«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.


    Появившись в 20-х годах прошлого столетия конструкция электростатов эволюционировала и на данный момент считается одной из самых эффективных для точной передачи звука (особенно в диапазоне средних и высоких частот).

    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


    • Астрономическая стоимость: большинство электростатов стоят огромных денег. Примечательно, что существуют один российский и несколько китайских производителей со сравнительно недорогими системами (в пределах 60 000 рублей), но их характеристики сравнимы с электродинамическими и изодинамическими за те же деньги;
    • Относительно низкая чувствительность: редко поднимается выше 85-87 Дб, показателями выше могут похвастаться даже не все топовые модели электростатов. 92 – 95 Дб можно считать почти недостижимым потолком;
    • Дипольный характер звучания: ограничивает свободу размещения АС, не позволяет разместить систему вдоль стены;
    • Ограничение пределов максимальной громкости зазором между мембраной и статорами;
    • Требовательны к усилению, необходим УМЗЧ с выходным трансформатором или встроенный трансформатор предусмотренный конструкцией АС;
    • Сравнительно узкая направленность звука;
    • Притягивание пыли снижает эстетичность внешнего вида;
    • Для не комбинированных АС с низкочастотными динамиками электростатических АС характерен недостаток в низкочастотном спектре;

    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.

    Pult.ru 123,34
    Крупнейшая сеть Hi-Fi, High End в России
    Поделиться публикацией
    Комментарии 37
    • 0
      Отличная тема! В пульте, наверное, очень мужестенные люди работают, каждый день видеть такие цены… Не каждому по плечу :)
      У меня есть несколько вопросов (не придирки, а интерес):
      1. Что мешает излучатель смонтировать в корпус, тем самым устранив дипольное излучение и акустическое короткое замыкание на НЧ?
      2. Почему все представленные излучатели не круглые, а изогнутые полосы?
      3. Относительно чего приложено высокое напряжение к мембране?
      4. Какое напряжение ЗЧ нужно прикладывать к решёткам? После трансформатора, имеется в виду.
      • 0
        2. Полосы прямоугольные потому, что так удобнее. Зачем делать их круглыми, если конструктивной потребности так делать нет? Именно поэтому так мало прямоугольных динамических громкоговорителей (да и те прямоугольные лишь условно) — только там ситуация обратная. Но бывают и круглые электростатические излучатели.

        Гнутые они для того, чтобы бороться с одним из недостатков технологии — узкой направленностью.
        Кстати, гнутые не все, полно плоских, взять хотя бы советские электростатические громкоговорители.
        • 0
          Почему все представленные излучатели не круглые, а изогнутые полосы?

          Основная причина, полагаю, необходимая для нужного диапазона частот площадь излучателя. Круглые такой площади будут малофункциональны.

          • 0
            Относительно чего приложено высокое напряжение к мембране?
            Не совсем понял вопрос.
            • 0
              Ну, у напряжение прикладывается всегда к одному полюсу относительно другого. Товарищ #AEP говорит о средней точке, но там тоже непонятно с разделением звука и высокого напряжения
          • +1
            1. В обычных колонках, которые с корпусом, динамики создают звуковое давление в корпусе, намного превышающее звуковое давление за пределами колонок. Т.е. основная часть силы, создаваемой звуковой катушкой, тратится не на озвучивание помещения, а на передавливание упругости воздуха в ящике. Со звуковой катушкой и магнитным полем, инженеры могут это себе позволить, а с пленкой и электрическим полем — нет. Силы у электростатического взаимодействия не хватает, поэтому и приходится отказываться от ящика. В общем-то это и хорошо: ровная АЧХ получается именно из-за отсутствия «ящичных» резонансов.

            2. Особенность акустики фирмы Martin Logan, которую не надо обобщать на все электростаты. С совершенно плоскими излучателями «одним куском» была бы очень узкая диаграмма направленности на ВЧ. Но совершенно однородное электрическое поле, необходимое для нуля нелинейных искажений, существует только между совершенно плоскими статорами. Такой вот компромисс. У других производителей излучатели таки плоские. QUAD решает проблему с узкой диаграммой направленности путем разрезания статора на кольцевые плоские элементы, к которым напряжение от усилителя прикладывается с небольшой задержкой друг относительно друга — получается что-то типа линзы Френеля.

            3. Относительно «средней точки» статоров.

            4. Единицы киловольт, в редких случаях 10-15 кВ. Например, для QUAD ESL-2905, трансформатор для басовых панелей повышает напряжение в 270 раз, а максимально допустимое пиковое значение входного напряжения заявлено как 55 вольт.

            Строго говоря, трансформатор не обязателен: существуют не поступившие в широкую продажу образцы усилителей с таким высоким выходным напряжением, специально для доработанных электростатических колонок. Смысл затеи — устранить нелинейные искажения, вносимые трансформатором.

