Электростатический громкоговоритель - Electrostatic loudspeaker
Электростатический громкоговоритель (ESL) , является акустической конструкцией , в которой звук генерируется сила , действующее на мембране суспендированной в электростатическом поле .
Дизайн и функциональность
В динамиках используется тонкая плоская диафрагма, обычно состоящая из пластикового листа, покрытого проводящим материалом, например графитом, зажатым между двумя электрически проводящими решетками с небольшим воздушным зазором между диафрагмой и решетками. Для работы с низким уровнем искажений диафрагма должна работать с постоянным зарядом на ее поверхности, а не с постоянным напряжением . Это достигается одним или обоими из двух методов: выбирается проводящее покрытие диафрагмы и наносится таким образом, чтобы придать ей очень высокое поверхностное сопротивление , и / или резистор большого номинала помещается последовательно между EHT (Extra High Tension or Напряжение) источника питания и диафрагмы (резистор на схеме не показан). Однако последний метод по-прежнему допускает искажение, поскольку заряд будет мигрировать через диафрагму в точку, ближайшую к «решетке» или электроду, тем самым увеличивая силу, перемещающую диафрагму; это будет происходить на звуковой частоте, поэтому диафрагме требуется высокое сопротивление (мегом), чтобы замедлить движение заряда для практического динамика.
Диафрагма обычно изготавливается из полиэфирной пленки (толщиной 2–20 мкм) с исключительными механическими свойствами, такой как пленка из ПЭТ . Посредством проводящего покрытия и внешнего источника высокого напряжения на диафрагму сохраняется постоянный потенциал в несколько киловольт по отношению к сеткам. Сетки приводятся в движение звуковым сигналом; передняя и задняя решетки приводятся в движение в противофазе . В результате между обеими сетками создается однородное электростатическое поле, пропорциональное звуковому сигналу. Это вызывает силу, действующую на заряженную диафрагму, и возникающее в результате движение движет воздух по обе стороны от нее.
Практически во всех электростатических громкоговорителях диафрагма приводится в движение двумя сетками, по одной с каждой стороны, потому что сила, действующая на диафрагму со стороны одной сетки, будет недопустимо нелинейной, что приведет к гармоническим искажениям . Использование сеток с обеих сторон исключает часть нелинейности, зависящую от напряжения, но оставляет часть, зависящую от заряда (силы притяжения). Результат - почти полное отсутствие гармонических искажений. В одной из последних разработок диафрагма приводится в действие звуковым сигналом, а статический заряд находится на решетках (Transparent Sound Solutions).
Решетки должны быть в состоянии генерировать как можно более однородное электрическое поле, но при этом пропускать звук. Поэтому подходящими конструкциями решеток являются перфорированные металлические листы, каркас с натянутой проволокой, катанка и т. Д.
Для создания поля достаточной напряженности звуковой сигнал в сетях должен быть высокого напряжения. По сути, электростатическая конструкция представляет собой конденсатор, и ток необходим только для зарядки емкости, создаваемой диафрагмой и пластинами статора (в предыдущих параграфах назывались решетками или электродами). Следовательно, этот тип громкоговорителей является устройством с высоким сопротивлением . Напротив, современный электродинамический конусный громкоговоритель представляет собой устройство с низким импедансом и более высокими требованиями к току. В результате для использования обычного усилителя необходимо согласование импеданса . Чаще всего для этого применяют трансформатор . Конструкция этого трансформатора имеет решающее значение, поскольку он должен обеспечивать постоянный (часто высокий) коэффициент трансформации во всем слышимом частотном диапазоне (т. Е. Большую полосу пропускания) и, таким образом, избегать искажений. Трансформатор почти всегда специфичен для конкретного электростатического динамика. На сегодняшний день компания Acoustat построила единственный коммерческий «бестрансформаторный» электростатический громкоговоритель. В этой конструкции аудиосигнал подается непосредственно на статоры от встроенного высоковольтного лампового усилителя (поскольку клапаны также являются устройствами с высоким импедансом) без использования повышающего трансформатора.
Преимущества
К преимуществам электростатических громкоговорителей можно отнести:
- уровень искажений на один-два порядка ниже, чем у обычных диффузоров в коробке
- чрезвычайно легкий вес диафрагмы, которая перемещается по всей ее поверхности
- образцовая частотная характеристика (как по амплитуде, так и по фазе ), поскольку принцип создания силы и давления почти свободен от резонансов, в отличие от более распространенного электродинамического драйвера.
