Здесь пойдёт разговор о незаслуженно забытых плоских динамиках.

Изготовление электростатических громкоговорителей в любительских условиях
С. ЛАЧИНЯН, пос. Энергетик Алмаатинской обл., Казахстан

Насколько реально в домашних условиях самому изготовить электростатические громкоговорители, которые станут основой для современной системы звуковоспроизведения высокой верности? Автор утверждает, что это вполне доступно многим. Зато усилия не пройдут даром: естественность звучания, в немалой степени обусловленная практическим отсутствием переходных процессов в самой заметной области средних звуковых частот, порадует аудиофилов — такая акустическая система не утомляет даже при длительном прослушивании.

Сергеем Лачиняном представлена оригинальная конструкция электростатического громкоговорителя. Технологическая оснастка и некоторые приемы, предложенные им, позволяют изготовить стабильные по параметрам излучатели, по эффективности сравнимые с современными конструкциями промышленного изготовления.

Кроме конструкции и процессов изготовления электростатических излучателей, в статье описаны варианты усилителей мощности, наиболее пригодных для работы с электростатическими громкоговорителями.
Напоминаем, что при работе с электростатическими излучателями следует соблюдать правила электробезопасности; их знание полезно освежить перед сборкой и включением источников высокого напряжения.

Среди известных на сегодня устройств преобразования электрических сигналов в акустические доминируют электродинамические громкоговорители. Это связано в первую очередь с их сравнительной простотой и распространенностью.

Однако если говорить о таких параметрах громкоговорителя, как переходные характеристики, неравномерность АЧХ, призвуки, динамический и частотный диапазон, то, ориентируясь в итоге на естественность и "прозрачность" звучания, наилучшие показатели на сегодня удается получить при использовании электростатических громкоговорителей. Особенно это преимущество заметно в области средних и высоких частот звукового диапазона, и в этой связи получили распространение так называемые династатические акустические системы, в которых низкочастотную часть спектра озвучивает электродинамический громкоговоритель, а средние и высокие частоты — один или несколько пленочных электростатических излучателей.

Теоретически конструкция электростатических излучателей, фактически не имеющих специального акустического оформления, достаточно проста [ 1 ], по существу это обычный конденсатор с воздушным зазором, одна из пластин которого выполнена в виде легкой мембраны из металлизированной полимерной пленки, а другая — в виде массивного перфорированного электрода (рис. 1 ,а). Резистор R — защитный, он ограничивает ток при возникновении пробоя между электродами.

Сила, приводящая в движение мембрану, создается переменным электрическим полем, и поскольку эта сила не зависит от знака приложенного напряжения, необходимо создавать поляризующее поле постоянного направления, на которое накладывается переменная составляющая.



Силу, действующую на мембрану, вычисляют по известной формуле для плоских многослойных конденсаторов:



Из приведенных формул видно, что в электростатическом преобразователе зависимость действующей силы от приложенного напряжения принципиально нелинейна и зависит от квадрата напряжения Поэтому для снижения    соответствующих искажений необходимо уменьшать амплитуду изменения суммарного напряжения U, что можно достичь, если поляризующее напряжение U0 будет значительно превышать переменную составляющую u. Еще один путь снижения "квадратичных" искажений — это использование симметричной двухсторонней конструкции электростатического преобразователя (рис. 1,6).

В этом случае соблюдается условие постоянства общего заряда мембраны и соответственно происходит взаимная компенсация нелинейности действующих сил. Для такого громкоговорителя [2] достаточно, чтобы амплитуда переменного напряжения    была меньше напряжения поляризации Кроме того, при значительном размахе колебаний мембраны, соизмеримом с расстоянием между электродами, наблюдаются искажения, связанные с нелинейностью сил. вызванных модуляцией величины 6в и емкости излучателя С0. Эти искажения можно уменьшить как за счет увеличения воздушного зазора между электродами (что снизит КПД, динамический диапазон и чувствительность электроакустического преобразователя), так и другими способами, о которых будет сказано в дальнейшем.

Несмотря на теоретическую простоту, изготовление электростатических излучателей связано с рядом технических трудностей. Достаточно отметить,   
что в мире существует сравнительно немного фирм, освоивших серийное производство   конкурентоспособных    электростатических громкоговорителей.  
Как правило, их производители ссылаются на применение высоких аэрокосмических технологий и тем самым как бы исключают саму возможность повторения подобных конструкций в любительских условиях. На самом деле знание определенных технологических приемов и конструктивных решений позволяет изготавливать электростатические излучатели в домашних условиях, получая при этом весьма неплохие результаты.

Впервые вполне работоспособные электростатические излучатели автор с группой сотрудников изготовил в 1989 г. С тех пор разработано уже несколько поколений электростатических громкоговорителей, причем в последних конструкциях удалось решить ряд принципиальных проблем.

Например, создан электростатический громкоговоритель с "произвольной" кривизной образующей и компенсацией искажений, вызванных модуляцией бв (изогнутые панели в углу на фото



В настоящей публикации предлагается конструкция электростатического громкоговорителя для диапазона средних и высоких звуковых частот; его прототип был разработан в 1999 г. Технология изготовления излучателей модифицирована для повторения радиолюбителями и ее можно применять при самостоятельном конструировании электростатических громкоговорителей.

Прежде чем приступить к описанию конструкции любительского электростатического громкоговорителя, следует ознакомить читателей с некоторыми особенностями конструирования подобных устройств, что вызвано использованием высокого — до 12 кВ! — напряжения питания и спецификой поведения материалов в сильном электрическом поле.

