Как сделать свои наушники
В СНГ (и не только) существуют крупные сообщества энтузиастов, которые развивают тему самостоятельного изготовления электроакустической аппаратуры, в том числе и наушников. Материала в этой области накопилось невероятное количество, так что пришла пора собрать в одном месте все основные наработки и выводы. В статье раскрываются вопросы конструирования: с чего всё начинается, какие существуют технологии, рассмотрены типичные проблемы и то, как они решаются. Статья предназначена для тех, кто желает собрать свои наушники с нуля, но также будет полезна всем тем, кто просто хочет больше понимать в звуке.
С чего всё начинается
Весь рассказ нужно начать с того, каково состояние дел в психоакустике. Это наука, которая занимается исследованиями восприятия звука человеком. В неё входят: механика работы уха, принципы преобразования акустических сигналов в нервные импульсы, обработка этих сигналов мозгом и, как итог, субъективные ощущения человека. Казалось бы, есть объект исследования, есть конкретные практические задачи — выявить критерии высококачественного звучания электроакустической аппаратуры. В чем подвох?
Вот цитата из интервью доктора технических наук, профессора Ирины Аркадьевны Алдошиной. Речь в вопросе идёт об акустических системах, но сказанное в равной степени относится и к наушникам.
Вопрос.
Почему большинство людей может вслепую определить в акустически неподготовленном помещении с плохими характеристиками, что является источником звука: настоящая скрипка или высококачественный звуковой тракт с записью скрипки? Какие параметры звукового сигнала в этом случае отличают звуки настоящего инструмента от звуков записи?
Ответ.
Это глобальная проблема, над которой работает современная акустика и аудиотехника уже более 30 лет, с момента появления систем Hi-Fi, которые и должны были создавать звук, неотличимый от живого. Количество параметров, по которым измеряется звуковая аппаратура, все время растет (их уже больше 40), но, по-видимому, какие-то важные для мозга критерии еще не учитываются, это требует решения глобальной проблемы расшифровки «слухового образа». В рамках общей проблемы «создания искусственного интеллекта» над ней работают многие крупнейшие университеты и институты мира.
В целом этой цитаты достаточно для оценки состояния дел во всей индустрии. Объективные параметры есть, однако как их применять — не совсем понятно. Проблема как раз в этой части «психо-». Пока нет удачных инструментов для анализа психологической стороны вопроса. Тут построен целый парфенон из когнитивных искажений, успешно маскирующий реальность.
На рынке нет объективно хорошей электроакустической аппаратуры, есть лишь субъективно оцененная экспертами. И хорошо если оценка происходила уже для серийного образца. Бывает и такое, когда оценивается только опытный образец, а серийные обходятся и без этого.
Можно очень долго выбирать себе наушники по вкусу. Однако, если предъявлять к ним серьезные, да даже и не очень, требования, то можно разочароваться. Особенно если задаться целью получить те же ощущения, что возникают при прослушивании живой музыки. К тому же с линейным ростом известных характеристик цена готовых изделий начинает расти в геометрической прогрессии, что, впрочем, характерно не только для электроакустики. Так что цена вопроса становится ощутимой.
Среднестатистический пользователь, которого не устраивают его наушники, не готовый покупать новые более качественные и дорогие, может начать искать варианты по улучшению имеющихся. Думаю, некоторые из вас задумывались над тем, чтобы заменить, например, амбушюры на наушниках на более удобные, эргономичные, и, возможно, улучшающие восприятие звука. Модификации это то, с чего начинается путь в DIY.
Мейнстрим
Основная масса умельцев сфокусирована на магнитопланарной технологии. По совокупности характеристик на данный момент это наиболее интересная технология как по потребительским качествам, так и по технологичности их изготовления. Проще всего начать именно с экспериментов над такими наушниками.
Вся суть такой технологии — наличие плоской катушки проводника, нанесенной на пленку внутри системы постоянных магнитов. Магнитное поле сконфигурировано таким образом, чтобы на катушку при прохождении по ней сигнала действовала сила Ампера, которая переносится на всю пленку. За счет этого система совершает работу по созданию звуковых колебаний.
