Altavoz electrostático - Electrostatic loudspeaker
Un altavoz electrostático (ESL) es un diseño de altavoz en el que el sonido se genera por la fuerza ejercida sobre una membrana suspendida en un campo electrostático .
Diseño y funcionalidad
Los altavoces utilizan un diafragma plano delgado que generalmente consta de una lámina de plástico recubierta con un material conductor como el grafito intercalado entre dos rejillas conductoras de electricidad, con un pequeño espacio de aire entre el diafragma y las rejillas. Para una operación de baja distorsión, el diafragma debe operar con una carga constante en su superficie, en lugar de con un voltaje constante . Esto se logra mediante una o ambas de dos técnicas: el revestimiento conductor del diafragma se elige y se aplica de manera que le dé una resistividad superficial muy alta , y / o se coloca una resistencia de gran valor en serie entre el EHT (tensión extra alta o Voltaje) fuente de alimentación y el diafragma (la resistencia no se muestra en el diagrama aquí). Sin embargo, la última técnica todavía permitirá la distorsión ya que la carga migrará a través del diafragma hasta el punto más cercano a la "rejilla" o electrodo, aumentando así la fuerza que mueve el diafragma; esto ocurrirá en la frecuencia de audio, por lo que el diafragma requiere una alta resistencia (megaohmios) para ralentizar el movimiento de carga de un altavoz práctico.
El diafragma suele estar hecho de una película de poliéster (espesor de 2 a 20 µm) con propiedades mecánicas excepcionales, como una película de PET . Por medio del revestimiento conductor y un suministro externo de alto voltaje, el diafragma se mantiene a un potencial de CC de varios kilovoltios con respecto a las rejillas. Las rejillas son impulsadas por la señal de audio; La parrilla delantera y trasera se accionan en antifase . Como resultado, se produce un campo electrostático uniforme proporcional a la señal de audio entre ambas rejillas. Esto hace que se ejerza una fuerza sobre el diafragma cargado, y su movimiento resultante impulsa el aire a ambos lados del mismo.
En prácticamente todos los altavoces electrostáticos, el diafragma es impulsado por dos rejillas, una a cada lado, porque la fuerza ejercida sobre el diafragma por una sola rejilla será inaceptablemente no lineal, provocando así una distorsión armónica . El uso de rejillas en ambos lados cancela la parte dependiente del voltaje de la no linealidad, pero deja la parte dependiente de la carga (fuerza de atracción). El resultado es una ausencia casi total de distorsión armónica. En un diseño reciente, el diafragma se maneja con la señal de audio, con la carga estática ubicada en las rejillas (Soluciones de sonido transparentes).
Las rejillas deben ser capaces de generar un campo eléctrico lo más uniforme posible, sin dejar de permitir el paso del sonido. Por lo tanto, las construcciones de rejilla adecuadas son láminas de metal perforadas, un marco con alambre tensado, varillas de alambre, etc.
Para generar una intensidad de campo suficiente, la señal de audio en las rejillas debe ser de alto voltaje. La construcción electrostática es, en efecto, un condensador, y la corriente solo se necesita para cargar la capacitancia creada por el diafragma y las placas del estator (los párrafos anteriores se denominan rejillas o electrodos). Por tanto, este tipo de altavoz es un dispositivo de alta impedancia . Por el contrario, un altavoz de cono electrodinámico moderno es un dispositivo de baja impedancia, con mayores requisitos de corriente. Como resultado, la adaptación de impedancia es necesaria para utilizar un amplificador normal . La mayoría de las veces se utiliza un transformador para este fin. La construcción de este transformador es fundamental, ya que debe proporcionar una relación de transformación constante (a menudo alta) en todo el rango de frecuencias audibles (es decir, gran ancho de banda) y así evitar la distorsión. El transformador casi siempre es específico para un altavoz electrostático en particular. Hasta la fecha, Acoustat construyó el único altavoz electrostático comercial "sin transformador". En este diseño, la señal de audio se aplica directamente a los estatores desde un amplificador de válvula de alto voltaje incorporado (ya que las válvulas también son dispositivos de alta impedancia), sin el uso de un transformador elevador.
