Электростаты акустика своими руками

«Анатомия» домашних акустических систем: электростаты. Ода ровной АЧХ, страсти по цене, возможности DIY

Развивая цикл о критериях выбора акустических систем, я решил продолжить повествование рассказом об излучателях. Каждому типу будет посвящён отдельный материал, в этом посте я расскажу об электростатических акустических системах.

Электростатические системы стоят особняком в силу их не большой распространённости, высокой стоимости, а также уникальных характеристик. Те, кто слышал электростатическую акустику, знают о том, что точность передачи звука в подобных системах существенно выше, чем у большинства АС других типов.

Простой принцип – сложные технологии

Физический принцип, на котором основана работа электростатов, достаточно прост. Колебания звуковой частоты создаются токопроводящей сверхтонкой (от 15 до 3 микрон) мембраной (как правило, с высоким сопротивлением), на которую подается ток высокого (до нескольких кВ) напряжения.

Мембрана, взаимодействуя с электрическим полем статоров (на которые подаётся звуковой сигнал большого напряжения с разной, для каждого статора полярностью), излучает звуковые волны. В качестве статоров, в большинстве случаев, используются перфорированные листы металла (стали или алюминия) или проволока, мембрана изготавливается из сверхтонких синтетических плёнок. Принцип позволяет свести искажения к исчезающе малым величинам и получить практически идеально ровную АЧХ.

Несмотря на кажущуюся простоту, технологическая реализация принципов электростатической акустики тяжело приживается в массовом производстве. Производителей такой акустики (не считая наушников) можно в буквальном смысле пересчитать по пальцам двух рук. Причины низкого интереса крупных игроков аудиорынка к электростатам много, основные, следующие: дорогостоящая мембрана, высокие требования к сборке, необходимость в использовании усилителей с выходным трансформатором, либо применение трансформатора в конструкции АС. Как следствие всего вышеописанного, стоимость АС становится достойной описания в баснях Крылова.

Большой проблемой для электростатических систем стало воспроизведение низких. Так как для полноценного звучания в низкочастотной и мид-бас диапазоне необходима огромная (несколько квадратных метров) площадь излучателя. Для решения этой проблемы без увеличения площади мембраны, электростаты оснащают дополнительными электродинамическими излучателями и, соответственно, кроссоверами для разделения полос.

Краткая история электростатов от 19-го века до наших дней

Большинство источников сходятся на том, что сам принцип работы электростатических излучателей почти ровесник электроакустики, как области физического знания, и появился в конце 19 в. Впервые такое устройство было продемонстрировано на Парижской электрической выставке в 1881 году.

Попытки создать электростатическую АС начались ещё до Великой (первой мировой) войны. С 1920-х годов известно использование коммерческих однотактных (с 1-м статором) электростатов для озвучивания концертных площадок, залов заседаний, открытых площадок для массовых мероприятий, а также для воспроизведения музыки в дорогих немых кинотеатрах. Такие АС применялись с первыми ламповыми усилителями.

Наиболее успешными в коммерческом отношении (в 20-х – 30-х) стали первые двухтактные электростатические АС, созданные немецким инженером Гансом Фогтом.

Эти АС ограниченно применялись в кинотеатрах для звукового кино до конца 30-х годов. Главной проблемой АС этого типа в то время была низкая живучесть, за счет использования низкоомной алюминиевой фольги (экспериментировали также с золотой фольгой и рядом других проводников), которая имела свойство сгорать при пробое. Развитие ферромагнетиков (соответственно электродинамических громкоговорителей), и отсутствие эффективных материалов для создания мембран остановило дальнейшее развитие электростатов вплоть до 50-х.

Следующим эпохальным моментом в развитии электростатов стало появление лавсана, который был наиболее подходящим материалом для мембраны. В 1953-м году Артур Янсен получает патент на новый тип электростатического излучателя, а уже в 1957-м появляется самый долгоживущий электростат QUAD ESL57, выпуск которого продолжался вплоть до 1981-го года. Оригинальные конструкции предлагали Вильямсон и Рид.

Настоящим прорывом для электростатической акустики стал стартап Гейла Мартина Сандерса и Рона Логана Сазерленда, которые, «изваяв» в гараже электростатическую акустику оригинальной конструкции, вытащили её на Свет Божий и показали честному люду на Чикагской CES в 1982-м году.

Результат был внушительным: изобретение стало призёром выставки, а партнёры разработчики по сей день зарабатывают серийным производством электростатов. К слову, компания Martin Logan заслужено считается одним из лучших производителей таких АС.

Достоинства

Одним из главных достоинств электростатических АС является исчезающе низкий уровень искажений. THD составляет не более 0,5 %, IMD не превышают 1 %, практически отсутствуют фазовые искажения. Ещё одним внушительным плюсом является то, что неравномерность АЧХ современных электростатов находится в пределах ±3 дБ. Широкий частотный диапазон (в среднем от 100 Гц до 40 000 кГц). АС c большой площадью мембраны могут успешно справляться с мидбасом и низкими.

За исключением сравнительно низкой чувствительности и иногда ограниченного нижнего порога частотного диапазона в отношении звуковоспроизведения, электростатические АС практически не имеют недостатков и сравнимы, пожалуй, только с ионофонами.

Идеальными для современных электростатов характеристиками обладает активная комбинированная (ЭС+ динамический бас) АС Martin Logan Renaissance ESL 15A.

• Минимальная рекомендуемая мощность, Вт: 20
• Максимальная мощность, Вт: 700
• Чувствительность: 92 дБ
• Импеданс: 4 Ом
• Диапазон воспроизводимых частот: 22-21000 Гц (±3 дБ)
• Частота разделения кроссовера: 300 Гц
• THD: менее 0,1 %
• IMD: менее 0,5 %

Недостатки

DIY электростаты – не миф, но факт

Простота принципа работы электростатических АС открывает возможности для самостоятельной разработки. У меня есть сомнения, что можно легко самостоятельно собрать электростаты, дотягивающие до уровня серийных образцов, но люди, у которых руки растут из туловища, обычно не тратят время на поиски лёгких путей.

Так или иначе, гаражный опыт Гейла Мартина Сандерса и Рона Логана Сазерленда показывает практическую осуществимость подобного смелого замысла. Кто знает, возможно через 10 лет пульт будет торговать электростатами одного из читателей этих строк.

Пользователь KRIdas даёт очень ценные рекомендации по самостоятельному созданию электростатической АС в конференции на xbit.

Несколько важных моментов, о которых писал KRIdas:

• Необходимо использовать плёнку толщиной не более 30 микрон (лучше попасть в диапазон от 3 до 15 микрон)
• В качестве перфорированных решеток можно использовать стальные или алюминиевые листы с диаметром отверстий 3 мм и шагом 4 мм
• зазоры между мембраной и статорами должен составлять около 3 мм

Совсем немного джинсы

В нашем каталоге представлены несколько электростатических акустических систем. Наши эксперты постарались выбрать лучшее из того, что сегодня существует на рынке этих бескомпромиссных устройств. Качество удовлетворит даже самых притязательных аудиофилов. Предупреждаю – цены не просто кусаются, но норовят отгрызть руку вместе с кредиткой.

Источник

Электростатическая акустика с широкой диаграммой направленности

Электростатическая акустика с широкой диаграммой направленности — это модификация звукопроизводящего изделия, в составе которого есть электростатический излучатель, при этом он обладает свойствами контрапертурной акустики. Данный излучатель позволяет преобразовывать в акустический сигнал звук среднего и высокого диапазона. Конструктивной особенностью излучателя является то, что ширина гораздо меньше его высоты.

Электростатический излучатель заключен в специальном корпусе, состоящем из двух оснований (верхнее и нижнее), между которыми зафиксированы два отражателя. Последние размещены с каждой из сторон панели, чтобы можно было отражать излучения.

Конструкция отражателей — жесткая, а форма представлена в виде криволинейной поверхности первого порядка. Образующая такой поверхности кривая с фиксированным радиусом. Как вариант форма может быть эллипсоидной либо в виде параболоида.

