Современный электростатический громкоговоритель

Последние годы характеризуются бурным развитием техники высококачественного звуковоспроизведения и бытовой звуковоиспрозводящей аппаратуры в частности. Немаловажное значение придается при этом дальнейшему совершенствованию громкоговорителей.

Поиски новых методов повышения качества звучания громкоговорителей заставили по-иному взглянуть на когда-то известные, а потом забытые принципы преобразования электрической энергии в звуковую. В полной мере это относится к электростатическим громкоговорителям с пленочной мембраной.

Построенные в свое время образцы таких громкоговорителей имели весьма малый коэффициент гармоник, вполне приемлемых амплитудно-частотные и фазовые характеристики, а также высокую чувствительность. Однако из-за ряда трудностей технологического характера электростатические громкоговорители не получили широкого распространения.

В настоящее время конструкторы вновь вернулись к пленочным громкоговорителям и на современной материальной базе им удалось создать излучатели, позволяющие при прослушивании высококачественной музыкальных программ в домашних условиях создать эмоциональную атмосферу, не уступающую, по мнению экспертов, атмосфере концертного зала.

История электростатических громкоговорителей

Электростатики были изобретены в Германии еще в 1880-х годах, точная дата не известна. Поскольку тогда применялись чисто механические граммофоны, первые электростатики использовались в опытах по получению ультразвука. Только в 1915 году началось развитие электромеханического, а не чисто механического звуковоспроизведения.

Тогда же начались эксперименты по применению электростатиков в звуковоспроизведении. В 1922 году родились ламповые усилители, и тут же была создана первая коммерческая акустическая система на электростатиках, предназначенная для озвучки кинотеатров. Тогда еще не были разработаны достаточно мощные магнитные материалы, и эффективность динамиков была ниже, чем электростатиков. Вскоре электростатики стали производить в заметных, для тех времен, количествах.

Их конструкция еще отличалась от современных, по большей части, те статики были однотактными и давали далекий от идеала звук. В 1927 году Ганс Вогт создал двухтактный электростатический звукоизлучатель, который остался практически неизменным и по сей день. Но уже в 1930 году были созданы первые достаточно сильные ферромагнетики, и динамические звукоизлучатели быстро вытеснили все остальные технологии.

Проблемой первых электростатиков было отсутствие подходящего материала для мембраны, обычно использовалась алюминиевая фольга. Она не обладала достаточной прочностью и гибкостью, а кроме того, имена низкое сопротивление, что приводило к тому, что при пробое пленка просто сгорала. В 1950х годах появились первые прочные полимерные пленки, и уже в 1953 году Артур Янсен (Arthur Janszen) получил патент на первый практичный электростатический громкоговоритель.

Началось возрождение статиков, совпавшее с началом эпохи стерео. Но широкого распространения статики так и не получили, оставшись уделом аудиофилов. В 1957 году появился QUAD ESL 57, настоящий долгожитель — он выпускался до 1981 года, и стал одним из самых широко распостраненных статиков.

 

 

Электростатическая акустика Quad ESL-57

В 1981 его сменил ESL 63, пожалуй, самый известный из всех статиков, решивший одну из проблем этого типа звукоизлучателей — узкую диаграмму направленности излучения. В 1982 году на Чикагской выставке Consumer Electronics Show Гейл Мартин Сандерс и Рон Логан Сазерленд представили свою собранную в гараже систему CLS — решавшую ту же проблему более простым путем — использованием изогнутой панели.

Их разработка получила приз за дизайн и конструкцию и вскоре появилась фирма Martin Logan, один из известнейших производителей электростатиков в мире. Помимо полноразмерных АС, статики применяются и в составе традиционных АС в роли высокочастотных излучателей. В 1980х годах даже производились музыкальные центры с электростатическими «пищалками». Существуют и электростатические наушники.

В 1960 году японская компания Stax начала производство первых наушников, и по сей день остается практически единственным производителем. Мэтры наушникостроения, такие как Sennheiser, AKG, Koss также время от времени выпускали электростатические наушники, занимавшие стабильно наивысшее место в линейке, например — легендарные Sennheiser HEV-90, комплект из усилителя и наушников, стоящий около 12 тысяч долларов.

Первый отечественный электростатический громкоговоритель был разработан в ИРПА им А.С. Попова в 1977 году. Речь идет о широкополосном электростатическом громкоговорители АСЭ-1 (рис.1), предназначенный для работы с усилительно-коммутационными устройствами высшего класса.

В отличии от зарубежных широкополосных электростатических громкоговорителей, в которых используется диэлектрическая пленка с особо высокоомным, обычно графитовым, покрытием (100 мОм/см²), обеспечивающий постоянство заряда на мембране. В АСЭ-1 применена более легкая и эластичная (чем графитовая) металлизированная конденсаторная пленка из полиэтилентерефталата. Это позволило несколько улучшить акустические параметры громкоговорителя, но зато потребовало принятия специальных мер для обеспечения постоянства заряда на мембране.

В АСЭ-1, кроме того, оригинальная эффективная частотно-разделительная цепь, функции индуктивности в которой выполняют обмотки и индуктивности рассеяния согласующих трансформаторов, а функции емкости — собственная емкость их обмоток и самих излучателей.

Все это, а также оптимальное расположение излучателей обеспечивало боле высокое, по отзывам слушателей, качество звучания, чем у аналогичного по размерам электростатического громкоговорителя «Quad ES» английской фирмы «Акустикал Меньюфэкчеринг Лимитед».

Основные технические характеристики АСЭ-1

В АСЭ-1 используются дифференциальный способ возбуждения мембраны, реализованный в дипольной конструкции громкоговорителя. Принцип работы таких громкоговорителей широко освещен в литературе [1,2,3,4]. Упрощенная схема электростатического громкоговорителя показана на рис.2. Металлизированная пленочная мембрана 1 натянута между жесткими перфорированными электродами 2 и 3.

Поляризующее напряжение U0 подано на электроды симметрично относительно мембраны, а звуковое U~ — антисимметрично. Под действием разности возникающих при этом сил притяжение к электродам мембрана колеблется в такт с колебаниями подданного на них напряжения звуковой частоты. Благодаря малой (5…10 мкм) толщине масса мембраны соизмерима с соколеблющейся массой воздуха, а это позволяет получить почти безынерционной режим возбуждения звуковых волн.

Сила, приводящая в движение мембрану, в отличии от диффузорных громкоговорителей, равномерно распределена по всей площади, что обеспечивает синфазный (поршневой) режим колебаний в широком диапазоне частот.

Благодаря дифференциальной конструкции громкоговорителя четные гармоники подавляются, а из-за высокого резистора К заряд на мембране не меняется. Оба этих фактора и обуславливают весьма малые нелинейные искажения электростатических громкоговорителей.

Так как электростатический громкоговоритель — диполь излучает одинаково в обе стороны, воспроизводимая им нижняя граничная частота определяется условиями акустического короткого замыкания, т.е. геометрическими размера громкоговорителя.

Ниже этой частоты, при критическом демпфировании основного резонанса мембраны, наблюдается спад АЧХ с крутизной 6 дБ на октаву. Поскольку реактивное сопротивление массы мембраны сравнимо с волновым сопротивлением воздуха только в ультразвуковом диапазоне, воспроизводимая электростатическим громкоговорителем граничная частота может превышать 20кГц.

Электростатический громкоговоритель АСЭ-1 двухполосный, с частотой раздела 400 Гц. Он состоит из 6 низкочастотных (1–6) и шести средне- и высокочастотных (7–12) излучателей (рис.3.). Входное сопротивление АСЭ-1 имеет емкостный характер и падает с повышением частоты.

Для согласования громкоговорителя с универсальным усилителем НЧ используется трансформаторный преобразователь импеданса, обеспечивающий постоянную нагрузку на усилитель при воспроизведении реальной музыкальной программы с учетом распределения мощности сигнала в диапазоне частот. Упрощенная схема преобразователя импеданса с частотно-раздилительным LC-фильтром показан на рис.4.

В лучшие зарубежные электростатические громкоговорители встраивают бестрансформаторные ламповые усилители, использую их анодное напряжение в качестве поляризующего. Это позволяет уменьшить нелинейные искажения до долей процента. Однако такое решение требует применения предварительно усилителя, которые у нас еще не выпускаются. АСЭ-1 имеет универсальный вход для подключения любого усилителя с выходной мощностью не менее 2 Вт на канал, а поляризующее напряжение поступает на громкоговоритель с выпрямителя-умножителя (рис.4).

Коэффициенты трансформации трансформатора Т1 – 350, Т2 – 70. Резисторы R1-R4 совместно с собственной емкостью излучателя создают дополнительный спад АЧХ и таким образом выравнивают модуль полного входного сопротивления в рабочем диапазоне.

Конструктивно АСЭ-1 представляет собой деревянную раму, на которой смонтированы все 12 излучателей. Воздушные зазоры между мембраной и электродами в низкочастотных излучателях составляет 2 мм, а в средне- и высокочастотных — 0,5 мм. С обеих сторон излучатели закрыты декоративной тканью. Поляризатор, преобразователь импеданса и LC-фильтр размещены в специальном отсеке, защищенном металлическом корпусе.

В настоящее время электростатический громкоговоритель АСЭ-1 осваивается в серийном производстве.

Бытовые широкополосные электростатические громкоговорители, выпускаемые за рубежом, получили заслуженное признание у любителей музыки и пользуются большим спросом. Следует, однако, заметить что для обеспечения низкой граничной частоты и высокого звукового давления площадь громкоговорителя должна достигнуть 1,5 м² (АСЭ-1 – 0,5 м²). Такие большие размеры громкоговорителей, безусловно, создают определенные трудности при установки их в жилом помещении.

Поэтому тем любителям, которые не предъявляют высоких требования к качеству звучания, использовать электростатические громкоговорители особого смысла не имеет. Это положение подтверждает и опыт развития бытовой акустики за рубежом, где параллельно совершенствуются и даже совместно применяются в акустических системах и электростатические, и динамические излучатели.

Пример — Электроника 25АС-033, где ВЧ-головка это электростатическая, а СЧ и НЧ – классические динамические головки. Примечание редакции

Правда при разработке совмещенных (так называемых династатических) систем возникают проблемы пространственного согласования излучателей связанные с получением необходимых характеристик направленности в спектре и единства тембра. Например, для уменьшения габаритов заманчиво применить в низкочастотном звене динамическую головку, однако в этом случае традиционная окраска звука в нижнем регистре снизит выигрыш от электростатических средне- и высокочастотных звеньев.

Усложняется и формирование характеристики направленности такой системы в спектре частот. Американская фирма «Koss» пошла по другому пути: в низко- и среднечастотных звеньях громкоговорителя «Koss II»она использует электростатические излучатели, что и определяет основное качество звучания, а в высокочастотном ( с 12 кГц) — динамический купол, который легко обеспечивает ширину характеристики направленности и малые искажения.

Однако здесь, по сравнению с полностью электростатическими громкоговорителями, почти нет выигрыша в габаритах.

Достоинства электростатических громкоговорителей:

• Практически идеальные АЧХ и ФЧХ — конструкция обуславливает минимум резонансов.
• Очень широкий частотный диапазон — фактически, один излучатель может работать со всем диапазоном 20 Гц — 20кГц, впрочем, основательно нагружая усилитель.
• При достаточно больших размерах, статик работает как линейный источник, и с удалением от него, громкость падает медленнее — не на 6 Дб с удвоением дистанции, а только на 3.
• Самое главное — чрезвычайно низкие искажения, на 2-3 порядка ниже, чем в динамических излучателях, сравнимые по уровню с искажениями, возникающими в усилителях.
• Простота конструкции. Это один из немногих излучателей, которые легко можно собрать самому.

Недостатки электростатиков:

• Дипольный характер излучения — статик излучает звук в обе стороны одновременно. Его нельзя размещать в комнате где попало, например, вдоль стен, так как сигнал с задней стороны будет влиять на звук.
• Отсюда вытекает малое количество НЧ из-за взаимоисключения волн, излучаемых с противоположных сторон. Бороться с этим можно либо увеличением размера, либо применением эквализации, что понижает чувствительность.А чувствительность и без того не велика, заметно ниже, чем у большинства динамических АС. Отчасти на это влияют потери в трансформаторе, но и у самого электростатика в отрыве от трансформатора она не слишком велика. Можно повысить коэффициент трансформации, но это ухудшит звук и нагрузит усилитель. Можно повысить напряжение поляризации, но у этого повышения есть предел — электрическая прочность воздуха ограничена, и после определенного порога статик уже не будет заряжаться дальше — будут постоянно происходить пробои между пленкой и статорами.
• Узкая направленность на ВЧ и СЧ. Существуют инженерные решения, борющиеся с этим, но они ухудшают качество звука.
• Максимальная громкость жестко ограничена зазором между мембраной и статорами и площадью статика это предел объемного смещения. При увеличении зазора падает чувствительность.
• Высокие рабочие напряжения, необходимость в источнике постоянного напряжения и трансформаторе, который вносит искажения, либо высоковольтном усилителе. Как следствие — малая распространённость и высокая стоимость.
• Статики притягивают пыль. :)

Работы по созданию совмещенных акустических систем продолжаются, и, возможно, со временем будет создан громкоговоритель, сочетающий преимущества динамических и электростатических систем.

Г. Ленинград.

Литература

1. Римский-Корсаков А.В., Электроакустика. М., «Связь», 1973
2. Зуев В.М., Широкополосные электроакустические системы. Научно-технический сборник «Техника средств связи», вып. 1., М., ЦООНТИ «Экос», 1978
3. Зуев В.М., Широкополосные электроакустические системы. XVIII Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Л., 1979
4. Walker P.J., Wide Range Electrostatic Loudspeakers, «Wireless World». 1955 #5, 6, 8
5. Matthys R.J., Telstar shaped electrostatic speaker, «Audio». 1964 # 5, 6

• история громкоговорителя
• история динамика
• конструкции громкоговорителей
• конструкция динамика