Это тонкое дело – мембрана

Сама идея воспроизводить звук с помощью помещенной в электрическое поле мембраны была предложена еще в конце XIX века. В те годы активного изучения законов электричества трудно было не заметить «певучие» свойства конденсатора. Но от рождения идеи до ее воплощения прошел немалый срок: первый электростатический громкоговоритель был представлен только в 1926 году на Берлинской выставке. А спроектированные в 1932 году Фохтом и Хантом электростатики уже воспроизводили звуковые частоты от 20 Гц до 20 кГц с очень малыми искажениями. Но проблем, конечно, хватало: тонкая алюминиевая фольга, из которой делались мембраны, была ужасно непрочной, да и звуковые тракты той поры не позволяли ощутить все достоинства АС нового типа. С ними достаточно активно экспериментировали в лабораториях, но о серийном выпуске тогда никто и не помышлял.

Прорыв статиков из лабораторий в дома и квартиры состоялся в 1954 году. Английская фирма Acoustical Manufacturing выпустила на рынок стереопару для дома Quad ЕS. К этому времени уже появились высокопрочные полимерные пленки из майлара (полиэтилентерефталата) и освоено напыление на них высокоомных покрытий. Электростатический первенец Quad ЕS, спроектированный Вильямсоном и Волкером, оказался настолько удачным, что выпускался в течение трех с лишним десятков лет. К моменту его появления на рынке уже были долгоиграющие виниловые пластинки, неплохие ламповые усилители и магнитные звукосниматели, но потенциал Quad намного превзошел возможности остальных звеньев звукового тракта. Английские статики безжалостно выявляли все недостатки аппаратуры и послужили хорошим стимулом для усовершенствования головок звукоснимателей, проигрывателей, усилителей, микрофонной техники и даже самой идеологии студийной звукозаписи.

Мембрана против динамика

А чем, собственно, так хороши оказались статики по сравнению с динамическими АС? Как известно, в динамике звуковая катушка приводится в движение за счет взаимодействия поля постоянного магнита с переменным магнитным полем, возбуждаемым в этой катушке током звуковой частоты. В статиках аналогом постоянного магнита служит поляризатор (рис. 1), создающий высоковольтное электрическое поле (несколько кВ), которое взаимодействует с переменным звуковым, также высоковольтным напряжением, снимаемым со входного повышающего трансформатора.

Это тонкое дело - мембрана

Рис. 1. Упрощенная блок схема, поясняющая принцип действия электростатического излучателя: 1 – неподвижные перфорированные электроды; 2 – пленочная мембрана с проводящим (как правило, высокоомным) покрытием; 3 – повышающий звуковой трансформатор; 4 – источник высоковольтного поляризующего напряжения (поляризатор)

Так вот, излучающая звук мембрана статика приводится в движение силой, равномерно распределенной по всей ее поверхности. Диффузором же динамика движет звуковая катушка, расположенная в центре конуса, что порождает побочный спектр паразитных изгибных колебаний.

Нелинейность упругости подвесов и неравномерность магнитного поля в зазоре – вот принципиальные источники искажений в динамиках. Для их уменьшения применяют различные конструкции «тандемов», «пуш-пуллов», но это дает выигрыш только в области нижних частот, пока колебания диффузора не выходят на пределы «поршневого» режима, т.е. до наступления ощутимых изгибных колебаний. Кроме того, в «спарках», где один динамик стоит впереди другого, с повышением частоты ощущается запаздывание звука от заднего динамика, слышимого сквозь диффузор переднего.

Другим серьезным преимуществом статиков перед динамиками является очень малая масса мембраны. Невесомая мембрана обеспечивает практически безынерционное возбуждение звуковых волн, к чему давно стремились инженеры-акустики, создавая ради этого сложные системы – ионофоны.

В ионофоне мощный высоковольтный источник ионизирует воздух, делая его проводящим, а ток звуковой частоты, проходя через ионизированный промежуток, возбуждает в нем колебания, распространяющиеся в окружающем пространстве. Ионофон — идеальный, с точки зрения физики, электроакустический преобразователь, но, увы, имеющий весьма ограниченный спектр частот и низкую энергетическую эффективность.

В современных статиках применяют мембраны толщиной всего 4-6 микрон, так что их масса не превышает массы соколеблющегося слоя воздуха, препятствующего возникновению в мембране любых паразитных колебаний. И потому ионофоны вполне оправданно забыты.

