Вход/Регистрация
Вход через соц. сети        
Мы расскажем всё об акустике и о том, что с ней связано

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
Электростатическая акустика Quad ESL-57
Электростатическая акустика Quad ESL-57
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.

Отечественная электростатическая акустика АСЭ-1
Рис. 1. Отечественная электростатическая акустика АСЭ-1

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

Номинальное входное напряжение, В 8
Паспортное входное напряжение, В, не менее 20
Номинальное электрическое сопротивление (усредненный импеданс), Ом. 8
Номинальный диапазон воспроизводимых частот, Гц 45...25 000
Неравномерность АЧХ, дБ, не более 8
Среднее стандартное звуковое давление, Па 0,25
Суммарный коэффициент гармоник, %, не более 1
Поляризующее напряжение, кВ, для излучателей  
НЧ 3,6
СЧ и ВЧ 1,4
Габариты, мм 870х690х60
Масса, кг 18

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.

Принцип работы электростатических громкоговорителей

Рис. 2. Принцип работы и схема электростатических громкоговорителей

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.

Расположение динамиков в электростатическом громкоговорителе АСЭ-1
Рис. 3. Расположение динамиков в электростатическом громкоговорителе АСЭ-1

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.

Схема подключения усилителя к АСЭ-1
Рис. 4. Схема подключения усилителя к АСЭ-1

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

Добавить комментарий

Что бы вы хотели почитать?

Итоги

Радиолюбителю

Новости

  • 22 Января 2015
    Первый в мире bluetooth-граммофон
    Gramovox — bluetooth-граммофон, работающий на одной зарядке 15 часов. Устройство оснащено металлическим горном,...
  • 05 Августа 2013
    Сумасшедшие колонки
    Уникальная акустическая система Xcellon DWS-100B удивит вас танцем воды и световым шоу. Две колонки, питающиеся от USB...
  • 05 Марта 2011
    Парящая акустика
    Внешний вид акустики Dome, состоящей из двух сателлитов и сабфуфера, весьма привлекательный за счет геодизайна. Корпуса и...
  • 05 Марта 2011
    Акустика из переработанной бумаги
    Эко меломаны будут обожать TAU акустику за их экологический состав. Сделаны из переработанных материалов, составляющих акустической...
  • 29 Марта 2008
    Плазменные колонки
    Все мы знаемы два типа динамиков: самый известный и популярный — компрессионный (диффузор двигает воздух) и менее известный...
  • Все новости

Последние комментарии

  • Может дело в форме? В определении написано, что со... Подробнее...
    By Пал Палыч
  • А точнее? Спасибо Подробнее...
    By Павел
  • Ошибка в формуле расчёта эквивалентного объёма Подробнее...
    By jas57
  • Симтема с двумя выходами похоже не работает, векто... Подробнее...
    By Михаил
  • Добрый день! Пытался использовать формулу резонато... Подробнее...
    By михаил
Наверх