Altavoz electrostático

Esquemática mostrando la construcción de un altavoz electrostático y sus conexiones. El espesor del diafragma y las rejillas se ha exagerado con el propósito de la ilustración.

Un altavoz electrostático (ESL) es un diseño de altavoz en el que el sonido es generado por la fuerza ejercida sobre una membrana suspendida en un campo electrostático.

Diseño y funcionalidad

Los altavoces utilizan un diafragma plano y delgado que normalmente consiste en una hoja 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 de dos técnicas o ambas: el revestimiento conductor del diafragma se elige y se aplica de manera que le proporcione una resistividad superficial muy alta y/o se coloca una resistencia de gran valor en serie entre el EHT (tensión o voltaje extra alto) y el diafragma (la resistencia no se muestra en el diagrama aquí). Sin embargo, la última técnica seguirá permitiendo 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 (megohmios) para ralentizar el movimiento de carga de un altavoz práctico.

El diafragma suele estar fabricado con una película de poliéster (de 2 a 20 µm de grosor) con propiedades mecánicas excepcionales, como la 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; Las rejillas delantera y trasera se accionan en oposición de fase. Como resultado, se produce entre ambas rejillas un campo electrostático uniforme proporcional a la señal de audio. 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 está accionado por dos rejillas, una a cada lado, porque la fuerza ejercida sobre el diafragma por una sola rejilla será inaceptablemente no lineal, lo que provocará 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 completa de distorsión armónica. En un diseño reciente, el diafragma funciona con la señal de audio, con la carga estática ubicada en las rejillas (Transparent Sound Solutions).

Las rejillas deben ser capaces de generar un campo eléctrico lo más uniforme posible, al mismo tiempo que permiten 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 fuerza de campo suficiente, la señal de audio en las rejillas debe ser de alto voltaje. La construcción electrostática es en efecto un capacitor, y la corriente solo se necesita para cargar la capacitancia creada por el diafragma y las placas del estator (párrafos anteriores denominados rejillas o electrodos). Por lo 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 requisitos de corriente más altos. Como resultado, la adaptación de impedancia es necesaria para usar 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, un gran ancho de banda) y así evitar la distorsión. El transformador casi siempre es específico para un altavoz electrostático en particular. Hasta la fecha, Acoust construyó el único "sin transformador" altavoz electrostático. 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 usar un transformador elevador.

Ventajas

Las ventajas de los altavoces electrostáticos incluyen:

1. niveles de distorsión uno a dos órdenes de magnitud inferior a los conductores convencionales de cono en una caja
2. el peso extremadamente ligero del diafragma que se mueve a través de toda su superficie
3. respuesta ejemplar de frecuencia (ambos en amplitud y fase) porque el principio de generación de fuerza y presión está casi libre de resonancias a diferencia del conductor 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 liberarla más tarde. Por ejemplo, los controladores de altavoces dinámicos típicos pueden tener masas en movimiento de decenas o cientos de gramos, mientras que una membrana electrostática solo pesa unos pocos miligramos, varias veces menos que los tweeters electrodinámicos más livianos. La carga de aire concomitante, a menudo insignificante en los altavoces dinámicos, suele ser de decenas de gramos debido a la gran superficie de acoplamiento, lo que contribuye a la amortiguación de la acumulación de resonancia por el propio aire en un grado significativo, aunque no completo. La electrostática también se puede ejecutar como diseños de rango completo, sin los filtros cruzados habituales y los recintos que podrían colorear o distorsionar el sonido.

