Ионофон

1. История

В конце XIX века Вильям Дуддел заметил, что тембр звука «шипящей» электродуги изменяется в зависимости от относительных значений ёмкости и индуктивности менялся тембр звучания дуги, а на его громкость влияло значение активного сопротивления. В 1899 году британский физик стал первым, кто продемонстрировал контролируемое извлечение звуков из электрической дуги, собрав первый в мире клавишный электронный музыкальный инструмент «Поющая дуга», который стал прообразом синтезатора. Позже в 1946 году Зигфрид Клейн предложил специализированный звуковой излучатель. Он ограничил дугу, поместив её в небольшую кварцевую трубку, которая соединялась с рупором.

Рисунок 1. Схема первого в мире клавишного электронного музыкального инструмента «Поющая дуга»

2. Общие сведения

Ионофон (плазменный громкоговоритель) – электроакустический преобразователь, принцип действия которого основан на изменении состояния нагретого ионизированного воздуха.

Рисунок 2. Устройство ионофона на основе коронного разряда

При подаче напряжения на коронирующий электрод на свободном конце электрода создается большая напряженность поля, и коронирующий электрод образует облако ионов. Температура внутри которого достигает  1700⁰С. От величины поданного на электроды напряжения зависит объем занимаемый ионизированным облаком. Если напряжение промодулировать по амплитуде, то объем облака будет изменяться с частотой модулирующего напряжения. Изменение объема облака ионизированного воздуха приводит к изменению давления в окружающей среде с частотой модуляции. Соответственно, если  модулировать генератор напряжением звуковой частоты, то в окружающей среде появятся звуковые колебания. Для того чтобы наиболее эффективно передать колебания во внешнюю среду используется согласующий рупор.

Анализ схемы

Рисунок 3. Принципиальная схема ионофона

Схема собрана на микроконтроллере UC3845BN. На нём реализована система управления выходным силовым ключом VT1. Рабочая частота данного преобразователя задаётся номиналами элементов С3, R4. При указанных на схеме номиналах она составляет 70 кГц. Аудио сигнал поступает на обмотку II трансформатора ТВК-110. Данный трансформатор выполняет роль предусилителя сигнала и гальваническую развязку по питанию выхода аудиоустройства и ионофона. С выхода обмотки I через разделительный конденсатор С4 аудио сигнал поступает на вход FB (вывод 2) микроконтроллера. От напряжения на этом входе зависит скважность выходных импульсов микроконтроллера. Таким образом, при подаче аудиосигнала наблюдается широтно-импульсная модуляция. Резисторы R1, R2, R3 служат для начальной установки скважности выходного сигнала. С вывода 6 промодулированный сигнал, через токоограничительный резистор R5 поступает на базу выходного силового ключа VT1. Нагрузкой данного ключа является первичная обмотка трансформатора Tr2. Со вторичной обмотки данного трансформатора снимается выходное высокое напряжение. Диод VD1 защищает схему от бросков обратного напряжения во время закрытия силового ключа, а супрессорный диод VD2 защищает схему от перенапряжения по питанию. Подстройка осуществляется резистором R2 по наилучшему соотношению качества звук/мощность.

3. Достоинства и недостатки  плазменного громкоговорителя

Достоинством таких излучателей является отсутствие переходных искажений и различных акустических резонансов за счет отсутствия подвижности системы излучателя, в результате чего амплитудно-частотная характеристика равномерна, а также качество воспроизведения среднечастотного и высокочастотного диапазонов.

Недостатком ионофона является необходимость в специальной высоковольтной схеме возбуждения со схемами защиты. При частотах ниже 300 - 500 Гц звуковое давление в разрядной трубке падает с уменьшением частоты, вследствие этого ионофон срезает низкие частоты. Также материал электрода в процессе работы распыляется и осаждается на его стенках разрядной трубки, что ограничивает срок ее службы.

4. Вывод

Эксплуатация ионофонов показала, что они действительно создают чистое, прозрачное звучание с очень низким уровнем искажений. Однако, они не получили промышленного распространения из-за существенных недостатков. Во-первых, высокое напряжение – это всегда опасно, во-вторых, ионизация быстро распространяется далеко за пределы излучателя, что приводит к раздражению глаз, легких и появлению сильного запаха озона. Для получения равномерной частотной характеристики в системах звуковоспроизведения его следует применять в паре с электродинамическим громкоговорителем, который воспроизводит низкие частоты.