Здесь стоит остановиться на очень примечательном моменте — специфике советской электроакустики. В СССР существовало производство множества примечательных образцов аппаратуры, которая до сих пор ценится коллекционерами. Нас здесь интересует пример ТДС-5 — первых советских магнитопланарных наушников. Это реплика японских Yamaha YH-1. На то время магнитопланарную технологию можно назвать передовой, так как она обеспечивает гораздо более высококачественное воспроизведение относительно классических динамиков или преобразователей со сбалансированным якорем, т.н. арматур. И всё это при одинаковых с динамиками требованиях к уровню мощности сигнала.
Мембрана ТДС-5
До сих пор можно найти ТДС-5, ТДС-7 и прочие модели семейства на барахолках. Старшее поколение, которое знает про существование этих образцов, как раз и составляет костяк тех, кто занимается реанимацией этих наушников. Дело доходит до того, что остаются мембрана и магниты, всё остальное полностью идет под замену.
Но есть и другие варианты. На Западе, а также среди более молодого поколения на территории СНГ, нет такой большой популярности советского Hi-Fi, так что самостоятельные попытки модификации происходят в несколько другом направлении.
В первую очередь хочется отметить изделия от японского бренда Fostex, самых доступных планаров из давно имеющихся на рынке. Это серия T50RP (аналогично T40RP, T20RP). Эти наушники и их модификация безумно популярны (осторожно, тяжелая страница) за счет доступной цены самих наушников. Есть даже бизнес, основанный на предоставлении комплектов модификации и готовых улучшенных наушников (Mayflower Electronics, Dekoni Audio и прочие).
Не стоит забывать и про HiFiMAN. У них весьма широкий модельный ряд. Чаще всего, разумеется, обращаются к младшим моделям. Даже не смотря на то, что изделия китайского бренда далеко не столь удобны для переделок, как Fostex, доступность и популярность постепенно приводят к развитию этой темы.
На предметном столике
В целом процесс модификации любых наушников может быть разложен на два направления — улучшение драйвера и доводка акустики корпусов.
Драйвер HiFiMAN HE-400i
Драйверы серийных моделей, особенно в нижнем ценовом сегменте, зачастую имеют упрощенную конструкцию. Дело иногда даже доходит до снижения прочности конструкции, чем, например, страдают некоторые младшие модели HiFiMAN, когда каркас, на который крепятся магниты, деформируется и драйвер теряет чувствительность за счет потери правильной формы магнитного поля. Кроме того, в самых младших наушниках того же бренда замечено использование ферритовых магнитов вместо неодимовых, что, по моему мнению, уже и вовсе моветон.
Кроме материала особую важность имеет форма магнитов. В магнитопланарном драйвере самая важная характеристика — равномерность сил, прикладываемых на мембрану. Любые неравномерности приводят к появлению огромного количества искажений. Избавиться от них можно двумя способами: подобрав топологию дорожек так, чтобы она подходила к нелинейной плотности поля или спроектировать полностью линейную магнитную систему. В подавляющем большинстве серийных магнитопланаров используется топология с дорожками постоянного шага, так что вся проблема заключается в создании равномерного магнитного поля.
Сами магниты в подавляющем большинстве — неодимовые. Но с материалом и качеством магнитов также не всё гладко. Сам материал делится на марки. Основная используемая марка N (Normal) — подходит для обычных условий до 80 градусов. Выше — начинают терять свои свойства. Цифра в марке, например, N35 или N52, означает магнитную энергию в мегаГаусс-Эрстедах. Чем больше — тем мощнее, но и дороже. Не стоит заказывать магниты на Али, там они явно не дотягивают по магнитной энергии до заявленных характеристик по сравнению с произведенными, например, в России. Тот нечастый случай, когда лучше заказать у местных производителей.
Драйвер Fostex T50RP
Кроме магнитного поля системы, но неотрывно от него, идёт сторона акустики магнитной системы. Дело в том, что магниты и магнитная система могут составлять заметное препятствие на пути следования звука. А любое препятствие неизменно ухудшает качество звука, в лучшем случае звук просто потеряет часть мощности. Показателен пример Fostex T50RP с системой магнитопроводов. Такая система приводит к тому, что звук субъективно становится несколько «пилящим», теряется достоверность воспроизведения высоких частот. При возможности умельцы стараются избавиться от этой системы либо полностью, либо частично, максимально открывая мембрану.
