Изготовление электростатических громкоговорителей в любительских условиях

С. ЛАЧИНЯН, пос. ЭнергетикАлмаатинской обл., Казахстан

Подключение к усилителю

Громкоговоритель, схема которого представлена на рис. 17, можно подключать практически к любому УМЗЧ, рассчитанному на динамические громкоговорители. Как показала практика, при питании электростатических громкоговорителей от согласующих трансформаторов целесообразно применение отрицательной обратной связи непосредственно с трансформатора, как показано на рис. 21. В этом случае корректирующая цепь из резисторов R6—R8 и конденсаторов С1, С2 предназначена для устранения самовозбуждения усилителя в результате фазового сдвига на высоких частотах.

Один из практических вариантов совмещения электростатического громкоговорителя и транзисторного УМЗЧ показан на рис. 22, где использована популярная микросхема TDA7294 (или ее более надежный аналог TDA7293 с несколько иной схемой подключения). Общая ООС разделена в этом усилителе на две цепи: непосредственно с выхода усилителя и с обмотки согласующего трансформатора, в качестве которого используется описанный здесь вариант конструкции. Фа-зосдвигающая цепь R11R12C13 предназначена для сохранения устойчивости УМЗЧ при заданной глубине ООС (12 дБ). Конденсатор С7 устанавливают в случае самовозбуждения усилителя микросхемы.



Входной фильтр R1R2C3C4 определяет частоту среза ФВЧ, ограничивающего полосу воспроизводимых частот, его подбирают при настройке системы с сабвуфером. Подбором резистора R4 при необходимости корректируют чувствительность усилителя, при этом движок подстроечно-го резистора R5 должен быть установлен в левом по схеме положении. Микросхему следует установить на тепло-отвод площадью не менее 1000 см'.

При глубине ООС около 12... 16 дБ удается заметно снизить нелинейные искажения системы трансформатор-громкоговоритель без существенной потери "прозрачности" звучания. Для электростатических излучателей также возможно введение акустической обратной связи наподобие ЭМОС. Возможность улучшить характеристики системы (в частности, качество звучания громкоговорителя) за счет ООС связана с тем, что в результате высокого КПД электростатического преобразователя его реакция на трансформаторе (т. е. работа громкоговорителя в режиме генератора сигнала), вызванная нелинейностью излучателя, создает достаточно большой сигнал рассогласования. Кроме того, в отличие от динамических громкоговорителей, значительная часть этого сигнала связана непосредственно с процессом излучения звука.

Здесь следует отметить, что по причине специфики реакции обычных динамических громкоговорителей "неинформативный" сигнал для них в такой ООС составит, по мнению автора, 97...99 % и поэтому эффект непосредственной коррекции характеристик акустического преобразователя посредством ООС практически отсутствует.

Небольшая переделка согласующего трансформатора позволяет использовать его в качестве выходного для обычных ламповых усилителей мощности. Например, на трансформаторе ТС-180, удалив экраны и заменив бумажные прокладки скотчем, можно не сматывать сетевые обмотки и использовать их как первичные для анодных цепей ламп выходного каскада. При этом, как правило, упрощается введение ООС и удается получить более высокое качество звучания, чем в случае использования транзисторных усилителей или ламповых усилителей, работающих на низкоомную нагрузку.

Характеристики громкоговорителя

Частотный диапазон электростатического громкоговорителя без акустического оформления ограничен снизу геометрическими размерами излучателя и в гораздо меньшей степени его резонансными частотами, поэтому громкоговоритель с указанными размерами начинает эффективно воспроизводить звук выше 300 Гц. Однако установка громкоговорителей по углам комнаты или в акустической нише позволяет заметно расширить воспроизводимый диапазон, а в некоторых случаях даже обходиться без сабвуфера.

Поскольку масса пленки соизмерима с массой прилегающего к ее поверхности воздуха, верхняя воспроизводимая частота в основном зависит от диэлектрических потерь в изоляторе и ограничениями на ток, который способно выдержать токопроводящее покрытие мембраны. В принципе громкоговоритель может воспроизвести сигнал частотой 100 кГц, но при большой мощности ультразвукового сигнала происходит выгорание проводящего покрытия в местах контакта.

Практически же для электростатической АС верхняя воспроизводимая частота зависит в основном от параметров усилителей и согласующих трансформаторов, поэтому с согласующим трансформатором на магнитопроводе из обычной трансформаторной стали она редко превышает 14... 15 кГц. Бестрансформаторный усилитель, снабженный соответствующей коррекцией, позволяет воспроизводить сигналы частотой до 50...70 кГц. Однако при воспроизведении сигналов самых верхних звуковых и ультразвуковых частот вступают в силу ограничения по току, который способен отдать в нагрузку усилитель. В любом случае "настоящие" высокие частоты можно получать только от пленочных громкоговорителей, и предлагаемые громкоговорители в этом смысле не исключение.

Собственный электромеханический КПД электростатического громкоговорителя может достигать 80...90 %, поэтому такие характеристики, как чувствительность и излучаемая мощность, в значительной степени связаны с системой питания и акустическим оформлением. Вследствие высокого КПД потребляемая громкоговорителем мощность на средних частотах обычно весьма незначительна.
Имея навыки изготовления подобных громкоговорителей, можно значительно увеличить их чувствительность (и громкость звука), снижая зазор между мембраной и неподвижным электродом до 1,5...2 мм.

Кроме того, можно увеличивать поляризующее напряжение; так отдельные экземпляры превосходно работают при поляризующем напряжении, достигающем 12...14кВ. Увеличивать с этой же целью коэффициент трансформации часто нежелательно, поскольку с его ростом снижается верхняя граничная частота воспроизведения. Однако и здесь есть значительный простор для эксперимента: можно, например, уменьшать число витков первичной обмотки, одновременно поднимая частоту раздела во избежание насыщения магнитопровода трансформатора на низких частотах.

Стереоэффект и расположение громкоговорителей

К особенностям электростатических громкоговорителей относится излучение звука когерентно колеблющейся поверхностью, размеры которой могут значительно превышать длину волны. В результате на частотах, где длина волны соизмерима с линейными размерами излучателя, в точке прослушивания наблюдается сложная интерференционная картина, вызванная сложением и вычитанием колебаний, приходящих от разных частей излучающей поверхности (рис. 23). Как следствие, в диапазоне воспроизведения возникает интерференционная "гребенка", приводящая к значительной частотно-зависимой неравномерности звукового давления.

Этот недостаток приводит к повышенной утомляемости слушателя и "тяжелому", хотя и весьма эффектному звуку. Образно это явление может быть проиллюстрировано примером из оптики, попробуйте рассматривать объект или читать, освещая поле зрения когерентным излучением лазерной указки. К сожалению, этим недостатком страдают все известные автору фирменные электростатические системы. Кроме того, большая поверхность излучения у плоских громкоговорителей приводит к узкой диаграмме направленности, в результате зона нормального прослушивания и стереоэффекта значительно ограничена.



В предлагаемой конструкции приблизить параметры звучания к оптимуму удается, используя следующие решения.

Громкоговоритель изготовлен в виде узкой и длинной полосы, которая располагается вертикально, в результате в горизонтальной плоскости его параметры в области средних частот приближаются к "точечному" излучателю. Для дальнейшего улучшения качества звучания и расширения зоны стереоэффекта предлагается в каждом канале использовать по два громкоговорителя, расположенных под углом друг к другу (рис. 24,а).

В результате два когерентных источника плоских волн формируют вдоль биссектрисы угла раскрытия 25 виртуальный источник объемных волн. Еще лучшие результаты удается получить, используя изогнутые громкоговорители с определенным фокусным расстоянием (фото на рис. 2 в первой части статьи), поскольку слух, в отличие от зрения, в качестве источника звука воспримет точку фокуса. Поэтому комбинация из нескольких таких громкоговорителей позволяет формировать виртуальный источник сферических волн. Как показала практика, в этом случае удается одновременно с расширением зоны стереоэффекта получить значительное улучшение всех других характеристик.

Такое расположение ведет к значительному ослаблению интерференционной "гребенки" за счет заполнения экстремумов интенсивности излучением вторичных источников. Это делает звук более естественным, гармоничным и "легким". В зависимости от условий прослушивания рекомендуемый угол раскрытия для предлагаемых в статье громкоговорителей изменяют в интервале 90...160°, как правило, наиболее оптимальном в пределах 110...140°. С той же целью рекомендуется ориентировать громкоговорители под небольшим углом у в вертикальной плоскости (рис. 24,6), как следствие, в этом случае заметно возрастает "воздушность" на высоких частотах.



Известно, что электростатические громкоговорители необходимо располагать на значительном расстоянии от отражающих поверхностей (1,5...2 м), что связано со значительным излучением звука тыльной стороной громкоговорителя и эффектом, когда отраженный сигнал интерферирует непосредственно на мембране излучателя (эффект волнового демпфирования). Кроме того, отраженный под малыми углами когерентный звук маскирует прямые звуки от акустической системы и заметно снижает пространственное разрешение в режиме стереофонии (также свойственный большинству известных электростатических систем недостаток).
Благодаря угловому расположению громкоговорителей удается ослабить отраженные под малыми углами волны и, как следствие, получить неплохое разрешение стереопанорамы. Для этой же цели рекомендуется поэкспериментировать с поглощающими материалами, располагаемыми на некотором расстоянии от тыльной стороны громкоговорителей.

У последних поколений разработанных автором громкоговорителей, имеющих заданное фокусное расстояние, перечисленные недостатки сведены к минимуму. Поскольку удается получить значительную величину прямого сигнала по сравнению с отраженным, а с тыльной стороны возникает рассеивание излучения, это позволяет работать на малых расстояниях от отражающих поверхностей.
В заключение хотелось бы добавить, что, преодолев технические трудности, естественные при изготовлении первых электростатических громкоговорителей, в дальнейшем вы будете сполна вознаграждены как высоким качеством звука, так и возможностью совершенствовать свою акустическую систему на основе приобретенного опыта.

От редакции.

Автор предоставил нам для испытаний комплект из двух электростатических громкоговорителей с блоком согласующих трансформаторов, изготовленных по описанной в статье технологии. Нижняя граничная частота выбрана около 300 Гц. Их проверка совместно с НЧ секцией высококачественной активной АС, работающей в полосе 20...300 Гц с электроакустической ОС, подтвердила высокое качество звуковоспроизведения музыки разных жанров в диапазоне частот до 16 кГц. Причем значение верхней границы частот обусловлено существенным влиянием емкости соединительных кабелей (сравнимой с емкостью электродов) и индуктивностью рассеяния трансформатора на магнитопроводе
от ТС-180.

Громкоговоритель, размещаемый в непосредственной близости от согласующего трансформатора, имеет полосу около 20 кГц при чувствительности 90 дБ, приведенной к 1 м. Импеданс громкоговорителя с описанным в статье фильтром-пробкой оказывается не менее 4 Ом. К особенности этих громкоговорителей можно отнести обостренную направленность в области высоких частот, что для дальней зоны прослушивания представляется достоинством. В электростатической АС, конструируемой для прослушивания в ближней зоне, автор рекомендует также разделение секций неподвижных электродов для возбуждения их от раздельных согласующих трансформаторов в полосах СЧ и ВЧ с соот-
ветствующим расширением полосы воспроизводимых частот.

Помимо упомянутых в статье вариантов усилителей, пригодных для работы с электростатическими громкоговорителями, читателям журнала можно порекомендовать использовать схемотехнику недавно опубликованных в "Радио"усилителей, например, описанных в статьях А. Чивильчи "Повышение мощности усилителя на микросхеме TDA7294' (2005, № 11) и С. Комарова "Ламповые УМЗЧ с трансформаторами ТАН" (2005, № 5). Применив в ламповом УМЗЧ унифицированный трансформатор серии ТА в качестве выходного, можно получить на электродах электростатического громкоговорителя переменное напряжение до 1500 В эфф.

Окончание Начало см. в "Радио", 2006, № 1, 2, 3