Altavoz electrostático

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

Los altavoces utilizan un diafragma plano y delgado que generalmente consiste en una lámina de plástico recubierta de un material conductor , como grafito, intercalada entre dos rejillas conductoras de electricidad, con un pequeño espacio de aire entre el diafragma y las rejillas. Para un funcionamiento con baja distorsión, el diafragma debe funcionar con una carga constante en su superficie, en lugar de con un voltaje constante . Esto se logra mediante una o ambas de dos técnicas: se elige el revestimiento conductor del diafragma y se aplica de manera que tenga una resistividad superficial muy alta , y/o se coloca una resistencia de gran valor en serie entre la fuente de alimentación EHT (tensión o voltaje extra alto) y el diafragma (la resistencia no se muestra en el diagrama aquí). ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, la última técnica aún permitirá la distorsión ya que la carga migrará a través del diafragma hasta el punto más cercano a la "rejilla" o electrodo, lo que aumenta la fuerza que mueve el diafragma; Esto ocurrirá a frecuencias de audio, por lo que el diafragma requiere una alta resistencia (megohmios) para retardar el movimiento de carga para un altavoz práctico. ^{[ cita requerida ]}

El diafragma suele estar hecho de una película de poliéster (espesor 2–20 μm) con propiedades mecánicas excepcionales, como la película PET . ^{[ cita requerida ]} Por medio del revestimiento conductor y una fuente de alto voltaje externa, 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; la rejilla delantera y trasera son impulsadas en antifase . Como resultado, se produce un campo electrostático uniforme proporcional a la señal de audio entre ambas rejillas. Esto hace que se ejerza una fuerza sobre el diafragma cargado, y su movimiento resultante impulsa el aire a ambos lados de él.

En prácticamente todos los altavoces electrostáticos, el diafragma es 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). ^[1] El resultado es una ausencia casi total de distorsión armónica. En un diseño reciente, el diafragma es accionado por 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 y, al mismo tiempo, permitir el paso del sonido. Por ello, son adecuadas las estructuras de rejilla con chapas perforadas, un marco con alambre tensado, varillas de alambre, etc.

Para generar una intensidad de campo suficiente, la señal de audio en las rejillas debe ser de alto voltaje. La construcción electrostática es en efecto un condensador, y la corriente sólo es necesaria para cargar la capacitancia creada por el diafragma y las placas del estator (párrafos anteriores referidos como rejillas o electrodos). Este tipo de altavoz es, por tanto, un dispositivo de alta impedancia . En contraste, un altavoz de cono electrodinámico moderno es un dispositivo de baja impedancia, con mayores requisitos de corriente. Como resultado, es necesaria la adaptación de impedancia para utilizar 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 frecuencia audible (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, Acoustat y Beveridge construyeron el único altavoz electrostático comercial "sin transformador". ^{[ cita requerida ]} En este diseño, la señal de audio se aplica directamente a los estatores desde un amplificador de válvulas de alto voltaje incorporado (ya que las válvulas también son dispositivos de alta impedancia), sin utilizar un transformador elevador.

Las ventajas de los altavoces electrostáticos incluyen:

1. La masa muy baja del diafragma , que se mueve por toda su superficie.
2. respuesta de frecuencia ejemplar (tanto en amplitud como en fase ) ^{[ cita requerida ]} porque el principio de generación de fuerza y ​​presión está casi libre de resonancias a diferencia del controlador 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 demás controladores y, por lo tanto, es mucho menos capaz de almacenar energía para liberarla más tarde. Por ejemplo, un controlador de altavoz electrodinámico típico puede tener una masa en movimiento de decenas o cientos de gramos, mientras que una membrana electrostática solo tiene una masa de unos pocos miligramos, varias veces menos que el más ligero de los tweeters electrodinámicos . 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 de cruce y las cajas habituales que podrían colorear o distorsionar el sonido.

Dado que muchos altavoces electrostáticos son diseños altos y delgados sin una carcasa , actúan como una fuente de línea dipolar vertical . Esto hace que el comportamiento acústico en las habitaciones sea bastante diferente en comparación con los altavoces electrodinámicos convencionales. En términos generales, un radiador dipolar 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 excite resonancias de mala calidad en la habitación, y su relación de sonido directo a reflejado es mayor en unos 4-5 decibeles. ^{[ cita requerida ]} Esto, a su vez, conduce a una reproducción estéreo más precisa de grabaciones que contienen información estéreo adecuada y ambiente del lugar. Los controladores planares (planos) tienden a ser muy direccionales, lo que les da 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. ^{[ cita requerida ]} 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.

