Elektrostatisk högtalare

Schematisk bild som visar en elektrostatisk högtalares konstruktion och dess anslutningar. Tjockleken på membranet och gallren har överdrivits i illustrationssyfte.

En elektrostatisk högtalare (ESL) är en högtalarkonstruktion där ljud alstras av kraften som utövas på ett membran som är upphängt i ett elektrostatiskt fält .

Design och funktionalitet

Högtalarna använder ett tunt platt membran som vanligtvis består av en plastskiva belagd med ett ledande material som grafit inklämt mellan två elektriskt ledande galler, med ett litet luftgap mellan diafragman och gallren. För drift med låg distorsion måste membranet arbeta med en konstant laddning på sin yta, snarare än med en konstant spänning . Detta uppnås med endera eller båda av två tekniker: membranets ledande beläggning väljs och appliceras på ett sätt för att ge det en mycket hög ytresistivitet, och/ eller ett högvärdigt motstånd placeras i serie mellan EHT (Extra High Tension eller Spänning) strömförsörjning och membran (motstånd visas inte i diagrammet här). Emellertid kommer den senare tekniken fortfarande att tillåta distorsion eftersom laddningen kommer att migrera över membranet till den punkt som är närmast "rutnätet" eller elektroden, vilket ökar kraften som förflyttar membranet; detta kommer att inträffa vid ljudfrekvens, så membranet kräver ett högt motstånd (megohm) för att bromsa laddningsrörelsen för en praktisk högtalare.

Membranet är vanligtvis tillverkat av en polyesterfilm (tjocklek 2–20 µm) med exceptionella mekaniska egenskaper, såsom PET-film . Med hjälp av den ledande beläggningen och en extern högspänningsmatning hålls membranet vid en DC- potential på flera kilovolt i förhållande till näten. Gallren drivs av ljudsignalen; främre och bakre gallret drivs i motfas . Som ett resultat alstras ett enhetligt elektrostatiskt fält som är proportionellt mot ljudsignalen mellan båda rutorna. Detta gör att en kraft utövas på det laddade membranet, och dess resulterande rörelse driver luften på vardera sidan om det.

I praktiskt taget alla elektrostatiska högtalare drivs membranet av två galler, ett på vardera sidan, eftersom kraften som utövas på diafragman av ett enda galler kommer att vara oacceptabelt icke-linjär, vilket orsakar harmonisk distorsion . Att använda rutnät på båda sidor tar bort den spänningsberoende delen av icke-linjäriteten men lämnar laddningsberoende del (attraktionskraft). Resultatet är nästan fullständig frånvaro av harmonisk distorsion. I en ny design drivs membranet med ljudsignalen, med den statiska laddningen placerad på gallren (Transparent Sound Solutions).

Näten måste kunna generera ett så enhetligt elektriskt fält som möjligt, samtidigt som ljud kan passera igenom. Lämpliga gallerkonstruktioner är därför perforerade plåtar, en ram med spänd tråd, valstråd m.m.

För att generera en tillräcklig fältstyrka måste ljudsignalen på näten vara av hög spänning. Den elektrostatiska konstruktionen är i själva verket en kondensator, och ström behövs bara för att ladda kapacitansen som skapas av membranet och statorplattorna (tidigare stycken kallade galler eller elektroder). Denna typ av högtalare är därför en högimpedansenhet . Däremot är en modern elektrodynamisk konhögtalare en anordning med låg impedans, med högre strömkrav. Som ett resultat är impedansmatchning nödvändig för att använda en normal förstärkare . Oftast används en transformator för detta ändamål. Konstruktionen av denna transformator är kritisk eftersom den måste ge ett konstant (ofta högt) transformationsförhållande över hela det hörbara frekvensområdet (dvs stor bandbredd) och på så sätt undvika distorsion. Transformatorn är nästan alltid specifik för en viss elektrostatisk högtalare. Hittills har Acousstat byggt den enda kommersiella "transformatorlösa" elektrostatiska högtalaren. I denna design appliceras ljudsignalen direkt till statorerna från en inbyggd högspänningsventilförstärkare (eftersom ventiler också är enheter med hög impedans), utan användning av en step-up transformator.

Fördelar

Fördelarna med elektrostatiska högtalare inkluderar:

1. distorsionsnivåer en till två storleksordningar lägre än konventionella kondrivare i en låda [
2. den extremt låga vikten av membranet som drivs över hela dess yta
3. exemplifierande frekvenssvar (både i amplitud och fas ) eftersom principen att generera kraft och tryck är nästan fri från resonanser till skillnad från den vanligare elektrodynamiska drivenheten.

