基於Realtek RTL8763B 的無線藍牙等離子體揚聲器解決方案

常規揚聲器通過使用磁體和電感器來驅動振動膜，產生可以被人耳聽到聲音的壓力波。而等離子揚聲器的不同之處在於，在兩個電極之間使用等離子弧產生壓力波。這樣等離子揚聲器的輸出頻率不受靠震動位移條件產生的頻率限制。無線等離子藍牙揚聲器是一個採用等離子電弧傳播聲音的系統，它具有全向無損傳播的能力並且不需要傳統的揚聲器喇叭設備。我們的項目是一個低成本的無線等離子藍牙揚聲器系統，它可以在 你的辦公桌就可以輕鬆搞定的一個很酷的燈光秀和令人驚歎的，眼花繚亂的桌面揚聲器系統!無線音樂從你的iPhone, iPad,三星或其他Android設備,通過藍牙連接到具有藍牙傳輸介質的等離子體設備中，等離子體設備中的高壓產生的電弧會隨著音樂的節奏舞蹈移動。

等離子體音箱的最初應用是1946年，發明家Siegfried Klein于1946年為其申請了專利。我們這個系統與傳統揚聲器驅動器（例如紙盆揚聲器）相反，主要使用原子級粒子作為聲壓波的驅動。 等離子體放電會激發周圍的粒子和離子，使其與中性空氣粒子發生碰撞。 這些碰撞是可以造成聲音的壓力波, 因此等離子揚聲器具有一些相對獨特的屬性。 身歷聲等離子揚聲器意味著我們有兩個相同的電路和四個放電電極，用於兩個揚聲器創建身歷聲效果。該系統的概略示意圖如下圖 所示：

一、工作原理介紹

等離子體是一個新世紀最熱門的學科，等離子體的產生通常是使用高壓放電的原理來產生等離子弧，它是電離氣體進行導電。 當一個音訊信號通過等離子會與音訊信號同步且產生共振。 等離子體的快速扭轉振動空氣而創建奇特的聲音。我們的無線等離子藍牙揚聲器系統的音源可通過使用帶藍牙功能的iPAD播放機、電腦、手機等等,見下圖所示：

二、系統設計介紹

在這個系統中，我們採用的是脈衝寬度調製器積體電路TL494，它也通常用於開關電源設計中。我們將使用它來提供驅動Mosfet管的頻率，後者Mosfet管又驅動反激式的初級繞組。 TL494具有兩種不同的輸出控制模式。有並行模式和推挽模式。我們這個設計需要並行模式，電路中可將TL494中的Pin13 OUTC 通過跳線跨接至地。因此這裡有兩種音訊調製技術可選：

音訊調製技術1
是以固定的死區時間運行，但通過運放將聲音應用到TL494的RC部分。這將改變進入初級繞組的波的頻率。通過改變頻率，我們可以產生不同的等離子弧，產生不同的聲壓並產生我們的音訊。我們在使用這項技術時遇到了麻煩，因為它會使我主電源一直處於短路保護模式。因此我們採用另外一種技術。

音訊調製技術2
我們的TL494可以提供一個高頻驅動信號來運行Mosfet，該Mosfet負責我們的初級繞組。現在我們需要調製該頻率，以使其產 生等離子弧變化，從而產生聲壓波。有兩種方法可以做到。 “第二個方法是將音訊輸入到停滯時間控制項中。該技術將改變TL494產生的脈衝寬度。通過改變脈衝寬度，我們向初級繞組提供不同量的能 量，這將導致等離子弧的變化而產生聲音。在這個項目中，我們使用第二種方法來完成,見下圖所示：

 

