翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#13
如何测量磁性耳机和陶瓷耳机听筒的电声转换功率损耗以及一些耳机的测量结果
内容速览：
本文介绍了一种测量耳机听筒灵敏度的装置和过程。目的是提供一种比较听筒的定量方法。听筒可以很容易地分类，以用于监听微弱信号，例如如用于矿石机的耳机听筒。文中还提供了各种听筒的实际测量结果。
1. 测量
耳机听筒的转换功率损耗可定义为其输出声功率与输入电功率之比。 我们称之为HPEL，单位为dB。测量HPEL的简便方法是将一副耳机两个听筒中的一个用作扬声器，另一个用作话筒，并将它们通过传音耦合在一起，然后测量扬声器的输入电功率和话筒的输出电功率。10 * log (输出功率 / 输入功率) 就是两个听筒组合的传输功率损耗，单位dB。如果两个听筒完全相同，则每个听筒的功率损耗为损耗值的二分之一。
以下是测量的详细步骤：
[*] 了解耳机听筒的平均阻抗Zh。如果不知道，请用FILVORA测量(见文章#2)，或者假设它是电磁式听筒，将阻抗估算为听筒直流电阻的6倍。
[*] 用一个合适的声耦合器将两个相同的听筒A和B耦合在一起，并用几条粗橡皮筋将听筒和耦合器固定到位。
[*] 见图1。将白噪声发生器通过一个0.3～3.3kHz的带通滤波器和阻值为Zh的源电阻Rh连接到听筒A，将听筒B连接到阻值等于Zh的输出负载电阻器Rh。滤波器的作用是将白噪声信号的带宽限制在所需的可听范围内，如果不这样做，e1的读数将过高，因为覆盖e1点的噪声频带比输出端的噪声更宽。
[*] 我们将采用插入损耗法测量HPEL。有关此方法的资料请见文章#0“最大可用功率”部份和文章#5-4。
[*]测量P1点的输入电压e1和P2点的输出电压e2。HPEL = 5 * log (4 * ((e2 / e1) ^ 2))，单位dB。式中之所以用5 而不是常用的 10，是因为测得的损耗只有一半是由一个听筒造成的，而我们实际上是在测量两个听筒的损耗之和。
注：建议用1至2磅的力将听筒A和B压在一起，这样听筒和耦合器之间就不会漏气。实际上，如果用其他方法将听筒A和B压得比橡皮筋更紧，也不会增加电压e2的值，所以用橡皮筋就可以了。
图1 耳机听筒测试装置
图2显示了一个带通滤波器的电路，其-3dB点分别为0.3kHz和3.36kHz，在1.0kHz时损耗为0.4dB。该电路由普通9V电池供电。由于典型的直流电阻1000Ω电磁式耳机听筒的阻抗为6000Ω，典型的舌簧式Sound Powered听筒的阻抗为600Ω，因此，在S1控制的输出电阻开关中有这两个阻抗值的近似值。适用于该电路的集成电路是LF353或MC34002。
图2 带输出电阻开关的0.3-3.3kHz带通滤波器
小型FM/AM晶体管接收机的耳机输出是一个方便的白噪声源，将接收机切换到FM模式，调谐拨盘到没有信号、只有噪声的位置。接收机的去加重滤波器将2.1kHz以上的噪声密度降低了每倍频程6dB，但这对结果影响不大。
用于耦合两个被测听筒的声耦合器以ANSI 9-A耳机耦合器为基础。参见《Acoustic Measurements by Leo Beranek》，第743、744页。用公称直径为1英吋的铜管可以制作一个类似ANSI 9-A的耦合器，铜管的长度为0.26英吋，在两端各粘上一个O形圈，O形圈的内径为0.987英吋，厚度为0.103英吋。1英吋铜管的内径为1.025英吋，外径为1.125英吋。总计封闭空间为6立方厘米。还有一种耦合器是用8或9个花园水管垫圈叠放在一起，垫圈内径为5/8英吋，厚度为1/8英吋。使用效果与铜管耦合器类似。
当使用标准话筒校准耳机听筒时，ANSI 9-A耦合器是(或曾经是？)在听力测定中使用的标准耦合器。是一个压着耳机垫的人体耳道模型的简化版本。
说明：
测量用的数字电压表最好是有效值响应型电压表。典型的数字电压表响应全波整流平均信号，或许会令人满意。不要使用响应交流信号峰值或峰-峰值的电压表。
[*] 可以用粉红噪声发生器代替白噪声发生器，但很难用。粉红噪声发生器的低频输出比白噪声发生器大，因此，数字电压表读取的输出电压将显示出更大的波动。
[*] 在测量高HPEL的耳机听筒时，白噪声发生器的噪声输出电压可能需要放大(或使用音频变压器增大)，以克服环境噪声和交流声拾取。
