Amarok

Moje motorka

Návody

Download

Guestbook

ES-1 - elektrostatická sluchátka po domácku

POZOR! Sluchátka pracují s velkým napětím, dbejte tedy zvýšené opatrnosti!!!!

Co mě k tomu vedlo? Jednak jsem už měl jedny elektrostaty doma (STAX SR-3), elektrostatický zesilovač taky, no a v neposlední řadě touha jít se zvukem dál. Při mé potřebě stále se v něčem šťourat byla jasná volba metoda "udělej si sám".  :)
Lehce je tu popsané co a jak jsem dělal, není to však návod, protože kdybych měl dopodrobna vše popsat, tak by to bylo na dlouho - podle tohoto textu to rozhodně nejde postavit bez dalšího testování, vnesení svého "know-how" atd.

Princip elektrostatických měničů (sluchátka, reproduktory, ale i mikrofony)
Princip je velice jednoduchý, mezi dvěma pevně umístěnými deskami (zvanými statory) je napnuta membrána. Na tuto membránu je přivedeno polarizační napětí (z angličtiny BIAS), které ji nabíjí. Na statory je pak přiváděn signál o vysokém napětí (na každém statoru je signál v opačné fázi), díky čemuž na membránu působí síla způsobující její průhyb a tím vznik zvuku.
Statory s membránou tak vlastně tvoří dva sériově zapojené kondenzátory, proto se taky někdy těmto měničům říká kondenzátorové (označení je častější u mikrofonů).
Aby se zvuk dostal z měniče ven jen nutné mít statory děrované. Další podmínkou je to, že membrána musí být vodivá, aby se nabila BIAS napětím. Ovšem kovová membrána je nevyhovující, protože její velká vodivost způsobuje nelinearitu (zkreslení) výsledného akustického tlaku (viz dále). Bez jakéhokoliv odvození předkládám vztah pro výpočet síly působící na membránu: F=U×Q/d. F je síla působící na membránu, U je napětí na statoru, d je vzdálenost membrány od statoru a Q je náboj na membráně. Q=C×U, C je kapacita měniče a U je BIAS napětí. Ze vztahu pro výpočet síly je zřejmé, že náboj musí být konstantní aby byl vztah lineární a měnič nezkresloval. Ve chvíli, kdy se membrána prohne však dojde ke změně kapacity a tím i ke změně náboje, což je nevyhovující.
Řešení problému jsou dvě: do série s BIAS zdrojem dát velký odpor, nebo vytvořit membránu s velkým povrchovým odporem. V praxi se používá kombinace obou řešení (sériový odpor i membrána s vysokým povrchovým odporem), protože první řešení moc dobře nefunguje a to druhé je v praxi nerealizovatelné.
Samotný sériový odpor totiž umožňuje pouze změnu průměrného napětí na membráně. Velký povrchový odpor membrány pak umožňuje, aby bylo napětí v každém místě membrány jiné (průhyb membrány je uprostřed největší, tudíž je největší i kapacita vztažená na elementární plochu a proto musí být při průhybu membrány v jejím středu nejmenší napětí) a měnič tak byl lineární i při velkých amplitudách.

K samotným sluchátkům...
Statory
Z dvou realizovatelných možností jsem dal přednost PCB statorům před statory z děrovaného plechu. Deska PCB musí být sklolaminátová, ne z tvrzeného papíru (kroutí se, láme se, atd). Na 4 statory se použijí čtyři čtvercové destičky cca 8x8cm. Otvory se vyvrtají podle následujícího výkresu (je ve 200DPI, dvě kružnice jsou rozměry distančních podložek - viz dále). Doporučuji nejdříve ostrým důlčíkem udělat důlky, pak je rozšířit malým vrtákem a nakonec vyvrtat 2mm vrtákem - to vše tak složitě, aby byly otvory trochu rovnoměrně. Ultimátním řešením je samozřejmě CNC vrtačka. Následně se brusným kamenem opatrně zbrousí otřepy na straně mědi a pak se na obou stranách "vyleští" otřepy pomocí ocelového štětce. Na straně mědi je to potřeba udělat důkladně, aby nedocházelo k výbojům mezi statorem a membránou. Dál se odstraní přebytečná měď (nezapomenout nechat místo pro připájení kabelu) - tohle je volitelná část. Rozdíl mezi měničem s odstraněnou mědí: čím víc přebytečné mědi se tam nechá, tím bude zvuk temnější (nemám tuto teorii odzkoušenou!). Měď se odstraní následovně - nožem se obřízne šestiúhelník, kde má měď zůstat a deska se nahřeje horkovzdušnou pistolí (nebo páječkou), měď jde pak poměrně lehce slupnout.

