Sähköstaattiset kuulokkeet akkukäyttöisellä vahvistimella

vahvistinosa - kuulokeosa

Varoitus! Tässä projektissa käytetään korkeita jännitteitä (jopa 1000 V), vaikka laite onkin paristotoiminen. Tämän takia rakentamaan ryhtyvän henkilön on tiedettävä mitä on tekemässä.

Lueskeltuani netissä joidenkin tekemistä sähköstaattisista kuulokkeista iski halu tehdä itselle samanlaiset. Olin kyllä jo aikaisemminkin hieman kokeillut täällä periaatteella toimivaa kuuloke-elementtiä, mutta se ei soinut kunnolla. Tämä johtui pikaisesti kokoon heitetystä elementistä ja sopivan vahvistimen puutteesta. Näistä elementeistä oli silti suuri hyöty myöhemmin suunnitellessani vahvistinosaa, kun en ollut vielä tehnyt lopullisia kuulokkeita.

Tässä se ensimmäinen kokeiluelementti.

Se oli tehty 2 mm muovilevystä, 1,5 mm -silmäisestä metalliverkosta ja tuorekelmustta. Kalvon johtava grafiittipinnoite oli lyijykynän terästä hiottua hienoa jauhetta, jota hiersin nenäliinalla kalvoon pienen määrän. Kalvo oli liimattu yhteen kehikkoon kontaktiliimalla. Muoviset kiinnitysruuvit oli tehty koottavan pienosmallin osien kehikosta. Siitä sai muovitangon paloja, joihin tein 3 mm kierteet.

Laitoin elementin molemmille puolille 5 mm vaahtomuovia estämään sähköiskujen saaminen verkoista ja vaimentamaan bassoäänillä kuuluvaa resonanssia.

Tällä tavalla tehtyä elementtiparia yritin soittaa putkiradion ja myöhemmin putkivahvistimen päätemuuntavan ensiön signaalilla, mutta jännite oli liian pieni. Myös pääteasteen käyttöjännite oli liian matala käytettäväksi kalvon polarisointiin. Saatava äänenvoimakkuus oli siten hyvin pieni, mutta sainpa edes jotain ääntä kuulumaan!

Yritin käyttää myös laatikoistani löytyviä erilaisia verkkomuuntajia takaperin kytkettyinä transistorivahvistimen kanssa, mutta ne eivät nostaneet jäännitettä tarpeeksi. Niiden sydän kyllästyi helposti, jolloin syntyi säröä. Tämä kaikki tapahtui vuosi tai kaksi sitten.

Loppukesästä 2002 päätin, että tekisin kuulokkeet mukaillen Neil Pollockin tavallista suuremmalla esijännitteellä toimivia kuulokkeita (linkin sivulla aika alhaalla).

Idean käyttää kuulokkeiden rakennusalustana kuulosuojaimia sain Arto Kolinummen sivuilta.

Elementit tein yksipuolisesta lasikuitupiirilevystä ja valmistin ne kuin tavallisen piirilevyn valottamalla, kehittämällä ja syövyttämällä. Eristerenkaat ovat 0,8 mm paksuja ja ritilät 1,6 mm. Valotusmaskeissa käytin seuraavia kuvia. Kuvissa olevan soikion leveys on 73,5 mm ja korkeus 98,1 mm. Se sopii Peltor H9 kuulosuojaimen sisälle pienellä viilauksella. Ritilän reiät porasin 1,5 mm terällä. Maskissa reiät ovat pienemmät, jotta terä ei lipsuisi porattaessa. Tällä kuvioinnilla reikien osuudeksi tehollisen alueen pinta-alasta tulee 33 %. Valmiista levyistä täytyy poistaa muotoon leikkaamisen jälkeen reunaviivan jäännökset, koska ne johtavat sähköä.

Saat valotusmaskikuvista klikkaamalla tarkemmat.

Kuten kuvissa näkyy staattoriritilöissä on pinnassa kuparia. Hioin kuparipuolen varovasti hienolla hiekkapaperilla tasaiseksi porausjäysteistä, minkä jälkeen eristin ja suojasin pinnan kiiltävällä akryylilakalla. Mattalakka olisi ehkä ollut parempi, koska kalvo tarttuu hanakasti kiinni kiiltävään pintaan puhalluksen vaikutuksesta. Kalvon pölyyntyminen kuitenkin helpottaa ongelmaa ajan mittaan. Tämä puoli tulee elementissä sisällepäin. Samalla saadaan mukavasti jännitteinen pinta piiloon. Elementin reunatkin ovat eristäviä lukuunottamatta johtojen kiinnitypaikkaa.