Статики легко сконструировать и электрически и акустически симметричными, поэтому большинство моделей представляют собой дифференциальные диполи, излучающие в обе стороны (вперед и назад) и имеющие очень низкие нелинейные искажения. В этом еще один плюс — отказ от ящичных или иных каких-либо акустических оформлений исключает проблемы, связанные с резонансными или дифракционными искажениями. Правда, АС, излучающие в обе стороны, значительно более критичны к установке в комнате, чем «ящичные»: по крайней мере, на один метр вокруг них не должно быть предметов, заметно отражающих звук. Может быть поэтому дипольные «щитовые» АС на традиционный динамиках (например, фирмы Thorens) не получили широкого распространения.

Не правда ли, все звучит весьма убедительно? Но все же статики, несмотря на свои очевидные преимущества, не вытеснили ни с рынка, ни из нашего сознания традиционные динамические АС. Почему? На то, помимо субъективных, имеются и существенные объективные причины. Коснемся и тех, и других.

Во-первых, у слушателей уже выработался определенный настрой на привычный характер звука. Ведь далеко не всем нужна высокая художественная верность музыкального звукового образа. Многие любят просто комфортный звук, музыку для отдыха, некоторые — «музыку для ног» (так говаривал Иоганн Штраус) с хлестким басом и звонким верхом. Иногда слушают музыку походя, и тогда специально зауженная у статиков характеристика направленности (чтобы уменьшить переотражения от окружающих предметов) становится неудобной. Есть статики с широкой направленностью (например, Martin-Logan), но при этом теряется эффект интимности, когда кажется, что исполнитель поет или играет именно для вас и только для вас. А этот фактор — одна из главных составляющих вовлеченности, являющейся основой эмоционального восприятия.

Во-вторых, высокая детальность звучания статиков безжалостно выявляет и обостряет несовершенство других звеньев звукового тракта. В-третьих, реализовать все звуковые возможности статиков в наших условиях порой бывает очень даже непросто из-за их большой фронтальной площади и критичности установки в комнате. А если ставить их случайно (где нашлось место), статики будут звучать значительно хуже, чем рядовые динамические АС. Ну и наконец, недешевые это системы: от $3-4 тысяч и выше. Многим истинным любителям музыки они не по карману, а тем, кто любит комфортный звук, статики и не нужны, к тому же они плохо вписываются в интерьер.

Советская мембрана

Услышанное в первый раз звучание электростатиков (разумеется, при хорошем звуковом тракте) производит на любителя музыки просто ошеломляющее впечатление. При всей скромности характера звука, он обладает удивительной интонационной выразительностью, проникновенностью и прозрачностью, из чего и складывается та самая вовлеченность. Такие чувства испытал в свое время и автор этих строк и оказался вовлеченным настолько, что занялся разработкой статиков и даже внедрением их в серийное производство в наших скромных условиях конца 70-х годов.

Пленок с высокоомным покрытием у нас не существовало, так что оставался единственный вариант — применить металлизированную конденсаторную пленку. Между тем научно обосновывалось, что из-за миграции зарядов по поверхности в процессе колебаний широкополосный статик на металлизированной пленке удовлетворительно работать не будет. Проведение такой разработки считалось технической авантюрой. И я благодарен руководству ленинградского ВНИИ радиовещательного приема и акустики им. А.С. Попова за доверие, Ирине Алдошиной и Евгению Хорькову за неоценимую помощь по разработке. Пришлось идти на различные технические ухищрения, решать множество вопросов, которые в принципе не могли возникнуть у разработчиков в цивилизованных странах. Например, тот же отлично звучавший Quad ES не удовлетворял требованиям наших ГОСТов по входному сопротивлению: не все наши усилители способны работать на реактивную нагрузку, они могли внезапно возбудиться и прожечь мембрану Quad или сгореть сами и т.п. Нам пришлось усложнить схему входных цепей преобразователя импеданса, ввести дополнительные «постоянные времени» для замедления миграции зарядов по поверхности мембраны.

Это тонкое дело - мембрана

Схематическое изображение линзы Френеля, воплощенное в Quad ESL 63

И все же наши статики появились на свет, они вышли доступными по цене и многих порадовали. Но кое-кого и огорчили низкой культурой производства и низкой надежностью. Заводская серийная «рационализация» сделала свое черное дело: она привела к нерациональным схемным и конструктивным решениям, ухудшившим звучание. Впрочем, подоспевшая социальная «перестройка» благополучно похоронила этот процесс.

