Campo eléctrico cerca de un altavoz dinámico a frecuencia resonante

Fondo

Conduzco un altavoz barato de 8 ohmios con un LM386. El circuito LM386 es casi idéntico al de la hoja de datos que se muestra a continuación, excepto que Vin está acoplado a CA a través de un capacitor de 10uF y el capacitor de 250uF es de solo 100uF. El altavoz se parece al del enlace digikey a continuación, pero no estoy seguro del modelo exacto.

https://www.digikey.com/product-detail/en/pui-audio-inc/AS03608MR-5-R/668-1398-ND/4147322 ingrese la descripción de la imagen aquí

Estoy conectando la entrada del LM386 a un generador de funciones y conduciéndolo con una onda sinusoidal. Luego, estoy usando una sonda de campo E de campo cercano para medir el campo eléctrico al lado del altavoz. Mi sonda de campo electrónico es la de banda ancha en el kit vinculado a continuación.

https://www.com-power.com/ps-400_near_field_probes.html

A la frecuencia resonante del altavoz (~510 Hz), puedo medir unos 10 mV pico a pico sinusoidales con la sonda de campo E justo en frente del diafragma del altavoz. La amplitud disminuye cuando la sonda se aleja del centro del diafragma. La señal se vuelve muy pequeña o imposible de medir en otras frecuencias.

Cuando la sonda de campo E está frente al centro del diafragma, el campo E medido está desfasado 180 grados con respecto a la salida del LM386. Si muevo la sonda de campo E al centro de la parte posterior del altavoz, el campo E medido es más pequeño y también está en fase con la salida LM386. El intercambio de los cables del altavoz mantiene la diferencia de fase de 180 grados entre el campo medido delante del diafragma y detrás del altavoz, pero se invierte la fase relativa a la salida del LM386.

Al abrir el altavoz y mirar la bobina de voz, el cable se enrolla y luego vuelve a enrollarse en el exterior. El resultado es que ambos extremos del alambre están en el mismo extremo de la bobina y hay 2 cilindros concéntricos de alambre.

Como nota al margen, no puedo medir nada con la sonda de campo H. Ni en el centro del diafragma ni a lo largo de los cables que se conectan al altavoz. Me doy cuenta de que el ancho de banda de la sonda es de una frecuencia mucho más alta y puede que no sea lo suficientemente sensible.

Pregunta

¿Cómo irradia el campo E el altavoz? ¿Por qué solo sucede en la frecuencia resonante? ¿Por qué la fase es diferente entre la parte delantera y trasera del altavoz?

¡Gracias!

EDITAR: después de abrir el altavoz, descubrí que la bobina de voz está enrollada de manera que los dos extremos del cable terminan en el mismo lado. Esto puede refutar la hipótesis de que hay cargas opuestas en lados opuestos de la bobina.

No estoy seguro de esta respuesta. Por favor corrígeme si está mal. Pensé en esta respuesta con la ayuda de la respuesta de @Dave Tweed.

El altavoz está irradiando un campo E porque tiene cargas en los extremos opuestos de la bobina de voz que se están moviendo.

El campo es máximo en la frecuencia resonante porque la velocidad máxima de la bobina móvil es máxima. Aunque la cantidad de carga máxima es proporcional al voltaje máximo y es constante, cuanto mayor sea la velocidad máxima de la bobina móvil, mayor será la tasa de cambio de la densidad de corriente y mayor será el campo eléctrico.

El campo tiene fase opuesta en lados opuestos del altavoz porque está dominado por el campo de la carga más cercana y los lados opuestos de la bobina tienen cargas opuestas.

El análisis de estas respuestas se muestra a continuación.

La bobina móvil tiene un movimiento sinusoidal en resonancia con la posición X , velocidad X ′ y aceleración X ″ . La fuerza sobre la bobina es proporcional tanto a la corriente como a la aceleración, por lo que la corriente y la aceleración están en fase. El voltaje es igual a la corriente multiplicada por la inductancia de la bobina, porque en resonancia la parte reactiva del sistema mecánico es cero. El voltaje tiene una ventaja de fase de 90 grados en relación con la corriente y la aceleración, por lo que está en fase con la velocidad de la bobina móvil. La carga en la bobina móvil también es proporcional al voltaje y está en fase con la velocidad.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La curvatura del campo magnético es igual a la densidad de corriente que es proporcional a la carga multiplicada por la velocidad. Como la carga y la velocidad están en fase, la densidad de corriente es proporcional a C o s 2 ( t ) . El rotacional del campo eléctrico es proporcional al negativo de la derivada temporal del campo magnético y es proporcional a − C o s ( t )

