International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

9 (May, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

PHYSICS AND MATHEMATICS

ЗВУКОВІДТВОРЮЮЧІ ПРИСТРОЇ НА ОСНОВІ ВИСОКОЧАСТОТНОГО ЕЛЕКТРОДУГОВОГО РОЗРЯДУ

ЦАРЕНКО П.О., ПЄРОВ О.Г. КУЗЬМИЧЄВ А.І.

 

УКРАЇНА


Анотація. Запропоновано звуковідтворювальний пристрій на основі об'ємних пульсацій, що виникають в повітряному проміжку, яке заповнюється тілом високочастотного електродугового розряду. Пристрій дозволяє відтворювати високочастотні акустичні коливання з мінімальними звуковими спотвореннями. Воно може бути успішно використано в якості гучномовця в складі багатосмугових акустичних систем, що працюють як в області верхніх частот звукового діапазону, так і в низькочастотної області останнього, аж до ультразвукового.

Ключові слова: широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), звук, плазмовий гучномовець.

В даний час в складі багатосмугових акустичних систем для акустичного відтворення електричного музичного звучання в області звукового, сприйманого людським вухом діапазону використовується в основному електродинамічний гучномовець, який вже вичерпав ресурс свого розвитку, і подальший апгрейд акустичних систем має йти іншим шляхом. Останнє підтверджується тим, що конструктивні вимоги до класичних випромінювачів акустичних коливань суперечливі, тому що включають в себе вимоги легкості з одночасним забезпеченням достатньої жорсткості всієї конструкції, особливо це стосується рухомого випромінювача, а саме:

- збереження мінімальної маси рухомої частини випромінювача і гнучкості її підвісу;

- забезпечення здатності протистояння деформацій на вигин тіла диффузора при здійсненні ним перетворення своїх механічних коливань в акустичні;

- забезпечення високого значення магнітної індукції в просторі, утвореному між полюсами постійного магніту випромінювача і рухомою котушкою дифузора.

Також слід зазначити, що для електромеханічного принципу відтворення звуку характерна поява різних паразитних резонансних спотворень. При цьому середньостатистичний людський слух, не кажучи вже про аудіофілів і інших музичних естетів, досить чутливий навіть до незначних змін як рівня гучності (навіть на десяті частки децибел), так і до зміни тембрального забарвлення звуку.

У даній роботі пропонується один з підходів до розробки альтернативного звуковідтворювального пристрої на основі об'ємних пульсацій в тілі високочастотного електродугового розряду. Суть його полягає в тому, що формування звуку здійснюється розрядом високовольтної (близько 15 кВ) напруги змінного струму, який модулюється музичним, гармонійним сигналом. Під дією струму відбувається іонізація повітря між вихідними електродами, що призводить до виникнення об'ємних пульсацій в повітряному обсязі тіла розряду, які в свою чергу викликають акустичні коливання повітря, що оточує розряд. Факт процесу іонізації повітря цим пристроєм послужив причиною назви його іонофоном, або плазмовим гучномовцем.

Відмінною особливістю даної пропозиції є те, що факт відсутності дифузора у таких гучномовців не дозволяє вносити до відтвореного ними звук механічних спотворень у вигляді деренчання і не піддає звучання різних акустичним резонансам. Тому плазмовим гучномовцях притаманне досить якісне звучання, що є недосяжним для інших типів гучномовців; особливо це стосується відтворення сигналів високочастотної області звукового діапазону. Останнє обумовлено тим, що у пропонованого підходу до отримання акустичного сигналу роль дифузора, що є рухомий масою відтворювальної системи, виконує маса повітряного об’єму, збудженим електродуговим розрядом.

Слід зазначити, що даний підхід є одним з варіантів реалізації плазмового гучномовця, в якому велика частина його енергії витрачається на підтримання і світіння електродугового розряду, що безсумнівно знижує ККД всієї відтворювальної системи, однак застосування сучасної елементної бази дозволяє істотно збільшити значення ККД і знизити споживання електроенергії .

Електродугової розряд пропонується отримувати за рахунок використання трансформатора (в описуваному пристрої використовується рядковий). Останній підключений до виходу підсилювача класу D, характерною особливістю якого є підвищена потужність вихідного каскаду. Практика схемотехнічної реалізації підсилювача даного класу досить добре відпрацьована [1], але в пропонованому пристрої підсилювач даного класу реалізується на базі мікросхеми TL494, вихідний сигнал якої додатково посилюється польовим транзистором VT1, забезпечуючи тим самим різке збільшення вихідної потужності всього підсилювача. В якості транзистора можна використовувати будь-який потужний польовий транзистор; так, в розглянутому пристрої використовувався транзистор IRF540. Структурна схема пропонованого пристрою приведена на рис. 1.

