完全自製高效率靜電揚聲器 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　本文原載於1977年第二、三期的業餘音響家(The Audio Amateur)雜誌文中所述需要製作之成本,為依原作者David. P. Hermeyer所費直接折算。實際上如依台灣之物價概估,可能只要一萬二到一萬五就可以完成了──自然包括了一部110瓦×2的專用擴大機在內。

　本期先譯載發聲器部分的製作,下期續載擴大機之裝配。讀者如有興趣試作,請函本刊編輯部,唐凌主編早已躍躍欲試,他很希望找到個道友,發一番「高壓」燒！

──編者──

　　一提起靜電式喇叭,立即令人肅然起敬,且不論其貴族般的身價如何,光就它工作時的數千伏特高壓就夠使你汗毛立正的了。雖則如此,由於它失真低、音色純,仍使得許多音響老饕們為之垂涎不已。

　　本文介紹一種高效率靜電揚聲器的自製方法,原載於本年業餘音響家雜誌第二期,製作成本約合台幣兩萬,需要工時大約兩百。雖然費時又費錢,我相信你裝好後會覺得所花的時間金錢與力氣非常值得,即使你光看不做,也會對這種揚聲器有所相當認識。

簡介

　　靜電式揚聲器顧名思義是一種利用靜電引力來驅動發聲的換能裝置。在兩片加有偏壓的電極板中間夾入一片導電性的振動膜,當有信號電壓加在這片振膜上之時,振膜上所分佈的電荷就會和極板上的偏壓電荷起吸引或排斥作用,因而使振膜振動發聲。

　　由於靜電引力很弱,要提高它的效率必須把電荷間的距離拉近──也就是把極片靠近,同時把極片上的偏壓升到很高,輸入振膜的信號電壓也要提高,於是靜電喇叭就和高壓分不開了。由此推論,極板距離近,振膜不能大幅振動,低頻響應必差,同時需要相當大的振膜才能發出某程度的低頻。

　　本文所介紹的靜電式揚聲器每只由十片發音單元組成,各單元用鋁架鎖定做成一個大圓柱體的十分之一表面的形狀(如圖一、圖二所示)。每只單元長15 5/8吋、寬6 1/8吋、厚3/16吋;兩極片間電容量為330PF,十個單元電容量一共3300PF,用一台每聲道110瓦的甲類真空管擴大機來驅動。二十單元的揚聲器特性如表一所示。兩百赫以下的低頻使用動圈式12吋低音喇叭發聲,擴大機前有有一每八度音程12dB的分頻網路行電子分音。中高音的真空管擴大機除供給1400伏特偏壓之外並可產生峰到峰值二千伏特的訊號電壓驅動振膜發聲。全揚聲體系如圖三。發音單元的數目任君選擇,最好在十個(寬五高二)以上。

表一：5單元寬4單元高之靜電揚聲器特性規格

尺寸:30 5/ 8”寬×63 1/ 4”高

重量:16磅

電容量:6600PF

峰值電壓:2KV

頻率響應:140Hz~30KHz ±5dB

聲壓輸出:以2KV峰間值驅動時110dB峰值輸出

擴散度:140Hz~30KHz ±5dB時大於40°

振膜面積:每邊1.08平方公尺

共振頻率:130赫

單元製作

製作48單元所需的器材如表二,每聲道二十單元之外餘下8個以備淘汰或備用。

表二：48單元製作所需材料一覽表

1.)75平方公呎 0.032吋厚開有1/8吋直徑圓孔,孔心距離3/16吋之鋁板

2.)14平方呎 0.030吋厚醋酸纖維薄板

3.)14平方呎 0.040吋厚醋酸纖維薄板

4.) 5磅苛性鈉(工業用氫氧化鈉)