При работе с электростатическими устройствами не следует работать с заземлением и касаться заземленных проводов. Чем лучше вы будете изолированы от токопроводящих поверхностей, тем меньше опасность удара током. При этом обязательно соблюдение всех мер техники безопасности, которые рекомендованы при работе с высоким напряжением, например, с высоковольтными узлами бытовых телевизоров. Несмотря на то что ток при ударе статическим

электричеством сравнительно невелик, а напряжение значительно меньше, чем в цветном кинескопе, удар при разряде может быть весьма чувствителен и опасен. Все полупроводниковые и особенно цифровые измерительные приборы следует располагать как можно дальше от зоны, в которой ведутся работы с электростатическим громкоговорителем, поскольку в момент разрядки разделительного конденсатора на обмоткв трансформатора может возникать весьма высокое импульсное напряжение. Следует с осторожностью относиться к использованию привычных изоляционных материалов, поскольку такого напряжения многие изоляторы, в том числе и изоляция большинства проводов, не выдерживают; возникают коронные разряды или пробои, особенно в местах микродефектов.

Наиболее сложна с технической точки зрения изоляция неподвижного электрода. Электрод практически без дефектов должен быть покрыт весьма прочным в электрическом отношении слоем диэлектрика, выдерживающим напряжение в несколько киловольт на высоких звуковых частотах. Соблазн использовать для этого пластмассы сталкивается с проблемой поляризации, которой подвержены почти все диэлектрики с высокой электрической прочностью.



В результате поляризации наведенный в диэлектрике объемный заряд через некоторое время после включения почти полностью компенсирует поляризующее электрическое поле между электродами и преобразователь теряет работоспособность (дефект, наблюдавшийся у большинства ранее производившихся в СССР электростатических громкоговорителей).

По этой причине также проблематично использовать в качестве изолирующего покрытия пластиковую основу подвижного металлизированного электрода. Кроме того, при толщине пленки 5 10 мкм ее электрическая прочность оказывается явно недостаточной.

Решить эту задачу удается, используя специальные слабо поляризующиеся диэлектрики Кроме того, пригодны диэлектрики со сравнительно низким удельным сопротивлением при одновременно высокой электрической прочности. Свойства и особенности применяемого диэлектрика (нелинейность в поле высокого переменного напряжения) в значительной степени определяют качество и "окраску" звука.

Не менее высокие требования по электрической прочности предъявляются к согласующим трансформаторам звуковых частот, конденсаторам, диодам, платам, монтажу и подводящим проводам. Поэтому конструирование электростатических громкоговорителей требует внимания к деталям. В частности, все элементы в процессе изготовления потребуют тщательного контроля на пробой, что осуществляется подачей испытательного высокого напряжения.

Конструкция громкоговорителей.

Наиболее просто вопросы оптимизации параметров громкоговорителя и проблема устойчивости подвижной мембраны решаются в излучателях симметричной конструкции; именно такая предлагается для повторения.

Излучатель громкоговорителя выполнен в виде прямоугольной удлиненной панели размерами 1200*195x20 мм. Его фото показано на рис. 3, а упрощенный чертеж — на рис. 4.




Преобразователь состоит из двух неподвижных электродов и натянутой между ними пленки (мембраны) с двусторонним токопроводящим покрытием. При этом электрическим изолятором между электродами фактически служит диэлектрик, покрывающий неподвижные электроды.

В качестве неподвижного электрода используется решетка, собранная из проводников круглого сечения. Их длина практически равна высоте панели громкоговорителя, каждый из проводников покрыт двухслойной изоляцией в виде лакового покрытия и трубки из кремнийорганического диэлектрика. Решетки неподвижных электродов и мембрана разделены прокладками, толщина которых задает расстояние между электродами электростатического преобразователя.
При изготовлении неподвижного электрода требуется выполнить ряд противоречивых требований.

В частности, для минимального демпфирования акустических колебаний мембраны необходима максимальная площадь щелей решетки, а для увеличения электрической силы, наоборот, требуется увеличивать площадь неподвижного электрода. Как показал опыт, предпочтение следует отдать минимальному демпфированию. В зависимости от назначения громкоговорителя отношение площади щелей к эффективной площади электрода (Sщ/Sэ) различно и выбирается в интервале значений 0,25...2.5. Его меньшее значение рекомендуется для высокочастотных излучателей, а большее для высококачественных широкополосных громкоговорителей.

В предлагаемой конструкции это отношение принято чуть более 1,8, т. е. для проводников решетки диаметром (с изоляцией) 2,5 мм промежутки между ними оказываются шириной по 4,5 мм

Электростатический излучатель обычно используется как громкоговоритель СЧ—ВЧ с нижней граничной частотой воспроизведения около 200 Гц, поэтому для воспроизведения музыки необходим сабвуфер. Учитывая сумму различных факторов (таких, как максимальная амплитуда колебаний на низшей воспроизводимой частоте, чувствительность, КПД и некоторые другие), расстояние между мембраной и неподвижными электродами следует выбирать в пределах 3...5 мм. Это расстояние, как и геометрическая точность сборки, задается при изготовлении и сборке громкоговорителя на специальном стапеле (см чертеж на рис. 5 и фото одного из вариантов на рис. 6).

Для натяжения пленки мембраны подвижного электрода также используется стапель с внешними размерами, аналогичными стапелю на чертеже рис. 5, однако без каких-либо направляющих штырей. Вместо этого на его поверхность, по размеру несколько большему, чем у громкоговорителя, наклеивают мягкую ткань или тонкий поролон.

ЛИТЕРАТУРА
1.  Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. — М.: Искусство, 1982.
2.   Зуев В. Электростатический громкоговоритель АСЭ-1. — Радио, 1980, № 8, с. 22, 23.
(Продолжение следует)
фото — автора