Догоним STAX! Электростатические звукоизлучатели для наушников

Эта статья о том, как в домашних условиях изготовить электростатические звукоизлучатели для наушников. С их помощью достижим звук не хуже, чем в младших моделях STAX.

↑ Предыстория

Началась эта история совсем не с наушников. Около 3-х лет тому назад я жил в многоэтажке в Днепропетровске и слушал свой ноутбук + колонки S70 с системой ЭМОС. Единственное, что мне нравилось в них (и совсем не устраивало соседей) это бас. Середина и верха сливались в неразборчивую кашу, и меня это расстраивало неимоверно. А хотелось чего-то без гипербаса, но с красивой серединой и прозрачными ВЧ.

Во всех грехах был обвинён встроенный транзисторный усилитель и, начитавшись статей про прелести лампового звука, я позвонил отцу и спросил его мнение. Он мне сказал что-то вроде «Ничего трудного! Попробуй 6П6С+6Н9С. Сделай, а там сам решишь». И прислал мне немного ламп и пару выходных трансформаторов со старых телевизоров.

За денёк, пусть на деревяшке, я собрал этот усилитель. Но чуда не случилось. Чувствительность S-70 в пассивном режиме оказалась настолько низкой, что звука почти не было. Вспомнил про давно лежащие в кладовке динамики 10ГДШ. Подключил их и… чуда снова не произошло. Стало громче, и даже чище, но было далеко до идеала, которого я так ждал.

В тяжёлых раздумьях я побрёл на радиорынок. И вот там мне один дядька, который испокон веков торговал лампами, дал контакты своего знакомого, который пригласил меня в гости послушать результаты своих трудов.

У него был собран изумительный однотактник на лампах 300В с огромными выходными трансами и колонки с широкополосниками.
Усилитель, как он мне сказал, выдавал по 6 Ватт на канал. Когда он ЭТО включил на треть громкости, я просто прозрел! Такого сильного впечатления на меня ничего не производило. Это было классно. Сцена была не просто панорамной, а ТРЁХМЕРНОЙ! И я спросил у него, в чём тут секрет?!
На что он мне ответил: «Усилитель это конечно хорошо… Но чувствительность у этих динамиков 95 дБ/Вт и цена около 500$". И в итоге объяснил, что самую ощутимую роль в звуке играет не усилитель, а акустика. Ушёл я от него ещё более задумчивым. Пятисот долларов на динамики у меня не было, да ещё и выходные трансы…

С тех пор я начал искать альтернативы и спустя некоторое время наткнулся на электростатические звукоизлучатели. Это было то, что нужно. Вот только сразу делать полноразмерную систему я не мог, потому что не знал многих моментов, а лепить на авось большие статы не хотел.

Перфорированный лист тоже удовольствие не из дешёвых. Поэтому решил потренироваться на уменьшенном макете и собрал свои первые электростатические наушники.
Я не знал тогда никаких размеров, пропорций, из чего это делать и вообще я не знал почти ничего, кроме того, что это должна быть натянутая проводящая плёнка между обкладками плоского конденсатора.

Первые наушники я сделал, используя 4 диска от HDD с насверлёнными в них отверстиями и металлизированный майлар для упаковки подарков на двухстороннем скотче. Про усилитель я вообще промолчу.
Короче, из-за неимения информации я сделал всё от фонаря. Наушники играли очень тихо. Слушать их можно было только ночью, но звук поражал.

С первой, прослушанной на них, музыкальной композицией я понял, что этим нужно дальше заниматься. И занимаюсь уже пару лет. Чуть больше года назад я переехал в Москву в чужую квартиру и поэтому теперь о полноразмерной акустике можно и не думать. Развиваю тему наушников. Сейчас делаю уже пятый вариант. Звучание громкое, чёткое и ровное (ну кроме самых низов).

Но до недавних пор я ни разу не слышал других электростатов и вот совсем недавно я поехал в магазин, чтоб послушать знаменитые STAX. И с удивлением обнаружил, что мои наушники звучат практически идентично. Только у Стаксов мембрана в 2 раза больше и в 2 раза тоньше, поэтому бас глубже. В последнем варианте своих наушников хочу повторить фирменную мембрану.