1、系統設計闡述
由智慧手機傳遞過來的無線音訊信號透過藍牙抵達我們的無線等離子藍牙揚聲器接收，我們採用RTL8763B系列的藍牙音訊模組來處理音訊信號，其與等離子揚聲器驅動器一起構成的等離子藍牙揚聲器系統，RTL8763B的輸出端R/L任意一端（TL494有兩個不同的輸出控制模式。 有一個平行模式和推拉模式。也可以採用雙端供給兩路驅動器組成的推挽電路， 本例 僅僅製作平行模式）直接連接到等離子驅動器的音訊輸入端，同時這個輸入端也並接了一路由LM3914組成的LED電平顯示電路，主要用於隨音樂節奏一起舞 動的顯示器，音樂信號接入到由TL494構成的脈寬調製器，該晶片是電路中最重要的部分。它是用於將音訊信號變成可以饋入到反激式變壓器的初級繞組當中， 方波被調製並應用於變壓器以產生變化的電壓脈衝，由電壓脈衝驅動反激式升壓變壓器初級到次級的升壓放電，從而產生尖銳令人興奮刺激的音樂聲音。

2、等離子喇叭
等離子喇叭是一個使用等離子弧產生的高壓聲音裝置。 通過改變電弧的強度,不同的壓力波從而產生聲音。製作這個等離子體音箱，首先我們需要一個回掃變壓器。 大多數製作等離子喇叭都是使用TV上的高壓回程變壓器。 你可以從一個舊電視上拆除的。 這個回掃變壓器原本是創建高電壓用於驅動CRT螢幕用的。 見下圖所示：

3、反激式變壓器計算
這個反激式變壓器要做的工作就是將輸入初級繞組的電壓並通過感應在次級線圈上急劇增加。 理論上應該遵循以下公式： Vs/Vp=Ns/Np; 其中Vs和Vp分別代表次級和初級的電壓，Ns和Np分別代表次級線圈和初級線圈上的線匝數。 次級線圈的兩端是組成等離子揚聲器的高壓放電電弧。在這個例子裡,我們可利用上圖的舊電視機裡的高壓包來製作我們的反激式變壓器，現在我們用在這裡製作一個簡單的等離子體音箱設備。這裡要用到非常低的電阻初級繞組，初步計算只需在舊式回程高壓包的初級磁芯繞上1.2mm 的線徑約6匝左右，通過大約5 - 10安培的電流和一個相當高的頻率。所以需要使用大功率的Mosfet電晶體器件。這個Mosfet管會產生大量的熱量,因此還需要一個散熱器。 沒有散熱器幾秒鐘就可以燒毀這個Mosfet，這裡應該有增加一個風扇的散熱器，我們可以使用PC 上CPU的散熱片，他們有非常好足夠大的散熱作用。 對於大功率常用的Mosfet 可以選擇：IRF540, IRF840, IRFP250，IRFP260, 這裡選擇了IRFP260會更好一點。

4、驅動器TL494

TL494是美國德州儀器公司生產的電壓驅動型脈寬調製器，可用在顯示器、電腦等系統電路中作為開關電源電路，TL494的輸出三極管可接成共發射極及射極跟隨器兩種方式，因而可以選擇雙端推挽輸出或單端輸出方式，在推挽輸出方式時，它的兩路驅動脈衝相差180度，而在單端方式時，其兩路驅動脈衝為同頻同相。系統的設計非常簡單， 無線藍牙傳輸過來的音訊信號輸入到TL494這顆電壓驅動型脈寬調製器晶片，會輸出PWM占空比變化的方波，它對應於占空比的輸入音訊信號暫態頻率。 該方波連接到MOSTFET的柵極，該柵極有選擇地傳導或阻止電流流過反激變壓器的初級線圈。 當FET開啟時，磁通在鐵心中累積。 當FET關閉時，磁通量必須放電，但是初級線圈不提供接地的導電路徑，因此磁通量必須通過輸出線圈，即電極所連接的線圈。 