Ventajas
Las ventajas de los altavoces electrostáticos incluyen:
- niveles de distorsión de uno a dos órdenes de magnitud más bajos que los controladores de cono convencionales en una caja
- el peso extremadamente ligero del diafragma que se desplaza por toda su superficie
- respuesta de frecuencia ejemplar (tanto en amplitud como en fase ) porque el principio de generar fuerza y presión está casi libre de resonancias, a diferencia del controlador electrodinámico más común.
La transparencia musical puede ser mejor que en los altavoces electrodinámicos porque la superficie radiante tiene mucha menos masa que la mayoría de los otros controladores y, por lo tanto, es mucho menos capaz de almacenar energía para ser liberada más tarde. Por ejemplo, los controladores de altavoces dinámicos típicos pueden tener masas móviles de decenas o cientos de gramos, mientras que una membrana electrostática solo pesa unos pocos miligramos, varias veces menos que los tweeters electrodinámicos más ligeros . La carga de aire concomitante, a menudo insignificante en altavoces dinámicos, suele ser de decenas de gramos debido a la gran superficie de acoplamiento, lo que contribuye a amortiguar la acumulación de resonancia por el aire mismo en un grado significativo, aunque no completo. La electrostática también se puede ejecutar como diseños de rango completo, sin los filtros de cruce habituales y los recintos que podrían colorear o distorsionar el sonido.
Dado que muchos altavoces electrostáticos tienen diseños altos y delgados sin una carcasa , actúan como una fuente de línea dipolo vertical . Esto hace que el comportamiento acústico en las salas sea bastante diferente en comparación con los altavoces electrodinámicos convencionales. En términos generales, un radiador dipolo de panel grande exige una ubicación física adecuada dentro de una habitación en comparación con un altavoz de caja convencional, pero, una vez allí, es menos probable que excite las resonancias de la habitación que suenan mal, y su directo a -La relación del sonido reflejado es más alta en unos 4-5 decibeles. Esto, a su vez, conduce a una reproducción estéreo más precisa de las grabaciones que contienen la información estéreo adecuada y el ambiente del lugar. Los controladores planos (planos) tienden a ser muy direccionales, lo que les proporciona buenas cualidades de imagen, con la condición de que se hayan colocado cuidadosamente en relación con el oyente y las superficies que reflejan el sonido en la habitación. Se han construido paneles curvos, lo que hace que los requisitos de ubicación sean un poco menos estrictos, pero sacrifican un poco la precisión de la imagen.
Desventajas
Las desventajas típicas incluyen la sensibilidad a los niveles de humedad ambiental y la falta de respuesta de graves, debido a la cancelación de fase por falta de carcasa, pero no todos los diseños las comparten. El punto de atenuación de graves de 3db se produce cuando la dimensión más estrecha del panel es igual a un cuarto de longitud de onda de la frecuencia radiada para los radiadores dipolo, por lo que para un Quad ESL-63, que tiene 0,66 metros de ancho, esto ocurre a unos 129 Hz, comparable a muchos altavoces de caja ( calculada con la velocidad del sonido tomada como 343 m / s). También existe el difícil desafío físico de reproducir bajas frecuencias con una película vibrante tensa con poca amplitud de excursión; sin embargo, como la mayoría de los diafragmas tienen un área de superficie muy grande en comparación con los controladores de cono, solo se requieren pequeñas excursiones de amplitud para sacar cantidades relativamente grandes de energía. Si bien los graves carecen cuantitativamente (debido a una menor excursión que los controladores de cono), pueden ser de mejor calidad ('más ajustados' y sin 'auge') que los de los sistemas electrodinámicos (de cono). La cancelación de fase se puede compensar de alguna manera mediante la ecualización electrónica (un circuito llamado shelving que aumenta la región dentro de la banda de audio donde la presión sonora generada cae debido a la cancelación de fase). Sin embargo, los niveles máximos de graves no pueden aumentarse porque, en última instancia, están limitados por la excursión máxima permitida de la membrana antes de que se acerque demasiado a los estatores de alto voltaje, lo que puede producir arcos eléctricos y quemar agujeros a través de ella. Las soluciones recientes y técnicamente más avanzadas para la falta percibida de graves incluyen el uso de paneles grandes y curvos (Sound-Lab, MartinLogan CLS), paneles de subwoofer electrostáticos (Audiostatic, Quad) y elementos electrostáticos de largo alcance que permiten grandes excursiones de diafragma (Audiostatic) . Otro truco que se practica a menudo es intensificar los graves (20–80 Hz) con una relación de transformación más alta que los medios y los agudos.
