Altavoz electrostático

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

Los altavoces utilizan un diafragma plano y delgado , generalmente compuesto por una lámina de plástico recubierta con un material conductor como el grafito , intercalada entre dos rejillas conductoras, con un pequeño espacio de aire entre el diafragma y las rejillas. Para un funcionamiento con baja distorsión, el diafragma debe operar con una carga constante en su superficie, en lugar de con un voltaje constante . Esto se logra mediante una o ambas de las siguientes técnicas: el recubrimiento conductor del diafragma se elige y 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 de alta tensión (EHT) y el diafragma (la resistencia no se muestra en el diagrama). Sin embargo, esta última técnica aún permitirá distorsión, ya que la carga migrará a través del diafragma hacia el punto más cercano a la rejilla o electrodo, aumentando así la fuerza que mueve el diafragma. Esto ocurrirá a frecuencia de audio, por lo que el diafragma requiere una alta resistencia (megaohmios) para ralentizar el movimiento de la carga en un altavoz práctico.

El diafragma suele estar fabricado con una película de poliéster  (de 2 a 20 μm de espesor) con excepcionales propiedades mecánicas, como la película de PET . Mediante un recubrimiento conductor y una fuente de alta tensión externa, el diafragma se mantiene a un potencial de CC de varios kilovoltios con respecto a las rejillas. Estas rejillas son accionadas por la señal de audio; la rejilla frontal y la trasera se accionan en contrafase . Como resultado, se genera un campo electrostático uniforme , proporcional a la señal de audio, entre ambas rejillas. Esto provoca que se ejerza una fuerza sobre el diafragma cargado, y su movimiento resultante impulsa el aire a ambos lados.

En prácticamente todos los altavoces electrostáticos, el diafragma es accionado por dos rejillas, una a cada lado, ya que la fuerza ejercida sobre el diafragma por una sola rejilla sería inaceptablemente no lineal, causando así distorsión armónica . El uso de rejillas en ambos lados cancela la parte de la no linealidad dependiente 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 es accionado con la señal de audio, con la carga estática ubicada en las rejillas (Transparent Sound Solutions).

Las rejillas deben generar un campo eléctrico lo más uniforme posible, permitiendo al mismo tiempo el paso del sonido. Por lo tanto, las estructuras adecuadas para las rejillas son las láminas metálicas perforadas, los marcos con alambre tensado, las 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 solo se necesita para cargar la capacitancia creada por el diafragma y las placas del estator (en párrafos anteriores denominadas rejillas o electrodos). Por lo tanto, este tipo de altavoz es 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 necesario adaptar la impedancia para poder utilizar un amplificador normal . Generalmente 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 frecuencias audibles (es decir, un ancho de banda amplio) y así evitar la distorsión. El transformador es casi siempre específico para un altavoz electrostático en particular. Hasta la fecha, Acoustat y Beveridge han fabricado el único altavoz electrostático comercial "sin transformador". 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 desplaza a lo largo de toda su superficie.
2. Respuesta en frecuencia ejemplar (tanto en amplitud como en fase ) porque el principio de generación de fuerza y ​​presión está prácticamente 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 transductores y, por lo tanto, es mucho menos capaz de almacenar energía para liberarla posteriormente. Por ejemplo, un transductor típico de altavoz electrodinámico puede tener una masa móvil de decenas o cientos de gramos, mientras que una membrana electrostática solo tiene una masa de unos pocos miligramos, varias veces menor que la de 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, lo que contribuye a la amortiguación de la acumulación de resonancia por el propio aire en un grado significativo, aunque no completo. Los altavoces electrostáticos también pueden diseñarse como de rango completo, sin los filtros divisores de frecuencia ni las cajas acústicas habituales que podrían colorear o distorsionar el sonido.

