Усилители

Хочу поделиться своим опытом прослушивания наушников и акустических систем, предложить рекомендации по улучшению опыта прослушивания и рассказать о том, как я пришел к самодельным наушникам и почему советую всем (исходники прилагаются). Для постройки выбрана ленточная технология излучателей и описано, почему она предпочтительнее магнитопланарной.

Введение

Рынок персонального аудио на сегодняшний день широк как никогда. Так или иначе, цифровой контент в период пандемии разлетается быстрее горячих пирожков. А удобнее часто потреблять его через наушники.

Какие же технологии создания излучателей для наушников существуют.

• Динамические излучатели. Сюда же рубаноид, как вариация на тему. На данный момент мейнстрим и вы, скорее всего, сидите в них.

• Магнитопланарные излучатели. А также изо-, орто- и прочее. Предупреждая споры я использовал это понятие для всего, где есть магнитная система и плоская катушка, соответствующая этой магнитной системе. Как вариация на тему т.н. излучатель Хейла, называемый ещё АМТ, там мембрана просто сложена особым образом.

• Катушки с уравновешенным якорем, или, по-простому, арматуры. Часто появляются во внутриушных наушниках.

• Излучатели на пьезоэффекте. Редкие внутриушные модели в виде высокочастотного элемента.

• Электростатические излучатели. Крайне редкие наушники за немалые деньги, иногда колонки.

• Ленточные излучатели. Только одна серийная модель наушников и бесконечное множество ВЧ элементов для стационарных акустических систем.

• Прочие диковины, типа электродугового излучателя. Оставим на совести экспериментаторов.

Стоит практически эти все технологии умножить на количество всех возможных форм-факторов (закрытые, открытые, внутриканальные и вариации) и количество актуальных моделей покоряет совершенно неведомые высоты.

Можно попробовать заткнуть проблему выбора горой денег. Однако даже в таком случае совершенно не гарантировано высокие потребительские качества, в т.ч. и звука. По одной единственной причине. При обращении к научной литературе, например, к Психоакустике Алдошиной И.А. и ряду статей, выплывет отсутствие единого стандарта определения качества восприятия звуковых систем. На данный момент вся оценка качества звука производится по косвенным параметрам и экспертным методом, чему в указанном источнике уделено существенное внимание. Второй пункт здесь значит значимую субъективность в экспертной оценке, так как, кроме всего прочего, значительно зависит не только он умений и тренировки эксперта, но и от его физического и психологического состояния. Разумеется, поверке это не подлежит и на выходе может быть всё что угодно.

Описанный способ оценки таит в себе двойную лотерею. Те же наушники, чтобы попасть к вам, должны сначала понравиться эксперту, и не одному. И затем понравиться вам. А учитывая, что при производстве постоянно вносятся изменения в конструкцию без какой-либо экспертной проверки (ну решили мы сэкономить денег), то в итоге выбор превращается в подкидывание монетки, где вам надо выбить шесть, семь, восемь орлов подряд.

Реверс инжиниринг

При всём выше сказанном можно прийти к определенным выводам. Все модели на рынке не прослушать. А значит, рынок для нас в таком случае вообще не интересен ввиду глубокой бесполезности. Кажется, самое время изобрести свой велосипед!

От изучения рынка и научных трудов переходим к рассмотрению технологий. Если с динамическими излучателями все понятно, буквально каждый имел с ними дело, то остальные требуют рассмотрения, а желательно непосредственного изучения. Поэтому мной был приобретены и препарированы планарные наушники Fostex RP-50. В целом уже на них я ощутил разницу с обычными динамическими драйверами. Попытка улучшить их конструкцию также дала много информации Оказавшейся мало полезной. По крайней мере я узнал, как с помощью куска хлопкового волокна задушить наушники в нижнем диапазоне.

В целом конструкцию RP-50 можно описать фразой хотели как лучше, получилось как всегда. Заводская конструкция совершенно не раскрывает преимущества планарной технологии и очень высококачественной мембраны, делая всё это мертвым по прибытии.

Ко второй попытке пришлось значительно повысить внимательность при выборе и искать самые необычные варианты, в том числе обратившись к рынку самодельных наушников. Не смотря на все риски в руки попал примечательный образец таких наушников.

