? Ответ сложен, потому что, когда вы сжимаете газ, его температура повышается, особенно если вы сжимаете его так быстро, что для отвода тепла недостаточно времени.В разделе, посвященном волновому уравнению для звука, мы показываем, что изменение давления p, необходимое для получения относительного изменения объема ΔV/V в газе, первоначально находившемся под давлением P, равно где γ, адиабатический коэффициент (который мы получаем в адиабатическом сжатии и расширении) составляет около 1,4 для воздуха. Здесь фракционное изменение объема составляет (ΔV) м  cos ωt /V. Теперь давление в равновесии равно атмосферному давлению P A .Таким образом, дробное изменение давления равно p m /P A   =  – γ (ΔV) m  cos ωt/V      so       p m =  – γ P A  (V90ωt 8/s ω1 8 s1 m m Здесь мы наблюдаем, что давление (функция минус cos) отстает от потока на 90° (функция синуса). Итак, опять же, при определении отношения Δ p к U мы должны учитывать эту разность фаз. величина отношения составляет всего Δp/U = величина (– γP A (ΔV) м cos ωt /V)/(ω(Δ V) м  sin ωt) / =  γP 6 γP 6 ωВ. Таким образом, если мы установим акустическую податливость  C =  V/γP A  , мы можем написать, что импеданс Z закрытой компактной области с площадью входа A, объемом V и средой при атмосферном давлении и с коэффициентом адиабаты γ равен Z  =  γP A /ωV  =  1/ωC ​​     и имеет отрицательную фазу 90° (давление отстает от потока на 90°). В комплексной записи мы запишем это как Z =  – jγP A /ωV =  γP A /jωV  =  1/jωC Здесь втекающий газ увеличивает давление.Вот почему Z обратно пропорционально омеге: вибрация на более высокой частоте имеет более короткий период, поэтому количество газа, втекающего в течение полупериода, в течение которого поток направлен внутрь, меньше и создает меньшее давление. Воздух в замкнутом объеме действует как пружина. По аналогии с механической податливостью компактный закрытый объем называется податливостью, а акустический импеданс, в котором давление отстает от потока на 90°, называется податливым импедансом .Вы можете вспомнить разницу фаз с помощью этого упрощенного рассуждения: вам нужен поток на некоторое время, прежде чем давление сильно возрастет, поэтому давление должно отставать от потока. Вы, наверное, уже думали, что податливость и инертность могут вызывать резонансные колебания, как конденсатор и индуктивность в цепях переменного тока. Правильный. Простым примером такого акустического резонанса является резонанс Гельмгольца. Аналоги переменного тока Изменяющееся напряжение создает ток, изменяющееся давление создает акустический поток.Электрическое сопротивление забирает мощность из цепи и вызывает падение напряжения в фазе с (электрическим) током. В акустике потери вязкой и тепловой энергии на стенках воздуховодов создают акустическое сопротивление, причем давление и поток совпадают по фазе. Конденсатор накапливает электрический заряд (интегрирует ток) и создает напряжение, которое отстает от тока, точно так же, как акустическая податливость (которую иногда называют акустической емкостью ). Катушка индуктивности имеет тенденцию поддерживать ток (это электрический аналог инерции), поэтому индуктивность подобна инерции (поэтому ее иногда называют акустической индуктивностью ).Уравнения аналогичны как в векторной, так и в комплексной записи. (См. Цепи переменного тока.) Одно важное предупреждение об этой аналогии . Закон Кирхгофа для электричества следует применять с осторожностью: акустический канал не аналогичен простому короткому отрезку провода. Во многих электрических цепях токи в проводе часто равны на обоих концах. Рассмотрим канал длиной в четверть длины волны — у него может быть узел потока на одном конце и пучность на другом.