摘要：  总结了前人对高强度气体放电灯(HID)在高频工作时产生声共振的主要原因的评述，简要提出了判断HID灯声共振的依据，并概括和分析了消除声共振的方法及优缺点；介绍目前消除声共振的探索性实验，为以后抑制声共振和设计电子镇流器电路提供理论指导和参考。

关键字：  声谐振，等离子体，频谱分散技术

1 引言
高强度气体放电灯(HID)在高频工作下具有声谐振现象，使得高频电子镇流器的应用受到了影响。所谓声共振现象是指HID灯在高频电流驱动时，表现出的放电电弧不稳定性。当HID灯工作在5kHz~700kHz频率范围时，很多频段会出现明显的光输出波动并伴以电流、电压起伏、电弧弯曲、摇晃。当频率降低到最低不稳定频率时电弧可能熄灭，甚至导致电弧管炸裂。
目前，学者们普遍的共识是，声共振现象是阻碍镇流器装置高频化及提高功率等级的最主要障碍。所以研究其成因与抑制技术是当前一个热门课题，但其研究又涉及到电光源理论、等离子体理论、功率电子学和控制理论等诸多领域，具有较大的学术价值和挑战性。因此，本文针对声共振的成因及抑制方案进行了论述。
2 HID灯声共振的成因
2.1 “声谐振”论点[1]
早在1962年Buckley和Gerue[2]就已发现高频调制的直流氙电弧在一系列频率附近出现不稳定现象，并测得伴随着产生的与调制频率相同的声波，他们还注意到放电不稳定时测得的一系列声波频率差不多正好与放电容器谐振。因此他们断定放电的不稳定是由于放电中产生的声波与容器谐振、形成驻波造成的，因而称之为“声谐振”效应。综合起来“声谐振”论点的核心内容是：高频放电使气体周期性加热是导致放电不稳定的根本原因。气体被周期性加热和冷却的结果产生了同一频率的压力张驰并形成压力波。当该压力波与容器谐振、形成驻波时振荡被加强。他们认为放电不稳定时测得的声波就是这样形成。这一声波使电弧弯曲、抖动、放电起伏，光输出波动甚至使电弧熄灭、灯管炸裂。
但是上述论点中存在很多难以令人信服的疑点，对一些现象也难作出令人满意的解释。例如：
(1) 正常运转时HID灯中的高密度、高温气体的热容量很大，温度响应灵敏度很低，决不可能如此快速地随可能高达400kHz的放电加热频率变化，因此不可能产生明显的高频温度起伏，更不可能形成如此强烈的压力波。
(2) 退一步说即使放电加热使气体温度产生较为明显的周期性起伏、产生相应的压力波并且与容器谐振，充其量其结果是使气体粒子的空间分布疏密不匀，造成放电及等离子体密度相应的非均匀空间分布，并影响输出光强和光色分布的均一，但不可能造成放电强度及光输出在时间上的变化。
(3) 更退一步说，即使放电随声波变化，但测得的声波频率为数千周至数百千周，如此高的变化频率何以转化为人们所见的二十周或以下的低频放电不稳定现象。
(4) 按放电加热论点，未产生不稳定现象的电孤同样会因温度变化产生压力波，为什么这时不能检测到声波的存在。按放电加热论点这是没有道理的。所有上述问题都是“声谐振”理论所无法解释的，这不能不令人怀疑“声谐振”论点的可信性。
2.2 等离子体振荡论点
根据气体放电理论[3]，决定高气压弧光放电的光电参数的特征区域为放电正柱区，气体放电正柱是一个典型的等离子体，处于局部热力学平衡状态，从整体而言放电等离子体呈电中性，但等离子体中的局部部位常常出现电荷不平衡。高气压弧光放电中，质量轻得多的电子云将在离子云电场作用下在其附近往返摆动，形成等离子体电子振荡。当电子云在正离子云附近振荡时，离子云必受电子云反作用并在平衡位置附近摆动，相位和频率则取决于离子云出现的时间和地点和该处等离子体参量、并在相当宽的频谱范围内随机分布。
