Электростатический громкоговоритель

Схема, показывающая конструкцию электростатического динамика и его подключения. Толщина диафрагмы и решеток преувеличена для наглядности.

Электростатический громкоговоритель (ESL) — это конструкция громкоговорителя , в которой звук генерируется за счет силы , действующей на мембрану , подвешенную в электростатическом поле .

Дизайн и функциональность

В динамиках используется тонкая плоская диафрагма, обычно состоящая из пластикового листа, покрытого проводящим материалом, например графитом, зажатого между двумя электропроводящими сетками, с небольшим воздушным зазором между диафрагмой и сетками. Для работы с низкими искажениями диафрагма должна работать с постоянным зарядом на своей поверхности, а не с постоянным напряжением . Это достигается одним из двух методов или обоими: проводящее покрытие диафрагмы выбирается и наносится таким образом, чтобы придать ей очень высокое поверхностное сопротивление , и/или резистор большого номинала устанавливается последовательно между EHT (сверхвысоким напряжением или сверхвысоким напряжением или Напряжение) источника питания и диафрагмы (резистор на схеме здесь не показан). Однако последний метод по-прежнему допускает искажения, поскольку заряд будет мигрировать через диафрагму к точке, ближайшей к «сетке» или электроду, тем самым увеличивая силу, перемещающую диафрагму; это будет происходить на звуковой частоте, поэтому диафрагме требуется высокое сопротивление (мегаом), чтобы замедлить движение заряда для практичного динамика.

Диафрагма обычно изготавливается из полиэфирной пленки (толщиной 2–20 мкм) с исключительными механическими свойствами, например, из ПЭТ-пленки . С помощью проводящего покрытия и внешнего источника высокого напряжения диафрагма удерживается под постоянным потенциалом в несколько киловольт относительно сеток. Сетки управляются звуковым сигналом; Передняя и задняя решётки вращаются в противофазе . В результате однородное электростатическое поле, между обеими сетками создается пропорциональное звуковому сигналу. Это вызывает воздействие силы на заряженную диафрагму, в результате чего движение воздуха приводит в движение воздух по обе стороны от нее.

Практически во всех электростатических громкоговорителях диафрагма приводится в действие двумя сетками, по одной с каждой стороны, поскольку сила, действующая на диафрагму со стороны одной сетки, будет неприемлемо нелинейной, вызывая тем самым гармонические искажения . Использование сеток с обеих сторон компенсирует часть нелинейности, зависящую от напряжения, но оставляет часть, зависящую от заряда (силы притяжения). Результатом является почти полное отсутствие гармонических искажений. В одной из последних разработок диафрагма приводится в движение звуковым сигналом, а статический заряд находится на решетках (Transparent Sound Solutions).

Сетки должны быть способны генерировать как можно более однородное электрическое поле, при этом пропуская звук. Поэтому подходящими решетчатыми конструкциями являются перфорированные металлические листы, рама с натянутой проволокой, катанка и т. д.

Для создания достаточной напряженности поля звуковой сигнал на сетках должен быть высокого напряжения. Электростатическая конструкция по сути представляет собой конденсатор, и ток необходим только для зарядки емкости, создаваемой диафрагмой и пластинами статора (в предыдущих параграфах они назывались сетками или электродами). Таким образом, этот тип динамика является устройством с высоким импедансом . Напротив, современный громкоговоритель с электродинамическим диффузором представляет собой устройство с низким импедансом и более высокими требованиями к току. В результате для использования обычного усилителя необходимо согласование импеданса . Чаще всего трансформатор для этой цели используют . Конструкция этого трансформатора имеет решающее значение, поскольку он должен обеспечивать постоянный (часто высокий) коэффициент трансформации во всем слышимом диапазоне частот (т. е. в широкой полосе пропускания) и, таким образом, избегать искажений. Трансформатор почти всегда специфичен для конкретного электростатического динамика. На сегодняшний день Acoustat и Beveridge создали единственный коммерческий «безтрансформаторный» электростатический громкоговоритель. В этой конструкции звуковой сигнал подается непосредственно на статоры от встроенного высоковольтного лампового усилителя (поскольку лампы также являются устройствами с высоким сопротивлением) без использования повышающего трансформатора.

Преимущества

К преимуществам электростатических громкоговорителей относятся:

1. очень малая масса диафрагмы , которая перемещается по всей ее поверхности
2. образцовая АЧХ (как по амплитуде , так и по фазе ) потому что принцип создания силы и давления почти свободен от резонансов в отличие от более распространенного электродинамического привода.

