Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Készítette: Varga Gergő
Plazmahangszóró fejlesztése és modellezése Diplomaterv Konzulens: Fiala Péter
Híradástechnikai Tanszék Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2010
1
Hallgatói nyilatkozat
Alulírott Varga Gergő, szigorló hallgató kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, csak a megadott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Tudomásul veszem, hogy az elkészült diplomatervben található eredményeket a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, valamint a feladatot kiíró intézmény saját céljaira felhasználhatja. Kelt: Budapest, 2010. május 27. …………………………………. Varga Gergő
2
Kivonat Manapság egyre gyakrabban hallani a különböző, hagyományos hangszóróktól eltérő hangkeltési megoldásokról. Ilyen a plazmahangszóró is, melynek Diplomatervem keretein belüli továbbfejlesztése volt a célom, valamint bizonyosságot nyerni arról, hogy valóban használható ez a fajta hangkeltési mód a hétköznapokban. A koronakisülés (plazma) akusztikai viselkedésének vizsgálatához szükségem volt egy jól használható prototípusra, melyen méréseket tudtam végezni. Az ezek során nyert, a vizsgálathoz elengedhetetlen adatok kiértékeléséhez szükség volt egy új, a méréseket vezérlő szoftverre is. Ahhoz, hogy összehasonlítsam a mért eredményeket egy ideálisnak feltételezett karakterisztikával, akusztikai modellezést kellett végeznem. A félévek során elkészítettem a szükséges prototípust, mely több áramköri megoldás után született meg. Számos modulációs megoldást és plazmagerjesztő áramkört kipróbáltam. A modulációs megoldások közt amplitúdó- és pulzusszélesség moduláció is szerepelt. A gerjesztést igyekeztem kezdetben elektroncsövek használata nélkül kivitelezni. Több-kevesebb sikerrel térvezérlésű tranzisztorokkal kívántam kiváltani a piacon kapható készülékekben bevált elektroncsöveket, a hangminőségbeli különbség azonban elegendő indok volt a tranzisztoroktól való elpártolásra. A végső berendezés így elektroncsövekkel működik.. A hardverfejlesztés után a mérőrendszer elkészítése volt a következő feladat. National Instruments Labview környezetében írtam egy könnyen kezelhető szoftvert az akusztikai laborban rendelkezésre álló külső adatgyűjtő kártyához. Ezzel meg tudtam mérni a plazmahangszóró átviteli és iránykarakterisztikáját. A kapott adatokat Matlab környezetben feldolgoztam és ábrázoltam. A modellezéshez Konzulensem által készített Nihu nevezetű Matlab toolboxot használatam, amely az akusztikai peremelem módszert alkalmazza. A számítási kapacitás korlátai miatt kevésbé részletes modellt alkottam, azonban emiatt nem tudtam tökéletesen bebizonyítani, hogy a koronakisülés (plazmaláng) ideális pontforrásnak tekinthető. Végső soron a plazmahangszóró tölcsérének karakterisztikáját vizsgáltam meg, és összehasonlítottam a mért és modellezett eredményeket, és közelítő igazolást adtam arról, hogy a plazmaláng ideális pontforrás.
3
Abstract
Nowadays there are more and more soundwave creating experiments available which differ from usual speakers. One of them is the plasmatweeter. As my Diploma work my goal was to develop such a device and to make sure that it accomplishes a correct soundwave creating method today. For the analization of the acoustical behaviour of the coronadischarge I needed a prototype I could measure. I had to create a new control software for the measurments which produces important statistics required for the examination of the plasmatweeter. I also had to make some acoustical simulation to compare the measured and the theoretical results. During the semesters I created the necessary prototype which was finalized after a few circuit realizations. I tried several realizations of modulator and plasmaexcitation circuits. The modulation methods involved amplitude and pulse width modulation. Int he beginning I tried to accomplish the excitation without the application of electrontubes by using field effect transistors int he beggining. However the difference in sound quality was enough to draw back from transistors, thus the final device operates with electrontubes. After the hardware development the next task was to assemble the measuring device. I created a software in National Instruments’ Labview environment which can be used easily for the data acquisition card available in the acoustics laboratory, so I could measure the plasmatweeters transfer and direction characteristics. I used Matlab environment for the processing and plotting of the acquired data. For modeling I used a Matlab toolbox called Nihu created by my promotor. The software applies the acoustical boundary element method. Because of the limits of calculating capacity of the computer, I created a slightly detailed model. Hereupon I could not give a perfect proof about the coronadischarge being an ideal pointsource. After all I have analyzed the characteristics of the plasmatweeter’s cone, compared the measured and simulated results and given an approximate justification about the fact that plasmaflame can be taken as an ideal pointsource.
4
Tartalomjegyzék 1.
2.
3.
Bevezető...................................................................................................................... 7 1.1
Témaválasztás indoklása..................................................................................... 7
1.2
A dolgozat szerkezeti felépítése ......................................................................... 8
A plazmahangszóró áttekintése.................................................................................. 9 2.1
Plazmahangszóróról általában ............................................................................ 9
2.2
A hagyományos és plazma típusú hangszórók összehasonlítása [1] .................. 9
2.3
A plazmahangszóró története........................................................................... 10
2.4
A jelenleg létező plazmahangszórók [6] ........................................................... 12
2.5
Személyes iránylevek az irodalomkutatás után ................................................ 14
A plazmahangszóró fizikai háttere............................................................................ 15 3.1
3.1.1
Plazmák fajtái [8]....................................................................................... 15
3.1.2
Elméleti számítások [9] ............................................................................. 15
3.2
4.
A koronakisülés elméleti számításai ................................................................. 15
A plazma fizikája [10] ........................................................................................ 18
3.2.1
A koronakisülés [11] [12] .......................................................................... 18
3.2.2
Az ionizáció mértéke ................................................................................. 19
3.2.3
A plazma hőmérséklete............................................................................. 19
3.2.4
A plazma sűrűsége .................................................................................... 20
3.2.5
Mágnesesség............................................................................................. 20
3.2.6
A gáz és plazma halmazállapot összehasonlítása ..................................... 21
3.2.7
Összetett plazma jelenségek..................................................................... 22
A plazmahangszóró fejlesztés ................................................................................... 23 4.1
A plazmahangszórók típusainak három részre osztása .................................... 24
4.2
Az áramkörök általános leírása ......................................................................... 25
4.3
PWM moduláción alapuló plazmahangszóró ................................................... 26
4.4
Szimuláció ......................................................................................................... 28
4.5
A második generáció, FET meghajtás és AM moduláció [13] ........................... 29
5
4.6
Az AM modulációs megoldások [14] .................................................................31
4.7
Szuperpozíció elvű moduláció...........................................................................32
4.8
Áttérés elektroncsöves megoldásra [6] ............................................................34
4.9
A burkolat, tölcsér és csúcs anyagának tervezése ............................................35
5.
4.9.1
A plazmacsúcs (elektróda) anyaga ............................................................35
4.9.2
Tölcsértervezés..........................................................................................36
4.9.3
Fémház tervezése......................................................................................36
A mérőrendszer felépítése ........................................................................................37 5.1
A program felépítése.........................................................................................37
5.2
A mérőrendszer használati utasítása ................................................................ 40
5.2.1
A hardver összeszerelése, beüzemelése ...................................................40
5.2.2
A mérőrendszer összeállítása....................................................................41
5.3
Az iránykarakterisztika mérési adatok feldolgozása Matlab környezetben......42
5.4
A mérés menete ................................................................................................ 43
6.
Modellezés ................................................................................................................46 6.1
A peremelem módszer ......................................................................................46
6.2
A modellalkotás.................................................................................................47
6.3
Az eredmények összevetése .............................................................................49
6.4
A szimuláció eredményeinek összehasonlítása a mérési eredményekkel........51
7.
Összegzés ..................................................................................................................53
8.
Köszönetnyilvánítás...................................................................................................54
9.
Irodalomjegyzék ........................................................................................................55
10.
Mellékletek............................................................................................................56
6
1. Bevezető 1.1 Témaválasztás indoklása Mostanság egyre gyakrabban lehet hallani a különböző hagyományos hangszóróktól eltérő hangkeltési megoldásokról. Ilyen a plazmahangszóró is. A középiskolás éveim során alkalmam nyílt betekintést nyerni a plazmahangszórók világába. Természetesen csak érintőlegesen, valamint szakmai tudásom hiányossága miatt csak laikusként szemléltem a „zenélő lángot”. Több ízben is próbálkoztam megépíteni már meglévő tervek alapján, és olykor-olykor hozzá tenni a saját intuícióim szerint, de míg egyetemre nem kerültem, többnyire kudarcba fulladtak ezen próbálkozásaim. A Moduláramkörök főszakirányon megtanultam a berendezés elektronikai hátterét, megértettem a működésének alapjait és építettem is egy kész terv alapján működő készüléket. A készülék nagyon kezdetleges volt. Mikor az Akusztika mellékszakirányt választottam, egyértelmű volt a döntés, hogy minek a megismerésével szeretnék túlnyomó részt foglalkozni. Önálló laboratóriumaim keretein belül a plazmahangszóró fejlesztését és modellezését tűztem ki célul, majd ezt a témát választottam diplomamunkának is. Célom egy olyan stabilan működő hangszóró létrehozása volt, melyen méréseket tudok végezni egy egyszerűen kezelhető, általam írt mérő szoftverrel. Majd a mért eredmények összevetve a modellezettekkel, levonhassam a következtetéseket. Érdemes e plazmahangszórókat használni a hétköznapi embereknek, vagy akár stúdiókban. Diplomamunkám tehát a közel egy évtizedes érdeklődésem gyümölcse.Sokak vágynak egy olyan hangszóróra, mely közelít a tökéletes hangzáshoz. Elméletben ezzel a hangszóróval megvalósítható. A gyakorlati megvalósítását taglalja a dolgozatom.
7
1.2 A dolgozat szerkezeti felépítése A dolgozatom elsődlegesen leírja, hogyan is működik a plazmahangszóró. Hogyan kelti a hangot, milyen fizikai magyarázata van ennek a jelenségnek. Ez után a hagyományos hangszórókkal hasonlítom össze. Milyen átalakítási mechanizmussal működik a dinamikus hangszórókkal szemben a plazmahangszóró. Milyen megfontolásból érdemes ezt vizsgálni. A következő részben a plazmahangszóró történeti hátterének néztem utána. Hogyan alakulhatott ki ez az elképzelése a hangkeltésnek. Milyen messzire nyúlik vissza a plazmahangszóró megjelenése, feltalálása. Majd részletesen kitérek az egykor és manapság forgalomban lévő plazmahangszórókra. Melyik cég milyen megfontolások alapján készítette a saját konstrukcióját. És az információk alapján összegyűjtöm a fejlesztésem legfőbb célkitűzéseit. Ezek után egy elméleti számításon megyek végig. Mekkora feszültségű 50 Hz -es frekvenciájú gerjesztőjel szükséges a koronakisülés kialakulásához, koncentrikus gömbökre visszavezetve, levetítve azt az általam használt összeállításra és gerjesztő jelre. Kitérek a plazma fizikájára a teljesség igénye nélkül, hogy egy képet mutassak a plazma halmazállapotról. Összehasonlítást végzek a gáz és plazma halmazállapot között. A diplomatervem egyik leglényegesebb része a plazmahangszóró fejlesztése. Ebben a részben felosztom csoportokra a plazmahangszórók típusait, melyekkel foglalkoztam, mind a működési elv, mind a fejlesztés időrendi lefolyásának megfelelően. A burkolat, valamint az akusztikai impedancia illesztéshez szükséges tölcsér tervezését írja le a következő fejezet. Ez után következik a mérőrendszer leírása, annak részletezése és használati utasítása, a mérési összeállítás, valamint az adatok feldolgozását fejtem ki. Az utolsó fejezet a modellalkotást, a modellezés módszerét, valamint a modellezett és mért eredmények összevetését fejti ki. Majd végül összefoglalás következik, és konklúziók levonása. Valóban érdemes-e a plazmahangszóróval komolyban foglalkozni. Javaslatot ad a dolgozat végszava a továbbfejlesztés irányelveire és a plazmaláng életszerű használatát támasztja alá.
8
2. A plazmahangszóró áttekintése 2.1 Plazmahangszóróról általában A plazmahangszóró ugyanúgy működik, mint a dinamikus hangsugárzó. Egy különbség van, hogy a plazmahangszóróban a membrán helyett a hanghullámokat (longitudinális hullámokat) egy plazma geometriaváltozása okozza. Tehát tekinthetjük egy nagyon kis tömegű membránnak, mely rezeg, és a megrezgetett levegő hullámai eljutnak a fülünkhöz. A kérdés az, hogy hogyan lehetne egy tökéletes minőségű hétköznapi dinamikus hangszórót létrehozni. Ahhoz, hogy a dinamikus hangszórók utolérjék a különböző elektronikai eszközök minőségét, nagymértékű technikai újításokra lenne szükség. Az elektrosztatikus hangszórók rendkívül jó minőségben adják vissza a hangot, mégis torzítanak. A plazmahangszóró minőségében utolérheti, sőt, meg is előzheti a mostani hangsugárzókat.
2.2 A hagyományos és plazma típusú hangszórók összehasonlítása [1] A dinamikus hangszórókban az elektromos jel hanggá történő alakítása legkevesebb négy lépcsőben történik (1. ábra). A villamos jel teljesítményéből mágneses teljesítmény-, majd ebből kinetikai teljesítmény lesz. Ez mozgatja a hangszóró tölcsérjét (membránját), ami longitudinális levegőhullámokat kelt, a levegőnyomás-megváltozás lesz az akusztikai teljesítmény. Ezeknek a hangszóróknak van egy nyilvánvaló fázis-, és amplitúdó-torzításuk, melyek az elektromos-, és mechanikai időállandókból következnek, továbbá a dinamikus hangszórók kapcsán gyakran merül fel kritikaként az öregedés (például: gumi-rugó ...stb.) problémája. A folyamatos mechanikai hatástól a membrán gumija vagy rugója elöregedik. Valamint a kis (hatásos) sávszélesség is problémát szokott okozni. A fenti nehézségek, a nem 1. ábra A dinamikus és plazmahangszóró átalakítási mechanizmusai kívánt hatások kiküszöbölésének nyilvánvaló megoldása az, ha a villamos teljesítményt – lehetőleg mechanika közbeiktatása nélkül – közvetlenül alakítjuk hanggá. Ennek egyik járható útja az, ha valamilyen plazmát állítunk elő levegőben, melynek a geometriai jellemzőit változtatjuk a hangfrekvencia függvényében. A változó plazma nyilvánvalóan longitudinális lökéshullámokat kelt a levegőben. Ugyancsak nem játszik szerepet a hangforrás öregedése sem, a dinamikus hangszórónál megismert módon. Egy dolgot kivéve. Ez pedig a csúcs (a koronakisülés várható helye) anyagának nagy igénybevétele. Még a hideg plazma is több ezer fokos, ebből kifolyólag gondolhatjuk, hogy lehet ez bármely fémből, egy idő után elöregedik, korrodálódik. Tehát ez nagyon bekorlátozza a használhatóság időtartamát. Így véleményem szerint hatékonyabb hangszórót lehetne alkotni ezzel a technológiával. Az egyetlen bökkenő, hogy a legegyszerűbb plazmahangszórónak is önmagában 50 W teljesítményfelvétele van mind a moduláció, mind a plazma előállítása miatt. Míg a hagyományos hangszórók önmagukban nem fogyasztanak.
