Электростатический громкоговоритель

Электростатический громкоговоритель (ElectroStatic Loudspeakers ESL) — вид звукоизлучателя, в котором звук создаётся с помощью мембраны, помещённой в электростатическое поле. Может обладать превосходными звуковыми качествами: крайне низким коэффициентом нелинейных искажений (порядка 0,05 %)

electrostatic speaker ldsound.ru  (7)

История появления электростатических излучателей начинается в 20-х годах прошлого века. Создание и совершенствование их конструкции было защищено несколькими патентами: одним из первых был американский патент 1921 года, в котором описывалась конструкция электростатического излучателя для телефонов (авторы Joseph Masolle, Hans Vogt и Josef Engl). В 1927 году Hans Vogt продемонстрировал на выставке в Берлине свою первую модель электростатического громкоговорителя. Позднее им же были защищены еще два патента (США 1928 г и Великобритания 1930 г), где были предложены усовершенствования, касающиеся улучшения изоляции электродов для электростатических излучателей.

В эти же годы были зарегистрированы два патента Эдварда Келлога (Edward Washburn Kellogg, один из знаменитых изобретателей электродинамического громкоговорителя, посвященных конструкции электростатических излучателей (США и Великобритания, 1929-1934 годы). В частности, он предложил идею сегментации диафрагмы электростатического громкоговорителя.

В последующее десятилетие были зарегистрированы еще несколько патентов, но существенным шагом вперед стал американский патент 1953 года (автор Arthur A. Janszen), в котором была описана конструкция высокочастотного электростатического громкоговорителя. На его основе была создана первая династатическая (динамическая и электростатическая) акустическая система AR-1, где в качестве низкочастотного звена использовался динамический громкоговоритель. Janszen продолжил разработку широкополосного электростатического излучателя и к 1962 году создал модель KLH-9 (размером 11 х 11 дюймов).

electrostatic speaker ldsound.ru  (3)

В 1955-1980 годах появились патенты, в которых была описана подробная технология изготовления излучателей, обеспечивающая высокий уровень изоляции и защиты электродов от пробоев. Так, например, в 1955 и 1957 годах Peter James Walker и David Theodore Nelson Williamson зарегистрировали два патента (в США и Великобритании), где также была предложена технология разбиения электродов на секции для контроля характеристик направленности. Именно эти патенты послужили базой для создания знаменитой серии широкополосных электростатических громкоговорителей фирмы Quad.

В 1973 году William Wright предложил интересный патент, где предлагалось установить электростатический излучатель в закрытый корпус, заполненный газом, что позволило бы подвести более высокое поляризующее напряжение и тем самым увеличить чувствительность излучателя. Канадская фирма Dayton Wright в 80-е годы реализовала эту идею и организовала выпуск широкополосных газонаполненных электростатических систем XG1060 с диапазоном 38-18000 Гц (±3 дБ).

В этом же году Harold Beveridge опубликовал патент, в котором было предложено использовать рассеивающие линзы для расширения характеристики направленности электростатических излучателей, что и было реализовано в промышленных образцах, создаваемых его фирмой. Кроме того, был запатентован ряд конструкций усилителей и трансформаторов для таких излучателей.

Хотя основы конструкции электростатических излучателей были подробно описаны в этих патентах, первые коммерческие модели появились только в конце 60-х годов, поскольку возникли значительные трудности с технологией их производства.

Принцип работы электростатических излучателей

Мембрана взаимодействует с электростатическим полем статора, который представляет собой металлический лист с отверстиями (или натянутую проволоку). Статоров может быть один или два, а мембрана может быть низкоомной или высокоомной.

electrostatic speaker ldsound.ru  (1)

В самом распространённом варианте высокоомная мембрана помещена между двумя статорами. На мембрану подаётся высокое напряжение относительно статоров, на статоры подаётся сигнал большой амплитуды (звуковой сигнал большого напряжения). В результате между мембраной и статорами возникает переменное электростатическое поле, двигающее мембрану. Поле действует равномерно на всю мембрану, а мембрана имеет крайне низкую массу, благодаря этому достигаются высокие характеристики.

Импеданс электростатического громкоговорителя линейно уменьшается с частотой. При этом на низких и средних частотах он равен десяткам Ом, поэтому громкоговорители используются с трансформатором.