Distanční podložky
Jsou to podložky vymezující vzdálenost mezi statorem a membránou. Já zvolil tloušťku 0.6mm. Po nalepení distančních podložek na všechny statory je vhodné statory nalakovat, aby se zvýšila dielektrická pevnost prostoru mezi statorem a membránou. Lakování není jednoduché, protože dochází k zalepování dírek, takže si to doporučuji předem vyzkoušet někde jinde.
Ze strany statorů, kde není měď se ještě nalepí distanční podložky pro prachovky, které budou sloužit jako ochrana měniče před vniknutím nečistot.
Dál se na stator, který bude blíže hlavě přilepí kousek měděné fólie, která bude sloužit jako kontakt pro připojení BIASu. Výsledné statory jsou na následující fotce:

Membrána
Jako membránu je nejlepší použít BoPET tloušťky do ~5um. Já jsem nejdříve sehnal jen HD-PE 11um. Membrána musí být dobře napnutá a musí být vodivá. K tomuto účelu jsem si vzal skleněnou desku a na ni jsem páskou přilepil kus fólie, napnul ji a vložil pod ní kus papíru (fólie se na sklo lepí). Nyní je nutné nanést na fólii vodivou vrstvu, která může být: permanentní antistatický sprej, speciální materiál (komerčně prodávaný jako elvamid), "vlastní směs" (např s uhlíkovým práškem, nebo tuší), nebo čistý uhlík. Já použil čistý uhlík. Uhlíkový prášek se pomocí vaty jemně rozprostře po membráně (stačí z jedné strany) do doby než je povrchový odpor přes průměr podložky ~200Meg.

Složení měniče
Na distanční podložku na které je nalepen kousek měděné fólie se nanese lepidlo (měděná fólie se nechá čistá!!!) a celý stator se položí na připravenou napnutou membránu. Po zaschnutí lepidla se zbytek fólie odřeže. Následně se připevní druhý stator (nejlépe tak, aby při pohledu skrz měnič byly dírky proti sobě) a vše se slepí. Prostor od membrány směrem k uchu musí být co nejvíce utěsněn, každá netěsnost zhoršuje podání (a množství) basů. Neutěsněný prostor byla do nedávna závada mých STAX SR-3N - viz graf, kde červená čára je stav po utěsnění, takže to nepodceňujte!

Na foto níže je stator s nalepenou PE-HD membránou:

Na další je pak složený měnič (tady bez distančních podložek pro prachovky) s náušníky z AKG K300:

Výsledkem tohoto byla pěkně rovná frekvenční charakteristika a opravdu velmi "vzdušný projev". Ale vzhledem k tlusté membráně to ještě není ono. Navíc po několika minutách na slunci došlo k poškození membrány (díky uhlíku je dost tmavá, takže se hodně zahřála)
Izolace od okolí je tak malá, že přeslech mezi levým a pravým sluchátkem je kolem 27dB@1kHz (přeslech elektrického signálu na měničích je přitom 70dB), s tím možná souvisí podání prostoru a zmiňovaná "vzdušnost".

Další úpravy na měniči
Sehnal jsem BoPET fólii tloušťky 2um, takže jsem ji vyměnil. BoPET je oproti HD-PE úplně o něčem jiném: má obří modul pružnosti (při snaze o přetržení se skoro nenatahuje a pak hned praskne, kdežto HD-PE se natahuje jako guma), velkou pevnost a hlavně snese vyšší teplotu. Nevýhodou je, že je mnohem hladší než HD-PE a tudíž se na ní špatně nanáší vodivá vrstva a taky že ji není skoro možné řezat (v místě řezu se trhá, takže je lepší ji řezat páječkou). Povrchový odpor z jednoho konce membrány na druhý je teď zhruba 1000× větší než u HD-PE, ale evidentně to nevadí. Ihned po připojení je slyšet velký rozdíl oproti PE-HD.
Jistým problémem je napětí membrány: ideální je nulové - pak se rezonanční frekvence blíží k nule. Ovšem problém je pak ten, že malá jednostranná změna tlaku způsobí, že membrána narazí na stator a zůstane tam přilepená (vliv na přilepení má i lak na statorech, který je hladký = lepivý) - například když na hlavě mušli lehce (opravdu velmi lehce) přitlačím k hlavě. Tudíž je nutné zvolit větší napětí, ale zase velké mechanické napětí/předpětí membrány způsobuje zvýšení rezonanční frekvence. Pokud je tato hodně nad cca 200Hz, tak už ani dokonalé utěsnění prostoru mezi membránou a mušlí koženkovým náušníkem nezatlumí tuto rezonanci a dost tím trpí nejnižší basy.

