DIY наушники: реализация мониторного звука
О том, как удалось получить магнитопланарный драйвер для наушников с высокой линейностью и быстрым затуханием импульсной характеристики, а также — как и почему это работает. Предполагается, что читатель уже ознакомлен с предыдущими статьями 1, 2.
Предпосылки
Всё направление работы над самодельными наушниками всё время руководствовалось желанием получить всё более качественный и чистый звук, чем ранее. Этот случай не исключение. После всех попыток было решено в очередной раз пересмотреть все решения и принципы, чтобы добиться качественного скачка.
Со времени написания последней статьи прошло довольно много времени, которое не прошло напрасно. Было проведено большое количество экспериментов, прослушиваний разных систем, изучения матчасти, да и просто размышлений. У этих изысканий оказалось довольно много нюансов, так что стоит раскрыть некоторые полезные подробности.
Стоит начать с того, что оказалось полезно с практической точки зрения изучить опыт конструирования многополосных стационарных акустических систем. Главная задача там — правильно согласовать частоты среза фильтров, уровни и фазы. В процессе у драйверов синхронизируется звуковая фаза, выравнивается АЧХ. Процесс сведения колонки можно посмотреть на этом видео.
На первый взгляд может показаться, что в этом процессе и в создании наушников нет ничего общего, но это не совсем так.
Любые реальные драйвера, будь то динамики или мембраны магнитопланаров, нельзя считать идеальным твердым телом во всех режимах работы. Это значит, что они в определенной ситуации работают в волновом (или зональном) режиме, когда волна распространяется по мембране как по упругой среде, множество точек мембраны двигаются не синхронно.
У динамиков можно определить точку перехода из поршневого режима, где диффузор двигается практически как идеальное твердое тело, в волновой (зональный) режим, где волна идёт по диффузору как по упругой среде. При сведении многополосных систем это один из важных параметров, который стоит учитывать.
При рассмотрении мембран магнитопланаров с этой точки зрения можно определить, что ни на одном диапазоне частот они не работает в поршневом режиме, так как во всех режимах изгиб происходит в той же зоне, которая производит основную работу по созданию звуковой волны. Глазами можно понаблюдать такую модель в этом замечательном апплете.
Любые возбуждения на мембране сопровождаются бегущей волной, которая при совпадении периода с размерами способна перейти в стоячую волну. Отличия могут быть в гармониках. Кроме того, сама волна при этом свободно переходит в воздух и обратно на мембрану. Этот процесс упрощает тот факт, что производители стараются делать мембраны тоньше и легче, так что масса мембраны сопоставима с массой воздуха внутри полости, чем обеспечивается весьма эффективный обмен энергией между воздухом и мембраной.
Представьте, что вам нужно написать предложение текста с помощью карандаша из желе. Первую точку вы может и сделаете точно, но, как только начнёте писать, он будет делать всё что угодно, но не выводить буквы. Необходимо взять твердый карандаш.
Так и здесь необходимо ограничивать мембрану путём придания ей жесткости, чтобы обеспечить скорейшее затухание любых бегущих волн. Правда тогда возникают проблемы с механикой этой мембраны, ведь она должна сохранять способность совершать колебания. Казалось бы, неразрешимый парадокс.
Твёрдое, но мягкое
Решение вопроса с одновременно жёсткой, но подвижной мембраной лежит как раз в начале статьи. Оно успешно используется в динамиках. Жёсткий диффузор, установленный на мягкий подвес. Именно мягкий подвес обеспечивает необходимые степени свободы колебаний диффузора. Остаётся применить этот подход с мембраной.
Для этого вместо УФ клея из предыдущей статьи был применён двухкомпонентный эпоксидный клей. Кроме всего прочего, он обеспечивает ещё и повышение прочности соединения пленки и фольги, надежность системы растёт.
Для достижения хорошей равномерности сил и малых нагрузок на одну дорожку была выбрана топология с высокой плотностью — 17 дорожек на 5 мм, в 6 группах. Сопротивление при 8 мкм фольге составило около 115 ом. Чувствительность довольно низкая за счет высокого сопротивления и никакие портативные источники, за редким исключением, не могут дать нужного уровня сигнала. Потребляемый ток при этом относительно низкий, порядка 170 мА для уровня под 100 dB. Нужно как минимум 8 Vrms на выходе усилителя. А лучше 5 Vrms. Всё это нужно, чтобы при уровне сигнала 93 dB был определённый запас, иначе будет не хватать динамического диапазона.
Крупный план токопроводящих дорожек. Одна группа содержит 17 штук, ширина группы 5 мм.
Чтобы достичь такой высокой плотности дорожек, необходимо использовать специальную технологию литографии. Она заключается в нанесении черной краски, устойчивой к раствору для травления, сплошным слоем на заготовку и последующему выжиганию на нём промежутков с помощью лазера. В процессе использовался китайский синий лазер, который имеет огромное вытянутое пятно в точке фокуса, так что возникла необходимость несколько модифицировать оптику, чтобы лишний свет отсекался. Нужно уменьшить размер пятна и сделать его хотя бы отдалённо похожим на квадрат. Не помешал и обдув для удаления дыма из зоны прожига для сохранения оптики. Рекомендуется вытяжка. В данном случае фоторезист не подходит, так как при такой точности сложность работы с фоторезистом растёт экспоненциально. Лазером получается делать намного точнее и надежнее.
В качестве маски использовалась комбинация грунт-эмали KUDO в качестве черной подложки и матового лака того же бренда, который выступал в качестве защиты от кислотной среды для грунт-эмали.
Двухкомпонентный клей прекрасно справляется с локальными перегревами, лишь в самом месте гравировки нарушается структура клея, но там она и не нужна, так как в этих местах будет производиться химическое травление. Эффективно размещать заготовку на медной подложке и под ней распределить небольшое количество воды, которая за счет поверхностного натяжения будет держать заготовку и отводить тепло. Например, можно взять фольгированный текстолит, слой меди помогает отводить тепло от зоны гравировки, что предотвращает тепловые деформации пленки.
Результат травления
Травление проходит в хлорном железе с предварительной активацией открытых участков с помощью флюса Ф-64. Он снимает окислы с алюминия, стоит лишь немного потереть щеткой с тонким ворсом. После этого травление идёт крайне качественно. В данном случае выбрана топология обработки по границам, лишние участки алюминия удаляются вручную с помощью скальпеля и пинцета.
Гофрированная мембрана
Сама мембрана после травления и снятия лишней металлизации формуется путем простого прессования в подходящей форме, её можно, например, напечатать, или взять гофрированный картон.
Изготовленная мембрана клеится на рамку с помощью УФ клея, в данном случае это удобно — можно спокойно не спеша позиционировать мембрану, а затем зафиксировать и засветить.
На примере бракованной мембраны видно, как с помощью отрезков толстой пленки силикону даётся возможность застыть ровно
После того, как мембрана зафиксирована сверху и снизу, необходимо закрепить её слева и справа. Тут приходит на помощь силиконовый герметик, который остаётся крайне мягким после высыхания. Мембрана фиксируется им по бокам, для фиксации и выравнивания использованы отрезки толстой пленки, на которые и наносится силикон. Он достаточно мягкий, так что мембрана может свободно отклоняться от точки покоя и возвращаться в неё, изгибаясь дугой. Фактически принцип действия силикона похож на то, как работает мягкий подвес динамика. Конечно, механика работы здесь не полностью идентична механике работы динамика, но за счет дополнительных ограничений в виде высокой жесткости и гофрирования произвольные колебания мембраны значительно затруднены.
Формовки и жёсткой основы достаточно, чтобы практически полностью убрать возможность мембране двигаться с высшими гармониками (изгиб дугой является 1й гармоникой) в поперечном направлении. В продольном направлении от высших гармоник защищает принцип действия электромагнитной системы за счет продольного распространения силы Ампера по дорожкам.
Драйвер с 14ю магнитами, по 7 с каждой стороны, ориентация магнитов одноимёнными полюсами на мембрану с чередованием полюсов между группами дорожек. Размеры неодимовых магнитов 50 мм*2 мм*2 мм. Расстояние между магнитами 4 мм. Мембрана сделана на 8 мкм фольге и 10 мкм ПЭТ пленке. В целом с учетом клеевого слоя толщина всего композита получается чуть больше 22 мкм. Демпфируется внутри чашки с помощью хлопковой ваты средней плотности толщиной 2.5 см.
Что получилось
Собранные наушники
Внешний вид стенда
Упаковка драйвера в корпус не представляет большой сложности, он просто вставляется в отведённое ему место. Фиксируется и герметизируется с помощью скульптурного пластилина высокой плотности. Кроме всего прочего пластилин обладает отличными акустическими параметрами. Это решение подсмотрено у Mayflower Electronics с их набором для модификации T50RP.
Амбушюры надеваются на обычный фланец, такая же схема на многих заводских моделях.
Замеры производились на плоском стенде с микрофонным капсюлем WM-61A с али. Хоть и оригинальность этого капсюля под вопросом, но всё же лучше, чем ничего. Подключается на инструментальный вход UMC204HD. За выбор АЦП прошу не критиковать, под рукой оказалось только это. Понятно, что выбор однозначно не удачный из-за спорных схемотехнических решений, которые обеспечивают 0.2% искажений и проблемами с софтовой частью, которая выражается в том, что ASIO родного драйвера не обеспечивает задержки даже в 10 мс. Источник для наушников HiFiMan EF400. Измерительное ПО — REW.
Верхний график АЧХ, нижний — ФЧХ. В диапазоне 20 Гц… 5кГц отклонения лежат в пределе ±1.5dB. В промежутке 5кГц…20кГц отклонения ±3 dB
Плоский стенд был выбран по причине необходимости обойти влияние уха. В конечном итоге мозг человека прекрасно справляется с компенсацией его передаточной характеристики и самостоятельно выравнивает АЧХ. Проблемы драйвера лучше всего обнаруживать именно на плоском стенде — в этом случае силиконовое ухо не маскирует никакие вредные явления.
В данном случае проблемой АЧХ можно назвать пик где-то в районе 12–13кГц, величиной около 3 dB. Не совсем ясно, чем он обусловлен. Вполне может быть то, что это взаимодействие магнитной системы и стенки плоского стенда. Субъективно никаких серьезных проблем в этом участке спектра не замечено, да и само ухо за счет своей геометрии обеспечивает ослабление высоких частот и намного эффективнее силикона поглощает звуковые волны, скрадывая этот пик.
Можно также заметить микровсплески на АЧХ и ФЧХ между 300 Гц и 400 Гц и соответствующие гармоники к этой частоте. Это именно те гармоники, которые гасятся за счет жесткости драйвера и рассеиваются в силиконе и демпфере.
Импульсная характеристика
Итоги
В конце можно уверенно сказать, что все указанные приёмы позволили добиться высокой линейности практически по всему спектру. Полученный результат вполне может тянуть на статус мониторного звука.
Субъективно от себя могу сказать, наконец, что добился ровно того, чего хотел, чего и всем советую. Разрешение системы с такими наушниками даже позволяет относительно уверенно отличать lossy форматы от lossless на конкретном тесте (The faac 320).
На Thingiverse опубликованы STL модели для самостоятельной сборки. Там также приложена версия фотошаблона на 15 дорожек для фоторезиста. Версия шаблона на 17 дорожек приложена в виде gcode, который нужно будет довести с помощью внешнего редактора, или сгенерировать самостоятельно из SVG файла, лежащего там же.
STL файлы на Thingiverse
ABX тест с наушниками, тест The faac 320
Первая попытка в тесте, до этого тест ни разу не проходился
