2-2-1 何謂音頻共振及其形成的原因
音頻共振(Acoustic Resonance)為氣體放電燈所共有的缺點，其產生的 原因為輸入燈管的能量(功率)週期性的變化，造成燈管內的氣體分子有週 期性的疏密現象，若氣體分子撞擊燈管管壁的波形與從管壁反射回來的波 形同相位的話，將造成共振的現象，通常發生共振現象的頻率在音頻的範 圍內；音頻共振發生時，會發生燈管工作電壓擺動，弧光輸出不穩定的情 形進而熄滅，若嚴重的話，會導致燈管管壁破裂的情形[13]。
音頻共振發生的頻率與放電燈管的幾何形狀、尺寸及填充的氣體材料 有關，所以，不同品牌的複金屬燈，其音頻共振發生的頻率當然不同。甚 至是相同品牌、相同型號的複金屬燈因為製造上的些許誤差，或是複金屬 燈的使用時數及環境溫度，皆會造成燈管內氣體的壓力、溫度與密度的改 變，進而影響複金屬燈發生音頻共振的頻率範圍。
雖然理論上可以計算出精準的音頻共振發生的頻率[14，15]，但是實 際上，實驗卻顯示了更多會發生音頻共振的頻率[17](如圖 2-4)，何況燈管 的形狀更是隨製造商而異，且燈管內也有許多不同震盪路徑，次諧波與高 次諧波也有可能造成音頻共振，使得音頻共振的發生十分難預測。
圖2-4 (a)音頻共振頻譜理論計算結果 (b)音頻共振頻譜實驗結果[18]
2-2-2 音頻共振的解決方法
目前解決音頻共振的方法都離不開一大原則：避免將燈管操作在可能 產生音頻共振的功率及頻率的組合之下[19]。解決的方法如下[20-25]：
i. 低頻操作：
複金屬燈音頻共振發生的頻率高於數 KHz 以上，所以使用傳 統電磁耦合式的安定器操作在線頻(60Hz)，必無音頻共振問題。
缺點是需額外提供啟動高壓的點燈電路，使安定器成本增加；同 時也會喪失電子安定器體積小、重量輕、效率高等優點。
ii. 超高頻操作：
將複金屬燈操作於遠高於發生音頻共振的頻率，譬如大於 500KHz，以避免發生音頻共振。然而，操作於這麼高的頻率會增 加切換損失，電磁干擾的問題也更嚴重。
iii. 定頻操作：
找出不會音頻共振的頻帶，再將電子安定器的工作頻率設計 在某個不發生音頻共振且較寬的頻帶中心，就可以保證不發生音 頻共振現象。但即使是同一品牌、型號的燈管，製程上也必然會 產生些微的差異，進而改變音頻共振的發生點，使得定頻控制的 難度及不確定性大為增加。
iv. 頻率調諧：
頻率調諧就是在既有的弦波電壓上，另以一個較低頻率的訊 號作波幅的調變，使燈管電壓帶有低頻的波包，成為複合頻率的 波形，希望燈管功率不受音頻共振影響而變化。低頻波包的頻率 及波幅可是需要獨立調整，一般而言，頻率調諧以在原頻率的十 分之一以下較為適當，以免影響輸出電壓的波形因數。另一方面，
為避免使燈管產生明顯的低頻閃爍，調諧頻率不宜過低，且其波
幅亦不可太大。由於低頻調諧需要比較複雜的控制電路，而其改 善音頻共振的效果亦不盡完善，非理想的選擇。
v. 頻率穿梭：
雖然複金屬燈在某些頻率範圍內可能產生音頻共振，但是若 將工作頻率在某兩個頻率之間來回穿梭，使燈管電弧來不及變 化，也可能讓音頻共振現象不會發生。然而，前提是要選對穿梭 的頻率、範圍和中心頻率，而且如此設計必然增加安定器電路的 複雜度。
vi. 低頻方波電流輸出
以固定頻率的正弦波電壓、電流供應燈管時，其對於燈管所 提供的功率如圖 2-5 所示，可以發現燈管的功率變化為兩倍電源 頻率的弦波。如果以理想的方波電壓、電流供應燈管時，其所提 供的功率如圖 2-6 所示，燈管的功率將不隨輸入頻率而變，因為 幾乎沒有瞬時功率的變化，所以不會激發音頻共振。然而這種理 想的方波根本不存在，因此在零電壓交越處，方波電壓的上升、
下降時間必定會使功率波形存在漣波的成分，如此一來，切換頻 率的影響又會出現，進而引發音頻共振，所以改用低頻的方波電 壓、電流輸入，以減少零電壓交越處的漣波數成為一個折衷的方 法。
圖2-5 以弦波電壓及電流供應氣體放電燈的波形[19]
圖2-6 以方波電壓及電流供應氣體放電燈的波形[19]