9
2.3 A plazmahangszóró története [2] Már az 1800–as években Poulson kísérletezett plazmahangszóróhoz hasonló eszközökkel, de az első ionizáció által hangot keltő eszközt 1899-ben [3] William Duddell fizikus alkotta, mikor a London utcáin – akkoriban funkcionáló – szén-ívlámpák (2. ábra) zajának csökkentésén dolgozott. Felfedezte, hogy a rájuk adott üzemi feszültség változásakor a lámpák zajának frekvenciája is megváltozik, és megalkotta az „Éneklő ívnek” nevezett hangszerét. Az igazi áttörés azonban 1946-ban következett be, egy francia feltaláló által, akinek a neve Siegfried Klein volt. A találmány az volt, hogy a plazmát egy kvarc csőbe (3. ábra) irányította, és így egy tölcsérrel csatolni tudta az akusztikus térhez. Az egész szerkezetet ugyanolyan jól lehetett használni mind mikrofonként, mind hangszóróként az ultraszonikus vagy szubszonikus hullámok tartományában. Találmányát [4] Ionofonnak nevezte. Már a kezdeti időkben felismerhető volt annak reménye, hogy közel ideális hangszóró építhető e találmány, és elv alkalmazásával. A megfelelő tölcsér alkalmazásával a teljes hangfrekvenciás sáv lefogható, sőt működőképes még 50 kHz felett is. 1951 decemberében a Radio-Electronics–ban E. 2. ábra Szén-ívlámpa az 1800 -as évekbeli Londonból Aisberg, és M. Bonhomme szerzőktől a nagyvilág is megismerhette a működését. A nagyfeszültség a középen futó platina szál és az azt körülvevő hengeres szigetelő között lép fel. Működés közben a platina szál környezete 1000 °C körüli hőmérsékletű, és az emittálóból kilépő elektronok és a magas hőmérséklet létrehozzák az ionizált csatornát, a plazmát. Maga a feltaláló egyszerűen modulálta a nagyfrekvenciát az alacsonyabb hangfrekvenciával. Így a hangfrekvencia arányában változott a kisugárzó közeg hőmérséklete is, ezzel nagyon hasonló működésű, mint Edison Termofonja. Csak, míg Edison 3. ábra Az akusztikai impedancia találmányának működése az alacsony illesztéshez használt kvarccső, Siegfried Klein, 1946 hangfrekvenciás tartományra korlátozódott addig az Ionofonnak nincsenek korlátai a hangfrekvenciás tartományban. A hanghullámokkal kapcsolatban csak a tölcsér áll, ami mentes mindenféle mechanikai mozgástól és annak káros következményeitől. [4] A későbbi modellekben 100kHz-es oszcillátor frekvenciát használtak. Kicsit módosítottak a kvarc és a platina konstrukcióján. Az oszcillátort modulálták a hangfrekvenciával. A kvarc csővel létrehozott kisülési térben immáron megjelent a kékeslilás plazma „láng” és vele együtt a zaj is. A zaj elviselhető mértékűre csökkent, amikor
10
az oszcillátor frekvenciáját megemelték 2-3 MHz-re. Az általam készített térvezérlésű tranzisztoros plazmahangszóró is ilyen frekvencia tartományban üzemelt. [4] Pár évvel később jó néhány találmány jelent meg a témában. A találmányokat az alábbi cégek nyújtották be: DuKane az USA-ból, a Plessey Ltd. Angliából, Telefunken az NSzK-ból és az Audax, Francia országból. Mindannyian hasonló problémával küzdöttek, nevezetesen azzal, hogy néhány óra elteltével a platina kicsapódik a kvarc belső falára csökkentve ezzel a kimeneti teljesítményt. Ezt a problémát a Telefunken oldotta meg azzal, hogy a platina helyett Kanthalt használt. A Kanthal egy vas, króm, alumínium ötvözet, amelyet Svédországban fejlesztettek ki elektromos kohók számára. A Kanthal nem párolog el. Klein előszőr 1954-ben látogatott el DuKane-hez St. Charles-ba William R. Tornnal. DuKane-nél teljesen újratervezték az egész kvarc cső konstrukciót, Klein eredeti elgondolása alapján. Ekkor egy másik probléma is jelentkezett: néhány órai üzem után a plazma gyakran nem alakult ki az első bekapcsolás után. Ezt a hibát a kvarccső elektromos kapacitása okozta, illetve annak változása. Az 4. ábra A Magnat MP-02 1993 oszcillátor kör megváltoztatásával orvosolták a -ból (hangrendszerbe illeszve) gondokat. Immáron, a készülék megérett a kereskedelmi forgalmazásra és 1956-ben megszületett az Ionovac név. A forgalmazását egy előzetes megállapodás alapján 1958-ban kezdte meg az Electro-Voice. Az akkori ára $147 volt. Az elhasználódó alkatrészeket 200–300 óra üzemidő után cserélni kellett. Akkoriban sem az elektroncső, sem a plazmacsúcs nem volt olyan időtálló. A DuKane később átdolgozta, csökkentette a súlyát, méretét. Az alkatrész cserére, ami a kvarc cső és az anódot jelentette, 1200 órát vagy 2 évi működést szavatoltak. A DuKane komplett rendszerként árulta az Ionovac–ot. 1965-ben megjelent a Fane Acoustics Ltd., Batley, Yorkshire kiadásában az Ionofane 601 készülék, amely a DuKane koppintásának tekinthető, de immáron félvezetős tápegységgel és külön dobozban a tápegység és hangkeltő egység. Egy EL360 pentódát használtak benne, a modulációt egy transzformátor segítségével valósították meg aminek áttétele 45:1-hez volt. A későbbi modellekben 6DQ6 csövet használtak és csökkentették a transzformátor áttételét 33:1-re. A működési frekvenciája megnövelték 27 MHz–re, így a plazma alapzaja is majdnem tökéletesen megszűnt. A Fane Acoustics Ltd. későbbiekben megjelentette 603 jelzésű hangrendszerét, melynek része volt egy ilyen Ion egység. A későbbiekben Dr. Klein számos, elektroncsöveket alkalmazó szabadalommal állt elő, igazi áttörést azonban [5] 1993-ban ért el, mikor sikerült elkészítenie egy félvezetőkkel működő prototípust, mely MP-02-es (4.ábra) névvel került gyártásba a német MAGNAT cég által. A fejlesztés lényegét egyedileg méretezett induktivitások, változtatható értékű kondenzátorok és az akkori bipoláris technológiával készült tranzisztorok adták, amelyek által a korábbi, elektroncsöves megvalósításhoz képest lényegesen csökkent az eldisszidált teljesítmény okozta veszteség, viszont romlott a hangminőség. Az utóbbi években kevés új típusú plazmahangszóróval lehet találkozni a piacon. Ennek oka a fejlesztésben való megtorpanás, vagy akár a felvilágosodás is közrejátszhat. Miként a plazmahangszóró túl költséges és problémás, hogy fölvehesse a versenyt a hagyományos hangszórókkal.
11
2.4 A jelenleg létező plazmahangszórók [6] A manapság föllelhető, sorozatgyártásban készített plazmahangszóróknak három fajtája van. Ezek a teljesen elektroncsöves technikán alapuló, a teljesen félvezető alapú, valamint ezeknek kombinációja. Alapvetően nyolc céget leltem föl irodalomkutatásom során, melyek forgalmaznak/forgalmaztak önálló vagy más hangszórókkal kombinált hangfalakat. A legrégebbi cég, mely először hozott forgalomba plazmahangszórót az az [4] Ionovac (Ionophone, Iono Fane) (5. ábra). Ez a hangszóró csak elektroncsöveket használ a 5. ábra Ionovac 1956 -ból plazmaláng létrehozásához. A modulációt egy modulációs transzformátorral végzi. Valamint egy exponenciális tölcsért alkalmaz az akusztikai impedancia illesztéshez. A hangszórót közvetlen az erősítő kimenetére lehetett kötni (passzív hangszóró). Az első darab 1956– ban készült, de forgalomba csak 1958–ban hozták. Ma már nem kapható, muzeális értéket képvisel. A második cég a Corona Acoustic [6]. Szintén elektroncsöves rezgőkört használtak (6. ábra), de itt már a modulációt, valamint az erősítés funkciót is egy elektroncső látta el. Az exponenciális tölcsért itt is alkalmazták, mert a plazmaláng felülete kicsi ahhoz, hogy alsóbb frekvencia tartományon is tudjon sugározni. Ezért a tölcsérrel illeszteni lehet a térhez. Több cég is megvásárolta ezt a sugárzót, és beépítették a saját 6. ábra A Corona cég hangfalukba. plazmahangszórója A Phonogen cég hangszórója (7. ábra) alapvetően nem tér el az előbb fölsoroltaktól, csak annyiban, hogy az előerősítő fokozat alkalmassá tette aktív hangszóróként használatát (önmagát erősíti). 1971–ben megjelent EL/PL519– es elektroncső alkalmas volt a plazmahangszóró rezgőkörének működtetésére. Régi televíziókba tervezték
elektroncsöves eredetileg a
7. ábra Phonogen cég integrált sugárzója 1971 -ből
katódsugárcső meghajtásához. Kézenfekvő megoldás volt ezt az elektroncsövet beépíteni. A nagy előnye a nagy kimenő teljesítmény (45 W) mellett, hogy akár 50 MHz–es frekvencián is működtethető.. A Realon cég ugyan ezzel a konstrukcióval állt elő. Viszont a gerjesztő áramkör mellé beépítették a tápegységet valamint az előerősítő fokozatot is.
12
8. ábra Acapella ION TW1S
A következő kategória az [7] Acapella ION TW 1S (8. ábra), mely már fejlettebb az előzőeknél. A rezgőkörben szintén PL519 van, de a moduláció és előerősítés már teljesen félvezetős áramkörből épül fel. Ezeket a készülékeket magas ár jellemzi. 2001–ben 2500 USD–ért volt kapható egy mono egység. Tehát 5000 USD volt akkoriban egy pár plazmahangszóró. Természetesen a cég nevét is meg kell fizetni benne valamint, hogy különleges eszközök ezek, és kis darabszámban készülnek. Nem csak önmagában árulják a plazmahangszórót, hanem komplett hangfal rendszerekben is.
A Magnat cég [5] készítette az első teljesen félvezetős plazmahangszórót. Az MP-02 (9. ábra) 1993–ban jelent meg. Mivel nem tartalmazott elektroncsövet, így a disszipáció csökkent. Sajnos a hangminőség rovására. Ez abból fakadt, hogy a rezgőkör frekvenciája, mely a plazmát gerjeszti alacsonyabb lett. 27 MHz–ről 5-6 MHz–re csökkent. Ezért a szerkezet zajosabbá vált, és kevésbé élvezhető hangminőséget nyújtott. Ez a modell szintén koronakisülésre modulálta a hangot, 9. ábra Magnat MP-02 önállóan mint az eddigi összes. Tisztább hangot lehet ily módon elérni, de viszonylag nagyobb teljesítmény lesugárzására csak a két pont közötti ív szolgál. Azzal a megoldással viszont az a baj, hogy nem lehet tölcsérbe helyezni. Az IML cég 1981–ben egy merőben új ötlettel állt elő (10.ábra). Két pont közötti ívet modulált, méghozzá PWM modulációval. A működési frekvenciája 100 kHz volt. 6000 V– os feszültségen működött. Természetes jogosan merül föl a kérdés, hogy miért kell pont a levegő molekuláit használni az ionizációhoz, plazma létrehozásához? Miért nem használnak valamilyen „katalizátor jellegű” gázt, melyet kisebb energiával ionizálni lehet, és ezen ionizált gáz (plazmaláng) rezegteti meg a levegőt. Ez az ötlet Dr. Alan E. Hill–nek is eszébe jutott. Ekkor született meg a HillPlasmatronics speaker system (1978), ahol 10. ábra IML cég PWM modulációs magába a hangfalban helyezték el a héliumos plazmahangszórója palackot. És ezt a gázt ionizálták nagyfeszültségű gerjesztéssel. Ezáltal kisebb teljesítmény mellett is nagyobb plazma felületet tudtak létrehozni. Ezáltal alacsonyabb frekvencia tartományban is tud sugározni.
13
2.5 Személyes iránylevek az irodalomkutatás után Az irodalomkutatás folyamán körvonalazódott bennem, hogy milyen irányban kellene elmennie a fejlesztésnek. Ki kellett választanom milyen módszerrel akarom létrehozni a plazmalángot. Milyen alkatrészeket alkalmazok. Értem itt az elektroncsövet, valamint a modern félvezetőket. A plazma alakjában is elképzelések születtek. Koronakisülést akartam létrehozni, nem pedig ívet két pont között. A koronakisülés jobban illeszthető egy exponenciális tölcsérbe, mely ezeknél a berendezéseknél elengedhetetlen. A terveim elsősorban a Magnat MP-02–es tranzisztoros plazmahangszóró irányelveit követték. Fontos volt, hogy FET–ekkel működjön az áramkör, hogy a megahertzes tartományban üzemeljen a rezgőkör, és amplitúdó modulációt alkalmazzon az audio jel nagyfrekvenciás jelre való modulálására. Ezek voltak az elsődleges szempontok. Későbbiekben a véleményem megváltozott, elektroncsöveket használtam, valamint kísérleteztem PWM modulációval is. A Corona Acoustic cég plazmahangszórójának fémházához hasonlót láttam a legjobb megoldásnak megépíteni. Viszont a tölcsért én üvegből készítettem, nem pedig fémből. A plazmacsúcs anyagának kiválasztásában is segített a kutatás. A Phonogen cég ötlete alapján úgy terveztem az áramkört, hogy mind aktív, mind passzív hangszóróként használható legyen a végső berendezés.
14
3. A plazmahangszóró fizikai háttere 3.1 A koronakisülés elméleti számításai 3.1.1 Plazmák fajtái [8]
Jelenleg négy különböző elektromos kisülést ismerünk. Ezek a Glow(hideg plazma) kisülés, koronakisülés, ívek és szikrák. Amikor a vezetőn keresztül a feszültség megnövekszik a levegőben, az ionizálódik és maga is vezetővé válik. Tulajdonképpen minden gázt plazmának nevezhetünk, amelyik elektromos vezetőképességgel rendelkezik. A legtöbb ember észre sem veszi, hogy mennyi plazmát alkalmazó berendezés vesz körül minket. Ilyen például a tévék képcsöve vagy a fénycső. Az ív egyfajta kisülés, melynél a feszültség viszonylag alacsony, de az áramerősség nagy, akár 60000 A. Más az az eset, ahol a feszültség nagyon magas, akár 3.000.000 V, és az áramerősség parányi, 0,000.000.001 A. Ezektől eltér az az eset, ahol mind a feszültség, mind az áramerősség magas. A glow kisülést és a koronakisülést rendszeresen összekeverik, pedig van közöttük egy igen jelentős különbség. A glow nevezhető „hidegnek”, míg a korona kisülés nagyon magas hőmérsékletű. A glow kisülést használják a neon lámpákban, fluoreszkáló csövekben. A koronakisülés egy más eset. Rendszerint a nagyfeszültségű hálózatokban okoz problémát. Megrongálhatja a vezetőt, a szigetelőket. A nagyteljesítményű hálózatokban elsődleges szempont úgy megtervezni az egyes elemeket, hogy minden esetben kiküszöböljék a szabványos feszültségen a korona kisüléseket. Nemcsak fizikai hibát okozhat, hanem komoly rádió zavar is fölléphet egyegy kisülésnél.
3.1.2 Elméleti számítások [9] A wolfram elektróda (lásd. 11. ábra) geometriája három féle testből állítható össze: egy hengerből, aminek felső alapján egy kúpszerű test helyezkedik el, melynek csúcsa egy nagyon kis átmérőjű gömbnek tekinthető. Mivel ez az elektróda jó vezetőnek számít, ezért közel ekvipotenciális felülettel rendelkezik, melyre merőlegesek a térerősség vektorok. Ennek következményeként a hengeres rész palástjának nagy, egyenletes felülete mentén a térerősség homogénnek tekinthető, ellentétben a tűs résszel, amelynek kúppalástja mentén a csúcs felé haladva a térerősség egyre inhomogénebbé válik. A töltések ezen a részen halmozódnak fel leginkább adott potenciál hatására, valamint a koronakisülés is itt alakul ki. Ez a csúcshatás. A fenti feltételezés helyessége annak bizonyíthatásával 11. ábra A modell paraméterezése
15
igazolható, hogy az elektróda egy-egy jellegzetes pontjánál a koronakisüléshez szükséges feszültség minimális értéke éppen a csúcsnál van. Az erre vonatkozó számításokat F. W. Peek Dielctric Phenomena [9] című könyvében találtam. A könyv részletesen taglalja a számítás elméleti hátterét, valamint kitér kellő részletességgel az összes lehetséges modellre. Többek közt két koncentrikus hengerre, két párhuzamos vezetőre és két azonos sugarú gömbre. A koncentrikus körök modellje hasonlít a legjobban a plazmahangszóró csúcselektródája és a Faraday kalitka felépítésére. A csúcselektróda a belső gömböt testesíti meg, míg a Faraday kalitka a külső koncentrikus gömböt. A koronakisüléshez szükséges minimális feszültség értékek kiszámításához a vezető menti gradienseket meg kell határozni. Mivel a csúcs nem hirtelen lesz olyan kis sugarú gömb, hanem a meredekségből számított integrál alapján több gradienst is ki lehet számolni. A legkisebb érték természetesen a csúcsra fog kijönni. rc a belső gömb sugara és Rg a külső gömb sugara. RW a vezető sugara, y pedig a hosszanti tengely. Négy jellemző feszültség értéket kell kiszámolni (12.ábra), amelyek megadják, hogy a vezető mely pontján mekkora feszültségnél alakul ki a koronakisülés. Ezek a pontok a vezető mentén helyezkednek el.[#1] a vezető mentén szükséges feszültségérték a koronakisüléshez. [#2] a meredek kúpos rész legnagyobb sugarú részénél. [#3] a kúpos rész legkisebb sugarú részénél, ami megegyezik a csúcs potenciáljával. Ezeket a feszültségeket virtuális kritikus feszültségnek nevezzük, 12. ábra A pontok, amelyek potenciál melyek a virtuális kritikus feszültség értéket számítottam gradiensből számíthatók. A gradiens értéke koncentrikus körökre az alábbi módon számítható. gw [kV/cm] feszültség gradiens meghatározása:
(1.1)
Ahol RW a vezető sugara, S a vezetők közötti távolság, jelen esetben a koncentrikus gömbök felületének távolsága.Az x pedig a vezetőtől való távolság. A gradiens x paraméter függvényében tudjuk kifejezni. Behelyettesítve RW = 0.3 cm, S = 10 cm értékeket a következő x távolság függést kapjuk.
(1.2)
Nulla távolságra a vezetőtől a feszültség gradiens érték 27.9 kV/cm.
16
A virtuális kritikus feszültség értéket az alábbi módon számíthatjuk: (1.3) Ahol mv = m0 a vezető érdességi faktora =1 polírozott felületekre =0.98 – 0.93 koszos felületekre =0.87 – 0.83 kábelekre Én 1–nek vettem. g0 a feszültség gradiens.
