Электростатический громкоговоритель (ЭСГ) — это конструкция громкоговорителя , в которой звук генерируется силой, действующей на мембрану, подвешенную в электростатическом поле .
В динамиках используется тонкая плоская диафрагма, обычно состоящая из пластикового листа, покрытого проводящим материалом, таким как графит, зажатого между двумя электропроводящими сетками, с небольшим воздушным зазором между диафрагмой и сетками. Для работы с низким искажением диафрагма должна работать с постоянным зарядом на своей поверхности, а не с постоянным напряжением . Это достигается одним или обоими из двух методов: проводящее покрытие диафрагмы выбирается и наносится таким образом, чтобы придать ему очень высокое поверхностное сопротивление , и/или резистор большого номинала помещается последовательно между источником питания EHT (Extra High Tension or Voltage) и диафрагмой (резистор не показан на схеме здесь). [ необходима цитата ] Однако последний метод все равно допускает искажение, поскольку заряд будет перемещаться через диафрагму в точку, ближайшую к «сетке» или электроду, тем самым увеличивая силу, движущую диафрагму; это будет происходить на звуковой частоте, поэтому диафрагме требуется высокое сопротивление (мегом), чтобы замедлить движение заряда для практического динамика. [ необходима цитата ]
Диафрагма обычно изготавливается из полиэфирной пленки (толщиной 2–20 мкм) с исключительными механическими свойствами, например, из ПЭТ-пленки . [ требуется ссылка ] С помощью проводящего покрытия и внешнего источника высокого напряжения диафрагма удерживается под постоянным потенциалом в несколько киловольт относительно сеток. Сетки приводятся в действие аудиосигналом; передняя и задняя сетки приводятся в действие в противофазе . В результате между обеими сетками создается однородное электростатическое поле, пропорциональное аудиосигналу. Это вызывает воздействие силы на заряженную диафрагму, и ее результирующее движение 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 одной сеткой, будет неприемлемо нелинейной, что приведет к гармоническим искажениям . Использование сеток с обеих сторон отменяет часть нелинейности, зависящую от напряжения, но оставляет часть, зависящую от заряда (силы притяжения). [1] Результатом является почти полное отсутствие гармонических искажений. В одной из последних разработок диафрагма приводится в действие аудиосигналом, при этом статический заряд расположен на сетках (Transparent Sound Solutions).
Сетки должны быть способны генерировать как можно более однородное электрическое поле, при этом пропуская звук. Подходящими конструкциями сеток являются перфорированные металлические листы, каркас с натянутой проволокой, проволочные стержни и т. д.
Для создания достаточной напряженности поля аудиосигнал на сетках должен иметь высокое напряжение. Электростатическая конструкция по сути является конденсатором, и ток нужен только для зарядки емкости, создаваемой диафрагмой и пластинами статора (в предыдущих абзацах они назывались сетками или электродами). Поэтому этот тип динамика является устройством с высоким импедансом . Напротив, современный электродинамический конусный громкоговоритель является устройством с низким импедансом, с более высокими требованиями к току. В результате для использования обычного усилителя необходимо согласование импеданса . Чаще всего для этой цели используется трансформатор . Конструкция этого трансформатора имеет решающее значение, поскольку она должна обеспечивать постоянный (часто высокий) коэффициент трансформации во всем диапазоне слышимых частот (т. е. большую полосу пропускания) и, таким образом, избегать искажений. Трансформатор почти всегда специфичен для конкретного электростатического динамика. На сегодняшний день Acousstat и Beveridge создали единственный коммерческий «безтрансформаторный» электростатический громкоговоритель. [ необходима цитата ] В этой конструкции аудиосигнал подается непосредственно на статоры от встроенного высоковольтного лампового усилителя (поскольку лампы также являются устройствами с высоким импедансом), без использования повышающего трансформатора.