Верхний частотный диапазон электростатического громкоговорителя ограничивается способностью усилителя работать на емкостную нагрузку, а воспроизведение низких частот — пределами смещения диафрагмы между двумя неподвижными электродами. Поскольку величина зазоров в современных громкоговорителях составляет 1-1,5 мм, то смещения диафрагмы не могут быть большими и уровень излучения низких частот определяется, главным образом, размерами площади электростатического излучателя (так, например, последняя модель ESL 989 фирмы Quad имеет габариты 1335х670х315 мм). Однако слишком большая площадь поверхности приводит к узкой с большими боковыми лепестками характеристике направленности на высоких частотах, поэтому обычно широкополосные электростатики конструируются в виде набора отдельных пластин для воспроизведения различных частотных диапазонов.

Масса диафрагмы электростатика существенно меньше массы подвижной системы динамического громкоговорителя, а масса воздуха в слое между диафрагмой и электродами и в отверстиях электродов довольно большая (масса воздуха на единицу площади примерно в пять раз больше чем масса самой диафрагмы на единицу площади), и она демпфирует колебания диафрагмы. Именно поэтому уровень переходных искажений в электростатических излучателях существенно меньше, чем в обычных громкоговорителях.

Одной из серьезных проблем при конструировании электростатических громкоговорителей является пробой из-за высоких напряжений за счет ионизации слоя воздуха и нарушения изоляции электродов.

Несмотря на относительную простоту принципов построения, для промышленного освоения электростатических громкоговорителей понадобились десятилетия напряженной работы. Необходимо было решить такие проблемы, как выбор материалов для мембран и электродов, отработка технологии нанесения электроизоляционных покрытий, разработка специальных усилителей и т.д. В современных конструкциях диафрагма изготавливается из тонкого пленочного синтетического материала (например, майлара толщиной 8 мкм с нанесенным на поверхность проводящим графитовым покрытием).

Поскольку сила за счет электростатического взаимодействия мала, необходимо большое поляризующее напряжение (8-10 кВ), из-за чего возникают серьезные проблемы с изготовлением электродов. Электроды должны быть очень жесткими (чтобы в них не возникали изгибные колебания), но акустически прозрачными, то есть иметь достаточное количество отверстий, на острых краях которых и возникает максимальная опасность пробоя.

Отработка технологии нанесения проводящего покрытия на поверхность краев отверстий представляет непростую проблему. Электроды должны иметь исключительно ровную и однородную поверхность для равномерного распределения заряда. Обычно используются перфорированные металлизированные пластины или металлические сетки. Изоляторы между мембраной и электродами должны обеспечивать равномерную центровку мембраны относительно электродов (в противном случае возникают значительные нелинейные искажения) и обеспечивать изоляцию при больших напряжениях (до 10 кВ). Пробой при таких напряжениях представляет значительную опасность.

Таким образом, много факторов влияет на параметры и качество звучания излучателей: выбор размеров и материалов для электродов, расстояние между мембраной и электродами, однородность конструкции, надежность изоляции, технология нанесения токопроводящих покрытий, величина поляризующего напряжения и другие. Однако, несмотря на технологические проблемы, потребовавшие много лет для их решения в промышленном масштабе, существует немало фирм, выпускавших и продолжающих выпускать электростатические излучатели.

Достоинства и недостатки электростатических громкоговорителей

Производители руководствуются несомненными преимуществами электростатических громкоговорителей перед электродинамическими в качестве звучания. Такой прозрачности и чистоты звука, особенно при воспроизведении классической музыки, которые можно услышать через электростатические излучатели, не удается получить с применением электродинамических громкоговорителей. Это связано, прежде всего, с тем, что легкая и тонкая мембрана обладает значительно меньшей инерционностью по сравнению с подвижной системой громкоговорителя.

Как было отмечено ранее, мембрана электростатика движется в однородном электрическом поле, что приводит к отсутствию нелинейных искажений (которые обусловлены движением катушки в зазоре динамического громкоговорителя, где ей приходится смещаться в неоднородном и несимметричном магнитном поле). Наконец, тонкая мембрана сильно натянута и демпфируется слоями воздуха, поэтому для нее нехарактерны выраженные резонансные колебания, типичные для диафрагм динамических громкоговорителей.