Dado que muchos altavoces electrostáticos tienen diseños altos y delgados sin caja , actúan como una fuente lineal dipolar vertical . Esto genera un comportamiento acústico bastante diferente en las salas en comparación con los altavoces electrodinámicos convencionales. En general, un radiador dipolar de panel grande requiere una colocación física más precisa dentro de una sala que un altavoz de caja convencional, pero, una vez colocado, es menos probable que excite resonancias de sala indeseables, y su relación de sonido directo a reflejado es entre 4 y 5 decibelios mayor. Esto, a su vez, conduce a una reproducción estéreo más precisa de grabaciones que contienen información estéreo adecuada y ambiente del lugar. Los transductores planares tienden a ser muy direccionales, lo que les confiere buenas cualidades de imagen, siempre que se hayan colocado cuidadosamente con respecto al oyente y las superficies reflectantes del sonido en la sala. Se han construido paneles curvos, lo que hace que los requisitos de colocación sean un poco menos estrictos, pero sacrifica algo de precisión en la imagen.

Las desventajas típicas incluyen sensibilidad a los niveles de humedad ambiental y una respuesta de graves deficiente, debido a la cancelación de fase por la falta de caja, pero no todos los diseños comparten estas características. 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 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 (calculado con la velocidad del sonido tomada como 343 m/s). También existe el difícil reto 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 transductores de cono, solo se requieren excursiones de pequeña amplitud para generar cantidades relativamente grandes de energía. Si bien los graves son cuantitativamente deficientes (debido a una excursión menor que la de los transductores de cono), pueden ser de mejor calidad (más definidos y sin resonancia) que los de los sistemas electrodinámicos (de cono). La cancelación de fase se puede compensar parcialmente mediante ecualización electrónica (un circuito denominado shelving que realza la región dentro de la banda de audio donde la presión sonora generada disminuye debido a la cancelación de fase). Sin embargo, los niveles máximos de graves no se pueden aumentar, ya que están limitados por la excursión máxima permitida de la membrana antes de que se acerque demasiado a los estatores de alto voltaje, lo que podría producir arcos eléctricos y perforarla. Las soluciones recientes y técnicamente más avanzadas para la aparente falta 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 recorrido que permiten grandes excursiones del diafragma (Audiostatic). Otro truco frecuente es realzar los graves (20-80 Hz) con una relación de transformación mayor que la de los medios y agudos.   

Esta relativa falta de graves potentes suele remediarse con un diseño híbrido que utiliza un altavoz dinámico, por ejemplo, un subwoofer , para manejar las frecuencias bajas , mientras que el diafragma electrostático se encarga de las frecuencias medias y altas. Muchos opinan que la mejor unidad de baja frecuencia para sistemas híbridos son los drivers de cono montados en bafles 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) una respuesta de frecuencia plana. Sin embargo, suele haber un problema al integrar un woofer de este tipo con los electrostáticos. Esto se debe a que la mayoría de los electrostáticos 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 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 solucionar con la solución teóricamente más elegante de usar altavoces de graves de cono convencionales en un bafle abierto o en una configuración push-pull, que produce un patrón de radiación bipolar similar al de la membrana electrostática. Si bien esto sigue estando sujeto a la cancelación de fase, los altavoces de graves de cono pueden alcanzar niveles mucho más altos debido a su mayor excursión, lo que facilita la ecualización para obtener una respuesta plana. Además, añaden distorsión, aumentando así el área (y por lo tanto la potencia) bajo la curva de respuesta en frecuencia, lo que incrementa la energía total de baja frecuencia, pero disminuye la fidelidad a la señal.  