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 por la falta de gabinete, ^{[ cita requerida ]} pero estas no son compartidas por todos los diseños. El punto de caída de graves de 3 db ocurre cuando la dimensión del panel más estrecho es igual a un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia radiada para radiadores dipolares, por lo que para un Quad ESL-63, que tiene 0,66 metros de ancho, esto ocurre alrededor de 129 Hz, comparable a muchos altavoces de caja (calculados con la velocidad del sonido tomada como 343 m/s). También existe el difícil desafío físico de reproducir frecuencias bajas con una película tensa vibrante con poca amplitud de excursión; sin embargo, como la mayoría de los diafragmas tienen una superficie muy grande en comparación con los controladores de cono, solo se requieren pequeñas excursiones de amplitud para emitir cantidades relativamente grandes de energía. Si bien los graves son deficientes cuantitativamente (debido a una excursión menor que los controladores de cono), pueden ser de mejor calidad ("más ajustados" y sin "retumbar") que los de los sistemas electrodinámicos (de cono). ^{[ cita requerida ]} La cancelación de fase se puede compensar en cierta medida con ecualización electrónica (un llamado circuito de estantería que potencia 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 máximos de graves no se pueden aumentar porque en última instancia están limitados por la excursión máxima permisible de la membrana antes de que se acerque demasiado a los estatores de alto voltaje, lo que puede producir arcos eléctricos y quemar agujeros a través de ella. ^{[ cita requerida ]} Las soluciones recientes, 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 (Audiostatic, Quad) y elementos electrostáticos de largo alcance que permiten grandes excursiones de diafragma (Audiostatic). 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 agudos.

Esta relativa falta de graves fuertes a menudo se remedia con un diseño híbrido que utiliza un altavoz dinámico, por ejemplo, un subwoofer , para manejar las frecuencias más bajas , con el diafragma electrostático manejando las frecuencias medias y altas. Muchos creen ^{[ ¿quién? ]} 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 los graves) que los altavoces electrostáticos, es decir, buena respuesta transitoria , poca coloración de la caja y (idealmente) respuesta de frecuencia plana. ^{[ cita requerida ]} 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 las electrostáticas son fuentes de línea , cuyo nivel de presión sonora disminuye en 3 dB por cada duplicación de la distancia. El nivel de presión sonora de un altavoz de cono, 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 utilizar 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. ^{[ cita requerida ]} Esto todavía está sujeto a la cancelación de fase, pero los woofers de cono se pueden llevar a niveles mucho más altos debido a su mayor excursión, lo que hace que la ecualización a una respuesta plana sea más fácil, y agregan distorsión, aumentando así el área (y por lo tanto la potencia) bajo el gráfico de respuesta de frecuencia, haciendo que la energía total de baja frecuencia sea mayor pero la fidelidad a la señal menor.

Una alternativa es encerrar los elementos electrostáticos y hacerlos funcionar como "monopolos". Esto evita las muchas desventajas del funcionamiento dipolar, la más importante de las cuales es una gran reducción de las reflexiones de la sala y, por lo tanto, también de 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 trasera 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 hasta un grado que ofrece un punto óptimo razonablemente amplio. Permite que se utilice más del aumento de 3 dB/octava en SPL con la frecuencia, lo que aumenta la sensibilidad. ^{[ cita requerida ]} No actúa como un verdadero arreglo lineal, por lo que los woofers son más fáciles de integrar. Por último, la mayor parte del roll-up restante de 3 dB se puede contrarrestar filtrando las frecuencias altas de la señal a la mitad o más del ancho, lo que casualmente 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 retardo de grupo más bajo de todas las configuraciones y, por lo tanto, la mejor posibilidad 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 óptimo" en el que se puede escuchar una imagen estéreo adecuada es relativamente pequeño, lo que limita la cantidad 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 (audio de automóviles). 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 las diferentes ubicaciones de los asientos en el vehículo. ^{[ cita requerida ]}

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. Hay disponible un servicio de reparación y restauración rentable para prácticamente todos los modelos de altavoces electrostáticos actuales y descontinuados.