            Ну и не согласен с характеристикой дипольного излучения как недостатка: снижаются требования к обработке боковых стен комнаты, и получается более четкая стереокартина.

            P.S. Хорошее математическое (но тем не менее доступно изложенное) введение в теорию электростатических громкоговорителей есть в книге: John Borwick, «Loudspeaker and Headphone Handbook» (3rd edition), в третьей главе.
            • 0
              Относительно «средней точки» статоров.

              С этого момента, пожалуйста, поподробней. Как разделить статоры по звуковым частотам, и соединить по высокому напряжению? Через индуктивности, что ли? Вообще, не нравится мне эта конструкция, неэлегантное какое-то решение, имхо
              • 0
                Очень просто. Требуется трансформатор со вторичной обмоткой с отводом посередине. Концы вторичной обмотки подключаем к статорам. Источник высокого постоянного напряжения подключаем одним полюсом к отводу, другим — к пленке.

                Предложенное выше решение является наиболее распространенным, но не единственным.
                • 0
                  Картинка со схемой есть в википедии.
                  • 0
                    Мне вот почему-то подумалось, подцепить электростатику напрямую к двухтактному ламповому каскаду, безо всяких трансформаторов. Но для этого надо как-то отцепить высокое напряжение от звука. Конденсаторы подходящей ёмкости на киловольты будут великоваты, надо искать варианты.
                    • 0
                      А в чем проблема? Делаем не один, а два выходных каскада, работающие в противофазе, как в автомобильных усилителях. Они выдают выходное напряжение относительно, скажем, «минуса» источника питания, но с большой одинаковой постоянной составляющей. Подключаем статоры к этим каскадам, а пленку — к минусу.

                      P.S. На правах троллинга: лампы, похоже, не нужны.
                      • 0
                        Так я и думал, но меня смущает один вопрос:
                        статоры придётся изолировать друг от друга по переменному току, а это костыли
                        Лампы нужны! Примерно, как и электростатические головки: для развития мотивации и сохранения изюминки в радиолюбительстве :)
                  • 0
                    Понятно. Вообще неинтересный вариант, надо придумывать что-то другое.
            • +1
              А как у Лебедева получилось сделать маленькие и недорогие колонки с использованием этих самых электростатических панелей?

              https://www.artlebedev.ru/sonicum/

              image

              Довольно странно, если такие панели могут быть или очень дорогими или, наоборот, очень дешёвыми.
              • +2
                Это не электростатика, это NXT-панели. Они правда дешевые. Но не то. Грубо — это микро-динамик, приклеенный к резонатору.
            • +3
              Немного оффтопа. сори, не удержался


              • 0
                Сейчас будет очень субъективное мнение. Но оно сложилось после 3-х лет гуляния по выставкам аудио — электростаты ерунда!
                Что действительно круто — планары!
                Причём что Мартин Логаны, что Стаксы никак не впечатлили. Даже скорее Стаксы вызвали негативное ощущения.
                А вот Магнепланары и Оппо считаю лучшими по звуку. Но особенно хочу отметить Магнепланары, от их звука я получаю эйфорию настоящую.
                • 0
                  «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».

                  «В то время» не было источников высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением? Да сколько угодно!
                  • +1

                    Источник с большим внутренним сопротивлением не даст развить мощность на акустике.
                    Мы же прокачиваем через него десятки-сотни Вт и должны тысячи раз в секунду снимать-ставить напряжение (разряжать-заряжать ёмкость).

                    • 0
                      10 кВ, 200 Вт — выходной ток источника можно ограничить до 20 мА, при случайной «козе» напряжение упадёт до нуля, ток останется тем же, мощность, выделяемая на фольге, окажется совершенно недостаточной для её пережигания.
                      • 0

                        Эмм… Если 20мА ток при КЗ, то токи при работе, конечно, должны быть гораздо меньше. Мы же в нормальном режиме должны совершать работу по нагреву внутреннего сопротивления источника ПЛЮС механическую работу на мембране. Соответственно — гораздо меньше звуковая мощность и КПД. А если мы хотим даать на мембрану механическую мощность 200Вт, тогда и ток КЗ — не 20мА


                        Чудес не бывает: если источник может выдать мощность на механическое перемещение мембраны (а мгновенная мощность для качественного звука должна быть много больше среднеквадратичной), он точно так же выделит мощность и на её нагрев.
                        Плюс, конечно, ёмкость образованная мембраной и статорами. Она копеечная, но напряжение велико. А запасённая энергия — квадрат от напряжения.


                        Много-то там не нужно. Мембрана же. Толщина — микроны. Теплоёмкость — микроджоули/К*см2.

                        • 0
                          Вот и ответ на мой вопрос. Действительно, даже при ограничении выходного тока источника ещё остаётся ёмкость самого громкоговорителя, ток разряда которой ограничен лишь сравнительно малым сопротивлением алюминиевой мембраны. Когда её стали делать лавсановой с напылением достаточно высокого сопротивления, проблема исчезла. Спасибо за разъяснение.
                  • 0
                    В моих амфитонах вот такой ВЧ стоит, это оно? http://ldsound.ru/10-gi-1-4/
                    • 0

                      Это изодинамический тип, не электростатика.

                      • 0
                        Изодинамические громкоговорители очень интересны, но ленточные ещё интереснее. Прямая противоположность электростатам: малые напряжения, большие токи.
                      • 0
                        Нет. Это изодинамический излучатель, он работает на магнитном принципе. Полноразмерный эквивалент — это Magnepan MMG и другая акустика той же фирмы. Тоже диполь, но не электростат.
                      • +2
                        Делал я электростаты лет пять назад — очень увлекательное занятие! В моих самоделках звук, конечно, поражал воображение — на средних и верхах никакие динамики в салонах такое выдать не могли, по моим ощущениям. Но вот мидбасы и низы — там все печально. Сделать нечто играющее и правда можно из подручных материалов за неделю, но вот все нюансы побороть очень сложно, так что я не удивляюсь таким ценам. Но все же, даже топовые модели — гибридные, и значит низы там «обычные». Все таки нормально прокачать бас при наличии акусического замыкания невозможно.
                        • 0

                          "невозможно" — не совсем правильное слово, основная проблема — площадь мембраны. Есть модели с электростатическим низом, но цена ещё выше чем у комбинированных образцов.

                        • 0
                          Повелся на теги… Зачем тут тег «DIY или сделай сам» если о сделай сам всего лишь историческая справка? Где сам процесс DIY?
                          • 0
                            Меня всегда несколько удивляет сегмент Hi-End в сравнении с про-аудио. За шестизначную сумму с хорошей вероятностью можно купить систему на которой ваш любимый материал сводили. В то же время уже за пятизначную сумму можно купить мониторы традиционной конструкции с THD 0.5% при 90db SPL на сигналах от 100Гц с АЧХ в рамках 3db и без проблем с низом (адамы те же например). И мне ни в коем случае не хочется очернять производителей или приверженцев Hi-End — искусство не обязано быть рациональным, но с технической точки зрения это всегда ломало мне мозг. Или я все-таки что-то упускаю из вида?
                            • 0
                              Да. Как минимум, эстетическую составляющую.

                              Как представитель ретейла, могу сказать, что часто за домашним звуком мужчина приходит вместе с женщиной. Угадайте, как именно она выбирает?
                              • 0
                                часто за домашним звуком мужчина приходит вместе с женщиной
                                Это не мужчина — это кошелёк с ножками, которому нужен не звук, а понтануться, ну либо они с женой тупо «мебель» покупают.
                              • 0
                                «искусство не обязано быть рациональным»

                                Прямо в точку. Вот, например, с барабанщиками порой поступают совсем нерационально: звукоизолируют оргстеклом, ставят микрофон, прогоняют сигнал через усилитель и колонки, получая в итоге примерно ту же громкость, которая была бы без оргстекла и аппаратуры. Но! Эта нерациональная система позволяет точно регулировать громкость, тембр, стереобаланс, чего рациональная система, состоящая из одной барабанной установки, не позволила бы.
                              • +3
                                В 2013-том году сделал свои собственные электростатические наушники, без ламп с питанием от usb.
                                Уши отработали почти два года, а потом их внешний вид стал слишком страшным. Однако схема отработала идеально, и оказалась достаточно надёжной.
                                Сравнивал с дорогими ушами за много баксов, для меня мои уши звучали более чисто, без посторонних звуков.
                                И ещё прикол, собственники дорогих ушей говорили то-же самое.
                                http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:10100-2
                                • 0
                                  А никто не пробовал соединять электростаты на вч/сч и дополнительные классические «нч ящики» с динамической головкой, только с фильтрами повозиться для подгонки. Или дособрать еще один модуль УНЧ дополнительно с цифровым фильтром что бы избежать сдвигов фазы для особо подвинутых звукоманов?
                                  Люди же как то слушают вообще копеечные колонки с сабвуфером? И нч сложнее определить в пространстве в принцопе.
                                  //edit. увидел на второй фотке что то подобное. Значит не я один такой умный. Однако в статье я не разглядел про совмещение.
                                  • 0
                                    "Для решения этой проблемы без увеличения площади мембраны, электростаты оснащают дополнительными электродинамическими излучателями и, соответственно, кроссоверами для разделения полос."

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое