CC BY
39
УДК 534
И. В. Аксенов, В. М. Чайковский
ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В ТЕЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО РАЗРЯДА
Аннотация. Предложено звуковоспроизводящее устройство на основе объемных пульсаций, возникающих в воздушном объеме, заполняемом телом высокочастотного электродугового разряда. Устройство позволяет воспроизводить высокочастотные акустические колебания с минимальными звуковыми искажениями. Оно может быть успешно использовано в качестве громкоговорителя в составе многополосных акустических систем, работающих как в области верхних частот звукового диапазона, так и в низкочастотной области последнего, вплоть до ультразвукового.
Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция (ШИМ), звук, плазменный громкоговоритель.
В середине XIX в., еще до первой демонстрации в 1873 г. А. Н. Ладыгиным электрической лампы накаливания, для освещения центральных улиц Лондона использовались дуговые лампы. Они создавали освещение окружающего пространства за счет возникающей между электродами лампы электрической дуги, появление которой имело достаточно громкое звуковое сопровождение, похожее на жужжание и шипение. По поручению профессора Лондонского технического университета Уильяма Артона данный процесс был исследован. В ходе него было выявлено, что причиной возникновения данных звуков была нестабильность силы тока, вызываемая отрицательным электрическим сопротивлением дуги, приводящим к возникновению в ней звуковых колебаний [1]. Для данных исследований была использована схема, содержащая катушку индуктивности и конденсатор и позволявшая получить достаточно громкий, устойчивый тональный звук, исходящий от образовывавшейся электрической дуги. В дальнейшем, в 1899 г., для получения значительного зрительного эффекта при публичной демонстрации была использована специальная клавиатура, с помощью которой исполнялась мелодия «Боже, храни королеву». Данный музыкальный инструмент был назван «Поющая дуга». Практическое применение ей нашлось в середине прошлого века, когда советскими радиолюбителями был продемонстрирован «Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном» [2].
В настоящее время в составе многополосных акустических систем для акустического воспроизведения электрического музыкального звучания в области звукового, воспринимаемого человеческим ухом диапазона используется в основном электродинамический громкоговоритель, который уже исчерпал ресурс своего развития, и дальнейшее преобразование акустических систем должно идти по другому пути. Последнее подтверждается тем, что конструктивные требования к классическим излучателям акустических колебаний противоречивы, так как включают в себя требования легкости с одновременным обеспечением достаточной жесткости всей конструкции, особенно это касается подвижного излучателя, а именно:
- сохранение минимальной массы подвижной части излучателя и гибкости ее подвеса;
- обеспечение способности противостояния деформациям на изгиб тела диффузора при совершении им преобразования своих механических колебаний в акустические;
- обеспечение высокого значения магнитной индукции в зазоре, образуемом между полюсами постоянного магнита излучателя и подвижной катушкой диффузора.
Также следует отметить, что для электромеханического принципа воспроизведения звука характерно появление различных паразитных резонансных искажений. При этом среднестатистический человеческий слух, не говоря уж об аудиофилах и прочих музыкальных эстетах, достаточно восприимчив даже к незначительным изменениям как уровня громкости (даже на десятые доли децибел), так и к изменению тембральной окраски звука.
Вследствие указанных причин высококачественное преобразование электрических сигналов в акустические колебания и излучение их в окружающее пространство является весьма затруднительным.
В данной работе предлагается один из подходов к разработке альтернативного звуковоспроизводящего устройства на основе объемных пульсаций в теле высокочастотного электродугового разряда. Суть его заключается в том, что формирование звука осуществляется разрядом высоковольтного (порядка 15 кВ) напряжения переменного тока, который модулируется музыкальным, гармоническим сигналом. Под действием тока происходит ионизация воздуха между выходными электродами, что приводит к возникновению объемных пульсаций в воздушном объеме тела разряда, которые в свою очередь вызывают акустические колебания воздуха, окружающего разряд. Факт процесса ионизации воздуха данным устройством послужил причиной названия его ионофоном, или плазменным громкоговорителем.
Отличительной особенностью данного предложения является то, что факт отсутствия диффузора у таких громкоговорителей не позволяет вносить в воспроизводимый ими звук механических искажений в виде дребезжания и не подвергает звучание различным акустическим резонансам. Поэтому плазменным громкоговорителям присуще достаточно качественное звучание, являющееся недостижимым для других типов громкоговорителей; особенно это касается воспроизведения сигналов высокочастотной области звукового диапазона. Последнее обусловлено тем, что у предлагаемого подхода к получению акустического сигнала роль диффузора, являющегося подвижной массой воспроизводящей системы, выполняет масса воздушного объема, занимаемого электродуговым разрядом.
