自己動手製作靜電式耳機 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　本期有篇A類耳機放大器製作,相信必引起許多人的仿製;事實上你也可以自己做一個靜電耳機。本文取材自去年11月號Wireless World雜誌,雖然譯得有些生澀,但堪稱詳實,只是文內所提到的某些材料可能不太好找

──編者

　　推挽式靜電耳機換能器之音壓輸出直接正比於電極差動電壓、振膜極化電位及電極間隙距離的倒數平方。遺憾的事是振膜極化電位和電壓極隙大小有關,而且要得到高音量輸出唯有利用高電極驅動電壓始有可能,故而轉換器之設計需要相當的技巧。

　　根據手頭所有的資料研判時下的靜電耳機商品,全部使用大幅度昇壓變壓器來提供所需的電極電壓(以低壓功率放大器來驅動)。但是由於高感抗低電容及優良絕緣等的特性要求使得這類變壓器的設計及製造相當困難。由於這項限制,一般「自己作」愛好人士被迫改採高壓放大器直接驅動的方式,一般常見的電壓上限為400伏。除了當作電極驅動電壓之外,為了方便,這個高壓還提供振膜極化電位。當極化電位為400伏時,隔離墊之厚度(電極間隙距離之半)最小可達0.5mm,使得電極之平整度及振膜張力二個變數的要求過於嚴格而難以自製。

　　以上述規格製作出來的耳機組件,最大的自由放射音壓均方根值(0.00002Pa為參考零位)約為93dB。但是以管弦樂為例,要產生逼真效果的音壓水平約在100dB左右,而搖滾樂的要求比這更高。

　　綜合上述,要使靜電耳機人人可作,勢需多謀出路了,下面就是一個值得一試的組件,免得使這麼好的轉換器被「高價品」一辭所埋沒。

放大器的設計

　　時下所見之電晶體特性,其VCE的最大值多不超過400伏,但是也有幾個特殊晶體是專為電視機水平偏向電路而設計的,其VCE峯值可達1.5KV,而功率額定值達10瓦左右。本文擬用這類型號作為輸出級晶體,其中可用的有2SD200、BU206、BU209A、MJ105、PTC146-RT或SK3115-RT等。

　　圖一所示即放大器本體之線路圖,輸出採用二個高壓A類放大級,其一經由放大係數為1之反向器所驅動。這個放大器的動作原理相當簡單,唯一要注意的就是LM3900是電流輸入元件,二個輸入端電位均被鎖在地電位附近。所有的放大級均由同一電源供給器供應,故而即使電源發生變動,放大器之結構卻得以保留原樣。高壓電源設定在800伏可以確保晶體之安全,當超過900伏時,晶體也許會發生二次崩潰之破壞。

　　這部耳機放大器之輸入靈敏度定在2.8Vrms時有最大輸出,希望能由一般放大器之耳機輸出端直接連結。在輸入端的1KΩ電阻防止當放大器未接信號源時可能發生的振盪。如果在製作時能將高、低壓部分分離,則對防止由於人為因素而造成的損害及增進穩定性均有助益。如有振盪現象,電容C1的電容值可酌予提高。輸出電晶體最好使用獨立的散熱片,省除共用散熱片的絕緣問題。

　　電源供給電路之設計由手頭上所有的變壓器決定。原圖設計是一300伏的交流電壓驅動一全波倍壓器而產生放大器的高壓電源,所需的極化電壓源則是經一電位器由放大器的高壓電源抽頭再經一半波倍壓器而形成。一個獨立的15伏變壓器經整流後提供放大器所需之低壓電源,若是300伏變壓器上有6.3伏的抽頭,再用倍壓也可以得到所需的電壓的。

　　要留意的是電源部分一定得用金屬殼隔離而且要完成良好的「接地」。為了防地迴路的形成,耳機放大器的信號地端得尤其推動信號源取得。這部放大器的特性列在表一供讀者參考。

耳機的設計

　　靜電式換能器的基本設計規範總結如下:

　　一、轉能器的面積應大到足以覆蓋整個耳朵而且要能提供一個夠低的振膜共振頻率,以免去在振膜張力上的精密要求。

　　二、轉能器的面積應不超過一定值,否則極間電容及推動放大器的設計困難均將為之大增。

　　三、為了高輸出音壓,極間隔離墊之厚度應減至最低,但是必須顧及的是在低頻時,振膜之自由諧振大小。

　　四、電極的材質需相當堅硬,而其表面至少須有20%的面積由開孔所佔,並且打孔時的孔距應遠小於最高使用頻率的波長。

　　五、振膜的表面電阻應高到能防止在最低頻率時可能發生的電荷遷移現象。

　　六、應有足夠的阻尼裝置以降低振膜之共振及暫態的振鈴現象。

　　七、振膜的後面應使其能向空間自由地輻射其音壓。

耳機本體之結構

　　前面分別敘述了推動放大器的電路及換能器的設計原則,準此我們設計出了下面這個靜電式換能器,圖三所示即其橫切面圖,詳細的尺寸及製作步驟詳述如下。

　　取3mm厚之壓克力,按圖四的大小切取四片。在其上鑽出由3mm直徑的洞所組成的矩陣,鑽時需將四片壓克力重疊以使這矩陣能彼此重合。在每片壓克力的一角上鑽取一個埋頭孔,以利M2.5或M2號銅螺絲在裝上後不致於凸出於極板之表面。想法子使極板之表面變得粗糙些,並用圖四所示的圖樣將極板表面遮蔽後,將Aquadag倒在其上並塗抹均勻,在裝上接線片及螺絲鎖定後,接線片至極面上任一點之電阻均應低於10KΩ(由Aquadag之厚度來變化,愈厚電阻愈小。)為了防止高壓時在極間空隙出現的拘束形放電現象(位置固定),在完成的Aquadag表面塗上一層薄的多元酯漆。