5.) 1加侖丙酮

6.)100平方呎0.25mil厚麥拉膜

7.)200平方呎0.08mil厚聚碳酸酯膜

8.)150枚 2-56×¼吋銅螺絲

9.)300枚 2-56銅螺母

10.)½兩裝 GC電子公司製品#21-1導電銀漆一瓶

11.) 1夸特聚酯樹脂

12.)200枚6-32×3/8吋尼龍螺絲

13.)GC電子公司 #347環氧膠水, 4兩裝2管

14.)Dexter公司 #608環氧膠, 2兩裝4管

15.)½吋Scotch 雙面膠帶2捲

16.)22MΩ/¼W電阻50支

17.)石墨粉一瓶

鋁板加工：

　　首先需要的是厚1/32吋,如圖四規格開孔的鋁板,最好直接要廠商切成3呎×5呎大小。裝運或搬運時要仔細切勿弄彎,邊緣的不規則與表面的細紋沒啥關係,但是較大的曲翹會使慘遭失敗惡果。

(1)切割

　　按圖五方式切成6吋×15吋的矩形,誤差不得超過1/32吋。要用大金屬剪來切,電鋸會弄出鋸齒狀的毛邊。單元結構如圖六,由前後兩片鋁板做為極板,兩片鋁板上的孔眼最好能相重疊,以獲致最澄清的音色。

　　鋁板沖的孔一面會起毛邊,這面必須朝外,否則尖銳處在高壓下會電暈放電擊穿振膜。在毛邊的那面角落上以刀片刻上號碼以資識別,將來腐蝕電鍍之後這個記號仍然可以看得出來。

(2)腐蝕

　　把切好打上標記的鋁板用丙酮液洗淨表面的油漬與灰塵,乾燥後準備腐蝕。

　　將購自化工原料行的氫氧化鈉配成5M濃度的溶液,即每公升水溶解200公克。氫氧化鈉在溶解時會放出熱量,所以在溶解時得慢慢加,並且一面加一面攪拌。不可使用金屬容器,要用玻璃或塑膠容器。

　　鋁板一次一片浸入氫氧化鈉溶液中,起初的幾片每片浸約五分鐘取出;隨後溫度逐漸升高,可將時間慢慢減少到二分半至三分鐘。

　　腐蝕後取出以清水沖淨,用海綿搾去表面的褐色薄層氧化物。一次配兩公升溶液大約可以腐蝕12~15片。腐蝕好的鋁板不可用手觸及。廢溶液加上大量水稀釋然後才倒棄。

(3)電鍍

　　將腐蝕好的鋁板交給鋁板廠做陽極處理,這會使得表面介電性質均勻。處理厚度：約0.7 mils,千分之七吋。顏色不拘,注意提醒廠商切勿弄彎鋁板,電鍍時電極只能夾在鋁板邊緣,電流不能太強,否則鍍出來的表面粗糙。

　　取回電鍍處理好的鋁板,小刀再每片鋁板外側圖七中所示的斜線位置把電表層刮去約1/4寸見方,這位置將來要作為接點用。(編註:原作者送廠處理了96片計花58元美金)

二、隔離墊片製作

　　隔離墊片的作用在固定前後鋁板與中間振膜之間的空氣隙,使用30密爾(約0.8mm)的醋酸纖維板裁切成長條鋪再鋁板四周如圖六圖七所示,中央部份也加了兩行十四塊方形墊片來防止振膜觸及前後鋁板。

　　前後鋁板外還要各加一層防塵膜,這防塵膜與鋁片之間則是使用40密爾(約1mm)厚的墊片。

　　醋酸纖維板可以用一般的大剪刀來剪,剪之前要先擦拭乾淨,雙手也要保持清潔,按表三所列的規格與數量剪裁,誤差不得超過1/32吋(0.8公分)。

　　剪好後在墊片E上按圖七所標示的位置鑽三個3/32吋大小的端子孔H、G與F。兩側另有固定孔暫時不鑽,待單元製作完工,鋁架也做好後才鑽,這是把單元固定在鋁架上用的。

三、墊片黏著：

　　墊片要黏在鋁板上圖七所示的位置上,要黏準可以按下面的方法：先在紙上畫出要黏的位置,把墊片先黏在這位置上;然後在墊片上塗膠水,把鋁板壓上,膠水乾後翻轉過來,撕下原先固定墊片相對位置的紙即得。如果你想同時黏數片鋁板,這種紙要多畫幾張。可以用複寫或複印,但是不可用影印,因為影印機利用光學投影,會把影像變形扭曲或改變大小。

