基于Realtek RTL8763B 的无线蓝牙等离子体扬声器解决方案

常规扬声器通过使用磁体和电感器来驱动振动膜，产生可以被人耳听到声音的压力波。而等离子扬声器的不同之处在于，在两个电极之间使用等离子弧产生压力波。这样等离子扬声器的输出频率不受靠震动位移条件产生的频率限制。无线等离子蓝牙扬声器是一个采用等离子电弧传播声音的系统，它具有全向无损传播的能力并且不需要传统的扬声器喇叭设备。我们的项目是一个低成本的无线等离子蓝牙扬声器系统，它可以在 你的办公桌就可以轻松搞定的一个很酷的灯光秀和令人惊叹的，眼花缭乱的桌面扬声器系统!无线音乐从你的iPhone, iPad,三星或其他Android设备,通过蓝牙连接到具有蓝牙传输介质的等离子体设备中，等离子体设备中的高压产生的电弧会随着音乐的节奏舞蹈移动。

等离子体音箱的最初应用是1946年，发明家Siegfried Klein于1946年为其申请了专利。我们这个系统与传统扬声器驱动器（例如纸盆扬声器）相反，主要使用原子级粒子作为声压波的驱动。 等离子体放电会激发周围的粒子和离子，使其与中性空气粒子发生碰撞。 这些碰撞是可以造成声音的压力波, 因此等离子扬声器具有一些相对独特的属性。 立体声等离子扬声器意味着我们有两个相同的电路和四个放电电极，用于两个扬声器创建立体声效果。该系统的概略示意图如下图 所示：

一、工作原理介绍

等离子体是一个新世纪最热门的学科，等离子体的产生通常是使用高压放电的原理来产生等离子弧，它是电离气体进行导电。 当一个音频信号通过等离子会与音频信号同步且产生共振。 等离子体的快速扭转振动空气而创建奇特的声音。我们的无线等离子蓝牙扬声器系统的音源可通过使用带蓝牙功能的iPAD播放器、电脑、手机等等,见下图所示：





二、系统设计介绍

在这个系统中，我们采用的是脉冲宽度调制器集成电路TL494，它也通常用于开关电源设计中。我们将使用它来提供驱动Mosfet管的频率，后者Mosfet管又驱动反激式的初级绕组。 TL494具有两种不同的输出控制模式。有并行模式和推挽模式。我们这个设计需要并行模式，电路中可将TL494中的Pin13 OUTC 通过跳线跨接至地。因此这里有两种音频调制技术可选：

音频调制技术1
是以固定的死区时间运行，但通过运放将声音应用到TL494的RC部分。这将改变进入初级绕组的波的频率。通过改变频率，我们可以产生不同的等离子弧，产生不同的声压并产生我们的音频。我们在使用这项技术时遇到了麻烦，因为它会使我主电源一直处于短路保护模式。因此我们采用另外一种技术。

音频调制技术2
我们的TL494可以提供一个高频驱动信号来运行Mosfet，该Mosfet负责我们的初级绕组。现在我们需要调制该频率，以使其产 生等离子弧变化，从而产生声压波。有两种方法可以做到。 “第二个方法是将音频输入到停滞时间控件中。该技术将改变TL494产生的脉冲宽度。通过改变脉冲宽度，我们向初级绕组提供不同量的能 量，这将导致等离子弧的变化而产生声音。在这个项目中，我们使用第二种方法来完成,见下图所示：

1、系统设计阐述
由智能手机传递过来的无线音频信号透过蓝牙抵达我们的无线等离子蓝牙扬声器接收，我们采用RTL8763B系列的蓝牙音频模块来处理音频信号，其与等离子扬声器驱动器一起构成的等离子蓝牙扬声器系统，RTL8763B的输出端R/L任意一端（TL494有两个不同的输出控制模式。 有一个平行模式和推拉模式。也可以采用双端供给两路驱动器组成的推挽电路， 本例 仅仅制作平行模式）直接连接到等离子驱动器的音频输入端，同时这个输入端也并接了一路由LM3914组成的LED电平显示电路，主要用于随音乐节奏一起舞 动的显示器，音乐信号接入到由TL494构成的脉宽调制器，该芯片是电路中最重要的部分。它是用于将音频信号变成可以馈入到反激式变压器的初级绕组当中， 方波被调制并应用于变压器以产生变化的电压脉冲，由电压脉冲驱动反激式升压变压器初级到次级的升压放电，从而产生尖锐令人兴奋刺激的音乐声音。

2、等离子喇叭
等离子喇叭是一个使用等离子弧产生的高压声音装置。 通过改变电弧的强度,不同的压力波从而产生声音。制作这个等离子体音箱，首先我们需要一个回扫变压器。 大多数制作等离子喇叭都是使用TV上的高压回程变压器。 你可以从一个旧电视上拆除的。 这个回扫变压器原本是创建高电压用于驱动CRT屏幕用的。 见下图所示：


3、反激式变压器计算
这个反激式变压器要做的工作就是将输入初级绕组的电压并通过感应在次级线圈上急剧增加。 理论上应该遵循以下公式： Vs/Vp=Ns/Np; 其中Vs和Vp分别代表次级和初级的电压，Ns和Np分别代表次级线圈和初级线圈上的线匝数。 次级线圈的两端是组成等离子扬声器的高压放电电弧。在这个例子里,我们可利用上图的旧电视机里的高压包来制作我们的反激式变压器，现在我们用在这里制作一个简单的等离子体音箱设备。这里要用到非常低的电阻初级绕组，初步计算只需在旧式回程高压包的初级磁芯绕上1.2mm 的线径约6匝左右，通过大约5 - 10安培的电流和一个相当高的频率。所以需要使用大功率的Mosfet晶体管器件。这个Mosfet管会产生大量的热量,因此还需要一个散热器。 没有散热器几秒钟就可以烧毁这个Mosfet，这里应该有增加一个风扇的散热器，我们可以使用PC 上CPU的散热片，他们有非常好足够大的散热作用。 对于大功率常用的Mosfet 可以选择：IRF540, IRF840, IRFP250，IRFP260, 这里选择了IRFP260会更好一点。

4、驱动器TL494

TL494是美国德州仪器公司生产的电压驱动型脉宽调制器，可用在显示器、计算机等系统电路中作为开关电源电路，TL494的输出三极管可接成共发射极及射极跟随器两种方式，因而可以选择双端推挽输出或单端输出方式，在推挽输出方式时，它的两路驱动脉冲相差180度，而在单端方式时，其两路驱动脉冲为同频同相。系统的设计非常简单， 无线蓝牙传输过来的音频信号输入到TL494这颗电压驱动型脉宽调制器芯片，会输出PWM占空比变化的方波，它对应于占空比的输入音频信号瞬时频率。 该方波连接到MOSTFET的栅极，该栅极有选择地传导或阻止电流流过反激变压器的初级线圈。 当FET开启时，磁通在铁心中累积。 当FET关闭时，磁通量必须放电，但是初级线圈不提供接地的导电路径，因此磁通量必须通过输出线圈，即电极所连接的线圈。 

1）TL494引脚功能介绍
1、2脚分别为误差比较放大器的同相输入端和反相输入端。
3脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是就在两个放大器中，输出幅度大者起作用。当3脚的电平变高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄，当3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽。
4脚为死区电平控制端，从4脚加入死区控制电压可对驱动脉冲的最大宽度进行控制，使其不超过180度，这样可以保护开关电源电路中的三极管。
5、6脚分别用于外接振荡电阻和电容。
7脚为接地端。
8、9脚和11、12脚分别为TL494内容末级两个输出三极管的集电极和发射极。
12脚为电源供电端。
13脚为功能控制端。
14脚为内部5V基准电压输出端。
15、16脚分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端。

 

2）PWM脉宽调制
脉冲宽度调制是利用数字方波(信号开关)来实现模拟信号的结果。 为了了解高压以何种方式出现在电极上并产生电弧，我们需要分析电路并确定每个模块的功能。简化之后，这意味着省去了不必要的次要电路，例如滤波器或信号回路，将使分析变得更加容易。该电路的工作方式如下：在空闲状态下，PWM发生器会产生一个方波信号，该信号由可调电位计来设置规定的时间和频率。集成电路TL494产生的信号被传送到开关功率MOSFET晶体管的栅极。在晶体管处，小信号被处理成具有足够特性的高电流脉冲，该电流脉冲由电源提供给修改后的反激变压器的初级绕组。其结果就是在次级绕组上出现了很高的电压，由于有非常高的反激变比，所以能够多次倍变。变压器输出连接到正负电极，在它们之间会产生非常强的磁场。这会导致输出之间的空气电离，并使电流流过它，从而形成稳定的电弧来源。下面是来自Rigol数字示波器的几个波形，两种波形都是在向反激输入10V时输入是测量的。黄色迹线为10V / div，蓝色迹线为10V / div。黄色是mosfet驱动器的TL494输出端波形，蓝色是馈入反激初级线圈的导线输出波形。第一个波形是火花隙分离且没有电弧，第二是发生电弧。两种情况下的频率约为96 Khz，没有有效的音频调制。