当等离子体处于高频电场作用下时，某些地点出现的相位合适、振荡频率与电场频率相近的正电荷云将从电场不断补充能量，并受电场牵引，相位和频率逐渐与电场同步，从而使离子振荡逐步放大，终至形成影响整个等离子体的振荡，表现为灯弧的长度和光强振荡，由于等离子体的振荡频率在声波频率范围内，通常称为声谐振。离子与电场作用的响应速率是很快的，完全赶得上电源极性的变化。显然正离子电荷云在电场作用下的振荡必然形成同频率、同相位的压力波，这就是等离子体物理中常称的离子声波。所有文献中报导的测得的声波实际是离子振荡时产生的离子压力波、而非放电的加热作用使气体周期性温升和冷却形成的压力波。显然在不形成这种影响全局的等离子体振荡时，随机振荡所产生的频率、相位、时间和空间与随机的离子声波只构成等离子体的声频噪声，不可能形成频率稳定的声波。
在最低离子振荡频率时，离子云振荡幅值正好等于电弧长度，这相当于离子云在电源相位约为π/2时在阳极附近出现，并向阴极加速运动，当离子云到达电弧中部时电场极性变换，然后在减速场作用下继续前进，在3π/2时到达电极附近，速度降低为零，然后反向加速运动。对于这种情况下的振动、灯电压波动幅度最大，放电维持困难，并常导致电弧熄灭。这就是文献中报道的最低“声谐振频率”时电弧熄灭的真正原因。依据此在“声谐振”论点中所提出的质疑都可以做出合理的解释。
3 声谐振的判断依据
最早发现HID灯声谐振现象C.F.Gallot以及后来的Witting都曾经提出以放电电弧的稳定性为判别依据，这样比较直观。声共振现象发生时，会引起灯的各项参数，如电压、电流、电阻、光强和声谱的改变。因此检测声共振时，可以取样灯的电流、电阻、声波、光的强度作为采样指标[4]。
3.1 通过测量R/R检测声共振。HID灯由于发生了声共振，灯电阻有明显变化。R/R远比V/V和I/I大，灯电阻相对变化的百分比(ΔR/R)对声共振最敏感，是检测发生声共振的最恰当指标。
3.2 光学方法检测声共振。光学方法检测声共振利用宽带光电二极管对光强度变化进行测量，通过白噪声调制控制芯片，可以测得声共振发生频率，从而抑制声共振。[#page#]
3.3 检测发生声共振时灯的电流。所提出的声共振检测方法理论依据基于声共振发生时灯电流会发生变化。通过实验观察，HID灯在高频工作发生声共振时，其灯电流主要包含3种频率成分：一是镇流器提供的高频电流；二是纹波频率；三是声共振引起的电流频率。检测电路将前两种电流滤去，留下声共振电流，将其放大，就可以说明HID灯是否处于声共振状态。
3.4 检测声共振时发出的声波。在靠近声谐振频率时，灯发出声谱声谱范围的震动，通过测量声谱，可以检测到灯中的声共振波。这种方法还发现在发生声共振时不一定同时伴随有可见的电弧不稳定。
3.5 利用计算机控制的声共振检测工作平台，由图形化编辑语言LabVIEW编程。这种方法[14]基于放电电弧的投影图，对投影图上的不同点进行相对强度测量并统计性地分析以检测声共振。实验结果证明这是一种能够自动得到声共振频率的有用的方法。
3.6 小结
电阻变化率和电流测量方法都是测量灯的电学参数的变化，因此较容易加入电路，作成反馈；光学方法检测声共振时不会改变共振状态，检测结果可靠准确；最后一种用声学计检测的方法使用的声学计价格较昂贵，实际使用不太经济，另外实验表明[5]：有些声共振情况下，电弧并不发生可见的扭曲，至于是否会导致电流产生5Hz~10Hz的分量，以及是否由光学方法检测出来，有待进一步的研究。最后一种方法属于高端技术，涉及到虚拟仪器，因此成本高。
4 声共振的抑制方法
由前面介绍可知，我们可以得到声谐振产生的两个条件[6]：驱动HID灯的高频能量的频率要落在可能产生声谐振的频带内；驱动HID灯的高频能量达到一定的幅度，即超过这一频率点的能量阈值。因此，HID灯电子镇流器就可以从这两个条件出发，只要避免其中的一个条件就可以避免声谐振的发生。HID灯电子镇流器因此可以分为两类：
4.1 第一类是使高频能量频率不落在阈值能量的功率谱的频带内。具体方法分以下八种：
(1) 工作频率小于阈值能量的功率谱的最低频率。一般HID灯阈值能量的功率谱的最低频率一般在10kHz，落在音频区域，将会产生声音干扰。
(2) 工作频率高于阈值能量的功率谱的最高频率。即采用的开关频率很高，如500kHz以上，以避开声谐振发生的频率区段。但是开关频率过高，其EMI增加，开关器件以及磁性材料的损耗增加，使电子镇流器效率降低。
(3) 使HID气体灯工作于声共振谱上的安静区域。对HID灯，通过计算和测量，我们发现在某些频率段，不会发生声谐振，这是由于声谐振频率具有分布不连续的特点。但由于不同厂家生产的不同灯泡其不发生声共振的安静窗口是不同的，因此这种方法在实际中很难做到通用性。
(4)有些种类的声共振可以采用理论计算方法得到，并进行预测[7， 8]，将中心频率避开计算得到的频率点，但由于不能完全避开所有类型的声共振频率，仍可看到电弧的轻微抖动，而且对于不同厂家不同型号的金卤灯都需要计算。
(5) 改变放电管形状。放电管的形状也会影响声谐振的频率。这种方法主要在设计灯管形状上下功夫，对电路设计者没有直接意义上的帮助。
(6) 低频恒流源驱动灯管。这是一种目前真正得以应用的一种方法[9]。低频恒压源来直接驱动HID灯时，由于负阻特性，HID不能稳定工作，需要低频的电感镇流器，如果我们用低频恒流源来直接驱动HID灯时，灯能稳定工作。这种电子镇流器的主要特点是电路中有一级DC-DC变换器，电路拓扑结构较复杂，其三级功率电路在成本及功耗方面限制了其应用。
(7) 高频方波驱动HID气体灯[10]，对于理想的方波驱动，灯管功率变化十分迅速，不会对电弧产生干扰，从而抑制了声共振，但要获得理想的高效高频方波是十分困难的。
(8) 频率控制方式——灯电流灯电压反馈控制方案[11]。需要对灯的电压变化进行监视，以调控灯的工作频率。由此可以设定镇流器电路选择频率的动作程序，在工作频率控制的上限fmax和下限fmin之间往复搜索。往返于上、下限之间反复探索，若其间有一个或一个以上稳定区域存在的话，稳定点灯就不成问题了。这种方式的特点是要对声谐振的发生进行实时检测，导致控制比较复杂，实现起来也有一些困难。
4.2 第二类方法是使高频能量的幅值不超过阈值能量的功率谱的幅度值。具体方法分以下两种[12]：
(1) 低频方波电压叠加高频电压。这种方法受声谐振产生的第二个条件启发，使高频能量的值达不到产生声谐振的阈值，这样也就可以避免了声谐振的发生。
其镇流器的拓扑结构如图1所示，图中电容CP可以在稳定工作时将高频信号吸收，在启动时提供高压脉冲，这样就省去了外启动电路，而且该连接方式还能够实现功率开关管的软开关运行。经过CP将高频信号滤去后，加在灯端的信号就为400Hz的低频信号，在这个频率下，金卤灯没有声共振问题，同时采用高频控制可以大大减小电感的体积和重量，也可以在一定程度上降低功率管的损耗。可以通过改变高频信号的占空比来改变低频信号包络的有效值，从而实现恒功率控制。如图1，可以让功率管Q1和Q3工作在高频状态下，Q2和Q4工作在低频状态下来实现高低频信号的叠加。从理论上讲该方法是可行的，它能够从根本上解决声共振的问题，但是考虑到经济、实用，下面的方法更为可行。
(2) 在高频信号中叠加低频信号调制消除声共振。该方法是在高频信号中加入低频的正弦波或白噪声进行调制。这种频率调制法是由Laszlo Laskai等人提出的，他们采用的是低频正弦波去调制逆变其中高频开关的工作频率，使HID灯得不到单一频率的高频能量。该方法可分为频率调制和在频率固定条件下的幅值调制。
