靜電式揚聲器

靜電式揚聲器(electrostatic loudspeaker)指極薄的振膜在靜電力的作用下作前後移動的那類揚聲器，和依靠電磁力來使振膜作前後移動的電動式揚聲器是不相同的。 靜電揚聲器的振膜質量極輕，因而解析力極佳，能捕捉音樂信號中極為細微的變化，充分表現音樂的神韻。

基本介紹

• 中文名：靜電式揚聲器
• 外文名：electrostatic loudspeaker

介紹

隨著數位技術用於音源設備（失真≤0.02%的CD、LD等）和高保真放大器的出現，目前廣泛使用的電動式揚聲器由於天生的痼疾（失真≥2~3%），已難以跟上音響技術的發展，並已成為音響重放系統的瓶頸，因此音響界迫切希望能研製出新型的高性能揚聲器。一方面，不少企業仍在不遺餘力地改進傳統的電動式揚聲器，雖然投入了大量的資金，但在降低失真方面，前途仍然渺茫，另一方面，科技界則側重於新型揚聲器的研製。進展迅速的有離子式揚聲器、帶式揚聲器和靜電式揚聲器。其中，離子式性能最佳（頻響10~25000Hz，失真≤0.002%）但因其極高的成本，特別是因其電離氣體對人體有害，普及使用不大可能；帶式揚聲器則因結構複雜、效率低，只在高頻段（1500Hz以上）有較好的表現，其使用範圍受到了很大限制；因此，電聲科技界及產業界的目光開始集中於結構相對簡單、性能優越（頻響20~30000Hz，失真≤0.05%）的靜電揚聲器上。

工作原理

典型的靜電揚聲器結構如圖1所示：由於兩固定電極分別與振膜構成（雙）電容結構，故靜電揚聲器（英文名稱：Electrostatic Loudspeaker，簡稱ESL）又名電容式揚聲器（英文名稱：Condenser Loudspeaker）。

與目前廣泛使用的電動式揚聲器相比，靜電揚聲器的結構要簡單得多，它無磁體，而是利用音頻信號源和直流極化電源的協同作用，促使振膜（可動電極）表面積累一定密度的電荷，以至振膜受到方向交替變化的電場作用，並伴隨音頻信號源而振動發聲的揚聲器。

初步發展

1927年3月，Lee首先獲得靜電揚聲器的美國專利，1928年，Toulon公開過一款圓型鋁振膜和雙圓型固定電極的靜電揚聲器；1929年，Danman在《關於揚聲器及其發展》的論文中，開始靜電揚聲器的學術討論；同年，《無線電和無線電評論》對靜電揚聲器的結構作出分析；1930年，Hanna提出靜電揚聲器的理論模型，認為：由於穩定靜電場的作用，靜電揚聲器振膜在每單位電壓作用下所受的靜電力，是電容和負電容的相似函式；1931年，Vogt提出一種用鋁錳合金製作靜電揚聲器振膜的結構；同時，Meyer報告了當時在諧振狀況下的測量結果：電磁式揚聲器的效率為7~8%，電動式揚聲器的效率為l%，靜電式揚聲器的效率為2%； Gesell分析了靜電揚聲器等揚聲器的生產成本。

選擇性發展

由於成本及其多種因素，工業界選擇了電磁式揚聲器，在30~50年代，電磁式揚聲器得到了相當廣泛的套用。生產總量達5000萬隻以上。50年代後，隨著密紋唱片和磁帶音源的出現，揚聲器研製再次掀起高潮，電動式揚聲器得以高速發展，其生產總量至今己超過50億隻。至60年代初，數字式音源問世，電聲企業界才發現，尚無一種揚聲器能夠真正重現數字音源的聲信號。於是掀起了第三次揚聲器研製高潮。同時，科技界提出了帶式、海爾式、離子式、火焰式、靜電式等多種方案。1963年，英國聲學製造公司（現名Quad聲電公司）研製出全頻帶的ESL-63型靜電揚聲器。ESL-63提供了人類有揚聲器以來最優秀的音質，給Hi-Fi領域傳遞了新的信息。但ESL-63高達6000美金的售價（現行售價仍接近4000美金）確實也使不少發燒友可望而不可及。同年，Rolfrennwald提出採用環氧樹脂板敷銅固定電極取代金屬板固定電極，1964年Port提出用石墨塗敷塑膠膜取代金屬製作振膜，兩者都是為降低靜電揚聲器製造成本的方案。