Dado que muchos altavoces electrostáticos son diseños altos y delgados sin caja, actúan como una fuente de línea de 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 más una ubicación física adecuada dentro de una habitación en comparación con un altavoz de caja convencional, pero, una vez allí, es menos probable que provoque resonancias de habitación con mal sonido y su directo a -La relación de sonido reflejado es mayor en unos 4-5 decibelios. 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 otorga 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 sacrificando 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 debido a la falta de recinto, pero estos no son compartidos por todos los diseños. El punto de reducción de graves de 3 db se produce cuando la dimensión más estrecha del panel es igual a un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia radiada por los radiadores dipolo, por lo que para un Quad ESL-63, que tiene 0,66 metros de ancho, esto se produce a unos 129 Hz, comparable a muchos altavoces de caja (calculado con la velocidad del sonido tomada como 343 m/s). También existe el difícil desafío físico de reproducir frecuencias bajas con una película tensa y vibrante 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 expulsar cantidades relativamente grandes de energía. Si bien faltan cuantitativamente los graves (debido a una excursión más baja que los controladores de cono), pueden ser de mejor calidad (más "ajustados" y sin "estruendo") que los sistemas electrodinámicos (de cono). La cancelación de fase se puede compensar en cierta medida mediante la ecualización electrónica (un llamado circuito de estantería que aumenta la región dentro de la banda de audio donde la presión del sonido generado cae debido a la cancelación de fase). Sin embargo, los niveles de graves máximos no se pueden aumentar 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 agujeros quemados. él. 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 (audiostático, cuádruple) y elementos electrostáticos de largo alcance que permiten grandes excursiones de diafragma (audiostático). 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 soluciona con un diseño híbrido que utiliza un altavoz dinámico, p. un subwoofer, para manejar frecuencias más bajas, con el diafragma electrostático manejando 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 el bajo) que los altavoces electrostáticos, es decir, buena respuesta transitoria, poco coloración de la caja y (idealmente) respuesta de frecuencia plana. Sin embargo, a menudo hay un problema con la integración de un woofer de este tipo con la electrostática. Esto se debe a que la mayoría de los electrostáticos son fuentes lineales, cuyo nivel de presión acústica disminuye 3 dB por cada duplicación de la distancia. El nivel de presión sonora de un altavoz cónico, por otro lado, disminuye en 6 dB por cada duplicación de la distancia porque se comporta como una fuente puntual. Esto se puede superar 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 la cancelación de fase, pero los woofers de cono pueden llevarse a niveles mucho más altos debido a su excursión más larga, lo que facilita la ecualización a una respuesta plana y agregan distorsión, lo que aumenta el área (y, por lo tanto, la potencia) bajo la frecuencia. gráfico de respuesta, haciendo que la energía total de baja frecuencia sea más alta pero la fidelidad a la señal más baja.

Una alternativa es encerrar los elementos electrostáticos y operarlos como "monopolos". Esto evita las muchas desventajas de la operación dipolo, lo que es más importante, una gran reducción en los reflejos de la sala y, por lo tanto, también en la adulteración del ambiente grabado. Dado que no se intenta hacer que el altavoz sea visualmente transparente, también permite la aplicación de materiales en la parte posterior del panel para impartir una amortiguación total 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 varias ventajas. Reduce la directividad a un grado que ofrece un punto dulce razonablemente amplio. Permite utilizar más del aumento de 3 dB/octava en SPL con la frecuencia, lo que aumenta la sensibilidad. No actúa como un verdadero arreglo lineal, por lo que los woofers son más fáciles de integrar. Por último, la mayor parte del aumento de 3 dB restante se puede contrarrestar filtrando las frecuencias altas de la señal a la mitad o más del ancho, lo que, coincidentemente, amplía la dispersión y, por lo tanto, el punto óptimo. Los altavoces JansZen incorporan todas estas características alternativas. También utilizan woofers de suspensión acústica (cajas selladas), que tienen el retraso de grupo más bajo de todas las configuraciones y, por lo tanto, la mejor oportunidad de integrarse perfectamente con la electrostática. Los paneles también están bien protegidos contra la acumulación de contaminantes en el aire, lo que evita la necesidad de reparaciones periódicas.

La direccionalidad de la electrostática también puede ser una desventaja, ya que significa que el 'punto dulce' donde se puede escuchar la imagen estéreo adecuada 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 (car audio). El diseño del ingeniero y director ejecutivo de Critical Mass, Wayde Alfarone, aprovechó 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. El servicio rentable de reparación y restauración está disponible para prácticamente todos los modelos de altavoces electrostáticos actuales y descontinuados.