Légköri korrekciós faktor: S, vezetők közötti távolságok centiméterben r, a vezetők sugara centiméterben. Most már fölírhatjuk a négy feszültség értéket: r = 0,3 cm, a vezető keresztmetszete, rc = 0,05 cm, a csúcs körülbelüli keresztmetszete. #1
[kV] = 45.48 kV
#2
(1.4)
= 45.48 kV
(1.5)
= 17.3 kV
(1.6)
Azonos a #1 feszültség étékkel, mert a sugár nem változik. #3 #4
= 17.3 kV
(1.7)
A könyvben egy 1 kHz–es frekvencián való vizsgálódást írnak le. Ilyen tartomány környékén nincs érezhető hatása a frekvenciaváltozásnak. Viszont 5 és 10 MHz között nagymértékben befolyásolja a koronakisülés kialakuláshoz szükséges feszültség értékét, mert a pálmafa alakú korona ebben a tartományban megy át gyertyaláng szerűbe. A légköri korrekció és az érdességi faktor ideálisnak lett véve. A mérőműszer, amellyel ezt az értéket (17.3 kV) alá tudtam volna támasztani, 30 kV méréshatárig alkalmas. A mérés mindaddig használható, míg ki nem alakul a koronakisülés, mert olyankor a mérőműszer fals eredményeket ad. A több ezer fokos plazmaláng pedig megrongálta a műszert. A számítás során a Faraday kalitka is ideális gömbnek lett véve, pedig nagymértékben eltér ettől a geometriától. Ezek a számítások segítettek abban, hogy megfelelőnek válasszam a csúcselektróda sugarát és alakját.
17
3.2 A plazma fizikája [10] Ebben a részben szeretnék egy rövidebb betekintés nyújtani a negyedik halmazállapot, azaz a plazma fizikájába. A plazma tipikusan ionizált gáz és rendszerint ezt a halmazállapotot megkülönböztetik a szilárd, folyékony és gázhalmazállapottól, mivel ezektől a halmazállapotoktól eltérő egyedi jellemzőkkel bír. Az „ionizált” azt jelenti, hogy a gázatomoknak vagy molekuláknak legalább egy elektronja leszakadt a magról. Ez az elektromos töltés villamos vezetővé teszi a plazmát, ezért az erősen reagál az elektromágneses mezőre. A plazma állapot az anyag leggyakoribb halmazállapota. Néhány becslés szerint a Világegyetemünk 99%–a plazmaállapotban van. Mivel a csillagok közötti tér plazmával van megtöltve, ezért a Világegyetem szinte teljes térfogata plazma. A Naprendszerünkben a Jupiter bolygó a legkevésbé plazmás, mivel tömegének csak a 0,1%–a plazma, míg a Plútó tömegének 10–15%–a plazma. A villámlás a plazma Földi megnyilvánulásának egyik példája. A villámok tipikusan 30.000 A–es töltéssel rendelkeznek, a feszültségük pedig elérheti a 107 V–ot is, miközben fényt, rádióhullámokat, röntgensugárzás, sőt még γ sugarakat is kisugároz magából. A villámban a plazma hőmérséklete kb. 28.000 K, az elektronsűrűség pedig elérheti a 1024/m3–t. A magasfeszültségű hálózatok szigetelőinek vizsgálataikor, szabványszerű mérések alatt akár 60000 A–es rövidzárási áramot is elérhetnek. Ezzel terhelik a szigetelőket. Feszültségben akár 2·106V-ot is elérhetnek. Természetesen ez nem a plazma vizsgálatáról szól, de a villámot az emberiség megközelítőleg lemásolja.
3.2.1 A koronakisülés [11] [12] A plazmahangszóró fejlesztése során a legtöbbet használt elektromos kisülés a koronakisülés. A két pont közötti ív akusztikai illesztése bonyolult, míg a koronakisülés könnyen belehelyezhető egy exponenciális tölcsérbe. A végső prototípus is koronakisülést gerjesztett, szemben a többi eszközzel, amit a félévek során készítettem. A koronakisülés részleges kisülés, tehát nem terjed ki a két elektróda közötti teljes távolságra. Főleg erősen inhomogén térben, nagy térerősségű villamos térrel körülvett csúcsok közelében alakul ki. A koronakisülés név többféle fizikai folyamat gyűjtő elnevezése. Koronakisülés akkor alakul ki, ha valamely csúcs közelében a villamos térerősség olyan nagy értékű, hogy a gázban jelen lévő kis számú töltéshordozó a tér erőhatása révén gyorsulva akkora mozgási energiára tesz szert a két ütközése közötti, rendelkezésre álló, szabad úthosszon, amely a semleges gázmolekulákkal való ütközéskor azok ionizációját idézi elő. Az így keletkezett szabad elektronok újabb semleges részecskékkel ütközve további elektronokat szabadítanak fel ionizáció révén, és így kialakul az elektronlavina. A csúcs közelében tehát töltéshordozókból álló vezető csatorna alakul ki. A vezető csatorna nem terjed ki azonban a másik elektródig, mert a csúcstól távolodva a villamos térerősség egyre kisebb, végül nem következik be az ütközésekkor ionizáció. A koronakisülést a csúcshatáshoz hasonlóan villamos szél kíséri. Tehát nem éri el az átütési feszültséget.
18
Mikor a feszültség érték eléri az átütési feszültséget, szikra vagy elektromos ív jön létre. A kezdeti próbálkozások során elektromos ívet használtam a longitudinális levegőhullámokat keltésére, majd koronakisülést hazsnáltam inkább. A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik. A távolabbi gáz eredeti állapotában marad. A koronakisülést halvány színű, derengő fény, valamint sistergő hang kíséri. Konkrét megjelenésének jellemzői függenek a környezet páratartalmától, az elektródák alakjától (pl: csúcselektróda), a polaritástól, a frekvenciától, az elektródák közötti rés nagyságától és a gáz összetételétől. A koronakisülés többnyire olyan geometria esetén jön létre, amiben az egyik elektróda kis görbületi sugarú (plazmahangszóró esetében a plazmacsúcs elektróda), míg a másiknak nagy kiterjedésű (a földpotenciálon lévő Faraday kalitka). A kis görbületi sugár biztosítja a nagy feszültséggradienst a plazmaláng kialakulásához. A koronakisülés elektromágneneses zavart okoz, mely kihathat a telekommunikációra (rádió, televízió vétel). A vezeték közelében hallható hang frekvenciája a vonal váltakozó áramának megfelelő frekvenciától kezdődően (Európában 50 Hz) egészen az ultrahangokig terjed, ezt a jelenséget használja ki a plazmahangszóró. A koronakisülés lehet pozitív és negatív fajtájú. Az elnevezés attól függ, hogy milyen polaritásra van kötve a csúcs elektróda. Ha ez pozitív a laposabb felülethez képest, pozitív koronakisülésről beszélünk (a plazmahangszóró csúcs elektródáján is pozitív koronakisülés alakul ki), ha ez negatív, akkor negatív koronakisülésről van szó. A kétféle korona fizikai működése alapvetően eltér. Ennek oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege lényegesen különbözik, aminek következtében normál légköri nyomáson és hőmérsékleten csak az elektronok ionizálódnak megfelelő mértékben. Ezt a különbséget használják ki ózon előállításánál, mivel a negatív koronakisülés sokkal több ózont állít elő a pozitív koronához képest. Ez a plazmahangszóró szempontjából előnyösebb, hiszen egy zárt szobában a nagymennyiségű ózon mérgező lenne.
3.2.2 Az ionizáció mértéke A plazma létezéséhez az ionizáció feltétlenül szükséges. A plazma ionizációjának mértékét az ionizálódott atomok és a nem ionizálódott atomok aránya jellemzi. Ezt legtöbbször a hőmérséklettel befolyásolják. Még a részben ionizált gáz – melynek ionizációja csak 1% – is rendelkezhet plazma tulajdonságokkal (azaz reagál a mágneses mezőre, az elektromos térre és elektromosan nagyon jó vezető).
3.2.3 A plazma hőmérséklete A plazma hőmérsékletét rendszerint kelvinben vagy elektronvoltban mérjük, mely a részecskék hőmozgási energiáját mutatja. Az esetek többségében a részecskék elég közel vannak a hőegyensúlyhoz, ezért a hőmérsékletük viszonylag jól meghatározott, még akkor is, mikor erős UV sugárzásnak, energiával töltött részecskék ütközésének vagy erős elektromos mezőnek van kitéve. A tömegek közötti hatalmas különbségek miatt az elektronok egymás között sokkal hamarabb érik el a termodinamikai egyensúlyt, mint az ionokkal vagy a semleges atomokkal. Ennek köszönhetően az ionok hőmérséklete rendszerint jóval alacsonyabb, mint az elektronoké. Ez különösen igaz a gyengén ionizált
19
technológiai plazmáknál, ahol az ionok hőmérséklete gyakran a környezet hőmérsékletével egyezik meg. A hőmérséklet szabályozza a plazma ionizációjának mértékét. A plazma ionizációját meghatározhatjuk az elektronhőmérséklet és az ionizációs energia arányaként. Forró plazmáról beszélünk, ha közel az összes atomja ionizált, és hideg plazmáról, ha a gázmolekuláknak csak egy kis része (pl. 1%-a) ionizált. (De a forró és hideg plazmára vannak más meghatározások is.) Az elektronok hőmérséklete viszont még a „hideg” plazmában is rendszerint több ezer fokos. A plazma technológiában használatos plazma („technológiai plazma”) rendszerint hideg plazma. Például a plazmalámpa központi elektródájából egy kékesen fénylő plazma folyam törekszik felfelé. A színek az elektron gerjesztett állapotából az alacsonyabb energetikai állapotba történő átmenetének az eredményei, miután az elektronok az ionokkal újraegyesültek. Ez a folyamat fényt bocsát ki, melynek színe az adott gerjesztett gáztól függ.
3.2.4 A plazma sűrűsége A hőmérséklet mellett a plazma másik legfontosabb tulajdonsága a sűrűsége. A „plazmasűrűség” kifejezés valójában az elektronsűrűséget, azaz az egységnyi térfogatban található szabad elektronok számát jelenti. Az ionsűrűség és az elektronsűrűség közötti arányt Z betűvel jelöljük.
(2.1) A sűrűség harmadik meghatározója a semleges atomok sűrűsége (n0). A forró plazmában ez kicsi, de még ekkor is szerepet játszik néhány fontos fizikai jelenségnél.
3.2.5 Mágnesesség
Azt a plazmát, amelyben a mágneses mező elég erős ahhoz, hogy a töltések mozgását befolyásolja, mágneses plazmának nevezzük. Ennek az a feltétele, hogy egy részecske átlagosan egy teljes fordulatot tegyen a mágneses mező körül, mielőtt ütközne egy másik részecskével. (3.1) Az a leggyakoribb eset, hogy az elektronok mágnesesek, míg az ionok nem. A mágneses plazma anizotrop, azaz a tulajdonságai eltérnek attól függően, hogy a mágneses mező a plazmára merőleges vagy azzal párhuzamos.
20
3.2.6 A gáz és plazma halmazállapot összehasonlítása A plazmát gyakran az anyag negyedik halmazállapotának nevezik, mivel a tulajdonságai eltérnek a három alacsonyabb energiájú halmazállapottól, bár viszonylag közel áll a gázokhoz, mert szintén nincs meghatározott térfogata vagy formája. Sokan még vitáznak azon, hogy a plazma az külön halmazállapot-e, viszont a fizikusok legtöbbje a plazmát megkülönbözteti a gáztól a következő eltérő tulajdonságai miatt: Egy táblázatot (1.táblázat)készítettem a plazma és gázhalmazállapot összehasonlítására. Tulajdonságok
Gáz
Elektromos vezetőképesség
Függetlenül viselkedő részecskék száma
Kölcsönhatások
Plazma
Nagyon alacsony
Nagyon magas
A levegő egész jó szigetelő. Ezt bizonyítják a nagyfeszültségű elektromos vezetékek, melyek tipikusan 110.000V-osak. Létezik egy gáz, melyet a nagyfeszültségű hálózatoknál használnak. Az SF6-os gáz olyan jó szigetelő, hogy az hálózati csomópontoknál ilyet használnak olaj helyett, mert jobb a szigetelő képessége.
Különböző okokból kifolyólag a plazma elektromos mezejét nullának vehetjük, viszont mikor áramot vezetünk bele, akkor egy nagyon kis értékű feszültségesést tapasztalhatunk. Az áramvezetési tulajdonságai miatt a plazma erősen kapcsolódik a mágneses mezőhöz. Ez okozza a plazma struktúrájának (szálas, sík és sugár) nagy változékonyságát. A különböző együttes jelenségek gyakoriak, mivel az elektromos és mágneses erők több nagyságrenddel meghaladják a gravitációs erőt.
Egy
Kettő vagy három
Minden gázrészecske egymáshoz hasonlóan viselkedik, mely viselkedést a gravitáció és az egymáshoz ütközések határozzák meg.
Elektronok, ionok és semleges atomok különböztethetők meg a töltésük előjele alapján, ezért különbözőképpen viselkednek különböző feltételek mellett, pl. különböző a sebességük, sőt még a hőmérsékletük is.
Kettős
Csoportos
A kétrészecskés ütközés a jellemző, a háromrészecskés ütközés már nagyon ritka.
Minden részecske sok más részecskével lép kölcsönhatásba egyidejűleg. Ezek a közös kölcsönhatások kb. tízszer olyan jelentősek, mint a kétrészecskés ütközések.
1. táblázat A plazma és gáz tulajdonságainak összehasonlítása
21
3.2.7 Összetett plazma jelenségek Bár a plazma viselkedését meghatározó egyenletek viszonylag egyszerűek, a plazma viselkedése rendkívül változékony: a váratlan viselkedések az egyszerű modelleknél is jelentkezhetnek. A rendszerek némelyike bizonyos értelemben rendezett, mások rendezetlenek, azaz nem lehet őket besorolni egyszerű, érthető matematikai rendszerekbe, mivel sok bennük a véletlenszerű jelenség. A spontán kialakuló alakzatok és a méretük széles tartományok között változhat. A plazma tulajdonságai azért is érdekesek, mert azok nagyon kontrasztosak, térben egymástól jól elkülönültek (a különböző tulajdonságú részek közötti távolságok jóval nagyobbak, mint a tulajdonságok száma), vagy fraktál alakzatot is felvehetnek. A következőkben a plazma összetettségét bemutatandó néhány struktúrát ismertetném: Szálas, bordás vagy láncos alakzatok láthatók sok plazmában, mint pl. az északi fényben, villámokban, elektromos ívekben, napkitörésekben és a szupernóva maradványokban. Ezt a nagyobb áramsűrűséggel hozhatjuk kapcsolatba és néha mágneses zsinórnak is nevezik. Keskeny lapok éles dőléssel, rázkódások vagy kettős rétegek is megfigyelhetők, melyek a plazma tulajdonságainak gyors változását teszik lehetővé. A kettős rétegek helyi töltésszétválasztást okoznak, mely nagy potenciálkülönbséget okoz a rétegek között, viszont a rétegeken kívül nem hoz létre elektromos mezőt. A kettős rétegek elválasztják egymástól a szomszédos, különböző fizikai tulajdonságokkal bíró plazma régiókat és gyakran találhatók az áramszállító plazmákban. Mind az ionokat, mind pedig az elektronokat gyorsítják. Összetett villamos áramkörök is létrejöhetnek. A plazma kvázi semlegességéhez az szükséges, hogy a plazmaáramok önmagukon belüli villamos áramkörökben záródjanak. Ezek az áramkörök Kirchhoff törvénye szerint viselkednek és rendelkeznek ellenállással valamint induktivitással. Ezek az áramkörök szorosan kapcsolt rendszerek, ahol érvényes az, hogy minden egyes plazma régió függ a teljes áramkörtől. Ez összetett viselkedési formákhoz vezethet. A plazma villamos áramkörei induktív (mágneses) energiát tárolnak, melyek felszabadulhatnak, mikor az áramkör a plazma instabilitásának következtében szétbomlik. Ez a felszabadult induktív energia a plazmában hőként és gyorsító erőként jelenik meg. Ez magyarázza a napkoronában létrejövő nagyon magas hőmérsékleteket. Az elektromos áram és különösen a mágneses mező által rendezett elektromos áram (Birkeland áram) szintén megfigyelhető az északi fénynél és a plazma szálakban. Sejtstruktúrák is megfigyelhetők a plazmában. Az éles dőlésű keskeny lapok elválaszthatnak különböző tulajdonságú rétegeket, melyek eltérő mágneses jellemzői, sűrűsége és hőmérséklete sejtszerű régiókat hoznak létre. Ezekre jó példa a magnetoszféra, a helioszféra és a helioszférás áram lapok. Kritikus ionizációs sebesség. Az ionizált plazma és a semleges gáz közötti viszonylagos sebességkülönbség hatására a semleges gázok ionizálódhatnak az elektronjuk elveszítése révén. Ez az energizálódás visszatáplálódik, ami további ionizációhoz vezet, s végül az összes semleges gázmolekula ionizálódik. A jelenség az összetett rendszerekre jellemző és élesen elkülönülő hőmérsékleti tulajdonságokkal rendelkező térrészeket hoz létre.