Музыкальная прозрачность может быть лучше, чем у электродинамических динамиков, потому что излучающая поверхность имеет гораздо меньшую массу, чем у большинства других динамиков, и, следовательно, гораздо менее способна накапливать энергию для последующего высвобождения. Например, типичные динамические динамики могут иметь подвижные массы в десятки или сотни граммов, тогда как электростатическая мембрана весит всего несколько миллиграммов, что 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 сопряжения, тем самым способствуя демпфированию резонанса, нарастающего самим воздухом, в значительной, хотя и не полной, степени. Электростатика также может быть реализована в виде полнодиапазонных конструкций без обычных кроссоверных фильтров и корпусов, которые могут окрашивать или искажать звук.
Поскольку многие электростатические громкоговорители представляют собой высокие и тонкие конструкции без кожуха , они действуют как источник вертикальной дипольной линии. Это приводит к совершенно иному акустическому поведению в помещениях по сравнению с обычными электродинамическими громкоговорителями. Вообще говоря, дипольный излучатель с большой панелью более требователен к правильному физическому размещению в комнате по сравнению с обычным громкоговорителем в корпусе, но, оказавшись там, он с меньшей вероятностью будет вызывать плохо звучащие резонансы в комнате, а его прямое попадание внутрь. - коэффициент отраженного звука выше примерно на 4–5 децибел. Это, в свою очередь, приводит к более точному стереовоспроизведению записей, которые содержат правильную стереофоническую информацию и атмосферу места проведения. Плоские (плоские) драйверы имеют тенденцию быть очень направленными, что дает им хорошие качества изображения, при условии, что они аккуратно размещены относительно слушателя и отражающих звук поверхностей в комнате. Были построены изогнутые панели, что сделало требования к размещению немного менее строгими, но несколько ухудшило точность изображения.
Недостатки
К типичным недостаткам относятся чувствительность к уровням влажности окружающей среды и отсутствие басов из-за отмены фазы из-за отсутствия корпуса, но они присущи не всем конструкциям. Точка спада низких частот 3 дБ возникает, когда самый узкий размер панели равен четверти длины волны излучаемой частоты для дипольных излучателей, поэтому для Quad ESL-63, ширина которого составляет 0,66 метра, это происходит на частоте около 129 Гц, что сравнимо со многими колонками в корпусе ( рассчитано со скоростью звука 343 м / с). Существует также сложная физическая проблема воспроизведения низких частот с помощью натянутой вибрирующей пленки с небольшой амплитудой отклонения; однако, поскольку большинство диафрагм имеют очень большую площадь поверхности по сравнению с диффузорами, требуются лишь небольшие отклонения амплитуды для вывода относительно большого количества энергии. В то время как бас отсутствует количественно (из-за меньшего хода, чем у диффузорных динамиков), он может быть лучшего качества («плотнее» и без «грохота»), чем у электродинамических (диффузорных) систем. Подавление фазы можно отчасти компенсировать с помощью электронного выравнивания (так называемая полочная схема, которая усиливает область внутри звукового диапазона, где генерируемое звуковое давление падает из-за подавления фазы). Тем не менее, максимальные уровни низких частот не могут быть увеличены, потому что они в конечном итоге ограничиваются максимально допустимым ходом мембраны, прежде чем она подойдет слишком близко к высоковольтным статорам, что может вызвать электрическую дугу и прожечь в ней дыры. Недавние, технически более совершенные решения для ощущаемого 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). . Другой часто применяемый трюк - усиление низких частот (20–80 Гц) с более высоким коэффициентом трансформации, чем средние и высокие частоты.