Цель такой конфигурации — максимально широкая область распространения звуковых волн.

В отличие от традиционных электродинамических громкоговорителей электростатические модификации пользуются меньшей популярностью. Причина в достаточно крупных габаритах конструкций, а также в узкой диаграмме направленности в области высоких частот. Кроме того, акустическое короткое замыкание не позволяет воспроизводить изделием звук на низких частотах.

Но при этом электростатические громкоговорители выделяются способностью воспроизводить звук средних и высоких частот на высочайшем качественном уровне, благодаря более качественным импульсивным характеристикам. Кроме того, изделия отличаются незначительной массой излучающего элемента. Эти преимущества по достоинству оценены профессионалами и любителями высококачественного звука.

Причина указанных ограничений заключается в величине размеров пленки электростатического громкоговорителя, которая работает в поршневом режиме и является излучающей поверхностью всего изделия.

Как известно из принципа Гюйгенса-Френеля форма волны аналогична форме излучателя (в данном случае в виде плоскости), когда длина волна меньше излучающей поверхности. На практике это означает, что несколько человек не сможет слушать качественную фонограмму с помощью электростатического излучателя шириной в 180 мм при частоте выше 1890 Гц. И все из-за острой направленности излучения.

Электростатический громкоговоритель с криволинейной панелью

Приемлемая диаграмма направленности излучения достигается иной конструкцией панели электростатического громкоговорителя. Достичь дугообразной формы волны с заданным углом раскрытия в горизонтальной плоскости удалось с помощью криволинейной формы панели [1,2,3] .

Рис. 1. Электростатическая акустика с цилиндрическим излучателем. Патент US3345469

Рис. 2. Электростатическая акустика с криволинейным излучателем. Патент US3892927

Рис. 3. Электростатическая акустика с цилиндрическим излучателем. Патент US6175636. К сожалению, не смогли найти изображение лучше.

Однако популярности таких изделий препятствует высокая сложность конструкции, состоящей из значительного количества элементов, поддерживающих пленку. Помимо всего прочего для изготовления подобных конструкций необходимо оборудование особой технологии и сложности.

Одним из ограничений подобных излучателей является низкая отдача. Причина такого понижения показателя в том, что снижается натянутость пленки, из провисания на участках с криволинейной поверхностью. Образуется неравномерный зазор между пленкой и статором, приводящий к уменьшению показателя напряжения, которое подводится к статорам. Кроме того, показатель напряжения поляризации пленки также снижается.

Как вариант закрепления провисающей пленки — фиксация специальным вспененным материалом, который дает полную свободу в формировании самых различных конструкций электростатического громкоговорителя [4,5] .

Рис. 4. Фиксация вспененным материалом пленки электростатического излучателя. Патент US6188772. К сожалению, не смогли найти изображение лучше. Рис. 5. Фиксация вспененным материалом пленки электростатического излучателя. Патент US6304662.

Цилиндрическая форма или его часть позволяют добиться необходимой диаграммы направленности.

Однако есть и обратная сторона вспененного материала — это его звукоизоляционные свойства, что приводит к гашению излучения со стороны крепления пленки. В итоге все приводит к снижению отдачи всей колебательной системы из-за того, то масса поддерживающего слоя существенно.

Кроме того, для того чтобы вспененный материал обладал заданными характеристиками акустики потребуется применение оборудования, разработанного по специальной технологии.

Сферический электростатическая акустика

Также есть разработки со сферической конструкцией электростатического громкоговорителя [6] .

Рис. 6. Сферический электростатическая акустика. Патент US8184832.

Такая идеальная форма конструкции обусловлена аналогичной формой волны в диапазоне высоких частот. Однако стоит иметь ввиду, что для конструирования статоров сферической формы потребуются очень точные матрицы идеальной сферической формы, а также качественные штампы.

Для минимизации провисания пленки потребуется значительное количество специальных элементов поддержки. Но все же при всех усилиях обеспечить идеальную сферическую форму не получится, так что провисания все же будут иметь место. Образовавшиеся неравномерные зазоры между пленкой и статором снижают максимальный параметр натяжения и уровень напряжения поляризации пленки.

Пластины с криволинейной поверхностью

Иным конструктивным решением плоской электростатической панели является комплекс пластин с криволинейной поверхностью, через которую и осуществляется излучение звуковых волн. Такой набор пластин образует группу волноводов, которые раскрываются на выходе в виде линзы под заданным углом. Такой подход обеспечивает в диапазоне высоких частот желанную диаграмму направленности [7] .

Рис. 7. Электростатическая акустика с криволинейной поверхностью. Патент US3668335.

Однако из-за усложненной конструкции производство линзы достаточно трудоемкое. Для качественного исполнения необходимо наличие сложного технологического оборудования, а также сложных предварительных математических расчетов.

Треугольный излучатель

Приближенную к правильной сферической поверхности электростатического излучателя можно достигнуть и с помощью совокупности излучателей в форме треугольника [9] .

Рис. 8. Треугольная электростатическая акустика. Патент US4289936.

Так тоже можно достичь приемлемых показателей диаграммы направленности в области высоких частот.

Существенным недостатком такой вариации излучателя является необходимость значительного количества излучателей в форме треугольника. Так как размеры влияют треугольников на равномерность диаграммы в широком диапазоне, то их большое количество невероятно усложняют всю конструкцию и делает производство достаточно дорогостоящим.

В частности, для обеспечения равномерного уровня диаграммы направленности до 16 кГц необходимы треугольные излучатели с габаритами сторон до 20 мм. А это технически невозможно.

Сегментированный статор

Так же существуют конструкции электростатического громкоговорителя, у которых применяется сегментированный статор [2,10] .

Рис. 9. Электростатическая акустика с сегментированном статором. Патент US4122302.

В этом случае для различных звуков, подаваемых через фильтр, предназначен свой сегмент. Широкая диаграмма направленности обеспечивается подачей полного диапазона звукового сигнала в среднюю часть конструкции, имеющей небольшие геометрические габариты.

Для средних частот предназначены сегменты, размещенные по краям конструкции. Высокочастотный звук в такой конструкции излучается совсем небольшим по площади сегментом. Отдача при этом существенно страдает, так как именно от площади пленочной поверхности зависит звуковое давление электростатического излучателя. В результате такого конструктивного недостатка на графике амплитудно-частотной характеристики наблюдается снижение графика.

Электростатическая панель с газовым наполнением

Еще одна вариация громкоговорителя содержит плоскую прозрачную электростатическую панель, представленную герметичной конструкцией с газовым наполнением [11] .

Рис. 10. Электростатическая акустика с газовым наполнением. Патент US3778562.

Плотность специального газа отличается от плотности окружающей среды. Суть конструкции заключается в том, что угол преломления звуковой волны на границе соприкосновения двух газовых сред различный.

Однако наличие газового наполнителя в предложенной конструкции не позволяет использовать такой электростатический громкоговоритель в домашних условиях. Причина в обеспечении должной герметичности емкости, содержащей газ. Кроме того, пленки, обеспечивающие необходимый уровень герметичности оказывают на сигнал определенное воздействие, что приводит к искажению звука акустической системы.

Все перечисленные выше вариации электростатического громкоговорителя страдают одной и той же группой конструктивных недостатков. Производство данных изделий достаточно сложное, как и последующая их эксплуатация.

В качестве прототипа электростатического громкоговорителя можно считать изделие с плоской трехслойной электростатической панелью [12] .

Количество слоев быть увеличено. Кроме того, конструкция содержит тонкие и гибкие мембраны. Верхний и нижний слои разделены средним слоем, который при этом является электрически изолирующим.

Нижний слой — это перфорированный жесткий токопроводящий элемент.

Трехслойный электростатический громкоговоритель обладает конструкцией, также не лишенной недостатков. Среди основных следует выделить:

• так как излучатель представлен плоской панелью, работающим в поршневом режиме, наблюдается узкая диаграмма направленности;
• так как вибрирующий токопроводящий элемент, взаимодействующий с одним перфорированным статором, то конструкция неработоспособна;
• чувствительность колебательной системы снижена из-за невозможности подачи высокого напряжения;
• в нижне- и среднечастотном диапазоне из-за небольшого диэлектрического зазора фиксируется ограничение амплитуды механических колебаний излучающего элемента.

Из всего вышесказанного следует, что наиболее оптимально данный излучатель покажет себя на ультразвуковых частотах, а вот в привычном человек диапазоне, в слышимых частотах, акустическая система нецелесообразна.

Задача по созданию электростатической акустики

Оптимально стоит задача по созданию электростатического громкоговорителя лишенного вышеуказанных недостатков с широкой диаграммой направленности.

Расширить диапазона воспроизведения (особенно в его нижней части спектра) позволят специальные криволинейные отражатели. Такие элементы, фиксируемые с обеих сторон излучателя, являются своего рода свернутым акустическим щитом.

Для решения задачи к плоскому излучателю 1 (рис. 11) добавляются акустические нижнее и верхнее основания 2 (рис. 12).

Рис. 11. Вид сверху электростатической системы с широкой диаграммой направленности. Патент RU 2 547 897 C2. Рис. 12. Общий вид электростатической акустики с широкой диаграммой направленности. Патент RU 2 547 897 C2.

При этом высота излучателя намного больше его ширины. С обеих сторон электростатического излучателя закрепляются жесткие отражатели 3 (рис. 11), имеющие криволинейную поверхность.

Рис. 13. Электростатическая акустика с газовым наполнением. Патент RU 2 547 897 C2.

Так достигается разный угол отражения звука от гладкой поверхности, а также достигается необходимая диаграмма направленности. В низкочастотной области диапазон звучания также расширяется.

Для качественного приема звука акустическая система (как дипольный громкоговоритель) направляется в сторону слушателя одной из своих сторон. Противоположная сторона системы излучает звук в стену, около которой акустика и располагается на заданном расстоянии.

Многократно отражаясь от стен помещения, излучаемый задней стороной громкоговорителя, звук достигает слушателя с определенной задержкой, и дополняют звук, излеченный передней стороной.

Различный угол раскрытия формируется в зависимости от того какой формы отражатели используются, а также от радиуса и где размещается центр дуги относительно самой панели излучателя. Для минимизации призвуков в средне и низкочастотном диапазоне следует применять только криволинейные отражатели. А гладкая и жесткая поверхность позволяет добиваться максимального отражения звука на высоких частотах.

Воспроизводимая частотная полоса расширяется в низкочастотном диапазоне в случае, когда длина звуковой волны, исходящей с обеих сторон громкоговорителя и имеющей сдвиг по фазе 180°, равна или превышает расстояние L (рис. 13). Это расстояние звук проходит от одной излучающей стороны панели до другой.

Пример расчета:

где, V_зв скорость звука, равная 343 м/с

Берем L = 700 мм, р езультат расчета будет соответствовать 485 Гц. Следовательно, если звуковая волна ниже расчетного показателя, то ее не будет слышно, так как звуковые волны, исходящие с одной стороны излучателя, замкнуться с волнами со второй стороны.

Если, например, применяется одиночная панель с шириной 185 мм, то длина пути будет 180 мм, а нижняя воспроизводимая частота составит 1890 Гц.

Выводы

Широкая диаграмма направленности в высокочастотном диапазоне и расширенным воспроизводимым диапазоном в области низких частот достигается следующей конструкцией электростатического громкоговорителя:

• вертикальные размеры изделия существенно больше ширины;
• конструкция содержит два основания;
• два жесткие гладких отражателя с криволинейной поверхностью, обеспечивающие отражение в разные стороны;
• электростатический излучатель (см. фиг. 2, поз. 1) преобразовывает электрический сигнал в акустический.

Такая конструкция электростатической акустики относительно проста в изготовлении, не требует высокотехнологичного оборудования и использует недорогие расходные материалы.

Источник