Una alternativa es encerrar los elementos electrostáticos y operarlos como "monopolos". Esto evita las numerosas desventajas de la operación dipolar, principalmente una gran reducción de las reflexiones de la sala y, por lo tanto, también de la alteración del ambiente grabado. Dado que no se intenta que el altavoz sea visualmente transparente , también permite la aplicación de materiales en la parte posterior del panel para amortiguar completamente 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 en un grado que ofrece un punto óptimo de escucha razonablemente amplio. Permite aprovechar mejor el  aumento de 3 dB/octava en el nivel de presión sonora con la frecuencia, aumentando la sensibilidad. No actúa como un verdadero arreglo lineal, por lo que los woofers son más fáciles de integrar. Por último, la mayor parte del saturación restante de 3 dB se puede contrarrestar filtrando las altas frecuencias de la señal a la mitad o más del ancho, lo que, casualmente, amplía la dispersión y, por lo tanto, el punto óptimo de escucha. Los altavoces JansZen incorporan todas estas características alternativas. Además, utilizan woofers de suspensión acústica (cajas selladas), que presentan el menor retardo de grupo de todas las configuraciones y, por lo tanto, la mejor integración con los altavoces electrostáticos. Los paneles también están bien protegidos contra la acumulación de contaminantes en el aire, evitando así la necesidad de reparaciones periódicas. 

La direccionalidad de los altavoces electrostáticos también puede ser una desventaja, ya que implica que el punto óptimo de escucha, donde se aprecia una imagen estéreo adecuada, 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 su uso en vehículos (audio para automóviles). El diseño de Wayde Alfarone, ingeniero y director ejecutivo de Critical Mass, aprovechó la naturaleza direccional de los altavoces electrostáticos para crear campos sonoros independientes para las distintas ubicaciones de los asientos en el vehículo.

Debido a su tendencia a acumular polvo, insectos, partículas conductoras y humedad, los diafragmas de los altavoces electrostáticos se deterioran gradualmente y requieren reemplazo periódico. También necesitan medidas de protección para aislar físicamente sus componentes de alto voltaje y evitar el contacto accidental con personas y mascotas. Existe un servicio de reparación y restauración económico para prácticamente todos los modelos de altavoces electrostáticos, tanto actuales como descatalogados.

Los altavoces electrostáticos gozan de cierta popularidad entre los aficionados al bricolaje (DIY). Son uno de los pocos tipos de altavoces cuyos transductores pueden construirse desde cero por un aficionado, ya que los componentes básicos para proyectos completos de altavoces electrostáticos DIY se pueden encontrar en línea. Estos componentes 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 de polímero y pintura conductora (por ejemplo, una suspensión de grafito líquido ) para la membrana; un sencillo sistema de tensión para una correcta sintonización de la membrana; y un marco, generalmente de madera, para mantener todo unido. Un recurso muy consultado por los entusiastas de los altavoces electrostáticos es The Electrostatic Loudspeaker Design Cookbook ( ISBN). 978-1-882580-00-2) por el destacado especialista en ESL Roger Sanders. ^{[ 2 ]}

Arthur Janszen obtuvo la patente estadounidense n.º 2.631.196 en 1953 para un altavoz electrostático. Había trabajado en la Marina desarrollando una fuente de alta frecuencia y baja distorsión para la localización de torpedos. Tras la guerra, desarrolló una técnica de fabricación para altavoces electrostáticos, que se utilizaban con woofers de cono convencionales, conocidos como híbridos electrostáticos. Otorgó la licencia a Neshaminy Electric para la fabricación de estos altavoces. 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 presentó un nuevo tweeter ESL con bobinado de alambre que redujo considerablemente el coste de fabricación. Demostró ser extremadamente fiable. Se utilizaron varios conjuntos de estos tweeters como sistemas de megafonía en conciertos en Minneapolis.

La propiedad cambió de nuevo a finales de la década de 1970 y la empresa fue adquirida. Se planificó ofrecer altavoces electrostáticos para automóviles, pero nunca se llegó a producir. Dave Wilson, de Wilson Audio, utilizó tweeters JansZen en su famoso monitor modulador de audio Wilson, WAMM. Ese altavoz se vendía por 220.000 dólares el par cuando se dejó de fabricar. Los desarrolladores del sistema de sonido 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, que aún sigue en activo, no estaba relacionada con los altavoces JansZen de Electronic Industries. La empresa del Sr. JansZen, JansZen, sigue fabricando una versión mejorada 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 fue llevado a KLH en 1959 y puesto en producción regular.

• Altavoz magnetostático