Следует отметить, что данный подход является одним из вариантов реализации плазменного громкоговорителя, в котором большая часть его энергии расходуется на поддержание и свечение электродугового разряда, что несомненно снижает КПД всей воспроизводящей системы, однако применение современной элементной базы позволяет существенно увеличить значение КПД и снизить потребление электроэнергии.
Электродуговой разряд предлагается получать за счет использования повышающего трансформатора (в описываемом устройстве используется строчный). Последний подключен к выходу усилителя класса D, характерной особенностью которого является повышенная мощность выходного каскада. Практика схемотехнической реализации усилителя данного класса достаточно хорошо отработана [3], но в предлагаемом устройстве усилитель данного класса реализуется на базе микросхемы ^494, выходной сигнал которой дополнительно усиливается полевым транзистором УП, обеспечивая тем самым резкое увеличение выходной мощности всего усилителя. В качестве данного транзистора можно использовать любой мощный полевой транзистор; так, в рассматриваемом устройстве использовался транзистор IRF540. Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рис. 1.
«Акустической нагрузкой» данного устройства является повышающий трансформатор. Между электродами его выходной (вторичной) обмотки, формирующей напряжение по уровню порядка 15 кВ, образуется электродуговой разряд, сопровождающийся акустическим звучанием.
Рис. 1. Структурная схема звуковоспроизводящего устройства
Работа устройства происходит следующим образом. Сигнал вида широтно-импульсная модуляция (ШИМ), управляющий работой выходного трансформатора, формируется аналоговым компаратором, на один из входов которого подается опорный сигнал пилообразной формы, выполняющий роль модулирующего выходной сигнал данного компаратора, а на другой - гармонический сигнал Цвх(0, представляющий собой музыкальное сообщение, подлежащее дальнейшему акустическому воспроизведению. При этом частота повторения напряжения пилообразной формы, создаваемого генератором осцилляторного типа, входящим в состав самой микросхемы, определяет частоту повторения выходного напряжения компаратора, которое будет представлять собой импульсное напряжение вида ШИМ.
Во время той части периода действующего пилообразного напряжения, когда уровень сигнала, содержащего музыкальное сообщение, превышает уровень пилообразного напряжения, на выходе компаратора формируется напряжение отрицательного уровня, а во время оставшейся части периода, когда уровень сигнала музыкального сообщения ниже, будет формироваться выходное напряжение положительного уровня.
В качестве ШИМ-контроллера предлагается использовать микросхему ТЬ494, имеющую отечественный аналог 1114ЕУ4. Микросхема ТЬ494 является ШИМ-контрол-лером импульсного источника питания, который работает на фиксированном значении частоты и включает в себя все необходимые для этого блоки. При этом значение частоты генерируемого пилообразного напряжения задается значениями резисторов Я1, Яэ и конденсатора С3 (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема звуковоспроизводящего устройства
Изменение значения частоты повторения пилообразного напряжения осуществляется с помощью переменного резистора Я1, обладающего линейным характером зависимости «тип А». Значение частоты повторения встроенного генератора пилообразного напряжения может быть определено по формуле: / = К/ЯС, где К - коэффициент пропорциональности, значение которого, согласно РТМ на микросхему ТЬ494, берется равным 1,1.
Эффект модуляции длительности импульсов выходного напряжения осуществляется в результате сравнения пилообразного напряжения положительного уровня, формируемого на конденсаторе С3, с управляющим сигналом на выводе 02. При этом смена логического уровня на выходе элемента ИЛИ-НЕ переводит выходной транзистор микросхемы, работающий в ключевом режиме, из одного рабочего состояния (открыто/закрыто) в другое, причем это происходит только в момент, когда на выходе тактирования встроенного триггера будет установлено «нулевое» логическое состояние. Последнее происходит только в течение такого интервала времени, во время которого значение амплитуды пилообразного напряжения превышает уровень амплитуды управляющего сигнала, роль которого выполняет Цвх(0. В силу сказанного, увеличение значения амплитуды Цвх(0 вызывает соответственно линейное уменьшение длительности импульсов выходного напряжения компаратора. ШИМ-компаратор изменяет длительность импульсов выходного напряжения от максимального значения, определяемого напряжением на выводе 04 микросхемы ТЬ494, и отвечает за регулировку значения «мертвого» времени, доводя данную длительность импульса до нуля с помощью переменного резистора Я2, имеющего, как и резистор Я1, линейный характер зависимости.
Далее выходной сигнал микросхемы ТЬ494, формируемый на ее выходе Е1 (09) и представляющий собой высокочастотный импульсный сигнал ШИМ вида, поступает через резистор Я4 на затвор п-канального МДП транзистора УТ1, работающего в ключевом режиме. Резистор Я4 осуществляет защиту выходного каскада микросхемы ТЬ494 от переходного тока заряда емкости затвора транзистора УТ1, возникающего из-за быстроизменяющегося напряжения на стоке [4]. Чтобы не «затягивать» фронты сигнала ШИМ вида за счет образующейся интегрирующей цепочки Я4С затвора, значение резистора Я4 берется достаточно малым, порядка 10 Ом (рис. 3).
