С прошлой статьи по DIY ленточным наушникам не прошло и года, как появились свежие результаты изысканий по этой теме. Сотни часов потраченного времени, десятки повторений сборки наушников и смена философии привели к тому, что под капотом накопилась критическая масса нововведений о которых необходимо рассказать. Настоятельно рекомендую не читавшим предыдущую статью ознакомиться с ней.

Проект, как и всегда, доступен на Thingiverse и уже включает в себя все доработки из этой статьи.

Введение

Много времени прошло с момента публикации предыдущей статьи, так что многое с тех пор стало не актуально. Всё это время проект не стоял на месте. В этой версии удалось победить большинство важных проблем. Тем более что даже внешне наушники удалось сделать более приятными, не потеряв в простоте и прочности. Драйвер также доработан в лучшую сторону, став гораздо более дружелюбным к источникам сигнала. И сделано даже кое-что сверх этого, но обо всём по порядку.

Внешний вид

На нём особо останавливаться не имеет большого смысла, здесь в основном минорные изменения. Общая геометрия осталась прежней. Изменилось место посадки разъема MiniXLR, сделан мощный выступ под него с толстой стенкой. Печатается с поддержками снизу со стола и внутри отверстий. После печати будет не лишним пройтись сверлом по диаметру. Боковые отверстия под проставки 5 мм и 11 мм место под посадку разъема miniXLR.

Корпус напечатан из стеклонаполненного 4% композита на основе ABS. Для печати пришлось раскошелиться на сапфировую фильеру 0.4 мм (соплом за такую цену его не назвать). Любое другое во время печати неизбежно сотрёт стеклом. Настройки в целом обычные для ABS - никакого обдува, 250 на фильере и 105 на столе, принтер с кожухом, 0.1 мм слой. Для добавления чашке эстетики в слайсере Cura 4.11 включена экспериментальная опция нечёткой оболочки, с флагом шершавая оболочка только снаружи. Толщина шершавой оболочки 0.1, дистанция между точками шершавой оболочки 0.2. Это даёт особую фактуру на чашке, что в сочетании с стеклонаполненным композитом выглядит весьма презентабельно, с обычным ABS не менее опрятно. Небольшой совет - если на пластике остаются белые следы на месте отрыва оболочек, можно пройтись паяльным или строительным феном, небольшой нагрев убирает белые следы на месте разрыва пластика.

Кроме корпусов чашек слегка изменилась пластина крепления - там появились вентиляционные отверстия. Они, кроме всего прочего, не позволяют создавать разность давлений с внешней средой, при, например, сдавливании амбушюр в надетом состоянии, что предохраняет ленту от ненужного растягивания.

Что касается внешней сетки, которая закрывает чашку снаружи. Оказалось очень удачным решением обтянуть её тканью (раньше эта ткань приклеивалась с обратной стороны), как это делается на защитных сетках колонок той самой тканью от колонок. Главное не наносить излишнее его количество - благодаря капиллярному эффекту ацетатный клей поднимается по ткани и после застывания оставляет белые следы, который с трудом снимается щёткой.

Оголовье заказано на AliExpress.

Кабель

В лучших традициях аудиофилии кабель изготовлен из отборного китайского силиконового провода AWG28, заказанного у первого попавшегося продавца с Ali. Тканевая оплётка на 4 мм и 8 мм заказана там же, как и разветвитель. Разъемы miniXLR и 3.5 jack от Rean и переходник на 6.35, аналогично. Из-за силиконовой изоляции и мягкой жилы провод получился очень гибким и мягким. Нагрузку в основном несёт оплётка, но не помешает пустить параллельно с проводом нейлоновую нить для повышения стойкости на разрыв, тогда на этом проводе можно будет висеть.

Разветвитель (цилиндр, откуда расходятся провода на левое и правое ухо) здесь полезен тем, что прячет место пайки проводов. Здесь не симметричное подключение и провод минуса от 3.5 jack до разветвителя общий. Внутрь я залил эпоксидную смолу, которая застыв создала неразрушимый каркас для пайки, так что чтобы порвать соединение внутри разветвителя нужно постараться, скорее порвётся сам силиконовый провод.

В целом отдельный кабель служит не столько для удобства пользования, сколько для удобства сборки. Удобно, когда при сборке кабель не нужно жестко фиксировать в корпусе и он не болтается следом за чашкой.

Драйвер

Здесь же стоит остановиться подробнее, ведь общая его философия поменялась.

Лента из сплошного алюминия, не смотря на все преимущества, обладает одним важным параметром - сопротивлением. Режим её работы в случае драйвера в этом проекте требует токов порядка 1 ампера действующего значения для достижения максимальной громкости. Конечно, всегда есть вариант использовать согласующий трансформатор. Но само его наличие привносит множество неудобств.

Разработка специализированного усилителя, на которую я так надеялся, не увенчалась большим успехом. Тяжело получить приемлемое качество сигнала на такой силе тока. Технически это более чем достижимо, но итоговый ценник на подходящий усилитель никак не соотносится с затратами на наушники, так что это скорее финансовая ноша.

Так что было решено отойти от сплошной металлической ленты в сторону плоской катушки по технологии из моей второй статьи.

Единственное дополнение, которое мне удалось внедрить здесь - использование фотополимерного принтера. Крайне сподручно оказалось проявлять пленочный фоторезист не под лазером, а прямо на экране принтера. После этого наносить на плёнку и травить. В качестве альтернативы можно распечатать маску на обычном листе для ламинации, как это делают при обычном фоторезисте или вовсе сделать с помощью ЛУТ. Разве что для этого понадобится конвертировать STL (именно так она представлена на thingiverse) в изображение, но, думаю, это не слишком сложная задача.

Первым был создан прототип сразу с двумя активными лентами. К сожалению, фото готовой конструкции не осталось. Каково же было моё удивление, когда вместо мощного и чистого звука я получил невнятную кашу. Только тут я понял, что перестарался. При малейшем сдвиге драйвера относительно уха АЧХ непредсказуемым образом менялась. Часть звуков вовсе пропадала при определенных положениях. Но долго копаться не пришлось, стоило лишь немного вспомнить курс физики. Всё дело в интерференционной картине, которая получается при наличии двух когерентных источников. При заданных параметрах даже на средних частотах начинаются очень неприятные явления.

Всё это, а также возросшая сложность всей конструкции, заставило отказаться от такой компоновки и вернуться на одноленточный драйвер.

В короткие сроки был собран прототип с плоской катушкой с постоянным шагом витка. 18 витков хватило, чтобы заставить работать драйвер от телефона, а на мощном усилителе запас громкости оказался значительным. Однако, у такой схемы есть один значительный недостаток - сила действует на ленту очень не равномерно. На дорожку в центре воздействует сила, в 2 раза меньшая, чем на ту, что находится на краю ленты.

Это объясняется тем, что в зазоре между магнитами поле имеет неравномерную плотность. В точке, равноудалённой от магнитов, будет самое слабое поле, а по мере приближения к магниту, поле нарастает.

Устранить этот эффект можно двумя способами - линеаризовав магнитное поле, или изменив топологию дорожек так, чтобы магнитное поле, создаваемое током через дорожки, имело такую плотность, чтобы компенсировать нелинейность внешнего магнитного поля, так чтобы в общем градиент сил на ленте был как можно более равномерным.

Усложнять магнитную систему достаточно сложно, к тому же полностью устранить нелинейность на ленте так будет почти невозможно, так что второй способ здесь удобнее.

Для генерации топологии был быстро написан проект на OpenSCAD, но его язык оказался ограниченным относительно вложенных областей видимости переменных, что мне показалось очень неудобным для написания там арифметики для расчета размеров дорожек. Так что генератор в итоге переехал на Unity3D.

Этот генератор умеет по указанным в параметрах размерам генерировать прямоугольный плоский контур и экспортировать его сразу в STL, так что можно отослать полученную модель в слайсер для фотополимерного принтера и на выходе получить готовую программу для принтера, чтобы проявить фоторезист. Сразу отмечу - у меня не было времени приводить код в сколь либо приемлемый вид, мне лишь нужно было получить топологию дорожки. Готовая STL маска лежит вместе со всеми остальными моделями также на Thingiverse.