Таким образом, тот факт, что воздух сжимаем и имеет массу, которой нельзя пренебречь, означает, что он почти всегда обладает акустической податливостью и инертностью. Воздуховод аналогичен электрической задержке или коаксиальному кабелю: оба они имеют инерционные и податливые (индуктивные и емкостные) члены, распределенные непрерывно по их длине. Сопротивление излучения Что происходит, когда звуковая волна достигает открытого конца трубы? В грубом приближении можно сказать, что снаружи трубы давление атмосферное, поэтому оно не меняется во времени, поэтому акустическое давление на открытом воздухе равно нулю, а волна отражается с изменением фазы на 180°. Но, конечно, какой-то звук излучается из открытого конца трубы, поэтому, даже если акустическое давление мало по сравнению с давлением внутри трубы, оно не равно нулю. Родственная проблема была впервые решена Уильямом Струттом (он же Рэлей). Он рассмотрел круглый поршень (радиус a so площадь A = πa 2 ), совершающий синусоидальные колебания с амплитудой x м и частотой ω в большой плоской перегородке, поэтому его положение относительно плоскости перегородки x = x m sin ωt. Акустический поток на поверхности поршня U =  Av  =  ωAx м cos ωt. Давление p на поверхности поршня есть давление, обусловленное импедансом Z рад радиационного поля. Следует ожидать, что основной вклад в это давление вносит инертность воздуха, находящегося очень близко к поршню: в то время как более удаленный воздух одновременно очень мало перемещается и слегка сжимается/разрежается, воздух, ближайший к поршню и непосредственно перед ним, должен двигаться с ним. Рассмотрим тогда объем воздуха с плотностью ρ, площадью A и длиной δ, и пусть его инерция определяет (приблизительно) Z рад .Сила, необходимая для его перемещения, равна F  =  масса * ускорение  =  (ρAδ)(dv/dt)  =  (ρAδ)(− ω 2 x м sin ωt) Но из определения давления F  =  pA, поэтому импеданс излучения имеет величину |Z рад | =  p/U  =  ωρδ/A и его фаза +90: давление излучения опережает поток на 90. Для этого поршня в бесконечном фланце δ оказывается равным 0,85а. Теперь мы можем рассматривать этот поршень как аппроксимирующий поток в открытой трубе.Так, для трубы, оканчивающейся большим фланцем, возникает инерция из-за объема воздуха длиной δ ~ 0,85а, который движется вместе с волной на конце трубы. Для простой узкой открытой трубы δ составляет 0,6 а. Они называются конечными эффектами . Для частот достаточно низких tht δ Отражение Итак, что происходит с волной, когда она достигает конца трубы? Предположим, что наша труба очень длинная, но заканчивается в точке x = 0, как показано ниже. Труба (x0, а сопротивление излучения на конце Z рад .Таким образом, импеданс при x = 0 зависит от того, с какой стороны «смотреть». Если смотреть наружу (при x = 0, но при x > 0), импеданс на конце трубы составляет Z рад . Если смотреть внутрь (при x = 0, но при x < 0), импеданс на конце трубы равен Z 0 . (Как мы видели выше, Z 0 реально: полное сопротивление очень длинной трубы резистивное, тогда как Z рад в значительной степени промежуточное: его полное сопротивление почти полностью мнимое.) Предположим, что мы посылаем синусоиду по трубе вправо.Пусть давление этой волны равно p = p > sin (kx − ωt) , где нижний индекс в амплитуде должен напоминать нам, что волна движется вправо (см. Волновое уравнение для звука). Поток, обусловленный этой волной, равен U = U > sin (kx − ωt) и, как мы видели выше, Снаружи трубы (в точке x = 0, но если посмотреть наружу, что мы запишем как x = 0 + ), от трубы исходит звуковое излучение. Запишем, что давление*, смотрящее в поле излучения (при x = 0 + ), равно p(0 + ) = p рад sin (− ωt).g(x) , а поток из трубы из-за этой волны равен U(0 + ) = U рад sin (− ωt).h(x) . Как мы и писали выше , помня, что Z рад почти полностью мнимое, так что p рад почти на 90° опережает U рад по фазе, поэтому хотя бы одно из них должно быть комплексным числом. * Здесь мы не можем написать простое одномерное волновое уравнение, потому что излучение расходится. Геометрия очень близко к концу трубы на самом деле несколько сложна, но это не важно для этого аргумента.