1）TL494引腳功能介紹
1、2腳分別為誤差比較放大器的同相輸入端和反相輸入端。
3腳為控制比較放大器和誤差比較放大器的公共輸出端，輸出時表現為或輸出控制特性，也就是就在兩個放大器中，輸出幅度大者起作用。當3腳的電平變高時，TL494送出的驅動脈衝寬度變窄，當3腳電平低時，驅動脈衝寬度變寬。
4腳為死區電平控制端，從4腳加入死區控制電壓可對驅動脈衝的最大寬度進行控制，使其不超過180度，這樣可以保護開關電源電路中的三極管。
5、6腳分別用於外接振盪電阻和電容。
7腳為接地端。
8、9腳和11、12腳分別為TL494內容末級兩個輸出三極管的集電極和發射極。
12腳為電源供電端。
13腳為功能控制端。
14腳為內部5V基準電壓輸出端。
15、16腳分別為控制比較放大器的反相輸入端和同相輸入端。

 

2）PWM脈寬調製
脈衝寬度調製是利用數位方波(信號開關)來實現類比信號的結果。 為了瞭解高壓以何種方式出現在電極上並產生電弧，我們需要分析電路並確定每個模組的功能。簡化之後，這意味著省去了不必要的次要電路，例如濾波器或信號回路，將使分析變得更加容易。該電路的工作方式如下：在空閒狀態下，PWM發生器會產生一個方波信號，該信號由可調電位計來設置規定的時間和頻率。積體電路TL494產生的信號被傳送到開關功率MOSFET電晶體的柵極。在電晶體處，小信號被處理成具有足夠特性的高電流脈衝，該電流脈衝由電源提供給修改後的反激變壓器的初級繞組。其結果就是在次級繞組上出現了很高的電壓，由於有非常高的反激變比，所以能夠多次倍變。變壓器輸出連接到正負電極，在它們之間會產生非常強的磁場。這會導致輸出之間的空氣電離，並使電流流過它，從而形成穩定的電弧來源。下面是來自Rigol數字示波器的幾個波形，兩種波形都是在向反激輸入10V時輸入是測量的。黃色跡線為10V / div，藍色跡線為10V / div。黃色是mosfet驅動器的TL494輸出端波形，藍色是饋入反激初級線圈的導線輸出波形。第一個波形是火花隙分離且沒有電弧，第二是發生電弧。兩種情況下的頻率約為96 Khz，沒有有效的音訊調製。

 

 

當黃色的峰峰值電壓約為10.8 V時，藍色的電壓表示峰值在160V（無弧光）和230V（無弧光）之間。 BC327是反相驅動器，因此當黃線變高時，MOSFET的線變低從而MOSFET關斷。圖中的藍色尖峰是來自初級的感應尖峰回掃波形。可在反激式原邊並聯了一些電容器，增加電容可以使您在較高的頻率下獲得穩定的電弧，使用額定電壓為250V的電容可能會導致電容過熱。這可能是因為電感尖峰在300V附近，額定600V的電容可能恰到好處。以下是反激式主電路上30VDC@2A時，電弧產生的波形的一些螢幕截圖。頻率提高到約130 Khz。左側的一個是沒有加電容，右側的一個有兩個0.01uf / 1.6KV電容，可以看到能夠除掉感應產生的有害尖峰脈衝波形。

 

添加電容器可以使電路在30 VDC下獲得更高的頻率（130Khz），並獲得更低的電流消耗（2安培而不是4安培）。 mosfet現在運行的溫度比以前低很多，而且電路中不用增加過熱保護的熱敏電阻且聲音也很好，有一定的改善。

5、音訊信號源(RTL8763B BT audio Module)
     在之前的設計案例，我們有詳細的介紹我們的RTL8763B 藍牙音訊模組，這裡我們可以先採用標準的RTL8763B 藍牙音訊模組進行功能驗證，後續根據板子的空間再嵌入到PCB上。見下圖所示：

