“音樂player”特斯拉線圈的研制

袁野　紀恒江　李聰　莊淏旭

摘 要

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

關鍵詞

特斯拉線圈;RC振蕩電路

中圖分類號： P313.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.043

0 引言

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

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

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

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

1 特斯拉線圈音樂播放器的工作原理

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

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

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

3 特斯拉線圈音樂播放器的電路結構示意圖

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

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

4 RC振蕩電路原理

輸出電壓u0經正反饋（兼選頻）網絡分壓后，取uf作為同相比例電路的輸入信號由運放構成的RC串并聯正弦波振蕩電路不是靠運放內部的晶體管進入非線性區穩幅，而是通過在外部引入負反饋來達到穩幅的目的。正弦波振蕩器是沒有輸入信號的，帶選頻網絡的正反饋放大器。若用電阻，電容元件組成選頻網絡，就稱為RC振蕩器，一般用來產生1Hz-1MHz的低頻信號。RC選頻網絡的選頻作用不如LC諧振蕩回路，故RC振蕩器的波形和穩定度比LC振蕩器差。

RC串并聯網絡振蕩電路用以產生低頻正弦波信號，是一種使用十分廣泛的RC振蕩電路。

5 總結

特斯拉線圈與等離子揚聲器的結合，并可以用手機連接，播放音樂，產生空氣振動，具有較高的經濟效益，和觀賞美。

參考文獻

[1] 馮慈璋、馬西奎：《工程電磁場導論》，高等教育出版社2000版.

Ma xi kui，ci zhang feng. Introduction to engineering electromagnetic field. Higher education press，2000.

[2]楊拴科、趙進全：《模擬電子技術基礎》，高等教育出版社2010版.

Yang suo ke，zhao jin quan. Fundamentals of analog electronics.Higher education press，2010.

[3]楊建國、寧改娣：《電子技術實驗指導書》，西安交通大學出版社.

Yang jian guo， ning jia di. Experimental instruction of electronic technology. Xi 'an jiao tong university press.

[4]張克農、寧改娣：《數字電子技術基礎》，高等教育出版社2010版.

Zhang kenong，ning ge di.The fundamentals of digital electronic technology.Higher education press，2010.

[5]王錫凡：《電氣工程技術》，西安交通大學出版社2009版.

Wang xi fan. Electrical engineering technology.Xi 'an jiao tong university press，2009.

[6]中國科協學會學術部：《無線電能傳輸關鍵技術問題與應用前景》，中國科學技術出版社2012版.

Academic department of China Association for Science and Technology： key technical problems and application prospects of radio energy transmission， China science and technology press，2012.

[7]Admin，《電磁感應與耦合融合的無線輸電》，文章出自中國CN期刊在線投稿聯盟.

[8]（美）瑪格麗特.切尼《被埋沒的天才：科學超人尼古拉·特斯拉》，陳璐譯，重慶出版社2010版.

Admin，"electromagnetic induction and coupling fusion of wireless power transmission"，from China CN journal online submission alliance.

[8]（beauty）Margaret.Cheney，buried genius： science superman nikola tesla.Translated by Chen lu，chong qing press，2010.

[9]《特斯拉線圈制作》、《特斯拉線圈原理》、文章出自百度文庫.

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

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