Musikalisk transparens kan vara bättre än i elektrodynamiska högtalare eftersom den strålande ytan har mycket mindre massa än de flesta andra förare och därför är mycket mindre kapabel att lagra energi för att frigöras senare. Till exempel kan typiska dynamiska högtalarelement ha rörliga massor på tiotals eller hundratals gram medan ett elektrostatiskt membran bara väger några milligram, flera gånger mindre än den allra lättaste av elektrodynamiska diskanthögtalare . Den samtidiga luftbelastningen, ofta obetydlig i dynamiska högtalare, är vanligtvis tiotals gram på grund av den stora kopplingsytan, vilket bidrar till att dämpa resonansuppbyggnaden av själva luften i en betydande, men inte fullständig, grad. Elektrostatik kan också utföras som full-range design, utan de vanliga crossover-filter och kapslingar som kan färga eller förvränga ljudet.

Eftersom många elektrostatiska högtalare är höga och tunna utan hölje fungerar de som en vertikal dipollinjekälla . Detta ger ett ganska annorlunda akustiskt beteende i rum jämfört med konventionella elektrodynamiska högtalare. Generellt sett är en dipolradiator med stor panel mer krävande för en korrekt fysisk placering i ett rum jämfört med en konventionell boxhögtalare, men när den väl är där är det mindre sannolikt att den exciterar dåligt klingande rumsresonanser, och dess direkta till -Det reflekterade ljudförhållandet är cirka 4–5 decibel högre. Detta leder i sin tur till mer exakt stereoreproduktion av inspelningar som innehåller korrekt stereoinformation och lokalmiljö. Plana (platta) förare tenderar att vara mycket riktade vilket ger dem goda bildegenskaper, under förutsättning att de har placerats noggrant i förhållande till lyssnaren och de ljudreflekterande ytorna i rummet. Böjda paneler har byggts, vilket gör placeringskraven lite mindre stränga, men offrar avbildningsprecisionen något.

Nackdelar

nackdelar inkluderar känslighet för omgivande luftfuktighetsnivåer och en brist på basrespons, på grund av fasavbrott på grund av brist på kapsling, [ men dessa delas inte av alla konstruktioner. Basens rolloff 3db-punkt uppstår när den smalaste paneldimensionen är lika med en kvarts våglängd av den utstrålade frekvensen för dipolstrålare, så för en Quad ESL-63, som är 0,66 meter bred, sker detta vid cirka 129 Hz, jämförbart med många boxhögtalare ( beräknat med ljudhastigheten tagen till 343 m/s). Det finns också den svåra fysiska utmaningen att återge låga frekvenser med en vibrerande spänd film med liten utsvängningsamplitud; Men eftersom de flesta membran har en mycket stor yta jämfört med kondrivare, krävs endast små amplitudavvikelser för att få ut relativt stora mängder energi. Även om basen saknas kvantitativt (på grund av lägre utsvängning än kondrivare) kan den vara av bättre kvalitet ('tightare' och utan att 'booma') än hos elektrodynamiska (kon) system. Fasavstängning kan kompenseras något genom elektronisk utjämning (en så kallad hyllkrets som förstärker området inuti ljudbandet där det genererade ljudtrycket sjunker på grund av fasavstängning). Ändå maximala basnivåer inte ökas eftersom de i slutändan begränsas av membranets maximalt tillåtna rörelse innan det kommer för nära högspänningsstatorerna, vilket kan producera elektriska ljusbågar och bränna hål genom det. Nya, tekniskt mer avancerade lösningar för upplevd brist på bas inkluderar användningen av stora, böjda paneler (Sound-Lab, MartinLogan CLS), elektrostatiska subwooferpaneler (Audiostatic, Quad) och elektrostatiska element med långa kast som tillåter stort membran utflykter (Audiostatisk). Ett annat knep som ofta utövas är att trappa upp basen (20–80 Hz) med ett högre transformationsförhållande än mellan och diskant.

