静电音箱 [复制链接]

片片飞来静又闲 漫话静电扬声器
王以真

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·静电扬声器是利用加在电容器极板上的静电力而工作的扬声器，也叫电容扬声器。·静电扬声器的结构分单端与推挽两种。·静电扬声器的核心技术是振膜的材料和制造工艺。·静电扬声器的声音轻盈透明，具有一种独特的美感。


    在南宁的国产影音器材展上，有几个单位首次展出了静电扬声器，开风气之先，引起了大家对静电扬声器的关注和兴趣，也有不少人询问探讨有关静电扬声器的问题。过去在国内的刊物上只有过对静电扬声器的极其简单的介绍，正好借题发挥，将静电扬声器有关理论、技术、工艺等问题向大家介绍一下。其实我早几年也对静电扬声器兴趣盎然，专门写信给Martin Logan公司，他们很快回信，表示交流合作的愿望，并从美国中西部的堪萨斯州寄来许多资料，包括5篇评论文章。当然现在查询Martin Logan的网页内容也丰富得多方便得多。可惜由于一些原因，合作机会没有抓住。
    这里也许要申明一下，本文只是技术问题的讨论、探索、描述，并不对任何公司有所褒贬。因为几年前写过带式扬声器的文章引起过种种误会。

一、什么是静电扬声器

    我们还是先给静电扬声器下定义。《电声辞典》写到：“利用加在电容器极板上的静电力而工作的扬声器”。就构造看来，因正负极相向而形成电容器状，所以又称为电容扬声器。
    静电扬声器的结构简单，并且具有振膜全体受同相位驱动力推动的优点，所以在电动式扬声器之后，很早就被用作高保真扬声器。特别是近年来，随着高分子化学的发展，可以使用极薄的高分子薄膜来做振膜。薄如蝉翼、轻若飘羽。由于静电扬声器有一种独特的音色，它澄澈透明、轻盈空灵、淡泊脱俗、纤细优美。虽然价格昂贵、低频不足、灵敏度不高、并不适合听现代音乐，却仍拥有一批爱好者。音乐是多样化的，音乐欣赏、音响器材似乎也应是多样化的。
    为了说明它的原理我们先看一张原理图（图1）。
    由此图可见静电扬声器中间有一个薄膜，亦称可动极片，它是由薄而轻的材料组成（例如铝振膜），把振膜周围固定，拉紧而与固定极板保持适当距离，即使在大振幅下，亦不致与固定电极相碰。前后各有一个厚而硬的材料作为固定极片，板上有孔可以透声。极片间有间隔，极片外有防护网罩。在动静极片之间维持一个高直流偏压。直流偏压可达5KV，有种种安全措施。由此图可见，在两极片上外加一音频信号，与原来偏压相重叠，形成交变的脉动电压。这个脉动电压产生两极间吸引力的强弱变化，驱动膜片振动，膜片推动空气发声。
    静电扬声器又分单端（图2）和推挽（图3）两种。
    单端静电扬声器其基本结构相当于电容器的一个电极驱动，结构简单。但经分析工作不稳定，振幅难以加大，只用于小振幅的扬声器和传声器。
    而推挽式静电扬声器则避免了单端式的缺点。推挽式两个固定电极，象三明治一样夹着振膜，使振腔保持不偏不倚的姿态，静电扬声器极板上开有足够透过率的小孔，声音从小孔出来。但透过小孔出来的声音会有程度不同的衰减和反射，频率愈高愈明显。因此真正要求高频良好的静电扬声器，多不采用推挽式，而是采用一个固定电极一个振模的单端式静电扬声器。
    静电扬声器的驱动力我们不写公式，但是知道驱动力与振膜面积大小成正比，与极板之间电压平方成正比，与极板之间距离平方成反比。极板电压加大与极板距离减小做不到双赢。极板电压加大限制了极板距离的缩小，极板距离缩小又不容许极板电压加大。据说在1980年，美国Martin Logan试制出第一款静电扬声器，他们为美妙的音色所陶醉，为自己的成功所陶醉，不免加大音量热情倾听。得意之余，嘎然一声之后万籁皆静，原来是推力过大使振膜触及极板而损坏。经验教训使中庸主义占了上风，距离和电压相互折衷妥协。加大驱动力更多借助于面积的加大。这就是我们今天见到的静电扬声器都好像一个屏风的道理。

二、静电扬声器的历史和发展

    静电扬声器出现得很早，1929年Kyle就提出了静电扬声器模型。图4是搜集到的1953年发表的静电扬声器原理图。
    目前世界仍有为数不多的公司在生产静电扬声器。其中有英国的Quad，还有先属美国后属意大利的Acoustat、美国的Static、荷兰的Final、美国的SoundLab以及日本的STAX，当然最有名的是美国Lawrence市的Martin Logan。
    最早推出全频带静电扬声器的是英国的Quad，出现于45年前，即1957年。它的一个经典产品是ESL63（图5）。近年Quad宝刀不老又相继推出988、989。Quad是静电扬声器的鼻祖，对静电扬声器发展起着承前启后的作用。Martin Logan就是在Quad的启迪、影响之下发展起来的。

  