↑ Электростатические звукоизлучатели

Далее я расскажу о том, как правильно собрать себе электростатические звукоизлучатели. Я не буду приводить рекомендации по поводу корпуса, поскольку каждый может выбрать подходящий на своё усмотрение. Скажу лишь, что я использовал какие-то Филипсы, доставшиеся мне практически даром. Единственное, что могу посоветовать, это применять корпус открытого типа, поскольку ограничение пространства снаружи приводит к значительной потере пространственности звучания.

↑ Описание принципа действия электростатов

Электростатический излучатель представляет собой многослойный пирог. В самом простом случае 5 слоёв, но в наушниках используют 7.
Вот они:
 — влагозащитная мембрана,
 — изолятор,
 — статор,
 — изолятор,
 — мембрана с высокоомным покрытием,
 — изолятор,
 — статор,
 — изолятор,
 — влагозащитная мембрана.

В исходном состоянии статоры имеют нулевой (или, по крайней мере, близкий к нему) потенциал, а мембрана, расположенная между ними, заряжена положительно потенциалом в несколько сот Вольт. Таким образом, получается, что в идеальном случае на поверхность мембраны действует сразу две равномерно распределённые силы в противоположных направлениях, которые взаимно уравновешиваются.

Если изменить потенциалы пластин это вызовет разбаланс в системе и мембрана начнёт смещаться в сторону одного из статоров, пока не наступит равновесие между электростатической силой и силой упругости мембраны.

Обычно на статоры подают противофазный сигнал. Это приводит к вдвое большей амплитуде колебаний, чем питающее напряжение, но ничто не мешает вообще заземлить один статор и подавать звуковой сигнал на второй, правда в этом случае громкость снизится вдвое.

Подавая на статоры усиленный звуковой сигнал, получаем практически идеальное электроакустическое преобразование.

А теперь о грустном… Из-за того, что зазор между мембраной и статорами не может быть идеально одинаковым, то даже при полной идентичности потенциала на статорах, мембрану будет притягивать к одному статору сильней, и она прогнётся. В особо экстремальных случаях она касается статора, теряет заряд, отлипает, накапливает заряд и всё по кругу.
Получается генератор. Причём, чем меньше сила натяжения мембраны, тем более ощутимо это явление. С другой стороны, чем сильнее натяжение мембраны, тем выше её резонансная частота и больший спад АЧХ на НЧ.

Из этого следует заключение, что точность и жёсткость конструкции в результате играет чуть ли не решающую роль.

Но на этом проблемы не заканчиваются. Существует распространённое заблуждение, что мембрана движется как поршень, т.е. почти вся её плоскость всегда параллельна статорам за исключением краёв. Это не так. На самом деле на частотах от нуля до резонансной (когда присутствует компрессионный режим) мембрана прогибается, приобретая параболическую форму.

Это приводит к ещё одной неприятности — миграции зарядов по поверхности мембраны. По мере приближения мембраны к одному из статоров, центральная её часть находится к нему гораздо ближе, чем крайняя, из-за чего заряды начинают двигаться по поверхности мембраны, скапливаясь преимущественно в центре.

При достижении потенциала, превышающего пробивное напряжения воздуха, происходит разряд, что нередко приводит к прогоранию отверстия в мембране. Плюс ко всему существенно ухудшается линейность системы.

Именно поэтому проводящее покрытие должно быть высокоомным. Тогда заряды не могут быстро передвигаться по поверхности, и мембрана представляет собой своего рода конденсатор (или ионистор) с очень большим ESR, который может хранить ощутимый заряд, но быстро отдать его не может.

Ну и напоследок про эффективность, влагозащиту и защиту в целом. Чувствительность наушников напрямую зависит от величины напряжения поляризации мембраны. Чем оно выше, тем громче наушники будут звучать. Но допустимое предельное напряжение поляризации ограничено сверху пробивным напряжением воздуха, которое в свою очередь зависит от влажности. И чем суше, тем лучше.

Притягиваемая пыль тоже неблагоприятно влияет. Поэтому необходимо защитить звукоизлучатели влагозащитными мембранами. Несмотря на мои изначальные опасения, такие мембраны абсолютно не влияют на звук, и от них становится только лучше. Есть желание также попробовать положить внутрь немного силикагеля, чтоб он по максимуму вобрал влагу, это дало бы возможность по максимуму увеличить чувствительность.

Высокие напряжения. Многие опасаются электростатических наушников, ссылаясь на опасные напряжения. Ещё бы, 1000 В на голову!!! Но смею вас заверить, что при правильном подходе и соблюдении мер предосторожности наушники абсолютно не опасны. Напряжение поляризации 400-1000 Вольт подаётся через резистор 20 Мом, поэтому даже в случае касания этого провода к коже вы ничего не почувствуете. Для нормально собранных динамиков напряжения на статорах 200 Вольт от пика до пика более чем достаточно, а основную часть времени при комфортном прослушивании дома достаточно и 100 Вольт. Поэтому обеспечить нормальную изоляцию более чем реально.

Другое дело внутренности усилителя. Здесь нужно быть предельно осторожным. Как советует Кэвин Гилмор (автор твердотельного усилителя для Стаксов), при сборке и настройке усилителя всегда держите одну руку за спиной. Никогда не пренебрегайте этим правилом!

Но если усилитель будет собран должным образом, то опасности нет. В крайнем случае, можно сделать индикацию пробоя оконечных компонентов (заодно можно контролировать клипинг), которая предупредит о наличии опасного постоянного напряжения на статорах наушников или вообще их отключит (кстати, хорошая идея, нужно подумать на эту тему).

↑ Материалы

В качестве мембран (основная и защитные) я использовал рукав для запекания. Его можно найти практически в любом супермаркете. Его толщина составляет около 12 микрон. Можно тоньше, но выигрыш будет, на мой взгляд, минимален. Ничего более тонкого за такие смешные деньги не найти. Тем более его толщина сыграла очень позитивную роль при подборе силы натяжения, но об этом ниже.


Покрытие мембраны — графитовая пыль. Я использовал натёртую напильником щётку от двигателя. Порошка нужно совсем немного, буквально щепотка.

Статоры сделал из фольгированного стеклотекстолита 1,5 мм.


Многие скажут, что это слишком сложно. Сверлить столько отверстий и всё такое. Не лучше ли взять сразу кусок перфорированного алюминия, например. Но нужно учесть некоторые моменты.

Во-первых, лист должен быть максимально плоский. Перфорированный лист при прокатке выгибается в одну сторону, после чего его выровнять практически нереально.

Во-вторых, лист должен быть достаточно толстым и стойким к деформациям (не менее 1 мм толщины) и желательно отверстия в нём должны иметь диаметр меньше его толщины. Прокаткой такое не сделать никак.

И в-третьих, статор по возможности не должен звенеть, поскольку звон свидетельствует о выраженных резонансных свойствах, что, скорее всего, не лучшим образом отразится на звуке. Текстолит в этом отношении более приемлем в связи с аморфной структурой.

Я не исключаю возможности изготовления статора из металлической пластины посредством травления по маске фоторезиста с последующим покрытием её демпферным слоем, но я так не пробовал пока.



Изоляторы я вырезал из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,3 мм. Случайно нашёл на радиорынке. В одном из промежуточных вариантов я использовал картон, хотя это не лучший вариант из-за того, что с ним я не мог поднять поляризацию выше 400 В.
Дальнейшее увеличение напряжения приводило к слабым пробоям, что выражалось в противном тихом писке. В общем, я так думаю, подойдёт любой листовой материал, который имеет толщину около 0,3 — 0,5 мм, не проводит электричество и хорошо клеится.

Клеящие материалы. Поначалу я использовал обычный суперклей, но брака я с ним наделал прилично. Проблема одна — он слишком быстро сохнет. А эпоксидку я не хотел использовать по противоположной причине. В итоге остановился на полиэфирной смоле со средним сроком полимеризации.
По материалам всё.

↑ Инструменты

Статоры я делал из текстолита, и мне пришлось сверлить много отверстий. Нужен сверлильный станочек и твердосплавные сверла 1 мм.

Настаиваю на твердосплавных! Один статор я сверлил обычными свёрлами. 20-40 отверстий и сверло сдыхает полностью, а отверстий просто дофига. Потом приобрёл 2 твердосплавных сверла и второе даже не вставлял.

Чтоб насверлить отверстия ровно и сверло не гуляло, я использовал плоскую сетку от советских колонок как трафарет.

Чтоб выполнять манипуляции с мембраной (покрытие, натяжка, клейка) потребуется ровное крепкое стекло. Я его временно вытащил из серванта. Жена была просто в восторге от таких новостей. А что делать?

Для проверки сопротивления покрытия потребуется мультиметр, два пятака, спирт (на случай, если не вышло с первого раза) и ватные диски.

Ну и всякая мелочь типа ножа, ножниц, скотча, чая, пива, сигарет и т.д.

↑ Геометрические параметры

В моей последней конструкции статоры имеют диаметр 80 мм и толщину 1,5 мм. Внешний диаметр изоляторов такой же, как и у статоров, внутренний диаметр 65 мм, толщина 0,3 мм.

Слой смолы около 0,1 мм с двух сторон изолятора. Поэтому зазор между мембраной и статором выходит около 0,5 мм.

Толщина внешних изоляторов между статорами и влагозащитными мембранами может варьировать от 0,5 мм до половины длины волны самого высокочастотного звука, т.е. около 9 мм.

↑ Сборка

Начать следует с изготовления статоров. Делать их следует из ровного и не повреждённого текстолита. Наиболее подходящим вариантом будет свежекупленный текстолит. Сначала нужно произвести разметку при помощи циркуля, после чего из листа вырезается 4 заготовки с небольшим припуском, после чего они обтачиваются на наждаке до необходимого размера.
Для резки желательно не использовать ножницы по металлу (так как они деформируют текстолит), а применить ножовку.

Для сверления нормально распределённых отверстий я использовал плоскую алюминиевую сетку, приклеив её по краям к текстолитовой заготовке. Отверстия в ней были ровно 1 мм, а расстояние между центрами 3 мм. Насверлив отверстия в одной из заготовок, я использовал её как трафарет для сверления остальных. При этом даже если отверстия в трафарете будут расположены не идеально ровно, всё равно все они будут максимально соосные.


Если такой сетки не найдётся, то я думаю можно вытравить в фольге небольшие центрирующие отверстия любым доступным способом (ЛУТ или фоторезист) и сверлить по ним. Но я ещё не пробовал этот способ, поэтому не знаю, насколько хорошо получится.

После того как отверстия готовы, следует вытравить лишнюю медь. Суть заключается в том, что часть статора, расположенная под изолятором всё равно не приносит пользы, а лишь приводит к повышению ёмкости излучателя и является потенциальным местом стока заряда с мембраны на статор. Поэтому стоит от неё избавиться.

Циркулем на фольге чертится окружность на пару миллиметров меньше внутреннего радиуса изолятора и закрашивается перманентным маркером или лаком. Лишняя медь вытравливается.
Возможно, следует совместить эту операцию с травкой центрирующих отверстий перед сверлением.

Затем следует припаять тоненький проводок к фольге статора и вывести его на внешнюю сторону через отверстие, чтоб было к чему подключать усилитель.

Изоляторы мембраны вырезаются из диэлектрика подходящей толщины. Это просто 4 колечка диаметром как статор и шириной 5-8 мм.
После того как изоляторы готовы, их нужно приклеить к статорам смолой или клеем и положить на ровную поверхность под пресс до полного засыхания.

Перед приклеиванием нужно обязательно их обезжирить все поверхности для предотвращения появления проводящего слоя жира между статором и мембраной, да и вообще операции сборки лучше делать в перчатках — руки жирнеют очень быстро, как их не мой.

↑ Мембрана

Сначала мембрану нужно покрыть высокоомным покрытием. Для этого на поверхность предварительно тщательно очищенного от пыли стекла необходимо уложить подготовленный прямоугольник лавсана размером сразу на две мембраны с запасом.

Лавсан нужно приклеить с одной стороны скотчем к стеклу и разгладить по поверхности стекла ватным диском, чтоб выгнать весь воздух. Нужно, чтоб они буквально прилипли друг к другу. Явным признаком этого является появление слегка заметных мелких радужных разводов в отражённом свете на поверхности плёнки.

После этого нужно аккуратно приклеить остальные стороны плёнки скотчем к стеклу. Ни в коем случае нельзя создавать натяжение мембраны ни в одном направлении! Почему будет понятно позже.

Теперь можно наносить графит. Нужно взять маленькую щепотку графитового порошка и втирать её в поверхность мембраны при помощи ватного диска. При этом не стоит сильно давить. Оптимальным усилием будет такое, как если бы вы давили пальцем на в меру тугую кнопку.

Явным признаком успешности этой процедуры является лёгкое потемнение плёнки. Иногда графит никак не прилипал (я чувствовал это — не ощущалось никакого трения). Вся проблема была в том, что я брал слишком много графита, и он сразу сбивался в комок.