Образец полностью оправдал ожидания. Не смотря на четко прослеживаемую аудиофильщину, при приемлемой цене на руках у меня оказался достаточно умно спроектированный продукт. А самое главное, он дает полное представление о технологии магнитопланарных наушников.

Однако, не все оказалось так радужно. Не смотря на чистый, очень детальный звук чего-то все ещё не хватало. На это я сформулировал гипотезу о важности фазовых искажений при использовании полноразмерных наушников. Суть её в том, что на натуральность восприятия влияет наличие больших и случайных фазовых сдвигов в камере между ухом и драйвером. Человек не воспринимает саму фазу, зато разницу фаз между двумя ушами можно услышать замечательно. Попробуйте поменять на одной колонке или наушнике полярность. Так что требуется использовать как можно более компактное исполнение, чтобы минимизировать количество воздуха, в котором могут происходить все эти процессы, думал я. В итоге начал творить...

Самодельные магнитопланарные наушники

Для опровержения или подтверждения этой гипотезы я занялся созданием своих магнитопланарных драйверов и корпусов для него. Сейчас, с высоты опыта, стало понятно, что количество усилий непропорционально результату. Мне удалось разработать технологию с достаточно хорошей повторяемостью и высокой точностью, почти без фазовых и иных искажений, но я не вырвался из ограничений технологии и все ещё не получил желаемого результата по звуку. К тому же прослушав заводские образцы от Audeze, уверенность в малом смысле продолжения работы в планарной технологии окрепла окончательно. Стало ясно, что ощущений живой музыки сложновато будет добиться на таких рельсах. С высоты опыта сейчас я могу выдвинуть гипотезу, почему же так получилось с планарной технологией. Но об этом чуть позже. Самодельные магнитопланары получились не лучше и не хуже, чем остальные подобные наушники. Даже оригинальный форм-фактор не помог. Что же в итоге? Подняться на уровень выше и посмотреть, где ошибочные выводы могли появиться там. Гипотеза о важности фазовых искажений не подтвердилась. Этот проект был заброшен.

Логичнее всего мне показалось обратиться к источнику проблемы - звукорежиссерам. Как же создается контент, как он хранится и воспроизводится. Сразу скажу, что я не беру в расчет специальные бинауральные записи, произведенные в других условиях, но такие ещё надо попробовать найти.

Как воспроизводится музыка

Суть в том, что сведение в первую очередь производится на студийных мониторах колонках. Таким образом, расположение инструментов на виртуальной сцене регулируется лишь их громкостью по каналам. На схеме, что в случае с правильно расположенными колонками этого достаточно.

Со всеми стационарными АС такой подход работает прекрасно. Расположение инструментов выставляется благодаря разности громкости между ушами, частичным взаимным проникновением каналов из левого в правый и наоборот, а также разницей фаз между левым и правым ухом при этом взаимном проникновении каналов. Но только в случае именно такой правильной установки источников звука.

Что же будет, если подать ту же самую запись в наушники? Если раньше инструменты расставлялись на линии между колонками, то если колонки перенести прямо к ушам, линия окажется внутри головы. Там и оказывается вся композиция в большинстве случаев.

С этим поможет бороться цифровая обработка звука. На Хабре уже написана статья, так что сильно углубляться не буду. Стоит ещё раз отметить, что применять такого рода обработку надо для записей, сведённых под колонки. Специальные бинауральные записи не нуждаются в этом.

Что же по итогу. Даже с таким эффектом в звучании магнитопланаров чего-то не хватало. И тут после глубоких раздумий сформировалась вторая гипотеза.

Выводы из полученного опыта

При получении этих идей я пользовался методом от обратного, выявляя факторы, которые однозначно негативно влияют на звуковоспроизведение.

• Ровный график АЧХ для сохранения тонального баланса

На самом деле при хороших показателях следующих параметров этот также неплох.

• Ровный график (важно без резких пиков) гармонических искажений

При этом добиваться сверхнизких искажений (меньше 0.1%) практического смысла имеет не очень много. Другое дело, что, как правило, при снижении искажений улучшаются и другие параметры.

• Высокий динамический диапазон на всех частотах даже вне слышимого спектра в обе стороны.

Излучатель должен преодолеть внутренние силы трения покоя, чтобы отклониться от положения равновесия. Таким образом существует предел необходимого усилия для преодоления трения покоя между слоями материала. Этот параметр по сути определяет минимальную границу динамического диапазона. Обуславливается материалами и тем, как они соединены между собой.

Беря для примера магнитопланарные излучатели, можно сразу зафиксировать один факт они многослойные. Это, как правило, слой ПЭТ пленки или его аналогов, опционально клеевой слой и слой металлического проводника. Правильно сделанная мембрана должна обязательно гофрироваться для того, чтобы её ход был свободнее. Однако, как по мне, в таком бутерброде есть одна проблема в среде соприкосновения металла и полимерной пленки образуется резкое скачкообразное изменение механических параметров, которые при колебаниях неизбежно смещаются относительно друг друга, приводя к потерям энергии. Но это ещё пол беды.

При достаточно малой толщине слоев можно добиться минимизации этих потерь. Более крупная проблема заключена в ограниченном ходе этой самой мембраны ввиду её сильного натяжения. Это натяжение необходимо для сохранения механической прочности конструкции, чтобы та не провисала и не цепляла магнитную систему. Кроме того, слабо или криво натянутая мембрана повышает интермодуляционные искажения. В итоге, суммируя наличие натяжения и потери на трении, получаем на выходе не самый высокий динамический диапазон. Гораздо шире, чем у динамических драйверов, но всё ещё сильно узкий.

Ленточные излучатели

Так я плавно подвожу к самой, на мой взгляд, перспективной технологии в плане динамического диапазона. Ленточные драйвера. В обычной жизни их можно заметить в некоторых стационарных АС в виде твиттеров (высокочастотных излучателей).

В наушниках ленточный тип излучателя практически не используется. По крайней мере из всех серийных заводских моделей существует только один их представитель - Raal SR1A, и тот стоит неприлично дорого, к тому же официально на территории СНГ не распространяется.

Ленточный драйвер прост, как угол дома, даже ещё проще. Самая простая версия излучателя два магнита, кусок гофрированной фольги, всё. С точки зрения акустики это самый идеальный вариант чем меньше деталей и соединений, тем лучше. По ходу движения ленты нет никаких препятствий, разве что стоит какая-то защитная сетка. В более продвинутом исполнении можно добавить магнитопровод по контуру для усиления магнитного поля в рабочей области.

Самое главное динамический диапазон на голову лучше, чем где бы то ни было. Ход ленты может быть какой угодно, смотря как ленту устанавливать. Но также и с высокими частотами, в стационарных АС такой излучатель используется как раз в ВЧ звене, работает он там просто замечательно. Это возможно благодаря изотропии самой ленты. Нет никакого межслойного взаимодействия, клея и т.п. Таким образом сила трения покоя ограничивается лишь силой трения покоя однородного металла. В слое алюминия 15 микрон эти силы крайне малы. Просто за счет отсутствия лишних слоев в виде пленок и клея этот излучатель по-умолчанию лучше, чем магнитопланарный.

Естественно, есть нюансы. Лента в таком излучателе должна быть гофрирована. За счет упругости металла, формованного в виде волны (а такая форма нужна, чтобы ленту не скручивало в трубочку), лента и имеет столь большую амплитуду колебаний. Поэтому приходится делать ленту, которая в излучателе отклоняясь до полного распрямления не выходит за пределы своего предела упругости, чтобы избежать пластичных деформаций. А подстраховка от деформации небольшой зазор между лентой и магнитами для стравливания лишнего давления. В таком случае прочность ленты практически сравнится с прочностью мембраны магнитоплараных наушников. Может быть даже слегка её превзойдет, по крайней мере опыт показывает, что планарная мембрана рвется именно там, где нет ни клея ни металла, по пленке. Например, смерть мембран наушников довольно известного бренда Audeze довольно частый случай и на многих форумах зафиксированы возмущения огорченных владельцев. Стоит дополнить, что речь всё время идет об полностью открытом исполнении наушников, как о самом выгодном с акустической точки зрения. К сожалению, с закрытыми моделями всё посложнее, так что как эталон качества звуковоспроизведения я рассматриваю строго модели с открытой крышкой.

Источник сигнала для ленточных наушников

У ленточных излучателей есть свои особенности при их использовании. Самая важная электрическое сопротивление порядка сотых долей ома. Это значит, что напрямую подключать их к обычным источникам нельзя. Вернее можно, но переживет ли источник это подключение или нет - никто не гарантирует. Как правило, в усилителях на выходе есть защита от короткого замыкания в виде резистора. Если повезет, и усилитель не сгорит, звук всё равно будет очень тихим. Все выходы для наушников в подавляющем большинстве устройств имеют возможность выдавать на выход ток порядка 50 мА, в особых случаях до 100 мА. Этого мало.

Необходимо согласовать электрическую нагрузку и источник сигнала, чтобы их входное и выходное сопротивление было как можно более близким. Таким образом, нужен источник сигнала с минимальным внутренним сопротивлением. Этого можно добиться двумя способами.

Использовать трансформатор. Разумеется, для такого трансформатора выдвигаются особые требования. В идеале его сердечник должен быть из специального железа с минимальным гистерезисом, но на крайний случай подойдет и обычное железо из трансформаторов напряжения бытовых сетей. Одна обмотка должна иметь сопротивление порядка выходного сопротивления усилителя, а вторую обмотку, которая обычно в таком случае делается из литцендрата, из нескольких витков с сопротивлением пары знаков после запятой. Однако, необходимо, чтобы вторая обмотка подключалась к ленте как можно ближе, чтобы минимизировать сопротивление, так как даже метр обычного кабеля будет иметь сопротивление на два порядка выше, чем сопротивление ленты и вновь возникнет рассогласование. Таким образом, трансформатор должен находиться непосредственно у ленты, что несколько неудобно из-за большого веса наушников в таком исполнении. Кстати, ленточные наушники идеально подходят к ламповым усилителям, где как раз есть выходные трансформаторы. Правда при таком сценарии нужно использовать довольно толстый провод.

Второй вариант заключается в создании специализированного усилителя. Строго говоря, можно брать готовый мощный усилитель (хотя бы на 5-10 Вт), только использовать переходник с балластным сопротивлением. Этот резистор согласует (с выделением тепла) выход усилителя и вход наушников, таким образом усилитель работает в своем штатном режиме, а наушники получают наиболее качественный сигнал. Стоит упомянуть, что можно собрать усилитель так, что ему может и не требоваться такой резистор, но эта задача уже для профессиональных электронщиков, к коим я себя не отношу. В любом случае КПД такого решения будет очень низким. Но это того стоит, как минимум, из-за комфорта.

Я придерживаюсь второго варианта со специальным усилителем. Зачем ставить трансформатор, если можно его не ставить? К тому же даже для обычных затычек я используют отдельный усилитель, под ещё один у меня всегда найдется место. Самодельный усилитель по многопетлевой схеме из китайских не оригинальных TDA2030A и OPA2134. Об этом говорит то, что ток покоя усилителя с тремя (!) TDA2030A составляет 70 мА, судя по показаниям ЛБП, при норме по даташиту одной TDA2030A в 80 мА. Все-таки мне очень интересно, что мне подсунули под видом этих ОУ. Накинув балластное сопротивление 15 Ом мне удалось получить нужный выходной ток и получить нужный режим работы ОУ, который для моих излучателей составляет около 0.45 А на канал на максимальной громкости. На этом уровне слушать их на голове невозможно, а вот использовать как небольшие колонки вполне. И сколько угодно тише играет тоже неплохо.

Рекомендации по сборке

Ссылка на Thingiverse.

При сборке ленточных наушников я использовал:

• Слегка модифицированный Anet A6

• Anycubic Photon S (скорее для удобства, можно обойтись без него) для печати всего, что проходит по размерам

• Саморезы M3x8 с потайной головкой

• Болты с потайной головкой на 20 мм и гайки М3

• Универсальный клей

• Фольга, нарезать на ленты размерами 80 мм на 16 мм

• Листовое железо 2 мм

• Разъемы и провода. В моем случае 4pin miniXLR и 6.35 TRS 3pin

• Оголовье. Можно расковырять старые наушники, либо заказать на али. Диаметр чашки 100 мм, втулки по 5 мм с каждой стороны, итого диаметр оголовья должен быть 110 мм

• Амбушюры диаметром 100 мм

• Магниты 60 мм на 10 мм на 5 мм

• Двусторонний скотч

Добиться хорошей чувствительности от лент можно использованием хороших магнитов. По опыту заказа магнитов из Китая скажу на их мощность не стоит рассчитывать. Стоит отметить, что достаточно большие магниты делают из марки N38. Можно сделать индивидуальный заказ и на манит вплоть до самого мощного N52, но цены при таком заказе будут очень неприятными, особенно учитывая малую серию. Есть магазины, предлагающие такую опцию. А также по отечественным магазинам несложно найти менее мощные магниты многих размеров. Только будьте аккуратны, усилие на отрыв у таких магнитов может достигать десятка килограмм, крайне не советую проверять это усилие своими конечностями, травмоопасно. Они ещё и очень хрупкие, если магнит резко ударится о другой магнит, осколки могут полететь во все стороны, и в глаза в том числе. Магазины доставляют магниты с пластиковыми проставками, так их лучше и хранить. Они не трутся друг об друга, оставляя царапины, и их легче отделять.

Сама сборка производится на клей, саморезы и болты M3 с потайной головкой. Клеить, в моем случае, пришлось разъемы проводов и заднюю сетку. Ткань куплена на али, для обтяжки колонок. Оголовье взял от старых ТДС-3, пришлось делать металлическую дугу для сборки в единую конструкцию. Из-за ошибки при разметке этой пластины получилось, что дуга проходит перед чашкой, хотя должна проходить ровно над чашкой. Это временный вариант, жду оголовья из Китая. Втулки сделаны на фотополимерном принтере из мягкой смолы, чтобы амортизировала все телодвижения. Амбушюры можно также заказать на али, там есть вполне приличные варианты из овечьей кожи, или попроще из синтетики, кому как удобнее. Всё подбирается по диаметру чашки - 100 мм. Разъемы Mini-XLR.

Лента

При формовке ленты важно всё делать аккуратно, не допускать попадание мусора на формочки. Очень легко повредить ленту. Перед формованием её лучше разровнять на гладкой поверхности без мусора с помощью сухой тряпочки, или просто пальцами.

После формовки ленты её необходимо полностью растянуть, потянув за концы ленты, до полного разглаживания. Как только вы отпустите концы, лента должна принять свой финальный облик. После этого её можно устанавливать в корпус на двусторонний скотч. Только обратите внимание, что лента должна немного провисать под собственным весом после установки, в пределах одного миллиметра.

Корпус излучателя

Для излучателя необходимо изготовить 4 пластины из железа толщиной 2 мм с хорошей магнитной проницаемостью. Две детали размером 10 мм на 64 мм и две по 10 мм на 32 мм. Это будущая рамка магнитопровода. Длинные пластины вставляются в отведенные ниши, на фото они видны с торцов. Короткие пластины нужно электрически изолировать, а затем просто примагнитить. Заодно можно поджать контакты провода, только провод сначала нужно залудить.

Монтаж короткой пластины. Лучше не сверлить, как в моем случае, а поджать длинный оголенный конец сверху. Провод нужно сделать достаточно тонким, чтобы не деформировать корпус при поджатии контакта. Я пробовал паять с флюсом Ф-64, но показало себя это решение плохо. Пайка имеет нехорошее свойство отходить, да и неудобно при установке магнитопровода, можно ненароком повредить место пайки, что-то сдвинется и его оторвет.

В остальном сборка не должна доставить каких-то проблем. Конечно, она требует некоторой ловкости и инструментов. С другой стороны, здесь нет очень сложных процедур, особенно по сравнению с изготовлением магнитопланаров, которые я из-за этого забросил.

По итогу, немного отладив конструкцию, вы получите весьма уверенное качество звука, ни в чем не уступающее очень дорогим заводским наушникам, всё это при весьма малых трудозатратах. Единственное - советую озаботиться усилением, если у вас нет усилителя хотя бы ватт на 5 с балластным резистором. Продублирую ссылку на свою схему. Подойдет практически любой колоночный усилитель, только не переборщите с мощностью.