Преимущества электростатических громкоговорителей включают в себя:
Музыкальная прозрачность может быть лучше, чем в электродинамических динамиках , потому что излучающая поверхность имеет гораздо меньшую массу, чем большинство других драйверов, и поэтому гораздо менее способна хранить энергию для последующего высвобождения. Например, типичный драйвер электродинамического динамика может иметь движущуюся массу в десятки или сотни граммов, тогда как электростатическая мембрана имеет массу всего в несколько миллиграммов, в несколько раз меньше, чем самый легкий из электродинамических твитеров . Сопутствующая воздушная нагрузка, часто незначительная в динамических динамиках, обычно составляет десятки граммов из-за большой поверхности связи, тем самым способствуя демпфированию резонансного нарастания самим воздухом в значительной, хотя и не полной, степени. Электростатика также может быть выполнена в виде полнодиапазонных конструкций, лишенных обычных кроссоверных фильтров и корпусов, которые могли бы окрашивать или искажать звук.
Поскольку многие электростатические динамики имеют высокую и тонкую конструкцию без корпуса , они действуют как вертикальный дипольный линейный источник. Это приводит к довольно разному акустическому поведению в помещениях по сравнению с обычными электродинамическими громкоговорителями. Вообще говоря, большой панельный дипольный излучатель более требователен к правильному физическому размещению в помещении по сравнению с обычным коробочным громкоговорителем, но, оказавшись там, он с меньшей вероятностью будет возбуждать плохо звучащие резонансы помещения, а его отношение прямого к отраженному звуку выше примерно на 4–5 децибел. [ необходима цитата ] Это, в свою очередь, приводит к более точному стереовоспроизведению записей, которые содержат надлежащую стереоинформацию и атмосферу места проведения мероприятия. Планарные (плоские) драйверы, как правило, очень направлены, что обеспечивает им хорошее качество изображения, при условии, что они были тщательно размещены относительно слушателя и звукоотражающих поверхностей в помещении. [ необходима цитата ] Были построены изогнутые панели, что делает требования к размещению немного менее строгими, но несколько жертвует точностью изображения.
Типичные недостатки включают чувствительность к уровню влажности окружающей среды и отсутствие басового отклика из-за фазовой отмены из-за отсутствия корпуса, [ требуется ссылка ], но они не являются общими для всех конструкций. Точка спада басов 3 дБ возникает, когда самый узкий размер панели равен четверти длины волны излучаемой частоты для дипольных излучателей, так что для Quad ESL-63, ширина которого составляет 0,66 метра, это происходит примерно на 129 Гц, что сопоставимо со многими динамиками в корпусе (рассчитанными со скоростью звука, принятой за 343 м/с). Существует также сложная физическая проблема 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 драйверами, для выдачи относительно большого количества энергии требуются только небольшие амплитудные отклонения. Хотя количественно бас недостает (из-за более низкого отклонения, чем у конусных драйверов), он может быть лучшего качества («плотнее» и без «гула»), чем у электродинамических (конусных) систем. [ необходима цитата ] Фазовая компенсация может быть в некоторой степени компенсирована электронным выравниванием (так называемая полочная схема , которая усиливает область внутри звукового диапазона, где генерируемое звуковое давление падает из-за фазовой компенсации). Тем не менее, максимальные уровни басов не могут быть увеличены, поскольку они в конечном итоге ограничены максимально допустимым отклонением мембраны до того, как она подойдет слишком близко к высоковольтным статорам, что может вызвать электрическую дугу и прожечь в ней отверстия. [ необходима цитата ] Последние, технически более продвинутые решения для воспринимаемого недостатка басов включают использование больших изогнутых панелей (Sound-Lab, MartinLogan CLS), электростатических панелей сабвуфера (Audiostatic, Quad) и длинноходовых электростатических элементов, допускающих большие отклонения диафрагмы (Audiostatic). Другой часто практикуемый трюк — усиление басов (20–80 Гц) с более высоким коэффициентом трансформации, чем средние и высокие частоты.
