“音樂player”特斯拉線圈的研制

袁野　紀(jì)恒江　李聰　莊淏旭

摘 要

特斯拉音樂播放器是一種基于共振原理運(yùn)行的變壓器工作的音樂播放器。這款新概念揚(yáng)聲器是依靠電弧激發(fā)空氣變作等離子體產(chǎn)生的空氣振動發(fā)聲，可以播放手機(jī)、電腦音樂，并能保證音質(zhì)清晰。

關(guān)鍵詞

特斯拉線圈;RC振蕩電路

中圖分類號： P313.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.043

0 引言

1877年12月，愛迪生公開表演了留聲機(jī)，“會說話的機(jī)器”誕生的消息，立刻轟動了全世界。外界輿論馬上把他譽(yù)為“科學(xué)界之拿破侖”，留聲機(jī)也成為19世紀(jì)最引人振奮的三大發(fā)明之一。

1898年，丹麥的V.波爾森發(fā)明了鋼絲錄音機(jī)，從此，以硬磁性材料的剩磁特性將聲音信號記錄在載體，具有重放、錄音功能的磁帶錄音機(jī)開始在家庭里普及。

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對音色品質(zhì)的追求越來越高。老式錄音機(jī)音色簡單蒼白，已經(jīng)不能滿足人們對音樂品質(zhì)的更高需求，于是老式錄音機(jī)逐漸被社會淘汰。取代它的是更清晰、更渾厚音質(zhì)的播放器CD正式登上舞臺。

1982年，世界上第一臺CD播放器、同時也是索尼生產(chǎn)的第一臺CD播放器誕生了—Sony's CDP-101。CD的出現(xiàn)，依靠完美的音質(zhì)表現(xiàn)、快捷搜歌、方便攜帶等功能，風(fēng)靡了市場10多年之久。直到MP3的出現(xiàn)。世界上最具影響力的MP3是RioPMP300，它最大的優(yōu)點(diǎn)是可在互聯(lián)網(wǎng)上下載MP3而不用花一分錢，但是它的缺點(diǎn)是體積大，屏幕小，顯示內(nèi)容少，支持格式少。由于PC和互聯(lián)網(wǎng)的普及，各種音樂播放軟件也層出不窮，音樂播放器的智能時代正式來臨。

1 特斯拉線圈音樂播放器的工作原理

特斯拉線圈音樂播放器，包括：音頻輸入模塊、驅(qū)動芯片、振蕩電路、場效應(yīng)管和特斯拉線圈;音頻輸入模塊連接驅(qū)動芯片的控制信號輸入端，用于向驅(qū)動芯片輸入音頻信號;振蕩電路連接驅(qū)動芯片的內(nèi)部振蕩器的兩個引腳，用于調(diào)整振蕩頻率;場效應(yīng)管的柵極連接驅(qū)動芯片的驅(qū)動輸出端，場效應(yīng)管的漏極連接特斯拉線圈的初級線圈，用于根據(jù)驅(qū)動芯片輸出的驅(qū)動信號導(dǎo)通或截止，從而驅(qū)動特斯拉線圈產(chǎn)生聲音電弧。如此設(shè)置，在驅(qū)動芯片的驅(qū)動下，特斯拉線圈可以將空氣電離，從而能夠驅(qū)動離子化的空氣振動發(fā)聲，相對于傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器，由于沒有振膜，因此不會產(chǎn)生頻譜失真，即能最大限度還原聲音的真實(shí)音色。

圖為特斯拉線圈的一種等效電路示意圖。如圖所示，充電端輸入交流電源，為電容C1充電，當(dāng)電容器C1兩端的電壓達(dá)到打火器S1的擊穿電壓時，打火器打火導(dǎo)通，使C1與特斯拉線圈的初級線圈L1組成LC振蕩電路，初級LC回路發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振頻率為f=，給次級線圈提供足夠高的勵磁功率，使其共振。特斯拉線圈的次級線圈L2的一端接地，另一端與大地之間形成等效電容C2。L2和C2也組成LC振蕩電路，并且其振蕩頻率與初級線圈相同，即次級線圈的電感與分布電容也發(fā)生串聯(lián)諧振，這時放電終端電壓最高，于是就能看到電弧。

其中，電弧即高電壓造成的氣體放電現(xiàn)象。在一般的狀態(tài)下，空氣的分子大部分為中性不帶電，但經(jīng)過高壓放電后就成為帶電的粒子，這種現(xiàn)象稱游離化或電離。劇烈的電離過程會產(chǎn)生電弧放電，電弧的橫截面直徑（粗細(xì)）與電弧中電流大小成正比，粗細(xì)程度就是空氣膨脹程度不同的表現(xiàn)，（聲波的產(chǎn)生需要空氣的膨脹和收縮，收縮過程就是電弧電流由大變小時空氣膨脹系數(shù)也由大變小的過程）通過音頻信號控制電弧中電流的大小則產(chǎn)生相應(yīng)的聲波，這就是基于電弧放電發(fā)聲的原理。

3 特斯拉線圈音樂播放器的電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖所述，特斯拉線圈音樂播放器包括：音頻輸入模塊101、驅(qū)動芯片102、振蕩電路103、場效應(yīng)管104和特斯拉線圈105。

音頻輸入模塊101連接驅(qū)動芯片102的控制信號輸入端，用于向驅(qū)動芯片102輸入音頻信號;振蕩電路103連接驅(qū)動芯片102的內(nèi)部振蕩器的兩個引腳，用于調(diào)整振蕩頻率;場效應(yīng)管104的柵極連接驅(qū)動芯片102的驅(qū)動輸出端，場效應(yīng)管104的漏極連接特斯拉線圈105的初級線圈，用于根據(jù)驅(qū)動芯片102輸出的驅(qū)動信號導(dǎo)通或截止，從而驅(qū)動特斯拉線圈105產(chǎn)生聲音電弧;特斯拉線圈105的次級線圈的一端接地，另一端用于基于增強(qiáng)后的驅(qū)動信號產(chǎn)生聲音電弧。

4 RC振蕩電路原理

輸出電壓u0經(jīng)正反饋（兼選頻）網(wǎng)絡(luò)分壓后，取uf作為同相比例電路的輸入信號由運(yùn)放構(gòu)成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運(yùn)放內(nèi)部的晶體管進(jìn)入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負(fù)反饋來達(dá)到穩(wěn)幅的目的。正弦波振蕩器是沒有輸入信號的，帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。若用電阻，電容元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)，就稱為RC振蕩器，一般用來產(chǎn)生1Hz-1MHz的低頻信號。RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用不如LC諧振蕩回路，故RC振蕩器的波形和穩(wěn)定度比LC振蕩器差。

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路用以產(chǎn)生低頻正弦波信號，是一種使用十分廣泛的RC振蕩電路。

5 總結(jié)

特斯拉線圈與等離子揚(yáng)聲器的結(jié)合，并可以用手機(jī)連接，播放音樂，產(chǎn)生空氣振動，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，和觀賞美。

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"Tesla coil production"，"tesla coil principle"，"wireless transmission technology principle"，articles from baidu wenku.

[10]《特斯拉線圈》，文章出自百度百科.Tesla coil， article from baidu encyclopedia.