Послесловие

Субъективно звук таких наушников однозначный мастхев. Детальность действительно ультимативная, а при правильной настройке ленты басы дают удар. В купе с использованием виртуального объемного звука эффект от прослушивания стоит того, чтобы заняться сборкой. Конечно, все приведенные здесь выводы требуют научного подтверждения. Меня ограничило отсутствие точных измерительных приборов. Для себя лично не вижу смысла так погружаться, свои наушники я сделал.

Что осталось.

Необходимо разработать и собрать эффективный и качественный усилитель для прямого подключения, я пока размышляю над тем, как это можно провернуть. Возможно, стоит собрать даже свой усилитель с выходным каскадом в D классе на дискретных элементах, чтобы заставить его работать в нужных режимах больших токов и низкого напряжения. В теории это крайне эффективное решение, однако, очень сложное в разработке и сборке, и довольно дорогое.

В мечтах приобрести фотополимерный принтер, который способен печатать детали размерами 100 на 100 мм, чтобы изготовить монолитный корпус, это добавит надежности и эстетики.

Покрыть матовым лаком имеющиеся корпуса, чтобы скрыть косяки.

Поставить, наконец, новое красивое оголовье.

Необходимо как-то замерить характеристики получившихся наушников, а для этого нужно сложное и дорогое оборудование в виде измерительного стерео микрофона и качественной записывающей аппаратуры. Такого оборудования у меня нет, всё делалось "на слух", да и цена кусается.

Напоследок видео с демонстрацией работы.

Зачем это вообще нужно?! Резонный вопрос. Иногда бывает нужно. Всегда, когда надо подключить один источник звука, например сабвуфер. Или, как в моём случае стояла задача озвучить open-air танцевальное мероприятие. В наличии был гитарный комбик, в который я воткнул плату усилителя D класса ZK-502T на TPA3116 и переделал на питание от литиевой батареи. И всё было хорошо, только воспроизводить он мог только один канал, поскольку динамик один. На самом деле вопросов и решений больше, чем один. Но мы их пропустим и перейдём сразу к технике.

На плате есть усилитель на TPA3116 класса D, микропроцессор с ЦАПом, АЦП, MUX, USB и blutooth, регулировка высоких и низких частот. Вот совсем не high-end, имеет недостатки, но для наших целей то, что надо.

Проблема заключается в том, что выходные каскады активных устройств в аналоговой цепи как правило имеют малый импеданс и просто закоротить правый и левый каналы нельзя. В лучшем случае устройство уйдёт в защиту, в худшем - сгорит.

Есть разные способы решения данной задачи. Рассмотрим две из них:

• сумматор на резисторах

• сумматор на операционном усилителе

Сумматор на резисторах

Вероятно самый простой способ. Берём 3 резистора и паяем по схеме прямо на вход комбика. Потом подаём на один из каналов платы-усилителя и всё.

Не вдаваясь в подробности, будет т.н. взаимопроникновение каналов, что приводит к искажениям. Кроме того, на плате усилителя есть blutooth модуль и его ЦАП прошить будет проблематично.

Сумматор на операционном усилителе

Этот вариант близок к идеальному. Правда посложнее. Тема довольно большая, поэтому ограничимся поверхностным описанием неинвертирующего сумматора, точнее буфера или повторителя на NE5532:

Не вдаваясь в подробности, получаем на выходе сумму сигналов обоих каналов без взаимного проникновения и искажений.

Теперь надо найти точку, где вклиниться в схему. Вероятно самое удачное место будет после ЦАПа и мультиплексора и перед операционниками регуровки тембра.

Дальше я снял видео доработки с пояснениями и описаниями работы отдельных блоков схемы:

Операционники живут на двухполярном питании, я делал на однополярном. Это возможно с т.н. виртуальной землёй и блокирующими ёмкостями для ограничения постоянной составляющей. Подробности в видео.

Я поставил себе цель понять, как работают операционные усилители и сделать рабочую схему. И это мне удалось. Заодно разобрался в схеме вышеуказанного усилителя. И вообще узнал много нового.

Надеюсь, кому-нибудь будет полезно!