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 delgado que generalmente consiste en una lámina de plástico recubierta con un material conductor como el grafito intercalada entre dos rejillas eléctricamente conductoras, 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 de dos técnicas o ambas: el recubrimiento 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 extra alta o tensión extra alta). Voltaje) fuente de alimentación y el diafragma (la resistencia no se muestra en el diagrama aquí). [ cita necesaria ] 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, aumentando así la fuerza que mueve el diafragma; Esto ocurrirá en la frecuencia de audio, por lo que el diafragma requiere una alta resistencia (megóhmos) para ralentizar el movimiento de la carga en un altavoz práctico. [ cita necesaria ]
El diafragma suele estar fabricado a partir de una película de poliéster (espesor de 2 a 20 μm) con propiedades mecánicas excepcionales, como la película de PET . [ cita necesaria ] Mediante el 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; La parrilla delantera y trasera están conducidas en antifase . Como resultado, se produce un campo electrostático uniforme y 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 del mismo.
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 única rejilla será inaceptablemente no lineal, provocando así distorsión armónica . El uso de rejillas en ambos lados cancela la parte de la no linealidad que depende del voltaje, 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 se acciona con la señal de audio, con la carga estática ubicada en las rejillas (Transparent Sound Solutions).
Las rejillas deben poder generar un campo eléctrico lo más uniforme posible y al mismo tiempo permitir el paso del sonido. Por lo tanto, las estructuras de rejilla adecuadas son chapas perforadas, un marco con alambre tensado, alambrón, etc.
Para generar una intensidad de campo suficiente, la señal de audio en las redes debe ser de alto voltaje. La construcción electrostática es, en efecto, un condensador, y la corriente sólo se necesita para cargar la capacitancia creada por el diafragma y las placas del estator (a las que en los párrafos anteriores se hace referencia como rejillas o electrodos). Por 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 mayores requisitos de corriente. Como resultado, es necesaria la adaptación de impedancia para poder utilizar un amplificador normal . La mayoría de las veces se utiliza un transformador para este fin. La construcción de este transformador es crítica 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 de un altavoz electrostático en particular. Hasta la fecha, Acoustat y Beveridge construyeron el único altavoz electrostático comercial "sin transformador". [ cita necesaria ] 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 el uso de un transformador elevador.
Las ventajas de los altavoces electrostáticos incluyen:
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 parlantes 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 sólo tiene una masa de unos pocos miligramos, varias veces menos que los tweeters electrodinámicos más ligeros . 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, contribuyendo así 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 habituales y los recintos que podrían colorear o distorsionar el sonido.
Dado que muchos altavoces electrostáticos son diseños altos y delgados sin carcasa , actúan como una fuente de línea dipolar vertical . Esto provoca un comportamiento acústico en las salas bastante diferente al de 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 excite resonancias de la habitación con mal sonido, y su conexión directa a -La proporción del sonido reflejado es mayor entre 4 y 5 decibeles. [ cita necesaria ] Esto a su vez conduce a una reproducción estéreo más precisa de grabaciones que contienen información estéreo y ambiente del lugar adecuados. Los transductores planos (planos) tienden a ser muy direccionales, lo que les confiere buenas cualidades de imagen, siempre que se hayan colocado cuidadosamente en relación con el oyente y las superficies que reflejan el sonido de la habitación. [ cita necesaria ] Se han construido paneles curvos, lo que hace que los requisitos de ubicación sean un poco menos estrictos, pero sacrifica un poco la precisión de las imágenes.
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 recinto, [ cita necesaria ] pero no todos los diseños las comparten. El punto de atenuación de graves de 3 dB se produce cuando la dimensión más estrecha del panel equivale a un cuarto de longitud de onda de la frecuencia radiada para los radiadores dipolo, 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 ( calculado con la velocidad del sonido tomada como 343 m/s). También existe el difícil desafío físico de reproducir bajas frecuencias 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 parlantes de cono, sólo se requieren pequeñas excursiones de amplitud para emitir cantidades relativamente grandes de energía. Si bien los graves son deficientes cuantitativamente (debido a una menor excursión que los parlantes de cono), pueden ser de mejor calidad ("más ajustados" y sin "retumbo") que los de los sistemas electrodinámicos (de cono). [ cita necesaria ] La cancelación de fase se puede compensar en cierta medida mediante 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 máximos de graves 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 quemar agujeros a través de ellos. [ cita necesaria ] Las soluciones recientes, técnicamente más avanzadas para la falta percibida de graves, incluyen el uso de paneles curvos grandes (Sound-Lab, MartinLogan CLS), paneles de subwoofer electrostáticos (Audiostatic, Quad) y elementos electrostáticos de largo alcance que permiten un diafragma grande. excursiones (Audiostáticas). 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, por ejemplo, un subwoofer , para manejar las frecuencias más bajas , mientras que el diafragma electrostático maneja las frecuencias medias y altas. Muchos sienten [ ¿quién? ] que la mejor unidad de baja frecuencia para híbridos son los altavoces de cono montados sobre 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 , caja pequeña coloración y (idealmente) respuesta de frecuencia plana. [ cita necesaria ] Sin embargo, a menudo existe un problema al integrar un woofer de este tipo con la electrostática. Esto se debe a que la mayoría de la electrostática son fuentes lineales , cuyo nivel de presión sonora disminuye en 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 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 necesaria ] Esto todavía está sujeto a cancelación de fase, pero los woofers de cono se pueden llevar 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). ) debajo del gráfico de respuesta de frecuencia, lo que hace que la energía total de baja frecuencia sea mayor pero la fidelidad a la señal menor.