22
4. A plazmahangszóró fejlesztés A fejlesztésem célja alapvetően egy teljesen félvezetőkkel működő berendezés megalkotása volt. A félévek során – önálló labor és diploma félévek – több megoldást is kipróbáltam. Eleinte természetesen hajlottam a FET–ek világa felé, igyekezve kihagyni az elektroncsöveket. Sok próbálkozást követően, miután öt különböző megoldást is kipróbáltam, úgy döntöttem, mégis visszatérek az elektroncsövekhez. A konklúzióm az, hogy bár megalkotható félvezető elemekből, valamint integrált áramkörökkel egy plazmahangszóró, mégsem tudja azt a hangminőséget és megbízhatóságot nyújtani, mint az elektroncsöves alapú. A következőkben szeretném összefoglalni,csoportosítani (13.ábra), milyen modulációs fajtákat és nagyfrekvenciás áramköröket valósítottam meg, a koronakisülés létrehozásához, valamint audio jel modulálásához. A teljesség részletessége nélkül mutatnám be azokat a „működő” berendezéseket, melyek napvilágot láttak a fejlesztés során. Törekszem inkább azon megoldásokat részletesen kifejteni, melyet megmértem, vagy komolyabb szimulációt végeztem rajtuk.
13. ábra A plazmahangszóró típusainak csoportosítása
23
4.1 A plazmahangszórók típusainak három részre osztása
A plazmahangszórókat működési szempontból én három nagy részre osztottam. Ezt a nagyfrekvenciás, nagyfeszültséget (plazmát) gerjesztő félvezető elemek vagy elektroncsövek miatt tettem meg. Az irodalomkutatás során fellelt plazmahangszórók többsége elektroncsöveket tartalmaz. Ilyenek például a Corona Acoustic, Phonogen, az Ionophone és az Acapella cég termékei. Mégis az én célkitűzésem az volt, hogy a ’93–as bipoláris tranzisztoroshoz (Magnat MP-02) képest jóval fejlettebb FET–es áramkört tervezzek, és építsek meg. Manapság már számos, nagyon kedvező paraméterekkel – pl. 1Ω alatti Ron csatorna-ellenállással – rendelkező teljesítmény FET kapható, melyeket alkalmazva mind a vákuumcsöves, mind a bipoláris tranzisztoros plazmahangszórókat felülmúló eszköz készíthető. Két alcsoport maradt. Az elektroncsöves, mely köztudottan szebb hangot ad, főként a magasabb frekvencián való működés miatt. És a FET–es mely a félév során előttem állt. Az első megoldás egy alacsonyabb frekvencián gerjesztő PWM modulációt alkalmazó áramkör volt. Előállítási költsége igen alacsony, ebből a szempontból ez a megfelelő. De a hangzás az igencsak alul maradt a többi megvalósításhoz képest. Az áramkörön szimulációkat is végeztem Orcad–ben. Miután úgy véltem a PWM moduláció ilyen téren zsákutca, megépítettem egy nagyfrekvenciás oszcillátort, melyet egy rádiótechnikában használt Class-E típusú adó áramköri alapot használtam fel. Viszonylag egyszerű a kapcsolási rajz, de a működésének rendes beállítása és az áramkör bemérése annál bonyolultabb. Amiért a nagyfrekvenciás oszcillátor és a hozzá pontosan méretezett tekercs előállította a stabil plazmát, a következő feladat az volt, hogy eldöntsem milyen módon modulálom a hangfrekvenciás jelet a plazma lángjára. Három elképzelésem volt, melyek közül mindet meg is építettem, valamint ki is próbáltam. Mind a három áramkör sok problémát okozott. Ilyen követelményeknél néha kilátástalannak tűnt a végső megoldás. A három fajta modulációs megoldás közül a leghatékonyabbnak a transzformátort alkalmazó AM moduláció tűnt. A többi (áteresztő tranzisztoros, szuperpozíció elvén működő) jóval kisebb hatásfokkal üzemelt. A következő fejezetekben részletezem a működési elveket.
24
4.2 Az áramkörök általános leírása
A munkám során fejlesztett hangszórók működési elve többnyire megegyezik. A működése a következő. A legfontosabb elem a berendezésekben, a plazmát gerjesztő egység. Ezt többféleképpen meg lehet valósítani, többnyire nagyfeszültségű transzformátorok alkalmazásával. Lehet ez több rétegű, vagy épp egy megahertzes tartományban működő egyrétegű öngerjesztő vasmag nélküli transzformátor. A tervezések során el kellett először döntenem, mely frekvencián szeretném a plazmát gerjeszteni. Az elsődleges szempont, amit figyelembe kellett venni, az a gerjesztő áramkör működési frekvenciája. Minél magasabb frekvencián üzemel, annál kisebb az alapzaja a koronakisülésnek (plazmalángnak). Három frekvenciát alkalmaztam, 20 kHz, 4 MHz, valamint 27 MHz. A plazma alakok szignifikáns különbségeket mutattak, mind zaj terén, mind alakbeli különbségben. Egy megahertz fölött vasmagot nem nagyon szoktak használni, a vasmag anyagának korlátai miatt, így csak a 20 kHz–es áramkörnél használtam vasmagos többrétegű gerjesztő transzformátort. A plazmahangszóró tehát három főbb részből áll. Nagyfeszültségű gerjesztő egység, modulációs részegység, valamint az erősítés. Az előerősítés funkcionalitása nem más, mint a bemeneti jelet feldolgozni, mint aktív vagy passzív hangszóró. A végleges verzióban úgy alakítottam ki a hangszóró előerősítőjét, hogy mind aktív, mind passzív üzemben használható legyen. A legnagyobb probléma a plazmahangszórónál, az áramellátás. Egy hagyományos hangszórónak nincs szüksége külső tápellátásra, elegendő a végerősítő jele a tekercsek meghajtásához. Esetemben a plazmahangszórónál szükség van külső táplálásra. Felfoghatók úgy, mint még egy erősítő. Hisz a plazma előállításához, a modulációhoz nagy energia szükséges. Azért tűnt jó megoldásnak a PWM moduláció, valamint a kis frekvencia és sorkimenő transzformátor, mert ez fogyaszt a legkevesebbet. A második egység a nagyfrekvenciás gerjesztő áramkör. Ebből a már említett három féle készült el. Legjobb hatásfokkal az elektroncső alapú működött. A PWM modulációhoz azért volt szükség alacsonyabb frekvenciára, mert a moduláció gyorsasága korlátozott. Az IML cég, hasonló elven működő hangszórója is csupán 100 kHz–es frekvencián működik. Ahogy már említettem, a 20 kHz–es frekvenciára azért esett a döntés, mert a kimenő transzformátor már adott volt. Néhány ezer forintért hozzá lehet jutni, míg a már 4 MHz–es tekercs huzalozása sokkal magasabb költséget von maga után. A szkin hatás miatt, a nagyfrekvenciás tekercseket litze huzalból szokták tekercselni. A nagyfrekvencián működő tekercsek soros veszteségi ellenállása nagyobb az egyenáramon mért rs értéknél. Ennek az az oka, hogy a nagyfrekvenciás áram által keltett, és a vezetékben az önindukció folytán indukálódott feszültség által létrehozott mágneses tér kölcsönhatásaként a nagyfrekvenciás áram nem a vezeték teljes keresztmetszetén, hanem csak annak külső felületén folyik. Minél nagyobb a frekvencia, a vezetésben részt vevő keresztmetszet annál inkább csökken. A vezető keresztmetszet csökkenése miatt a vezeték nagyfrekvencián tanúsított ellenállása megnövekszik. Ez a szkin hatás. A választott huzal kilenc párhuzamosan sodrott eret tartalmaz. Ezzel kiküszöbölve a szkin hatást, valamint a teljesítmény szempontjából is kedvező. A 27 MHz–es frekvencián már csak néhány menetre van szükség, és itt nem szükséges a litze huzal, mert a kevés menetszámot vastagabb vezetőből is lehet tekercselni, mely biztosítja a szükséges
25
keresztmetszetet. Nagyobb sugár, ugyan azon a behatolási mélységen nagyobb felületet tesz „járhatóvá” az áram számára. Ennek fényében a 27 MHz is ideális választás költséghatékonyság szempontjából, ennek korlátait csak a félvezetők szabják meg. Nagyfrekvenciás nagyteljesítményű tranzisztorok számomra nem voltak elérhetők, és a hagyományos alacsonyabb árkategóriában jelen lévő FET–et nem képesek ilyen frekvencián jó hatásfokkal működni. Egy 10 MHz–es határfrekvenciájú IRF460 típusú tranzisztor 4 MHz–en használva, passzív hűtéssel nem lehetett volt alkalmas hosszú üzemidőre, a ventilátor alkalmazása sem oldotta meg a problémát. Természetesen az is hiba, hogy szinusz jel helyett négyszöggel volt meghajtva. Ennek oka a könnyebb modulálhatóság. Valamint a négyszög jelre lett megalkotva ez a fajta adó áramkör. A harmadik, és akusztikai szempontból a legfontosabb egység a modulációs rész. Sok múlik azon, milyen modulációs megoldást választunk. Alapvetően két félét használtam, több fajta áramköri megoldással. Az egyik, már említett PWM moduláció, a másik az AM moduláció. Miután a PWM moduláción túlléptem az AM tűnt jó megoldásnak. Az irodalomkutatás során levontam a tanulságot, hogy az igazán neves cégek, majd mindenki AM modulációt használnak, kisebb a torzítás, és nagyobb a hatásfok. Valamint az elektroncsöveknél ezt könnyű kivitelezni, hisz a rácsokon könnyű a moduláció. Zenei téren a megfigyelve az szembetűnő, hogy a míg a PWM moduláció digitális jel moduláció, ellenben az AM moduláció analóg jel moduláció. Ebből is látszik, hogy érdemesebb az AM modulációt használni, mert a jel digitalizálása mindig veszteséggel jár. A megoldás számomra tehát a 27 MHz–es működési, vivőfrekvencia volt, ezt AM modulálva. És ki kellett hagynom a kapcsoló üzemű tápegységet is, mert a tápegység frekvenciája zajként jelentkezett a modulált plazma lángban.
4.3 PWM moduláción alapuló plazmahangszóró
Készíteni akartam egy egyszerű megoldást képviselő plazmahangszórót. A kapcsolást könnyű volt megépíteni, nem okozott különösebb nehézségeket, kivéve a kapcsoló üzemű tápegység. Azért gondoltam, hogy nem hálózati 50 Hz–es transzformátort használok, mert a tömege is számított az áramkörnek. És ezzel jelentősen lecsökkent. Igaz kicsit túlméreteztem, mert a PWM modulátoros rész és a erősítő FET–jei könnyen túlmelegedtek a nagy áramfelvétel következtében. És a sorkimenő transzformátor is melegedett. A kapcsolóüzemű tápegység működési frekvenciájának felharmonikusai 14. ábra A pwm moduláció működése pedig megzavarták a hangfrekvenciás egységet. A fent említett áramkör egy egyszerű modulációs elven működik. Ez a PWM (pulzus szélesség moduláció) (14. ábra). A célja az áramkörnek, hogy a nagyfeszültségű ívre (plazmára) hangfrekvenciás jeleket moduláljuk, hogy a geometriaváltozás miatt az megrezgesse a levegőt, s így hanghullámokat keltsen. Természetesen a frekvenciát, amire rámoduláljuk a
26
jelet a hallható tartományon kívül, azt meghaladva kell választanunk. A későbbiekben szereplő áramkör 18-20 kHz–es jellel van meghajtva. Ez azért fontos, mert a vivőjel zavaró folytonos jelét nem szeretnénk viszonthallani. Ellenben a televízió készülékekben használt sorkimenő transzformátor 15-30 kHz–es tartományra lett tervezve. Ezen frekvencia fölött a vasmag telítésbe megy, és a hatásfoka nagy mértékben lecsökken. A PWM moduláció röviden annyit tesz, hogy egy négyszögjel szélességét változtatjuk. Így a modulált jel frekvenciában nem fog változni, csak hordozni fogja, a kíván adatot, esetünkben a zenei jelet. A modern digitális erősítők is hasonló elven üzemelnek. Az áramkör kapcsolási rajza nagyon egyszerű. A TL494–es kapcsolóüzemű tápegységekben használt integrált áramkör végzi a PWM modulációt. Az áramkörben nincs visszacsatolás, így a működési frekvencia állandó. A hatásfoka így alacsony. A TL494–es integrált áramkör előállítja a vivő frekvenciát, majd a bemenetre érkező audió jelet PWM modulációval rámodulálja az általam megadott frekvenciára. A hangerőt és a frekvenciát potenciométerekkel lehet állítani. A már modulált vivővel meghajt egy kétfokozatú Flyback kapcsolást, mely a fölerősített jellel a primer tekercset hajtja meg. A transzformátor áttétele 1500 : 6 szekunder : primer. A kapcsolóüzemű tápegység egy rezonáns típusú kapcsoló üzemű tápegység, mely 66 kHz körüli frekvencián üzemel. A kimenet egy 12 V–os egyenáram. A rezonáns tápegység sajátossága, hogy a terhelés függvényében változtatja a frekvenciáját, így kiszolgálva az többlet áramigényt. A teljesítmény fokozat félhídban üzemel. Ez a fajta kapcsolóüzemű tápegység tökéletes megoldás erősítők táplálására. Ahogy a D osztályú teljesítményerősítőknél is rezonáns kapcsolóüzemű tápegységet használnak, a plazmahangszóró tápellátására is megfelelő. Ez az áramköri megoldás azzal a hiányossággal küzd, hogy az áramfelvétel növekedésével a kimenti feszültség értéke csökken, ebből kifolyólag nem konstans. A feszültség ingadozás akár 5 százalék is lehet. Ennek következtében, ha más berendezést táplálnánk, akkor bizonytalan lenne az üzeme. A plazmahangszórónak nincs szükség stabil tápegységre. A minimális tápfeszültség ingadozás nem okoz olyan mértékű geometriaváltozást a plazmán, mely befolyásolná a hangzást. Hatásfoka nagyon rossz, körülbelül 50 W betáplált teljesítmény mellett kevesebb, mint 1 W akusztikai teljesítményre képes. Ez akusztikai impedanciaillesztéssel lehet javítani, de ennél a konstrukciónál azért nem megvalósítható, mert nem korona kisülésről beszélünk, hanem plazma ívről. Két pont közötti ív stabilitása is kifogásolt, nehéz olyan szignifikáns potenciálokat kialakítani (csúcsok), melyeknél a plazma ne vándorolna el a vezetőn. Ezt lobogásként tudnám definiálni, ez természetesen zajként is jelentkezik. Minél nagyobb a betáplált teljesítmény annál nagyobb a plazma sugara. A levegőt felhevítve, a meleg levegő felszáll, s ez a plazma ívet látszólag néha megbontja. A csúcsok anyagával is probléma van. Hogy önmagától alakuljon ki az ív, olyan távolságban kell elhelyezni a szekunder tekercs két pontját kivezetve, hogy a plazma kialakulása után meggörbül. Egy felfele hajló ívet alkot. Ez az oka, amiért nem lehet tölcsérbe helyezni a lángot. Erre jó megoldás a korona kisülés, mely előállítása magasabb működési frekvencián lehetséges, ilyen teljesítmény mellett. A korona kisülés könnyebben kordában tartható, és tölcsérrel akusztikailag csatolható.
27
4.4 Szimuláció Az áramkört (15.ábra) Orcadben terveztem és szimuláltam. Tranziens analízist, szimulációt végeztem rajta. A bemenő jel egy 850 Hz–es ideális szinusz jel volt. A vivő frekvencia 18 kHz. A szimuláció eredményei arra adtak választ, hogy az áramkör a
15. ábra A szimulált és megépített áramkör kapcsolási rajza vártnak megfelelően fog e működni. Az Orcad szimulátora nem megfelelő arra, hogy egy nem ideális transzformátort szimulálni tudjon. Ha ideálisnak vesszük, a kimeneti jel csak arányaiban fog megváltozni, a jelalak ugyanaz marad. Természetesen a valóságban egyik transzformátor sem ideális, így ilyen téren tökéletes szimulációt nem tudtam végezni. Ilyen magas feszültségeken üzemelő berendezésekre ezek a tervező és szimulációs programok nem alkalmasak. A kisfeszültségű áramköri részegységek működésének leellenőrzésére jól használható volt. A TL494 kimenetén megjelenő jelalakok a várt eredményt hozták.
28
16. ábra A szimuláció eredménye
A szimulációs eredményeken (16.ábra) látszik a 850 Hz–es bemenő szinuszos jel. A kimeneti jel egy 18 kHz–es négyszögjel, melynek a szélességét változtatja az amplitúdó függvényében. A modulációs mélység 20–80 százalékig változatható. A legkisebb feszültség amplitúdójú bemenet esetén, a pulzus szélessége 20 százalék, míg a maximális bemeneti amplitúdó esetén 80 százalék. Az áramkör a vártnak megfelelően üzemelt a megépítés után, a vivő frekvenciát viszont megnöveltem 20 kHz–re, mert a 18 kHz még a fiatal fül számára hallható. Sok konklúziót levontam az első megoldás megépítése, szimulációja után. Ezen tapasztalatok birtokában léptem tovább. Cél az volt, hogy a vivő frekvenciát megnöveljem, valamint a moduláció terén áttérek az AM modulációra. Lényegesnek tartottam a tölcsér használatát is, ezért törekedtem korona kisülés felé elmozdulni.
