«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 Вогтом.

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.