Cuanto mayor sea la derivada temporal de la densidad de corriente, mayor será el campo eléctrico. Dado que el amplificador tiene una impedancia de salida baja, el voltaje a través de la bobina es constante y la carga es constante. Solo se puede aumentar la velocidad de la bobina para aumentar la derivada temporal de la densidad de corriente. La velocidad de la bobina es máxima en la frecuencia resonante.

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Es este un altavoz de plástico? ¿O es papel negro de la vieja escuela? A menos que su humedad sea muy alta, todas las superficies de plástico generalmente quedan con carga electrostática al tocar otros objetos. (¡Dejar que el cono del altavoz golpee contra cualquier superficie no metálica definitivamente cargará el altavoz!)
@wbeaty El altavoz es de plástico. Conecté el plano de tierra de la placa a tierra a través de mi visor y toqué otro cable de tierra del visor al diafragma para descargar cualquier carga estática. Todavía pude medir una amplitud similar con mi sonda de campo electrónico.
una superficie de metal conectada a una placa vibratoria se llama "WOBBULATOR" y se usó como modulador en la historia temprana de la radio FM. google.com/search?q=wobbulator+capacitor Además, también estoy en Seattle, en el campus de la Universidad de Washington. Probaré el truco spkr-with-foil en una entrada de alcance y lo controlaré con un generador de señales. Sensor de campo electrostático instantáneo, un detector con varios metros de alcance, para detectar globos frotados con cabello o dispensadores de cinta adhesiva usados ​​recientemente.

Respuestas (2)

La caja de metal debería brindarle mucha protección. Y el campo electrónico debería provenir de los terminales de soldadura y los cables de la bobina en el cono.

Dado que este no parece ser el caso, probablemente su altavoz tenga un cono de plástico. Si el plástico se ha tocado con los dedos o, peor aún, se ha frotado contra una bolsa de plástico o contra la ropa, es posible que el plástico aún tenga una carga superficial significativa de varios cientos de voltios contra tierra. (¿Qué tan baja es la humedad en su banco de trabajo?)

El plástico generalmente se carga negativamente cuando se toca con la piel humana, por lo que el altavoz en movimiento produciría un pico negativo cuando se mueve físicamente hacia el sensor de campo electrónico. Además, a medida que el cono del altavoz cargado se mueve hacia adentro y hacia afuera, produciría una fuerte carga opuesta en el marco de metal, causada por la inducción electrostática (como si el cono del altavoz fuera una placa de capacitor vibratoria y el marco de metal una segunda placa de capacitor). )

Intente sostener el cono vibratorio con los dedos para ver si la señal grande desaparece cuando se aplica CA pero el cono del altavoz no se mueve. Si una placa de plástico cargada electrostáticamente está vibrando, producirá un fuerte campo electrónico de CA fácilmente detectado por las antenas de electrodos cercanas.

Para deshacerse de cualquier superficie de carga, tal vez use un poco de toalla ligeramente húmeda para limpiar toda la superficie de plástico del altavoz. Si después de descargar el plástico, su señal fuerte es más pequeña (o incluso falta), entonces la causa fue un cono de altavoz cargado, en lugar del voltaje de la unidad de CA. O en su lugar, antes de mojarlo, prueba a frotar el cono del altavoz con una lámina de plástico, un globo de goma o el pelo del brazo. Si esto hace que su señal de campo electrónico sea enorme, entonces ha encontrado la causa más probable. (Y en ese caso, también intente frotarlo con cinta de teflón de plomero, o con una bolsa de plástico, con goma, papel, etc. ¡Compruebe si hay diferente polaridad de los pulsos detectados!)

Además, el uso de una superficie giratoria o vibratoria es una forma clásica de crear un "molino de campo" para detectar cualquier campo electrónico que no tenga un componente de CA. Sus sondas de campo cercano solo pueden detectar los cambios en los campos, no los campos mismos. Adjunte un pequeño disco de papel de aluminio a su parlante vibrador, conéctelo a un dvm de CA o a una entrada de alcance usando una tira delgada de papel de aluminio, luego haga vibrar el parlante. Vea si puede usar este Field Mill para detectar un trozo distante de espuma de poliestireno que se ha frotado en el cabello.

https://www.google.com/search?q=diy+field-mill

Además, puede sentir un cono de altavoz de plástico cargado agitando el cable de puerta de un circuito JFET/LED cerca de él, como en mi artículo: http://amasci.com/emotor/chargdet.html

Estoy en Seattle WA, por lo que mi banco está bastante húmedo. Intenté tocar el cable de tierra del osciloscopio con el diafragma del altavoz, pero la medición con la sonda de campo electrónico no cambió. Además, la parte posterior de metal está flotando. Cuando está conectado a tierra, no hay un campo medible detrás del altavoz, pero todavía lo hay frente al diafragma.
@DavidG25, ¿qué pasó cuando lo frotaste con el vello del brazo o con una bolsa de plástico? ¿Qué pasó cuando mojaste la superficie de plástico? Tocar plástico con metal no hace nada, no puede conectar a tierra un aislante, solo un metal.
¡wow, mojarlo con una punta q húmeda hizo que el campo medido desapareciera por completo!
Sí, estuvo cargado todo el tiempo. Incluso en condiciones de humedad, un plástico extremadamente limpio puede permanecer cargado durante días.
Puedo hacer que la medida aumente frotando el vello de mi brazo y disminuya mojándolo. ¡Muchas gracias por tu ayuda!
¡@DavidG25 a continuación, pegue un trozo de papel de aluminio al altavoz! No dejes que la lámina toque el marco. Conecte un voltímetro de CA a la lámina (el otro cable del medidor va a tierra), haga vibrar el altavoz y sostenga un objeto cargado cerca de él. Convierte el campo electrónico invisible en CA que se mide fácilmente o se ve en un alcance. Es un detector de objetos remoto, pero solo para objetos cargados. Muchos proyectos en este libro: electrostatic.com/bookstore/books/moorebk.htm
Encontré billb(at)amasci.com en su sitio web. Sirve este correo para contactarte?
@DavidG25 sí, o gmail, beatywj

¿Cómo irradia el campo E el altavoz?

La bobina móvil tiene un voltaje impuesto a través de ella, además se mueve físicamente hacia adelante y hacia atrás. Juntos, estos producen un campo medible.

¿Por qué solo sucede en la frecuencia resonante?

A la frecuencia de resonancia mecánica, el movimiento físico de la bobina es máximo.

¿Por qué la fase es diferente entre la parte delantera y trasera del altavoz?

Estás viendo los extremos opuestos del movimiento, junto con el voltaje en el extremo opuesto de la bobina.

¿Los campos de los extremos opuestos de la bobina no se cancelan entre sí como en un capacitor de placas paralelas?
Solo a distancia. Es por eso que necesitas estar cerca para medir cualquier cosa.
Un condensador de placas paralelas no tiene campos cancelados. En cambio, solo tiene campos mucho más fuertes entre las placas. Si hay un voltaje en las placas del capacitor, entonces hay un campo electrónico fuera del capacitor, en el espacio cerca de esas placas.
¿Puede entrar en más detalles sobre el origen del campo E? Entiendo que hay carga en los extremos opuestos de la bobina debido al voltaje que la atraviesa. ¿El movimiento de esta carga crea un campo H circulante en el mismo plano que el diafragma del altavoz que a su vez crea un campo E circulante perpendicular al diafragma? El campo E circulante se suma constructivamente en el centro de la bobina, ¿es correcto?
No tengo idea de a dónde vas con esto. Hay una diferencia de potencial entre los extremos de la bobina móvil y esto crea un campo E. Esto es cierto independientemente de si la bobina de voz se mueve o no. El movimiento físico simplemente mejora la capacidad de su "sonda de campo E" (que no ha descrito) para captarlo. La carga y el campo H no tienen nada que ver con eso.
@DaveTweed hay un enlace a la sonda de campo electrónico en mi pregunta. El enlace está debajo del esquema. Creo que el movimiento de la bobina de voz hace que el campo E sea más fuerte en la frecuencia resonante. Mira mi respuesta, no estoy seguro de si es correcta. Además, gracias por tu ayuda.
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