　　為了要使黏著平整,桌面必須水平,墊上一塊平玻璃。畫好墊片的紙置於其上,在墊片位置先黏一層雙面膠帶,然後把墊片黏上,在墊片上塗一層均勻的膠水──這種鋁與醋酸纖維用的是一種環氧膠水,凡在24小時內可以乾涸者均可代用。塗時不可用手,可以找一截大約18號左右粗細的裸線,一端彎成一個小圈,沾了膠水塗在墊片上。

　　墊片塗好膠水後,把鋁片內側(沒有刻記號的那面)朝下壓在墊片上,鋁板上再加一層玻璃,然後加上約50公斤的重壓,等約半小時看鋁板與墊片不會滑動後才能上床睡覺(如果桌面不水平,時間一久鋁板就會滑離原來的位置)。第二天膠水完全乾涸後才可以取出鋁板,把黏在鋁板上的那張紙剝下。待所有A、B、C墊片都黏好為止。

四、振動膜黏著：

(1)振動膜拉平

　　振動膜用1/4密爾厚的Mylar膜,大小要比圖七的鋁板外緣多出10吋x20吋才行。黏著之前先要把Mylar膜拉直,可以按照圖八方法做一個簡單的擴張器。這擴張器用四跟寬3/4吋、厚1/4吋的鋼條構成。鋼條的一端鑽一個10~32規格的螺絲孔,另一端為同樣大小但是不開螺紋的孔,孔與邊成45度角。四根鋼條在一面黏有雙面膠帶,在拉平Mylar膜時,先把膜放在一個平面上,小心地把鋼架有膠帶的一面朝下壓在膜的上面,然後把四枚螺絲旋緊2 1/2到3圈,此時鋼架擴張,Mylar膜就被拉直了。

(2)半導電性處理

　　振膜的一面不導電,另一面須具半導電性,以便電壓加在上面時電荷能分佈到整個膜上。振膜的四週有一圈寬約1/4吋的導電帶(圖九)恰好在鋁板的邊緣內側,在相距一吋的兩點上測量其間的電阻值小於1M歐姆;中央部份則為10~100M歐姆。

　　先找張紙畫下鋁板的四邊輪廓,把振膜與擴張器壓上,以奇異筆標出四個角位置於膜上,然後沿著邊緣輪廓灑一圈1/8吋寬的石墨粉,用張紗布將粉輕輕散開,在用力磨擦至測量電阻小於1M歐姆為止。(使用兆歐姆計測量)最後磨中央區域,到各處電阻都很均勻的在10~100M歐姆範圍內為止。

　　磨好之後,清除膜上與鋁板墊片上的石墨粉與灰塵,至清洗雙手,準備黏這張振膜。

(3)振膜黏著

　　黏著之前仔細檢查墊片、鋁板上不可沾有導電性的碳粉與灰塵。再A、B、C墊片上塗一薄層五分鐘快乾環氧膠水,把振墊上的四個角標記對準鋁板的四角壓下,振膜的導電面應朝上。加一塊1/4吋厚的乾淨玻璃板,玻璃板上再加五十公斤重壓,注意玻璃板不可有滑動現象。

　　等20~30分鐘後拿開玻璃板與重壓物,用刮鬍刀片從AB墊片外緣向內算起1/16吋的周圍割下Mylar膜。這時由於膜的張力作用會使表面略為彎曲,等另一塊鋁板黏上後即可恢復平整。

　　B、C墊片上塗好快乾膠水,右下角圖十所示的位置上黏一片1/4吋x1/2吋大小的鋁箔,再鋁箔上滴一滴約有大頭針頭那樣大小的導電銀漆。

　　把已黏好Mylar膜的起初那塊鋁報膜朝下壓在這片鋁板上,邊緣要對齊,這時導電銀漆將會壓在振膜外圈的導電區域上。最後鋁板上加一片玻璃與五十公斤重壓,等待30分鐘使膠水乾涸。要注意的是：鋁箔與導電銀漆都不可超越隔離墊片A的內緣,否則會造成電弧或短路。