Una alternativa es encerrar los elementos electrostáticos y operarlos como "monopolos". Esto evita las muchas desventajas del funcionamiento dipolo, sobre todo una gran reducción de los reflejos de la habitación y, por tanto, también 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 óptimo razonablemente amplio. Permite utilizar más del aumento de 3 dB/octava en SPL con la frecuencia, aumentando la sensibilidad. [ cita necesaria ] No actúa como un verdadero arreglo en línea, por lo que los woofers son más fáciles de integrar. Por último, la mayor parte de los 3 dB restantes se pueden contrarrestar filtrando las frecuencias altas de la señal a la mitad o más del ancho, lo que coincidentemente amplía la dispersión y, por tanto, el punto óptimo. Los altavoces JansZen incorporan todas estas características alternativas. También utilizan woofers de suspensión acústica (recintos sellados), 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, evitando la necesidad de reparaciones periódicas.
La direccionalidad de la electrostática también puede ser una desventaja, ya que significa que el "punto óptimo" donde se pueden escuchar las imágenes estéreo adecuadas 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 uso en entornos móviles (audio de coche). 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 los asientos en el vehículo. [ cita necesaria ]
Debido a su tendencia a atraer polvo, insectos, partículas conductoras y humedad, los diafragmas de los altavoces electrostáticos se deteriorarán gradualmente y necesitarán reemplazo periódico. También necesitan medidas de protección para aislar físicamente sus piezas de alto voltaje del contacto accidental con humanos y mascotas. Se encuentra 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 que los hacen usted mismo (DIY). 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 condensadores 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 polimérica y pintura conductora (por ejemplo, una suspensión líquida de grafito ) para la membrana; equipo tensor sencillo para el ajuste adecuado de la membrana; y un marco, normalmente de madera, para sujetar todo. 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]
Arthur Janszen recibió la patente estadounidense 2.631.196 en 1953 para un altavoz electrostático. Había trabajado en la Armada para desarrollar una fuente de alta frecuencia y baja distorsión para apuntar a torpedos. Después de la guerra, desarrolló una técnica de fabricación de altavoces electrostáticos, para utilizarlos con woofers de cono convencionales, conocidos como híbridos electrostáticos. Obtuvo la licencia de Neshaminy Electric para fabricar estos parlantes. A principios de la década de 1970, Electronic Industries de Minneapolis adquirió la licencia y los derechos para fabricar los altavoces electrostáticos JansZen. En 1974, Electronic Industries introdujo una nueva envoltura de alambre alrededor del tweeter ESL que redujo considerablemente el costo de fabricación. Resultó ser extremadamente confiable. Se utilizaron varios conjuntos grandes de estos tweeters como sistemas de megafonía en conciertos en Minneapolis.
La propiedad volvió a cambiar a finales de la década de 1970 y se compró la empresa. Se hicieron planes para ofrecer altavoces electrostáticos en los automóviles, pero nunca llegaron a producirse. Dave Wilson de Wilson audio utilizó tweeters JansZen en su famoso WAMM, Wilson Audio Modulator Monitor. Ese altavoz se vendió por 220.000 dólares el par cuando se suspendió. Los desarrolladores del sistema de película sonora 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 en funcionamiento, 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 de ellos después de que el diseño fuera llevado a KLH en 1959 y puesto en producción regular. [ cita necesaria ]
El primer altavoz electrostático de rango completo de gran éxito, y también uno de los más influyentes, se produjo en 1957: el altavoz electrostático cuádruple (Quad ESL, más tarde conocido como ESL-57) de Quad Electroacoustics , de Huntingdon , Inglaterra. Tenían la forma de un radiador eléctrico doméstico ligeramente curvado en el eje vertical. Fueron ampliamente admirados por su claridad y precisión, pero pueden ser difíciles de ejecutar mientras se logra 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 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 no se suspendió hasta 1985.
En 1981, Quad presentó el ESL-63 como sucesor del ESL-57. Intentó abordar tanto la deficiencia en la reproducción de graves del ESL-57 como su extrema direccionalidad en altas frecuencias. El último objetivo se logra dividiendo los estatores en ocho anillos concéntricos, cada uno alimentado con un ligero retraso de tiempo 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 parlantes electrostáticos. Quad presentó el ESL-988 y su variante más grande, el ESL-989 en 1999, el ESL-2805 y ESL-2905 en 2005, y el ESL-2812 y ESL-2912 en 2017, que incorporan refinamientos electrónicos y de transductores.
Los fabricantes [5] populares de altavoces electrostáticos incluyen MartinLogan, KEF, Quad, SoundLab. Los fabricantes que sólo fabrican altavoces de tipo electrostático incluyen SoundLab, Audiostatic, JansZen y Sanders Sound Systems (anteriormente Innersound).
Otros fabricantes que actualmente producen altavoces electrostáticos incluyen Solosound, [6] King's Audio, [7] Panphonics, [8] Cadence Audio, [9] T+A [10] y Silberstatic, [11] Blanko.nu. BenQ produce un altavoz Bluetooth electrostático portátil. [12] Audiostatic afirma ser 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 encuentra el KLH 9, el primer diseño de rango completo de EE. UU., [16] AHL Tolteque, Acoustat, [17] Servo-Statik e Immersion de Australia.