«Акустичним навантаженням» даного пристрою є підвищувальний трансформатор. Між електродами його вихідної (вторинної) обмотки, яка формує напругу за рівнем порядку 15 кВ, утворюється електродуговий розряд, що супроводжується акустичним звучанням.

Рис. 1. Структурна схема звуковідтворювального пристрою

 

Робота пристрою відбувається наступним чином. Сигнал виду широтно - імпульсна модуляція (ШІМ), що керує роботою вихідного трансформатора, формується аналоговим компаратором, на один з входів якого подається опорний сигнал пилкоподібної форми, модулюючи вихідний сигнал даного компаратора, а на іншій - гармонійний сигнал Uвх (t), що представляє собою музичний сигнал, який підлягає подальшому акустичному відтворенню. При цьому частота повторення напруги пилкоподібної форми, що створюється генератором осциляторного типу, що входять до складу самої мікросхеми, визначає частоту повторення вихідної напруги компаратора, яке буде являти собою імпульсну напругу виду ШІМ.

Під час тієї частини періоду чинного пилкоподібної напруги, коли рівень сигналу, що містить музичний сигнал, перевищує рівень пилкоподібної напруги, на виході компаратора формується напруга негативного рівня, а під час решти періоду, коли рівень сигналу музичного повідомлення пізніше, буде формуватися вихідна напруга позитивного рівня .

Як ШІМ-контролера пропонується використовувати мікросхему TL494. Мікросхема TL494 є ШІМ-контролером імпульсного джерела живлення, який працює на фіксованому значенні частоти і включає в себе всі необхідні для цього блоки. При цьому значення частоти генерованого пилкоподібної напруги задається значеннями резисторів R1, R3 і конденсатора C3 (рис. 2).

Рис. 2. Принципова схема звуковідтворювального пристрою

 

Зміна значення частоти повторення пилоподібного напруги здійснюється за допомогою змінного резистора R1, що має лінійний характер залежності «тип А». Значення частоти повторення вбудованого генератора пилкоподібної напруги може бути визначено за формулою: f = K / RC, де K - коефіцієнт пропорційності, значення якого, згідно РТМ на мікросхему TL494, має бути рівним 1,1.

Ефект модуляції тривалості імпульсів вихідної напруги здійснюється в результаті порівняння пилоподібного напруги позитивного рівня, який формується на конденсаторі С3, з керуючим сигналом на виводі 2 мікросхеми. При цьому зміна логічного рівня на виході елемента АБО-НІ переводить вихідний транзистор мікросхеми, що працює в ключовому режимі, з одного робочого стану (відкритий / закритий) в інше, причому це відбувається тільки в момент, коли на виході тактування вбудованого тригера буде встановлено «нульовий» логічний стан. Останнє відбувається тільки протягом такого інтервалу часу, під час якого значення амплітуди пилкоподібної напруги перевищує рівень амплітуди сигналу, що управляє, роль якого виконує Uвх (t). В силу сказаного, збільшення значення амплітуди Uвх (t) викликає відповідно лінійне зменшення тривалості імпульсів вихідної напруги компаратора. ШІМ-компаратор змінює тривалість імпульсів вихідної напруги від максимального значення, що визначається напругою на виводі 4 мікросхеми TL494, і відповідає за регулювання значення «нульового» часу, доводячи цю тривалість імпульсу до нуля за допомогою змінного резистора R2, що має, як і резистор R1, лінійний характер залежності.

Далі вихідний сигнал мікросхеми TL494, що формується на її виході E1 (9 вивід) та представляє собою високочастотний імпульсний сигнал ШІМ, поступає через резистор R4 на затвор n-канального МДН транзистора VT1, що працює в ключовому режимі. Резистор R4 здійснює захист вихідного каскаду мікросхеми TL494 від перехідного струму заряду ємності затвора транзистора VT1, що виникає через швидкоплинних процесів напруги на стоці [2]. Щоб не «затягувати» фронти сигналу ШІМ виду за рахунок утворюється інтегруючого ланцюжка R4 Cзатвора, значення резистора R4 береться досить малим, близько 10 Ом (рис. 3).