　　以圖五的尺寸,切取四片0.8mm厚的極間墊片,此墊片可用任何適當之絕緣材料製成,筆者是用塑膠繪圖片疊出0.8mm厚的墊片的,這種做法有個好處就是墊片具有適當的彈力,足以將振膜完全緊壓住。當將墊片粘在塗有Aquadag那一面的極板上時,鑽出適合的埋頭孔來,然後將如此的兩片極板面對面疊合,在週邊上鑽出適合的結合孔。為了提供適當的電氣接頭,墊片表面亦得塗上一層Aquadag,如圖五所示。注意在塗抹之際不可使接合孔亦塗上,這會造成短路的。完成後檢查是否由接線孔至片上任一點均有一適當的電阻並用Aquadag調整其值。

　　筆者所用的振膜材料為柔性的食品包裝膜,厚0.0127mm。經過長期的試驗證明在不加導電處理的振膜上,雖然表面電阻甚高,但若按上述的振膜接線製作過程(墊片上的Aquadag)來製作,則效果頗令人滿意。這個振膜的作法省卻了在製作耳機的過程中最困難的一個步驟。

　　組合振膜及極板時,取一片硬紙板,切出較極板面積更大的洞,將振膜舖平並用膠布粘著於洞之四週,注意不可使振膜上有皺紋;將完成的紙板壓在一片極板上,再取另一塊極板置於振膜上方,二片極板對稱用螺絲鎖緊,最後用刮鬍刀將振膜凸出於極板的部分切除。

　　完成後的測試工作現在可以動手了,接上推動放大器,調整極化電壓至最低值約800伏左右,檢視振膜是否仍停留在其中央位置上。如果振膜發生振動的現象或是粘附於某一極板上表示振膜的張力不夠,此時將耳機取下置於暖氣機或燈泡之附近加熱,直到振膜上出現皺紋為止,將耳機冷卻即告測試完成。

　　當兩個換能器均測試完畢,即可將接線接妥並將所有暴露空氣中之螺絲以膠封妥以免電擊。用6mm厚的塑膠泡棉將換能器包裹妥當,這層泡棉的功用即為阻尼器。推動放大器部分的組合問題即是見仁見智各有所好。而將兩個換能器結合成耳機的方式更是得由讀者自行決定,唯一要求就是耳機及放大器間的連接線不得長過1.5米,並且儘量鬆縛而不採絞合,以降低雜散電容。

　　當兩個換能器均接妥後,調整極化電壓,直到稍低於發生空隙放電現象為止,筆者使用的是1.3KV,因為此時已有低頻的跳火聲微微可聞。

安全性

　　由於使用了高阻抗,極化電壓雖高但也不會有致命性的傷害的,不過在高輸出的狀態下會產生十分不舒服的電擊的,所以塑膠泡棉的外套及接線端子的絕緣均應定期的檢視,只要不是過分的大意,這個耳機組合是相當安全可靠的,當然最好是不讓小孩有機會玩弄它。

耳機之特性

　　特性測試是使用一隻12.5mm直徑,B&K的電容麥克風,將其與耳機的正中央表面接觸。不加泡棉時,在大約85赫附近有一共振點,參看圖6a,

而且暫態響應也非常差,參看圖7a。加上泡棉阻尼後,可得到自40赫至30千赫不超出±5dB的頻率響應。而且暫態響應也改善了許多,參看圖6b及7b。

現在如果製作一個有6000mm³體積及20mm直徑開孔的空腔來充當人造耳,將之與耳機之泡棉接觸則更將-5dB使的低頻端延伸到20赫。如果將麥克風在整面耳機面上移動求取平均響應,則可看出遠較圖6b來的平坦。均方根值輸出音壓為102dB(相對於0.00002Pa,測試條件為1400伏極板峯值差電壓,頻率自100赫至5千赫。)

　　在詳細測試後發現,振膜的高電阻並沒有什麼妨礙,在加上極化電壓後,耳機輸出在數秒內即升至正常值,在這段期間內,電荷平均散佈於振膜表面上,但是如果振膜過於乾燥,表面仍高電阻也許會阻延電荷之分部。這種情況發生時,只要對著耳機吹兩口氣即可造成適當的溼度。但是反過來說,即使是一根微小的絨毛出現在振膜及極板之間,也會使振膜的表面電阻發生畸變而影響了耳機的輸出。

　　實際的聆聽測試表現了靜電式換能器的高清晰度特性,而且輸出音壓對一般人來說也已有餘。不過也正因為耳機特性太好,整套重放器材(包括唱片等)的好壞就相當重要了。

附錄:影響輸出音壓的因素

　　對一個振膜位於電極中央的推挽式靜電換能器而言,振膜所當之作用力為:F=eQ/Zd,其中e為極板間差電壓,Q為振膜上的電荷量,d為墊片厚度。而Q=EC,其中E為極化電壓,C為總極板──振膜電容及C∞A/d,其中A為振膜面積。綜合上面三個相關式可得F∞eEA/d²。在實際的情況下,E及d二個因素由間隙的電量及振膜的穩定性所決定,在考慮振膜的穩定性時,最大的E值由下式所決定: