Сегодня наиболее распространённым типом звуковых излучателей в акустических системах является динамический громкоговоритель. Несколько реже применяются изодинамические и ещё реже электростатические драйверы. Многие убеждены в том, что динамики, как тип громкоговорителя, исчерпали ресурс развития, и эволюция акустических систем должна идти по другому пути.
Известно, что электромеханический принцип воспроизведения звука далеко не безупречен, что связано с появлением паразитных призвуков, резонансов, искажений. При этом психоакустические исследования таких ученых как Флетчер, Линкдайер, Алдошина демонстрируют, что среднестатистический человеческий слух восприимчив к, казалось бы, незначительным изменениям громкости на (0,2 – 0,3 дБ), тембральной окраски, способен определять короткие задержки между сигналами (12 -15 мкс). По этой причине некоторое количество энтузиастов считает, что будущее звуковых излучателей, по крайней мере, ВЧ-драйверов за ионофонами.
На текущий момент плазменный излучатель (ионофон) остаётся экзотикой для немногочисленных аудиофилов, а также радиолюбителей, экспериментирующих с созданием твиттеров этого типа. В этом материале я познакомлю (тех, кто не знаком) с принципом работы таких излучателей, уделю внимание истории «поющих дуг», опишу достоинства и недостатки, расскажу о самостоятельных и серийных разработках ионофонов, а также поделюсь своими мыслями о перспективах массового применения таких излучателей в аудиоаппаратуре.
Принцип действия: когда мембрана становится лишней
Принцип действия ионофона следующий – источником звуковых волн является зазор между электродами, в котором возникает электрическая дуга при подаче переменного тока высокого напряжения (около 10 кВ – 15 кВ), с частотой около 20-30 МГц. При воспроизведении ток разряда модулируется аудиосигналом, за счет чего происходит изменение объёма ионизированного воздуха между электродами — формируются звуковые волны.
Выглядит это так
Фактически, ионофон создаёт звук подобно разряду молнии, только в отличие от последнего этот процесс можно контролировать.
Существуют два типа ионофонов, которые отличаются локализацией возникновения разрядов. Первый предполагает возникновение коронного разряда около одного электрона. Во втором дуга, формирующая звуковой волны, возникает между двумя электродами. Коронный тип распространён при промышленном производстве ионофонов, дуговой чаще используется в опытах энтузиастов и кустарном изготовлении. Для повышения эффективности звукового излучения, как правило, используется рупорное акустическое оформление излучателей.
Важная особенность ионофонов состоит в том, что они используются, чаще всего, для воспроизведения высокочастотного спектра. При воспроизведении средних и низких частот нужно увеличивать зазор между электродами, следовательно, ещё больше поднять напряжение.
Основательно забытая инновация 19-го века
В 1900 году британский физик и изобретатель Вильям Даддел (Дуддел) стал первым, кто продемонстрировал контролируемое извлечение звуков из электрической дуги. Даддел использовал фортепианную клавиатуру для управления питающим током. Изобретение получило громкое название «Поющая дуга», и сейчас признано, как один из первых прообразов синтезатора. Гаджет впечатлил современников физика, но не получил развития.
Специализированный звуковой излучатель на основе этого принципа в 1946-м году предложил Зигфрид Клейн. Он ограничил дугу, поместив её в небольшую кварцевую трубку, которая соединялась с рупором. Коронный разряд в излучателе Клейна создаётся между анодом, (находящимся в кварцевой трубке) и катодом (металлическим цилиндром), в который была помещена анодная трубка.
При подаче на электроды напряжения 10 кВ (с частотой 100 кГц), модулированного аудиосигналом, вокруг анода возникало облако ионизированного воздуха, которое при сжатии и расширении (в результате модуляции) формировало звуковую волну. Температура, возникавшая в области коронного разряда, достигала 1700 оС — это существенно снижало живучесть электродов. Для повышения практичности излучателей Клейн пытался использовать платину и другие металлы. Позже появился специальный сплав хрома, алюминия и железа, благодаря которому проблема термической устойчивости электродов была решена.Не меньшей проблемой ионофона Зигфрида Клейна был характерный свист, сопровождающий появление коронного разряда. Нежелательный звук был устранён многократным увеличением частоты генератора (до 20 МГц).
В течение второй половины прошлого века попытки серийного выпуска ионофонов были у таких компаний как Plessely, Telefunken, Magnat, Audax, Fane Acoustics. Наиболее успешными разработками, при создании ионофонов, считаются серийные твиттеры компаний Lansche Audio, Acapella и наших соотечественников Viger-Audio. В частности Lansche Audio запатентовали, применяемый ими коронный излучатель, который продаётся под коммерческим названием CORONA.