Оказалось, что когда графита совсем немного, ватный диск от трения слегка царапает поверхность плёнки, что благоприятно сказывается на прилипании графита! Покрывать графитом обе стороны мембраны необязательно. Я пробовал и так и этак, разницы нет. Зачем тогда делать лишнюю работу?

После того, как графит на месте, следует проверить проводимость. Для этого берём 2 пятака, кладём их на мембрану на расстоянии в пару сантиметров и меряем сопротивление обычным мультиметром. Между монетками должно быть не меньше 10 Мом. Важно, чтобы мультиметр показал не обрыв, в моём случае получилось около 39 МОм.

Замеры нужно произвести по всей поверхности мембраны, в 9-ти точках. Почти наверняка где-то сопротивление будет гораздо ниже (до десятков кОм) рекомендуемого. Или, наоборот, обрыв.

Вот тут-то и пригодится спирт. Те участки, у которых сопротивление низкое, необходимо легонько протирать ватным диском, слабо смоченным в спирте, до нормализации сопротивления.

Там же, где проводимости нет, нужно повторно втереть графит.

На самом деле это не так сложно и после некоторой практики вполне можно сделать мембраны за 10 минут.

А теперь самое интересное! Приклеивание мембран! Вся сложность состоит в том, что после того как они будут приклеены изменить их натяжение в меньшую сторону будет невозможно. В большую — можно нагревом при помощи фена, но этот процесс нельзя плавно регулировать по всей поверхности. Направления усиления натяжения непредсказуемы, поэтому метод тоже практически не приемлем.
Тем более что оба излучателя должны получиться идентичными и натяжение должно быть во всех направлениях одинаковым. Я потратил на это очень много изоляторов, мембран и времени.

Внимание, здесь я поделюсь своим ноу-хау. Именно для этого нужно было как можно лучше выгнать воздух из промежутка между мембраной и стеклом и при этом не создавать натяжения. Когда статоры и изоляторы склеены вместе, следует нанести тонкий слой клея на изолятор, по контуру положить тоненькую проволочку для подачи напряжения поляризации и, не отклеивая мембрану от стекла, приложить статор на плёнку и поставить под пресс до полного высыхания клея.

Естественно, ту же процедуру нужно повторить для статора со второго динамика. Весь фокус заключается в том, что в таком случае мембрана будет максимально расправлена на плоскости и после того как клей засохнет, она будет максимально расправлена, но находясь в центральном положении, почти не будет натянута.

Это дало наилучшие результаты. Будет и нормальный бас и устойчивость. Быть может, не последнюю роль в таком благоприятном стечении обстоятельств сыграла толщина плёнки. Будь она тоньше, её бы точно пришлось натягивать.

После засыхания клея следует обрезать края мембраны по внешнему контуру изолятора канцелярским ножом и аналогичным способом приклеить статоры с противоположной стороны. Хотя я и не приклеивал, чтоб можно было разобрать динамик.
Основная работа выполнена!

Влагозащитные мембраны делаются из той же плёнки, только её следует как можно сильнее помять и хорошенько потереть на манер газеты перед применением в нужных местах, а затем расправить. Это приводит к тому, что собственная резонансная частота такой мембраны сильно снижается, и она никак не влияет на звук.

Я закрепил её не на сам динамик, а на корпус чашки наушника в воздушном промежутке возле уха.


Конечно, лучше приклеивать её к внешним изоляторам без всякого натяжения, при низкой влажности воздуха.

Готово! Изготовленные таким образом электростатические излучатели будут иметь прекрасный звук и высокие показатели эффективности.

↑ Про усилитель для электростатов

Я довольно долго слушал эти наушники с таким усилителем:


Вот его схема:


Это стаксовский усилитель. Только в предварительный каскад я поставил нашу лампу 6Н8С, а в оконечный 6Н6П.
Подбирал режимы оконечного каскада, но номиналы не помню, а усилитель уже разобрал. Звук у него был слишком мягкий для меня. Я слушаю электронику, транс, Гоа и эмбиент и не хватало мне размаха. Уход в клип хоть и мягкий, но всё же ощутимый. Хотя на половине громкости усилитель звучал очень приятно.
Сейчас я окончательно перешёл на транзисторы и по предварительным итогам скажу, что не зря (ОУ и ООС рулят) и к лампам в ближайшее время не вернусь.

Спасибо за внимание!
Это моя первая статья. Хорошо, что мне удалось-таки её дописать. Рад поделиться опытом, и надеюсь, что информация будет полезной для многих любителей качественного звука.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации