Электростатический громкоговоритель

Электростатический громкоговоритель (ElectroStatic Loudspeakers ESL) — вид звукоизлучателя, в котором звук создаётся с помощью мембраны, помещённой в электростатическое поле. Может обладать превосходными звуковыми качествами: крайне низким коэффициентом нелинейных искажений (порядка 0,05 %)

История появления электростатических излучателей начинается в 20-х годах прошлого века. Создание и совершенствование их конструкции было защищено несколькими патентами: одним из первых был американский патент 1921 года, в котором описывалась конструкция электростатического излучателя для телефонов (авторы Joseph Masolle, Hans Vogt и Josef Engl). В 1927 году Hans Vogt продемонстрировал на выставке в Берлине свою первую модель электростатического громкоговорителя. Позднее им же были защищены еще два патента (США 1928 г и Великобритания 1930 г), где были предложены усовершенствования, касающиеся улучшения изоляции электродов для электростатических излучателей.

В эти же годы были зарегистрированы два патента Эдварда Келлога (Edward Washburn Kellogg, один из знаменитых изобретателей электродинамического громкоговорителя, посвященных конструкции электростатических излучателей (США и Великобритания, 1929-1934 годы). В частности, он предложил идею сегментации диафрагмы электростатического громкоговорителя.

В последующее десятилетие были зарегистрированы еще несколько патентов, но существенным шагом вперед стал американский патент 1953 года (автор Arthur A. Janszen), в котором была описана конструкция высокочастотного электростатического громкоговорителя. На его основе была создана первая династатическая (динамическая и электростатическая) акустическая система AR-1, где в качестве низкочастотного звена использовался динамический громкоговоритель. Janszen продолжил разработку широкополосного электростатического излучателя и к 1962 году создал модель KLH-9 (размером 11 х 11 дюймов).

В 1955-1980 годах появились патенты, в которых была описана подробная технология изготовления излучателей, обеспечивающая высокий уровень изоляции и защиты электродов от пробоев. Так, например, в 1955 и 1957 годах Peter James Walker и David Theodore Nelson Williamson зарегистрировали два патента (в США и Великобритании), где также была предложена технология разбиения электродов на секции для контроля характеристик направленности. Именно эти патенты послужили базой для создания знаменитой серии широкополосных электростатических громкоговорителей фирмы Quad.

В 1973 году William Wright предложил интересный патент, где предлагалось установить электростатический излучатель в закрытый корпус, заполненный газом, что позволило бы подвести более высокое поляризующее напряжение и тем самым увеличить чувствительность излучателя. Канадская фирма Dayton Wright в 80-е годы реализовала эту идею и организовала выпуск широкополосных газонаполненных электростатических систем XG1060 с диапазоном 38-18000 Гц (±3 дБ).

В этом же году Harold Beveridge опубликовал патент, в котором было предложено использовать рассеивающие линзы для расширения характеристики направленности электростатических излучателей, что и было реализовано в промышленных образцах, создаваемых его фирмой. Кроме того, был запатентован ряд конструкций усилителей и трансформаторов для таких излучателей.

Хотя основы конструкции электростатических излучателей были подробно описаны в этих патентах, первые коммерческие модели появились только в конце 60-х годов, поскольку возникли значительные трудности с технологией их производства.

Принцип работы электростатических излучателей

Мембрана взаимодействует с электростатическим полем статора, который представляет собой металлический лист с отверстиями (или натянутую проволоку). Статоров может быть один или два, а мембрана может быть низкоомной или высокоомной.

В самом распространённом варианте высокоомная мембрана помещена между двумя статорами. На мембрану подаётся высокое напряжение относительно статоров, на статоры подаётся сигнал большой амплитуды (звуковой сигнал большого напряжения). В результате между мембраной и статорами возникает переменное электростатическое поле, двигающее мембрану. Поле действует равномерно на всю мембрану, а мембрана имеет крайне низкую массу, благодаря этому достигаются высокие характеристики.

Импеданс электростатического громкоговорителя линейно уменьшается с частотой. При этом на низких и средних частотах он равен десяткам Ом, поэтому громкоговорители используются с трансформатором.

Верхний частотный диапазон электростатического громкоговорителя ограничивается способностью усилителя работать на емкостную нагрузку, а воспроизведение низких частот — пределами смещения диафрагмы между двумя неподвижными электродами. Поскольку величина зазоров в современных громкоговорителях составляет 1-1,5 мм, то смещения диафрагмы не могут быть большими и уровень излучения низких частот определяется, главным образом, размерами площади электростатического излучателя (так, например, последняя модель ESL 989 фирмы Quad имеет габариты 1335х670х315 мм). Однако слишком большая площадь поверхности приводит к узкой с большими боковыми лепестками характеристике направленности на высоких частотах, поэтому обычно широкополосные электростатики конструируются в виде набора отдельных пластин для воспроизведения различных частотных диапазонов.

Масса диафрагмы электростатика существенно меньше массы подвижной системы динамического громкоговорителя, а масса воздуха в слое между диафрагмой и электродами и в отверстиях электродов довольно большая (масса воздуха на единицу площади примерно в пять раз больше чем масса самой диафрагмы на единицу площади), и она демпфирует колебания диафрагмы. Именно поэтому уровень переходных искажений в электростатических излучателях существенно меньше, чем в обычных громкоговорителях.

Одной из серьезных проблем при конструировании электростатических громкоговорителей является пробой из-за высоких напряжений за счет ионизации слоя воздуха и нарушения изоляции электродов.

Несмотря на относительную простоту принципов построения, для промышленного освоения электростатических громкоговорителей понадобились десятилетия напряженной работы. Необходимо было решить такие проблемы, как выбор материалов для мембран и электродов, отработка технологии нанесения электроизоляционных покрытий, разработка специальных усилителей и т.д. В современных конструкциях диафрагма изготавливается из тонкого пленочного синтетического материала (например, майлара толщиной 8 мкм с нанесенным на поверхность проводящим графитовым покрытием).

Поскольку сила за счет электростатического взаимодействия мала, необходимо большое поляризующее напряжение (8-10 кВ), из-за чего возникают серьезные проблемы с изготовлением электродов. Электроды должны быть очень жесткими (чтобы в них не возникали изгибные колебания), но акустически прозрачными, то есть иметь достаточное количество отверстий, на острых краях которых и возникает максимальная опасность пробоя.

Отработка технологии нанесения проводящего покрытия на поверхность краев отверстий представляет непростую проблему. Электроды должны иметь исключительно ровную и однородную поверхность для равномерного распределения заряда. Обычно используются перфорированные металлизированные пластины или металлические сетки. Изоляторы между мембраной и электродами должны обеспечивать равномерную центровку мембраны относительно электродов (в противном случае возникают значительные нелинейные искажения) и обеспечивать изоляцию при больших напряжениях (до 10 кВ). Пробой при таких напряжениях представляет значительную опасность.

Таким образом, много факторов влияет на параметры и качество звучания излучателей: выбор размеров и материалов для электродов, расстояние между мембраной и электродами, однородность конструкции, надежность изоляции, технология нанесения токопроводящих покрытий, величина поляризующего напряжения и другие. Однако, несмотря на технологические проблемы, потребовавшие много лет для их решения в промышленном масштабе, существует немало фирм, выпускавших и продолжающих выпускать электростатические излучатели.

Достоинства и недостатки электростатических громкоговорителей

Производители руководствуются несомненными преимуществами электростатических громкоговорителей перед электродинамическими в качестве звучания. Такой прозрачности и чистоты звука, особенно при воспроизведении классической музыки, которые можно услышать через электростатические излучатели, не удается получить с применением электродинамических громкоговорителей. Это связано, прежде всего, с тем, что легкая и тонкая мембрана обладает значительно меньшей инерционностью по сравнению с подвижной системой громкоговорителя.

Как было отмечено ранее, мембрана электростатика движется в однородном электрическом поле, что приводит к отсутствию нелинейных искажений (которые обусловлены движением катушки в зазоре динамического громкоговорителя, где ей приходится смещаться в неоднородном и несимметричном магнитном поле). Наконец, тонкая мембрана сильно натянута и демпфируется слоями воздуха, поэтому для нее нехарактерны выраженные резонансные колебания, типичные для диафрагм динамических громкоговорителей.

Однако, наряду с несомненными преимуществами, электростатические громкоговорители имеют ряд недостатков. Поскольку смещение мембраны мало, возникают проблемы с воспроизведением низких частот. Как уже было сказано, требуется большая площадь, а это, в свою очередь, вызывает обострение характеристики направленности в области средних и высоких частот. Кроме того, поскольку диафрагма излучает в обе стороны, то есть это излучающий диполь, то чрезвычайно критичным является установка электростатических излучателей в помещении. Наконец, значительные проблемы связаны с согласованием этих излучателей с усилителем, поскольку они представляют собой чисто емкостную нагрузку.

Модели электростатических громкоговорителей

Ведущим производителем лучших электростатических излучателей была и остается английская фирма Quad, которую в 1936 году основал Peter Walker. Первоначально она занималась разработкой акустики и усилителей для озвучивания, а в 1949 году было начато производство высокочастотного ленточного излучателя, в этот же период компания получила название QUAD (Quality Unit Amplified Domestic). В 1955 году фирма приступила к производству первого в мире широкополосного электростатического громкоговорителя, который позже был назван ESL 57.

Многие компании пытались повторить эту конструкцию, однако такой чистоты и прозрачности звучания достичь не удалось. Для ESL 57 были разработаны специальные усилители: Quad 303, затем 405 и др. Выпуск излучателя продолжался до 1985 года, всего было продано 60000 экземпляров. Репутация этой модели была настолько высока, что в 1978 году фирме была присуждена Королевская премия за достижения в технологии, чего не случалось никогда раньше в индустрии бытовой аудиотехники.

В 1981 году фирма начала производство нового излучателя ESL 63, который иначе называли FRED (Full Range Electrostatic Doublet). В нем была применена принципиально новая технология изготовления диафрагм в виде концентрических круглых колец, включенных через линии задержки, что позволило существенно улучшить характеристики направленности. Параметры этого громкоговорителя следующие: диапазон 35-20000 Гц (спад на краях 6 дБ), неравномерность 2 дБ, максимальное звуковое давление 100 дБ.

 В 2000 году было начато производство моделей ESL 988 и ESL 989, в которых были использованы практически совершенно новые технологии изготовления мембран и электродов, новые трансформаторы и усилители, хотя принцип кольцевых излучателей с линиями задержки сохранился. Все это позволило получить прекрасные параметры и, по отзывам многочисленных экспертов, необычайно чистое, прозрачное звучание. Например, ESL 988 имеет диапазон 20-20000 Гц, максимальное звуковое давление 100 дБ, индекс направленности 125 Гц — 5 дБ, 500 Гц — 6,4 дБ, 1 кГц — 7,2 дБ, 8 кГц — 10,6 дБ, габариты 940х670х315 мм. В модели ESL 989 введена добавочная низкочастотная панель для улучшения воспроизведения басов.

В настоящее время выпуском электростатических громкоговорителей и многочисленных моделей акустических систем с ними занимаются 87 фирм, всего представлено на рынке более 250 моделей. Следует, правда, отметить, что подавляющее большинство акустических систем представляют собой комбинированные (династатические) модели, в которых низкочастотное звено динамическое (часто отдельный низкочастотный блок — субвуфер), а средне- и высокочастотное звено — электростатическое. Такие совмещенные системы имеют больший динамический диапазон на низких частотах, но переход от одного типа излучателей (электродинамических) к другим (электростатическим) создает много проблем с однородностью тембра звучания. К примеру компания «Martin Logan» с громкоговорителем «Ethos Overview».

Среди производителей электростатических излучателей можно отметить такие всемирно известные компании, как Telefunken, Isophon, Grundig (Германия), Sony (Япония), Koss, Infinity, ESS, Beveridge, Martin Logan (США), B&W (Великобритания). Каждая из них внесла свой вклад в модернизацию конструкции и улучшение технологии электростатических излучателей.