Этот относительный недостаток громких басов часто исправляется гибридной конструкцией, использующей динамический громкоговоритель, например, сабвуфер , для обработки низких частот , с электростатической диафрагмой, обрабатывающей средние и высокие частоты. Многие считают [ кто? ] , что лучшим низкочастотным блоком для гибридов являются конусные драйверы, установленные на открытых перегородках в качестве диполей, низкочастотных динамиков линии передачи или рупоров , поскольку они обладают примерно теми же качествами (по крайней мере, в басах), что и электростатические динамики, то есть хорошей переходной характеристикой, небольшим коробочным окрашиванием и (в идеале) плоской частотной характеристикой. [ нужна цитата ] Однако часто возникает проблема с интеграцией такого сабвуфера с электростатикой. Это связано с тем, что большинство электростатов являются линейными источниками , уровень звукового давления которых уменьшается на 3 дБ при каждом удвоении расстояния. С другой стороны, уровень звукового давления конусного динамика уменьшается на 6 дБ при каждом удвоении расстояния, поскольку он ведет себя как точечный источник . Эту проблему можно решить с помощью теоретически более элегантного решения — использования обычных конусных вуферов в открытой перегородке или двухтактной компоновки, которая создает биполярную диаграмму направленности, похожую на диаграмму электростатической мембраны. [ требуется ссылка ] Это все еще зависит от фазовой компенсации, но конусные вуферы могут работать на гораздо более высоких уровнях из-за их более длинного хода, что упрощает выравнивание до плоской характеристики, и они добавляют искажения, тем самым увеличивая площадь (и, следовательно, мощность) под графиком частотной характеристики, делая общую низкочастотную энергию выше, но точность сигнала ниже.
Альтернативой является закрытие электростатических элементов и работа с ними как с «монополями». Это позволяет избежать многих недостатков дипольной работы, наиболее важным из которых является значительное снижение отражений в помещении и, следовательно, искажения записанной атмосферы. Поскольку нет попытки сделать динамик визуально прозрачным , это также позволяет наносить материалы на заднюю часть панели, чтобы обеспечить полное демпфирование резонанса мембраны, что улучшает переходную характеристику. Кроме того, использование относительно небольших элементов с относительно высокой частотой кроссовера, например 500 Гц, имеет ряд преимуществ. Это снижает направленность до такой степени, которая обеспечивает достаточно широкую зону наилучшего восприятия. Это позволяет использовать больше 3 дБ/октавного увеличения звукового давления с частотой, что повышает чувствительность. [ требуется цитата ] Он не действует как настоящий линейный массив, поэтому вуферы легче интегрировать. Наконец, большую часть оставшегося свертывания в 3 дБ можно нейтрализовать, отфильтровав высокие частоты из сигнала до половины или более ширины, что по совпадению расширяет дисперсию и, таким образом, зону наилучшего восприятия. Акустические системы JansZen включают в себя все эти альтернативные функции. Они также используют акустические подвесные вуферы (закрытые корпуса), которые имеют самую низкую групповую задержку из всех конфигураций и, таким образом, наилучшие шансы на бесшовную интеграцию с электростатикой. Панели также хорошо защищены от сбора загрязняющих веществ в воздухе, что позволяет избежать необходимости в периодическом ремонте.
Направленность электростатики также может быть недостатком, поскольку это означает, что «зона наилучшего восприятия», где можно услышать надлежащую стереокартину, относительно мала, что ограничивает количество людей, которые могут в полной мере насладиться преимуществами динамиков одновременно. В 1992 году Critical Mass представила первые электростатические динамики для использования в мобильной среде (автомобильная аудиосистема). Конструкция инженера и генерального директора Critical Mass Уэйда Альфароне использовала направленную природу электростатики, создавая отдельные звуковые поля для разных мест сидения в автомобиле. [ необходима цитата ]
Из-за своей тенденции притягивать пыль, насекомых, проводящие частицы и влагу, электростатические диафрагмы громкоговорителей постепенно изнашиваются и требуют периодической замены. Им также необходимы меры защиты для физической изоляции их высоковольтных частей от случайного контакта с людьми и домашними животными. Экономически эффективные услуги по ремонту и восстановлению доступны практически для всех текущих и снятых с производства моделей электростатических громкоговорителей.