三、静电扬声器遇到的欢乐与烦恼

    1．静电扬声器为什么有生命力
    指出静电扬声器的毛病并不难，挑剔静电扬声器的缺点一大堆。可是它仍有生命力。究其原因、大概有两点：第一，外观新奇。制作精美的静电扬声器，造型优雅、气质不凡，宛如一件精美的艺术器；第二，静电扬声器有与众不同的独特音色：澄澈透明、轻盈空灵、淡泊脱俗、纤细优美。她重放的声音非常自然。由于没有箱体，也就没有箱体产生的染色，音质纯净；振膜轻而薄（振膜厚度大约0.01mm），因而速度反应快，原则上可以与音乐信号同步变化，细节丰富；失真小，音色准确。
    2．静电扬声器能否做到全频带
    想听刺激的重金属摇滚乐，静电扬声器不是一个好选择，就象叫梅兰芳去卖白菜卖西瓜。静电扬声器的低频、大音量的重放受到振膜位移的限制，还受到振膜可能在大信号作用下变形的限制。解决的办法是低频部分重放由电动式锥形扬声器来完成。而形成“电动-静电”混合式扬声器。
    英国的Quad公司要从全静电扬声器着手，其中一个办法是将振膜分成几块，以减小振膜面积，提高抗形变能力。具体做法是纵分为三块，中间是中高频部分，两侧是低频部分。
    3．点声源问题
    静电扬声器是一个平面声源，而人们已习惯了点声源。要产生一个球面波声源，你别说还真有办法。研究了Quad的办法之后，你不得不佩服他们设计师、工程师的巧妙。
    图6(a)是Quand ESL-63的简化图。从图中可以看出振膜被分成四部分。上下两部分辐射低频；图6（b）是振膜中间两部分的局部示意图。从图（b）可以看出，中间部分被分成8块，通过一个延时电路将信号延迟加到各个电极。每次延迟24微秒，共计168微秒。如此可产生一个球面波。
    而Martin Logan是用另外一种方法解决此问题。为了形成一个更大的扩散声扬，固定电极弯成一个30度的角度。相应的振膜也弯成一个相同的角度。静电扬声器的振膜通常受到上下左右的张力。为了弯曲成弧度，只保持上下的张力。
    4．安全问题
    静电扬声器有高达5kV的电压，担心安全不是没有道理。但是我们可以放心接触、抚摸网罩，还没有听到静电扬声器电伤人的报导。关键在于设计和工艺上的保证。首先和人接触的极板网罩是接地的。而偏压回路有很高的电阻，以QUAD ELS63为例，其回路电阻在720kΩ以上，即使电压达5kV，电流也只有几毫安。在电路上还设有放电保护器，万一振膜短路放电，保护器立即起动断开电源。
    5．静电扬声器的布置
    静电扬声器前后辐射是反相的。经过墙壁、家具等反射会减弱或增强正面的辐射。要将不利因素降到最小，就要求听音房间要有足够的吸收。静电扬声器的摆放高度以大体上其中心高度与听众耳部高度一致为宜。

四、静电扬声器的工艺

    1．振膜材料
    很多人到过 Martin Logan参观，什么木工、金工、喷漆……，都可以自由拍照。但是有一个地方，参观者不得进入，这就是他们花了3年时间才摸索出来的振膜制造部。静电扬声器的核心机密就是振膜工艺。二战以后开始用Mylar（聚酯的一种）制振膜。后来他们与杜邦公司合作，采用另一种聚酯薄膜（Polyester），厚度在0.0lmm左右。用真空镀膜技术蒸镀一层薄薄的金属，再用一绝缘塑料框架将薄膜撑起来。又大又薄又要撑得平整绝非轻而易举。可以判断振膜的材料性质、厚度，镀膜的种类和厚度、支撑的方式都会对性能有不同程度的影响。生产者还要考虑时间、温度、湿度的影响。
    2．固定电极
    采用过各种形状的固定电极，如图7所示。
    （a）用绝缘导线作固定电极，这种方法的缺点是静电力不均匀，相应振膜受力也不均匀。
    （b）是采用一种细孔金属网作固定电极，振膜受力均匀。
    （c）是采用一种平面精度很高的金属板。静电力分布均匀，振膜受力的均匀。但是开孔周围的不平和毛刺都会使静电力分布不均匀。极板过厚，孔的谐振亦会影响高频。在冲孔后要涂布一种尼龙聚合物（Nylon Polymer），起绝缘作用。可选作极板的材料有黄铜、磷青铜。
    （d）是用塑料作极板，蒸镀一层导电层。如碳。
    四、静电扬声器的测试曲线
    图8是Quade ESL-63的一组测试曲线，包括指向频响曲线、阻抗曲线、失真曲线、能量分布曲线。我们可以看出，其频响曲线等是令人满意的。不过特性灵敏度低，只有86dB。这是静电扬声器普遍存在的问题。

  

五、结语

    世界是多样的，生活是多样的，对扬声器的要求也是多样的。没有十全十美的扬声器，静电扬声器自然也不可能尽善尽美。但是它有与众不同的特色、有一部分人的喜爱，就有了安身立命之处，就能获得足够的生存空间。静电扬扬声器的理论和实践问题还很多，足够写一本书。文中仅仅拉开静电扬声器神秘帏幕的一角。唐代诗人郑准描写云的诗：“片片飞来静又闲，楼头江上复山前”。云的飘逸、轻盈，舒卷自如。用来形容静电扬声器重放声音的特色，用来描述聆听静电扬声器的意境，有几分相关。故选为题。