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.

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».


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 – динамические головки. Примечание ПаЛыЧа).

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.

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