Электростатические динамики пользуются некоторой популярностью среди самодельных (DIY) строителей громкоговорителей. Это один из немногих типов громкоговорителей, в которых сами преобразователи могут быть собраны с нуля любителем, поскольку базовое оборудование для полных проектов ESL DIY можно найти в Интернете. Такие поставки включают резисторы и конденсаторы для выравнивания частоты RC-цепи , если необходимо; повышающие трансформаторы ; перфорированные металлические листы или сетки и изоляционные пластики 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 все вместе удерживать. Широко читаемым ресурсом среди энтузиастов ESL является The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN 978-1-882580-00-2 ) известного специалиста ESL Роджера Сандерса. [2]
Артуру Янсену в 1953 году был выдан патент США 2 631 196 на электростатический громкоговоритель. Он работал в ВМФ, чтобы разработать источник высокой частоты с низким уровнем искажений для наведения торпед. После войны он разработал технологию производства электростатических громкоговорителей, которые использовались с обычными конусными вуферами, известными как электростатические гибриды. Он лицензировал Neshaminy Electric на производство этих громкоговорителей. В начале 1970-х годов Electronic Industries из Миннеаполиса приобрела лицензию и права на производство электростатических громкоговорителей JansZen. В 1974 году Electronic Industries представила новый твитер ESL с обмоткой проводами, что значительно снизило стоимость производства. Он оказался чрезвычайно надежным. Несколько больших массивов этих твитеров использовались в качестве систем оповещения на концертах в Миннеаполисе.
В конце 1970-х годов владельцы снова сменились, и компания была куплена. Планировалось предлагать электростатические динамики в автомобилях, но они так и не были запущены в производство. Дэйв Уилсон из Wilson audio использовал высокочастотные динамики JansZen в своем знаменитом мониторе Wilson Audio Modulator Monitor WAMM. Этот динамик продавался по цене 220 000 долларов за пару, когда его сняли с производства. Разработчики системы звукового кино Tri-Ergon sound-on-film разработали примитивную конструкцию электростатического громкоговорителя еще в 1919 году. Дэвид ЯнсЗен, сын Артура ЯнсЗена, используя работы и чертежи своего отца, представил свою собственную версию электростатических гибридных динамиков. Его компания, которая все еще работала, не была связана с динамиками JansZen Electronic Industries. Компания г-на Янсзена, JansZen, до сих пор производит усовершенствованную версию его оригинальной конструкции. [3] Модель KLH Nine была разработана в середине 1950-х годов Артуром А. Янссеном, и после того, как в 1959 году разработка была передана в KLH и запущена в серийное производство, были проданы тысячи экземпляров. [ необходима цитата ]
Первый полностью успешный электростатический динамик полного диапазона, а также один из самых влиятельных, был произведен в 1957 году: Quad Electrostatic Loudspeaker (Quad ESL, позже известный как ESL-57) от Quad Electroacoustics , Хантингдон , Англия. Они были сформированы как домашний электрический радиатор, слегка изогнутый по вертикальной оси. Они широко ценились за свою ясность и точность, но их было трудно запускать, достигая при этом низкочастотного басового выхода.
Quad ESL были разработаны Питером Уокером, основателем компании, и Дэвидом Уильямсоном. Первым в серии был ESL-57, на создание которого повлиял патент США 1,983,377, разработанный Эдвардом У. Келлоггом для General Electric в 1934 году. [4] Он был представлен в 1955 году, запущен в коммерческое производство в 1957 году и прекращен только в 1985 году.
В 1981 году Quad представила ESL-63 как преемника ESL-57. Он пытался решить как недостаток воспроизведения басов ESL-57, так и его экстремальную направленность на высоких частотах. Последняя цель достигается путем 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 эмулировать точечный источник.
Хотя ESL-63 был снят с производства в 1999 году, Quad продолжает выпускать электростатические динамики. 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 в себя усовершенствования электроники и преобразователя.
Популярные [5] производители электростатических динамиков включают MartinLogan, KEF, Quad, SoundLab. Производители, которые производят только динамики электростатического типа, включают SoundLab, Audiostatic, JansZen и Sanders Sound Systems (ранее Innersound).
Другие производители, которые в настоящее время производят электростатические громкоговорители, включают Solosound, [6] King's Audio, [7] Panphonics, [8] Cadence Audio, [9] T+A [10] и Silberstatic, [11] Blanko.nu. BenQ выпускает портативный электростатический Bluetooth-динамик. [12] Audiostatic заявляет, что производит единственный электростатический громкоговоритель полного диапазона.
MartinLogan , JansZen, Metrum Acoustics [13] , Sanders Sound Systems [14] и Sound-Lab [15] и другие создают гибридные конструкции с обычными низкочастотными динамиками или сабвуферами.
Среди электростатических полнодиапазонных динамиков, которые больше не производятся, можно отметить KLH 9, самую раннюю конструкцию полнодиапазонной акустики из США, [16] AHL Tolteque, Acoustat, [17] Servo-Statik и Immersion из Австралии.