Вариант модификации магнитной системы драйвера от T50RP, на фото видно расположение магнитов, с обратной стороны магниты расположены также
Кроме того, магниты в такой системе стоят параллельно мембране, закрывая часть полезной площади. Можно, например, создать более мощное магнитное поле просто поставив магниты поперёк и удвоив их количество при сохранении открытой площади мембраны. Это и есть самая глубокая степень модификации. Фактически в таких наушниках кроме оригинальной мембраны ничего не остаётся.
Каша из топора
Когда от оригинальных наушников ничего, кроме мембраны, не остаётся, возникает вопрос: что же это за наушники? А ещё хочется по-своему оптимизировать топологию дорожек, выбрать магниты сложной обтекаемой формы, чтобы они меньше влияли на прохождение звука и давали более равномерное магнитное поле. Сделать всю систему крупнее, чтобы увеличить эффективную площадь, подняв этим самым отдачу на низких частотах. Также можно поиграться с материалами…
В итоге и рождаются полностью оригинальные наушники с уникальным набором характеристик. На пути возникает большое количество аспектов, с которыми умельцы так или иначе научились работать. Погрузимся в детали.
Основа — корпус. Не стоит стесняться использовать 3D принтер. За счет разнообразия материалов и возможности делать частичное заполнение, акустические и прочностные свойства распечатанных корпусов могут оказаться наиболее подходящими. Стоит обратить внимание на композиты с различным наполнением — стекловолокном и углепластиком. Такие материалы имеют повышенную жесткость, хотя печать ими достаточно трудна.
Сопромат никто не отменял. Стоит внимательно следить за прочностью всей системы. Нельзя допускать малейших деформаций корпуса магнитов, это может привести к искривлению магнитного поля, не говоря уже о полном разрушении под силой магнитного притяжения. Не должно быть даже намека на деформацию в собранном состоянии. Корпус должен выдерживать свободное падение с высоты стола.
Пример мембраны с переменной плотностью дорожек
Односторонняя магнитная система — плохой выбор, магниты должны быть с обеих сторон. Нужно стремиться к максимальной линейности магнитного поля по всей рабочей зоне, потому что любая нелинейность в преобразовании электрического тока в механическое движение является причиной нелинейных искажений, которых нужно избегать. Если сделать равномерное магнитное поле, то можно оставить на мембране дорожки с постоянным шагом.Для расчета магнитного поля есть в том числе и открытое ПО, например, femm.
Пример расчета магнитного поля для ленточного драйвера в femm. Обратите внимание на плотность поля на углах магнитов
Нелинейная магнитная система оправдана только тогда, когда вы делаете максимально открытую мембрану с большим ходом в рабочей зоне, но в этом случае нужно скомпенсировать нелинейность поля переменной плотностью дорожек.
Открытость к звуковым волнам магнитной системы также очень важна, желательно озаботиться поиском магнитов с профилем, отличным от прямоугольника, если они стоят на пути волны, чтобы на углах не возникала дифракция, вносящая большое количество искажений. Кроме того, на углах скапливается большая плотность магнитного поля и высокой линейности с ними добиться труднее.
Нет никаких объективных причин делать сложные формы магнитов и дорожек. Магнит в виде дуги не даёт никаких преимуществ относительно прямого. Зато он добавляет огромное количество головной боли с расчетами формы дорожек и созданием корпуса. Оправдано, разве что, использовать магниты разной длины, чтобы использовать максимум площади чашек, если их форма круглая.
Наглядный пример рифления мембраны — волной
На мой взгляд недооценено гофрирование мембраны. Обычно в драйверах используется PET пленка разной толщины. Но сама эта пленка растягивается в небольших пределах. Откуда же взяться низким частотам в такой системе? Только за счет её формования. Гармошка, или что-то посложнее — не столь важно. Нужно упаковать как можно больше мембраны в как можно меньший объем. Способов огромное количество.
По вертикальной оси — прикладываемая сила, по горизонтали — относительное удлинение материала. Точка 2 на этом графике — конец зоны пропорциональности, после которой удлинение уже нелинейно по отношению к прикладываемой силе. Дальше начинается область пластической деформации
Отладку процесса гофрирования можно назвать важнейшим этапом на поздних стадиях разработки, когда магнитная система и топология дорожек уже оптимизированы. Особенно удручает то, что в заметном количестве серийных наушников гофрирование отсутствует как явление — мембрана натянута как струна. Без рифления она работает как довольно жесткий компрессор сигнала с очень малым временем атаки (время движения мембраны от положения покоя до точки предела пропорциональности), сглаживая все фронты сигнала, что убивает достоверность воспроизведения напрочь. Рифление позволяет кардинально раздвинуть пределы пропорциональности по обе стороны от положения покоя, по сути заменяя на большей части рабочего хода мембраны деформацию типа растяжение на деформацию типа изгиб, которая для тонкой мембраны линейна на большом промежутке.
Можно посоветовать не закреплять мембрану по всему периметру, если форма рабочей зоны представляет собой прямоугольник. Закрепив мембрану лишь на двух противоположных сторонах вы дадите мембране гораздо большую свободу. За это вы получите отдачу на низах и мощную атаку.
Не гонитесь за сверхтонкими материалами и экзотикой. Толщины PET пленки мембраны в 8–10 микрон достаточно, такую же толщину можно выбрать для фольги (медной или алюминиевой, кому как удобнее). Кроме прочности получите доступность и низкую цену. Есть на порядки более важные пункты, на которые стоит обращать внимание — это топология дорожек и магнитного поля, также акустические характеристики звукового канала. Ну и гофрирование. Те же золотые дорожки не дадут преимуществ, подарив лишь космическую цену и огромную головную боль с технологией изготовления. При этом гофрирование может стать и вовсе невозможным.
Перспективным направлением можно назвать магнетронное распыление проводника прямо на мембрану. Это позволит избавиться от клеевого слоя и создать более прочное соединение металла и плёнки. Пока это экспериментальная область и особых успехов в среде DIY тут не наблюдается.
Вариант открытого ПО для расчета акустики. К сожалению, исходники и ссылки утеряны
Акустика звукового канала. Я бы свёл всё в один принцип — чем меньше преград, тем лучше. А если преграды не избежать, то необходимо убедиться в том, что они не слишком опасные. Советую хотя бы использовать этот апплет, позволяющий оценить характер распространения звуковых волн в среде. А лучше использовать специализированное ПО для расчета акустики. Особенно это нужно, если по какой-то причине необходимо использовать несколько излучателей. В целом акустическое оформление одинаково важно для любых типов излучателей.
Корпус T50RP, задемпфированный каменной ватой, не путать со стекловатой
Кроме того, есть смысл использовать демпфер, аналогичный тому, что используется внутри корпусов колонок. Так, если мембрана имеет большой свободный ход, его нужно демпфировать акустическим сопротивлением. Иначе в снятом с головы состоянии на низких частотах мембрана будет достигать своих крайних положений, что не очень хорошо с точки зрения надёжности. За информацией об акустических свойствах материалов можно заглянуть на ветку о модификациях Fostex T50RP, где представлены АЧХ после добавления того или иного демпфера. Это актуально как для закрытых, так и открытых исполнений. В первом случае демпфер позволит снизить отражения от стенок чашки, во втором — согласовать нагрузку на мембрану, задавив определенные частоты, в первую очередь низы, если они лишние. В целом, для открытого исполнения в случае правильного проектирования звукового канала демпфер не обязателен.
Не магнитопланаром единым
Пара слов о динамических моделях. У самих заводских динамиков конструкция вообще не подразумевает возможности какой-либо модификации. Самостоятельное изготовление же динамиков такого размера сильно ограничено. В итоге практически все динамические наушники остаются с заводскими, в основном китайскими, драйверами. В домашних условиях гораздо проще изготовить именно магнитопланарный драйвер. В итоге все попытки самостоятельной разработки динамических наушников сводятся к установке китайских динамиков в самодельный корпус. Этим грешат даже претендующие на элитарность бренды.