Рис. 3 Схема заміщення

 

Паралельно резистору R4 включений в зворотному зміщенні швидкодіючий діод VD1 типу 1N4007, призначений для прискореного процесу розряду ємності C затвора польового транзистора VT1. Прискорення досягається за рахунок того, що паралельно опору відкритого переходу діода VD1, яке дуже мале, включений резистор R4, тому значення результуючого опору, що визначає час розряду, буде ще менше, і останній буде протікати швидше. З виводу 4 мікросхеми TL494 вихідний струм, що протікає через резистор R4, буде заряджати ємність Cзат VT1, розряд якої буде відбуватися через діод VD1 (див. Рис. 3). В силу того, що транзистор VT1 комутує коло з великим струмом, на його внутрішньому опорі буде виділятися значна кількість тепла, для відводу якого транзистор VD1 повинен бути забезпечений радіатором.

Додатково між стоком і витоком даного транзистора включений швидкодіючий діод VD2 типу 1N4007, що забезпечує захист транзистора від дії ЕРС самоіндукції, що з'являється в момент зміни напрямку зміни значення амплітуди сигналу виду ШІМ. Сток транзистора VT1 підключений до одного полюса первинної обмотки рядкового трансформатора, яка містить 10 витків дроту діаметром 1,2 мм, іншим полюсом котушка підключена до шини живлення. На вторинній обмотці даного трансформатора формується потенціал близько 15 кВ, при цьому відбувається пробій повітряного зазору між двома електродами і формується електродуговий розряд, який має акустичний супровід. В результаті можна спостерігати акустичне звучання гармонійного музичного сигналу, що подається на вхід 4 мікросхеми TL494 (див. Рис. 2). Як показав експеримент, використання в якості електродної системи двох звичайних саморізів є найкращим, тому що отримується при цьому тип системи “загострення-загострення” дозволив отримати фіксоване, нерухоме положення дуги між електродами. Також проводилося випробування системи пари електродів типу «загострення-площина», внаслідок чого було зафіксовано різке погіршення якості акустичного звучання після випромінювання дугою додаткових, досить гучних трісків, що виникають в результаті переміщення, «блукання» одного з країв дуги по плоскій поверхні іншого електрода. Крім того, вибір даної системи електродів створює істотно менше радіоелектронних перешкод, так як електродугою розряд утворюється між двома електродами, які можуть працювати досить тривалий час (рис. 4).

 

Рис.4 Електродуговий розряд між гострими краями вихідних електродів: 1, 2 - вихідні електроди; 3 - електродугової розряд, який відтворює аудіо звучання

 

ВИСНОВОК.

На закінчення слід зазначити, що запропонована реалізація звуковідтворювального пристрою має досить високу якість звучання на частотах звукового діапазону в області 10-20 кГц і рівною АЧХ з мінімальними сплесками. Дана оцінка була проведена за допомогою вимірювального мікрофона Behringer ECM8000 шляхом подачі білого шуму на контакт 4 мікросхеми TL494 (див. Рис. 2).

Для запропонованого пристрою, який реалізує розглянутий метод формування акустичного звуку, характерні недоліки, як досить низька звуковий тиск близько 60-70 db на частоті 1 кГц і низьке значення ККД. Вони можуть бути усунені, якщо в аналогічному пристрої буде використаний амплітудно-імпульсний метод модуляції музичного сигналу або високочастотний шум. Це дозволить сформувати більш стійку і широку дугу розряду, що має збільшений обсяг атмосферних пульсацій, що призведе до значного підвищення рівня акустичного звучання. Однак розгляд даного питання, що вимагає досить повного і ретельного опрацювання з обов'язковим проведенням відповідного макетування, виходить за рамки даної роботи.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Лившиц, И. И. (1973). Транзисторные усилители в режиме D. Львов: Энергия.

  • Данилов, А. А. (2004). Прецизионные усилители низкой частоты. Москва: Горячая Линия Телеком.


SOUND REPRODUCING DEVICES BASED ON HIGH-FREQUENCY ELECTRIC ARC DISCHARGE

TSARENKO P., PIEROV O., KUZMYCHIEV A.
UKRAINE

Abstract.
A sound reproducing device based on volumetric pulsations arising in the air gap, which is filled by the body of high-frequency electric arc discharge, is proposed. The device allows you to reproduce high-frequency acoustic oscillations with minimal sound distortion. It can be successfully used as a loudspeaker as a part of the multiband acoustic systems working both in the field of high frequencies of a sound range, and in the low-frequency region of the last, up to ultrasonic.


Keywords: pulse width modulation (PWM), sound, plasma speaker.

© Царенко П.О., Пєров О.Г., Кузьмичєв А.І., 2020

© Tsarenko P., Pierov O., Kuzmychiev A., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 16.05.2020