數字音源套用

至70年代後期，數字音源開始迅速普及，電聲科技界和製造業均已意識到研製與之相適應的新型揚聲器的緊迫性，靜電揚聲器的普及工作進入攻堅階段。80年代初荷蘭飛利浦公司率先研製出無音頻變壓器的靜電揚聲器驅動器，美國MARTIN LOGAN公司研製出低導電率振膜（表面電阻率為104~105Ω·cm），至80年代後期，日本SONY公司看好21世紀國際高保真音響市場，投入大量資金研製靜電揚聲器，在振膜、驅動電源、結構等諸多方面取得重大進展，靜電揚聲器終於走出實驗室，進入工業化規模生產階段。

我國發展

90年代初，我國電聲科技界開始靜電揚聲器研製。1994年，武漢順泰振動技術公司（現武漢順泰電子有限公司，簡稱SHT公司），推出我國第一款靜電揚聲器；1995年推出國際上第一種水平360度全向發聲的靜電揚聲器產品；1997年推出國際上體積最小（21×100×3mm）的靜電揚聲器。l998年，我國大型商業企業（武商集團）介入靜電揚聲器產業，對SHT公司進行了大規模的資金投入，SHT公司迅速建成了國際上一流的靜電揚聲器科研體系，率先研製出圈式振膜（周邊低阻，中間高阻）點式電極和用導電塗料在絕緣板上印製固定電極的靜電揚聲器。至1999年初，SHT公司靜電式揚聲器產品已達40餘種，成為國際上品種最多、規格最全的靜電揚聲器製造企業之一，其產品已進入美國和歐洲市場。

最新成果

從網際網路上查詢信息看，靜電揚聲器近10年內的科研成果，超過了前60年的總和。其中又以日本SONY公司和我國SHT公司更顯突出。比較重要的有：

荷蘭飛利浦公司的“光電耦合器阻抗匹配電路”，解決了靜電揚聲器與低阻輸出放大器的匹配問題。

德國EWD公司採用“壓電聚合物的帶狀振膜”，該膜在使用中，採取沿螺旋型繞制在圓筒表面，可以構成聲波導或聲傳輸線。

日本SONY公司的“複合疊層高聲壓靜電揚聲器”採取“固定電極——振膜——固定電極——振膜……”技術方案，解決了靜電揚聲器面積較大的缺點。“苯胺、噻吩等高分子材料單體合成表面高阻抗振膜”主要解決防潮問題。

我國SHT公司的“圈式振膜”是周圍為低阻，中間為高阻的新型振膜；耐壓超過10KV的“塑封式固定電極”；大幅度提高聲壓級的“網狀連線點式固定電極”；厚度2~12μm，以“聚脂——合金——苯胺”形式構成的“複合式振膜”；以及高效非金屬化的“全塑靜電揚聲器”等。

幾個誤區

靜電揚聲器是作為一種高科技產品，有著巨大潛在市場。因此，各生產企業對其關鍵技術的封鎖是非常自然的。又由於靜電揚聲器售價昂貴，較少為專業人員所接觸，因而產生了以下幾個認識上的誤區：

1．為獲得電荷分布狀況基本不變的振膜，有人提出採用半導體材料設計振膜的方案。由於半導體材料具有受外界條件影響會發生顯著變化（如溫度、光照）的特點，用其製作振膜的方案顯然是行不通的。振膜設計的最佳方案是：合成，體積電阻率為：106~108Ω·cm，高強度、超薄、柔性材料振膜。

2．為省略極化電源，採用駐極材料製作振膜。認為駐極體是永久極化或帶電的振膜，因而無需單獨的極化電壓。但實驗表明，僅採用駐極材料製作振膜是不合適的。另一種考慮是：在音頻信號中取極化電源。這是基於極化振膜雖需要較高的電壓，但所需電流是非常小的（≤10μA左右），對功率消耗極微的考慮。此種方案的缺陷在於，一是不可避免增大失真，二是結構趨向複雜。

3．誤認為靜電揚聲器易於吸附塵土。這是由於在我們周圍有較多的靜電環境易於聚塵的現象所引起的。實際上，靜電聚塵的條件在於：靜電必須首先電離塵粒才可能吸附塵粒。而靜電揚聲器是在交變電場的條件下工作的，電場強度超過某個臨界值才可能電離塵埃而吸塵，在正常工作狀態下，其電場強度小於上述臨界值。因此，在設計中過多考慮防塵是完全不必要的。

4．認為靜電揚聲器不適宜放較高的聲壓。早期的靜電式揚聲器的確存在這樣的問題。原因是早期靜電揚聲器的振膜多用純金屬材料製成，其抗拉強度較低，在高聲壓下易於破裂損壞，加之早期靜電揚聲器的固定電極絕緣較差，當高聲壓放音時，因可動電極振幅較大，兩電極間絕緣介質被高壓擊穿，產生電暈所致。隨著材料工業的進步，高分子、高強度振膜材料用於靜電揚聲器已相當普遍；另外，獲得耐壓6KV以上的絕緣電極板材料已不存在任何問題。實測表明：有效振動面積為10000mm2的靜電揚聲器能長時間並非常穩定地輸出110dB的聲壓。

優點

在目前條件下，電動式揚聲器仍占有主導地位，一般認為，電動式揚聲器的指標是相當不錯的。因此，以電動式揚聲器作為參照來分析靜電揚聲器比較合適。

電動式揚聲器的振動系統是音圈加振膜。電信號是先加於音圈，使之形成軸向運動而推動振膜，因而沒有音圈不行。但激勵空氣，使電信號轉換為聲信號的任務則是由振膜擔任的。為了改善柔順性，揚聲器都希望振膜愈輕愈好。但由於電動式揚聲器振膜必須負載音圈，因而其質量受到了音圈的極大限制。同時，音圈在磁隙中的軸向運動，也會激勵空氣，會產生峰鳴聲，音圈越大，衝程越長，則蜂鳴失真越大。另外，電動式揚聲器的振膜必須是錐型或球頂型的。同時，為了增加柔順，振膜上必須有折環。錐型和折環的缺陷在於：會產生分割振動，駐波和時間常數的不一致性，引起較大的失真。

靜電揚聲器的振動系統是單一的振膜。質量比電動式揚聲器的振動系統輕了數百倍，瞬態特性自然較電動式揚聲器優越得多。而且，靜電揚聲器的振膜是平面的，全向策動的，因而基本上不會產生因結構所造成的失真。

電動式揚聲器的失真通常高達3%，想做到1%以下是極其困難的。靜電揚聲器的理論失真則僅為0.02%左右，做到0.5%以下則是輕而易舉的事。

根據心理聲學的理論研究結果認為，在現場音樂會的條件下，聽覺感受的50%以上來自牆壁、地板、屋頂等環境的反射聲。因此，重放聲音時，希望揚聲器具有偶極特性。就此而言，靜電揚聲器在整個揚聲器家族中，也是獨一無二的。靜電揚聲器的另一個顯著優點是，能夠做得薄而輕（長期最大功率達100W的單元，可以做到厚度僅3mm），易於懸掛或安裝。從結構上看，靜電揚聲器遠比大多數揚聲器簡單，其最簡方案僅用2~3個元件即可構成（圖2）。由此，可以認為，靜電揚聲器的成本比絕大多數揚聲器低。

靜電揚聲器的最大優點是：振膜質量極輕，因而柔順性極優，解析力極佳，能捕捉音樂信號中極為細微的變化，使人感到非常逼真，有臨場感，能充分表現音樂的神韻。

缺點

靜電揚聲器的主要缺陷是，需要極化電壓（在有源系統中可以忽略），其次是面積較大。這是靜電揚聲器難以進入攜帶型系統的主要原因，也是靜電揚聲器在實際使用中只擔任中高頻並和電動式揚聲器搭配使用的主要原因，更是靜電揚聲器科研的主要課題。如果採用準分子、雷射微機械加工技術，可望製造出微型靜電揚聲器。

前景展望

由於高保真市場對揚聲器的聲頻特性提出了更高的要求，現實環境已構成了靜電揚聲器普及使用的社會動力和技術支撐，從而為靜電揚聲器商品化帶來了新的機遇。可以預言，在高保真領域，21世紀將是靜電揚聲器廣泛使用的時代。