Мембрана и динамик – не пара?

Несмотря на то, что динамические АС продолжали успешно развиваться, интерес к статикам со стороны потребителей непрерывно нарастал, стимулируя фирмы к новым разработкам. За статики стали браться многие, зачастую поспешно и не имея должного опыта.

На этой волне появились совмещенные динамические/электростатические системы (диностатики): в них динамики использовались в низкочастотном звене, а статики — в средне/высокочастотном. Фирма KOSS выпускала модели, в которых низкие и средние частоты, наоборот, излучала мембрана, а верхние — динамический купол. А Infinity в 70-х годах предложила оригинальную «Тройку»: пара статиков (для правого и левого каналов) и в центре стереобазы единый для обоих каналов «Бас-комод» с электромеханической обратной связью, обеспечивающей воспроизведение низших частот с 18 Гц. Чистые статики с такой нижней граничной частотой имели бы невероятные размеры, поэтому идея комбинации с сабвуфером оказалась столь заманчивой. Попытки скомбинировать мембрану с динамиком продолжаются до сих пор.

Но рассуждая с аудиофильских позиций и обобщая результаты многих экспертиз, можно сказать, что динамик (даже современный, очень хороший) обладает как 6ы маскирующим свойством и потому мешает наслаждаться прозрачным легким звучанием статика. Сей факт можно объяснить и строго научно: системы с разными конструктивными идеологиями и свойствами трудно сопрягаемы в пространстве и не могут обеспечить единства структуры рельефа звукового поля. Как говорится, «не можно впрячь в одну повозку коня и трепетную лань». Не смогла этого сделать и Infinity: ее «Тройка» признания не получила, и в последнее время фирма перешла на динамические модели, в которых на высоких частотах применяются магнитные пленочные излучатели.

Не следует думать, что все эти неудачи объясняются только научной некомпетентностью разработчиков. Нет, они вынуждены ориентироваться на определенную «вкусовую» культуру и даже моду. Разработка аппаратуры, предназначенной для удовлетворения эмоций, всегда отличалась необычайной сложностью и вызывала много споров. В таком деле технические параметры мало что значат. Ведь и в живописи, например, можно измерить частотную характеристику (провести спектральный анализ картины), динамический диапазон (разность плотностей красок) и т.д. Но ведущий фактор признания — это субъективное восприятие, искусствоведение и мода. Художник отображает на картине не только объект, но и свое отношение к нему. Звуковой тракт должен воспроизвести музыку и отношение исполнителя к ней. И в этом отношении многие эксперты считают, что на хорошем звуковом тракте только статики способны вызвать у слушателя полный букет эмоций, обусловленный замыслом композитора, индивидуальностью интонаций исполнителей и творческим портретом дирижера. Хорошие статики способны ласкать слух в тех местах, где это нужно, а при необходимости «хватать за горло».

Три реинкарнации мембраны

Одним из таких электростатических шедевров является современный Quad ESL 63. Успех первенца Acoustical Manufacturing — Quad ЕS — отнюдь не был случайным. Его автор Питер Волкер не только грамотный инженер, но и известный музыкант (флейтист), игравший в симфоническом оркестре. На разработку Quad ЕSL 63 он потратил 18 лет (с 1963 по 1981 гг.), из которых только 4 года ушло на «дослушивание» колонок дома. Ради улучшения музыкального восприятия в домашних условиях Волкер сознательно ухудшил некоторые из официальных параметров. В частности, получив широкую характеристику направленности во всем спектре частот, он искусственно сузил ее выше 6 кГц путем увеличения диаметра центральной зоны излучения. Quad ESL 63 – это уникальный случай использования в акустике широко применяемого в оптике волнового принципа Гюйгенса-Френеля. Фактически это электроакустическая линза Френеля, эквивалентная виртуальному широкополосному точечному источнику звука. Площадь излучателя разделена на кольцевые зоны таким образом, что амплитуды и фазы звуковых волн, бегущих от центра к краям, соответствуют структуре звукового поля от «звучащей точки», находящейся за плоскостью статика на расстоянии 30 см. Полоса частот как бы скользит от центра к краям, теряя свой верх и затухая по амплитуде. Затухание уменьшает отражение звуковых волн от границ излучателя, которое может стать источником интерференционных помех.

И все же акустическая линза Френеля возникла не на пустом месте. У самого Волкера есть патенты 50-х годов на систему типа «звучащая стена» для панорамных кинотеатров будущего. Эта «стена» весьма похожа на цилиндрическую линзу Френеля. Подобные стереопары предлагались и другими разработчиками. И в этом есть здравый смысл: ведь уши человека расположены горизонтально, а положение слушателя в вертикальной плоскости колеблется в малых пределах.

Калифорнийский ученый и инженер Гарольд Норман Беверидж пошел иным путем. Он решил спроектировать АС, которые бы по максимуму отыгрывали все достоинства электростатического способа воспроизведения звука. Его система состояла из 2-метрового (по высоте) широкополосноro излучателя, оснащенного акустической линзой, который питался от встроенного лампового бестрансформаторного усилителя с высоковольтным выходом. Мало того, для уменьшения нелинейных искажений самого излучателя была реализована электромеханическая обратная связь: в цепь отрицательной обратной связи усилителя прямо с мембраны подавался «колебательный сигнал ошибки».

В своих статиках Беверидж реализовал оригинальную идею расширения характеристики направленности методом «скользящего завала» ВЧ. Он использовал металлизированную мембрану, расположенную между двумя неподвижными решетками-электродами, которые выполнены из изолированных горизонтальных туго натянутых нитей с высокоомным покрытием (рис. 2). В центр каждой нити подается звуковой сигнал. Проходя к их краям, за счет резистивности нитей и емкости мембраны он постепенно теряет верхние частоты. Получается, что излучаются они только узкой вертикальной полоской мембраны. Эта полоска расширяется в обе стороны от центра по мере понижения частоты и занимает всю площадь мембраны на низких частотах. Таким оригинальным способом обеспечивается широкая характеристика направленности в горизонтальной плоскости во всем диапазоне частот. На всякий случай, некоторые модели колонок «Beverage» снабжаются сабвуфером.

Это тонкое дело - мембрана

Рис. 2. Конструкция излучателя АС Beveradge: М – металлизированная мембрана; НЭ – высокоомные нити неподвижных электродов; Uзв – шины для подключения высоковольтного звукового сигнала от встроенного усилителя

Нет слов, у Бевериджа получился безукоризненный с инженерной точки зрения статик, весьма дорогой, конечно. Но увы, в нашем кругу он не вызвал восторга, и все, кого мы знаем, предпочли ему по звучанию внешне более скромный Quad ESL 63. Рекомендации фирмы Веverageе – садиться между колонками, развернув их навстречу друг другу, существенного улучшения не дали. Да и 2-метровые «наушники» для одного человека – это, пожалуй, слишком.

Весьма оригинальной была и ведущая модель фирмы KOSS (рис. 3). Электростатическая АС (неглубокий ящик) состояла из 4 низкочастотных панелей, 3 среднечастотных, 5 высокочастотных и еще 8 для самых верхних частот. Полосы частот на каждую группу панелей формировались за счет резонансных свойств индуктивностей повышающих звуковых трансформаторов и емкостей излучателей. Благодаря низкой добротности, характеристики формировались с плавными перекрывающимися завалами, это благоприятно сказывалось на звуке. Но необходимость разместить такое количество излучающих панелей на плоскости не позволила получить оптимальную «геометрию» звукового поля. К тому же эти системы получились дорогими и не получили должного признания.

Это тонкое дело - мембрана

Ри. 3. Конструкция статиков фирмы KOSS: С1-С4 – панели НЧ (30-250 Гц) излучателей; С5-С7 – СЧ излучатели (1500-5000 Гц); С13-С20 – панели ВЧ излучателей (выше 5000 Гц)

Можно вспомнить еще суперэкзотические статики, в которых внутренний объем был заполнен инертным газом, что давало при тех же размерах более граничную частоту. Но на сегодняшний день схемные и конструктивные решения в статиках устоялись, и подавляющее большинство имеющихся на рынке моделей решены в традиционном стиле. Только Quad ESL 63 остается «белой», но прекрасной вороной.

Автор: Вениамин Зуев (из журнала Салон AV)

1 комментарий: Это тонкое дело – мембрана

  1. Сергей Гудков пишет:

    Раз зашла речь о плёнках. Вот так выглядит диафрагма всемирноизвестного микрофона Shure SM57 китайцы до сих пор не смогли подделать её, подделывают только корпус микрофона

Добавить комментарий для Сергей Гудков Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *