Электростатические звукоизлучатели
В 1960 году японская компания Stax начала производство первых электростатических 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
 
Я интересуюсь темой качественного звуковоспроизведения, успел почерпнуть кое-какие знания, и у меня возникло желание просветить публику о не слишком известной, но очень интересной и простой технологии - электростатических громкоговорителях, которые, собственно, и обратили мой интерес в сторону аудиотехнологий, тем более, что несколько раз они упоминались в комментариях, но никто не углублялся в подробности.

Электростатические звукоизлучатели
Martin Logan CLX

Что такое электростатический громкоговоритель? Это один из самых распространённых видов нетрадиционных звукоизлучателей, основанный на принципе электростатического взаимодействия. Его преимуществами являются чрезвычайная простота конструкции и недосягаемое для динамических громкоговорителей качество звука. Именно электростатики дают наименьшие искажения из всех типов звукоизлучателей.


История электростатических громкоговорителей


Электростатики были изобретены в Германии еще в 1880х 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 распостранения 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. В 1981 его сменил ESL 63, пожалуй, самый известный из всех статиков, решивший одну из проблем этого типа звукоизлучателей - узкую диаграмму направленности излучения.

Электростатические звукоизлучатели
QUAD ESL 63

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.

Электростатические звукоизлучатели
Martin Logan CLS

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.

Электростатические звукоизлучатели
Sennheiser HEV-90

А что же было в нашей стране? Надо сказать, что и в СССР статики разрабатывали и производили, да и до сих пор производят. В 1977 году в ИРПА им А.С. Попова был разработан первый отечественный электростатик АСЭ-1.

Электростатические звукоизлучатели
АСЭ-1

К сожалению, простой советский гражданин получил возможность приобщиться к миру электростатического звука только в 1988 году, когда в серию был запущен полноразмерный 25АСЭ-101 и династатическая АС 35АСДС-017, представлявшая собой гибрид из НЧ и СЧ секций от 35АС-018 и ВЧ панель от 25АСЭ-101.

Электростатические звукоизлучатели
25АСЭ-101

Советские статики имели не самую лучшую конструкцию, акустические трансформаторы и, кроме того, использовали толстую, 25 микрон, металлизированную лавсановую пленку («цветочная» упаковочная пленка), что вносило дополнительные искажения и понижало надежность, но тем не менее, на голову превосходили все остальные АС по качеству звука. После распада СССР 25АСЭ-101 была модифицирована, в частности, стали использовать 6 микронную высокоомную пленку для мембраны, переименована в «Статик», и выпуск продолжился. Сейчас выпускается, хоть и практически в штучных количествах уже «Статик-2М», весьма серьезная АС, по цене заметно ниже любых западных электростатических АС - около 4 тысяч долларов.

Электростатические звукоизлучатели
Статик-2М

Принцип работы электростатиков


Думаю, читателю уже интересно, что же это за такой волшебный электростатик? :) На самом деле, все просто и гениально. Вспомните школьный курс физики, электростатическое взаимодействие, одноименные заряды отталкиваются, противополоные притягиваются. Именно этот закон и лежит в основе принципа действия статиков.

Электростатические звукоизлучатели
Устройство электростатического звукоизлучателя

Между статорами - пластинами из перфорированного металла, покрытыми защитным лаком, предотвращающи пробои, натянута тонкая высокоомная мембрана из прочного полимерного материала, практически всегда используется лавсан, он же полиэтилентерефталат. К мембране приложено высокое (1-10кВ) напряжение поляризации, создающее на мембране электрический заряд. На статоры же подается звуковой сигнал высокого напряжения, простые усилители такого напряжения не развивают, поэтому для согласования используют трансформаторы. При этом мембрана начинает притягиваться к одному статоро и отталкиваться от другого, и наоборот. Движение мембраны приводит в действие воздух, который проходит сквозь отверстия в статорах.

Электростатические звукоизлучатели
Так работает электростатический звукоизлучатель

Такая конструкция имеет 2 основных фактора, обеспечивающих высокое качество звука:
Во-первых, электростатическое поле между статорами практически однородно, и на мембрану по всей ее площади воздействует одна и та же сила, вся мембрана двигается как единое целое, что обеспечивает постоянный поршневой режим на всех частотах, в отличие от динамиков, где на высоких частотах происходит «излом» диффузора.
Во-вторых, масса пленки сопоставима, а обычно заметно меньше, чем масса прилегающего к ней воздуха, что обеспечивает практически полное отсутствие инерции - можно сказать, что звуковой сигнал передается непосредственно воздушной массе. В динамиках же масса подвижной части намного выше массы воздуха, и они «не успевают» за звуковым сигналом.

По своей сути, статик представляет собой просто конденсатор, и имеет емкостную характеристику сопротивления - высокое сопротивление на НЧ, низкое - на ВЧ. Таким образом, чтобы получить на ВЧ тот же уровень громкости, что и на НЧ, требуется намного большая мощность, что в корне отличается от классических АС, где все наоборот. (На самом деле, с чувствительностью статиков все далеко не так просто, но сейчас не стоит в это углубляться.) Таким образом, не всякий усилитель сможет работать с электростатическими АС.
Кроме того, сопротивление статика в целом намного выше, чем динамика, и он требует для работы высокого напряжения, но потребляет относительно небольшой ток. Соответственно, идеальным кандидатом для электростатика являются лампы - устройства также высоковольтные и слаботочные, и ламповый усилитель можно подключить к статику без трансформатора, который ухудшает звук. Чаще всего, по бестрансформаторной схеме делают усилители для наушников, надо сказать, что и высоковольтные транзисторные усилители тоже существуют. А вот для полноразмерных АС требуются очень высокие напряжения, надежный бытовой усилитель для них создать практически невозможно, и только отдельные энтузиасты не без риска для жизни собирают для себя монструозные ламповые усилители, зато взамен получают ультимативное качество звука.

Характеристики электростатиков


Вкратце, можно перечислить следующие достоинства статиков:
- 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.

Электростатические звукоизлучатели
График нелинейных искажений ESL 63

Есть и недостатки:
- 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. :)

Впрочем, на самом деле, все эти недостатки не так уж и страшны и с лихвой перевешиваются достоинствами. А у электростатических наушников и вовсе по большей части нет таких проблем.
Единственная серьезная проблема электростатиков - это огромная цена, вызванная прежде всего эксклюзивностью. Даже китайцы не стремятся обвалить рынок и производят не менее дорогие статики. Впрочем, перед самодельщиками такой проблемы не стоит.
характеристики

По поводу самого важного - качества звука - не буду особо расписываться, в Сети множество обзоров и отзывов. Основная черта статиков - чрезвычайная детализация, настолько высокая, что многие перестают слушать большинство своих записей, так как вылезают все огрехи, но с другой стороны - раскрывающая неслышные до того нюансы.

Вот еще немного картинок:

Электростатические звукоизлучатели
Наушники производства Stax

Электростатические звукоизлучатели
Китайские наушники HE Audio Jade

Электростатические звукоизлучатели
И то, что у них внутри

Электростатические звукоизлучатели
Электростатические затычки Stax SR-003

Электростатические звукоизлучатели
АС Sound Lab Ultimate

Электростатические звукоизлучатели
QUAD ESL 57

Электростатические звукоизлучатели
Самодельные АС киевлянина Валерия Ивановича










По материалам habrahabr.ru
Автор Nevod












Добавить комментарий