Однако, наряду с несомненными преимуществами, электростатические громкоговорители имеют ряд недостатков. Поскольку смещение мембраны мало, возникают проблемы с воспроизведением низких частот. Как уже было сказано, требуется большая площадь, а это, в свою очередь, вызывает обострение характеристики направленности в области средних и высоких частот. Кроме того, поскольку диафрагма излучает в обе стороны, то есть это излучающий диполь, то чрезвычайно критичным является установка электростатических излучателей в помещении. Наконец, значительные проблемы связаны с согласованием этих излучателей с усилителем, поскольку они представляют собой чисто емкостную нагрузку.

Модели электростатических громкоговорителей

Ведущим производителем лучших электростатических излучателей была и остается английская фирма Quad, которую в 1936 году основал Peter Walker. Первоначально она занималась разработкой акустики и усилителей для озвучивания, а в 1949 году было начато производство высокочастотного ленточного излучателя, в этот же период компания получила название QUAD (Quality Unit Amplified Domestic). В 1955 году фирма приступила к производству первого в мире широкополосного электростатического громкоговорителя, который позже был назван ESL 57.

electrostatic speaker ldsound.ru  (1)

electrostatic speaker ldsound.ru  (4)

Многие компании пытались повторить эту конструкцию, однако такой чистоты и прозрачности звучания достичь не удалось. Для ESL 57 были разработаны специальные усилители: Quad 303, затем 405 и др. Выпуск излучателя продолжался до 1985 года, всего было продано 60000 экземпляров. Репутация этой модели была настолько высока, что в 1978 году фирме была присуждена Королевская премия за достижения в технологии, чего не случалось никогда раньше в индустрии бытовой аудиотехники.

В 1981 году фирма начала производство нового излучателя ESL 63, который иначе называли FRED (Full Range Electrostatic Doublet). В нем была применена принципиально новая технология изготовления диафрагм в виде концентрических круглых колец, включенных через линии задержки, что позволило существенно улучшить характеристики направленности. Параметры этого громкоговорителя следующие: диапазон 35-20000 Гц (спад на краях 6 дБ), неравномерность 2 дБ, максимальное звуковое давление 100 дБ.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

electrostatic speaker ldsound.ru  (5)

 В 2000 году было начато производство моделей ESL 988 и ESL 989, в которых были использованы практически совершенно новые технологии изготовления мембран и электродов, новые трансформаторы и усилители, хотя принцип кольцевых излучателей с линиями задержки сохранился. Все это позволило получить прекрасные параметры и, по отзывам многочисленных экспертов, необычайно чистое, прозрачное звучание. Например, ESL 988 имеет диапазон 20-20000 Гц, максимальное звуковое давление 100 дБ, индекс направленности 125 Гц — 5 дБ, 500 Гц — 6,4 дБ, 1 кГц — 7,2 дБ, 8 кГц — 10,6 дБ, габариты 940х670х315 мм. В модели ESL 989 введена добавочная низкочастотная панель для улучшения воспроизведения басов.

electrostatic speaker ldsound.ru  (8)

В настоящее время выпуском электростатических громкоговорителей и многочисленных моделей акустических систем с ними занимаются 87 фирм, всего представлено на рынке более 250 моделей. Следует, правда, отметить, что подавляющее большинство акустических систем представляют собой комбинированные (династатические) модели, в которых низкочастотное звено динамическое (часто отдельный низкочастотный блок — субвуфер), а средне- и высокочастотное звено — электростатическое. Такие совмещенные системы имеют больший динамический диапазон на низких частотах, но переход от одного типа излучателей (электродинамических) к другим (электростатическим) создает много проблем с однородностью тембра звучания. К примеру компания «Martin Logan» с громкоговорителем «Ethos Overview».

electrostatic speaker ldsound.ru  (6)

Среди производителей электростатических излучателей можно отметить такие всемирно известные компании, как Telefunken, Isophon, Grundig (Германия), Sony (Япония), Koss, Infinity, ESS, Beveridge, Martin Logan (США), B&W (Великобритания). Каждая из них внесла свой вклад в модернизацию конструкции и улучшение технологии электростатических излучателей.

Как делают электростатическую акустику:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *