Cos'è un altoparlante elettrostatico?

L'altoparlante elettrostatico è composto da tre elementi fondamentali: due statori e una membrana:

La membrana si muove all'interno degli statori sotto l'azione di un campo elettrico generato dagli statori stessi. E' evidente che gli statori devono essere di materiale conduttivo e, affinchè non ostacolino la "fuorisucita" del suono verso l'ambiente esterno, devono presentare una abbondante "superficie aperta", per questo motivo in genere sono realizzati con una lamiera forata o con una rete.

La membrana è composta da una pellicola di materiale ad alta resistività. Tale materiale deve essere elastico, leggero, ma robusto ... giusto per dare un'idea, può andare già bene la comune pellicola per uso alimentare. Non è il massimo, ma funziona già discretamente, se non altro per fare delle prove.

Per capire i vantaggi di un pannello elettrostatico nei confronti di un altoparlante tradizionale occorre capirne prima di tutto il principio di funzionamento.

Come funziona il pannello elettrostatico?

Per spiegare come funziona il pannello elettrostatico mi servirò di alcune semplici leggi della fisica: mi limiterò a citarle giusto per dare spiegazione di alcuni interessanti criteri di progetto e di utilizzo, ma non ho intenzione di dimostrare il perchè di questi fenomeni.

Innanzitutto consideriamo il seguente disegno: rappresenta una semplificazione del pannello, perchè considera soltanto uno statore e la membrana. Più avanti estenderò il ragionamento al pannello completo.

Per prima cosa chiarisco il significato dei simboli utilizzati:

• d = distanza fra lo statore e la membrana
• S = area dello statore (e della membrana ... supponiamo che siano uguali)
• V = tensione applicata fra lo statore e la membrana
• q = densità di carica presente sulla membrana
• F = densità di forza applicata alla membrana
• E = campo elettrico presente all'interno dello spazio fra statore e membrana

La membrana e lo statore costituiscono un condensatore a facce piane e parallele, la cui capacità è data da

dove è la costante dielettrica del vuoto che vale 8.8*10E-12

All'interno di questo condensatore sussite un campo elettrico la cui intensità è data dal rapporto fra la tensione applicata alle armature e la distanza fra le armature stesse:

Il legame fra la carica accumulata nel condensatore e la tensione fra le armature è

Pertanto la densità di carica su ciascuna armatura è

Infine, poichè il prodotto fra la carica e l'intensità del campo elettrico in cui è immersa determina l'intensità della forza applicata alla carica stessa, si ha che

Poichè q è la densità di carica sulla membrana, F è la densità di forza applicata alla membrana. Ciò vuol dire che la forza complessiva che agisce sulla membrana è pari al prodotto della densità di forza per la superficie complessiva della membrana.

Da qui si ricava un primo risultato molto importante: la forza che muove la membrana è applicata uniformemente su tutta la superficie della membrana stessa, pertanto, a patto di non cambiare nient'altro nella geometria del pannello, al crescere delle dimensioni aumenta anche la forza. E questo è molto importante perchè aumentando le dimensioni aumenta anche la massa delle parti in movimento, e quindi si richiede una forza sempre maggiore per garantire la corretta riproduzione delle note acute. Per questo motivo i tweeter tradizionali (dove la forza per muovere la membrana è sviluppata da una bobina immersa in un campo magnetico) hanno dimensioni ridotte allo scopo di contenere il più possibile la massa in movimento. Nel pannello elettrostatico un'aumento delle dimensioni non provoca una restrizione della banda passante, perchè la forza impressa alla membrana viene automaticamene aumentata in proporzione. Questi ragionamenti, ovviamente, sono in linea di principio, perchè poi, all'atto pratico, vanno valutati anche altri fattori come l'elasticità della membrana, l'eventuale comparsa di onde stazionarie sulla membrana stessa, l'effetto degli statori (che comunque, bene o male, ostacolano la diffusione del suono) ....

Ma comunque ancora non siamo arrivati a spiegare il funzionamento del pannello, perchè abbiamo capito soltanto che le armature di un condensatore caricato ad una certa tensione, sono sottoposte ad una forza che le attira una verso l'altra. E' evidente che modulando la tensione applicata, viene modulata anche la forza e quindi, se la membrana è sufficientemente elastica, si ha uno spostamento della membrana stessa che riproduce il suono. Tuttavia c'è un problema che impedisce di utilizzare il pannello elementare così come lo abbiamo visto fin'ora: la deformazione della membrana a riposo. Infatti è necessario che la membrana, a riposo, si trovi in una posizione intermedia che le consenta il massimo spostamento possibile senza andare a toccare sull'altra armatura. La posizione a riposo dipende dalla tensione applicata .... che tensione si applica? Per poterla stimare in via teorica è necessario conoscere l'elasticità della membrana ... che dipende a sua volta da quanto viene tesa la pellicola in sede di costruzione.

Inoltre poichè il campo elettrico è sviluppato solo fra la membrana e lo statore, al variare della distanza (e quindi al variare della posizione della membrana) si ha una forte variazione del campo. E questo è all'origine di un funzionamento non lineare che causa una forte distorsione del suono riprodotto.

Per questi motivi occorre giungere alla soluzione con doppio statore.

• la membrana, a riposo, si mantiene nella posizione intermedia fra i due statori
• la dipendenza del campo elettrico dalla posizione della membrana viene ridotta

Il tutto funziona a patto che

• a riposo, ai due statori sia applicata la medesima tensione di "polarizzazione"
• il segnale audio agisca variando, di quantità uguali e opposte, le tensioni sugli statori

In questo modo, ripetendo lo studio fatto in precendenza e aggiustando opportunamente i segni, si ha che la densità della carica depositata sulla membrana vale

E la densità di forza applicata alla membrana è

In queste ultime equazioni, Vp è la tensione di polarizzazione, mentre Vs è la tensione "audio". Queste tensioni devono essere applicate al pannello secondo lo schema seguente

Infine un'ultima considerazione: è opportuno che la carica depositata sulla membrana non possa cambiare (nè come quantità complessiva, nè come densità locale) durante tutto il movimento della membrana stessa. altrimenti si avrebbe un funzionamento estremamente non lineare poichè il legame fra forza, carica, campo elettrico subirebbe delle grandi variazioni nel passaggio da una posizione all'altra. Pertanto è conveniente che la membrana abbia una resistitività elevata. Tuttavia, è necessario che la carica possa diffondersi, altrimenti chi la depoita sulla membrana? E' evidente che al crescere della resistività crescerà anche il tempo necessario per far diffondere la carica sulla membrana, pertanto occorrerà trovare il giusto compromesso tra una resistività sufficientemente elevata ed un tempo di "attivazione" del pannello abbastanza breve da poter essere facilmente tollerato nel normale impiego.