4.5
A második generáció, FET meghajtás és AM moduláció [13] Az előzőekből tanulván szükség volt egy stabil több megahertzes oszcillátorra, mely egy korona kisüléshez már alkalmas frekvencia, ilyen feszültség mellett. A 20 kHz–es vivőfrekvencia nem volt elegendő ahhoz, hogy 25 kV maximális feszültségnél pozitív korona alakuljon ki a csúcsokon. Egyedül akkor lehetett csak elektromos szelet érzékelni, mikor a két csúcs egy bizonyos távolságon belülre került, és még nem alakult ki a plazma ív. A már említett Class-E típusú
17. ábra E osztályú (Class-E) erősítő fokozat elvi kapcsolási rajza
29
(17.ábra) rádiótechnikában alkalmazott nagy hatásfokú adóáramkört használtam a Tesla tekercs meghajtására. Az ötletem az volt, hogy a plazmagerjesztés változatlan frekvencián üzemeljen, ezt egy kristály oszcillátorral oldottam meg. A meghajtás érdekében egy osztó áramkört is beépítettem, mely nagyobb árammal tudja meghajtani a tranzisztorokat. Hogy kapcsoló üzemben tudjanak működni a FET–ek, meghajtó transzformátorokat használtam. Valójában az áramkör (18.ábra) két Class-E típusú áramkörből áll. Az egyik gerjesztve van 4 MHz–en, és ennek a kimenete gerjeszti a másikat, szintén egy meghajtó transzformátoron keresztül. A nagyfeszültségű transzformátor úgy lett megtekercselve, hogy a rezgőkör induktivitása ebben az esetben a primer tekercs, valamint a szórt induktivitás. A szekunder tekercs tulajdonságait úgy kellett megválasztani, hogy a 4 MHz–es frekvencián a primer tekercsel való szórt induktivitás a számításoknak megfelelő legyen. Természetesen a rendelkezésemre álló műszerek nem voltak pontosak, így az egy-két µH hiba elegendő volt ahhoz, hogy elhangolódjon a rezgőkör. Ezért sok kísérletezéssel tudtam csak beállítani a megfelelő menetszámot. A plazmaláng mérete a betáplált teljesítménytől függött. Nem a FET–ek szabták meg a teljesítményhatárt, hanem a hálózati transzformátor. 110 voltról hajtottam meg az áramkör nagyfeszültségű részét, egy 45 VA–es transzformátor biztosította ezt a feszültséget. Érdekes módon a transzformátor melegedett, nem a félvezető elemek. Majd kipróbáltam egy 600 VA–es transzformátorral az áramkört, ekkor már olyan nagyméretű volt a plazmaláng, mely nem volt kordában tartható. Szükség volt mindenképp Faraday kalitkát helyezni a kimenő transzformátor köré, de a láng folyamatosan abba húzott ívet. Ekkor már ismételten nem korona kisülésről beszélhettünk, hanem két pont közötti ívről. A későbbiekben ezt a problémát az üveg tölcsér oldott meg. Nem csak a nagy plazmaláng volt a probléma, hanem ezen a frekvencián az általam használt FET–ek egy bizonyos
18. ábra Az általam megépített Class-E nagyfrekvenciás gerjesztő áramkör
30
teljesítmény fölött nem bírták a terhelést. Hiába volt nagyméretű hűtőbordán, valamint ventillátorral hűtve, egy pillanat alatt fölrobbantak a megterhelés miatt. Még mielőtt kísérletezni kezdtem a modulációs módszerekkel, már látható volt, hogy ez a fajta plazma előállítás, gerjesztés is zsákutca. Nem alkalmas dobozba építésre, nem árnyékolható megfelelően, bizonytalan a plazma geometriája valamint ebből a bizonytalanságból fakad egy elég nagy zaj is. Nem foglalkoztam ezeknek a megoldásoknak a kimérésével, mert nem az volt a célom, hogy minden egyes prototípust megmérjek. Arra törekedtem, hogy egy jól használható, folyamatos üzemű, kis zajú hangszórót építsek. És ezen végezzek méréseket. Nem lett volna értelme a zsákutcákban rostokolni, így tovább kellett lépnem. A következőkben a modulációs megoldásokat fogom kifejteni. Érdekes volt az a jelenség, hogy ennél a konstrukciónál a Faraday kalitka teljesen eltűntette a plazmalángot. Annyira kiterjedt a mágneses tere a tesla tekercsnek, hogy értelmes kereteken belül nem is tudtam építeni fémrácsot, hogy megszűrjem a környezetet zavaró mágneses jeleket. 50 cm sugarú hengeres ketrecet jelentett volna, ami oly mértékben túl méretes, hogy nem is próbálkoztam egy idő után a megépítésével. Természetesen szükség van erre, de ahhoz az irodalomkutatás során kiderült, hogy sokkal nagyobb teljesítményt kell betáplálni, vagy önrezgő áramkört kell építeni. Az utóbbi meg is valósult, de ezt csak később fejtem ki.
4.6
Az AM modulációs megoldások [14]
Mint már említettem, négy modulációs fajtát teszteltem, és egynél maradtam. Mindegyik valamilyen szinten az AM moduláción alapszik. Az első, mellyel próbálkoztam, újra a PWM moduláció. De annak egy speciális formája (19 ábra). Az audio jelet PWM modulálja egy nagyfrekvenciás jelre, majd ezt AM modulációs transzformátorral modulálja a Class-E típusú gerjesztő áramkör tápfeszültségére. Az előző féléves tesztjeimből kiindulva a hangfrekvenciás jelet egy 100, majd 200 kHz–es frekvenciára moduláltam. PWM modulációval. Majd a létrejött jelet egy kapcsoló üzemű
19. ábra PWM modulált jel AM modulációja a tápfeszültségre
31
tápegységekben gyakran használt fél-híd kapcsolással és egy miniatűr transzformátorral a 4 MHz–es oszcillátor tápfeszültségére moduláltam. Majd miután egy váltakozó áramú jellel nem működött a rezgőkör, kénytelen voltam DC jelre modulálni, és egy aluláteresztő szűrővel a PWM frekvenciát megszűrni. Így már a zenei jel megjelent a kimeneten, de a zaj elnyomta a számomra fontos információt, a zenei jelet. Crossover torzítást okozott a Greatz-híd, és a félhíd is nagyon melegedett. Az áramkör működése nagyon hasonlít az előzőekben szimulált és megépített megoldáshoz. Szintén egy TL494– es PWM tápegység chipet használtam, mely a modulált jellel két FET driver integrált áramkörön keresztül meghajtja a fél-hidat. Egy moduláló transzformátor ezt a jelet a DC tápfeszültségre ülteti, szuperponálja, majd egy egyenirányító hídon keresztül táplálja a nagyfrekvenciás gerjesztő egységet. Egy pozitív volt ebben a megoldásban, hogy a kitöltési tényező változtatásával könnyedén tudtam a rezgőkör Faraday kalitkából származó feszültségszükségletét pótolni. Tulajdonképpen vehetjük ezt a modulátor egységet egy kapcsolóüzemű erősítőnek, vagy tápegységnek, melynek a működési frekvenciájára modulálom a bemenő jelet. Elképzelésként ott volt az a megoldás is, hogy a Class-E adóáramkör frekvenciáját modulálom, de az áramkör működése nem teszi lehetővé a frekvencia megváltoztatását. A rezgőkör a legkisebb elhangolódásra is érzékeny. Természetesen tervbe volt véve egy másfajta nagyfrekvenciás megoldás is, melynél a frekvencia moduláció alkalmazható lett volna, de azzal maximum 1 MHz–ig mehettem volna el, és mindenképpen kellett volna egy visszacsatolás a rendszerben. A nélkül a gerjesztés nem ideális. A választásom azért esett a Class-E típusú áramkörre, mert ez volt a legnagyobb hatásfokú gerjesztő áramköri lehetőség. Szintén rossz megoldásba ütköztem, de arra volt jó, hogy ismételten rádöbbenjek, hogy a PWM modulációt ki kell küszöbölni az áramkörből. Mind gerjesztés, mind moduláció terén. Visszacsatolás a későbbiekben szükséges lesz, és az AM moduláció elengedhetetlen.
4.7
Szuperpozíció elvű moduláció
A következő elképzelés a szuperpozíciót szintén alkalmazó, viszont a kapcsolóüzemet mellőző megoldás (20.ábra). A kapcsolási frekvencia okozta torzításokat,
20. ábra A teljesítmény erősítővel ötvözött szuperpozíció elvét kihasználó áramkör kapcsolási rajza
32
veszteségeket valamint zajokat kiküszöbölve a Magnat MP-02–es félvezetős plazmahangszóró kapcsolási rajza alapján szuperpozíciót alkalmaztam. A működési elv a következő. Egy teljesítményerősítő a bemenő audio jelet fölerősíti, majd a nagyfrekvenciás gerjesztő áramkör DC tápfeszültségére egy aluláteresztő szűrőn keresztül szuperponáljuk az AC jelet. A DC tápfeszültség értéke 150 Vpp, míg a felerősített jel csúcsértéke 40 Vpp. A szűrő veszteségei miatt a kapott csúcsérték 180 Vpp. Természetesen komplikációkat okozott a szűrő (csatoló) kondenzátor méretének megválasztása. Ha túl nagy kapacitású kondenzátoron keresztül csatoltam az átvinni kívánt jelet, a teljesítményerősítő rövidzárnak érzékelte. Indokolt volt a levágás is, mert a plazmahangszóró csak magasabb frekvenciatartományban képes sugározni. Nincs elég lesugárzási felülete ahhoz, hogy mélyebb hangokat megszólaltasson. De mikor az előerősítőt építettem, a bemenetet egy 1 kHz–től 40 kHz–ig terjedő sávon kívül megszűrtem, tehát ezzel már nem kellett foglalkozni. Mégis a moduláció sikeréhez szükséges volt szűrő használata. Ha a csatoló kondenzátor kapacitását alacsonyra változtattam, akkor viszont a teljesítmény volt alacsony, amit szuperponálni lehetett. A hatásfoka ennek az áramkörnek is alacsony volt attól függetlenül, hogy megváltoztattam a teljesítményerősítő kivezérelhetőségét. 100 Vpp csúcsértékű kivezérelhetőség mellett sem volt olyan hangereje, mint az előző modulációs
21. ábra A szuperpozíció alkalmazása transzformátoros AM modulációval megoldásnak. Nagy disszipációk mellett nagyon kis hatásfok. Lehetett volna tovább kísérletezni javítási célzattal, de arra jutottam, szükséges kipróbálnom más megoldásokat is. Ezek után alapul vettem a két módszert és ötvöztem a PWM modulátor transzformátorát a szuperpozíciós erősítőjével (21.ábra). Ekkor jött szóba a transzformátoron keresztüli moduláció. Ennek az elve a következő képen látható. Ez az áramkör volt a legnagyobb hatásfokú. Az előzőekhez képest sokkal nagyobb teljesítményt értem el vele. Az egyetlen gond, hogy a transzformátor megfelelő méretezése. Az elektroncsöves erősítők kimenő transzformátorának méretezése mindig fontos lépés a megfelelő frekvenciatartomány eléréséhez. Természetesen nem kellett foglalkozni az alacsony frekvenciákkal a méretezés során, mert ez nem tud 1 kHz alatt sugározni. Tölcsérrel akusztikailag impedancia illesztést kell végezni a frekvenciamenet lentebb tornázásához. A fejlesztésben itt megálltam volna, de az egyik konzulensem Kimpián
33
Tibor javasolta, hogy hagyjam el a transzformátort, mert az csak fölösleges hibalehetőség. Ennek okán építettem meg egy áteresztő tranzisztoros modulátort. Az áteresztő tranzisztoros megoldás tulajdonképpen egy A osztályú erősítő, ebből fakadóan nagy a disszipációja, és a hatásfoka is igen kicsi. Nem fejlesztettem tovább, mert nem láttam benne lehetőséget. Lenne egy megoldás, mely a Step-up koverterek működésén alapszik. Erre nem került sor a fejlesztés során. A munkában elcsúsztam az idővel, és fejlesztés még közel sem járt a végén mikor már rég a mérőrendszert kellett volna összeállítani, és modellezéssel kellett volna foglalkozni. Ezen okokból felhagytam FET–es plazmahangszóró tovább fejlesztésével. Ahogyan az irodalomkutatásban is felfedeztem, számomra a járható út az elektroncsöves megoldás.
4.8
Áttérés elektroncsöves megoldásra [6]
Az elektroncsövekkel, sokkal egyszerűbben előállítható 20 MHz fölötti gerjesztési frekvencia, és elég teljesítményt adnak használható plazmahangszóró üzemeltetéséhez. Könnyen megoldható velük az AM moduláció az egyik rácson, a
22. ábra PL519 -es nagyfrekvenciás gerjesztő áramkör elektroncsöves AM modulátorral (Rácsmoduláció) visszacsatolással pedig könnyen szabályozható a plazma stabilitása, valamint geometriai tulajdonságai. A választásom a PL 519-es elektroncsőre esett, mely a régmúlt elektroncsöves televízióiból ismert. Itt már teljes mértékben AM moduláció történik. Az általam tervezett kapcsolásban (22.ábra) egy egyszerű kétfokozatú pozitív visszacsatolású előerősítő van, melynek a végén egy újabb elektroncsővel modulálom a rácsfeszültségre a felerősített audio jelet. Az előerősítő a két fokozatnak köszönhetően 0 dBU bemeneti jel mellett 60 Vpp kimeneti jelet képes szolgáltatni. Ez van ráültetve az előfeszítésre, ami egy DC feszültség, amely a plazma méretét szabályozza. A visszacsatolás megvalósítását
34
a tölcsér megléte könnyítette, hisz a plazmaláng köré kellett egy háromnegyed menet, mely a frekvencia stabilitást biztosítja. Két potenciométer található az áramkörben, az egyik a hangerőt szabályozza, a másik a plazmaláng méretét. Kísérletezések során arra a megállapításra jutottam, hogy nem feltétlen jó, ha a plazmaláng nagy, mert akkor az AC audio jel arányaiban sokkal kisebb lesz, mint az előfeszítés. Ha viszont kisméretű plazmát állítunk be, akkor a plazma bizonytalan, és egy nagyobb dinamikus hangzásnál akár ki is aludhat. Ekkor lenne szükség egy Hall szenzorra, mely a plazma mágnesen terét érzékelné, s mikor a plazma kialszik, automatikusan megnöveli a DC jel szintjét. A plazma kialakulásával is problémák voltak. Irodalomkutatásból és tapasztalataimból megfigyelve, a plazmának két feszültségszintje jelentős. Az egyik a begyújtási feszültség, a másik pedig a kialvási feszültség. A begyújtási, mindig nagyobb érték, mint a kialvási. A gerjesztő áramkör 600 V–os tápfeszültségről üzemel, és ez néha, mikor az oxid réteg alakul ki a csúcson, akkor nem elegendő a begyújtáshoz. A csúcs paramétereit igyekeztem a számítások alapján megválasztani, törekedtem a zavaró potenciálokat megszűntetni a csúcs közvetlen közelében. Ami nehezíti a plazma kialakulását, az a szerkezet köré épített Faraday kalitka. A kalitka földpotenciálon van, így leárnyékolja a csúcsot, nehezebben gyújtja be a plazmát.