Eristerenkaissa on kehä kuparia kalvon polarisaatiojännitteeseen varaamista varten. Molempien rinkuloiden kuparipinta tulee kalvoa vasten ja ne kytketään yhteen ja -0,4 kV potentiaaliin. Alunperin kiinnitin kalvon kaksipuolisella läpinäkyvällä teipillä toiseen renkaaseen, mutta kiristetty kalvo luistaa pikkuhiljaa löysemmäksi. Liimakiinnitys olisi pitempi-ikäinen, mutta toisaalta vaikeampi huoltaa. Kalvona käytin tavallista Elmu-tuorekelmua. Se on 0,01 mm paksua LD-polyeteenikalvoa ja se johtaa riittävästi, jotta sen voisi varata ilman grafiittipinnoitusta. Näissä elementeissä kalvo varataan joka puolelta reunoilta, joten vuotovirta itse kalvosta pitäisi olla todella pieni (vain ilma koskettaa kalvoon). Latautuminen kestää 20 - 30 sekuntia vahvistimen käynnistämisestä kylmiltään. Ääntä alkaa kyllä heti kuulua, mutta voimakkuus kasvaa vähitellen hetken ajan.

Kalvon täytyy olla sopivan kireä, jotta se ei heilahtaisi itsekseen tai ilmavirran vaikutuksesta kiini toiseen staattoriin. Jos kalvo on liian löysä, se tarttuu kiinnisähköisen vetovoiman takia. Tuorekelmua ei saakaan kamalan tiukalle, koska se alkaa venyä pysyvästi, mutta on se silti mahdollista saada tarpeeksi kireälle. Kalvon resonanssitaajuus vapaassa ilmassa tulee yllättävän korkeaksi, sadasta pariin sataan hertsiin. Se laskee bassoalueelle asennettaessa kalvo verkkojen väliin ja sen voimakkuus laskee häiritsemättömän matalaksi.

Kuulokejohtona käytin 10-napaista lattakaapelia, josta otin käyttöön 6 napaa. Näin sain käyttää joka toista johdinta napojen välisen kapasitanssin pienentämiseksi. Ainoastaan kumpaankin korvaan menevän polarisaatiojännitteen navat ovat vierekkäin, mutta siitä ei ole merkitystä, sillä niiden välillä ei ole vaihtojännitettä.

Kokeiluja:

Vasemmanpuoleisen kuvan kokeilun tapa ilman kuulosuojaimia kuulosti parhaalta näistä kolmesta. Kuulosuojaimen korvaa ympäröivän pehmusteosan käyttö toi ääneen keskialueelle ikävän korostuman, joka kuului pahiten naislaulajien äänessä. Piirilevystä tehty elementti ei tarvi niin paljon bassoresonanssin vaimennusta kuin ohuesta metalliverkosta tekemäni, koska sen rei'itys on ahtaampi. Elementin ja korvan välissä on silti hyvä olla vaahtomuovia, koska se tuntuu tekevän äänestä vähemmän värittyneen.

Vasemmassa kuvassa on elementin ja korvan välissä 5 mm polyesterivaahtomuovia, mutta se ei valitettavasti pelastanut ääntä, joten tein rakenteesta täysi avoimen oikeanpuoleisen kuvan mukaisesti. Pehmusteina siinä on kuulosuojaimen sisältä saadut vaahtomuovit kiinnitettynä muutamalla kuumaliimapisteellä kuulosuojaimen runkoon. Niiden paksuus ja tiheys on niin suuri, että ne vaimentavan jo diskanttia hieman. Sankojen puristus tuntui kovalta tässä versiossa, mutta sankoja sai onneksi väännettyä vähän löysemmiksi.

Sähköstaattisen kuulokkeen täytyy olla avoin elementin ulkopuolelta. Kokeilin sijoittaa elementtiä myös kuulosuojaimen sisälle ennen sen sahaamista vannessahalla auki, mutta ääni oli kamala. Bassot olivat kateissa ja ääni honotti ja resonoi purkkimaisesti. Avomena nämä kuulokkeet soivat hyvin, mutta avoimuuden takia kuulokkeet päästävät huomattavan paljon ääntä ympäristöön.

Lisäys 30.8.2003

Kokeillessani kuulokkeita pitkän tauon jälkeen huomasin, että tuorekelmu ei säilytä sähköjohtavuuttaan ajan kuluessa. Kalvojen varautuminen kesti todella kauan. Tunninkaan kuluttua äänenvoimakkuus ei vielä saavuttanut totuttua tasoa. Tästä voidaan päätellä, että kalvon grafiitiipinnoitus on sittenkin lähes välttämätön, ellei sitten pidä kuulokevahvistinta jatkuvasti päällä.

Toinen pikku ongelma on, että kaksipuolinen teippi ei useista yrityksistä huolimatta vieläkään pidä kalvoa aivan riittävän tiukalla. Tämä pitänee muuttaa liimakiinnitykseksi samalla, kun laitan kuulokkeisiin uudet grafiittipinnoitetut kalvot.

