Elektrostatische luidsprekers

Aan elektrostatische luidsprekers worden soms bijna magische kwaliteiten toegekend. Onvoorstelbaar transparant, ultralichte folie zonder traagheid, etc. Maar als dat dan zo is, waarom is dan niet elke luidspreker volgens dit principe gebouwd? Laten we eerst teruggaan naar de ontdekking van het principe.

Begin

Wat literatuuronderzoek brengt aan het licht dat er al in 1881 een professor Amos Dolbear was die een ‘condensatorweergever’ had bedacht voor het telefoonsysteem. Omdat er toen nog geen versterkers waren, bleek het in de praktijk niet toepasbaar. Het idee verdween op de plank totdat in 1923 Bell Telephone Company zocht naar manieren om complete muziekweergavesystemen te bouwen. Dit als gevolg van de ontwikkeling van de elektrisch gesneden grammofoonplaat die in 1921 was ontwikkeld.

Twee wetenschappers, E.W. Kellogg en C.W. Rice kwamen tot twee oplossingen: een conusluidspreker en een elektrostatische luidspreker. De laatste hadden ze gebouwd met een folie van een met een goudlaagje bedekte varkensdarm. Ze waren zwaar onder de indruk van het systeem, ook al was het paneel zo groot als een deur. Maar het was dit formaat, samen met de beperkte houdbaarheid van het membraan, dat Bell Lab’s deed besluiten het plan te laten varen.

Tweeter

Pas in 1947 pakte Arthur Janszen het idee weer op voor het ontwikkelen van een weergever voor het testen van microfoon-arrays voor de Amerikaanse marine. Hij was ervan overtuigd dat een elektrostaat zich meer lineair zou gedragen. Als membraan gebruikte hij plastic met een geleidende coating. Dat leidde tot de ontwikkeling van een elektrostatische tweeter in 1952 die bij hi-fi enthousiasten grote aanhang vond in combinatie met Acoustic Research woofers.

Quad

In 1955 publiceerde Peter Walker drie artikelen over elektrostatische luidsprekerontwerp in Wireless World en in 1956 bouwde hij de eerste productiemodellen; de Quad ESL was geboren. Begin zestiger jaren ging Arhur Janszen werken bij KLH, hetgeen de KLH 9 opleverde. Het was het begin van een groot aantal ontwerpen van vele fabrikanten. Deels in de aanpak van Janszen, dus een elektrostat voor het hoog en een dynamisch systeem voor het laag. Ook bijvoorbeeld B&W heeft zo’n systeem gehad, de DM70, die de bijnaam ‘De Wasmachine’ had. Andere hybriden komen van merken als Martin Logan, Van Medevoort en Audiolab. Full range systemen vind je bij merken als Dayton-Wright, Acoustat, Audiostatic en Solosound. Er zijn overigens relatief veel Nederlandse fabrikanten.

Werking

Laten we eens kijken naar de werking van de elektrostaat. Het systeem is gebaseerd op statische elektriciteit, wat we kennen van de natuurkundelessen; wrijf een kunststof staaf met wol en hij gaat papieren snippers aantrekken. Eenzelfde kracht wordt in een elektrostatische luidspreker gebruikt door een uiterst dun kunststof vel voor een vaste plaat – de stator – te monteren en er een elektrische lading over te zetten. Door die lading te variëren analoog aan de muziek, wordt het kunststof vel in de ‘vorm’ van de muziek aangetrokken en afgestoten waarbij het de lucht in trilling brengt. Vadaag de dag wordt het kunstof vel van tussen de 4 en 15 micron dun Mylar gemaakt en is het tussen twee metalen platen gemonteerd. Het grote voordeel van deze aanpak is dat het elektrostatische veld constant blijft. Wanneer er maar één stator is, wordt het veld zwakker als het membraan zich verder van de stator af beweegt. Is het membraan tussen twee statoren bevestigd, dan is de totale kracht van het elektrostatische veld onafhankelijk van waar het membraan zich bevindt. Dit systeem wordt ook wel balanswerking of push-pull genoemd en zorgt voor een erg lage harmonische vervorming.

Snel

Doordat er een uiterst dun membraan wordt gebruikt, is er nauwelijks massatraagheid en daar scoort de elektrostaat dus beter dan de conusluidspreker. Een veel gehoord argument is dat het hoog daardoor sneller is. Dat mag wel zo zijn, maar veel belangrijker is dat juist in het middengebied, zeg maar van 500 Hz to 4 kHz, de snelheid veel hoger is en dus de vervorming lager, vergeleken met een conusluidspreker.

En laat dat nu net het gebied zijn waar ons gehoor het meest kritisch is. Daar spelen zaken als spraakverstaanbaarheid en lokalisatie zich voornamelijk af. Gehoorbeschadgingen overigens ook!

Size matters

Eenieder die wel eens naar een luidspreker of muziekinstrument heeft gekeken, zal het opgevallen zijn dat lage tonen altijd uit grote luidsprekers en instrumenten komen maar hoge tonen altijd uit kleine. Dit komt doordat voor lage tonen veel meer lucht verplaatst moet worden en daarvoor kun je twee parameters variëren: de grootte en de maximale uitslag van het ‘klankvoortbrengend lichaam’. Bij speakers hebben we het dan over conussen (of membranen bij elektrostaten) en bij muziekinstrumenten over zaken als klankbodem (piano), bovenblad (snaarinstrumenten), velgrootte (slaginstrumenten) of kelkgrootte (koper). Als we nu even naar de conusluidspreker kijken, dan kan zowel de afmeting van de conus als de uitslag vergroot worden, maar aan beide zitten beperkingen. Zo is er een directe relatie tussen de conusgrootte en het afstralingsgedrag bij een bepaalde frequentie. Anders gezegd: bij een bepaalde frequentie zal het vergroten van de conus tot meer bundeling van het geluid leiden. Ook de uitslag kent grenzen: hoe groter de uitslag, des te steviger de constructie moet zijn en des te meer vermogen nodig is om dat in de hand te houden. Vermogen veroorzaakt warmte in de spreekspoel zodat die voldoende zwaar zal moeten zijn om die warmte af te kunnen laten vloeien.

