Tłumienie hałasu akustycznego w zasilaczach impulsowych

Kiedy siedzimy w samochodzie, dźwięk silnika wydaje się nam czymś zupełnie naturalnym. W komorze silnika znajduje się przecież maszyna z ruchomymi częściami. Dla niektórych dźwięk ten jest nawet przyjemny. Tak naprawdę, w fabrykach samochodów i innych urządzeń całe zespoły badawcze zajmują się tworzeniem i udoskonalaniem przyjemnych dla ucha doświadczeń dźwiękowych.

Jednak w przypadku zasolaczy impulsowych (SMPS) sytuacja wygląda inaczej. Dźwięki takie jak brzęczenie czy piszczenie mogą być odbierane nawet jako sygnał ostrzegawczy. Chociaż zasilacze składają się z dużej liczby części elektronicznych, to kiedy są włączone, żadna z tych części nie powinna się ruszać. Dlatego też zasilacz nie powinien wydawać żadnych dźwięków, prawda?

Najczęściej niepokojące szumy, dochodzące z zasilaczy prądu zmiennego, są szumami o niskiej częstotliwości 100 lub 120Hz. W miarę jak struktura zasilaczy stawała się coraz bardziej złożona, zmieniał się również zakres emitowanych przez nie fal dźwiękowych. Jednak większość słyszalnych dźwięków nie powinna wzbudzać niepokoju.

Postrzeganie a skutek

Człowiek jest wstanie usłyszeć fale dźwiękowe w zakresie częstotliwości od 16Hz do około 20kHz (ilustracja 1). Jednak to, czy dany dźwięk powoduje rozproszenie uwagi lub irytację, zależy również od tego, jak odbieramy go w środowisku, w którym jest generowany.

Ilustracja 1: Zakres częstotliwości słyszalnych przez ludzkie ucho. (Źródło ilustracji: @ TRACO)

Hałas generowany przez zasilacz przemysłowy prawdopodobnie nie będzie odczytywany jako coś niepokojącego, ponieważ większość osób będzie odbierać ten dźwięk w kontekście innych odgłosów w tle - będzie to dla nich jeden z elementów składowych procesów produkcyjnych w fabryce. Inne hałasy, dzięki swojej częstotliwości i głośności, mogą również maskować częstotliwości generowane przez zasilacz - jest to efekt badany w psychoakustyce i wykorzystywany do kompresji dźwięku w formacie MP3. Takie zasilacze są również zazwyczaj montowane w zamykanych tablicach sterujących, ponieważ zamknięcie drzwi umożliwia tłumienie wszelkich generowanych dźwięków.

W innym otoczeniu, np. w biurze, reakcja na szum zasilacza będzie zupełnie inna. Zwykle postrzegamy piszczenie lub brzęczenie dochodzące z urządzenia elektrycznego jako coś nieprzyjemnego. Dźwięki te mogą nawet budzić obawy odnośnie do bezpieczeństwa urządzenia.

Przyczyny powstawania szumów i ich pochodzenie

Pola magnetyczne

Jeśli przewodnik prądu znajduje się w polu magnetycznym, to generalnie oddziałuje na niego siła. Działanie tej siły jest największe, gdy kierunki prądu i pola magnetycznego tworzą kąt 90°. W takich przypadkach oddziałująca siła jest prostopadła względem przepływu prądu i kierunku linii pola magnetycznego. Przy pomocy trzech palców prawej dłoni można określić kierunek tej siły, korzystając z reguły prawej ręki (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Reguła prawej/lewej ręki. (Źródło obrazu: ©TRACO)

W przypadku transformatorów i niektórych cewek indukcyjnych, w żelaznym rdzeniu może wystąpić zjawisko znane jako magnetostrykcja, odkryte po raz pierwszy przez Jamesa Joule'a w 1842 roku. Powoduje ono zmianę kształtu lub wymiarów materiałów ferromagnetycznych podczas procesu namagnesowania, który jest wynikiem przepływu prądu przez przewodnik danego elementu. Te drobne zmiany w objętości materiału prowadzą nie tylko do wzrostu temperatury w wyniku tarcia, ale także często do generowania słyszalnych szumów.

W transformatorach często wykorzystuje się stal krzemową o zmiennej zawartości krzemu, która pomaga zwiększyć opór elektryczny żelaza. Stal krzemowa zawierająca 6% krzemu zapewnia optymalną redukcję magnetostrykcji, ale niestety kosztem większej kruchości.

Zjawisko piezoelektryczne

Kolejna przyczyna hałasu wynika ze zjawiska piezoelektrycznego. Słowo „piezo” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „naciskać”. W 1880 roku Jacques i Pierre Curie odkryli, że naprężenie w różnych kryształach, takich jak kwarc, generuje ładunek elektryczny. Nazwali to zjawisko „piezoelektrycznością” (ilustracja 3). Następnie zauważyli, że pola elektryczne mogą zmieniać kształt materiałów piezoelektrycznych. Jest to odwrotne zjawisko piezoelektryczne.

Ilustracja 3: Zjawisko piezoelektryczne przedstawione na przykładzie kwarcu. (Źródło obrazu: © TRACO)

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne powoduje zmianę długości materiałów przy przyłożeniu napięcia elektrycznego. Taki efekt aktuatora przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Zmiany napięcia zmieniają również masę geometryczną kondensatorów ceramicznych, w wyniku czego działają one jak maleńkie głośniki emitujące w przestrzeń fale ciśnienia.