Altoparlante elettrostatico - Electrostatic loudspeaker
Un altoparlante elettrostatico (ESL) è un progetto di altoparlante in cui il suono è generato dalla forza esercitata su una membrana sospesa in un campo elettrostatico .
Design e funzionalità
Gli altoparlanti utilizzano un sottile diaframma piatto solitamente costituito da un foglio di plastica rivestito con un materiale conduttivo come la grafite inserita tra due griglie elettricamente conduttive, con un piccolo traferro tra il diaframma e le griglie. Per un funzionamento a bassa distorsione, il diaframma deve funzionare con una carica costante sulla sua superficie, piuttosto che con una tensione costante . Ciò si ottiene mediante una o entrambe le due tecniche: il rivestimento conduttivo del diaframma viene scelto e applicato in modo da conferirgli una resistività superficiale molto elevata e / o un resistore di grande valore viene posto in serie tra l'EHT (Extra High Tension o Tensione) l'alimentazione e il diaframma (resistenza non mostrata nello schema qui). Tuttavia, quest'ultima tecnica consentirà comunque la distorsione poiché la carica migrerà attraverso il diaframma fino al punto più vicino alla "griglia" o all'elettrodo aumentando così la forza che muove il diaframma; ciò avverrà alla frequenza audio quindi il diaframma richiede un'elevata resistenza (megaohm) per rallentare il movimento della carica per un pratico altoparlante.
Il diaframma è solitamente costituito da un film di poliestere (spessore 2–20 µm) con proprietà meccaniche eccezionali, come il film PET . Per mezzo del rivestimento conduttivo e di un'alimentazione esterna ad alta tensione il diaframma è mantenuto ad un potenziale CC di diversi kilovolt rispetto alle griglie. Le griglie sono guidate dal segnale audio; la griglia anteriore e quella posteriore sono azionate in antifase . Di conseguenza, tra le due griglie viene prodotto un campo elettrostatico uniforme proporzionale al segnale audio. Ciò fa sì che una forza venga esercitata sul diaframma carico e il suo movimento risultante spinge l'aria su entrambi i lati di esso.
In quasi tutti gli altoparlanti elettrostatici il diaframma è guidato da due griglie, una su ciascun lato, perché la forza esercitata sul diaframma da una singola griglia sarà inaccettabilmente non lineare, causando così una distorsione armonica . L'uso di griglie su entrambi i lati annulla la parte della non linearità dipendente dalla tensione, ma lascia la parte dipendente dalla carica (forza di attrazione). Il risultato è quasi la completa assenza di distorsione armonica. In un progetto recente, il diaframma è guidato dal segnale audio, con la carica statica situata sulle griglie (Transparent Sound Solutions).
Le reti devono essere in grado di generare un campo elettrico il più uniforme possibile, pur consentendo il passaggio del suono. Le strutture a griglia adatte sono quindi lamiere perforate, un telaio con filo in tensione, vergelle, ecc.
Per generare un'intensità di campo sufficiente, il segnale audio sulle griglie deve essere ad alta tensione. La costruzione elettrostatica è in effetti un condensatore e la corrente è necessaria solo per caricare la capacità creata dal diaframma e dalle piastre dello statore (paragrafi precedenti denominati griglie o elettrodi). Questo tipo di altoparlante è quindi un dispositivo ad alta impedenza . Al contrario, un moderno altoparlante a cono elettrodinamico è un dispositivo a bassa impedenza, con requisiti di corrente più elevati. Di conseguenza, l'adattamento dell'impedenza è necessario per utilizzare un normale amplificatore . Molto spesso a questo scopo viene utilizzato un trasformatore . La costruzione di questo trasformatore è fondamentale in quanto deve fornire un rapporto di trasformazione costante (spesso alto) sull'intera gamma di frequenze udibili (cioè un'ampia larghezza di banda) e quindi evitare la distorsione. Il trasformatore è quasi sempre specifico per un particolare altoparlante elettrostatico. Ad oggi, Acoustat ha costruito l'unico altoparlante elettrostatico commerciale "senza trasformatore". In questo progetto, il segnale audio viene applicato direttamente agli statori da un amplificatore valvolare ad alta tensione integrato (poiché anche le valvole sono dispositivi ad alta impedenza), senza l'uso di un trasformatore elevatore.