我們連接設計好的藍牙無線音訊模組做輸入信號源（在我們的示例中是藍牙耳機播發器，我們採用了RTL8763B）並設置設備的工作參數以保持穩定的電弧後， 我們便可以播放歌曲。我們直接從電弧中聽到所選的音樂僅僅通過微小的等離子火焰就能夠再現各種聲音並將其傳遞到我們的耳朵, 等離子體會通過適當的調製來重現聲音。根據輸入波，PWM發生器以恒定的頻率延長或減少輸出驅動信號的時間，通過此過程產生的等離子體凝結和稀疏，從 而將其轉化為空氣的凝結和稀疏。空氣密度的那些變化被定義為聲波，作為音樂的感覺傳到我們的耳朵，音樂主要由火焰播放。我們增加的 LM3914主要是能夠隨音樂起舞的指示作用，而且等離子火焰也隨音調的“顏色”進行令人炫目的變化，是非常的震驚和有趣。

三、等離子音箱測試指標

下列資料和實驗是通過將Dayton EMM-6麥克風安裝在離揚聲器驅動器10cm的環形支架的無回聲室上進行的。 這些測量可能會受到背景雜訊水準的影響，但相對於其他揚聲器測試而言應該是一樣適用。
1、頻率回應
系統的頻率回應通常定義為整個頻率範圍內的幅度的度量, 理想揚聲器的頻率回應的特徵是一條扁平線。 圖中表示揚聲器重現了所有頻率均勻且音量一致。我們使用稱為HOLM Acoustics的程式，在20秒~20kHz~20kHz的對數進行掃描信號測量頻率回應。 另外還對22W Fender Squire SP-10吉他放大器和一組電腦RealTekHD Audio揚聲器進行了測試，以進行比較。等離子揚聲器的頻率回應顯示振幅隨頻率的增加呈一致的對數增加（趨勢線回歸
的對數係數（以10為底）為13.47或自然對數係數為5.85）。 因為等離子揚聲器的驅動是“無品質的”，由於它能夠移動非常少量的空氣，因此具有很高的頻率。 相比之下，Fender SP-10在200-10,000Hz左右保持平坦（峰值在270Hz左右的中低頻範圍內）。 然而從10kHz開始，其回應迅速惡化。 RealTekHD電腦揚聲器表現平穩（與（1-2kHz區域的下降除外），僅在18kHz左右開始惡化。

2、衝激反應
衝激回應通常將用於測量顏色或揚聲器因過度振動而增加的聲音。 將一小段粉紅雜訊脈衝施加到系統中並以88.2kHz的取樣速率記錄波形。 理想揚聲器的衝激回應表，應盡可能減少殘留雜訊只需重現信號，然後停止振動即可。等離子揚聲器具有乾淨，無噪音的脈衝回應。 尤其反射在房間裡的回應清晰可見，每個反射都出現並結束於原始的特定時間點。 等離子揚聲器在樣本500（5.7毫秒）內完全停止發聲，而SP-10和電腦揚聲器繼續分別在大約10毫秒和15毫秒處遭受殘餘振動。

3、失真
揚聲器品質的另一個度量是失真的度量。 有兩種測量失真的方法，一種是針對幅度的，另一種是針對幅度的相對頻率。 通過檢查純音或純音時出現的任何其他頻率，也可以在頻譜圖中發現諧波失真。等離子揚聲器在運行時會在3kHz左右產生非常柔和的音調，並且在最大的設置下，直到頻率掃描結束之前，失真幾乎不會發生。電腦揚聲器的光譜儀顯示出類似的音調在600Hz時,而在440Hz振幅掃描結束時可以檢測到非常少量的失真。SP-10放大器中的諧波失真，隨著音量的增加（從大約9s開始）以及在中頻範圍（500-5000Hz），諧波失真在SP-10放大器中非常的明顯。我們可以通過檢查光譜線的粗細和質地,請注意隨著振幅的增加，所有系統的厚度都在增加。粗線表示正在檢測其他頻率，但與原始頻率不完全相同，這是另一種失真。理想的系統將顯示呈直線變化，當掃描到顏色的變化（在幅度掃描中）和高度（在頻率掃描中）時的變化應該是完全細的直線。