4.9 A burkolat, tölcsér és csúcs anyagának tervezése 4.9.1 A plazmacsúcs (elektróda) anyaga A csúcs anyagának választásakor figyelembe kellett vennem a gerjesztett plazma hőmérsékletét. 3000 °C környékén alakul ki a plazma, ionizálódik a levegő. Ezért mikor sima vas elektródát használtam, vagy rezet, néhány perc után komoly oxidáció lépett föl. Nem volt az sem ritka, ha a vezető keresztmetszete kicsi volt, hogy eldeformálódott. Akár elégett. Ebből is látszik, hogy sok energia elmegy a plazma fenntartására, az elektroncső fűtésére. Végül is a hegesztésben használt volfrám elektródát hidegen belesajtoltam egy koracél csavartestbe, mely így a hőt is elvezette és a csúcs sem égett el. Két hónap tesztidőszak után sem kellett csúcsot cserélni, nem kellett tisztítani. [2] Siegfried Klein 1951–ben leírta a legmegfelelőbbnek talált anód anyagát is, ami 50% platina, 40% alumínium-foszfát, 5% irídium és 5% grafit. Az eredeti megoldásban ezt az aktív anódot elszigetelve melegítette, és a modulációhoz 700 V–os feszültséget használt. Nekem nem volt lehetőségem anyagokat ötvözni, megelégedtem a volfrámmal. Az általam kipróbált csúcs anyagokat összehasonlítottam egy táblázatban (2. táblázat). A vezetőképességük nem számottevő a plazmahangszóró esetében. Egyértelmű volt, hogy miért a volfrámot választottam. Az acélra azért volt szükség, hogy elvezesse a hőt. Anyag
Olvadáspont(°C)
Forráspont(°C)
Acél
1500
2500
Alumínium
660
2450
Sárgaréz
950
2300
Vas
1536
3000
Volfrám
3410
5930
Vörösréz
1083
2595
2. táblázat A csúcsok anyagainak összehasonlítása
35
4.9.2 Tölcsértervezés Autodesk Maya nevezetű 3D–s tervező programban tervezetem egy exponenciális tölcsért (23.ábra). A paraméterei megalkotásakor még nem gondoltam a modellezési problémákra. A tölcsért a BME vegyészmérnöki karán gyártották le, egyedi megrendelés néven. Mivel az üveg kémcsövek, pipetták és egyéb vegyésznek szükséges üveg eszközök gyártása kézzel történik, így nem tudtak két azonos tölcsért gyártani. Problémát okozna, ha két teljesen hasonló hangzású plazmahangszórót szeretnék készíteni. Szükséges lenne ipari pontosság, a pontos sztereó hangzás eléréséhez. Mikor a terveket leadtam az üvegtechnikusnak, egy körülbelüli értéket kellett adnom a tölcsér paramétereiről. Mivel fél centiméter pontossággal tudtak dolgozni, így valóban csak irányt mutattak a tölcsér métereivel kapcsolatban. A megadott értékek: A tölcsér szája 2 cm, a külső átmérője 14 cm, míg a hossza 12 cm. A gyártást követően a száját sikerült majdnem tökéletesre készíteni, 1.8 cm lett. A hossza 12.3 cm és a külső átmérő 13.5 cm. 23. ábra CAD rendszerben készített tölcsér és gömb terv
4.9.3 Fémház tervezése Két indok volt, amiért fémházat (24.ábra) kellett készítenem a hangszóróhoz. Az egyik a nagy mágneses tér, melyet a gerjesztő transzformátor és plazmaláng kelt. Tipikus jelenség volt, mikor egy számítógép mellett kapcsoltam be árnyékolatlanul a hangszórót, hogy a windows–os alkalmazások önmaguktól megnyíltak, majd bezáródtak. Ha elég közel került a CRT monitorhoz a plazmaláng, akkor az elektronokat eltérítette a saját mágneses terével, elszíneződött. A Corona Acoustic cég plazmahangszórójára (25. ábra) hajazva én is egy hengeres testet készítettem, annyi különbséggel, hogy az előerősítő és a tápegység egy külső fémházban helyezkedik el. A hengeres házba csak a rezgőkör elemeit raktam be, mert az exponenciális tölcsér sok helyet foglalt. A rácsos szerkezet elengedhetetlen volt, mert a PL519–es elektroncső nagy disszipációjú.
25. ábra A Corona Acoustic plazmahangszórója
5. ábra Az általam épített fémház az üvegtölcsérrel és a rezgőkörrel
36
5. A mérőrendszer felépítése Az elkészült prototípust követően egy mérőszoftverre volt szükség, mellyel meg lehetett mérni a plazmahangszóró frekvenciamenetét, majd ezt követően az iránykarakterisztikát. A tölcsér iránykarakterisztikájának mérése elengedhetetlen, mert ezt lehet összehasonlítani a modellezett eredményekkel. A mérőrendszer A National Instruments cég Labview környezetében íródott. A LabVIEW a National Instruments (későbbiekben NI) által kifejlesztett grafikus programozási nyelv. A fejlesztést a 60as években kezdték el, jelenleg a LabVIEW 2010es verziója a legfrissebb. Általános alkalmazási területe az NI által gyártott mérő- és vezérlőrendszerek építéséhez használt hardware-ek programozása (adatgyűjtők, szenzorok, beavatkozók). A LabVIEW programokat virtuális műszereknek (virtual instruments) hívjuk (későbbiekben VI), mert működésükkel legtöbbször egy fizikai műszer viselkedését imitálják, mint például oszcilloszkóp, multiméter. A LabVIEW sok beépített szoftver komponenst tartalmaz adatgyűjtésre, elemzésre, kijelzésre, tárolásra, melyek megkönnyítik a saját programunk fejlesztését. A programozás során két felületet szerkesztünk. Az egyik a felhasználói interface panel (26. ábra), mely vezérlőket és kijelzőket tartalmaz. A vezérlők gombok, kapcsolók, tekerők és egyéb más információbeviteli egységek. A kijelzők különböző grafikonok, LED–ek és egyéb más megjelenítők, amiken a mérési adatainkat ábrázolni tudjuk. Miután felépítettük a felhasználói interfészünket, a blokk diagram ablakban (27. ábra) szerkeszthetjük meg a kódot. A kódban hasonlóan a többi programozási nyelvhez, használhatunk struktúrákat, változókat, ciklusokat és függvényhívásokat. A LabVIEW– ban a függvényhívásnak a beépített VI–ok (subVI) hívása felel meg. A cél egy olyan szoftver megalkotása, mellyel könnyedén mérhető egy hangszóró átviteli karakterisztikája. Majd a többszöri mérésekből származó adatokat felhasználva Matlab környezetben könnyen meghatározható az iránykarakterisztika. A programot a legújabb 2009–es Labview-ban írtam. Az átviteli karakterisztika meghatározásához szükség volt egy több bemenetű külső interfészre. Mivel az akusztikai laborban nem állt rendelkezésre, csak egy olyan egyszerű ADC kártya, amelynek csak bemenetei vannak, így a gerjesztő jelet egy külső műszerrel állítottam elő. Ez a kártya a DAQmx USB NI9234–es 4 bemenetes, 51.2 kHz maximális mintavételi frekvenciájú analóg digitális átalakító. A mérőrendszer belső frekvencia-válasz virtuális műszerét használtam, mely egy előre megírt belső VI.
5.1
A program felépítése
Az NI-9234–es külső kártya egy DAQ (Data AcQuisition) mérés adatgyűjtő kártya. A labview környezetben könnyedén kezelhető, állítható. A külső kártyáról való beolvasás egy fizikai csatorna megnyitásával történik. Az adatok feldolgozására egy virtuális csatornát nyitunk, mely a fizikaiból érkező jeleket továbbítja. Itt meghatározzuk a jel attribútumát. Jelen esetben egy feszültség jelről van szó. A következő fokozatban az időzítéseket állítjuk, a mintavételezés módját, és a frekvenciáját. A szóban forgó kártya maximális mintavételi frekvenciája 51,2 kHz, mely számunkra azért is elegendő, mert a
37
hangsugárzókat 18-22 kHz–ig tervezik, a fül fiziológiai tulajdonsága miatt. A 22 kHz fölötti tartomány minket nem érint, természetesen hangtechnikai szempontból. Ezért a számunkra jelentékeny frekvencia kétszeresével tudunk mintavételezni, mely ilyenkor elegendő a mintavételi törvény alapján. A beállított mintavételi frekvencia mellé a minták számát is meghatározhatjuk. A fent felsorolt beállításokat a felhasználói interfészen egyszerűen állíthatjuk. Például, ha csak alacsony frekvencián vizsgálódunk, akkor elegendő kevesebb mintával, kisebb mintavételi frekvencián mérni. Az interfészen szintén állítható, hogy mely bemenet frekvencia válaszát szeretnénk mérni. Lehetőség van egyszerre három függvény megjelenítésére. Két fül közül választhatunk. Az egyik a bemenetek jelalakja, a másik a nullás bemenetre adott frekvencia válaszok. Ezeket a már említett beépített VI számolja ki. Ezen VI–nak több bemeneti paramétere is állítható a kezelő felületen. Például az átlagolás paraméterei, és az ablakozás. Az FRF VI–nak két kimenetét használtam. A fázis és amplitúdó kimenetek, mely tulajdonképpen a karakterisztikát jelentik. Egy virtuális műszerben vannak megjelenítve az amplitúdó és fáziskarakterisztikák. A mérések során én csak egy bemenetet használtam, mely a válasz jel volt egy kondenzátor mikrofon felerősített jele. A program része a külső fájlba mentés. LVM formátumba menti el a bemeneti és kimeneti jel adatait, valamint az amplitúdó karakterisztika értékeit. A kezelő felületen beállítható, hogy milyen néven és milyen sorszámmal mentsen a save sub-VI. Az átlagolás értékét is meg kell adni, így kevésbé zavaros jeleket lehet elmenteni, s a jellegek is jobban kivehetők. Az átlagolás végeztével a program jelzi, hogy készen áll a következő mérésre. Erre természetesen csak akkor van szükség, ha iránykarakterisztikát mérünk, mert akkor az előre meghatározott fokonként kell mérést végezni.
26. ábra A mérőrendszer kezelői felülete
38
27. ábra A mérőrendszer felépítése
39
5.2 A mérőrendszer használati utasítása
Ebben a részben részletezem a mérőszoftver használatát, valamint a mérés helyes összeállításának módját. A plazmahangszóró beüzemelésének menetét. Mivel nem könnyű működésre bírni, és könnyen meghibásodik, hiszen csak egy prototípus. A tapaszalataim alapján szeretnék irányvonalat mutatni a mérések menetére, kiértékelésére.
5.2.1 A hardver összeszerelése, beüzemelése
A plazmahangszóró két részegységből áll. Az egyik a tápegység, a másik a nagyfrekvenciás rezgőkör, gerjesztő áramkör, mely taralmazza az akusztikai impedanicia illesztéshez szükséges tölcsért is. A berendezésbe nem építettem autómatikus fűtéskapcsolót, mert a mérések során más nem használta a berendezést. Nem láttam szükségét, fölösleges hibaforrásnak tituláltam. Mindazonáltal, hogy a plazmaláng csak hosszas fűtést követően alakul ki önmagától, rendszeresítettem egy szigetelt „ívelőhúzó” pálcát. Nehéz volt olyan csúcsot kialakítani, amelyen a számításokat is igazolva a legkisebb átmérőjű pontban alakul ki a korona kisülés. A fémcsavarból és volfrámmagból összetevődő csúcsnak vannak egyéb keskeny területei is, ahol nagy a gradiens. A készülék házának hátsó oldalán található két kapcsoló, az elején pedig két potméter. Az egyik kapcsoló az elektroncsövek fútését, a másik pedig az anódfeszültséget kapcsolja be. A helyes bekapcsolási sorrend magától érthetődően, először a fűtés kapcsoló majd az anódfeszültség. Az elektroncsövek fűtésére körülbelül fél perc elegendő, ha elősegítjük a plazma kialakulását. Viszont, ha egy másfél percig fűtjük a csöveket, akkor önmagától is kialakul. A potenciométerek a hangerőt és DC jelszintet, magyarán a plazma méretét állítja. Kezdetben a fűtés után maximális DC jelszintet kell állítani, hogy a korona kisülés minél könnyebben létrejöjjön. A hangerőszabályzó 0 dBU–ig szabélyoz. A készülékház bal oldalán látható a két bemenet. A sztereo RCA csatlakozó az aktív bemenet, míg a jack csatlakozó a passzív üzemhez használható. A passzív üzemnél a hangerőszabélyzó nem játszik szerepet, azt a jelforrással, teljesítményerősítővel kell szabályzoni. Gyakorta előfordul, hogy a plazmaláng a csúcs vízszintes elhelyezkedése miatt „fölkúszik” a vezetőn, s a tölcsér körül lévő visszacsatoló ág felé igyekszik ívet húzni. Ez nem történhet meg az üveg vastagságából kifolyólag. Valamint a tölcsér is le van zárva egy agyag fedéllel. Ekkor megoldást jelenthet az ívterelő pálca használata, vagy esetleg a DC jelszint csökkentése, majd növelése. Ekkor megint a legnagyobb gradiensű pontnál alakul majd ki a korona kisülés, mely jelen esetben a volfrám hegy. Fontos megemlíteni, hogy a szerkezet nem tökéletesen biztonságos érintésvédelmileg. Mind az elektroncső és plazmaláng által keltett hő, mind a nagyfeszültségű részek sérülést okozhatnak. Ebben az áramkörben kizárólag a tápegység és előerősítő dobozaokozhat halálos kimenetelű sérülést, mert a nagyfeszültségű résznél az áramerősség minimális, pár század amper. Tehát mindösszesen égési sérülést okozhat a korona. Tapasztalatokból leszűrve, csakis a csúcs közvetlen érintése veszélyes, mert ha az emberi test közelít a plazmalánghoz, olyan mértékben leárnyékolja azt, hogy 2 cm–en belül a korona kialszik. Ezért is problémás például a Faraday kalitkát pontosan méretezni az áramkör köré, hisz az is föld
40
potenciálon van, s szintén árnyékol. A két részegységet nem lehet különválasztani, mert ritka az ilyen magasfeszültségű biztonságos csatlakozó. Egy fémhálós burkolat fedi a kettőt összekötő kábeleket. Mivel ez csak egy kezdetleges prototípus, így az illesztések is némiképp gyengék. A mérések során megállták a helyüket, valamint a hangszóró huzamosabb ideig is képes volt üzemelni. A csúcs nem oxidálódik gyorsan, valamint a hűtés is megfelelő az elektroncsövek számára.
5.2.2 A mérőrendszer összeállítása
A mérőrendszer helyes összeállítása a következő. A plazmahangszórót el kell helyezni a süket- vagy félsüketszoba közepére. Érdemes alátámasztani a hozzá készített lábazattal, mivel hengeres alakú, s könnyedén elgurul. A plazmahangszóró hálózati feszültségről üzemel (230 V +/-10%), nem kritikus. Ezért a tápellátást sajnos biztosítani kell, a hagyományos hangszórókkal ellentétben. A mérőrendszer olyan külső adatgyűjtő kártyához íródott, melynek nincs kimenete. Ezért szükséges egy függvénygenerátor, mely a megfelelő jelszintű fehérzajt generálja. A hangszóró aktív bemenetét használjuk, mert nagyobb hatásfokkal üzemel, mint ha passzív bemenetét alkalmaznánk. Egy sztereo RCA csatlakozóval csatlakozhatunk, de mivel a hangszóró monó, így a két bemenet párhuzamosítva van. Tehát bármelyiket használhatjuk. A hangerőszabályzót lehetőség szerint a minimálisra kell állítani. A bemenetre maximum 2 Vpp jelet köthetünk, ezen jelszint fölött torzítás láp föl. Egyes frekvencia összetevők, például alacsonyabbak miatt akár kisebb jelszintnél is tapasztalhatunk torzítást, hiába van bemeneti szűrő az előerősítőben.A fehérzajt nem csak a hangszóróra kössük rá, hanem a mérőkártya 0–ás bemenetére is. Ez lesz az alapjel, amire a válasz érkezik a mérőszoftverben. A hangszórótól egy méterre helyezzünk el egy mikrofont, pontosan szembe azzal. Én kondenzátor mikorfont használtam, fantomtápos előerősítővel. Százszoros erősítést alkalmazva az egyes, kettes vagy hármas bemenetre kössük a mikorfon jelét. Ezzel össze is állt a mérőrendszer, melyet könnyedén módosíthatunk iránykarakterisztika méréssé. Az összeköttetések nem változnak, kivéve az elrendezés. A hangszóró körül jelöljünk ki egy kört, melyen mérni fogjuk az amplitúdó karakterisztikákat. Ezt saját döntés szerint fölosztjuk annyi fokonként amilyen pontosságra szükségünk van. Esetemben ez öt fok volt. A mérőszoftver használata egyszerű, hisz ez volt a cél. A sebességét a minták száma határozza meg. Érdemes végiggondolni, hogy ha nincs szükségünk magasabb frekvencián való mérésre, akkor a mintavételi frekvencia, valamint a minták száma is csökkenthető. E mellett akkor átlagolhatunk többet, hogy az átvitel még kevésbé legyen zajos. A szoftveren először a bemeneteket kell kiválasztani. Általában elegendő kettőt kiválasztani, egy a forrás, másik a vett jel. Ezzel gyorsabb lesz a mérés is, és nem lesznek fölös információk. ha több mikrofont szeretném kihasználni, akkor egyszerűen több bemenetet választunk. A következő beállítási lehetőség a mintavételi frekvencia és a minták száma. Lehetőség van a frekvencia válasz módját és az ablakozás típusát is megválasztani. Az átlagolásnál több beállítás is van. A legfontosabbak az átlagolás száma és típusa. Mikor a mérőszoftver végzett a méréssel, vagyis az átlagolással elkészült, azt jelzi egy kis „lámpával/leddel”. Az utolsó beállítási lehetőség az lvm fájl nevének és sorszámának változtatására alkalmas. Ha iránykarakterisztikát mérünk, könnyen megadhatjuk az egyes eredményekhez a mérés szögét. A mérést a RUN gombal
41
indíthajuk. A szoftver autómatikusan leáll, ha a kívánt mérési feladatokat elvégezte. Minden egyes méréskor a RUN gomb lenyomása szükséges. A végeredményeket a beállított névvel *.lvm formátumban, előre meghatározott helyre menti. Érdemes odafigyelni a tárhely méretére, mert sok minta esetén a fájlok mérete akát több Megabyte–osak is lehetnek. A kapott eredményeket a Matlab matematikai programmal lehet földolgozni. Előre megírt lvm fájl olvasót lehet használni az adatok fölhasználására.
