Электростаты — электростатические наушники

Об устройстве и некоторых недостатках электростатических наушников.

Электростатические наушники принято считать чуть ли не вершиной развития наушникостроения вообще. Якобы это какой-то чуть ли не идеал, который напрочь лишен каких-либо проблем и недостатков. Ну, разве что кроме необходимости использовать специальный высоковольтный усилитель с дополнительными цепями поляризации.

На наш взгляд, разумеется, это не так.

Чтобы разобраться, рассмотрим, как устроен электростатический излучатель и какие в нем происходят процессы.

Принципиальное устройство типичного электростатического излучателя показано на рисунке:

Мембрана расположена между двух статоров через изолирующие прокладки.

Мембрана обычно изготовлена из тонкой полимерной пленки с резистивным (токопроводящим покрытием). Возможны варианты, в различных патентах и изделиях встречаются мембраны на основе пленки, бумаги, ткани, фольги и т. д.

Статоры — плоские детали в виде перфорированных пластин, сеток, обладающие способностью пропускать через себя воздух (и звук), а также резистивностью (способностью  проводить электрический ток).

Статоры и мембрана имеют между собой зазоры, позволяющие мембране совершать колебания. Также они обязательно электрически изолированы друг от друга (обычно с помощью кольцевых прокладок-изоляторов). На статорах и мембране организованы контакты для подачи на них электрического напряжения.

Как работают электростаты?

На мембрану подается постоянное поляризующее напряжение, в результате чего она приобретает относительно постоянный статический заряд.

На статоры подается переменное напряжение (музыкальный сигнал).

В результате между статорами и мембраной электростатическое поле, пропорциональное звуковому сигналу. Возникающие кулоновские силы (заряды одного знака отталкиваются, а заряды разных знаков притягиваются) заставляют мембрану колебаться в соответствии с подаваемым на статоры сигналом.

Устройство электростатического излучателя является одним из самых простых и известно более 100 лет. Самый ранний патент на эту тему, что мы смогли найти, относится к 1912 году.

Называется он «конденсаторный телефон» и принципом работы ничем не отличается от современных конструкций. Все те же перфорированные статоры и мембрана.

Рассмотрим некоторые особенности, которые оказывают влияние на характер звучания, и которые можно считать проблемами этой конструкции.

В первую очередь — это проблема создания действительно эффективного статора.

Дело в том, что в традиционной конструкции звукопрозрачность и электрическая (электростатическая) эффективность статора находятся в принципиально неустранимом противоречии.

С одной стороны, сам статор представляет собой «акустическую тень», а также «акустическую линзу» со свойствами необратимого преобразования акустического сигнала.

Любой статор, находясь между мембраной и ухом, препятствует прохождению звукового сигнала в полной мере, искажая его.

При этом статоры, не являясь 100% акустически прозрачными, создают повышенное/пониженное давление при колебаниях мембраны, то есть акустически демпфируют её.

Акустическое демпфирование в данном случае ограничивает амплитуду колебаний, а также определяет поведение мембраны на пиках и негативно сказывается на импульсных и переходных характеристиках. В связи с тем, что амплитуда в НЧ диапазоне выше, то в первую очередь проблемы появляются именно здесь.

В случае же попыток сделать статор более открытым (например, увеличивая размеры отверстий, и уменьшая промежутки между ними, либо используя сетчатый статор), значительно снижается его эффективность и падает чувствительность.

Кроме падения чувствительности, страдает и равномерность электростатического поля.

На иллюстрации — симуляция электростатического поля между двумя статорами с отверстиями разного размера. Чем больше отверстия и чем меньше между ними промежутки, тем поле неравномернее.

Следующая проблема, связанная со статорами, связана с тем, что статор должен быть максимально жестким и неподвижным.

Из закона сохранения импульса ясно, что если мембрана отталкивается от статора, то с точно таким же усилием и статор отталкивается от мембраны. Силой, которая противодействует отталкиванию статора, является сила упругости материала и конструкции самого статора.

Тем не менее, статор в любом случае совершает колебания в противофазе с мембраной и при этом находится между мембраной и ухом, перекрывая значительную часть мембраны. И всё это в слышимом диапазоне. Это разумеется источник специфических искажений.

Некоторые производители частично решают эту проблему с помощью дополнительных «ребер жесткости», прикрепляемым к статорам, однако в целом особенность остается.