 

当黄色的峰峰值电压约为10.8 V时，蓝色的电压表示峰值在160V（无弧光）和230V（无弧光）之间。 BC327是反相驱动器，因此当黄线变高时，MOSFET的线变低从而MOSFET关断。图中的蓝色尖峰是来自初级的感应尖峰回扫波形。可在反激式原边并联了一些电容器，增加电容可以使您在较高的频率下获得稳定的电弧，使用额定电压为250V的电容可能会导致电容过热。这可能是因为电感尖峰在300V附近，额定600V的电容可能恰到好处。以下是反激式主电路上30VDC@2A时，电弧产生的波形的一些屏幕截图。频率提高到约130 Khz。左侧的一个是没有加电容，右侧的一个有两个0.01uf / 1.6KV电容，可以看到能够除掉感应产生的有害尖峰脉冲波形。

 

添加电容器可以使电路在30 VDC下获得更高的频率（130Khz），并获得更低的电流消耗（2安培而不是4安培）。 mosfet现在运行的温度比以前低很多，而且电路中不用增加过热保护的热敏电阻且声音也很好，有一定的改善。

5、音频信号源(RTL8763B BT audio Module)
     在之前的设计案例，我们有详细的介绍我们的RTL8763B 蓝牙音频模块，这里我们可以先采用标准的RTL8763B 蓝牙音频模块进行功能验证，后续根据板子的空间再嵌入到PCB上。见下图所示：


我们连接设计好的蓝牙无线音频模块做输入信号源（在我们的示例中是蓝牙耳机播发器，我们采用了RTL8763B）并设置设备的工作参数以保持稳定的电弧后， 我们便可以播放歌曲。我们直接从电弧中听到所选的音乐仅仅通过微小的等离子火焰就能够再现各种声音并将其传递到我们的耳朵, 等离子体会通过适当的调制来重现声音。根据输入波，PWM发生器以恒定的频率延长或减少输出驱动信号的时间，通过此过程产生的等离子体凝结和稀疏，从 而将其转化为空气的凝结和稀疏。空气密度的那些变化被定义为声波，作为音乐的感觉传到我们的耳朵，音乐主要由火焰播放。我们增加的 LM3914主要是能够随音乐起舞的指示作用，而且等离子火焰也随音调的“颜色”进行令人炫目的变化，是非常的震惊和有趣。

三、等离子音箱测试指标

下列数据和实验是通过将Dayton EMM-6麦克风安装在离扬声器驱动器10cm的环形支架的无回声室上进行的。 这些测量可能会受到背景噪声水平的影响，但相对于其他扬声器测试而言应该是一样适用。
1、频率响应
系统的频率响应通常定义为整个频率范围内的幅度的度量, 理想扬声器的频率响应的特征是一条扁平线。 图中表示扬声器重现了所有频率均匀且音量一致。我们使用称为HOLM Acoustics的程序，在20秒~20kHz~20kHz的对数进行扫描信号测量频率响应。 另外还对22W Fender Squire SP-10吉他放大器和一组计算机RealTekHD Audio扬声器进行了测试，以进行比较。等离子扬声器的频率响应显示振幅随频率的增加呈一致的对数增加（趋势线回归
的对数系数（以10为底）为13.47或自然对数系数为5.85）。 因为等离子扬声器的驱动是“无质量的”，由于它能够移动非常少量的空气，因此具有很高的频率。 相比之下，Fender SP-10在200-10,000Hz左右保持平坦（峰值在270Hz左右的中低频范围内）。 然而从10kHz开始，其响应迅速恶化。 RealTekHD电脑扬声器表现平稳（与（1-2kHz区域的下降除外），仅在18kHz左右开始恶化。




2、冲激反应
冲激响应通常将用于测量颜色或扬声器因过度振动而增加的声音。 将一小段粉红噪声脉冲施加到系统中并以88.2kHz的采样率记录波形。 理想扬声器的冲激响应表，应尽可能减少残留噪声只需重现信号，然后停止振动即可。等离子扬声器具有干净，无噪音的脉冲响应。 尤其反射在房间里的响应清晰可见，每个反射都出现并结束于原始的特定时间点。 等离子扬声器在样本500（5.7毫秒）内完全停止发声，而SP-10和计算机扬声器继续分别在大约10毫秒和15毫秒处遭受残余振动。






3、失真
扬声器质量的另一个度量是失真的度量。 有两种测量失真的方法，一种是针对幅度的，另一种是针对幅度的相对频率。 通过检查纯音或纯音时出现的任何其他频率，也可以在频谱图中发现谐波失真。等离子扬声器在运行时会在3kHz左右产生非常柔和的音调，并且在最大的设置下，直到频率扫描结束之前，失真几乎不会发生。电脑扬声器的光谱仪显示出类似的音调在600Hz时,而在440Hz振幅扫描结束时可以检测到非常少量的失真。SP-10放大器中的谐波失真，随着音量的增加（从大约9s开始）以及在中频范围（500-5000Hz），谐波失真在SP-10放大器中非常的明显。我们可以通过检查光谱线的粗细和质地,请注意随着振幅的增加，所有系统的厚度都在增加。粗线表示正在检测其他频率，但与原始频率不完全相同，这是另一种失真。理想的系统将显示呈直线变化，当扫描到颜色的变化（在幅度扫描中）和高度（在频率扫描中）时的变化应该是完全细的直线。



4、方向性
方向性是衡量扬声器的“定向”程度； 也就是说，听众的位置改变来感知或测量的频率响应。 为了测量方向性，在180度的时间内以30cm的径向距离以10度间隔进行频率响应扫描。等离子扬声器几乎是全向的，总音量略微下降到90度以上。 请注意，振幅实际上随着我们从轴上（0度）移至90度标记-峰值实际上位于设备侧面。 在个别频率测试中，低频所有这些信号在180度时的振幅都有很大的增加，而较高频率的曲线或多或少保持圆形。 其实强度180度的尖峰似乎与频率成反比：较低的频率具有最大的尖峰。以下图是所有频率的方向性极坐标图：






5、灵敏度
灵敏度定义为输入功率与峰值声压级之间的关系，通常以分贝/瓦/米为单位进行测量。下面是三种不同产品的测试结果：

1）、SP-10
我们使用YMEC信号发生器向SP-10提供了恒定的粉红噪声信号，并调整了音量控制以最终读取平均输出在0.60V处1米的距离处具有8欧姆阻抗的85.0dB SPL。经过计算，我们得出的灵敏度为97.6dB / W / m。使用Decibel 10噪声计对SP-10进行第二次重复测量，这一次的灵敏度为99.32dB。

显示计算：
测得的SPL（房间噪声）= 65.0dB（Quest），55.19（Decibel 10）
会议室SPL /参考= 1780Pa，575.44Pa
测得的SPL（Amp + Room Noise）= 85.0dB（Quest），88.84（Decibel 10）
（Amp +房间噪声SPL）/参考= 17800Pa，27669Pa
调整了房间噪声的SPL = 20log [（Amp + Room Noise）/ Reference-室内噪音/参考]
根据房间噪声调整SPL = 84.1dB SPL，88.66dB SPL
功率（Quest）= v ^ 2 / R =（.5volts）^ 2 / 8ohms = .045W
调整为1w = 10log（1W / .045W）= + 13.5dB
灵敏度= 84.1dB + 13.5dB = 97.6dB / W / m
功率（分贝10）= V ^ 2 / R =（.49volts）^ 2 / 8ohms = .03W
调整为1w：dB的变化= 10log（1W / 0.03W）= + 15.22dB
灵敏度= 84.1dB + 15.22dB = 99.32dB / W / m

2）等离子扬声器
对于等离子扬声器，我们测量了输入电流和电压，得出的功率读数为2.4A * 79V = 190W，用于在10cm处输出70.7dB。计算后，我们得出的等离子扬声器的灵敏度值为21.6 dB / W / m（使用长电缆+笼式设置在3.769MHz上驱动）。再使用一种Decibel 10的测量软件重复进行第二次测量，使用短电缆获得48.84 dB / W / m的结果（设置在3.99MHz和24.5cm）

显示计算
测得的SPL（房间噪声）= 65.0dB（Quest），55.19（Decibel 10）
会议室SPL /参考= 1780Pa，575.44Pa
测得的SPL（等离子+房间噪声）= 73.8dB（Quest），82.05dB（D10）
（等离子+房间噪声）/参考= 3427.67，12677
调整了房间噪声的SPL = 20log [（等离子+房间噪声）/参考-室内噪音/参考]
根据房间噪声将SPL调整为64.34dB，81.66dB

Quest:
调整为1m：dB的变化= 20log（距离1 /距离2）= -20dB
调整为1W：dB的变化= 10log（1W / 190W）= -22.79 dB（Quest）
灵敏度= 21.6dB / W / m

3）D10：
调整为1m：dB的变化= 20log（距离1 /距离2）= -10.52dB
调整为1W：dB的变化= 10log（1W / 169.9W）= -22.3 dB（D10）
灵敏度= 48.84dB / W / m

6、归一化方向性测量
这种测量的方法是弥补传统扬声器设计的方向是单向的。等离子扬声器全部响起是全方向的，但我们的轴上灵敏度测量仅拾取了其中的一小部分，在对方向性空间进行积分并除以（18个间隔* 10dB）以找到平均值之后，等离子扬声器的灵敏度（超过180度范围）仅比放大器低约20dB。 （69.64dB / W / m与49.21dB / W / m）。

7、光谱学
使用OceanOptics光谱软件和弱光条件，可以获得等离子体放电的视觉光谱（相对于音频）。光谱的最强发射是在较低的波长（<450nm）中，到处都有一些小尖峰（670.9、728.4、871.6和906.4nm）。 许多下端线与氧和氮3的发射光谱相匹配。 有一种可能的铜排放（407.5nm），尽管也有可能只是另一种氮排放。

8、高速视频分析
等离子扬声器播放200Hz音调，以2000fps拍摄。 以10fps播放。我们以2000 fps的速度拍摄了等离子放电的胶片，用改变输入信号来尝试分析放电的视觉外观与音频输出特征。 视频从视觉上显示出特征似乎有规律地脉动。 下一步是通过使用名为ImageJ的免费图像分析程序来测量平均亮度。数据表明，亮度确实在输入信号的频率上振荡（误差约为1％）。 接下来，我们开始一些数量上的分析数据。上图表示两个不同的视频样本：两个都是200hz的输入音频信号，但是音量级别不同（一个在输出级别30，另一个在100）。亮度振荡的幅度增加了相当大的数量-大约增加了2倍。更有趣的是，FFT揭示了较大的输入，显示出大约频率。除了原始200Hz输入外，还有400和600Hz。这些是谐波失真，与我们的听觉和客观失真证据相匹配。

结论
等离子扬声器在更高的范围内具有无与伦比的性能和保真度。但是，它的缺点是缺点和失真的增加低水平。其“无质量”驱动程序的独特性质使它的色泽非常低，但又被极度不敏感，效率低下的性能所抵消。它的全向能力可能非常有价值。虽然其较差的频率响应使其可以用作高质量的独立扬声器，但是专门的高音扬声器，与低音炮或其他中低端系统结合使用，效果可能会很好。低频自然比高频少定向频率，因此传统的低音炮与等离子高音扬声器的组合理论上可以显示出均匀的频率响应，同时保持全向性。

警告！该设备在实验使用过程中会产生高压和臭氧，它可能对用户的健康或生命构成威胁。因此必须由经验丰富或成熟的医师或工程师执行，以避免任何危险。进行开发实验的用户必须非常谨慎，在尝试进行实验之前，我们必须具有有关等离子体和与之相关的物理现象的基本知识，这将有助于我们更好地理解流程和制定自然法则。
因此在实验开发期间，理解重要的以下概念：
•冷等离子体-由于其特殊的特性，高度电离的气体（导电电流）被称为物质的第四态。它是电中性的气体云，具有高浓度的电子和离子。它存在于相对较低的温度和压力下
•放电–由于非常强的电磁场（非常高的电压），电流流过隔离环境而产生的电离空气的放电现象
•电弧–正常情况下连续放电
•荧光–由受激原子（主要是光）或粒子发射光的现象
还必须了解以下基本物理现象：
•产生声波
•火焰的定义
•磁性相互作用和磁场的性质
•光谱
•节能灯泡中的气体电离现象
•变压器设计规则及其比率
需要进行实验的设备：
•带电极的等离子扬声器电路-用作等离子源
•实验室稳压电源-提供设备所需的电源
•声音信号源、 MP3播放器
•铁氧体磁铁、金属探针、螺旋节能灯泡、金属导线