Was hat es mit elektrostatischen Kopfhörern auf sich? Sind sie besser als Planar Magentic?

Ladung und Bias und Statoren – Oh je!

Während Dynamik und Planare die Mehrheit der von Audiophilen verwendeten Kopfhörer ausmachen, macht die unterschiedliche Auflösung und luftige Klangbühne, die Elektrostatik bietet, sie manchmal zum Kopfhörer der Wahl. Da Elektrostatik keine Magnete hat und sehr leicht ist, scheinen die Wandler einfach wegzuschmelzen und bieten ein äußerst komfortables und immersives Hörerlebnis.

Das Funktionsprinzip eines elektrostatischen Kopfhörers ist ganz einfach. Der elektrostatische Wandler besteht aus einer Membran mit konstanter Ladung, die zwischen zwei akustisch transparenten Statoren eingebettet ist, die durch Abstandshalter getrennt sind. Das Musiksignal wird in Form von gleichen, aber entgegengesetzten Hochspannungsimpulsen an die Statoren angelegt. Mit anderen Worten, wenn eine positive Spannung an einen Stator angelegt wird, wird eine gleiche, aber entgegengesetzte negative Spannung an den anderen Stator angelegt. Dadurch wird die Membran mit negativer Spannung zum Stator gezogen und mit positiver Spannung vom Stator weggedrückt. Somit bewegt sich die Membran mit dem Musiksignal und diese Bewegung erzeugt Ton.

Ein auf diese Weise konstruierter Wandler wird als Push-Pull-Konfiguration bezeichnet. Bei richtiger Implementierung führt dies zu derselben Kraft über der Membran, unabhängig davon, wo sich die Membran zwischen den Statoren befindet, was eine lineare Reaktion erzeugt, die sich nicht mit der Verstärkung ändert und eine verschwindend geringe Verzerrung aufweist.

Bei einem herkömmlichen elektrostatischen Wandler besteht die Membran aus einem dünnen Film mit einer Widerstandsbeschichtung, die eine Ladung hält. Schwankungen in der Dicke dieser Widerstandsbeschichtung verursachen eine ungleichmäßige Antriebskraft, die zu einer Verzerrung führt. Das Beschichten beider Seiten der Membran kann dies verschlimmern, da Dickenunterschiede zwischen den beiden Beschichtungen zu noch mehr Verzerrung führen. Das Widerstandsbeschichtungsmaterial muss sehr stabil sein und darf sich im Laufe der Zeit nicht verschlechtern oder die Haftung verlieren, da dies zu einer Verschlechterung der Leistung führt.

Zweckmäßig entwickelt

Die ursprüngliche Inspirationsquelle für unsere Erforschung der elektrostatischen Technologie war die Verbesserung der Behandlungsqualität für MRT-Patienten. Wir haben mit Forschern des UCLA Semel Institute of Neuroscience and Human Behavior zusammen mit den Industriedesignern von BoomBang zusammengearbeitet, um ein patientenfreundliches Headset für den Einsatz in MRT-Geräten zu entwickeln. Das Ziel bestand darin, es den Ärzten zu erleichtern, ihren Patienten Anweisungen zu geben, und gleichzeitig die Genauigkeit und den Komfort des MRT-Scan-Prozesses zu verbessern. [Lesen Sie mehr über die Herausforderungen bei der Herstellung des medizinischen Headsets hier.] Basierend auf der hohen Leistung des medizinischen Headsets haben wir uns entschieden, diese Technologie auf einen audiophilen Consumer-Kopfhörer zu übertragen, den wir CRBN nennen.

Es gibt eine Reihe von Designüberlegungen, um das Beste aus einem elektrostatischen Wandler herauszuholen. Mit CRBN haben wir unsere Ziele sehr hoch gesteckt. Wir wollten einen effizienten elektrostatischen Kopfhörer mit erstklassiger Bildgebung, Klarheit, Auflösung und Transparenz entwickeln. Wir wollten auch einen neutralen Frequenzgang mit sanften Höhen und gut erweiterten Bässen (letzteres ist nicht einfach!). Wir haben jeden Aspekt des elektrostatischen Wandlerdesigns optimiert, um diese Designziele zu erreichen.

Warum Kohlenstoffnanoröhren?

CRBN ist der erste elektrostatische Verbraucherkopfhörer der Welt, der unsere innovative, zum Patent angemeldete Technologie mit aufgehängter Membran aus Kohlenstoffnanoröhren verwendet. Diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Technologie löst viele der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrostatischen Wandlern.

Anstatt eine Widerstandsbeschichtung für die Membranen zu verwenden, verwendet CRBN eine ultradünne Membran mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die direkt im Material suspendiert sind.Durch Steuerung der Dichte der Kohlenstoffnanoröhren im Film können wir den spezifischen Widerstand des Membranmaterials anpassen. Da die Ladung gleichmäßig über den Film verteilt ist, führt dies zu einer gleichmäßigen Antriebskraft ohne die Verzerrungen, die mit einer typischen Widerstandsbeschichtung verbunden sind. Im Gegensatz zu einer Widerstandsbeschichtung ist die aufgehängte Membran aus Kohlenstoff-Nanoröhren immun gegen die Elemente und verschlechtert sich nicht mit der Zeit.

OK Cool, aber warum ist CRBN etwas Besonderes?

Elektrostatische Kopfhörer sind für ihre nicht gerade hervorragende Basswiedergabe bekannt. Die Audeze-Lösung für dieses bekannte Problem umfasst mehrere Aspekte. Unsere Kohlenstoff-Nanoröhren-Membran ermöglicht es uns, eine hohe Effizienz zu erreichen, indem sie mehr Ladung hält und Ladungsmigration verhindert. Dadurch können wir die Membranspannung reduzieren und den Abstand zwischen Stator und Membran vergrößern, was für eine höhere Auslenkung und eine niedrigere Resonanzfrequenz sorgt, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Membran mit dem Stator in Kontakt kommt. Diese niedrige Resonanzfrequenz, kombiniert mit einer großen Membranoberfläche, akustisch transparentem Dämpfungsmaterial und speziell entwickelten Ohrpolstern, bietet eine extrem gut erweiterte Basswiedergabe bis hinunter zu 20 Hz.

Bei der Entwicklung des CRBN-Treibers haben wir eine optimale Membran- und Statorgröße gewählt, die groß genug ist, um hervorragende Bässe und Abbildungen zu liefern, ohne Kompromisse bei den Höhen einzugehen. Unsere Statoren werden mit einer proprietären PCB-Fertigungstechnik hergestellt, die es uns ermöglicht, eine hohe Steifigkeit, gleichmäßige Dicke und konsistente Ebenheit zu erreichen, was für eine gleichmäßige Kraftverteilung und ein lineares Ansprechverhalten wichtig ist.

Die Perforation des Stators ist für eine hervorragende Hochfrequenzerweiterung optimiert und seine leitfähige Oberfläche ist speziell beschichtet, um eine hohe Durchschlagsfestigkeit zu gewährleisten, die einen offenen, luftigen Klang bei gleichzeitig hoher Effizienz und Haltbarkeit ermöglicht. Unsere superleichte Membran hat von Natur aus eine geringe Trägheit, die eine extrem schnelle Beschleunigung ermöglicht. Wir verwenden eine spezielle Kantendämpfungstechnik, um Verzerrungen weiter zu reduzieren und den Frequenz- und Phasengang zu glätten.

Als Ergebnis ist CRBN transparent und hochauflösend über das gesamte hörbare Spektrum, mit ausgezeichnetem Einschwingverhalten, brillanter Klarheit und Basswiedergabe, die im elektrostatischen Bereich unerreicht ist. Ein weiteres Beispiel für das Engagement von Audeze für kompromisslosen Klang.

AKTUALISIERUNG: Unser leitender Ingenieur hat sich mit diesem hervorragenden Vergleich von elektrostatisch und planar magnetisch in Bezug auf Audeze-Kopfhörer eingemischt:
Planare magnetische und elektrostatische Kopfhörer sind von Natur aus sehr ähnlich, wie sie Schall erzeugen: Beide verwenden eine flache, flexible Membran, die durch elektromagnetische oder elektrostatische Kraft bewegt wird. Alle Ähnlichkeiten enden hier, da die Natur dieser beiden Kräfte völlig unterschiedlich ist.

Elektrostatische Kraft wird durch die physikalischen Abmessungen des Designs begrenzt, eine Verringerung des Abstands zwischen der Membran und den Statoren erhöht die Kraft, erhöht aber auch die Möglichkeiten das Diaphragma an einen der Statoren zu kleben. Indem Sie die Spannung auf die Membran erhöhen, verringern Sie die Klebrigkeit, verlieren jedoch tiefe Frequenzen. Es ist nicht einfach, die richtige Balance zwischen diesen beiden widersprüchlichen Forderungen zu finden. Die elektromagnetische Kraft wird nur durch die Stärke der verwendeten Magnete und die Konfiguration des Magnetkreises begrenzt. Keine Klebrigkeit oder Lichtbogenbildung und wenn Ihre Amplitude innerhalb der mechanischen Grenzen liegt, können Sie viel höhere Schallpegel erreichen als mit Elektrostatik. Mit unseren effizienteren Kopfhörern (LCD-MX4, LCD-X, LCD-4z) kommen Sie locker auf 130 dB SPL (nicht empfohlen!) und wir haben es gelegentlich unbeabsichtigt gemacht. Grundsätzlich können planare Kopfhörer einen viel höheren Dynamikbereich haben als elektrostatische Kopfhörer, und das ist ihr großer Vorteil. Dies hat jedoch einen hohen Preis - das zusätzliche Gewicht der Magnete.Hier sind einige Beispiele:

CRBN-Treiber – je 75 Gramm
LCD-5-Treiber – je 97 Gramm
LCD-2-Treiber – je 158 Gramm
LCD-4-Treiber – je 186 Gramm

Andererseits sind die Gesetze der Physik auf der Seite von elektrostatischen Kopfhörern, nämlich Beschleunigung ist direkt proportional zur bewegten Masse. Elektrostatische Kopfhörer haben viel leichtere Membranen als planare Kopfhörer. Wie viel leichter, hängt von der Art der Folie ab, die als Substrat verwendet wird, und davon, wie viel Metall (normalerweise Aluminium) darauf aufgebracht ist. Bei unseren Nano-Membranen wird das Metall (nicht immer Aluminium) direkt auf die Folie vakuumabgeschieden. In allen anderen Fällen wird Aluminium auf die Folie laminiert, wobei eine Klebstoffschicht dazwischen eingebracht wird. Es gibt auch einen Unterschied zwischen den Metalldicken, Aluminium ist sehr schwer dünner als 4,5 Mikrometer zu finden (zumindest in Mengen, die für die Kopfhörerproduktion benötigt werden, wenn Sie bereit sind, Hunderte von Tonnen zu bestellen, ist es eine andere Geschichte), während eine vakuumabgeschiedene Schicht von Metall kann leicht in Dicken im Submikronbereich aufgetragen werden. Im Allgemeinen wiegen elektrostatische Membranen etwa halb so viel wie Membranen im Nanomaßstab, die wiederum etwa fünfmal leichter sind als laminierte (ultradünne) Membranen. Eine leichtere Membran führt zu einem schnelleren, präziseren Klang.

Ein weiterer Faktor spricht für elektrostatische Kopfhörer: Die Antriebskraft ist über die Membran gleichmäßig, während planare Kopfhörer nur unter der Oberfläche der Leiter eine Antriebskraft haben, was Bedecken Sie niemals die gesamte Membranfläche. Es gibt immer Teile des Zwerchfells, die nur passiv folgen und manchmal sogar teilweise phasenverschoben sind. Ein weiterer Nachteil von planaren Treibern besteht darin, dass Schallwellen um die Magnete herumgehen müssen und wenn sie sich mit dem Schall verbinden, der von direkt exponierten Teilen der Membran kommt, kann dies zu einem gewissen Verlust an Details und Transparenz führen. Wir haben dieses Problem mit Fazors größtenteils gemildert, aber es ist nicht vollständig verschwunden.

Vor- und Nachteile sind auf beiden Seiten, was wichtiger ist, muss jeder für sich selbst entscheiden.
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