Groot

Kijken we naar een elektrostaat, dan zien we in pricipe dezelfde problemen, maar met een totaal andere optimale oplossing. Omdat het Mylar membraan extreem licht is en bovendien geen spreekspoel, centreerring en spinner nodig heeft, kan het veel groter zijn. Daar staat tegenover dat de uitslag van het membraan beperkt is tot de ruimte tussen de statoren. Dus het membraan moet ook groot zijn, afhankelijk van de laagst weer te geven frequentie. Sterker nog, alleen zeer grote panelen kunnen voldoende lucht verplaatsen om een enigzins dynamisch laag te genereren. En dan komen we vanzelf op het grootste nadeel van een normale elektrostaat: het afstraalgedrag. Want net zoals bij conusluidsprekers is er een directe relatie tussen de grootte van het membraan en de richtingskarakteristiek.

Een recht-toe-recht-aan vlak paneel van een halve meter breed bundelt zo sterk, dat je je hoofd in een bankschroef moet zetten om niet continue klankverschillen te horen als je je hoofd even beweegt. Vandaar dat fabrikanten hier allerhande listen voor verzonnen hebben. Quad gebruikte voor de oorspronkelijke panelen (ESL 56) een smal paneel in het midden voor midden en hoog en twee grotere panelen aan beide zijden voor het laag. Aan de buitenkant zag je daar overigens niets van. Andere fabrikanten gebruiken een smalle strook aan een kant van het paneel voor het hoog en de rest voor het laag. Die panelen zijn altijd in spiegelbeeld uitgevoerd waarbij de smalle strook aan de binnenkant moet zijn. Het linker paneel heeft dus de smalle strook aan de rechterkant terwijl het rechter paneel de smalle strook links heeft. Overigens niet veel anders dan bij conusluidsprekers met asymmetrisch geplaatste tweeters. Peter Walker (Quad) vond voor zijn tweede ontwerp een andere oplossing: hij construeerde concentrische ringen in het paneel en stuurt die zo aan dat het zich als een puntbron gedraagt. Een vroege vorm van golfsynthese dus. Martin Logan koos voor een gebogen paneel waardoor bundeling in het horizontale vlak wordt bestreden terwijl Solostatic een klein rond vlak gebruikt voor de hoogweergave.

Nadelen

Alle elektrostaten hebben een horizontaal afstraalgedrag in de vorm van een acht. Ze stralen gelijk naar voren en naar achteren af en nadrukkelijk niet naar de zijkant. Daarnaast zorgt de smalle hoge constructie voor een sterke bundeling in het vertikale vlak. Deze beide eigenschappen worden doorgaans gezien als een nadeel en dat is maar deels terecht. Om dat te snappen moeten we het kort even hebben over de werking van ons gehoor.

Werking gehoor

Als een geluid een luidspreker verlaat, zal het deels in een rechte baan naar onze oren gaan. Een ander deel wordt via muren, plafond en vloer afgestraald en bereikt ons gehoor dus indirect. Voor zowel de klankbalans als de stereoafbeelding is het van belang dat er enige tijd zit tussen de aankomsttijd van het directe geluid en de aankomsttijd van het gereflecteerde geluid. Na het directe geluid is het geluid dat via de zijmuren, plafond en vloer het snelst bij onze oren. Je wilt met name die eerste reflecties liever niet hebben. Mits je de elektrostaten goed opstelt, heb je daar dan ook geen last van en kun je snel een erg fraai breed en diep stereobeeld krijgen.

Elektrostaten stralen ook naar achteren het hele spectrum uit waardoor het indirecte geluid evenwichtiger is en dus minder kleurt. Elektrostaten moeten doorgaans ook een eind van de achterwand worden geplaatst, van zo’n 30 cm tot wel een meter, om een goed stereobeeld te krijgen. Dat heeft weer nadelen voor het echte laag – vooral bij het gebruik van hybride systemen (dus met een conusluidspreker voor het laag). In die gevallen kan een goede subwoofer uitkomst bieden.

Versterkereisen

Een elektrostaat is effectief een hele grote condensator en dat betekent een afnemende impedantie bij toenemende frequentie. En de impedantie van elektrostaten bij 1000 Hz is vaak al aan de lage kant. Bij 20 kHz kan die impedantie teruglopen tot soms onder de 1 ohm. En hoewel je bij 20 kHz geen grote stromen meer nodig hebt, kan een aangesloten versterker wel instabiel worden als die niet met voldoende zorgt is gefabriceerd. Sluit dus nooit zo maar een versterker aan op elektrostaten maar controleer vooraf bij uw leverancier of de versterker daar geschikt voor is. En voordat u de indruk zou krijgen dat elektrostaten alleen door peperdure versterkers kunnen worden aangestuurd: dat is onzin. Heel veel betaalbare versterkers en receivers kunnen prima omgaan met elektrostaten, sommigen echter niet.