Kinh nghiệm Ưu Và Nhược Điểm Loa Tĩnh Điện

[xiwi]

Loa tĩnh điện của MartinLogan.​​

Về cơ bản, cơ chế tạo âm thanh của loa tĩnh cũng giống như những chiếc loa thông thường, tức là làm rung màng loa để tạo ra sóng âm thanh. Loa tĩnh điện thường dược viết tắt là ESL, còn tên tiếng anh đầy đủ là ElectroStatic Loudspeaker.

Lịch sử ra đời

Câu chuyện cổ tích của ngành công nghiệp âm thanh thế giới bắt đầu vào những năm 1880, trước khi Edison vĩ đại phát minh ra chiếc máy hát đầu tiên. Đó là các mẫu loa kèn gắn liền với kim đọc cơ học. Vấn đề lớn nhất ở trong thời kỳ này chính là bộ khuếch đại, không có kỹ sư tài năng nào có thể khuếch đại các tín hiệu âm thanh trong vòng 30 năm kể từ khi chiếc loa kèn đầu tiên ra đời.

Năm 1906, Lee DeForrest phát minh ra đèn triode chân không và thay đổi hoàn toàn nghành công nghiệp âm thanh. Năm 1921, các bản ghi âm điện (clectrical recording) dành cho máy hát đã trở thành hiện thực. Khác với các bản ghi âm cơ học, đĩa điện dành cho máy hát có dải động lên tới 30 dB.

Tuy nhiên, một vấn đề lớn lại xảy ra, đó là những chiếc máy hát tích hợp loa kèn ở thời kỳ đó vẫn chưa thể tái tạo lại hết các thông tin được ghi trên loại đĩa mới. Kết quả là ngành công nghiệp âm thanh phải tạo ra những chiếc loa để đáp ứng định dạng ghi âm tuyệt diệu này.

Năm 1923, Bell Telephone Laboratories quyết định phát triển một hệ thống chơi nhạc hoàn chỉnh bao gồm một máy hát chạy điện kết hợp với loa rời, nhằm tận dụng hết khả năng của định dạng ghi âm mới. Dự án của Bell được giao cho 2 kỹ sư trẻ tài năng là Chester W. Rice và Edward W. Kellogg.

Rice và Kellogg được hỗ trợ một phòng thí nghiệm thuộc dạng tối tân hồi đó. Phòng thí nghiệm này được trang bị một bộ khuếch đại đèn chân không với công suất 200 watt “không tưởng”, các bản ghi âm điện và một loạt các nguyên mẫu loa mà phòng thí nghiệm của Bell đã thu thập được trong vòng 1 thập kỷ. Trong số những nguyên mẫu loa mà Bell cung cấp cho 2 kỹ sư có cả loa vành loe của Lodge, loa plasma và loa tĩnh điện.

Trong những cuộc đấu trí sau đó, Rice và Kellogg đã lựa chọn loa vành loe và loa loa tĩnh điện để đi vào nghiên cứu. Thiết kế của loa tĩnh điện hồi đó thực sự là rất cồng kềnh với kích thước ngang ngửa một chiếc cửa ra vào. Tuy nhiên, cả 2 kỹ sư đều bị thuyết phục bởi âm thanh phát ra từ “cánh cửa” khổng lồ này. Họ chưa bao giờ nghe được thứ gì sống động như thế và chắc chắn rằng đó là thứ sẽ biến cho máy hát sớm trở nên lỗi thời.

Sự hứng khởi khiến cho Rice và Kellogg dành nhiều thời gian vào việc cải tiến loa tĩnh điện. Tuy nhiên, cả hai đã gặp phải một thách thức mà đến tận hôm nay chúng ta vẫn chưa thể giải quyết triệt để, đó là việc những chiếc loa phẳng cần có màng loa với diện tích rất lớn để tạo ra các âm thanh có tần số thấp.

Cặp loa Quad ESL 57 (1957).​​

Bởi vì giám đốc của Bell Labs coi những chiếc loa lớn là điều không thể chấp nhận, Rice và Kellogg chuyển sang nghiên cứu loa thùng. Các dự án nghiên cứu loa tĩnh điện đã bị “đắp chiếu” trong vòng 30 năm sau đó.

Năm 1955, loa tĩnh điện đã trở lại thông qua 3 bài báo của Peter Walker đăng trên tạp chí Wireless World của Anh Quốc. Trong các bài viết đó, Walker đã chứng minh được những ưu điểm của loa tĩnh điện. Ông cho rằng loa tính điện sử dụng màng có trọng lượng nhỏ, diện tích bề mặt lớn và có khả năng thống nhất cao trên bề mặt khi rung động bởi lực tĩnh điện. Những đặc điểm này khiến cho loa tĩnh điện có thể tạo ra băng thông rộng, tần số đáp ứng tốt với độ biến dạng không lớn.

Năm 1956, Wakker hiện thực hóa các bài viết bằng cách giới thiệu Quad ESL - mẫu loa tĩnh điện rất nổi tiếng của ngành công nghiệp âm thanh với độ chính xác cao đến khó tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế thì Quad ESL vẫn gặp một vài vấn đề, bao gồm việc không thể phát ra âm thanh với âm lượng lớn, hiệu suất âm bas kém, khó kiếm ampli để đánh, âm thanh phân tán và có công suất chỉ 70 watt. Kết quả là người dùng vẫn trung thành với loa thùng.

Trong những năm 1960, Arthur Janszen gia nhập vào hãng loa KLH và phát triển ra mẫu KLH 9. Với kích thước đồ sô, KLH 9 không còn nhiều hạn chế giống như Quad ESL nữa, chúng phát ra âm lượng lớn và có hiệu suất bass khá tốt. Sản phẩm này khiến cho loa tĩnh điện bắt đầu có chỗ đứng trong ngành công nghiệp âm thanh và bắt đầu cạnh tranh với loa truyền thống.

Hiện nay, những hạn chế của loa tĩnh điện phần nào đã được khắc phục. Mặc dù có thị phần rất nhỏ so với loa thùng truyền thống, tuy nhiên nó vẫn là một thế lực lớn và những đặc tính ưu việt mà Peter Walker đưa ra đã được giới yêu âm thanh trên khắp thế giới thừa nhận.

Cơ chế phát ra âm thanh của loa tĩnh điện

Cũng giống như loa thùng, loa tĩnh điện tạo ra âm thanh bằng cách rung màng loa trong không khí. Về cơ bản, phần phát âm thanh của loa tĩnh điện gồm có 3 thành phần cơ bản là tấm ứng điện (stator), màng loa (diaphragm) và 2 trục - tất cả được lắp ráp giống như một chiếc bánh sandwich.

Nguyên lý tạo âm của loa tĩnh điện​​

Màng loa của loa tĩnh điện là một tấm film rất mỏng thường làm bằng pôliexte, có độ dày từ 2 đến 20 mm, được ngâm tẩm trong một vật liệu dẫn điện và kéo căng. Stator là tấm thép đục lỗ (để cho âm thanh đi qua) và được tráng một lớp cách điện (tránh hiện tượng đánh lửa). Cả màng loa và stator đều được cố định vào 2 trục.

Khi hoạt động, màng loa được tích điện bằng nguồn cấp điện có hiệu điện thế rất cao, qua đó tạo ra một điện trường rất mạnh ở xung quanh. Trong khi đó, 2 stator lại được kết nối với bộ khuếch đại âm thanh và chúng nhận tín hiệu điện áp có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu. Điều này khiến cho điện thế của 1 trong 2 stator sẽ tăng lên còn điện thế của stator còn lại giảm xuống. Sự biến thiên dòng điện giữa 2 stator sẽ khiến chúng hút hoặc đẩy màng loa, qua đó làm cho màng loa giao động và tạo ra sóng âm thanh.

Điện áp trong loa tĩnh điện rất cao. Điện thế phân cực trên màng có thể đạt vài kilovolt, còn điện thế biến thiên trên stator có thể giao động từ vài chục volt cho tới vài nghìn volt. Biến áp là một trong những bộ phận quan trọng của loa tĩnh điện, bởi nó phải cung cấp một điện áp cao và biến thiên liên tục theo dải tần âm thanh. Biến áp thường phải có băng thông rộng và độ biến dạng thấp.

Ưu điểm
Ưu điểm của loa tĩnh điện bao gồm độ biến dạng thấp hơn so với loa truyền thống, trọng lượng cực nhẹ và kích thước rất mỏng của màng loa giúp nó có thể drive thống nhất trên toàn bộ bề mặt và kiểm soát tốt tần số đáp ứng (cả về biên độ lẫn pha) (mỗi giây màng loa có thể đổi hướng 40.000 lần). Ngoài ra, bởi vì rất nhẹ, âm thanh phát ra từ màng loa cũng sạch hơn so với âm thanh phát ra từ màng loa truyền thống.

Nếu đặt ở đúng vị trí và xa các bức tường, loa tĩnh điện thường tái tạo âm hình rất tốt, rộng và chính xác.

Nhược điểm

Nhược điểm lớn nhất của loa tĩnh điện chính là là dải âm trầm. Âm trầm của loa tĩnh điện thường không lịch hoạt và thực sự khó tạo ra âm bass sâu bởi biên độ giao động của màng loa là nhỏ. Một số giải pháp khắc phục cũng đã được đưa ra như sử dụng màng loa cong có diện tích lớn (Sound-Lab, MartinLogan CLS), sử dụng tấm tĩnh điện siêu trầm (Audiostatic, Quad)... Tuy nhiên tất cả chúng điều vẫn chưa thể đáp ứng được trong nhiều trường hợp.

Loa tĩnh điện còn bất lợi là “điểm ngọt” (vị trí mà người nghe có thể cảm nhận được âm hình) rất nhỏ. Ngoài ra, một số nhược điểm linh tinh khác như khó vệ sinh, màng loa tĩnh điện thường phải thay thế và cần có những biện pháp an toàn khi sử dụng để tránh điện áp cao mà nó tạo ra.