Denna relativa brist på hög bas åtgärdas ofta med en hybriddesign som använder en dynamisk högtalare, t.ex. en subwoofer , för att hantera lägre frekvenser , med det elektrostatiska membranet som hanterar mellan- och höga frekvenser. Många känner att den bästa lågfrekvensenheten för hybrider är kondrivare monterade på öppna bafflar som dipoler, bashögtalare eller horn , eftersom de har ungefär samma egenskaper (åtminstone i basen) som elektrostatiska högtalare, dvs bra transientrespons , liten låda färgning och (helst) platt frekvenssvar. Men det finns ofta ett problem med att integrera en sådan bashögtalare med elektrostatiken. Detta beror på att det mesta av elektrostatik är linjekällor , vars ljudtrycksnivå minskar med 3 dB för varje fördubbling av avståndet. En konhögtalares ljudtrycksnivå minskar å andra sidan med 6 dB för varje fördubbling av avståndet eftersom den beter sig som en punktkälla . Detta kan övervinnas genom den teoretiskt mer eleganta lösningen att använda konventionella koniska baselement i en öppen baffel, eller ett push-pull-arrangemang, som producerar ett bipolärt strålningsmönster som liknar det för det elektrostatiska membranet. Detta är fortfarande föremål för fasavstängning, men bashögtalare kan drivas till mycket högre nivåer på grund av deras längre rörelse, vilket gör utjämning till ett platt svar lättare, och de lägger till distorsion och ökar därigenom arean (och därför kraften ) under frekvenssvarsgrafen, vilket gör den totala lågfrekventa energin högre men tilltro till signalen lägre.

Ett alternativ är att innesluta de elektrostatiska elementen och använda dem som "monopoler". Detta undviker de många nackdelarna med dipoldrift, viktigast av allt en stor minskning av rumsreflektioner och därmed även förvanskning av den inspelade atmosfären. Eftersom det inte finns något försök att göra högtalaren visuellt genomskinlig tillåter den också applicering av material på baksidan av panelen för att ge full dämpning av membranresonansen, vilket förbättrar transientresponsen. Att använda relativt små element med en relativt hög delningsfrekvens, såsom 500 Hz, har dessutom ett antal fördelar. Det minskar riktningsförmågan i en grad som erbjuder en ganska bred sweet spot. Det tillåter mer av ökningen på 3 dB/oktav i SPL med frekvensen att användas, vilket ökar känsligheten. Det fungerar inte som en sann linjematris, så bashögtalare är lättare att integrera. Slutligen kan det mesta av de återstående 3 dB roll-upen motverkas genom att filtrera de höga frekvenserna från signalen till hälften eller mer av bredden, vilket av en slump vidgar spridningen och därmed sweet spot. JansZen-högtalare har alla dessa alternativa funktioner. De använder också akustiska upphängda bashögtalare (förseglade kapslingar), som har den lägsta gruppfördröjningen av alla konfigurationer och därmed den bästa chansen att sömlöst integreras med elektrostatiken. Panelerna är också väl skyddade från att samla luftburna föroreningar, vilket undviker behovet av periodiska reparationer.

Riktningsförmågan hos elektrostatik kan också vara en nackdel eftersom det betyder att den "sweet spot" där korrekt stereobild kan höras är relativt liten, vilket begränsar antalet personer som kan njuta fullt ut av högtalarnas fördelar samtidigt. 1992 introducerade Critical Mass de första elektrostatiska högtalarna för användning i den mobila miljön (billjud). Critical Mass-ingenjören och VD Wayde Alfarones design utnyttjade den riktade karaktären hos elektrostatik genom att skapa separata ljudfält för olika sittplatser i fordonet.

På grund av deras tendens att dra till sig damm, insekter, ledande partiklar och fukt, kommer elektrostatiska högtalarmembran att försämras gradvis och behöver periodiskt bytas ut. De behöver också skyddsåtgärder för att fysiskt isolera sina högspänningsdelar från oavsiktlig kontakt med människor och husdjur. Kostnadseffektiv reparations- och restaureringsservice är tillgänglig för praktiskt taget alla nuvarande och utgående elektrostatiska högtalarmodeller.

Amatörbyggda högtalare

  Elektrostatiska högtalare åtnjuter viss popularitet bland gör-det-själv (DIY) högtalarbyggare. De är en av få typer av högtalare där själva givarna kan byggas från grunden av en amatör, eftersom grundläggande hårdvara för kompletta ESL DIY-projekt kan hittas tillgänglig online. Sådana försörjningar inkluderar motstånd och kondensatorer för RC-kretsfrekvensutjämning , om nödvändigt; stegtransformatorer ; perforerade metallplåtar eller galler och isolerande plast för statorer; polymerfilm och ledande färg (t.ex. en flytande grafitsuspension ) för membranet; enkel spännutrustning för korrekt membraninställning; och en ram, vanligtvis av trä, för att hålla ihop allt. En allmänt läst resurs av ESL-entusiaster är The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN 978-1-882580-00-2 ) av den framstående ESL-specialisten Roger Sanders.