Вдали от конца, т. е. при kr >> 1, где r — расстояние до конца трубы, амплитуды как p рад , так и U рад идут как 1/r и находятся в фазе: локальная геометрия приближается к плоской волне. Непрерывность давления. Теперь точно при x = 0, на конце трубы, давление сразу внутри трубы должно равняться давлению сразу снаружи. (Если бы мы не соблюдали непрерывность давления, у нас был бы бесконечный градиент давления и, следовательно, бесконечная сила.) У нас тоже есть Непрерывность потока: поток, выходящий из трубы (при x = 0 − ), должен равняться расходу, расходящемуся наружу (при x = 0 + ). (Непрерывность давления требуется, потому что мы не создаем и не уничтожаем воздух.) Конечно, мы не можем удовлетворить этим условиям с этими двумя волнами: величина Z 0 намного больше, чем величина Z рад , поэтому, если мы установим потоки равными, давления не могут быть равными. То, что происходит, неудивительно: на открытом конце имеется отражение : запишем отраженную волну, которая идет к левому , как p = p < sin (kx + ωt) и поток, обусловленный эта волна U = U < sin (kx + ωt).Итак, при x = 0 должны выполняться условия непрерывности давления и расхода: p >  + p <  = p рад     и    U >  – U <  = U рад . (Почему знак минус? Потому что U > и U рад вытекают из трубы, а U < втекают.) Мы можем использовать приведенные выше уравнения для Z 0 и Z рад переписать вышеприведенное уравнение какЭто и уравнение выше слева представляют собой два уравнения, которые можно решить, чтобы получить коэффициент отражения в конце: Коэффициент отражения = P < / P > = (Z RAD – Z 0 ) / (Z RAD + Z 0 ) = – (1 – Z RAD / Z 0 )/(1  + Z рад /Z 0 ) где мы помним, что коэффициент отражения вообще комплексное число (Z рад почти полностью мнимое).Теперь, за исключением очень высоких частот, |Z рад | << Z 0 , поэтому коэффициент отражения почти равен −1: у нас есть отражение с изменением фазы π в давлении, но нет изменения фазы в потоке. Это дает нам узел давления (две волны не в фазе в сумме дают приблизительно нуль) и пучность потока на открытом конце (две волны в фазе складываются, чтобы дать максимум). Итак, у нас есть отражение на открытом конце трубы: очень полезны стоячие волны в музыкальных инструментах, голосе и в других местах.Примеры, пояснения и анимации приведены в разделах «Открытые и закрытые трубы» и «Трубы и гармоники». На рисунке цепочка волн p > показана красным, отражаясь от конца трубы: p < – синим, а их сумма, стоячая волна, – черным. Излучаемая волна имеет фиолетовый цвет. Отражение на закрытом конце несколько проще. Если труба идеально закрыта, то сохранение потока должно означать, что U > и U < добавляют к нулю, что означает, что они не совпадают по фазе на π.Их давления совпадают по фазе, поэтому закрытый конец трубы имеет пучность давления и узел потока. Обработка импеданса Из приведенной выше диаграммы видно, что, когда падающая волна достигает перехода от высокого импеданса в канале к низкому импедансу в поле излучения, большая часть мощности падающей волны отражается, а не передается. Более высокая передача может быть достигнута путем вставки между ними области промежуточного импеданса.(Чтобы продолжить электрическую аналогию выше, это можно сравнить с каскадами согласования импеданса или трансформаторами.) Колокол тромбона работает как трансформатор импеданса. Это можно легко продемонстрировать, отсоединив раструб, что делает инструмент намного мягче. Это также существенно меняет тембр, так как раструб пропускает волны, длина волны которых мала по сравнению с радиусом кривизны профиля раструба. Еще один хороший пример — закрыто-открытая труба.Для длины волны, в четыре раза превышающей длину трубы (и для нечетных кратных этой частоты), импеданс очень высок на закрытом конце и очень низок на открытом конце. (Подробнее об этих резонансах.) По этой причине речевой тракт является хорошим согласователем импеданса для некоторых частот: резонансы в тракте создают форманты выходного звука. Ушной канал или слуховой проход также имеют резонансы, которые действуют как преобразователи импеданса для двух частотных диапазонов. См. также этот раздел нашего FAQ. Дополнительная информация