5.3 Az iránykarakterisztika mérési adatok feldolgozása Matlab környezetben
ir* = lvm_import('meres_*.lvm'); irany* = ir*.Segment2.data(:,2); Az adatok *.lvm fájlból való beolvasása, majd a szükséges oszlopok tömbbe írása. Ezt minden egyes fájlon meg kell csinálni, öt fokonként vannak adatok. F=*****; [min_elteres, tomb_pozicio] = min(abs(freq - F)); in=tomb_pozicio; A kívánt frekvencia megadása, majd az ahhoz legközelebbi frekvencia érték megkeresése. A kiválasztott frekvenciához tartozó index változóba írása. r=[irany0(in),irany5(in),irany10(in),irany15(in),irany20(in) ,irany25(in),irany30(in),irany35(in),……irany175(in),irany180 (in),irany175(in),irany170(in),irany165(in,……irany25(in),ira ny20(in),irany15(in),irany10(in),irany5(in)]; A kiválasztott indexhez tartozó egyes értékek sorvektorba írása, s a vektor szimmetrizálása. theta = linspace(0,2*pi,72); r = r-max(r) polar(theta,r+35); A kapott eredmény polár koordinátarendszerben való ábrázolás (pl.: 28.ábra). Az ábrán látszik a hosszanti tengelyre való tükrözés, melyet a tölcsér szimmetriája tett indokolttá, mellyel megkönnyítette a mérés menetét. A modellezett eredményeket is hasonló formában tárolva, ugyan abban a polár koordinátarendszerben össze.
ábrázolva
vetem majd
42
28. ábra A mért eredmények alapján ábrázolt egy iránykarakterisztika
5.4 A mérés menete
Először a szoftver tesztelése érdekében csak egy amplitúdó karakterisztikát vettem föl, melyhez több átlagolást használtam, számszerint 25–öt. Ezzel a zajt többé-kevésbé ki lehetett szűrni. A mérési elrendezés a következő volt. Egy félsüketszobában a plazmahangszórót a földön egy szivacs fölött elhelyeztem. A gerjesztés feladatát egy függvény generátor látja el. A hangszóró bemenetért 1,5 Vpp fehér zajt kapcsoltam. Egy kondenzátor mikrofont helyeztem el tőle 1 méterre pontosan nulla fokban. A kondenzátor mikrofon jelét egy előerősítővel felerősítettem. 100–szoros erősítést használtam, mert a mikrofon egy méteres távolságban alacsony jelet vett. Majd a kimenetét a külső DAQ egységbe kötöttem. A gerjesztő jel a külső adat gyűjtő egység nullás bemenetére volt bekötve. Ezt a programozáskor határoztam meg, hogy mely bemenetet legyen a gerjesztés alapesetben. Az összehasonlítás végett egy mély hangsugárzót is lemértem ezzel a szoftverrel. Az eredmények a következőek:
29. ábra Egy mélyhangsugárzó (fent) és a plazmahangszóró (lent) frekvencia átvitele Az eredményeken (29. ábra) jól látszik a plazmahangszóró bemenetén lévő felüláteresztő szűrő. 1 kHz–nél 40 dB/D–os levágás van. A plusz mínusz tíz decibeles ingadozás okát nem sikerült kitaláni. Ez már nem fogható fel a mérőrendszer hibájának. Az áramkör hibája okozhatja ezt a fajta átviteli karakterisztikát. A későbbiekben sikerült némiképp korrigálni a hibát, de nem oly mértékben, hogy az hasonlítson egy gyári hangsugárzó átviteli karakterisztikájára. Az alsóbb tartományok jól láthatóan 100 Hz alatt már azért ilyen zajosak, mert nincs elég minta. De ahogy már korábban említettem, az alacsony frekvenciák nem is fontosak a plazmahangszóró vizsgálatánál. Olyan rossz hatásfokkal, vagy egyáltalán nem tudja lesugározni az 500 Hz alatti frekvenciájú hangokat.
43
A második lépés az iránykarakterisztika mérése volt. A mérési elrendezés (30.ábra) nem különbözött az átviteli karakterisztika méréstől csupán annyiban, hogy a plazmahargszóró köré alkoholos filctollal rajzoltam egy kört. Pontosan a plazmaláng elhelyezthedésétől 1 méter sugárban. Ezt fölosztottam öt fokonként, majd bejelöltem a mikorfon elhelyezésének megkönnyítése érdekében. A mérést 36–szor elvégeztem 10 átlagolással. Ez már elegendő volt ahhoz, hogy a mért átviteli karakterisztikák jellegükben hasonlítsanak az elvárthoz. A mért eredményeket Matlab–ban dolgoztam föl, és ábrázoltam. Ezeket a mérési eredményket igyekeztem összehasonlítani a modellezett ideálissal. A méréssel és a modellezéssel a célom, a tölcsér karakterisztikájának összehasonlítása volt. Nem tudom ezen mérések felhasználásával azt igazolni, hogy egy
30. ábra A mérési összeállítás ideális pontforrás a plazmaláng, mert ahhoz nem elég részletes a modell. Túl sok környezeti változó befolyásolhatja a mért és modellezett eredmények eltérését. Akkor beszélhetünk, ideális pontforrásról, ha a lesugározható frekvencia hullámhossza sokkal nagyobb, mint a forrás kiterjedése. De ennek bebizonyítására újabb módszert és mérési összeállításokat kellene készíteni. Zavaró tényezőként jeletkezhet a mérésben, hogy a plazmahangszóró geometriája, fizikai tulajdonságai befolyásolják a hang útját. Például az oldalsó palást nem tökéletes merev lezárás, hanem rácsos szerkezetű, így a hang behatolhat a falon belülre, és onnan a tölcsérről, valamint az alkatrészekről visszaverődhet. Ezt bonyolult lett volna modellezni, ezért ideálisnak feltételeztem. A mérésben úgy próbáltam ezt a problémát korrigálni, hogy a palástot lefedtem szivaccsal, annak kockázatát vállalva. Hiszen az elektroncső, amely a nagyferkevenciás áramkör legfőbb alkotóeleme, hűtést igényel. Ha a szerkezet nincs lefedve, és szabadon szellőzhet, akkor is fölmelegedhet a fémrács akár 50–60ºC melegre. A modellezéskor tehát a hangszóró palástját tömörnek vettem, nem pedig rácsos szerkezetűnek, hogy egyszerűbb
44
legyen a modell. Tehát a rácsot lefedve mértem az iránykarakterisztikát. Az oldalsó először zajnak vélt kiugrásokat némiképp sikerült visszább szorítani. Ezeket az mérési adatokat használtam föl a végső összehasonlításhoz. A mérések során általában szükségem volt egy segédre, mert a mikrofont minden egyes mérésnél át kellett helyezni és pontos beállítást igeényelt. Míg én a mérő szoftvert kezeltem, egy kollégám segédkezett a mikorfon elhelyezésében. A második mérés, összeállítással együtt és végigméréssel, két és fél órát vett igénybe. Ennek oka főként az átlagolás miatti várakozások. A mérés meggyorsítása érdekében úgy döntöttem, nem mértem teljes egészében körbe a plazmahangszórót, csupán 180 fokban. Feltételezve a tölcsér szimmetriáját. A Matlab–ban az eredményket tükrözve ábrázoltam, így meggyorsítva, pontosítva az eredményes mérést.
45
6. Modellezés A modellezést a Matlab matematikai programban végeztem. Konzulensem, Fiala Péter által írt Toolbox–ot használtam, melyel könnyedén lehetett modellt alkotni. A Nihu toolbox nem más többek között, mint egy peremelem modszert is használó, a modellalkotást megkönnyítő alkalmazás. Nagyon nagy könnyebséget jelentett számomra, hogy használhattam ezt az igen hasznos toolboxot, mert különben a munkám túlnőtt volna rajtam, és az időmön, ha a nulláról kelllet volna indulnom. Ez úton is szeretnék köszönetet mondani ezért Fiala Péternek a segítségért.
6.1
A peremelem módszer
[15] Az akusztikai modellezéskor Matlab környezetben a Nihu toolbox–ot használtam. Ez a toolbox az akusztikai térszámítás alapvető feladatát képes ellátni. A feladat a következő. Adott V térfogaton belül elhelyezkedő bármely y pontba lesugárzott hangnyomást akarjuk meghatározni, úgy hogy a felület minden x pontján vagy a p(x) hangnyomást, vagy a vn(x) normális irányú részecskesebességet ismerjük. A V térfogat lehet zárt vagy végtelen, ettől függően beszélünk beltéri és kültéri problémáról. A kültéri probléma származtatható a beltériből. A hangtér első alapegyenletéből kiindulva, alkalmazva a Greentételt, kifejezhető egy integrál egyenlet mely szerint, ha ismert a hangnyomás és részecskesebesség normális irányú sebessége V térfogaton belül az S határoló felület minden pontjában, akkor a felületi integrál kiértékelésével meghatározható egy adott frekvencián a V térfogat bármely pontjában lesugárzott hangnyomás. Ezt az integrál egyenletet diszkretizáljuk, majd megoldjuk numerikus integálással. Ezeket a lépéseket a toolbox automatikusan elvégzi, a peremelem módszer elméleti hátterét ismerve könnyedén alkalmazható volt számomra egy egyszerűbb probléma megoldására. A peremelem módszer alkalmazásakor tulajdonképpen Helmholtz-egyenleteket oldunk meg egy adott frekvenciána integrál egyenlet segítségével. Ez ami diszkretizálás után lényegében vevőpontonként egy-egy lineáris kombinációhoz vezet, melyben a hangsugárzók felületén felvett összes integrálási pont részt vesz. Gráfelméletileg ez azt jelenti, hogy minden forráspont és minden vevőpont között közvetlen kapcsolat van, vagyis ha a hang 32. ábra Szimulációs eredmény (1400 Hz)
46
energia áramlását tekintjük, akkor úgyis mondhatjuk, hogy közvetlen átvitel van minden forráspontból minden vevőpontba. Már ezen egyszerű példa segítségével is belátható, hogy ez a struktúra rengeteg kapcsolat kiértékelését igényli, ideértve a távolságok, illetve a Green-függvények kiszámítását. Ez az oka annak, hogy a nagy számításigény miatt a számítógép hardver teljesítménye behatárolja a modellezhető maximális frekvenciát. Esetemben ez 7500 Hz volt, 64 bites rendszerben 4 Gbyte rendszermemóriával. Az így kapott eredménykre is olykor két-három órát kellett várni, míg a számítógép számolt. Ennek oka a modell részletezettségének szüksége, minden különböző frekvencián. Adott vizsgálati frekvenicához minden esetben meg kell vizsgálni, olykor újra generálni a modellt, ha az adott frekvenciához tartozó hullámhosszal hetedénél nagyobb a legnagyobb elem hossza. A későbbiekben a multipólus módszert használva felgyorsíthattam a számolást, és 20000 Hz–es frekvenciáig tudtam modellezett eredményeket generálni. ezzel a plazmahangszóró teljes működési tartományát le tudtam fedni. A multipólus módszert nem célom részletesen tárgyalni, hisz nem ez a diplomám témája. Számomra az alkalmazhatóság nagymértékű előre lépest jelentett, és ezen eljárások kiértékelését, leírását már korábban megtették nagy hatékonysággal előttem. A multipólusos peremelem módszer akkor tud hatékony lenni, ha az átviteli út szakaszokra bontását nem a lineáris kombináció paraméterében szereplő minden egyes Green-függvényérték kiértékeléséhez használjuk, hanem egyből a teljes lineáris kombináció elvégzésére. Ekkor viszont a lineáris egyenletrendszerben a konkrét mátrixok helyett csak a mátrix vektor szorzatok állnak elő, így nem tudjuk elvégezni az egyenletrendszer ún. direkt megoldásához szükséges mátrixinvertálást, ezért a hiányzó peremfeltételeket iteratív módon kell meghatározni. Viszont ezen eljárás nagymértékű számítási sebességnövekedést biztosított, és a rendelkezésemre álló hardver is elegendőnek bizonyul. A következőkben a modell (34. ábra) alkotását tárgyalom. Hogyan alakítottam ki a tölcsért, valamint magát a hangszóró hengeres testét. Milyen megkötéseket tettem a lezáró részekre, hogyan és milyen módon próbáltam modellezni a hangforrást.
6.2
A modellalkotás
A modellezés menete nehézkes volt, mert egy random paraméterekkel gyártott tölcsér lemérése, annak pontos „digitalizálása” nehézkes. Az tölcsér ívének paraméteres fölírása és anyagvastagság megadása hosszadalmas folyatnak bizonyult. Négy különálló részből tevődik össze a modell. A Nihu toolbox-ban a legideálisabb tölcséralkotás menete a következőképpen zajlott. Alapvető funkciókat kihasználva úgy zajlik egy forgástest, jelen esetben a tölcsér háromdimenziós rajzolása, hogy egy vonalat leképezek a térben, majd azt egy pont körül megforgatom. A fizikai paramétereit lemérve, csak két exponenciális vonal összeillesztésével sikerült azt az ívet megrajzolni, mely 33. ábra A tölcsér modellje
47
jellemzi a meredekségét a tölcsérnek (33.ábra). A kódot úgy írtam meg, hogy egy paraméterrel, most az F változóval lehessen változtatni a modell elem, a mesh–ek méretén. Ezzel körülbelül be lehet határolni, hogy mi az a frekvencia, amin még lehet vizsgálni a modellt. A megalkotott exponenciális ívek pontjait, úgy kellett elhelyezni, hogy a forgatáskor keletkezett elemek méretei közel azonosak legyenek. Tehát a tölcsér belsejénél elhelyezkedő pontok egymástól jóval távolabb legyenek, mint a külsején. Ezáltal nem csak a meredeksége van exponenciálisan meghatározva, hanem az ívek pontszámai, melyek alkotják azt. Miután a két exponenciális ív egyesítéséből megalkottam a tölcsér körülbelüli meredekségét, az egyesített vonalat megpörgettem egy pont körül, megadott értékkel. Ezáltal létrejött a tölcsér akusztikai modellje. Miután a tölcsér leképezése megtörtént, a következő feladat a lezárás volt. Valójában a tölcsér végét egy agyag végzáró alkotja. Ezt egy sík körlappal modelleztem. Mikor a tölcsért és a végzárót egyesítettem, az alumínium burkolatot kellett reprezentálni. Ez nem más, mint egy a tölcsér külső sugarával azonos sugarú palást. Mely hasonlóképpen készült, mint a tölcsér maga. Egy egyenes vonalat a méreteknek megfelelően megpörgettem a középpont körül, adott elemszámmal. Ezáltal létrejött a palást, melyet már csak le kellett zárni egy újabb körlappal. A végeredmény a plazmahangszóró akusztikai modellje. Hogy minél kevesebb ponttal kelljen számolni, a nihu beépített parancsával a feleslegeseket kiszűrtem, természetesen csak az egyes forgástestek egyesítése után. Arra kellett törekedni, hogy például a palást végpontjai illeszkedjenek a tölcsér végpontjaira, hogy ne legyen elcsúszás. Ezt könnyedén el lehetett érni azzal, hogy azonos fokszámmal pörgettem meg mindegyik vonalat. Ez tette könnyűvé az egy paraméterrel való 34. ábra A plazmahangszóró kész akusztikai változtatást. Mindegyik érték, valahogy modellje arányosan összefügg az F paraméterrel. A modellezést követően könnyedén meg lehetett határozni az egyes elemek méretéből fakadó maximális vizsgálati frekvenciát. A peremelem módszernél szükség van egy mezőre, egy ponthalmazra, melyre a modellünkről sugárzunk. Tulajdonképpen ezen a „field” –en, mezőn határozzuk meg a hangnyomásszintet. Számomra egy olyan mezőre volt szükség, mely egység méretű, magyarán egy pontból áll, és ezt megpörgetve 360 fokban egy pont körül, öt fokonként egy elemszámot tartalmaz. Ez egy körívet alkot, mely öt fokonként tartalmaz elemet. Ez azért volt így szükséges, mert a mérés folyamán szintén ilyen gyakorisággal volt mintám a hangnyomásról. A cél az összehasonlítás volt. A modell elemszáma egy F változóval van kapcsolatban. Az F paraméter határozza meg, mekkora frekvencián vizsgálhatjuk maximálisan a modellünket. Ezt a legnagyobb elem szabja meg. Ebből tudtam meghatározni, hogy mekkora frekvencián végezhetünk számításokat az éppen aktuálisan generált plazmahangszóró modellen. Komoly különbségek mutatkoztak az elemszámban a frekvencia változásával. 2442 Hz–nél az elemszám mindösszesen 896. Míg a 20712 Hz–en vizsgált modellnek 87210 elemszáma van. Ez az oka, amiért a számítások, még egy nagyteljesítményű, nagykapacitású memóriával rendelkező számítógépnek is hosszú időt vesz igénybe.
48
35. ábra Szimulációs eredmény szemléltetése négyzetes lesugárzási felületen A modellben a hangforrást egy pontforrás testesítette meg. Pont erre volt szükségem, hogy egy ideális pontforrással hasonlíthassam össze a plazmalángot. Ez volt egy járható út, mely könnyen áttekinthető eredmény kiértékelést tett lehetővé. Az idealizmusát a plazmalángnak nem tudtam tökéletesen igazolni, csak megközelítő mérést és számítást tudtam végezni. Túl nagy bonyolultságú modellre lenne ahhoz szükségem.