Сопротивление получившейся катушки - 30 ом с погрешностью +- 0.2 Ом между разными образцами, что составляет <1%, так что относительно приемлемо. 17 дорожек в рабочей зоне. Центральные дорожки имеют размеры менее 0.5 мм, промежуток везде постоянный и составляет 0.3 мм. Все эти параметры можно произвольно менять в генераторе, если сможете в нём разобраться. К сожалению, у меня не хватает времени, чтобы его доработать, многое там можно сделать гораздо удобнее и починить ошибки. Буду крайне благодарен, если кто-то сможет разобраться и помочь мне разгрести ворох ошибок и причесать код. Кроме того, есть задумка внедрить в него калькулятор сопротивления созданной катушки.

Конечно, относительно ленты с постоянным шагом дорожек, чувствительность такого драйвера при одинаковом количестве витков несколько ниже. Однако и гораздо меньше энергии тратится на гармонические искажения. Методом биений на слух заметно падение искажений относительно варианта с постоянным шагом дорожек. Субъективно при прослушивании детальность несколько выросла в области высоких частот, в частности, стали гораздо более чистые тарелки в барабанных установках.

Замеры

Данное рукоделие, несомненно, очень интересно и занимательно, однако как же оценить его результат?

Для получения объективных показателей был собран стенд. Это пенопластовая голова с силиконовыми ушами, на входе в звуковой канал которых вставлены капсюли микрофонов. У меня есть более подробное видео про него.

Этот стенд сам по себе вносит значительные искажения в график АЧХ за счет наличия анатомически достоверных ушных раковин. Про АЧХ ушей человека можно более подробно почитать в психоакустике Алдошиной И.А. или у Reference Audio Analyzer.

Само собой, точность данного стенда находится на низком уровне, однако для моих задач достаточно и этого. В первую очередь меня интересовало, какие же амбушюры лучше и чем они вообще отличаются по объективным параметрам.

Стенд показал, что на амбушюрах с большим внутренним объемом появляется провал на середине графика, который соответствует частоте 1 кГц. Это справедливо для лент обеих конструкций. В итоге выбор был остановлен на вариант с большим объемом, так как такая форма кривой хорошо воспринимается на слух. Производители наушников часто используют такой подход, это т.н. v-образная АЧХ. Хотя стоит отметить, что индивидуальный подбор также может помочь получить и прямой график.

В целом АЧХ меня удовлетворила, к тому же субъективно звук воспринимается весьма и весьма хорошо.

Я не пытался измерять гармонические искажения на этом стенде, так как предусилители микрофонов, установленные в голове, сами по себе обладают высоким уровнем искажений, их надо менять для замеров THD наушников.

Приложения

• Видео с пояснениями по сборке

• Видео с моим способом пайки на ленту

• Сэмпл с записью наушников на стенде. Осторожно, тяжелый роцк в наличии. Запись сделана на плоском варианте стенда.

Заключение

В целом на данном этапе существование этих наушников действительно обрело смысл. Сделать их можно относительно просто (самое сложное - изготовление плоской катушки), а самое главное - они работают с самыми обычными бытовыми источниками сигнала (в моем случае потянул даже мониторный выход звуковой карты Creative Sound Blaster X-Fi HD). Хотя наличие хорошего усилителя для наушников всё же предпочтительно, как и с любыми другими наушниками, претендующими на более-менее серьезный уровень звучания.

Хочу поблагодарить профильные сообщества по ленточным и планарным наушникам за идеи и вдохновение. Также спасибо моему хорошему товарищу, который подтолкнул меня сделать плоскую катушку на ленте для его наушников, иначе бы я не доработал проект под такое решение и уж тем более не написал бы эту статью.

Вы можете абсолютно свободно использовать любые указанные здесь наработки, лицензии на использование можно найти на страницах thingiverse и github.