Электротехника. Гудение от катушки индуктивности повышающего преобразователя

Во-первых, правильно рисуйте схемы, когда просите других посмотреть на них. Ваш поток справа налево довольно раздражает.

Есть две основные причины, по которым эта схема может вызвать шум: катушка индуктивности и выходной конденсатор.

Индуктор

Катушка индуктивности может издавать звук по двум причинам:

1. На каждый кусок проволоки действует боковая сила из-за магнитного поля.Когда это меняется, сила на проводе меняется. Обмотки не должны двигаться, но небольшие вибрации все равно случаются.
2. Магниторестрикционный эффект. Некоторые магнитные материалы слегка меняют размер в зависимости от магнитного поля.

Конденсатор

Конденсатор может издавать звук из-за пьезоэлектрического эффекта. Это электрический аналог магниторестрикционного эффекта. Материал слегка меняет размер в зависимости от электрического поля.

Верно и обратное, то есть напряжение на керамическом конденсаторе может немного измениться из-за приложенной силы.У этого нежелательного свойства даже есть название, называемое microphonics . Вот почему керамические конденсаторы обычно запрещены на пути прохождения сигнала чувствительных аудиосхем.

4,7 мкФ для выходного конденсатора кажется маловато. Я не читал весь лист данных, но в примерах, которые я видел, использовалось 10 мкФ. Может быть, это в пределах спецификации, но, безусловно, нет ничего плохого в том, чтобы сделать его выше. Это сделало бы выходное напряжение более плавным, что включает в себя меньшее изменение напряжения на конденсаторе.

Нестабильность

Вышеизложенное объясняет, почему эта схема может издавать звук на частоте переключения.Поскольку согласно техническому описанию это 1,2 МГц, это явно не то, что вы слышите. На самом деле это симптом более серьезной проблемы, заключающейся в нестабильности контроллера.

Происходит следующее: контроллер становится метастабильным. За несколько импульсов напряжение повышается. Это приводит к возврату ШИМ на несколько импульсов. В результате возникают колебания с более низкой частотой, чем частота переключения. Это то, что вы слышите. Вы действительно должны исправить это.

Я бы попробовал параллельно C1 подключить еще один конденсатор. Вы не даете никаких характеристик C1, поэтому мы не знаем номинального напряжения. Для некоторых керамических колпачков емкость значительно падает с напряжением. Например, если это конденсатор на 30 В, то емкость может быть значительно меньше 4,7 мкФ при 25 В.

Теперь я вижу, что на странице 12 таблицы данных есть таблица, в которой говорится, что 4,7 мкФ достаточно для выходного напряжения 16 В. Это не означает, что более высокие значения плохи.

Несмотря на то, что в техническом описании указано, что микросхеме требуется только входная емкость 1 мкФ, явно нет причин, по которым вы не можете использовать больше.Конечно, эта часть работает с источником напряжения с нулевым импедансом в качестве входа. Я бы поставил туда 10 мкФ, так как это дешево и просто.

Коэффициент повышения напряжения

Вы запрашиваете коэффициент повышения напряжения (25 В)/(5 В) = 5. Для этого требуется номинальный рабочий цикл ШИМ, равный 80 %. Это близко к максимальному рабочему циклу 85%, для которого предназначен этот чип.

Диод

При этих напряжениях и токах вам действительно следует использовать диод Шоттки. У них половина падения вперед, и они очень быстрые.Я не искал ваш диод, но другая возможная проблема заключается в том, что у него слишком большое время обратного восстановления. При скорости переключения более 1 МГц это очень важно. Любой обычный диод здесь далеко не достаточно хорош.

Исправления

Возможно, вы по-прежнему соответствуете требованиям, но уже на пределе возможностей. Проявите немного интуиции и постарайтесь максимально облегчить чипу задачу. Как и в большинстве случаев в жизни, попытка ускользнуть от самого минимума в конечном итоге приводит к неприятностям, когда все остальное не в порядке.

Использовать входной колпачок большего размера не составляет труда.

Использование диода Шоттки не составляет труда, и на самом деле его отсутствие может вызвать серьезные проблемы.

Скорее всего, помогло бы большее выходное ограничение. Метаколебания возникают из-за нестабильности управления. Наиболее вероятной причиной этого является недостаточная выходная емкость. Ваш конденсатор «4,7 мкФ», вероятно, не соответствует 4,7 мкФ при 25 В.

опубликовано более 1 года назад

более 1 года назад

.