标题：静电式扬声器
静电扬声器简介
随着数字技术用于音源设备（失真≤0.02%的CD、LD等）和高保真放大器的出现，目前广泛使用的电动式扬声器由于天生的痼疾（失真≥2~3%），已难以跟上音响技术的发展，并已成为音响重放系统的瓶颈，因此音响界迫切希望能研制出新型的高性能扬声器。一方面，不少企业仍在不遗余力地改进传统的电动式扬声器，虽然投入了大量的资金，但在降低失真方面，前途仍然渺茫，另一方面，科技界则侧重于新型扬声器的研制。进展迅速的有离子式扬声器、带式扬声器和静电式扬声器。其中，离子式性能最佳（频响10~25000Hz，失真≤0.002%）但因其极高的成本，特别是因其电离气体对人体有害，普及使用不大可能；带式扬声器则因结构复杂、效率低，只在高频段（1500Hz以上）有较好的表现，其使用范围受到了很大限制；因此，电声科技界及产业界的目光开始集中于结构相对简单、性能优越（频响20~30000Hz，失真≤0.05%）的静电扬声器上。 
静电扬声器的工作原理
典型的静电扬声器结构如图1所示：由于两固定电极分别与振膜构成（双）电容结构，故静电扬声器（英文名称：Electrostatic Loudspeaker，简称ESL）又名电容式扬声器（英文名称：Condenser Loudspeaker）。
与目前广泛使用的电动式扬声器相比，静电扬声器的结构要简单得多，它无磁体，而是利用音频信号源和直流极化电源的协同作用，促使振膜（可动电极）表面积累一定密度的电荷，以至振膜受到方向交替变化的电场作用，并伴随音频信号源而振动发声的扬声器。 
静电扬声器初步发展
1927年3月，Lee首先获得静电扬声器的美国专利，1928年，Toulon公开过一款圆型铝振膜和双圆型固定电极的静电扬声器；1929年，Danman在《关于扬声器及其发展》的论文中，开始静电扬声器的学术讨论；同年，《无线电和无线电评论》对静电扬声器的结构作出分析；1930年，Hanna提出静电扬声器的理论模型，认为：由于稳定静电场的作用，静电扬声器振膜在每单位电压作用下所受的静电力，是电容和负电容的相似函数；1931年，Vogt提出一种用铝锰合金制作静电扬声器振膜的结构；同时，Meyer报告了当时在谐振状况下的测量结果：电磁式扬声器的效率为7~8％，电动式扬声器的效率为l％，静电式扬声器的效率为2％； Gesell分析了静电扬声器等扬声器的生产成本。
选择性发展
由于成本及其多种因素，工业界选择了电磁式扬声器，在30~50年代，电磁式扬声器得到了相当广泛的应用。生产总量达5000万只以上。50年代后，随着密纹唱片和磁带音源的出现，扬声器研制再次掀起高潮，电动式扬声器得以高速发展，其生产总量至今己超过50亿只。至60年代初，数字式音源问世，电声企业界才发现，尚无一种扬声器能够真正重现数字音源的声信号。于是掀起了第三次扬声器研制高潮。同时，科技界提出了带式、海尔式、离子式、火焰式、静电式等多种方案。1963年，英国声学制造公司（现名Quad声电公司）研制出全频带的ESL-63型静电扬声器。ESL-63提供了人类有扬声器以来最优秀的音质，给Hi-Fi领域传递了新的信息。但ESL-63高达6000美金的售价（现行售价仍接近4000美金）确实也使不少发烧友可望而不可及。同年，Rolfrennwald提出采用环氧树脂板敷铜固定电极取代金属板固定电极，1964年Port提出用石墨涂敷塑料膜取代金属制作振膜，两者都是为降低静电扬声器制造成本的方案。