　　把所有單元都做到這一步後你可以喘口氣了,因為最困難的部分已經完成。

五、鋁板電極安裝：

　　H、G與F三個電極一共要用到到三枚2-56x5/16吋的銅螺絲與六枚螺母。首先在兩騙鋁板外側按照黏著A、B、C墊片的方法黏上D與E墊片,其中E上已經鑽有H、G與F個孔。(圖七)把D與E光黏在標有位置的紙上,E墊片的F孔位置上放一片1/4吋x1/2吋大小的鋁箔用銅螺絲與螺母各一枚鎖緊如圖十一所示。

　　鋁箔的另一端滴一滴導電銀漆,然後把快要完成的單元的外側鋁板壓上,鋁板上最初刮去電鍍層的那塊地方現在應該恰好壓在銀漆上。按以前的老方法壓一塊玻璃與五十公斤重壓過一夜。

　　膠水乾後把D、E背後的紙撕下,再E上的G孔插入一枚銅螺絲。把一枚1/4瓦22M歐姆的電阻的一腳圈成一個圈鎖在這枚螺絲上。電阻的另一隻腳這時應伸到黏在振膜上的那片鋁箔之上如圖十一所示,再這腳上滴一滴導電銀漆,把鋁箔在腳上捲一圈後剪去多餘的鋁箔。

　　再H孔上也加一片1/4吋x1/2吋的鋁箔,鎖上最後一枚銅螺絲與螺母。在上層鋁板刮掉電鍍層的位置上滴一滴銀漆,再把這片鋁箔壓在上面,注意這片鋁箔不可觸及下層鋁板。然後把另一份D、E墊片先黏在紙上,塗膠後把上層鋁板面朝下壓上,加玻璃板與重壓物等待膠水乾涸。

　　最後在D、E的接縫處用聚脂樹酯填滿,樹酯不可多到流入振膜之上。

六、防塵膜黏著：

　　防塵膜用聚碳酸酯膜(Polycarbonate film),先用擴張器拉平,清潔乾淨後跟黏振膜一樣方法用快乾膠水黏在D、E墊片之上,乾涸後用刀片割掉多餘部分。

　　下層防塵膜黏著時會觸及E上的三枚螺絲,因此先要在相關位置上用烙鐵小心地燒出三個孔,其大小以套得過三枚螺母為度,然後才黏在下層鋁板上的D與E墊片上。到此為止所有發音器元全部完工,每個單元的兩片鋁板都用鋁箔接到H與F螺絲上,振膜則接到G上。

七、單元裝組：

　　鋁架的設計要使各發音單元相接,相鄰的兩個單元成大約9度角(最多不可超過12度),垂直方向不必成角度,因為兩層以上單元堆積起來已足夠涵蓋整個欣賞位置了。單元在鎖上鋁架前要在墊片E的兩端再鑽兩孔(一個單元上下兩片E墊片一共四個孔),然後以尼龍螺絲鎖在鋁架上。單元之間的空隙不必填封,不過鋁架必須牢固,不能在工作時振動發聲。

八、配線：

　　所有單元的三個點一律同相並聯接在鋁架底部的一塊塑膠玻璃板上的蓮花插座上。接線可用一般600伏特電子線。前面鋁板將來要接到擴大機的正向輸出端。從喇叭接到擴大機的三根線要用5KV探棒用的高壓線,兩端接上蓮花插頭。

結語

　　實際製作時每個單元特性都不盡相同,整只喇叭的特性為各單元特性的平均值,圖十二為六塊單元的個別響應曲線,圖十三是它們的平均特性。發音單元的數目愈多,即總面積愈大時音色愈豐富,同時低頻響應也愈好(圖十四)。在正前方軸線上及與軸線成各種角度時所測得的響應曲線如圖十五,如果要看出再各種頻率時的指向性最方便的是圖十六的極座標表示法,由圖中可以看出在20Hz+/-5dB的響應範圍內擴散角高達50度左右。