Конструкция и устройство электростатического громкоговорителя

Простейший электростатический громкоговоритель устроен так: пленка располагается параллельно плоской металлической пластине с отверстиями для прохода воздуха . Зазор d между пленкой и поверхностью пластины делают как можно меньше, но достаточным, чтобы не мешать колебаниям пленки.
Конструкция электростатического громкоговорителя

Если между пластиной и пленкой приложить напряжение Un порядка сотен вольт (поляризующее) с наложенными на него колебаниями звуковой частоты U (рис. 16), то в зазоре возникнет электрическое поле, вызывающее притяжение пленки и пластины. Сила притяжения приведет в колебательное движение пленку и окружающий ее воздух, то есть создаст звук.

На мысль о том, что электростатический излучатель для небольшого маломощного громкоговорителя или телефонов легко сделать в любительских условиях, навел старый учебник по электроакустике. Там был описан телефон с ненатянутой мембраной, свободно лежащей между двумя перфорированными металлическими пластинами. Необходимый зазор получался из-за естественных неровностей пленки.

Воспользовавшись этой идеей и разыскав в «запасах» пару одинаковых перфорированных пластин из фольгированного гетинакса, еще в начале 2001 г. удалось провести несколько вполне успешных опытов. Размеры пластин были 160x180 мм, каждая содержала множество равномерно распределенных по площади отверстий диаметром 2 мм. По счастью, пластины имели небольшую естественную вогнутость со стороны фольги (вероятно, от старости), поэтому никаких разделительных прокладок не понадобилось.

Конструкция излучателя электростатического громкоговорителя

Конструкция излучателя показана на рисунке 2. Первый рисунок дает фрагмент конструкции в увеличенном виде. Пластины 1 располагаются фольгой друг к другу, между ними вкладывается лист металлизированной пластиковой пленки 2 (металлизация справа), и вся система скрепляется винтами 3 по углам. Использовалась пленка от цветочных букетов, толщина ее оказалась равной 35 мкм. Под винты следует положить изолирующие шайбы, а от фольги пластин сделать выводы 4, тоже из медной фольги, которые послужат выводами громкоговорителя. Другой вариант — сделать на пластинах выступы, не совпадающие при сборке излучателя, тогда провода припаиваются прямо к фольге на выступах. Заусениц, задиров, паек или других подобных выступающих неоднородностей на поверхности, соприкасающейся с пленкой, быть не должно, при необходимости они убираются наждачной бумагой.

В том случае, если естественной вогнутости у пластин нет, по периметру устанавливается прокладка из тонкого картона 5 с той стороны пленки, где нет металлизации. Несколько картонных кружков 6 той же толщины целесообразно приклеить и в середине пластины. Они создадут необходимый зазор, «выведя из строя» очень незначительную площадь излучателя. Собственно говоря, фольгированная пластина, расположенная со стороны металлизации пленки, нужна только для хорошего контакта с последней, а также для защиты пленки от механических повреждений.

Чтобы ослабить эффект «акустического короткого замыкания», изготовленный излучатель следует установить в какой-либо корпус или на отражательную доску. Очень удобно использовать полированную боковую стенку корпуса старого цветного телевизора. В ней уже имеется подходящее прямоугольное отверстие, закрытое декоративной решеткой

Головные электростатические телефоны изготавливаются точно так же, но пластины выбираются поменьше, порядка 5... 10 см. Они могут быть круглыми или овальными. После сборки излучателей к ним остается приделать лишь поролоновые валики, прилегающие к ушам, и изголовье. Телефоны получаются тонкими и очень легкими. Выводы двух излучателей соединяются параллельно. Отсутствие короткого замыкания в излучателях надо проверить любым омметром.

Для испытаний излучателя использовался детекторный приемник, схема которого показана на рисунке 3.

Схема детекторного приемника для испытаний

Его колебательный контур образован емкостью антенны (примерно 6 пФ на метр длины провода) и индуктивностью катушки L1. Детектор собран по схеме удвоения напряжения на диодах VD1, VD2. Резистор R1 нужен, чтобы излучатель разряжался при отрицательных полуволнах звукового сигнала. Поляризующее напряжение возникает при детектировании несущей принимаемого амплитудно-модулированного сигнала, на него наложены звуковые колебания, т. е. получается как раз то, что и нужно для правильной работы излучателя.

Антенной служил провод длиной вместе со снижением около 25 м, высота провода над крышей дома не превосходила 6 м. В качестве катушки L1 использовалась длинноволновая магнитная антенна портативного транзисторного приемника, настройка велась передвижением ферритового стержня. При приеме на восточной окраине Москвы радиостанций «Маяк» (198 кГц) и «Радио России» (261 кГц) амплитуда высокочастотного напряжения на катушке достигала нескольких десятков вольт и описанный излучатель с отражательной доской «озвучивал» небольшую тихую комнату. Таким образом, получился, вероятно, впервые в мире, громкоговорящий детекторный приемник с электростатическим громкоговорителем. Электростатические же телефоны, сделанные по описанному способу и подключенные к приемнику, во время музыкальных программ создавали незабываемое впечатление присутствия в концертном зале.

Резистор R1 лучше подобрать по наилучшему звучанию — увеличение его сопротивления приводит к завалу верхних частот, во-первых, из-за емкости самого излучателя (а она может составлять многие сотни пикофарад), и во-вторых, из-за возрастания добротности контура, который меньше шунтируется входным сопротивлением детектора, зато общая громкость звука возрастает. Полезно установить подстроенный резистор сопротивлением 4,7 МОм последовательно с постоянным на 1,5 МОм.

Лучшие результаты дают дифференциальные конструкции электростатических громкоговорителей, в которых пленка не испытывает постоянной силы притяжения, вызванной поляризующим напряжением, и колеблется легче, встречая только сопротивление воздуха. Пример такой конструкции дан на рисунке 4. Однако здесь нужны два противофазных звуковых напряжения одинаковой амплитуды, получаемые от трансформатора с симметричной вторичной обмоткой (обычно она повышающая). Нужна и двухслойная пленка с металлизацией в середине. Другой вариант — использовать однослойную пленку, но пластину со стороны металлизации покрыть изолирующим лаком.

Немного теории

Теория нашего простейшего громкоговорителя несложна: приложенное напряжение U создает поле напряженностью Е = U/d. На заряд q в этом поле действует сила F = qE. А звуковое давление, создаваемое громкоговорителем у самой мембраны: р = F/S, где S — площадь мембраны. Делим на площадь и получаем р = qE/S. Величина о = q/S называется поверхностной плотностью заряда (считаем, что заряд распределен по поверхности пленки-мембраны равномерно). Тогда р = аЕ. Поверхностная плотность заряда непосредственно связана с напряженностью поля: е0Е = а, где е0 = 8,85*10-12 Ф/м — электрическая константа. Окончательно имеем: р = е0Е2. Выражение справа соответствует удвоенной объемной плотности энергии электрического поля, именно ей и пропорционально звуковое давление!

Вот почему надо стараться увеличить напряженность поля (напряжение между пленкой и пластиной) и уменьшать зазор d между ними. Предел накладывает электрическая прочность воздуха — слишком большая напряженность поля вызывает тихий или даже коронный разряд.

Вы могли заметить, что звуковое давление пропорционально квадрату напряженности поля, следовательно, и приложенного напряжения U. Оно не зависит от полярности U, это и заставляет использовать, кроме звукового, еще и постоянное поляризующее напряжение. Для уменьшения «квадратичных» искажений U выбирают намного больше U .