Vantaggi
I vantaggi degli altoparlanti elettrostatici includono:
- livelli di distorsione da uno a due ordini di grandezza inferiori rispetto ai driver a cono convenzionali in una scatola
- il peso estremamente leggero del diaframma che viene guidato su tutta la sua superficie
- risposta in frequenza esemplare (sia in ampiezza che in fase ) perché il principio di generazione di forza e pressione è pressoché esente da risonanze a differenza del più comune driver elettrodinamico.
La trasparenza musicale può essere migliore rispetto agli altoparlanti elettrodinamici perché la superficie radiante ha una massa molto inferiore rispetto alla maggior parte degli altri driver ed è quindi molto meno in grado di immagazzinare energia per essere rilasciata in seguito. Ad esempio, i tipici driver di altoparlanti dinamici possono avere masse mobili di decine o centinaia di grammi mentre una membrana elettrostatica pesa solo pochi milligrammi, molte volte meno del più leggero dei tweeter elettrodinamici . Il carico d'aria concomitante, spesso insignificante nei diffusori dinamici, è solitamente di decine di grammi a causa della grande superficie di accoppiamento, contribuendo così allo smorzamento dell'accumulo di risonanza da parte dell'aria stessa in modo significativo, anche se non completo. L'elettrostatica può anche essere eseguita come design a gamma completa, privi dei soliti filtri crossover e involucri che potrebbero colorare o distorcere il suono.
Poiché molti altoparlanti elettrostatici sono alti e sottili senza custodia , agiscono come una sorgente di linea di dipolo verticale . Ciò determina un comportamento acustico piuttosto diverso nelle stanze rispetto agli altoparlanti elettrodinamici convenzionali. In generale, un radiatore a dipolo a pannello grande richiede un posizionamento fisico corretto all'interno di una stanza rispetto a un altoparlante convenzionale, ma, una volta lì, è meno probabile che ecciti le risonanze della stanza dal suono sgradevole e il suo diretto -il rapporto del suono riflesso è più alto di circa 4-5 decibel. Questo a sua volta porta a una riproduzione stereo più accurata delle registrazioni che contengono le informazioni stereo appropriate e l'atmosfera del luogo. I driver planari (piatti) tendono ad essere molto direzionali dando loro buone qualità di immagine, a condizione che siano stati posizionati con cura rispetto all'ascoltatore e alle superfici che riflettono il suono nella stanza. Sono stati costruiti pannelli curvi, rendendo i requisiti di posizionamento un po 'meno rigorosi, ma sacrificando in qualche modo la precisione dell'immagine.
Svantaggi
Gli svantaggi tipici includono la sensibilità ai livelli di umidità ambientale e la mancanza di risposta dei bassi, a causa dell'annullamento di fase dovuto alla mancanza di custodia, ma questi non sono condivisi da tutti i progetti. Il punto di attenuazione dei bassi 3db si verifica quando la dimensione del pannello più stretta è uguale a un quarto della lunghezza d'onda della frequenza irradiata per i radiatori a dipolo, quindi per un Quad ESL-63, che è largo 0,66 metri, ciò si verifica a circa 129 Hz, paragonabile a molti altoparlanti a scatola ( calcolato con la velocità del suono presa come 343 m / s). C'è anche la difficile sfida fisica di riprodurre le basse frequenze con un film vibrante teso con poca ampiezza di escursione; tuttavia, poiché la maggior parte dei diaframmi ha una superficie molto ampia rispetto ai driver del cono, sono necessarie solo piccole escursioni di ampiezza per emettere quantità relativamente grandi di energia. Anche se i bassi sono carenti quantitativamente (a causa di un'escursione inferiore rispetto ai driver a cono), possono essere di qualità migliore ("più stretti" e senza "rimbombo") rispetto a quelli dei sistemi elettrodinamici (conici). La cancellazione di fase può essere in qualche modo compensata dall'equalizzazione elettronica (un cosiddetto circuito shelving che amplifica la regione all'interno della banda audio dove la pressione sonora generata diminuisce a causa della cancellazione di fase). Tuttavia i livelli massimi dei bassi non possono essere aumentati perché sono in definitiva limitati dall'escursione massima consentita della membrana prima che si avvicini troppo agli statori ad alta tensione, il che può produrre archi elettrici e bruciare fori attraverso di essa. Soluzioni recenti e tecnicamente più avanzate per la percezione della mancanza di bassi includono l'uso di grandi pannelli curvi (Sound-Lab, MartinLogan CLS), pannelli per subwoofer elettrostatici (Audiostatic, Quad) ed elementi elettrostatici a lunga gittata che consentono ampie escursioni del diaframma (Audiostatic) . Un altro trucco spesso praticato consiste nell'aumentare i bassi (20–80 Hz) con un rapporto di trasformazione più elevato rispetto ai medi e agli acuti.