Этот относительный недостаток громких басов часто компенсируется гибридной конструкцией, в которой используется динамический громкоговоритель, например сабвуфер , для обработки низких частот , а электростатическая диафрагма обрабатывает средние и высокие частоты. Многие считают , что лучший блок низких частот для гибридов драйвера конусных установлен на открытых дефлекторах как диполи, линия передачи вуфер или рог , так как они обладают примерно такими же качествами (по крайней мере , в басе) как электростатические громкоговорители, т.е. хорошей кратковременной реакция, Литтл окраска коробки и (в идеале) ровная частотная характеристика. Однако часто возникает проблема с объединением такого низкочастотного динамика с электростатикой. Это связано с тем, что большинство электростатических устройств являются линейными источниками , уровень звукового давления которых уменьшается на 3 дБ при каждом удвоении расстояния. С другой стороны, уровень звукового давления конического динамика уменьшается на 6 дБ с каждым удвоением расстояния, поскольку он ведет себя как точечный источник . Это может быть преодолено теоретически более элегантным решением использования обычных конических вуферов в открытой перегородке или двухтактной компоновкой, которая создает биполярную диаграмму направленности, аналогичную диаграмме направленности электростатической мембраны. Это все еще подвержено фазовому подавлению, но конические вуферы могут быть переведены на гораздо более высокие уровни из-за их более длительного хода, что упрощает выравнивание до плоского отклика, и они добавляют искажения, тем самым увеличивая площадь (и, следовательно, мощность) ниже частоты график отклика, увеличивая общую низкочастотную энергию, но снижая точность воспроизведения сигнала.
Альтернативный вариант - заключить электростатические элементы и использовать их как «монополи». Это позволяет избежать многих недостатков работы диполя, в первую очередь значительного уменьшения отражений в помещении и, следовательно, искажения записываемой атмосферы. Поскольку нет попытки сделать динамик визуально прозрачным , это также позволяет нанести материалы на заднюю часть панели, чтобы обеспечить полное демпфирование мембранного резонанса, 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, что обеспечивает достаточно широкий диапазон наилучшего восприятия. Это позволяет использовать увеличение уровня звукового давления на 3 дБ / октаву с увеличением частоты, увеличивая чувствительность. Он не работает как линейный массив, поэтому вуферы легче интегрировать. Наконец, большей части оставшихся 3 дБ можно противодействовать, отфильтровав высокие частоты сигнала до половины или более ширины, что по совпадению увеличивает дисперсию и, следовательно, зону наилучшего восприятия. Колонки JansZen включают все эти альтернативные функции. Они также используют вуферы с акустической подвеской (герметичные корпуса), которые имеют самую низкую групповую задержку из всех конфигураций и, следовательно, наилучшие шансы на беспроблемную интеграцию с электростатикой. Панели также хорошо защищены от скопления переносимых по воздуху загрязняющих веществ, что исключает необходимость периодического ремонта.
Направленность электростатики также может быть недостатком, так как это означает, что «зона наилучшего восприятия», где можно услышать правильное стереоизображение, 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). Инженер Critical Mass и генеральный директор Вейд Альфароне использовал направленную природу электростатики, создав отдельные звуковые поля для разных мест в автомобиле.
Электростатические диафрагмы динамиков из-за их тенденции притягивать пыль, насекомых, проводящие частицы и влагу постепенно изнашиваются и требуют периодической замены. Им также необходимы меры защиты, чтобы физически изолировать их части под высоким напряжением от случайного контакта с людьми и домашними животными. Рентабельные услуги по ремонту и восстановлению доступны практически для всех существующих и снятых с производства электростатических громкоговорителей.
Колонки любительской сборки
Электростатические громкоговорители пользуются некоторой популярностью среди производителей громкоговорителей, которые делают своими руками. Это один из немногих типов динамиков, в которых сами преобразователи могут быть созданы с нуля любителем, поскольку базовое оборудование для полных проектов ESL DIY можно найти в Интернете. В комплект поставки входят резисторы и конденсаторы для выравнивания частот RC-цепи , если это необходимо; повышающие трансформаторы ; перфорированные металлические листы или решетки и изоляционные пластмассы для статоров; полимерная пленка и проводящая краска (например, суспензия жидкого графита ) для мембраны; простое натяжное оборудование для правильной настройки мембраны; и каркас, обычно из дерева, чтобы все скрепить. Широко читаемый энтузиастами ESL ресурс - это The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN 978-1-882580-00-2 ) известного специалиста по ESL Роджера Сандерса.
Коммерческие спикеры
Артур Янзен получил патент США 2631196 в 1953 году на электростатический громкоговоритель. Он работал во флоте над разработкой высокочастотного источника с низким уровнем искажений для наведения на торпеды. После войны он разработал технологию производства электростатических динамиков, которые будут использоваться с обычными коническими вуферами, известными как электростатические гибриды. Он дал лицензию Neishammny Electric на производство этих динамиков. В начале 1970-х годов компания Electronic Industries из Миннеаполиса получила лицензию и права на производство электростатических динамиков JansZen. В 1974 году Electronic Industries представила новую проволочную оболочку для твитера ESL, которая значительно снизила стоимость производства. Он также оказался полностью надежным. Несколько больших массивов этих твитеров фактически использовались в качестве систем громкого оповещения на концертах в Миннеаполисе. В конце 1970-х годов собственность снова изменилась, и компания была куплена. Планировалось предложить электростатические динамики в автомобилях, но они так и не были запущены в производство. Дэйв Уилсон из Wilson audio использовал твитеры JansZen в своем знаменитом WAMM, Wilson Audio MOdulator Monitor. Когда производство было прекращено, эти колонки были проданы за пару 220 000 долларов. Разработчики триэргон звука на пленку звук пленки системы была разработана примитивная конструкция электростатического громкоговорителя еще в 1919 году Дэвид JansZen, сын Артура JansZen, используя документы отца и конструкции представил свою собственную версию электростатических гибридных динамиков . Его компания, все еще работающая, не была связана со спикерами Electronic Industries JansZen. Компания г-на Янзена, JansZen, все еще создает усовершенствованную версию его оригинального дизайна. KLH Nine был разработан в середине 1950-х годов Артуром А. Янзеном, и тысячи были проданы после того, как дизайн был передан KLH в 1959 году и запущен в регулярное производство.
Счетверенная Электроакустика
Первый полностью успешный полнодиапазонный электростатический динамик, а также один из самых влиятельных, был выпущен в 1957 году: Quad Electrostatic Loudspeaker (Quad ESL, позже известный как ESL-57) от Quad Electroacoustics , Хантингдон , Англия. По форме они напоминали бытовой электрический радиатор, слегка изогнутый по вертикальной оси. Они вызывали всеобщее восхищение за их ясность и точность, но с ними может быть трудно работать при достижении низких частот на выходе.
Quad ESL были разработаны Питером Уокером, основателем компании, и Дэвидом Уильямсоном. Первым в серии был ESL-57, созданный под влиянием патента США 1 983 377, разработанный Эдвардом В. Келлогом для General Electric в 1934 году. 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 в качестве преемника ESL-57. Он попытался устранить как недостаток воспроизведения низких частот ESL-57, так и его крайнюю направленность на высоких частотах. Последняя цель достигается путем разделения статоров на восемь концентрических колец, каждое из которых запитывается с небольшой задержкой по времени по сравнению с кольцом, направленным непосредственно внутрь, таким образом пытаясь имитировать точечный источник.
Хотя производство ESL-63 было прекращено в 1999 году, Quad продолжает производство электростатических динамиков. Компания 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 в электронике и преобразователе.
Другие производители
Другие производители, которые в настоящее время производят электростатические громкоговорители, включают Immersion из Австралии, Solosound из Нидерландов , King's Audio, Panphonics из Финляндии , Cadence Audio из Пуне , T + A и Silberstatic из Германии. В конце 2014 года тайваньский производитель технологий BenQ выпустил первую в мире портативную электростатическую Bluetooth-колонку treVolo.
Audiostatic, Blanko.nu - исключительно ламповые активные электростатические громкоговорители, производимые вручную в Голландии, Sound-Lab производит эксклюзивные электростатические панели полного диапазона. Единственный активный полнодиапазонный электростатический динамик, производимый в настоящее время, - это Audiostatic DCA-5. В настоящее время JansZen предлагает активные (с электроприводом) версии двух своих гибридных моделей: Carmelita Active (на стойке) и Valentina Active (на полу).
MartinLogan , JansZen , Metrum Acoustics, Sanders Sound Systems и Sound-Lab создают гибридные конструкции с обычными вуферами или сабвуферами.
Среди электростатических широкополосных громкоговорителей, которые больше не производятся, - KLH 9, первая в США широкополосная конструкция. В идеальных комнатных условиях низкие частоты хорошо поддерживаются вплоть до 40 Гц при -3 дБ (70 Гц в полностью безэховых условиях), но начинают спадать до 80 Гц, если мембраны низкочастотного динамика были чрезмерно натянуты при производстве или из-за возраст. Было произведено несколько моделей Acoustat, а также Infinity Servo-Statik и его преемники, в которых использовался динамический низкочастотный динамик / сабвуфер на низких частотах. Sanders Sound Systems является преемником несуществующей Innersound.