Kommersiella talare

Arthur Janszen beviljades US Patent 2 631 196 1953 för en elektrostatisk högtalare. Han hade arbetat i flottan för att utveckla en lågförvrängd, högfrekvent källa för inriktning på torpeder. Efter kriget utvecklade han tillverkningsteknik för elektrostatiska högtalare, för att användas med konventionella konbashögtalare, kända som elektrostatiska hybrider. Han licensierade Neshaminy Electric för att tillverka dessa högtalare. I början av 1970-talet tog Electronic Industries of Minneapolis över licensen och rättigheterna att tillverka JansZen elektrostatiska högtalare. 1974 introducerade Electronic Industries en ny trådlindning runt ESL-diskanten som kraftigt sänkte tillverkningskostnaden. Den har också visat sig vara helt pålitlig. Flera stora uppsättningar av dessa diskanthögtalare användes faktiskt som högtalarsystem vid konserter i Minneapolis. Ägandet ändrades igen i slutet av 1970-talet och företaget köptes. Planer gjordes för att erbjuda elektrostatiska högtalare i bilar, men kom aldrig i produktion. Dave Wilson från Wilson audio, använde JansZen diskanthögtalare i sin berömda, WAMM, Wilson Audio MODulator Monitor. Den högtalaren såldes för $220 000 par när den lades ner. Utvecklarna av Tri-Ergon ljud-på-film ljudfilmssystem hade utvecklat en primitiv design av elektrostatiska högtalare så tidigt som 1919. David JansZen, son till Arthur JansZen, med sin fars papper och design introducerade sin egen version av elektrostatiska hybridhögtalare . Hans företag, fortfarande i verksamhet, var inte kopplat till Electronic Industries JansZen-högtalare. Janszens företag JansZen gör fortfarande en utvecklad version av sin ursprungliga design. KLH Nine designades i mitten av 1950-talet av Arthur A. Janszen, och tusentals såldes efter att designen togs över till KLH 1959 och sattes i vanlig produktion.

Quad Elektroakustik

högtalaren med full frekvens, och även bland de mest inflytelserika, producerades 1957: Quad Electrostatic Loudspeaker (Quad ESL, senare känd som ESL-57) från Quad Electroacoustics , Huntingdon , England. Dessa var formade något som en elradiator för hemmet böjd något på den vertikala axeln. De var allmänt beundrade för sin klarhet och precision, men kan vara svåra att köra samtidigt som de uppnår lågfrekvent bas.

Quad ESL designades av Peter Walker, grundare av företaget, och David Williamson. Den första i serien var ESL-57, influerad av US Patent 1 983 377 utvecklat av Edward W. Kellogg för General Electric 1934. Den introducerades 1955, sattes i kommersiell produktion 1957 och avbröts först 1985.

1981 introducerade Quad ESL-63 som en efterföljare till ESL-57. Den försökte åtgärda både bristen i basåtergivningen hos ESL-57 och dess extrema riktning på höga frekvenser. Det senare målet uppnås genom att dela upp statorerna i åtta koncentriska ringar, var och en matad med en liten tidsfördröjning jämfört med ringen omedelbart inåt, för att därigenom försöka efterlikna en punktkälla.

Även om ESL-63 lades ner 1999, fortsätter Quad produktionen av elektrostatiska högtalare. Quad introducerade ESL-988 och dess större variant ESL-989 1999, ESL-2805 och ESL-2905 2005, och ESL-2812 och ESL-2912 2017, som innehåller elektronik och givare.

Andra tillverkare

Populära tillverkare av elektrostatiska högtalare inkluderar MartinLogan, Magnepan (tidigare Magneplanar), KEF, Quad, SoundLab. Tillverkare som endast tillverkar högtalare av elektrostatisk typ inkluderar Magnepan, SoundLab, Audiostatic, JansZen och Sanders Sound Systems (tidigare Innersound).

Andra tillverkare som för närvarande producerar elektrostatiska högtalare inkluderar Solosound, King's Audio, Panphonics, Cadence Audio, T+A och Silberstatic, Blanko.nu. BenQ producerar en bärbar elektrostatisk Bluetooth-högtalare. Audiostatiska hävdar att de är den enda elektrostatiska högtalaren med full spektrum.

MartinLogan , JansZen , Metrum Acoustics, Sanders Sound Systems och Sound-Lab och andra bygger hybriddesigner med konventionella bashögtalare eller subwoofers.

Bland elektrostatiska full-range högtalare som inte längre tillverkas är KLH 9, den tidigaste amerikanska full-range design, AHL Tolteque, Acousat, Servo-Statik och Immersion från Australien.

Se även

• Magnetostatisk högtalare