Questa relativa mancanza di bassi è spesso risolta con un design ibrido che utilizza un altoparlante dinamico, ad esempio un subwoofer , per gestire le frequenze più basse , con il diaframma elettrostatico che gestisce le frequenze medie e alte. Molti ritengono che la migliore unità a bassa frequenza per ibridi siano i driver a cono montati su baffle aperti come dipoli, woofer per linee di trasmissione o trombe , poiché possiedono all'incirca le stesse qualità (almeno nei bassi) degli altoparlanti elettrostatici, cioè buona risposta ai transienti , poca colorazione della scatola e (idealmente) risposta in frequenza piatta. Tuttavia, c'è spesso un problema con l'integrazione di un tale woofer con l'elettrostatica. Questo perché la maggior parte dei componenti elettrostatici sono sorgenti di linea , il cui livello di pressione sonora diminuisce di 3 dB per ogni raddoppio della distanza. Il livello di pressione sonora di un altoparlante a cono, invece, diminuisce di 6 dB per ogni raddoppio della distanza perché si comporta come una sorgente puntiforme . Questo può essere superato dalla soluzione teoricamente più elegante di utilizzare woofer a cono convenzionali in un deflettore aperto, o una disposizione push-pull, che produce un diagramma di radiazione bipolare simile a quello della membrana elettrostatica. Questo è ancora soggetto a cancellazione di fase, ma i woofer a cono possono essere pilotati a livelli molto più alti a causa della loro escursione più lunga, rendendo così più facile l'equalizzazione a una risposta piatta, e aggiungono distorsione aumentando così l'area (e quindi la potenza) sotto la frequenza grafico di risposta, aumentando l'energia totale a bassa frequenza ma minore la fedeltà al segnale.
Un'alternativa è racchiudere gli elementi elettrostatici e farli funzionare come "monopoli". Ciò evita i molti svantaggi del funzionamento del dipolo, soprattutto una grande riduzione dei riflessi nella stanza e quindi anche l'adulterazione dell'atmosfera registrata. Poiché non c'è alcun tentativo di rendere il diffusore visivamente trasparente , permette anche l'applicazione di materiali al retro del pannello per impartire piena smorzamento della risonanza della membrana, che migliora la risposta transitoria. Inoltre, l'utilizzo di elementi relativamente piccoli con una frequenza di crossover relativamente alta, come 500 Hz, presenta una serie di vantaggi. Riduce la direttività a un livello che offre uno sweet spot ragionevolmente ampio. Consente di utilizzare più dell'aumento di 3 dB / ottava in SPL con la frequenza, aumentando la sensibilità. Non agisce come un vero line array, quindi i woofer sono più facili da integrare. Infine, la maggior parte dei restanti 3 dB di roll-up può essere contrastata filtrando le alte frequenze dal segnale a metà o più dell'ampiezza, che per coincidenza allarga la dispersione e quindi lo sweet spot. Gli altoparlanti JansZen incorporano tutte queste funzionalità alternative. Utilizzano anche woofer a sospensione acustica (involucri sigillati), che hanno il ritardo di gruppo più basso di tutte le configurazioni e quindi le migliori possibilità di integrarsi perfettamente con l'elettrostatica. I pannelli sono inoltre ben protetti dalla raccolta di contaminanti aerodispersi, evitando la necessità di riparazioni periodiche.