在这里只讨论频率调方法，对于固定频率调制幅值的方法与调节频率的方法类似。由于HID电子镇流器的输出级通常采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)驱动电路，其输出电流的基波频率是一定的，当某些地点出现的相位合适、振荡频率与激励电场频率相近的电场时，就可能形成整个等离子体的振荡。如果激励源的驱动频率在一定范围内以一定速率变化，使输出频谱分散开来，就很难在固定频率点上形成驻波，这就是频谱分散技术。在没加入低频调制信号以前，先要在没有声共振现象的区域选择中心频率，它由直流给定信号决定，然后选择调制的频率范围，控制回路部分的示意图如图2。这样在中心频率信号上叠加了低频调制信号（如100Hz的正弦波），灯端电流就会围绕着这个中心频率实时地变化。因为频率不是固定在一点上，所以就不会在固定的频率上形成驻波而产生声共振。这种在高频信号中加入低频信号调制的方法实现起来比较简单，而且易于调试。它不需要加入更多的硬件就能实现，所以是一种经济、可行的方法。[#page#]
5 探索性实验—纵向磁场对小功率金属卤化物灯声共振的影响
纵向磁场指磁力线方向与电弧弧柱轴线方向相同的磁场。在纵向磁场作用下的电弧弧柱中，由阴极发射出来的带电粒子将围绕磁力线旋转，使得电弧的弧柱平行于磁力线。在粒子密度很大时可以将电弧弧柱看作流体，用磁流体力学理论描述。当施加纵向磁场后，电弧中的电流线力图保持平行于磁力线，当纵向磁场强度达到一定值时，电弧弧柱形状保持不变，从而灯电弧的声共振现象可能用纵向磁场抑制。但实验[13]结果表明在本次研究的条件下，纵向磁场不能消除声共振现象，但纵向磁场的增强可以使得声共振的起始时刻有所滞后。本文结果可为小功率金属卤化物灯声共振现象的研究提供经验。
6 结语
目前比较流行的理论是以等离子体中的声学理论为基础，研究HID灯的放电过程，解释声共振现象。其主要结论是：当用高频功率信号驱动HID灯时，放电管中放电气体的气压有周期性的变化并在放电腔内传播，即在放电气体中形成了气体压力波——气体气压有规律的波动。而这个波动的波源就是驱动电场通过带电粒子与放电气体的第一类弹性碰撞而传给气体原子的能量。放电管中的声波场是一个三维的声波场。通过对等温等离子体的波动方程知道，可能引起放电管内放电气体的压力波形成驻波[6]。这种驻波会引起灯的弧光闪烁、扭曲、变形或熄灭，甚至引发灯管爆炸。但是以声学理论为基础所形成的理论，无法合理解释弧光的绳化现象、无法建立声共振时的电气模型等。因此，需要引进新的理论研究声共振的起因、电气特性、抑制技术等问题。探索HID灯声共振的起振过程、稳态工作、临界条件等物理现象的规律，对声共振现象进行深入的理论研究。
在控制策略方面，不能有效地抑制声共振现象。尚需研究的问题是，根据HID灯的不同工况，提出不同的控制策略，使得系统在HID灯的任何工况下，都能合理、可靠地工作。
在测量方面，我们认为阻碍这个课题进展的一个重要原因，是缺少必需而有效的实验手段和专用测试装置，导致理论研究结果难以得到直接的实验验证。因此需要研制专用的测量装置，观察记录HID灯的弧光形状与电气参数之间的关系。

参考文献
[1] 杨正名，罗宗南等．金属卤化物灯“声谐振”效应的研究．灯与照明．2002，24(1)．
[2] C．F．Gallo and J．E．Courtney．Acoustic resonances in Modulated Xenon and Krypton Compace Arc Lamps．Mary 1967．Vol．16．No5．Applied optics 939．