Esta relativa falta de graves fuertes a menudo se remedia con un diseño híbrido que utiliza un altavoz dinámico, por ejemplo, un subwoofer , para manejar las frecuencias más bajas , con el diafragma electrostático para manejar las frecuencias medias y altas. Muchos sienten que la mejor unidad de baja frecuencia para híbridos son los controladores de cono montados en deflectores abiertos como dipolos, woofers de línea de transmisión o bocinas , ya que poseen aproximadamente las mismas cualidades (al menos en los graves) que los altavoces electrostáticos, es decir, buena respuesta transitoria , poca coloración de la caja y (idealmente) respuesta de frecuencia plana. Sin embargo, a menudo existe un problema al integrar dicho woofer con la electrostática. Esto se debe a que la mayoría de la electrostática son fuentes lineales , cuyo nivel de presión sonora disminuye en 3 dB por cada duplicación de la distancia. El nivel de presión sonora de un altavoz de cono, por otro lado, disminuye en 6 dB por cada duplicación de la distancia porque se comporta como una fuente puntual . Esto puede superarse con la solución teóricamente más elegante de usar woofers de cono convencionales en un deflector abierto, o una disposición push-pull, que produce un patrón de radiación bipolar similar al de la membrana electrostática. Esto todavía está sujeto a cancelación de fase, pero los woofers de cono se pueden conducir a niveles mucho más altos debido a su excursión más larga, lo que facilita la ecualización a una respuesta plana, y agregan distorsión aumentando así el área (y por lo tanto la potencia) debajo de la frecuencia. gráfico de respuesta, lo que aumenta la energía total de baja frecuencia pero la fidelidad a la señal es menor.
Una alternativa es encerrar los elementos electrostáticos y operarlos como "monopolos". Esto evita las muchas desventajas del funcionamiento del dipolo, lo más importante es una gran reducción de los reflejos de la habitación y, por lo tanto, también la adulteración del ambiente grabado. Dado que no hay ningún intento de hacer que el altavoz sea visualmente transparente , también permite la aplicación de materiales en la parte posterior del panel para impartir una amortiguación completa de la resonancia de la membrana, lo que mejora la respuesta transitoria. Además, el uso de elementos relativamente pequeños con una frecuencia de cruce relativamente alta, como 500 Hz, tiene una serie de ventajas. Reduce la directividad a un grado que ofrece un punto óptimo razonablemente amplio. Permite que se utilice más del aumento de 3 dB / octava en el SPL con la frecuencia, aumentando la sensibilidad. No actúa como un verdadero line array, por lo que los woofers son más fáciles de integrar. Por último, la mayoría de los 3 dB restantes se pueden contrarrestar filtrando las altas frecuencias de la señal a la mitad o más del ancho, lo que, casualmente, amplía la dispersión y, por lo tanto, el punto óptimo. Los altavoces JansZen incorporan todas estas características alternativas. También utilizan woofers de suspensión acústica (recintos sellados), que tienen el retardo de grupo más bajo de todas las configuraciones y, por lo tanto, la mejor posibilidad de integrarse sin problemas con la electrostática. Los paneles también están bien protegidos contra la acumulación de contaminantes en el aire, evitando la necesidad de reparaciones periódicas.
La direccionalidad de la electrostática también puede ser una desventaja, ya que significa que el 'punto óptimo' donde se pueden escuchar imágenes estéreo adecuadas es relativamente pequeño, lo que limita el número de personas que pueden disfrutar plenamente de las ventajas de los altavoces simultáneamente. En 1992, Critical Mass presentó los primeros altavoces electrostáticos para su uso en el entorno móvil (audio para automóviles). El diseño del ingeniero y director ejecutivo de Critical Mass, Wayde Alfarone, capitalizó la naturaleza direccional de la electrostática al crear campos de sonido separados para diferentes ubicaciones de asientos en el vehículo.
Debido a su tendencia a atraer polvo, insectos, partículas conductoras y humedad, los diafragmas de los altavoces electrostáticos se deteriorarán gradualmente y necesitarán un reemplazo periódico. También necesitan medidas de protección para aislar físicamente sus partes de alto voltaje del contacto accidental con humanos y mascotas. Hay disponible un servicio rentable de reparación y restauración para prácticamente todos los modelos de altavoces electrostáticos actuales y descontinuados.
Altavoces hechos por aficionados
Altavoces electrostáticos gozan de cierta popularidad entre los do-it-yourself constructores de altavoces (DIY). Son uno de los pocos tipos de altavoces en los que los propios transductores pueden ser construidos desde cero por un aficionado, ya que el hardware básico para proyectos completos de ESL DIY se puede encontrar disponible en línea. Dichos suministros incluyen resistencias y condensadores para la ecualización de frecuencia del circuito RC , si es necesario; transformadores elevadores ; láminas o rejillas de metal perforado y plásticos aislantes para los estatores; película de polímero y pintura conductora (por ejemplo, una suspensión de grafito líquido ) para la membrana; equipo de tensión simple para un ajuste adecuado de la membrana; y un marco, generalmente de madera, para mantener todo junto. Un recurso ampliamente leído por los entusiastas de ESL es The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN 978-1-882580-00-2 ) por el notable especialista en ESL Roger Sanders.
Ponentes comerciales
Arthur Janszen recibió la patente estadounidense 2.631.196 en 1953 para un altavoz electrostático. Había trabajado en la Armada para desarrollar una fuente de baja distorsión y alta frecuencia para apuntar a los torpedos. Después de la guerra, desarrolló una técnica de fabricación de altavoces electrostáticos, para ser utilizados con woofers de cono convencionales, conocidos como híbridos electrostáticos. Obtuvo la licencia de Neishammny Electric para fabricar estos altavoces. A principios de la década de 1970, Electronic Industries of Minneapolis se hizo cargo de la licencia y los derechos para fabricar altavoces electrostáticos JansZen. En 1974, Electronic Industries introdujo una nueva envoltura de alambre alrededor del tweeter ESL que redujo enormemente el costo de fabricación. También ha demostrado ser totalmente fiable. Varios conjuntos grandes de estos tweeters se utilizaron en realidad como sistemas de megafonía en conciertos en Minneapolis. La propiedad cambió nuevamente a fines de la década de 1970 y se compró la empresa. Se hicieron planes para ofrecer altavoces electrostáticos en los automóviles, pero nunca entraron en producción. Dave Wilson de Wilson audio, usó tweeters JansZen en su famoso WAMM, Wilson Audio MOdulator Monitor. Ese parlante se vendió por $ 220,000 por par cuando fue descontinuado. Los desarrolladores del sistema de película sonora Tri-Ergon sound-on-film habían desarrollado un diseño primitivo de altavoz electrostático ya en 1919. David JansZen, hijo de Arthur JansZen, utilizando los papeles y diseños de su padre, presentó su propia versión de altavoces híbridos electrostáticos. . Su empresa, todavía en el negocio, no estaba conectada a los altavoces JansZen de Electronic Industries. La empresa del Sr. Janszen, JansZen, todavía hace una versión evolucionada de su diseño original. El KLH Nine fue diseñado a mediados de la década de 1950 por Arthur A. Janszen, y se vendieron miles después de que el diseño se llevó a KLH en 1959 y se puso en producción con regularidad.
Electroacústica cuádruple
El primer altavoz electrostático de rango completo de éxito completo, y también uno de los más influyentes, se produjo en 1957: el altavoz electrostático Quad (Quad ESL, más tarde conocido como ESL-57) de Quad Electroacoustics , de Huntingdon , Inglaterra. Estos tenían la forma de un radiador eléctrico doméstico ligeramente curvado en el eje vertical. Fueron ampliamente admirados por su claridad y precisión, pero pueden ser difíciles de ejecutar mientras logran una salida de graves de baja frecuencia.
Los Quad ESL fueron diseñados por Peter Walker, fundador de la empresa, y David Williamson. El primero de la serie fue el ESL-57, influenciado por la patente estadounidense 1.983.377 desarrollada por Edward W. Kellogg para General Electric en 1934. Se introdujo en 1955, se puso en producción comercial en 1957 y se suspendió solo en 1985.
En 1981, Quad introdujo el ESL-63 como sucesor del ESL-57. Intentó abordar tanto la deficiencia en la reproducción de graves del ESL-57 como su extrema direccionalidad a altas frecuencias. El último objetivo se logra dividiendo los estatores en ocho anillos concéntricos, cada uno de los cuales se alimenta con un ligero retardo de tiempo en comparación con el anillo que se encuentra inmediatamente hacia adentro, intentando así emular una fuente puntual.
Aunque el ESL-63 se suspendió en 1999, Quad mantiene la producción de altavoces electrostáticos. Quad introdujo el ESL-988 y su variante más grande el ESL-989 en 1999, el ESL-2805 y ESL-2905 en 2005, y el ESL-2812 y ESL-2912 en 2017, que incorporan mejoras electrónicas y de transductores.
Otros fabricantes
Otros fabricantes que actualmente producen altavoces electrostáticos incluyen Immersion de Australia; Solosound en los Países Bajos , King's Audio, Panphonics de Finlandia , Cadence Audio de Pune , T + A y Silberstatic de Alemania. A finales de 2014, el fabricante de tecnología taiwanés BenQ lanzó el primer altavoz Bluetooth electrostático portátil treVolo del mundo.
Audiostatic, Blanko.nu exclusivamente altavoces electrostáticos activos tubeamp fabricados a mano en Holanda, Sound-Lab fabrica exclusivamente paneles electrostáticos de rango completo. El único altavoz electrostático activo de rango completo actualmente en producción es el Audiostatic DCA-5. JansZen ofrece actualmente versiones activas (motorizadas) de sus dos modelos híbridos, el Carmelita Active (montado en soporte) y el Valentina Active (de pie).
MartinLogan , JansZen , Metrum Acoustics, Sanders Sound Systems y Sound-Lab crean diseños híbridos con woofers o subwoofers convencionales.
Entre los altavoces electrostáticos de rango completo que ya no se fabrican se encuentra el KLH 9, el primer diseño de rango completo de EE. UU. En condiciones ideales, en la habitación, los graves se soportan bien hasta 40 Hz a -3 dB (70 Hz en condiciones completamente anecoicas) pero comienzan a rodar hasta 80 Hz si las membranas del woofer se tensaron excesivamente durante la producción o debido a edad. Se fabricaron varios modelos de Acoustat, y el Infinity Servo-Statik y sus sucesores utilizaban un woofer / subwoofer dinámico a bajas frecuencias. Sanders Sound Systems es el sucesor del extinto Innersound.