6.3
Az eredmények összevetése
A végső eredményeket úgy szimuláltam le, hogy a mező azonos pontszámot tartalmazzon, mint a mérés során előálló adatok. Ez szám szerint 72 érték. Ezekkel az eredményekkel már könnyedén össze tudtam vetni a mért eredményt. Közös polár koordinátarendszeren ábrázolva azonosan skálázva a hasonlóságot, vagy olykor az eltérést könnyedén észre lehetett venni. A programkód hasonlóan néz ki, mint az előzőekben, kiegészítve a szimulált adatokkal. F=8480; [min_elteres, tomb_pozicio] = min(abs(freq - F)); in=tomb_pozicio; r=[irany0(in),irany5(in),irany10(in),irany15(in),irany20(in),irany 25(in),irany30(in)… … irany10(in),irany5(in)]; theta = linspace(0,2*pi,72); theta2 = linspace(-pi/2,3*pi/2,74); r_mert = r; r_modell = r_polar;
A szükséges frekvencia kiválasztása, majd az megfelelő indexű értékek sorvektorba íratása. A mért és modellezett adatok tömbe írása. figure(1); x = polar(theta,r_mert-max(r_mert)+60); set(x,'Color','red','LineWidth',2);
49
text(0,5,'\leftarrow mérés',... 'HorizontalAlignment','left', 'BackgroundColor',[1 0 0]); hold on; y = polar(theta2,(r_modell)'-max((r_modell)')+60); set(y,'Color','blue','LineWidth',2); text(0,-5,'\leftarrow modellezés',... 'HorizontalAlignment','left', 'BackgroundColor',[0 0 1]); text(-5,-35,'8480 Hz',... ’HorizontalAlignment','left', 'BackgroundColor',[0 1 0]);
A két adattömb 0 fokos értékét egy pontba állítva, azonos decibel skálára helyeztem. A piros színnel jelölt iránykarakterisztika a mért eredményeket ábrázolja, míg a kékkel a szimuláltakat reprezentálom (36.ábra).
36. ábra A mért és modellezett eredmények összevetése (16000 Hz)
50
6.4 A szimuláció eredményeinek összehasonlítása a mérési eredményekkel
Az eredmények összehasonlításakor csak néhány frekvencián való vizsgálódást emelnék ki. Melyeken jó összehasonlítást lehet végezni, és le lehet vonni a konklúziókat. A szimulációs eredmények a már említett kék színnel ábrázolt. A mért eredmények pedig pirossal. 2000 Hz–nél (37.ábra) alakjában, jellegében hasonlóság lelhető fel. A mérési zavarok, zajok okozhatják a csipkés mintázatot. 60 fokos szögig a lesugárzás szinte tökéletesen azonos. 1-2 dB különbséggel. A 180 fokos szögnél az eltérések valószínűleg a mérőrendszer hibájából származnak. Zavart okozhatott a tápegység doboza, a nem megfelelő mikrofonelhelyezés, 37. ábra A 2000 Hz-en mért és szimulált eredmények összevetése
vagy szimplán mérési hiba. Ezen eredmények összehasonlítása pozitívnak mondható. A hasonlóság szembetűnő. 5000 Hz–nél (38.ábra) a szimuláció eredményei sokkal egységesebb, mint a mérté, hiába volt lefedve a palást rácsos része, mégis a reflexiók megjelentek. Ez fakadhat a fedőanyag akusztikai tulajdonságaiból. De akár mérési hiba is feltételezhető. Ez a mérés kilóg a sorból. Igyekeztem a nagymértékben eltérő eredményeket is bemutatni.
38. ábra A 5000 Hz -en mért és szimulált eredmények összevetése
51
A magasabb frekvenciákon vizsgálódva (20712 Hz) (39.ábra) az iránykarakterisztika beszűkül, oldal irányban kevésbé sugároz. Ezen a frekvencián a jelleg megegyezik, és az oldalsó tüskék, azonos pozíciói is felismerhetők. 180 foknál a zavar, vagy mérési pontatlanság ismételten jelentkezik. A 12 és 240 foknál jelentkező reflexiók, mind a mért, mind a modellezett eredményeken megjelennek. Az összehasonlításkor látszik, hogy érdemes lett volna többször átlagolni, hogy még egységesebb, egyenletes eredményt kapjunk. A függelékben megtalálhatók körülbelül 1000 Hz–es lépésközzel 39. ábra A 20712 Hz -en mért és szimulált eredmények összevetése az összevetett eredmények. Azt feltételezem, hogy a fémház egyenetlenségéből fakadhatnak a szokatlan reflexiók. A hengeres doboz szélei erősen inhomogének, a gyártáskor nem állt rendelkezésemre présgép. Ezért szögletes, néhol hiányos és egyeletlen a perem. Érdemes megvizsgálni a 12250 Hz–es (40. ábra) frekvencián az adatok értékelését. A mért eredmények egy szép többnyire egyenletes iránykarakterisztikát mutatnak. Ellenben a modellezettekkel, ahol elsőre megmagyarázhatatlan formát öltenek az összesített eredmények. Az ideális fémház következtében alakulhatnak ki ilyen erőteljes reflexiók. Az ideálisnak vett sík alapok, és palástok pedig lehetnek a 90, 270 valamint 180 fokos reflexiók okozói. 40. ábra A 12250 Hz -en mért és szimulált eredmények összevetése Végső soron meg kell, hogy állapítsam, hogy az összehasonlítás nagyon messze áll a tökéletestől. Önmagukban helytálló a mérés menete és kivitelezése, valamint a modellezés is. De a kettőt nehéz úgy összevetni, hogy ne legyenek nagymértékben eltérő eredmények. Hasonlóság föllehető, sőt némely vizsgálati frekvencián majdhogynem tökéletes az átfedés. De több az az eredmény ahol eltérések mutatkoznak. Az eredeti célom az lett volna, hogy a plazmaláng idealítását vizsgáljam meg. De konzulensem fölvilágosított arról, hogy ennek megvalósítása mérhetetlenül bonyolult. A mérést többszöri ismétlések után, a legmegfelelőbb adatokat kiválasztva lehetne ilyen szinten fölhasználni. A modellezésben pedig olyan mértékű részletességre lenne szükség, melynél nem csak a hardver, hanem a szoftver hátrányai is megmutatkoznának.
52
7. Összegzés A feladatom a plazmahangszórók megismerése volt. A félévek során sikerült betekintést nyerni a hardver és szoftverfejlesztésbe, az akusztikai modellezésbe valamint a méréstechnika világába. A már több éves érdeklődésemből sikerült kézzelfogható eredményeket elérni a plazmahangszóró fejlesztésben és annak megismerésében. Alaposan utána néztem a plazmahangszóró fejlődésének, a manapság fellelhető berendezéseknek és azok piacképességének. Számításokkal segítettem elő a hardverfejlesztésemet. A plazmát, mint halmazállapotot megismerve – fizikai hátterét tanulmányozva – , sikerült kiválasztani a számomra fontos tulajdonságait, melyek egy nem szokványos hangszóró működésében előnyt jelenthetnek. Sikerült egy stabil üzemű és mérhető plazmahangszórót fejleszteni. A fejlesztés során több nagyfeszültségű plazmagerjesztő áramkört és modulációs megoldást is kipróbálva, meghatároztam azon tulajdonságait egy plazmahangszóró áramkörének, melyek – véleményem szerint – a legmegfelelőek. Ezen irányelvek alapján készítettem el a végső prototípust. National Instruments Labview környezetében készítettem egy könnyen kezelhető mérő szoftvert, melyel könnyedén megmérhettem a plazmahangszóró átviteli és iránykarakterisztikáját. Az iránykarakterisztika mérés eredményeit fölhasználva a tölcsér tulajdonságait tudtam vizsgálni. Hogy összevethessem egy közel ideális lesugrázással, a plazmahangszóróról nagyvonalú modellt készítettem Matlab környezetben, és peremelem módszert alkalmazó toolbox–szal szimuláltam a lesugárzást. A mért és modellezett iránykarakterisztika eredményeket összevetve megállapítottam, hogy – bár ez nem elegendő részletességű modellezés – közelít a plazmaláng az ideális pontforráshoz. A hangszórót érdemes lenne tovább fejleszteni, a hatásfokának növelése érdekében. Szimuláció után, újabb tölcsérekkel méréseket végezni. És a modellt kellőképpen részletezni, hogy valóban igazolást nyerhessünk, az ideális pontforrás létezéséről.
53
8. Köszönetnyilvánítás Szeretnék köszönetet mondani a tanszéki konzulensemnek, Dr. Fiala Péternek mind az önálló laboratóriumi munkámban, mind a diplomatervezésben nyújtott segítségéért. A támogatása nélkül nem tudtam volna ezen témai iránti rajongásomnak teret adni, és egy kézzel fogható eredményét nyújtani a sok-sok éves érdeklődésemnek. Bármikor számíthattam szakmai felkészültségére és türelmére. Nélküle ezen diplomaterv nem jöhetett volna létre. Végül, de nem utolsó sorban szeretném köszönetemet kinyilvánítani a hozzám közel álló embereknek, hisz az önzetlen támogatásuk nélkül, nem lehetnék a diplomás emberek világának kapujában.
54
9. Irodalomjegyzék [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]
dr. Györök György: Kísérleti magashang-sugárzó plazma-hangszóró. (Gépgyártástechnológia 1999. október 10. 170-175 oldal, HU ISSN 0016-8580) Roger Russell: About the Ionophone Loudspeaker http://www.obsolete.com/120_years/machines/arc/index.html, 2010. május http://www.ionovac.com/dshistory1.htm, 2010. május http://www.vintageaudio.com.au/other%20audio/Magnat/Magnat-MP-02.htm, 2010. május http://www.plasmatweeter.de, 2010. május http://www.acapella.de/en/hornspeakers/ionic_tweeter.php, 2010. május http://www.ece.villanova.edu/ion/p61.html, 2010. május Peek, F.W., Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering, McGraw-Hill Richard Fitzpatrick, The Physics of Plasmas http://vili.pmmf.hu/jegyzet/elektrom/, 2010. május High Voltage Engineering, Fundamentals, 2nd ed., E. Kuffel, W.S. Zaengl, J. Kuffe, 2000 http://www.richieburnett.co.uk/hfsstc.html, 2010. május http://users.skynet.be/BillsPage/PLLTesla/PLLTeslaPage.html, 2010. május Fiala Péter, Az akusztikai peremelem módszer, 2007 Mozsolics Tamás, Diplomaterv: Az akusztikai peremelem módszer gyorsítási lehetőségeinek vizsgálata, 2005
55
10. Mellékletek 1. számú melléklet: A modell rajzolása, létrehozása Matlab környezetben Nihu toolbox–szal. %% Tölcsér rajzolása clear all; freq = 5000; megválasztá
%%Vizsgálati frekvencia
lambda = 340 / freq; o = lambda / 6; meghatározása
%%Az elem oldalhosszának
L1 = 9.7; L2 = 2.6; N1 = ceil(L1/o); N2 = ceil(L2/o); LL1 = logspace(0,1.029383,N1/6); LL2 = logspace(0,0.556302,N2/3); Lin1 = create_line(LL1); Lin2 = create_line(LL2);
%%Első vonal %%Második vonal
Lin1 = rotate_mesh(Lin1, [0 0 0], [1 0 0], pi); Lin2 = rotate_mesh(Lin2, [0 0 0], [1 0 0], pi); Lin1 = translate_mesh(Lin1,[-1 0 0]); Lin2 = translate_mesh(Lin2,[-1 0 0]); a = .107; b = 0.62; x1 = Lin1.Nodes(:,2); transzformálása y1 = exp(x1*a); Lin1.Nodes(:,3) = y1;
%%Első vonal
x2 = Lin2.Nodes(:,2); transzformálása y2 = exp(x2*b); Lin2.Nodes(:,3) = y2;
%%Második vonal
Lin1 = translate_mesh(Lin1, [0 -1 0]); Lin2 = translate_mesh(Lin2, [0 -1 0]); Lin2 = translate_mesh(Lin2, [9.7 1.8233 0]);
iv = join_meshes(Lin1,Lin2); n1 = (freq/50); base = [0 -1.2 0]; dir = [1 0 0];
%%Ivek egyesitese
% base of rotation vector % direction of rotation vector
56
dphi nPhi Horn Horn
= = = =
pi/n1; % amount of a rotation segment 2*n1; % number of repetitions revolve_mesh(iv, base, dir, dphi, nPhi); translate_mesh(Horn, [0 1.2 0]);
%%plot_mesh(Horn); view(3); shading interp; %%l = light('position',[1,1,1]); %%lighting phong %% A Hengerpalást rajzolása n2 = freq/50; dphip = pi/n2; nPhip = 2*n2; P1 =[19.7 0 0;0 0 0]; Np1 = ceil(norm(diff(P1,[],1))/(2*lambda)); Linp = create_line(P1,Np1); Linp = translate_mesh(Linp, [-7.4 7.0361 0]); Palast = revolve_mesh(Linp, [0 0 0], dir, dphip, nPhip); %% Körlapok rajzolása R1 = 1.2; nR1 = n1/2; Korlap1 = create_circle(R1, nR1); Korlap1 = rotate_mesh(Korlap1, [0 0 0], [0 1 0], pi/2); R2 = 7.0361; nR2 = n2/2; Korlap2 = create_circle(R2, nR2); Korlap2 = rotate_mesh(Korlap2, [0 0 0], [0 1 0], -pi/2); Korlap2 = translate_mesh(Korlap2, [-7.4 0 0]);
%% Egyesités plazma_modell = join_meshes(Palast,Horn,Korlap1,Korlap2); plazma_modell = merge_coincident_nodes(plazma_modell); plazma_modell = drop_unused_nodes(plazma_modell); %%field = create_line([10 -9 0;10 -15 0], nR1); %%field = revolve_mesh(field, [10 0 0], [0 0 1], pi/3/nR1, 3*nR1); field = create_line([0 -70 0;0 -70 0], 1); field = revolve_mesh(field, [0 0 0], [0 0 1], pi/18, 36); field = drop_unused_nodes(field); save plazma_work/plazma_modell.mat plazma_modell field; figure; plot_mesh(plazma_modell); view(3); %%plot_mesh(field); view(3);
57
2. számú melléklet: A peremelem módszerrel való számítás programkódja ratio = 7; kmax_elem = bemkmax(plazma_modell, ratio); figure; plot_mesh(plazma_modell, kmax_elem); view(3); c = colorbar; ylabel(c, 'k_{max} [1/m]'); %% kmax = min(kmax_elem); k = .9*kmax field = create_line([10 -9 0;10 -15 0], nR1); field = revolve_mesh(field, [10 0 0], [0 0 1], pi/5/nR1, 5*nR1); figure; plot_mesh(plazma_modell); plot_mesh(field); view(3); %% r0 = [0 0 1];
% point coordinates
[center, normal] = centnorm(plazma_modell); [psi, qsi] = incident('point', dir, center, normal, k); points = field.Nodes(:,2:4); % extract field points (vertices) pfi = incident('plane', dir, points, [], k); figure; plot_mesh(field, real(pfi)); shading interp; plot_mesh(plazma_modell, real(psi)); c = colorbar; ylabel(c, 'Real incident pressure'); view(3); %% [H, G] = bemHG(plazma_modell, k, 'const'); % Generate BEM matrices qss = -qsi; % Boundary cond. at a rigid boundary pss = H \ (G * qss); % solve the system %% [H, G] = bemHG(plazma_modell, k, 'const', points); pfs = (H * pss - G * qss) / (4*pi); %% pst = psi + pss; pft = pfi + pfs; figure; plot_mesh(field, 20*log10(abs(pft))); shading interp; plot_mesh(plazma_modell, 20*log10(abs(pst))); c = colorbar; ylabel(c, 'Pressure magnitude [dB]'); view(3); r_polar = 20*log10(abs(pft));
58
3. számú melléklet: Multipólus módszerrel való számítás programkódja clear; clc; %% %%load f:/Egyetem/Diplomamunka/plazma_work_folder/plazma_modell.mat plazma_modell field; load plazma_modell plazma_modell field; mesh = plazma_modell; clear plazma_modell; symm = 0; %% Frequency range (only one frequency in this example) kvec = min(bemkmax(mesh, 8)); %% working directory workdir = 'f:/Egyetem/Diplomamunka/plazma_work_folder'; mkdir(workdir); mkdir(fullfile(workdir, 'data')); %% Source parameters src_type = 'point'; %%dir = [0 0 1]; r0 = [1 0 0]; q0 = 1; %% Cluster tree for surface integrals kdmin = 1; % minimal dimensionless cluster size at leaf level % Multipole expansion parameters gauss = 3; % Gaussian quadrature for TRIA and QUAD elements C = 4; % Accuracy parameter related to the expansion length %% Solver parameters maxit = 500; % max. number of iterations tol = 1e-3; % prescribed backward relative tolerance % Save the variables save(fullfile(workdir , 'plazma.cmd.mat')); %% Run with the NIHU Manager nihu_manager(fullfile(workdir, 'plazma.cmd.mat')); %% postproc clear; workdir = 'f:/Egyetem/Diplomamunka/plazma_work_folder'; load(fullfile(workdir, 'data', 'solution_k001.mat'), 'pts', 'ptf'); load(fullfile(workdir, 'data', 'geometry.mat'), 'mesh', 'field'); figure; plot_mesh(field, 'node', 20*log10(abs(ptf))); shading interp; alpha .7; plot_mesh(mesh, 'elem', 20*log10(abs(pts))); set(get(gca, 'Children'), 'LineStyle', 'none'); m = mesh_section(mesh, [-Inf, -Inf, max(mesh.Nodes(:,4)-1e-3); +Inf, +Inf, +Inf]); plot_mesh(get_boundary(m)); view(3) l = light; lighting phong
59
axis off % view(-15, 45); c = colorbar; ylabel(c, 'dB'); r_polar = 20*log10(abs(ptf))
60
4. számú melléklet: A modellezett és mért eredmények összevetéséből született ábrák:
61
62
