弧光音樂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

王魯南 南京匯金錦元光電材料有限公司 江蘇南京 210046

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弧光音樂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

王魯南 南京匯金錦元光電材料有限公司 江蘇南京 210046

【文章摘要】

弧光音樂具有一定的音樂和光線變化的視聽效果。從氣體放電類型、放電機(jī)理的研究，找出適合用于產(chǎn)生弧光音樂的氣體放電類型。間隙弧光放電是一種易于控制、聲光效果俱佳的放電形式。通過對脈沖弧光放電的電極材料特性、電極距離、電極形狀、電弧長短、驅(qū)動方式、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電源功率大小分析，給出弧光音樂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驅(qū)動電源的計(jì)算方法。給出的設(shè)計(jì)方法簡單易行，系統(tǒng)器件選擇經(jīng)濟(jì)適用，產(chǎn)生的聲光效果具佳。

【關(guān)鍵詞】

氣體放電；弧光音樂；驅(qū)動系統(tǒng)

引言

干燥的氣體情況下雖然是良好的絕緣體，但在適當(dāng)條件激勵下，使氣體中存在自由帶電粒子時，它就變?yōu)殡姷膶?dǎo)體。這時如在氣體中安置兩個電極并加上電壓，氣體在強(qiáng)電場作用下，少量初始帶電粒子與氣體原子（或分子）相互碰撞，當(dāng)碰撞能量超過某一臨界值時，會使束縛電子脫離氣體原子而成為自由電子。逸出電子后的原子成為正離子，使氣體中的帶電粒子增值，這時有電流通過氣體，這個現(xiàn)象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。人們根據(jù)放電形式的不同特點(diǎn)，通過對放電條件的控制實(shí)現(xiàn)某種特定的放電，分別在不同場合加以應(yīng)用。

弧光音樂具有一定的聲響和光線變化的視聽效果，而逐漸受到關(guān)注與青睞。弧光音樂的聲響和光線變化的視聽效果，是根據(jù)音樂節(jié)奏對條件、過程、放電形式進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。因此，要想獲得視聽效果俱佳、控制手段經(jīng)濟(jì)有效的弧光音樂，其驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。

1　弧光音樂驅(qū)動系統(tǒng)原理與組成

當(dāng)氣體在兩極電壓形成的電場作用下，氣體中自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電流。氣體在外加電壓作用下產(chǎn)生導(dǎo)通電流的現(xiàn)象稱為氣體放電。當(dāng)加于氣體上的電壓達(dá)到一定數(shù)值時，通過氣體的電流會突然劇增，氣體失去絕緣的性能。氣體在外加電壓作用下由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的過程稱為擊穿。使氣體擊穿的最低電壓稱為擊穿電壓、氣體發(fā)生擊穿時，電導(dǎo)突增，并伴有光、聲、熱等現(xiàn)象。

根據(jù)電極形狀、施加電壓大小、電源頻率、極間氣體種類、氣體壓強(qiáng)的不同，可發(fā)生的放電形式分別有輝光放電、電暈放電、電弧放電、火花放電、直流脈沖放電、高頻放電等。

輝光放電是低氣壓下的放電形式，電流密度較小，不同的極間氣體放電時呈現(xiàn)不同的顏色。由于是低氣壓放電，放電空間必須在特定的密閉空間進(jìn)行。

電暈放電，對于電極很尖的極不均勻電場氣隙，隨外加電壓的升高，在電極尖端附近會出現(xiàn)暗藍(lán)色的暈光，并伴有咝咝聲。如電壓不繼續(xù)升高，放電就局限在這較小的菹圍內(nèi)，形成局部放電，稱為電暈放電。發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小。

火花或電弧放電在氣體間隙的兩極，電壓升高到一定值時，氣體中突然產(chǎn)生明亮的樹枝狀放電火花，當(dāng)電源功率不大時，這種樹枝狀火花會瞬時熄滅，接著又突然產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為火花放電；當(dāng)電源功率足夠大時，氣體發(fā)生火花放電以后，樹枝狀放電火花立即發(fā)展至對面電極，出現(xiàn)非常明亮的連續(xù)弧光，形成電弧放電。當(dāng)火花放電和電弧放電在大氣中發(fā)生時，由于火花放電和電弧放電時的大電流，氣體瞬間被加熱膨脹而形成一定程度的聲響。