Музыкальная прозрачность может быть лучше, чем у электродинамических динамиков , поскольку излучающая поверхность имеет гораздо меньшую массу, чем у большинства других динамиков, и, следовательно, гораздо менее способна накапливать энергию для последующего высвобождения. Например, типичный электродинамический динамик может иметь движущуюся массу в десятки или сотни граммов, тогда как масса электростатической мембраны составляет всего несколько миллиграммов, что в несколько раз меньше, чем у самого легкого из электродинамических твитеров . Сопутствующая воздушная нагрузка, часто незначительная в динамических динамиках, обычно составляет десятки грамм из-за большой поверхности сопряжения, что способствует гашению нарастания резонанса самим воздухом в значительной, хотя и не полной, степени. Электростатика также может быть реализована как полнодиапазонная конструкция без обычных кроссоверных фильтров и корпусов, которые могут окрашивать или искажать звук.

Поскольку многие электростатические громкоговорители представляют собой высокие и тонкие конструкции без корпуса , они действуют как линейный источник вертикального диполя . Это приводит к совершенно иному акустическому поведению в помещениях по сравнению с обычными электродинамическими громкоговорителями. Вообще говоря, дипольный излучатель с большой панелью более требовательно к правильному физическому размещению в комнате по сравнению с обычным корпусным громкоговорителем, но, оказавшись там, он с меньшей вероятностью вызовет плохо звучащие резонансы в комнате, и его прямое попадание -коэффициент отраженного звука выше примерно на 4–5 децибел. Это, в свою очередь, приводит к более точному стереовоспроизведению записей, которые содержат правильную стереоинформацию и атмосферу места проведения. Плоские (плоские) динамики имеют тенденцию быть очень направленными, что обеспечивает хорошее качество изображения при условии, что они аккуратно размещены относительно слушателя и звукоотражающих поверхностей в комнате. Были созданы изогнутые панели, что делает требования к размещению немного менее строгими, но несколько жертвует точностью изображения.

Недостатки

Типичные недостатки включают чувствительность к уровню влажности окружающей среды и отсутствие басов из-за подавления фазы из-за отсутствия корпуса. но они свойственны не всем конструкциям. Точка спада низких частот в 3 дБ возникает, когда самый узкий размер панели равен четверти длины волны излучаемой частоты для дипольных излучателей, поэтому для Quad ESL-63 шириной 0,66 метра это происходит на частоте около 129 Гц, что сопоставимо со многими корпусными динамиками ( рассчитано при скорости звука, принятой равной 343 м/с). Существует также трудная физическая задача воспроизведения низких частот с помощью вибрирующей натянутой пленки с небольшой амплитудой отклонения; однако, поскольку большинство диафрагм имеют очень большую площадь поверхности по сравнению с конусными динамиками, для передачи относительно большого количества энергии требуются лишь небольшие отклонения амплитуды. Хотя басу не хватает количественно (из-за меньшего хода, чем у диффузоров), он может быть лучшего качества («плотнее» и без «гула»), чем у электродинамических (конусных) систем. Фазовое подавление можно в некоторой степени компенсировать с помощью электронного выравнивания (так называемая полочная схема , которая усиливает область внутри звукового диапазона, где генерируемое звуковое давление падает из-за фазового подавления). Тем не менее, максимальные уровни низких частот невозможно увеличить, поскольку они в конечном итоге ограничиваются максимально допустимым отклонением мембраны до того, как она подойдет слишком близко к высоковольтным статорам, что может вызвать электрическую дугу и прожечь в ней дыры. Недавние, технически более продвинутые решения для устранения кажущегося отсутствия басов включают использование больших изогнутых панелей (Sound-Lab, MartinLogan CLS), электростатических панелей сабвуфера (Audiostatic, Quad) и электростатических элементов с длинным ходом, обеспечивающих большие отклонения диафрагмы (Audiostatic). . Еще один часто применяемый прием — усилить низкие частоты (20–80 Гц) с более высоким коэффициентом трансформации, чем средние и высокие частоты.

Этот относительный недостаток громких басов часто устраняется с помощью гибридной конструкции, в которой используется динамический громкоговоритель, например сабвуфер , для обработки низких частот , а электростатическая диафрагма обрабатывает средние и высокие частоты. Многие чувствуют что лучшим низкочастотным устройством для гибридов являются диффузоры, установленные на открытых перегородках в виде диполей, низкочастотных динамиков линии передачи или рупоров , поскольку они обладают примерно теми же качествами (по крайней мере, в области басов), что и электростатические динамики, то есть хорошая переходная характеристика, небольшая коробчатая окраска. и (в идеале) ровная частотная характеристика. Однако часто возникает проблема с интеграцией такого низкочастотного динамика в электростатику. Это связано с тем, что большинство электростатик являются линейными источниками , уровень звукового давления которых снижается на 3 дБ при каждом удвоении расстояния. С другой стороны, уровень звукового давления конического динамика снижается на 6 дБ при каждом удвоении расстояния, поскольку он ведет себя как точечный источник . Эту проблему можно преодолеть с помощью теоретически более элегантного решения, заключающегося в использовании обычных низкочастотных динамиков с диффузором в открытой перегородке или двухтактной конструкции, которая создает биполярную диаграмму направленности, аналогичную диаграмме направленности электростатической мембраны. Это все еще подлежит фазовой компенсации, но конусные низкочастотные динамики могут быть подняты на гораздо более высокие уровни из-за их большего хода, что упрощает выравнивание до плоского отклика, и они добавляют искажения, тем самым увеличивая площадь (и, следовательно, мощность) под частотой. график отклика, в результате чего общая низкочастотная энергия увеличивается, но точность передачи сигнала снижается.

Альтернативой является закрытие электростатических элементов и работа с ними как «монополи». Это позволяет избежать многих недостатков дипольной работы, и, что наиболее важно, значительного уменьшения отражений в помещении и, следовательно, искажения записываемой атмосферы. Поскольку не делается никаких попыток сделать динамик визуально прозрачным , это также позволяет наносить материалы на заднюю часть панели, чтобы обеспечить полное демпфирование резонанса мембраны, что улучшает переходные характеристики. Кроме того, использование относительно небольших элементов с относительно высокой частотой разделения, например 500 Гц, имеет ряд преимуществ. Это снижает направленность до такой степени, что обеспечивает достаточно широкую зону наилучшего восприятия. Это позволяет использовать большее увеличение SPL на 3 дБ/октаву с частотой, увеличивая чувствительность. Он не действует как настоящий линейный массив, поэтому сабвуферы легче интегрировать. Наконец, большей части оставшегося свертывания в 3 дБ можно противодействовать путем фильтрации высоких частот сигнала до половины или более ширины, что по совпадению увеличивает дисперсию и, следовательно, зону наилучшего восприятия. Колонки JansZen включают в себя все эти альтернативные функции. Они также используют низкочастотные динамики с акустической подвеской (герметичные корпуса), которые имеют самую низкую групповую задержку среди всех конфигураций и, следовательно, имеют наилучшие шансы на плавную интеграцию с электростатикой. Панели также хорошо защищены от скопления переносимых по воздуху загрязнений, что позволяет избежать необходимости периодического ремонта.

Направленность электростатики также может быть недостатком, поскольку она означает, что «зона наилучшего восприятия», где можно услышать правильное стереоизображение, относительно невелика, что ограничивает количество людей, которые могут одновременно в полной мере пользоваться преимуществами динамиков. В 1992 году Critical Mass представила первые электростатические динамики для использования в мобильной среде (автомобильная аудиосистема). В конструкции инженера и генерального директора компании Critical Mass Уэйда Альфарона была использована направленная природа электростатики путем создания отдельных звуковых полей для разных мест сидения в автомобиле.

Из-за своей склонности притягивать пыль, насекомых, проводящие частицы и влагу диафрагмы электростатических динамиков постепенно изнашиваются и требуют периодической замены. Им также необходимы меры защиты, позволяющие физически изолировать их высоковольтные части от случайного контакта с людьми и домашними животными. Экономически эффективные услуги по ремонту и восстановлению доступны практически для каждой существующей и снятой с производства модели электростатических громкоговорителей.

Колонки любительской сборки

Электростатические громкоговорители пользуются некоторой популярностью среди производителей громкоговорителей , работающих своими руками. Это один из немногих типов динамиков, в которых сами преобразователи могут быть собраны с нуля любителем, поскольку базовое оборудование для полных проектов ESL DIY можно найти в Интернете. К таким источникам питания относятся резисторы и конденсаторы для выравнивания частоты RC-цепи , если это необходимо; повышающие трансформаторы ; перфорированные металлические листы или сетки и изоляционные пластмассы для статоров; полимерная пленка и токопроводящая краска (например, жидкая графитовая суспензия) для мембраны; простое натяжное оборудование для правильной настройки мембраны; и рама, обычно деревянная, чтобы скрепить все вместе. Широко читаемый ресурс среди энтузиастов ESL — «Поваренная книга по проектированию электростатических громкоговорителей» (англ. ISBN   978-1-882580-00-2 ) известного специалиста по английскому языку Роджера Сандерса.

Коммерческие колонки

В 1953 году Артур Янсен получил патент США № 2631196 на электростатический громкоговоритель. Он работал на военно-морском флоте над разработкой высокочастотного источника с низкими искажениями для наведения торпед. После войны он разработал технологию производства электростатических динамиков, которые можно было использовать с обычными конусными низкочастотными динамиками, известными как электростатические гибриды. Он лицензировал Neshaminy Electric на производство этих динамиков. В начале 1970-х годов компания Electronic Industries из Миннеаполиса приобрела лицензию и права на производство электростатических динамиков JansZen. В 1974 году компания Electronic Industries представила новую проволочную обмотку твитера ESL, что значительно снизило стоимость производства. Он оказался чрезвычайно надежным. Несколько больших массивов этих твитеров использовались в качестве систем громкой связи на концертах в Миннеаполисе.

В конце 1970-х годов собственник снова сменился, и компания была куплена. Планировалось использовать электростатические динамики в автомобилях, но в производство они так и не пошли. Дэйв Уилсон из Wilson Audio использовал твитеры JansZen в своем знаменитом мониторе WAMM, Wilson Audio Modulator Monitor. Когда производство было снято с производства, этот динамик продавался по цене 220 000 долларов за пару. Разработчики Tri-Ergon на пленке системы звука разработали примитивную конструкцию электростатического громкоговорителя еще в 1919 году. Дэвид ЯнсЗен, сын Артура Янсзена, используя документы и разработки своего отца, представил свою собственную версию электростатических гибридных громкоговорителей. . Его компания, все еще действующая, не была связана с колонками Electronic Industries JansZen. Компания г-на Янзена, JansZen, до сих пор производит усовершенствованную версию его оригинального дизайна. KLH Nine был разработан в середине 1950-х годов Артуром А. Янсеном, и тысячи были проданы после того, как в 1959 году конструкция была передана KLH и запущена в серийное производство.

Квадратная электроакустика

Первый полностью успешный полнодиапазонный электростатический громкоговоритель, а также один из самых влиятельных, был выпущен в 1957 году: электростатический громкоговоритель Quad (Quad ESL, позже известный как ESL-57) от компании Quad Electroacoustics из Хантингдона , Англия. Они имели форму домашнего электрического радиатора, слегка изогнутого по вертикальной оси. Они пользовались всеобщим восхищением за их четкость и точность, но их сложно использовать при достижении низкочастотного баса.

Quad ESL были разработаны Питером Уокером, основателем компании, и Дэвидом Уильямсоном. Первым в этой серии был ESL-57, созданный под влиянием патента США № 1 983 377, разработанного Эдвардом В. Келлогом для General Electric в 1934 году. Он был представлен в 1955 году, запущен в промышленное производство в 1957 году и снят с производства только в 1985 году.

В 1981 году Quad представила ESL-63 как преемника ESL-57. Была предпринята попытка устранить как недостаток воспроизведения басов у ESL-57, так и его крайнюю направленность на высоких частотах. Последняя цель достигается за счет разделения статоров на восемь концентрических колец, каждое из которых питается с небольшой задержкой по времени по сравнению с кольцом, находящимся непосредственно внутри, тем самым пытаясь имитировать точечный источник.

Хотя производство ESL-63 было прекращено в 1999 году, Quad продолжает производство электростатических динамиков. Quad представила ESL-988 и его более крупный вариант ESL-989 в 1999 году, ESL-2805 и ESL-2905 в 2005 году, а также ESL-2812 и ESL-2912 в 2017 году, которые включают усовершенствования электроники и преобразователей.

Другие производители

Популярный производители электростатических динамиков включают MartinLogan, KEF, Quad, SoundLab. Производители, которые производят динамики только электростатического типа, включают SoundLab, Audiostatic, JansZen и Sanders Sound Systems (ранее Innersound).

Другие производители, которые в настоящее время производят электростатические громкоговорители, включают Solosound, Кингс Аудио, Панфоника, Каденс Аудио, Т+А и Сильберстатик, Бланко.ну. BenQ производит портативную электростатическую Bluetooth-колонку. Компания Audiostatic заявляет, что производит единственный электростатический громкоговоритель полного диапазона.

МартинЛоган , ЯнсЗен , Metrum Acoustics, Звуковые системы Сандерс, и Саунд-Лаборатория, а другие создают гибридные конструкции с обычными низкочастотными динамиками или сабвуферами.

Среди электростатических полнодиапазонных громкоговорителей, которые больше не производятся, есть KLH 9, самая ранняя полнодиапазонная конструкция в США. АХЛ Толтек, Акустат, Сервостатик и погружение из Австралии.

См. также

• Магнитостатический громкоговоритель