La direzionalità dell'elettrostatica può anche essere uno svantaggio in quanto significa che il "punto debole" in cui è possibile ascoltare la corretta immagine stereo è relativamente piccolo, limitando il numero di persone che possono godere appieno dei vantaggi degli altoparlanti contemporaneamente. Nel 1992 Critical Mass ha introdotto i primi altoparlanti elettrostatici per l'utilizzo in ambiente mobile (car audio). Il design dell'ingegnere Critical Mass e CEO Wayde Alfarone ha sfruttato la natura direzionale dell'elettrostatica creando campi sonori separati per diverse posizioni di seduta nel veicolo.
A causa della loro tendenza ad attrarre polvere, insetti, particelle conduttive e umidità, i diaframmi elettrostatici degli altoparlanti si deteriorano gradualmente e richiedono una sostituzione periodica. Hanno anche bisogno di misure di protezione per isolare fisicamente le loro parti ad alta tensione dal contatto accidentale con persone e animali domestici. È disponibile un servizio di riparazione e restauro conveniente per quasi tutti i modelli di altoparlanti elettrostatici attuali e fuori produzione.
Altoparlanti costruiti da dilettanti
Gli altoparlanti elettrostatici godono di una certa popolarità tra i costruttori di altoparlanti fai-da-te (fai -da-te ). Sono uno dei pochi tipi di altoparlanti in cui i trasduttori stessi possono essere costruiti da zero da un dilettante poiché l'hardware di base per progetti ESL fai-da-te completi può essere trovato disponibile online. Tali alimentazioni includono resistori e condensatori per l' equalizzazione della frequenza del circuito RC , se necessario; trasformatori elevatori ; lamiere o griglie forate e plastiche isolanti per gli statori; pellicola polimerica e vernice conduttiva (ad esempio una sospensione di grafite liquida ) per la membrana; semplice attrezzatura di tensionamento per una corretta regolazione della membrana; e una cornice, solitamente di legno, per tenere tutto insieme. Una risorsa molto letta dagli appassionati di ESL è The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN 978-1-882580-00-2 ) del noto specialista ESL Roger Sanders.
Altoparlanti commerciali
Arthur Janszen ottenne il brevetto USA 2.631.196 nel 1953 per un altoparlante elettrostatico. Aveva lavorato nella Marina per sviluppare una sorgente ad alta frequenza e bassa distorsione per mirare ai siluri. Dopo la guerra, ha sviluppato una tecnica di produzione per altoparlanti elettrostatici, da utilizzare con woofer a cono convenzionali, noti come ibridi elettrostatici. Ha concesso in licenza a Neishammny Electric la realizzazione di questi altoparlanti. All'inizio degli anni '70, Electronic Industries of Minneapolis ha rilevato la licenza e i diritti per realizzare altoparlanti elettrostatici JansZen. Nel 1974, Electronic Industries ha introdotto un nuovo tweeter ESL che avvolge il filo che ha notevolmente ridotto i costi di produzione. Inoltre ha dimostrato di essere totalmente affidabile. Diversi grandi array di questi tweeter sono stati effettivamente utilizzati come sistemi di diffusione sonora nei concerti a Minneapolis. La proprietà cambiò di nuovo alla fine degli anni '70 e la società fu acquistata. Sono stati fatti dei piani per offrire altoparlanti elettrostatici nelle auto, ma non sono mai entrati in produzione. Dave Wilson di Wilson Audio, ha utilizzato i tweeter JansZen nel suo famoso WAMM, Wilson Audio MOdulator Monitor. Quell'altoparlante è stato venduto per $ 220.000 al paio quando è stato interrotto. Gli sviluppatori del Tri-Ergon sound-on-film di film sonoro del sistema avevano sviluppato un disegno primitivo di diffusori elettrostatici già nel 1919. David Janszen, figlio di Arthur Janszen, utilizzando le carte di suo padre e disegni introdotto la propria versione di diffusori ibridi elettrostatici . La sua azienda, ancora in attività, non era collegata agli altoparlanti JansZen di Electronic Industries. L'azienda del signor Janszen, JansZen, fa ancora una versione evoluta del suo design originale. Il KLH Nine è stato progettato a metà degli anni '50 da Arthur A. Janszen e migliaia sono stati venduti dopo che il modello è stato portato a KLH nel 1959 e messo in produzione regolare.
Quad Electroacoustics
Il primo altoparlante elettrostatico full-range di pieno successo, e anche tra i più influenti, fu prodotto nel 1957: il Quad Electrostatic Loudspeaker (Quad ESL, in seguito noto come ESL-57) di Quad Electroacoustics , di Huntingdon , in Inghilterra. Questi avevano la forma un po 'come un radiatore elettrico domestico leggermente curvato sull'asse verticale. Sono stati ampiamente ammirati per la loro chiarezza e precisione, ma possono essere difficili da eseguire mentre si ottengono bassi a bassa frequenza.
I Quad ESL sono stati progettati da Peter Walker, fondatore dell'azienda, e David Williamson. Il primo della serie fu l'ESL-57, influenzato dal brevetto USA 1.983.377 sviluppato da Edward W. Kellogg per General Electric nel 1934. Fu introdotto nel 1955, messo in produzione commerciale nel 1957 e interrotto solo nel 1985.
Nel 1981, Quad ha introdotto l'ESL-63 come successore dell'ESL-57. Ha tentato di affrontare sia la carenza nella riproduzione dei bassi dell'ESL-57 sia la sua estrema direzionalità alle alte frequenze. Quest'ultimo obiettivo si ottiene suddividendo gli statori in otto anelli concentrici, ciascuno alimentato con un leggero ritardo rispetto all'anello immediatamente interno, tentando così di emulare una sorgente puntiforme.
Sebbene l'ESL-63 sia stato interrotto nel 1999, Quad mantiene la produzione di altoparlanti elettrostatici. Quad ha introdotto l'ESL-988 e la sua variante più grande l'ESL-989 nel 1999, l'ESL-2805 e l'ESL-2905 nel 2005 e l'ESL-2812 e l'ESL-2912 nel 2017, che incorporano perfezionamenti elettronici e trasduttori.
Altri produttori
Altri produttori che attualmente producono altoparlanti elettrostatici includono Immersion dall'Australia, Solosound nei Paesi Bassi , King's Audio, Panphonics dalla Finlandia , Cadence Audio con sede a Pune , T + A e Silberstatic dalla Germania. Alla fine del 2014, il produttore di tecnologia taiwanese BenQ ha rilasciato il primo altoparlante Bluetooth elettrostatico portatile treVolo.
Audiostatic, Blanko.nu esclusivamente altoparlanti elettrostatici attivi tubeamp costruiti a mano in Olanda, Sound-Lab costruisce esclusivamente pannelli elettrostatici full-range. L'unico altoparlante elettrostatico attivo a gamma completa attualmente in produzione è l'Audiostatic DCA-5. JansZen attualmente offre versioni attive (motorizzate) dei suoi due modelli ibridi, Carmelita Active (montata su supporto) e Valentina Active (a pavimento).
MartinLogan , JansZen , Metrum Acoustics, Sanders Sound Systems e Sound-Lab realizzano progetti ibridi con woofer o subwoofer convenzionali.
Tra i diffusori elettrostatici a gamma completa che non sono più prodotti c'è il KLH 9, il primo modello a gamma completa degli Stati Uniti. In condizioni ideali, nella stanza, i bassi sono ben supportati fino a 40 Hz @ -3 dB (70 Hz in condizioni anecoiche complete) ma iniziano a rotolare fino a 80 Hz se le membrane del woofer erano eccessivamente tese in produzione oa causa di età. Sono stati prodotti diversi modelli Acoustat e l'Infinity Servo-Statik e i suoi successori che utilizzavano un woofer / subwoofer dinamico alle basse frequenze. Sanders Sound Systems è il successore del defunto Innersound.