Altavoces creados por aficionados

Los parlantes electrostáticos gozan de cierta popularidad entre los constructores de parlantes de bricolaje. Son uno de los pocos tipos de altavoces en los que un aficionado puede construir los transductores desde cero, ya que el hardware básico para proyectos completos de bricolaje de ESL se puede encontrar disponible en línea. Dichos suministros incluyen resistencias y capacitores para la ecualización de frecuencia del circuito RC, si es necesario; transformadores elevadores; láminas o rejillas metálicas perforadas y plásticos aislantes para los estatores; película de polímero y pintura conductora (por ejemplo, una suspensión de grafito líquido) para la membrana; equipo de tensado simple para el ajuste adecuado de la membrana; y un marco, generalmente de madera, para mantener todo junto. Un recurso muy leído por los entusiastas de ESL es The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook (ISBN 978-1-882580-00-2) del notable especialista en ESL Roger Sanders.

Altavoces comerciales

Arthur Janszen recibió EE.UU. Patente 2.631.196 de 1953 para un altavoz electrostático. Había trabajado en la Marina para desarrollar una fuente de alta frecuencia y baja distorsión para apuntar 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 Neshaminy Electric para fabricar estos altavoces. A principios de la década de 1970, Electronic Industries de Minneapolis se hizo cargo de la licencia y los derechos para fabricar altavoces electrostáticos JansZen. En 1974, Electronic Industries introdujo un nuevo tweeter ESL con envoltura de alambre que redujo en gran medida el costo de fabricación. También ha demostrado ser totalmente fiable. Varias matrices grandes de estos tweeters se utilizaron 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 parlantes electrostáticos en automóviles, pero nunca llegaron a producirse. Dave Wilson de Wilson audio, usó tweeters JansZen en su famoso, WAMM, Wilson Audio MOdulator Monitor. Ese parlante se vendió por $ 220,000 el par cuando se suspendió. Los desarrolladores del sistema de película sonora de sonido sobre película Tri-Ergon habían desarrollado un diseño primitivo de altavoz electrostático ya en 1919. David JansZen, hijo de Arthur JansZen, utilizando los documentos y diseños de su padre, presentó su propia versión. de altavoces híbridos electrostáticos. Su empresa, todavía activa, no estaba conectada a los altavoces JansZen de Electronic Industries. La compañía 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 trajera a KLH en 1959 y se pusiera en producción regular.

Electroacústica cuádruple

El primer parlante electrostático de rango completo con éxito total, y también uno de los más influyentes, se produjo en 1957: el parlante electrostático cuádruple (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 sobre 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 U.S. Patente 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 presentó el ESL-63 como sucesor del ESL-57. Intentó solucionar tanto la deficiencia en la reproducción de graves del ESL-57 como su direccionalidad extrema a altas frecuencias. El último objetivo se logra dividiendo los estatores en ocho anillos concéntricos, cada uno alimentado con un ligero retraso en comparación con el anillo 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 presentó el ESL-988 y su variante más grande, el ESL-989, en 1999, el ESL-2805 y el ESL-2905 en 2005, y el ESL-2812 y el ESL-2912 en 2017, que incorporan mejoras electrónicas y de transductores.

Otros fabricantes

Los fabricantes populares de altavoces electrostáticos incluyen MartinLogan, KEF, Quad, SoundLab. Los fabricantes que solo fabrican altavoces de tipo electrostático incluyen SoundLab, Audiostatic, JansZen y Sanders Sound Systems (anteriormente Innersound).

Otros fabricantes que actualmente producen altavoces electrostáticos incluyen Solosound, King's Audio, Panphonics, Cadence Audio, T+A y Silberstatic, Blanko.nu. BenQ produce un altavoz Bluetooth electrostático portátil. Reclamo audiostático para hacer el único altavoz electrostático de rango completo.

MartinLogan, JansZen, Metrum Acoustics, Sanders Sound Systems y Sound-Lab, entre otros, construyen diseños híbridos con woofers o subwoofers convencionales.

Entre los altavoces electrostáticos de rango completo que ya no se fabrican está el KLH 9, el primer diseño de rango completo de EE. UU., AHL Tolteque, Accoustat, Servo-Statik e Immersion de Australia.