数字音源的应用
至70年代后期，数字音源开始迅速普及，电声科技界和制造业均已意识到研制与之相适应的新型扬声器的紧迫性，静电扬声器的普及工作进入攻坚阶段。80年代初荷兰飞利浦公司率先研制出无音频变压器的静电扬声器驱动器，美国MARTIN LOGAN公司研制出低导电率振膜（表面电阻率为104~105Ω·cm），至80年代后期，日本SONY公司看好21世纪国际高保真音响市场，投入大量资金研制静电扬声器，在振膜、驱动电源、结构等诸多方面取得重大进展，静电扬声器终于走出实验室，进入工业化规模生产阶段。
我国的静电扬声器的发展
90年代初，我国电声科技界开始静电扬声器研制。1994年，武汉顺泰振动技术公司（现武汉顺泰电子有限公司，简称SHT公司），推出我国第一款静电扬声器；1995年推出国际上第一种水平360度全向发声的静电扬声器产品；1997年推出国际上体积最小（21×100×3mm）的静电扬声器。l998年，我国大型商业企业（武商集团）介入静电扬声器产业，对SHT公司进行了大规模的资金投入，SHT公司迅速建成了国际上一流的静电扬声器科研体系，率先研制出圈式振膜（周边低阻，中间高阻）点式电极和用导电涂料在绝缘板上印制固定电极的静电扬声器。至1999年初，SHT公司静电式扬声器产品已达40余种，成为国际上品种最多、规格最全的静电扬声器制造企业之一，其产品已进入美国和欧洲市场。 
静电扬声器研制的最新成果
从互联网上查询信息看，静电扬声器近10年内的科研成果，超过了前60年的总和。其中又以日本SONY公司和我国SHT公司更显突出。比较重要的有：
荷兰飞利浦公司的“光电耦合器阻抗匹配电路”，解决了静电扬声器与低阻输出放大器的匹配问题。
德国EWD公司采用“压电聚合物的带状振膜”，该膜在使用中，采取沿螺旋型绕制在圆筒表面，可以构成声波导或声传输线。
日本SONY公司的“复合叠层高声压静电扬声器”采取“固定电极——振膜——固定电极——振膜……”技术方案，解决了静电扬声器面积较大的缺点。“苯胺、噻吩等高分子材料单体合成表面高阻抗振膜”主要解决防潮问题。
我国SHT公司的“圈式振膜”是周围为低阻，中间为高阻的新型振膜；耐压超过10KV的“塑封式固定电极”；大幅度提高声压级的“网状连接点式固定电极”；厚度2~12μm，以“聚脂——合金——苯胺”形式构成的“复合式振膜”；以及高效非金属化的“全塑静电扬声器”等。 
静电扬声器认识上的几个误区
静电扬声器是作为一种高科技产品，有着巨大潜在市场。因此，各生产企业对其关键技术的封锁是非常自然的。又由于静电扬声器售价昂贵，较少为专业人员所接触，因而产生了以下几个认识上的误区：
1．为获得电荷分布状况基本不变的振膜，有人提出采用半导体材料设计振膜的方案。由于半导体材料具有受外界条件影响会发生显著变化（如温度、光照）的特点，用其制作振膜的方案显然是行不通的。振膜设计的最佳方案是：合成，体积电阻率为：106~108Ω·cm，高强度、超薄、柔性材料振膜。
2．为省略极化电源，采用驻极材料制作振膜。认为驻极体是永久极化或带电的振膜，因而无需单独的极化电压。但实验表明，仅采用驻极材料制作振膜是不合适的。另一种考虑是：在音频信号中取极化电源。这是基于极化振膜虽需要较高的电压，但所需电流是非常小的（≤10μA左右），对功率消耗极微的考虑。此种方案的缺陷在于，一是不可避免增大失真，二是结构趋向复杂。
3．误认为静电扬声器易于吸附尘土。这是由于在我们周围有较多的静电环境易于聚尘的现象所引起的。实际上，静电聚尘的条件在于：静电必须首先电离尘粒才可能吸附尘粒。而静电扬声器是在交变电场的条件下工作的，电场强度超过某个临界值才可能电离尘埃而吸尘，在正常工作状态下，其电场强度小于上述临界值。因此，在设计中过多考虑防尘是完全不必要的。
4．认为静电扬声器不适宜放较高的声压。早期的静电式扬声器的确存在这样的问题。原因是早期静电扬声器的振膜多用纯金属材料制成，其抗拉强度较低，在高声压下易于破裂损坏，加之早期静电扬声器的固定电极绝缘较差，当高声压放音时，因可动电极振幅较大，两电极间绝缘介质被高压击穿，产生电晕所致。随着材料工业的进步，高分子、高强度振膜材料用于静电扬声器已相当普遍；另外，获得耐压6KV以上的绝缘电极板材料已不存在任何问题。实测表明：有效振动面积为10000mm2的静电扬声器能长时间并非常稳定地输出110dB的声压。 
静电扬声器的优点
在目前条件下，电动式扬声器仍占有主导地位，一般认为，电动式扬声器的指标是相当不错的。因此，以电动式扬声器作为参照来分析静电扬声器比较合适。
电动式扬声器的振动系统是音圈加振膜。电信号是先加于音圈，使之形成轴向运动而推动振膜，因而没有音圈不行。但激励空气，使电信号转换为声信号的任务则是由振膜担任的。为了改善柔顺性，扬声器都希望振膜愈轻愈好。但由于电动式扬声器振膜必须负载音圈，因而其质量受到了音圈的极大限制。同时，音圈在磁隙中的轴向运动，也会激励空气，会产生峰鸣声，音圈越大，冲程越长，则蜂鸣失真越大。另外，电动式扬声器的振膜必须是锥型或球顶型的。同时，为了增加柔顺，振膜上必须有折环。锥型和折环的缺陷在于：会产生分割振动，驻波和时间常数的不一致性，引起较大的失真。
静电扬声器的振动系统是单一的振膜。质量比电动式扬声器的振动系统轻了数百倍，瞬态特性自然较电动式扬声器优越得多。而且，静电扬声器的振膜是平面的，全向策动的，因而基本上不会产生因结构所造成的失真。
电动式扬声器的失真通常高达3%，想做到1%以下是极其困难的。静电扬声器的理论失真则仅为0.02%左右，做到0.5%以下则是轻而易举的事。
根据心理声学的理论研究结果认为，在现场音乐会的条件下，听觉感受的50％以上来自墙壁、地板、屋顶等环境的反射声。因此，重放声音时，希望扬声器具有偶极特性。就此而言，静电扬声器在整个扬声器家族中，也是独一无二的。静电扬声器的另一个显著优点是，能够做得薄而轻（长期最大功率达100W的单元，可以做到厚度仅3mm），易于悬挂或安装。从结构上看，静电扬声器远比大多数扬声器简单，其最简方案仅用2~3个元件即可构成（图2）。由此，可以认为，静电扬声器的成本比绝大多数扬声器低。
静电扬声器的最大优点是：振膜质量极轻，因而柔顺性极优，解析力极佳，能捕捉音乐信号中极为细微的变化，使人感到非常逼真，有临场感，能充分表现音乐的神韵。
静电扬声器的缺点
静电扬声器的主要缺陷是，需要极化电压（在有源系统中可以忽略），其次是面积较大。这是静电扬声器难以进入便携式系统的主要原因，也是静电扬声器在实际使用中只担任中高频并和电动式扬声器搭配使用的主要原因，更是静电扬声器科研的主要课题。如果采用准分子、激光微机械加工技术，可望制造出微型静电扬声器。
静电扬声器的前景展望
由于高保真市场对扬声器的声频特性提出了更高的要求，现实环境已构成了静电扬声器普及使用的社会动力和技术支撑，从而为静电扬声器商品化带来了新的机遇。可以预言，在高保真领域，21世纪将是静电扬声器广泛使用的时代。