Melko pian kuulokkeiden valmistumisen jälkeen vaihdoin kuulokkeiden paksun vaahtomuovin 4 mm paksuiseen harvempaan polyesteriseen tavaraan. Muutoksen jälkeen sointitasapaino oli kirkkaampi ja omaan makuuni paremmin sopiva, ellen jopa sanoisi, täsmälleen oikealta kuulostava. Ääni on erittäin tarkka. Musiikkimateriaaliksi sopii parhaiten kaupasta ostetut CD:t tai hyvälaatuiset mp3:set. Radio sitävastoin on niin säröinen äänilähde, että sen kuuntelu ei ole oikein nautittavaa näin tarkoilla kuulokkeilla, koska säröt ja kohinat kuuluvat selkeästi. Miinuspuolena näissä kuulokkeissa on, että niistä ei saa mitään ihmeellisen suuria äänenpaineita. Herkkyyttä saisi parannettua nostamalla polarisaatiojännitettä, mutta tällöin kalvojen tulee olla tiukemmalla, etteivät ne lätkähdä kiinni staattoreihin.

Lisäys 31.8.2003

Nyt on uudet hyvät kalvot. Seuraavassa asennusselostus.

Levitin apulaisen kanssa tuorekelmun puhtaan lasilevyn päälle märällä ikkunalastalla. Näin siihen ei tullut juuri kuplia. Murskasin kaksi lyijytäytekynän 0,5 mm paksua HB-lyijyä hienoksi jauheeksi ja levitin sitä pumpulipallolla rauhallisesti kalvoon. Levityksessä ei kannata käyttää suurta painetta ja vauhtia, sillä silloin pehmeä kalvo kuumenee ja saattaa saada ikäviä kurttuja. Mittasin aina välillä kalvon johtavuutta kahden 10 sentin kolikon ja yleismittarin avulla. Pistin lantit muutamien millien päähän toisistaan ja mittasin resistanssin sieltä täältä yleismittarilla. Kun mittari tunnisti jotain resistanssia, eli tässä tapauksessa alle 29 megaohmia, grafiittia oli riittävästi. Kun jättää resistanssin mahdollisimman suureksi, kalvoon ei pitäisi syntyä paloreikiä, vaikka kalvon ja staattorin välillä tapahtuisikin sähköpurkaus.

Kalvon liimauksessa eristimeen koitin aluksi kontaktiliimaa. Leivitin sitä allaolevan kuvan mukaisesti eristinrinkulan ulkoreunalle, jottei se estäisi kontaktia kalvon ja renkaassa olevan johtimen välillä. Liiman määrä on tarkka annostella. Liian vähän ja se ei kosketa kalvoon (kalvo on suoralla lasilla ja renkaan johteella on oma paksuutensa). Liika liima taas pursuaa renkaa sisäpuolelle ja sulattaa kalvoa ja synyttää sen alle kuplia.

Kuvassa oranssi on liimaa, musta kuparia ja liiman alle jäävä kaistale paljasta piirilevyn pohjamateriaalia.

Lopulta tein uudet kalvot ja liimasin ne kuumallaliimalla. Annostelin liimaa pistoolilla ylläolevan kuvan mukaisestija annoin renkaan jäähtyä, sillä se ei olisi tarpeeksi kuuma kylmän lasin päällä olevan kalvon liimaamiseen. Lämmitin silitysraudan silkinsilitysasennossa (säätimessä yksi pallo) ja sitten kuumensin sillä yhden rinkulan pitäen raudan pohjaa ylöspäin ja rinkulaa siinä liima ylöspäin. Liima suli ja painoin renkaan kiinni kalvon grafiittiseen pintaan. Painelin vielä silitysraudalla lisää ja liima suli pikkuhiljaa ohueksi kerrokseksi.

Nostin kehikot kalvoineen varovasti pois lasin päältä ja huomasin kalvojen olevan paikoin vähän löysät ja poimuiset. Onneksi oli kokeillut epäonnistuneesti liimatuilla kalvoilla kuumentamisen vaikutusta kalvon kireyteen. Kun pitää kalvon alla viiden sentin päässä juotoskolvia (normaali n. 300 astetta), kalvo hiljalleen pehmenee ja löystyy. Kun sitten se jäähtyy, se tulee vähän kireämmälle. Kuumennettaessa on oltava varovainen, sillä liika kuumennus tuottaa kalvoon yhtäkkiä reikiä. Tällä tavoin sain kalvot lähes rypyttömiksi ja yhtä kireiksi.

Sitten vain juotin johdot kiinni ja työnsin kerrosvoileivän kuulokkeen rungon sisään.

Nyt ääni tulee heti, kun käynnistää vahvistimen ja elementtien herkkyys on sillä sekunnilla suurimmassa arvossa, jonka ne toimiessaan saavuttavat. Herkkyys muutenkin on nyt riittävä ja suurempi kuin parhaimmillaankaan ilman grafiittia, eikä vahvistinta siten tarvitse luukuttaa tehojensa rajoilla. Ennen kuulokkeissa saattoi olla kanavatasapainovirhettä, mikä yleensä häipyi pikkuhiljaa kalvojen varautuessa eri tahtia. Nyt tätä ilmiötä ei pitäisi tulla. Aika näyttää miten tämä kokoonpano kestää ja säilyttää ominaisuutensa.

En osaa sanoa, toiko tämä korjaus suurempaa muutosta ääneen, muuten kuin, että enää ei tule soitettua vahvistinta niin isolla ja hieman säröllä kuin ennen.

takaisin etusivulle

sähköposti:

Matti Nisula 28.12.2002