Достоинства и недостатки идеальных высоких
Принцип действия ионофона акустически привлекателен отсутствием подвижных частей и мембраны. Это позволяет избавиться от переходных искажений, проблем с резонансами и прочих неприятностей, характерных для электромеханических излучателей. Теоретически, ионофоны не должны искажать звук, а АЧХ этих излучателей абсолютна равномерна. Тесты ионофонов демонстрируют предельно низкий уровень искажений, недостижимый для других типов излучателей, а также способны воспроизводить высокие частоты далеко за пределами возможностей человеческого слуха (до 150 кГц).
При всей массе достоинств, ионофоны пока (а возможно и в дальнейшем) не получили широкого распространения. Причина в целом ряде недостатков устройств этого типа. Главной проблемой является безопасность драйверов, т.к. для создания дуги необходим ток высокого напряжения. Немаловажен термический фактор, температура ионизированного воздуха может достигать 2000 oC, что, в случае определённых видов брака и нарушений условий эксплуатации, может стать причиной пожара.
Ионизация воздуха в процессе работы излучателя с образованием озона чревата появлением головной боли, раздражением слизистой глаз и верхних дыхательных путей. При этом, вопреки расхожему мнению, озон не является главной проблемой, так как O3 неустойчив при высоких температурах и разлагается на О2 и атомарный кислород. В серийных устройствах для поглощения и расщепления озона применяются специальные керамические катализаторы.
Очень существенным недостатком является высокая себестоимость драйвера, для производства которого, помимо серьёзной технологической базы, необходимы достаточно дорогие сплавы и материалы.
Энтузиасты, приручающие плазму
Многочисленные радиолюбители и приверженцы DIY-разработок активно создают собственные ионофоны с 50-х годов 20-го века по сию пору. Эти смелые разработчики презирают опасности, связанные с токсичностью озона, поражением током высокого напряжения и прочими незавидными сложностями ионофоностроения. Например, советские конструкторы Е. Плоткин, Б. Каратеев и В. Прютц создали АС с ионофонами в качестве ВЧ-излучателей, которая получила первую премию на XVI Всесоюзной выставке творчества радиолюбителей.
You Tube наводнён видеоматериалами, в которых экспериментаторы делятся своими успехами.
Наиболее впечатлившее меня DIY-устройство, из увиденных в роликах об ионофона, создано пользователем с ником jmartis2.
В сети великое множество схем и описаний DIY-ионофонов, генераторы которых созданы на базе микросхем, кремниевых транзисторов и радиоламп. Некоторые радиолюбители выкладывают подробные руководства с эскизами разводки печатных плат, особенностями распайки и т.п. Многие радиолюбители создают ионофоны на базе микросхемы NE555.
Прилагаю оригинальную схему стерео ионофона, созданного на базе этой микросхемы.
Для создания такого устройства понадобятся:
1. Выпрямительную часть (диодный мост + электролитический конденсатор 3300мкФ 16В в качестве фильтра для сглаживания пульсаций)
2. Генераторную часть (две микросхемы NE555 + обвязка микросхем)
3. Повторитель типа push-pull на выходе микросхем для снижения нагрузки на них.
4. Коммутационная часть в виде двух полевых транзисторов IRL3705n по одному на канал.
5. Индикаторная часть (светодиод + токоограничительный резистор)
6. Сетевой трансформатор 220В==>14В 1,5А
7. Высоковольтные трансформаторы
Более подробно: cxem.net/tesla/tesla38.php
По моим наблюдениям, основной проблемой радиолюбительских конструкций является живучесть электродов и «свист» дуги, что не позволяет использовать многие из этих разработок для высококачественного и длительного воспроизведения звука.
Будущее дугового звука
Из всего, что известно об ионофонах можно сделать достаточно печальный вывод. Идеальный твиттер ещё длительное время будет доступен только для ограниченного круга не бедных аудиофилов, а также для энтузиастов радиолюбителей, которые создадут его сами.
Массовое серийное производство этих излучателей начнется только тогда, когда инженеры найдут способ снизить их себестоимость. Кроме того, некоторые производители не станут вкладывать в ионофоны из прагматичного нежелания создавать новую производственную базу. Устраивающие потребителей динамики не требуют существенных вложений в освоение производства. Не берусь судить однозначно, но полагаю, что массовый выпуск ионофонов начнётся через несколько десятилетий, если это вообще произойдёт.
При создании поста использованы информация и графически материалы следующих ресурсов:
www.arstel.com
steampunker.ru/profile/kotofeich
ldsound.ru
www.salonav.com
stereo-video.kiev.ua
viger-audio.ru
maxpark.com
cxem.net
Автор: Pult.ru