Рис. 3. Схема замещения
Параллельно резистору Я4 включен в обратном смещении быстродействующий диод УБ1 типа Ш4007, предназначенный для ускоренного процесса разряда емкости С затвора полевого транзистора УТ1. Ускорение достигается за счет того, что параллельно сопротивлению открытого перехода диода УБ1, которое весьма мало, включен резистор Я4, поэтому значение результирующего сопротивления, определяющее время разряда,
будет еще меньше, и последний будет протекать быстрее. С вывода 04 микросхемы ТЬ494 выходной ток, протекающий через резистор Я4, будет заряжать емкость Сзат УТ1, разряд которой будет происходить через диод УБ1 (см. рис. 3). В силу того, что транзистор УТ1 коммутирует очень сильно точную цепь, на его внутреннем сопротивлении будет выделяться значительное количество тепла, для отвода которого транзистор УБ1 должен быть снабжен радиатором.
Дополнительно между стоком и истоком данного транзистора включен быстродействующий диод УБ2 типа Ш4007, обеспечивающий защиту транзистора от действия ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент смены направления изменения значения амплитуды сигнала вида ШИМ. Сток транзистора УТ1 подключен к одному полюсу первичной обмотки строчного трансформатора, которая содержит 10 витков провода диаметром 1,2 мм, другим полюсом катушка подключена к шине питания. На вторичной обмотке данного строчного трансформатора формируется потенциал порядка 15 кВ, при этом происходит пробой воздушного зазора между двумя электродами и формируется электродуговой разряд, имеющий акустическое сопровождение. В результате можно наблюдать акустическое звучание гармонического музыкального сигнала, подаваемого на вход 04 микросхемы ТЬ494 (см. рис. 2). Как показал эксперимент, использование в качестве электродной системы двух обычных саморезов является наиболее предпочтительным, так как получаемый при этом тип системы «острие-острие» позволил получить фиксированное, неподвижное положение дуги между электродами. Также проводилось испытание системы пары электродов типа «острие-плоскость», вследствие чего было зафиксировано резкое ухудшение качества акустического звучания после излучения дугой дополнительных, достаточно громких тресков, возникающих в результате перемещения, «блуждания» одного из краев дуги по плоской поверхности другого электрода. Кроме того, выбор данной системы электродов создает существенно меньше радиоэлектронных помех, так как электродугой разряд образуется между двумя электродами, которые могут работать весьма длительное время (рис. 4).
Рис. 4. Электродуговой разряд между острыми краями выходных электродов: 1, 2 - выходные электроды; 3 - электродуговой разряд, воспроизводящий аудио звучание
В заключение следует отметить, что предложенная реализация звуковоспроизводящего устройства обладает достаточно высоким качеством звучания на частотах звукового диапазона в области 10-20 кГц и ровной АЧХ с минимальными всплесками. Данная оценка была проведена с помощью измерительного микрофона ВеЬп^ег ЕСМ8000 путем подачи белого шума на контакт 04 микросхемы ТЬ494 (см. рис. 2).
Предлагаемому устройству, реализующему рассмотренный метод формирования акустического звука, присущи такие недостатки, как довольно низкое развиваемое звуковое давление порядка 60-70 Л на частоте 1 кГц и низкое значение КПД. Они могут быть устранены, если в аналогичном устройстве будет использован амплитудно-импульсный метод модуляции музыкального сигнала либо высокочастотный шум. Это позволит сформировать более устойчивую и широкую дугу разряда, имеющую
увеличенный объем атмосферных пульсаций, что приведет к значительному повышению уровня развиваемого акустического звучания. Однако рассмотрение данного вопроса, требующего достаточно полной и тщательной проработки с обязательным проведением соответствующего макетирования, выходит за рамки данной работы.
Библиографический список
1. Hawkins, N. Electrical Guide / N. Hawkins. - T. Audel & Company, 1917.
2. Плоткин, Е. Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном / Е. Плоткин, Б. Каратеев, В. Прютц // Радио. - 1959. - № 12.
3. Лившиц, И. И. Транзисторные усилители в режиме D / И. И. Лившиц. - Л. : Энергия, 1973.
4. Данилов, А. А. Прецизионные усилители низкой частоты / А. А. Данилов. - М. : Горячая Линия Телеком, 2004.
Аксенов Илья Владимирович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Чайковский Виктор Михайлович
кандидат технических наук, доцент, кафедра «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
УДК 534 Аксенов, И. В.
Звуковоспроизводящее устройство на основе объемных пульсаций в теле высокочастотного электродугового разряда / И. В. Аксенов, В. М. Чайковский // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. - № 2 (17). - C. 112-117.
