Магия звука с точки зрения физики: всё, что полезно знать об электростатических громкоговорителях

По сравнению с широко распространёнными динамическими и ленточными излучателями, электростатические громкоговорители — весьма экзотическая вещь и достаточно большая редкость. Что ж, тем интереснее будет узнать об особенностях, преимуществах и недостатках «электростатов»: рассказываем обо всём по порядку в нашем материале.

Обсуждение электростатических преобразователей редко обходится без упоминания акустической системы Quad ESL-57, представленной в 1957 году Питером Уокером. В своё время ESL-57 произвела революцию детальности звучания и даже спустя более 60 лет не предана забвению: у некоторых разработчиков акустических систем всё ещё есть под рукой пара ESL-57 в качестве эталона. Эти колонки не могут похвастаться завидной басовитостью и не играют очень громко, однако с поправкой на некоторые свои ограничения звучат просто превосходно.

Как в ленточном излучателе, так и в электростатическом драйвере для формирования звуковых колебаний применяется тонкая мембрана. Однако на этом сходства двух технологий заканчиваются. В то время как динамические и ленточные громкоговорители являются электромагнитными преобразователями — то есть, работают за счет электрически индуцируемого магнитного взаимодействия — электростатический громкоговоритель работает по совершенно иному принципу, который основан, соответственно, на электростатическом взаимодействии.

Тонкая подвижная мембрана электростатического излучателя зачастую изготавливается из прозрачной майларовой плёнки и размещается между двумя электродами, которые называют статорами. На упомянутую мембрану подаётся очень высокое напряжение относительно статоров. Звуковой сигнал подаётся на статоры, которые формируют вокруг себя соответствующие пульсирующие электростатические поля. Эти пульсирующие электростатические поля взаимодействуют с постоянным электростатическим полем мембраны: один статор притягивает мембрану, а другой отталкивает её, что и позволяет воспроизводить звук.

Стоит отметить, что в электростатических громкоговорителях присутствуют очень высокие напряжения. Так, поляризующее напряжение, подведённое к диафрагме, может достигать 10 000 В. Кроме того, при помощи повышающего трансформатора, расположенного в электростатическом громкоговорителе, напряжение звукового сигнала повышается с десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Всё это требуется для формирования электростатических полей достаточной напряжённости вокруг диафрагмы и статоров.

Для того, чтобы предотвратить искрение (появление электрических разрядов), статоры зачастую покрывают специальным изоляционным материалом. Однако если на электростатический громкоговоритель подаётся избыточное напряжение, электростатическое поле отнимает свободные электроны у кислорода, находящегося в воздухе, тем самым ионизируя его. Таким образом, это создаёт проводящий путь для электрического разряда. Вдобавок, значительные отклонения диафрагмы (при большом уровне громкости) перемещают её ближе к статорам, что также способствует искрению и может привести к повреждению электростатической панели. Искрение — более насущная проблема во влажном климате, чем в сухом, поскольку влага повышает электропроводность воздуха между статорами.

Для того, чтобы снизить вредное влияние резонанса диафрагмы, электростатические панели зачастую делятся на несколько сегментов меньшего размера. Вдобавок, нередко панели делаются изогнутыми — с целью расширить диаграмму направленности.

Примечательно, что электростатические панели порой весят даже меньше, чем магнито-планарные преобразователи. К примеру, в отличие от ленточного драйвера, в котором мембрана проводит ток звукового сигнала, от диафрагмы электростатического излучателя этого не требуется. Таким образом, диафрагма может быть очень тонкой, нередко менее 25 мкм. Небольшая масса позволяет моментально приводить в движение и останавливать тонкую мембрану, что обеспечивает новый уровень точности и детальности звучания.

Электростатические громкоговорители, как и планарные электромагнитные (ленточные) драйверы, отличаются достаточно узкой диаграммой направленности, а это значит, что непосредственно к слушателю будет поступать меньшее количество звука, отраженного от боковых стен и потолка. К тому же, у электростатических панелей, как и у ленточных широкополосных громкоговорителей, нет корпуса (ящика), который может ухудшать качество звучания. Поскольку излучатель в данном случае устанавливается в открытой панели, электростатическая акустическая система воспроизводит столько же звука позади себя, сколько и спереди. И, наконец, большая площадь поверхности электростатического громкоговорителя позволяет максимально точно передавать звуковые образы музыкальных инструментов.

Стоит отметить, что электростатические громкоговорители необходимо подключать к сети переменного тока: это требуется для создания поляризующего напряжения. Поскольку электростатическая панель, как правило, является дипольным излучателем, качество звука в данном случае сильно зависит от правильного размещения в комнате. Для того, чтобы в полной мере ощутить объёмность звуковой сцены, электростатический громкоговоритель лучше всего разместить на достаточном расстоянии от задней стены.

Для электростатической акустики характерна невысокая чувствительность: она требует энерговооружённых усилителей мощности. Вдобавок, её импеданс имеет более реактивный характер, чем в случае с динамическими громкоговорителями, что ещё больше нагружает усилитель, предъявляя к нему повышенные требования.

Широкополосные «электростаты» не будут играть так же громко, как типичные динамические драйверы — для них не характерно мощное звучание и глубокий бас. Однако они превосходят динамические излучатели в плане прозрачности и утончённости, обладают потрясающей детальностью, разрешением и слитностью звучания.

Электростатические громкоговорители могут быть дополнены сабвуфером — с целью улучшения динамичности и отдачи на низких частотах. Схожего результата можно достичь разместив басовые динамики в корпусах, сопряженных с электростатическими панелями. Подобные гибридные системы позволяют сочетать наилучшие качества динамического драйвера и электростатического излучателя. При этом важно внимательно оценить звучание такой акустики перед покупкой: у гибридных систем может проявляться ощутимая неравномерность в районе частоты среза кроссовера, где басовый динамик «передаёт эстафету» электростатической панели. Во время демонстрационного прослушивания бывает полезно оценить тембр фортепиано и естественность его звучания в разных регистрах. Акустический бас в джазовых композициях — ещё один хороший тест на слитность звучания гибридных громкоговорителей, включающих в себя и динамики, и электростатические панели.

Большое достоинство широкополосной ленточной и электростатической акустики — это отсутствие кроссовера. Таким образом, диафрагма приводится в движение полным спектром звукового сигнала, что исключает неоднородность при воспроизведении разных звуковых частот разными драйверами. Кроме того, отсутствие резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, находящихся в кроссоверах на пути сигнала, повышает прозрачность и точность воспроизведения музыки полнодиапазонной планарной акустикой. Что же касается гибридных систем, частота раздела между басовым динамиком и планарной панелью, как правило, достаточно низкая (ниже 800 Гц), в связи с чем неоднородность звучания на слух практически не заметна.

Ещё один интересный нюанс заключается в том, что большие диафрагмы электростатических и ленточных драйверов приводятся в движение под действием сил, равномерно распределённых по всей поверхности излучающей мембраны, в то время как в динамических драйверах они приложены к относительно небольшой части диффузора, на которой закреплена звуковая катушка. Значительная сила, действующая на небольшой локальный участок диффузора, приводит к возникновению так называемых изгибных волн (деформаций) и связанных с ними искажений. У больших планарных диафрагм подобные недостатки встречаются гораздо реже.

Электростатическая акустика — крайне любопытная и весьма необычная вещь, со своими ощутимыми преимуществами, а также определёнными ограничениями, с которыми, впрочем, научились справляться опытные разработчики. К примеру, компания Martin Logan выпускает превосходные гибридные системы, состоящие из электростатической панели и динамического вуфера, что позволяет использовать преимущества обеих технологий.