Проблема динамических драйверов в существовании т.н. точки выхода из поршневого режима работы на определенной частоте звука. В то время как в поршневом режиме каждая точка диффузора двигается одновременно с соседними в одном направлении, за частотой перехода звуковая волна начинает двигаться по диффузору подобно кругам на воде от брошенного камня. Добиться качественного преобразования здесь невероятно трудно — мешают отражения волн по всей подвижной системе. В идеальном случае драйвер на протяжении всей полосы рабочих частот не должен переходить эту точку совсем. Но и этого добиться также тяжело.
Динамик Focal Clear MG
Focal, например, в своих динамиках пошла по пути максимизации жёсткости диффузора. Они активно используют магниевый сплав. Таким образом точка смены режимов работы сдвигается как можно дальше в высокочастотную область. Таким образом они добиваются того, что диффузор работает в поршневом режиме на большей части спектра, создавая там минимум искажений. Сложность изготовления такого диффузора крайне высока и пока на данный момент затруднена для использования в домашних условиях. Стоит отметить, что применение монолитных диффузоров из различных сплавов или композитов — редкость, в отличие от напыления на обычный полимерный диффузор небольшого количества металла. Почти никакой пользы это напыление не несёт, так как практически не добавляет жесткости.
По итогу динамические наушники имеют не особенно больши́е перспективы для самостоятельной сборки в достижении самого высокого качества воспроизведения.
Выкидываем магниты
Особняком в мире DIY электроакустики расположены электростатические драйвера. Они основаны на поляризации мембраны большим электрическим потенциалом между двумя электродами, куда подаётся напряжение, соответствующее уровню сигнала. За счет притягивания разноименных и отталкивания одноименных зарядов мембрана совершает движение. Вся проблема в необходимости подавать большое (несколько сотен вольт) поляризующее напряжение и в необходимости согласования электрической нагрузки с источником сигнала.
Технология достаточно зрелая. Используется и в больших стерео системах, стоимость которых почти всегда заоблачная. В этой отрасли стоит отметить таких ветеранов, как Stax. В основном эволюция с тех пор идет за счет улучшения электрической части: в создании более совершенных усилителей или согласующих схем. Иногда даже с намёком на портативность.
Исторически наушники по такой технологии не снискали большой популярности как раз по причине сложной и дорогой электрической части и отсутствия мобильности. Однако, такая технология определенно интересна местным умельцам по причине технологичности. Сложность электрики также мало кого пугает — её в любом случае принято собирать самостоятельно, чтобы звук был действительно «свой».
Схема слоёв электростатического драйвера: 1 — PET пленка 2 — топопроводящий слой, 3 — слой изоляции
Частично тема разработки таких наушников пересекается с разработкой планаров. Работу здесь совершает мембрана, зачастую из той же PET пленки. На ней необходимо создать сплошной слой проводника тока. Делать это можно множеством способов. Самый простой — использовать антистатический спрей. Готовые метализированные пленки не подходят — скорее всего слой на них не выдержит долгой работы и деградирует.
Гофрирование, в отличие от магнитопланаров, здесь не применяется. Среднее значение используемого зазора между мембраной и статором всего 0.5 мм. Это значение — баланс между чувствительностью и запасом хода мембраны. Больше — начинает значительно падать чувствительность. Меньше — мембрана в работе цепляет статоры.
Слева на фото — сетки статоров, справа — изолирующие кольца
Исходя из такого малого зазора, стоит озаботиться диэлектрическим покрытием мембраны, чтобы при контакте со статором, который обязательно случится, не происходило электрического пробоя, а в результате и повреждения мембраны, не говоря уже и о повреждении усилителя или источника поляризации. Вариантов покрытия масса. Проще всего использовать изолирующий лак для печатных плат в виде спрея. Важно, чтобы слой был гибким и достаточно хорошо прилип. Количество слоёв как проводника, так и изолятора на пленке нужно подбирать исходя из практических опытов. Слой изолятора можно нанести дважды или трижды, нужно добиться равномерности всех слоёв.
Вся конструкция может быть собрана на рамке из обычного однослойного фольгированного стеклотекстолита. Уместно использовать здесь ЧПУ фрезер. Сетку статора также не помешает изолировать лаком.
Говоря об электрической части, приведу самый простой пример схемы с согласованием нагрузки и источником постоянного высокого напряжения. Последний можно легко найти в сборе на Али. Смысл в том, чтобы повысить уровень напряжения сигнала от обычного усилителя до нужного уровня, а поляризовать с помощью повышающего DC-DC преобразователя.
Сам драйвер нужно защитить от внешних воздействий, максимально загерметизировать его. Это можно сделать, например, такой же пленкой. Поместить в своеобразный герметичный кокон, чтобы ничто не могло проникнуть внутрь.
Типы изоляции кабелей. Особого внимания достойны б — кордельная, д — балонная и ж — шайбовая
Стоит сказать и про подключение. Так как используется высокое напряжение, изолятор должен быть соответствующим. Мало того, нужно добиться минимальной электрической ёмкости между жилами. Это нужно для избежания потерь сигнала в кабеле. Даже емкость в 40 пФ уже слишком велика. Нужно хотя бы 20 пФ, а лучше в несколько раз меньше. Этого можно добиться, поместив провод в дополнительную воздушную изоляцию, например, кордельную, или шайбовую.
Копаем глубже
Электретные капсюли WM-61A, которые можно найти даже в калиброванных измерительных микрофонах
Важно упомянуть про особый подвид электростатических драйверов — электретные драйвера. Это подвид электростатических преобразователей, где поляризация происходит не подачей высокого напряжения по проводам, а за счет накопления большого статического заряда на материале мембраны, т.н. электрете. Если создаваемое этим зарядом электрическое поле достаточно, то система может работать с электрическим сигналом с относительно небольшой амплитудой напряжения. Эта технология активно используется в повсеместно распространённых электретных микрофонах.
Проблема в том, что до сих пор не удалось создать широкополосный электретный драйвер, который можно применять в наушниках. Модели с данной технологией выпускались лишь в виде гибридов с другими низкочастотными звеньями, в основном, динамическими. Появляются все новые подобные гибридные наушники, например, весьма доступные китайские KZ ZEX. По субъективным ощущениям электретное звено в них не оставляет шансов арматурам по АЧХ и искажениям. Я сравнивал с Ikko OH-1, которые теперь пылятся на полке. Если удастся получить электретный драйвер достаточно большого размера для воспроизведения частот от 20 герц, то это будет большой прорыв.
Проблема электретов в основном в сложности работы с электретной пленкой — материал должен быть гибким, при этом иметь равномерную поляризацию, чего добиться очень сложно. К тому же сам материал капризный и может потерять заряд при нарушении технологии. Ещё электрет со временем теряет поляризацию. Хотя это время сопоставимо со временем службы.
Остаётся надеяться на появление таких технологий, которые позволят сделать широкополосный электретный драйвер для наушников. Это будет ещё один виток развития электроакустической аппаратуры.
Заключение
Хочется отметить, что в статье не приведено и половины тех нюансов, с которыми столкнётся желающий собрать что-то своё. Перечисление их всех заняло бы совсем уж пугающий объём. Вместо этого я призываю чуть подробнее изучить матчасть по тем терминам, которые использованы в статье. Это хорошая отправная точка в изучении электроакустики.
При грамотном подходе к постройке наушников можно за относительно гуманные деньги получить звук, за который на рынке просят не одну тысячу долларов, к тому же это очень полезное хобби, развивающее кругозор и мелкую моторику рук.
В статье не затронута тема эргономики, это вопрос слишком субъективный из-за анатомических различий. Учитывайте свои особенности и потребности при разработке.
Также приглашаю прочитать предыдущие статьи про ленточные наушники, изготовление мембраны магнитопланарного драйвера и сборку наушников с этим драйвером.
Выражаю благодарность всему сообществу, занимающемуся столь интересным занятием, по чьим материалам и была составлена эта статья. Приглашаю в комментарии коротко и ёмко поделиться опытом.
По вопросам касательно проектов автора прошу писать в соответствующие статьи или в ЛС.
Список источников