直流脈沖放電是在脈沖電壓作用下引起的氣體放電。脈沖放電視脈沖電源的具體型式分為單脈沖放電、重復(fù)脈沖放電和高頻脈沖放電等

高頻放電是由于放電電極間施加的是高頻電壓。當(dāng)極間氣體壓強(qiáng)較低時放電形式類同輝光放電，高氣壓放電類同同氣壓下的電暈放電、弧光放電及火花放電。

當(dāng)電弧放電在空氣中產(chǎn)生時，弧柱中心氣體溫度瞬間可達(dá)上萬度。到由于空氣在溫度高達(dá)10000℃左右的弧柱中因突然而強(qiáng)烈的受熱和熄弧隨之而起的急速冷卻，致使空氣因急速膨脹和壓縮的振動而發(fā)生的響聲；同時響聲也是水和空氣在高電壓（火花）的作用下分解所產(chǎn)生的瓦斯爆炸時發(fā)出的聲音。改變空氣電離的頻率，符合音樂振動空氣頻率，使我們耳朵感受到音樂，這就是弧光音樂?；」庖魳返奶攸c(diǎn)是，要求放電持續(xù)中斷過程能隨音樂節(jié)奏變化，同時具有隨音樂節(jié)奏變化的聲響。從上述放電形式及特征看，采用脈沖放電的形式更易控制并實(shí)現(xiàn)預(yù)想效果。

弧光音樂驅(qū)動系統(tǒng)主要由電極、驅(qū)動控制電路和電源三部分組成，驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　弧光音樂驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電極部分，包含正負(fù)兩級，兩電極相距一定距離。利用電極在高壓下尖端放電，產(chǎn)生電弧，利用電弧加熱瞬間空氣產(chǎn)生的震蕩產(chǎn)生聲響，通過音樂頻率對放電持續(xù)中斷的節(jié)奏進(jìn)行控制而產(chǎn)生音樂。限流電阻的作用是當(dāng)引弧成功，產(chǎn)生電弧時，由于弧柱的電阻很小，根據(jù)安培定律電流會很大，必須要有限流措施。

驅(qū)動控制電路，包含一個控制核心、音樂數(shù)據(jù)存儲電路、驅(qū)動放大電路等組成?？刂坪诵脑谒俣纫蟛桓叩那闆r下，可以用單片機(jī)，比如51系列單片機(jī)；音樂數(shù)據(jù)存儲電路的實(shí)現(xiàn)方法比較多，可以用SD卡，也可以用一些非易失性的flash rom芯片，根據(jù)需要選擇容量大??；驅(qū)動放大電路可以由功率放大芯片如TC4424，互補(bǔ)特性的場效應(yīng)管如IRF9540，IRF540等，實(shí)現(xiàn)信號不失真的驅(qū)動控制信號送至高壓電源，完成對高壓產(chǎn)生的控制。

電源部分，由市電經(jīng)處理產(chǎn)生兩路電源，一路是穩(wěn)壓的低壓電源提供給驅(qū)動控制電路，另一路則提供給高壓電源，在驅(qū)動控制電路的作用下，送給電極，提供電弧放電的能量。

2　弧光音樂頻率驅(qū)動電路（電弧音樂產(chǎn)生的原理，與距離的關(guān)系）

對于聲音的產(chǎn)生，大家都知道，聲音都是由振動產(chǎn)生的，聲音之所以有不相同，是因?yàn)樗鼈兊恼駝宇l率不同，而產(chǎn)生音調(diào)高低的不同。頻率越高，音調(diào)也就越高。在音樂界人們公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)A音是每秒振動440次，這個也是樂器定音的標(biāo)準(zhǔn)。而C音的頻率則是261.63Hz。

弧光音樂可利用控制核心控制電弧放電頻率，產(chǎn)生音樂。

下面我們就以51系列單片機(jī)控制施加在高壓包上的放電的頻率，討論產(chǎn)生C調(diào)的音樂實(shí)現(xiàn)方法。

對于C調(diào)的高音節(jié)re的頻率（1175Hz）、高音節(jié)do的頻率（1046Hz）、低音節(jié)re頻率（294Hz）、低音節(jié)do頻率（262Hz）。對于單片機(jī)來說其主要控制核心是用定時器中斷來實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵程序如下。