Citlivost sluchátek je 90dB/100V při BIAS 230V a 98dB/100V při BIAS 580V, kapacita je 91pF včetně kabelu.

Na fotkách níže je napnutá membrána (pro představu o kolik je na ní méně uhlíku - o kolik je průsvitnější než PE-HD) a na druhé fotce je hotový měnič s prachovkami z PE (boPET není vhodný - prachovka by měla klást co nejmenší odpor, tudíž by měla mít malý modul pružnosti).

Na dalších fotkách je stručně bez popisu zdokumentována výroba mušlí a hlavového mostu:

Nařezané a slepené díly z překližky:

Opracované mušle s kolíky pro uchycení hlavového mostu a dva nerez plechy tvaru U pro uchycení mušle na hlavový most:

Součásti pro hlavový most (dva nerez plechy tvaru U, dva 2mm patentované dráty a 4 nerezové kousky plechu pro upevnění drátů k U plechům):

Hlavový most po sešroubování:

Součásti pro pohyblivou část hlavového mostu (dva kusy koženky, jeden kus řemenu jako nosná část, vystýlka, tvrdá fólie jako výztuha a dva prvky pro uchycení na pevnou část mostu):

Mušle s měničem uvnitř, kabel je černý plochý s gumovou průchodkou:

DIY konektor vyrobený ze dvou XLR 3-pin zástrček (piny):

Skoro-hotovo:

Při horším utěsnění (což by způsobovaly např. velurové náušníky nebo špatně nasazená sluchátka) se silně projevovala rezonanční frekvence samotného měniče velkým zesílením na vyšších basech. Pokusil jsem se tedy o zatlumení této frekvence.
Ve výsledku jsem na zadní kruhový otvor přilepil textilii, která docela dobře rezonanci tlumí, viz následující fota (na další fotce je ještě detail ochranné mřížky):

Na následujícím grafu jsou frekvenční charakteristiky měřené proti rovné desce s kalibrovaným mikrofonem uprostřed této desky (tudíž to není to, co naleznete na různých stránkách jako HeadRoom, InnerFidelity,...).

Červeně Stax SR-3 NEW (zesilovač DIY + ZERO DAC, bias 230V)
Bíle ES-1 (zapojeny stejně jako SR-3, pouze bias 580V)
Šedě AKG K270 (zapojeny do ZERO DAC)
Modře STAX SR-009 + STAX SRM-727A

AKG K270 je jen pro ilustraci jak se na (nejen) vyšších kmitočtech chovají běžná dynamická sluchátka (tzn. neustále nahoru a dolu díky rezonancím).
U SR-3NEW je evidentní nedostatek nejnižších basů. Dále trochu jeden propad na výškách a málo výšek nad zhruba 14kHz.
U ES-1 je při větším přítlaku od 20Hz do 300Hz úplně rovná vodorovná přímka (viz další graf níže). Při tomto měření byla mušle sundána z mostu a na měřící desku ji přitlačovala jen gravitace, tudíž přítlak skoro žádný a je tak vidět malý projev rezonance měniče.

Dál jsem se soustředil na ne moc vzorné chování mezi 1 a 3kHz, po dlouhém laborování jsem zjistil, že za tím stojí prostor v mušli - prostor mezi měničem a deskou s mřížkou. Tento prostor se totiž choval jako dutinový rezonátor. Vyřešil jsem to kompromisem (kompromis je to kvůli tomu, že po odstranění zadní desky s mřížkou sice zmizela špička na 2kHz, ale zvětšila se špička na 1kHz) - vyplnil jsem nevyužitý prostor pěnou:

Na dalším grafu je srovnání frekvenčních charakteristik po zatlumení (šedě) a před zatlumením pěnou, tentokrát s přítlakem jako na hlavě:

Úbytek basů je citelný, avšak dle mého názoru je basů stále dostatek.

Dále už jen zbývalo ušít náušníky (velurové nepřichází v úvahu, protože dobře netěsní a trpí tím nejnižší basy) a nalakovat mušle:

Hmotnost sluchátek je ~450g, pohodlí je ale na slušné úrovni.
Nakonec ještě frekvenční charakteristika (L + R) s novými náušníky (díky trochu jinému tvaru se pohly rezonanční frekvence):

Jen pro představu, co říká kalkulačka:
Na straně od statoru blíže k hlavě mi vycházejí rezonance: 4.8kHz a 2.4kHz, ty by se měly projevit jako špičky.
Na opačné straně je jich více: 13.1kHz, 6.5kHz, 10.6kHz, 2.7kHz a 1.7kHz, tyhle by se měly projevit jako propady.
Špička na grafu je na 4.6kHz, propady jsou na 1.2kHz, ~6.4kHz, ~10kHz a kolem 13.5kHz. Takže to docela souhlasí.

Propad na nejnižších basech je v tomto případě způsobený špatnou izolací (nové náušníky jsou trochu zaoblené a na rovnou měřící desku nedoléhají úplně celou plochou). Po přitlačení mušle k desce (tak, aby se náušník dotýkal desky po celém obvodě) je charakteristika opět rovná.

Na dalším grafu je detail od 10Hz do 200Hz - bílá čára je proti rovné desce s přítlakem asi 2kg!, modrá čára je na hlavě s normálním přítlakem (cca 5.5N) a s mikrofoní vložkou "kdesi v prostoru" (na těchto nízkých frekvencích je úplně jedno, kde ta vložka přesně je):

Z grafu je evidentní, že kůže na hlavě svou pružností dost pomáhá v těsnění bez nutnosti mít extrémní přítlak a sluchátka pak hrají rovně do ~20Hz.

Nakonec ještě stručně ke zvuku: basy jsou přesné, velmi hluboké, optimálně zastoupené, separace je výborná, výšky jsou naprosto přirozeně znějící (pro mnoho lidí jsou asi moc výrazné, ale je to jen otázka zvyku), tichý poslech je naprosto famózní. Víc nemá smysl psát - nutno slyšet!

A ještě odkaz na malé srovnání se STAX SR-404 (pozn.: nejen já, ale i další co měli možnost přímého srovnání, bych do SR-404 nešel díky tomu, že ty moje znějí reálněji a jsou levnější).

Další úpravy
Po dlouhé době se začala hlásit velká hmotnost tlačící na celkem malé místo hlavy, takže jsem zkusil novou pohyblivou část hlavového mostu, která je podstatně pohodlnější. Na fotce je nová pohyblivá část a srovnání se STAX SR-404.

I znovu upravený most nebyl ještě úplně ideální, navíc celá sluchátka působila docela monstrózně. Takže jsem pevnou část udělal tak, aby byla blíže k hlavě a pohyblivou část jsem udělal podobně jako tu první, ale (zatím) pouze z koženkového pásu (podobně jako na SR-404).

Sluchátka jsou o 35g lehčí a pohodlí je teď skvělé i po mnoha hodinách díky tomu, že se koženkový pás dotýká hlavy po velké ploše (lehké vyztužení pásu, aby se nekroutil jak se mu zachce, přijde snad někdy jindy).

A ještě jedna fotka: prototyp (vpravo) vs. (skoro) finální verze. Vzhledově tmavší verze je i zvukově temnější. :)

P.S.: chystáte-li se v anketě kliknout na první možnost, tak se mi do Guestbooku pokuste vyvrátit moji myšlenku, že je blbost kupovat tovární sluchátka, která za podstatně vyšší cenu hrají hůř!!

V opačném případě budu brát toto kliknutí jen jako prvokaci, nebo klik Hi-Fisty.   :D

Autor: Luboš "Amarokcz" Stříteský

Frekvenční charakteristiku SR-009 měřil "arnaud"

Vlákno na AVManii: http://forum.avmania.e15.cz/viewtopic.php?f=1724&t=1168406