Электростатические излучатели звука
Электростатические излучатели звука не получили широкого распространения, в частности, и из-за технологических трудностей их изготовления. Автор предлагает простой вариант звукоизлучателя с ненатянутой мембраной, легко изготавливаемый в домашних условиях.
Как известно, электростатические громкоговорители и телефоны отличаются высоким качеством звука по той простой причине, что масса колеблющейся металлизированной пленки в них ничтожна.
Пленка располагается параллельно плоской металлической пластине с отверстиями для прохода воздуха (рис. 1, а). Зазор d между пленкой и поверхностью пластины стараются сделать как можно меньше, но достаточным, чтобы не мешать колебаниям пленки. Если теперь между пластиной и пленкой приложить поляризующее напряжение Un (около десятков и даже сотен вольт) с наложенными на него колебаниями звуковой частоты Uзв (рис. 1, б), то в зазоре возникнет электрическое поле с напряженностью Е = U/d, вызывающее притяжение поверхностей. Эта сила приведет в колебательное движение пленку и прилегающие к ней частицы воздуха, т. е. создаст звук.
На мысль о том, что электростатический излучатель для небольшого маломощного громкоговорителя или телефонов очень легко сделать в любительских условиях, навел один, довольно 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, мне удалось провести несколько вполне успешных опытов. Размеры пластин были 160×180 мм, каждая содержала по 520 достаточно 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 изготавливать не понадобилось.
Рис. 1 Рис. 2
Конструкция излучателя показана на рис. 2. Первый рисунок (2,а) показывает общий порядок сборки, второй (2,6) — фрагмент конструкции в увеличенном виде. Пластины 1 располагают фольгой друг к другу, между ними вкладывают лист металлизированной пластиковой пленки 2, и всю систему скрепляют по углам винтами 3. 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 фольги, которые и будут служить выводами телефона. Другой вариант — сделать на пластинах выступы, не совпадающие при сборке излучателя, тогда на выступах провода припаиваются прямо к фольге. Заусениц, задиров, паек или других подобных выступающих неоднородностей на поверхности, соприкасающейся с пленкой, быть не должно. При необходимости их убирают наждачной бумагой.
В том случае, если естественной вогнутости у пластин нет, по периметру устанавливают прокладку 5 из тонкого картона, 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, нужна только для хорошего контакта с последней, а также для защиты пленки от механических повреждений.
Для испытаний излучателя использовался простой детекторный приемник (рис. 3). Его колебательный контур образован емкостью антенны WA1 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 (см. рис. 1 ,б).
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 катушка магнитной антенны 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, громкоговорящий детекторный приемник с электростатическим звукоизлучателем.
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 вместо R1 подстроечный резистор сопротивлением 4,7 МОм последовательно с постоянным сопротивлением 1… 1,5 МОм.
Лучшие результаты дают дифференциальные конструкции электростатических громкоговорителей, в которых пленка не испытывает постоянной силы притяжения, вызванной поляризующим напряжением. Пример такой конструкции показан на рис. 4. Однако здесь нужны два противофазных звуковых напряжения одинаковой амплитуды, получаемые от трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1+1.
Рис. 3 Рис. 4
От автора (ELC)
Воспользовавшись описанием и рекомендациями автора, мной была повторена конструкция электростатического громкоговорителя, согласно рис. 2 статьи. Пластины излучателя были изготовлены из одностороннего фольгированного стеклотекстолита и имели размеры 130х130 мм. Толщина – 1,5 мм. По всей площади пластин были насверлены отверстия диаметром 1,5 мм с шагом в 10 мм. Общее количество составило 81 отверстие. К сожалению пластины не имели естественной вогнутости, поэтому по периметру одной из пластин были наклеены две полоски изоленты до общей толщины изолирующей прокладки 0,2 — 0,3 мм. Также небольшая полоска из двух слоев изоленты была приклеена в центр излучателя. В качестве мембраны, после нескольких пробных вариантов, также была выбрана пленка от цветочных букетов.
В результате получился излучатель показанный на фото 1 и фото 2.
Фото 1.
Фото 2
К обеим пластинам были припаяны проводники, с помощью которых излучатель подключался к УЗЧ с выходной мощностью 4,5 Вт на микросхеме К174УН7. В результате, даже при макси-мальной громкости звук можно было услышать только при поднесении излучателя к уху. Громкость излучателя немного возросла при удалении центральной прокладки, но все равно осталось также недостаточна для громкоговорителя.
Автор статьи: В. ПОЛЯКОВ, г. Москва — журнал «Радио» № 10, 2001г.