Следующая особенность статоров электростатов, которую обязательно нужно учитывать при проектировании — это их дифракционные свойства.

Каждое отверстие в статоре меньше, чем длина звуковой волны, поэтому дифракционные явления неизбежны. Напомним, что даже граничная частота 20 кГц имеет длину волны около 16 мм.

Мембрана генерирует приближенную к плоской звуковую волну. При прохождении через отверстие меньше длины волны происходит отклонение от ее прямолинейного распространения и волна преобразуется в сферическую. Если отверстий несколько — неизбежно наблюдается сложная интерференционная картина. Является ли это источником искажений? Конечно, хотя их можно называть и «окрасами», а не искажениями)))

Однако, именно в таком виде (одна мембрана между двух статоров) электростатический излучатель в наушниках встречается крайне редко, поскольку им практически невозможно пользоваться хоть сколько-нибудь длительное время. Причина — отсутствие пыле- и влагозащиты. Повышенная влажность, которая образуется под амбушюрами, влияет на заряд, а также на проводящие свойства всех сопрягаемых поверхностей в излучателе. Статоры мембраны (и сама мембрана) находятся под высоким напряжением, поэтому активно притягивают пыль. По этой причине спустя некоторое время, а иногда и почти сразу, появляется утечка тока и слышны различные высокочастотные шумы («писк», «сверчки», «щелчки» и т. д.).

Основной метод борьбы с этой особенностью состоит в том, что используются дополнительные защитные мембраны, которые устанавливаются по разные стороны излучателя и конструкция несколько усложняется.

В связи с этим стоит рассмотреть один устоявшийся миф, который гласит, что электростатические наушники хорошо звучат, так как у них самая тонкая и самая легкая мембрана.

Но на наш взгляд стоит рассматривать не мембрану отдельно, а как минимум, массу всей подвижной системы.

А для примера она состоит из:

— собственно мембраны (допустим, 2-3 мкм сама пленка вместе с резистивным покрытием)

— воздух между статором и основной мембраной (например 0,5+0,5 мм)

— воздух между статором и защитной мембраной (0,5+0,5 мм).

— защитные мембраны (например 1 мкм+1 мкм).

Плотность воздуха 1,225 кг/м³, плотность лавсана 1300 кг/м³. Таким образом, масса воздуха толщиной 2 мм эквивалентна примерно (2х1,225/1300)/1000 = 1,9 мкм лавсана.

То есть суммарно — масса подвижной системы, находящейся между защитными мембранами эквивалентна примерно 6 мкм лавсана. А если зазоры больше — то и 8-10 мкм То есть фактическое преимущество относительно, например, изодинамических мембран, — не такое уж и существенное, если не сказать, что его практически нет.

При этом — у изодинамических наушников мембрана излучает звук напрямую, без преобразований сигнала, характерных для электростатов.

Ни иллюстрации схематично показана «половинка» излучателя (основная мембрана, статор, защитная мембрана) и происходящие волновые процессы.

Колебания основной мембраны образуют плоские звуковые волны (1).

При прохождении через решетку статора происходит преобразование плоских волн во множество сферических, которые образуют волновой фронт состоящий из множества сферических волн и результата взаимодействия (интерференции) между ними (2).

Этот волновой фронт (2) приводит в движение защитную мембрану. Поскольку она натянута в плоскости, то происходит преобразование в новый волновой фронт опять плоских волн. 

Так как все элементы этой системы обладают упругостью, массой (и инерцией), каждое из преобразований происходит с потерями. Особенно заметно это сказывается на мелких нюансах звучания.

Выводы:

1. Мы описали устройство и некоторые, на наш взгляд, наиболее существенные особенности и проблемы электростатических излучателей для наушников.

2. Характерный тип «звука электростатов» — это результат заложенных в конструкцию особенностей, которые формируют определенный набор преобразований сигнала с характерными потерями и искажениями, которые и определяют очень узнаваемые особенности звучания. Особенности:

— демпфирование мембраны статорами

— колебания самих статоров в противофазе с мембраной

— преобразования волнового фронта с потерями и специфическими искажениями (окрасами).

3. Любые электростатические наушники являются далеко не идеальными, каждый вариант конкретной конструкции — это определенный набор разных инженерных компромиссов в решении описанных проблем, результатом чего является и достаточно разный качественный уровень и характер звучания.