Los altavoces electrostáticos gozan de cierta popularidad entre los constructores de altavoces del tipo "hágalo usted mismo " (DIY). Son uno de los pocos tipos de altavoces en los que los propios transductores pueden ser construidos desde cero por un aficionado, ya que el hardware básico para proyectos completos de ESL DIY se puede encontrar disponible en línea. Dichos suministros incluyen resistencias y condensadores para la ecualización de frecuencia del circuito RC , si es necesario; transformadores elevadores ; láminas o rejillas de metal 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 tensión simple para el ajuste adecuado de la membrana; y un marco, generalmente de madera, para mantener todo junto. Un recurso ampliamente 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. ^[2]

En 1953, Arthur Janszen obtuvo la patente estadounidense 2.631.196 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. Otorgó la licencia a 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 los altavoces electrostáticos JansZen. En 1974, Electronic Industries introdujo un nuevo tweeter ESL enrollado alrededor de un cable que redujo enormemente el costo de fabricación. Resultó ser extremadamente confiable. Varias grandes matrices de estos tweeters se utilizaron como sistemas de megafonía en conciertos en Minneapolis.

A finales de los años 70, la empresa cambió de nuevo de propietario y fue adquirida. Se hicieron planes para ofrecer altavoces electrostáticos en los coches, pero nunca llegaron a fabricarse. Dave Wilson, de Wilson Audio, utilizó tweeters JansZen en su famoso WAMM, Wilson Audio Modulator Monitor. Ese altavoz se vendía a 220.000 dólares el par cuando se dejó de fabricar. Los desarrolladores del sistema de sonido en película Tri -Ergon habían desarrollado un diseño primitivo de altavoz electrostático ya en 1919. David JansZen, hijo de Arthur JansZen, utilizó los papeles y diseños de su padre para presentar su propia versión de altavoces híbridos electrostáticos. Su empresa, que todavía sigue en activo, no estaba relacionada con los altavoces JansZen de Electronic Industries. La empresa del Sr. JansZen, JansZen, todavía fabrica una versión evolucionada de su diseño original. ^[3] 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 fuera llevado a KLH en 1959 y puesto en producción regular. ^{[ cita requerida ]}

El primer altavoz electrostático de rango completo que tuvo un gran éxito, y también uno de los más influyentes, se fabricó en 1957: el altavoz electrostático cuádruple (Quad ESL, más tarde conocido como ESL-57) de Quad Electroacoustics , de Huntingdon , Inglaterra. Tenían una forma similar a la de un radiador eléctrico doméstico, ligeramente curvado en el eje vertical. Eran muy admirados por su claridad y precisión, pero podían resultar difíciles de utilizar mientras se lograba una salida de graves de baja frecuencia.

Los ESL Quad fueron diseñados por Peter Walker, fundador de la empresa, y David Williamson. El primero de la serie fue el ESL-57, influenciado por la patente estadounidense 1.983.377 desarrollada por Edward W. Kellogg para General Electric en 1934. ^[4] Se introdujo en 1955, se puso en producción comercial en 1957 y se interrumpió recién 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 extrema direccionalidad en las frecuencias altas. Este último objetivo se logró dividiendo los estatores en ocho anillos concéntricos, cada uno alimentado con un ligero retraso de tiempo en comparación con el anillo inmediatamente interior, intentando así emular una fuente puntual.

Aunque el ESL-63 se dejó de fabricar en 1999, Quad sigue produciendo 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.

Los fabricantes más populares ^[5] de altavoces electrostáticos son MartinLogan, KEF, Quad y SoundLab. Los fabricantes que solo fabrican altavoces de tipo electrostático son SoundLab, Audiostatic, JansZen y Sanders Sound Systems (anteriormente Innersound).

Otros fabricantes que producen actualmente altavoces electrostáticos son Solosound, ^[6] King's Audio, ^[7] Panphonics, ^[8] Cadence Audio, ^[9] T+A ^[10] y Silberstatic, ^[11] Blanko.nu. BenQ produce un altavoz electrostático Bluetooth portátil. ^[12] Audiostatic afirma fabricar el único altavoz electrostático de rango completo.

MartinLogan , JansZen, Metrum Acoustics, ^[13] Sanders Sound Systems, ^[14] y Sound-Lab, ^[15] y otros construyen diseños híbridos con woofers o subwoofers convencionales.

Entre los altavoces electrostáticos de rango completo que ya no se fabrican se encuentran el KLH 9, el primer diseño de rango completo de EE. UU., ^[16] AHL Tolteque, Acoustat, ^[17] Servo-Statik e Immersion de Australia.

• Altavoz magnetostático