4、方向性
方向性是衡量揚聲器的“定向”程度； 也就是說，聽眾的位置改變來感知或測量的頻率回應。 為了測量方向性，在180度的時間內以30cm的徑向距離以10度間隔進行頻率回應掃描。等離子揚聲器幾乎是全向的，總音量略微下降到90度以上。 請注意，振幅實際上隨著我們從軸上（0度）移至90度標記-峰值實際上位於設備側面。 在個別頻率測試中，低頻所有這些信號在180度時的振幅都有很大的增加，而較高頻率的曲線或多或少保持圓形。 其實強度180度的尖峰似乎與頻率成反比：較低的頻率具有最大的尖峰。以下圖是所有頻率的方向性極座標圖：

5、靈敏度
靈敏度定義為輸入功率與峰值聲壓級之間的關係，通常以分貝/瓦/米為單位進行測量。下面是三種不同產品的測試結果：

1）、SP-10
我們使用YMEC信號發生器向SP-10提供了恒定的粉紅雜訊信號，並調整了音量控制以最終讀取平均輸出在0.60V處1米的距離處具有8歐姆阻抗的85.0dB SPL。經過計算，我們得出的靈敏度為97.6dB / W / m。使用Decibel 10雜訊計對SP-10進行第二次重複測量，這一次的靈敏度為99.32dB。

顯示計算：
測得的SPL（房間雜訊）= 65.0dB（Quest），55.19（Decibel 10）
會議室SPL /參考= 1780Pa，575.44Pa
測得的SPL（Amp + Room Noise）= 85.0dB（Quest），88.84（Decibel 10）
（Amp +房間雜訊SPL）/參考= 17800Pa，27669Pa
調整了房間雜訊的SPL = 20log [（Amp + Room Noise）/ Reference-室內噪音/參考]
根據房間雜訊調整SPL = 84.1dB SPL，88.66dB SPL
功率（Quest）= v ^ 2 / R =（.5volts）^ 2 / 8ohms = .045W
調整為1w = 10log（1W / .045W）= + 13.5dB
靈敏度= 84.1dB + 13.5dB = 97.6dB / W / m
功率（分貝10）= V ^ 2 / R =（.49volts）^ 2 / 8ohms = .03W
調整為1w：dB的變化= 10log（1W / 0.03W）= + 15.22dB
靈敏度= 84.1dB + 15.22dB = 99.32dB / W / m

2）等離子揚聲器
對於等離子揚聲器，我們測量了輸入電流和電壓，得出的功率讀數為2.4A * 79V = 190W，用於在10cm處輸出70.7dB。計算後，我們得出的等離子揚聲器的靈敏度值為21.6 dB / W / m（使用長電纜+籠式設置在3.769MHz上驅動）。再使用一種Decibel 10的測量軟體重複進行第二次測量，使用短電纜獲得48.84 dB / W / m的結果（設置在3.99MHz和24.5cm）

顯示計算
測得的SPL（房間雜訊）= 65.0dB（Quest），55.19（Decibel 10）
會議室SPL /參考= 1780Pa，575.44Pa
測得的SPL（等離子+房間雜訊）= 73.8dB（Quest），82.05dB（D10）
（等離子+房間雜訊）/參考= 3427.67，12677
調整了房間雜訊的SPL = 20log [（等離子+房間雜訊）/參考-室內噪音/參考]
根據房間雜訊將SPL調整為64.34dB，81.66dB

Quest:
調整為1m：dB的變化= 20log（距離1 /距離2）= -20dB
調整為1W：dB的變化= 10log（1W / 190W）= -22.79 dB（Quest）
靈敏度= 21.6dB / W / m

3）D10：
調整為1m：dB的變化= 20log（距離1 /距離2）= -10.52dB
調整為1W：dB的變化= 10log（1W / 169.9W）= -22.3 dB（D10）
靈敏度= 48.84dB / W / m

6、歸一化方向性測量
這種測量的方法是彌補傳統揚聲器設計的方向是單向的。等離子揚聲器全部響起是全方向的，但我們的軸上靈敏度測量僅拾取了其中的一小部分，在對方向性空間進行積分並除以（18個間隔* 10dB）以找到平均值之後，等離子揚聲器的靈敏度（超過180度範圍）僅比放大器低約20dB。 （69.64dB / W / m與49.21dB / W / m）。

7、光譜學
使用OceanOptics光譜軟體和弱光條件，可以獲得等離子體放電的視覺光譜（相對於音訊）。光譜的最強發射是在較低的波長（<450nm）中，到處都有一些小尖峰（670.9、728.4、871.6和906.4nm）。 許多下端線與氧和氮3的發射光譜相匹配。 有一種可能的銅排放（407.5nm），儘管也有可能只是另一種氮排放。

8、高速視頻分析
等離子揚聲器播放200Hz音調，以2000fps拍攝。 以10fps播放。我們以2000 fps的速度拍攝了等離子放電的膠片，用改變輸入信號來嘗試分析放電的視覺外觀與音訊輸出特徵。 視頻從視覺上顯示出特徵似乎有規律地脈動。 下一步是通過使用名為ImageJ的免費圖像分析程式來測量平均亮度。資料表明，亮度確實在輸入信號的頻率上振盪（誤差約為1％）。 接下來，我們開始一些數量上的分析資料。上圖表示兩個不同的視頻樣本：兩個都是200hz的輸入音訊信號，但是音量級別不同（一個在輸出級別30，另一個在100）。亮度振盪的幅度增加了相當大的數量-大約增加了2倍。更有趣的是，FFT揭示了較大的輸入，顯示出大約頻率。除了原始200Hz輸入外，還有400和600Hz。這些是諧波失真，與我們的聽覺和客觀失真證據相匹配。

結論
等離子揚聲器在更高的範圍內具有無與倫比的性能和保真度。但是，它的缺點是缺點和失真的增加低水準。其“無品質”驅動程式的獨特性質使它的色澤非常低，但又被極度不敏感，效率低下的性能所抵消。它的全向能力可能非常有價值。雖然其較差的頻率回應使其可以用作高品質的獨立揚聲器，但是專門的高音揚聲器，與低音炮或其他中低端系統結合使用，效果可能會很好。低頻自然比高頻少定向頻率，因此傳統的低音炮與等離子高音揚聲器的組合理論上可以顯示出均勻的頻率回應，同時保持全向性。

警告！該設備在實驗使用過程中會產生高壓和臭氧，它可能對用戶的健康或生命構成威脅。因此必須由經驗豐富或成熟的醫師或工程師執行，以避免任何危險。進行開發實驗的用戶必須非常謹慎，在嘗試進行實驗之前，我們必須具有有關等離子體和與之相關的物理現象的基本知識，這將有助於我們更好地理解流程和制定自然法則。
因此在實驗開發期間，理解重要的以下概念：
•冷等離子體-由於其特殊的特性，高度電離的氣體（導電電流）被稱為物質的第四態。它是電中性的氣體雲，具有高濃度的電子和離子。它存在於相對較低的溫度和壓力下
•放電–由於非常強的電磁場（非常高的電壓），電流流過隔離環境而產生的電離空氣的放電現象
•電弧–正常情況下連續放電
•螢光–由受激原子（主要是光）或粒子發射光的現象
還必須瞭解以下基本物理現象：
•產生聲波
•火焰的定義
•磁性相互作用和磁場的性質
•光譜
•節能燈泡中的氣體電離現象
•變壓器設計規則及其比率
需要進行實驗的設備：
•帶電極的等離子揚聲器電路-用作等離子源
•實驗室穩壓電源-提供設備所需的電源
•聲音信號源、 MP3播放機
•鐵氧體磁鐵、金屬探針、螺旋節能燈泡、金屬導線