對于數(shù)組T，是實(shí)現(xiàn)不同音節(jié)的一組數(shù)據(jù)。

同樣推出其他音節(jié)的賦值數(shù)據(jù)。

beepIO=！beepIO；是實(shí)現(xiàn)控制電弧放電的頻率，也就是實(shí)現(xiàn)音樂的關(guān)鍵程序。利用定時器中斷，改變定時器定時的時間，完成頻率的改變，達(dá)到不同音節(jié)的控制播放。

從beepIO=！beepIO程序中可以看到，高低電平時間上是等寬的，高低電平占空比均是50%，所以 無論什么音節(jié)，雖然頻率相差幾倍，但頻率最高和最低的需要電源功率理論上均為相同的。

3　電極材料與形狀的選擇

氣體放電時，兩個電極間電弧的伏安特性如下公式所示：

式中：

V是極間電壓

I是電弧電流

l是電弧長度

a，b，c，d是氣體種類和電極材料相對應(yīng)的常數(shù)。

顯然，放電功率與電極間距、電極材料、放電弧柱電流、氣體種類、氣體密度有著很大的關(guān)系。

首先電弧電極材料的選擇是一個非常重壓的環(huán)節(jié)。在放電形成與放電維持的過程中，放電著火電壓與電極材料和電極的形狀有很大的關(guān)系。

電極的材料一般會選用導(dǎo)體，如銀、銅、鋁、鐵、鎢等金屬。表1展示這些導(dǎo)體的物理性能。

表1　常用導(dǎo)體物理特性比較

表2　距離與施加電壓關(guān)系

從表1中，我們可以看出：銀是最好的導(dǎo)體，其次是銅；金屬鎢的導(dǎo)電性最差，但熔點(diǎn)最高，硬度也高，在放電的過程中最不易損壞。同時我們都知道銀的價格要比鎢高的多，在選擇材料時，除需考慮物質(zhì)的性質(zhì)外，還要考慮價格、使用壽命等，所以在工程選材時我們會選鎢。

對于電極的形狀，我們知道導(dǎo)體尖端越尖，越易在處產(chǎn)生電弧。原因是尖端越尖，曲率越大，即曲率半徑越小，面電荷密度越高，電力線密集，附近場強(qiáng)越強(qiáng)，使這部分區(qū)域的空氣電離越容易，這可以通過靜電學(xué)知識中得到證明。

對于導(dǎo)體表面的面電荷密度σ與表面附近的場強(qiáng)E的大小之間的關(guān)系，有

式中，導(dǎo)體的面電荷密度為σ，半徑為R，球面帶電量為Q，電場強(qiáng)度E。

式（4）告訴我們導(dǎo)體表面的面電荷密度σ與表面附近的場強(qiáng)E的大小之間的關(guān)系與成正比。尖端導(dǎo)體容易產(chǎn)生電弧。

4　電弧驅(qū)動電源功率

對于空氣中當(dāng)電場強(qiáng)度大于3kV/mm，發(fā)生空氣電離（擊穿），產(chǎn)生電弧。

正、負(fù)電極之間氣體中有帶電粒子時，帶電粒子在電場作用下，就會產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象；當(dāng)放電電流足夠大時，就形成了電弧放電，電弧放電將電場能量轉(zhuǎn)換成熱能、機(jī)械能、光能。

電弧放電是弧光放電，不同于輝光放電，在引弧時電壓最高幾十萬伏，但此時電流很小幾乎為零，電弧發(fā)生后，電流較大約幾個安培，弧柱電壓較低約20伏左右就可以穩(wěn)定維持。

儲能電容的作用是提供瞬間較大的電流，可以減輕對電源功率的要求，減低電源的負(fù)擔(dān)。

要想升壓肯定有一個不是直流電的信號，所以用某芯片產(chǎn)生了一個方波，而且方波的脈寬是可以根據(jù)輸入的音頻信號調(diào)制脈寬的，這樣產(chǎn)生的電弧才會發(fā)出隨著音樂頻率變化聲音

空氣擊穿電壓與擊穿距離、空氣濕度、空氣密度有很大關(guān)系，一般情況下，一毫米的距離大約要3kV。在非常大的電壓差下，高壓帶電體周圍的空氣會被電離，本來是絕緣體的空氣變成導(dǎo)體，就會形成電?。?/p>

空氣擊穿距離應(yīng)該不是一個定數(shù)，因?yàn)榭諝庵械某煞菁八暮繉﹄姎鈸舸┯绊懛浅４蟆?/p>

產(chǎn)生電弧時，施加在電極上的電壓與正負(fù)電極之間距離的關(guān)系。

弧光放電驅(qū)動電壓、電流與放電電極間距、電極材料、放電氣體種類、氣體壓強(qiáng)有著很大的關(guān)系。

此處所考慮的是音樂頻率驅(qū)動、即具有音響效果，又具有光變化效果，所以放電驅(qū)動采取的是音樂頻率驅(qū)動的直流脈沖電壓，放電形式為非自持式間隙弧光放電。放電電流的大小直接影響到音樂的聲光效果，通過電源初端輸入電流達(dá)到對放電電流的控制。

放電著火電壓Vb

l——電極間距

δ——空氣相對密度

電極間距與著火電壓關(guān)系如圖2所示。

在大氣中氣體放電所需的最小電流如圖3所示。

圖2　電極間距與著火電壓關(guān)系

圖3　大氣中電弧的伏-安特性

5　脈沖變壓器功率計(jì)算

放電著火電壓由脈沖變壓器提供， 由于脈沖信號包含著很復(fù)雜的高頻及低頻分量，因此要求傳輸脈沖信號的變壓器應(yīng)具有不產(chǎn)生失真、脈沖持續(xù)時間和間歇時間不變的特征。同時考慮到電源功率與放電聲光效果的匹配，脈沖變壓器的磁心一般選用軟磁鐵氧體材料，這對保證脈沖信號不失真的傳輸非常有利。

（1）脈沖變壓器功率的計(jì)算

式中∶Vm——脈沖弧柱電壓（V）；

Im——脈沖放電電流（A）。

（2）.脈沖變壓器輸入電壓、電流

式中：Vo——脈沖輸入電壓

Io——脈沖輸入電流

變壓器的鐵芯截面積計(jì)算

計(jì)算初級線圈的電感量

式中∶LP——初級線圈電感量（H）；

τυ——脈沖信號寬度（s）；

△——脈沖平頂下降的比例；

R——初級回路的等效電阻（Ω）

（其中ro為信號源內(nèi)阻，RL為負(fù)載阻抗）。

（3）脈沖變壓器初級匝數(shù)的確定

式中：Lc——磁路平均長度（cm）；

μo——鐵心導(dǎo)磁率；

Sc——鐵心截面積（cm2）

6　結(jié)論與分析

弧光音樂屬于弧光放電一類，其特點(diǎn)是擊穿電壓高，一旦極間氣體被電離擊穿形成電弧放電時，極間電壓低，電流密度強(qiáng)，弧光亮度高.特別是高壓強(qiáng)弧光放電時，電弧具有很高的溫度，一般可達(dá)到1000～2000多度。

電極材料、電極形狀、極間氣體種類對弧光放電著火電壓的大小起決定性作用。表面電子逸出功小、電極前段面積小的電極，在極間距相同、電場強(qiáng)度不變的情況下更易發(fā)射電子，形成較大的極間電流，所需的著火電壓更低。

當(dāng)極間空氣電離擊穿、電流密度增加形成電弧放電時，由于電極受到正離子的轟擊溫度急劇升高而產(chǎn)生顯著的熱電子發(fā)射，導(dǎo)致陰極位降大幅度降低，電流密度增大，從而導(dǎo)致電極溫度進(jìn)一步升高。因此，要求弧光放電所采用的電極材料具有耐高溫的特性，以免電極熔融蒸發(fā)。

由于放電受音樂頻率調(diào)制間歇發(fā)生，放電持續(xù)時間較短，電極間位降基本不變。放電效果取決于放電電流。即聲響效果依賴于放電電流的大小，通過調(diào)節(jié)輸入電流調(diào)整放電聲響程度。

由于放電受音樂頻率調(diào)制間歇發(fā)生，同時考慮到電源功率與放電聲光效果的匹配，因此要求傳輸脈沖信號的變壓器具有不失真、脈沖持續(xù)時間和間歇時間不變的特征。脈沖變壓器的磁芯一般選用軟磁鐵氧體材料，對保證脈沖信號傳輸?shù)牟皇д媸欠浅Ｓ欣摹?/p>

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【作者簡介】

王魯南（1957年5月），男，南京，碩士，技術(shù)中心副主任（高級工程師），主要研究方向：磁控濺射鍍膜技術(shù)