[*] 此处描述的测量方法不包括耳廓和耳机听筒盖之间常有的泄漏的影响。这种泄漏会降低500Hz以下的低频响应，导致实际功率损耗比下面显示的要大一些。
[*] 最好确保所用的两个听筒具有大致相同的灵敏度，否则测量结果将是好听筒和差听筒的平均值。这样的结果会比使用两个好听筒时的损耗更大。
表1 一些代表性耳机听筒的HPEL (两个听筒的平均值)。
* 其中一个RCA/GE听筒的灵敏度比另一个低约6dB，多亏了Dieter Billinger (sky_wave_99)的帮助，我才知道可以通过在外壳外面粘贴一块小钕磁铁来改善低灵敏度RCA/GE听筒的性能。在这种情况下，磁铁起了作用，将弱听筒的灵敏度提高了6dB，因此，该听筒的灵敏度略高于另一个听筒。顺便说一下，磁铁无法提高另一个原本更灵敏听筒的灵敏度，这两个听筒的结构似乎有些不同。要轻松比较任意两个听筒的功率灵敏度(即使它们的阻抗相差很大)，请参阅文章#3。
** 我们选择了两个具有强磁铁的听筒，并对气隙进行了优化。普通的Brandes听筒可能没有这么灵敏。
为了帮助理解这些图表，请想想8dB (6.3倍)的功率变化通常在主观上被认为是2倍的响度变化。
2. 对比
为了比较平贴耳朵的耳机与耳塞类耳机的灵敏度，我决定用我最好的听筒作为“标准”，通过DFLVORA与其他听筒进行比较(见文章#3)。“标准”听筒是一只Western Electric的Sound Powered耳机听筒，编号#D173012，平贴在一只耳朵上。在下面显示的结果中，对两个Mouser听筒进行了测试，发现它们的灵敏度相同(那是在我发现一个听筒灵敏度低之后，直到我敲了好几次)。两个Radio Shack听筒的测试结果也是相同。请注意，DFLVORA可用于比较任何两个耳机听筒的功率灵敏度，即使它们的阻抗相差很大。详见文章#2-1。
表2 所选耳机听筒的灵敏度与“标准”的比较。
这些对比是用小型晶体管收音机作用DFLVORA的语音输入信号进行的，收音机的音量调到我能听懂约50%单词的水平。对于像我这样年纪不大、高频听力也不差的人来说，结果可能会有所不同。标准听筒和DUT之间的音质差异会对不同人群的可懂度产生不同的影响。压电陶瓷听筒的灵敏度值只有在听筒上没有并联为二极管检波器提供直流电流通路的电阻器时才能达到。电阻器会增加损耗(尽管这是一种为二极管提供直流电流通路的低成本方法)。此外，如果为了减少损耗而增大电阻值，则音频失真往往会取而代之。
驱动听筒的最佳方法是使用音频变压器，使二极管检波器的输出阻抗与听筒的平均阻抗相匹配。变压器还为二极管提供了直流电流通路。使用变压器的另一个好处是压电陶瓷听筒上不会有直流电压。有的时候，如果调谐到强信号，并在听筒上产生较大的整流直流电压，听筒就会“冻结”，灵敏度会下降。
有关变压器耦合和二极管直流电阻负载的信息，请参见文章#5 (二极管上的直流负载电阻值应等于交流音频负载阻抗的平均值)。
* 串联DUT的灵敏度与“标准听筒”的灵敏度对比用以下方式进行：
将一副耳机的DUT串联连接到DFLVORA的J1端子，给DFLVORA馈入微弱的声音信号，并调节声源电阻开关获得最大音量和最高清晰度。然后将“标准听筒”连接到J2端子，调节衰减器使“标准听筒”的声音清晰度与DUT的声音清晰度相等(另一个听筒悬空)。“标准听筒”馈电电路中的衰减量是衡量“标准听筒”和DUT之间灵敏度的差值。由于加到每个听筒的功率只有加到耳机上总功率的1/2，所以正在监听的听筒接收到的功率是总功率的1/2 (功率少3dB)，即单个听筒的读数会差3dB。因此，DUT的灵敏度比衰减器读数的总和高3dB。上表中DUT的数值已经做了3dB修正。在进行此类对比时(将一副耳机中的一对听筒与单个“标准听筒”进行对比)，首先要检查一副耳机两个听筒的音量，如果音量不相等，就会导致错误。如果音量相差不大，则分别对这副耳机的每个听筒进行测量，然后取测量结果的平均值。由于一副耳机中每只听筒的声载荷不同，因此，上述过程会产生一些误差。
3. 总结
被测的Western Electric #509W耳机的灵敏度比“标准”低6dB。
被测的Baldwin C型耳机的灵敏度比“标准”低9dB。
被测的Brandes Superior Matched Tone耳机和两个Radio Shack压电陶瓷耳机的灵敏度比“标准”低12dB。
被测的两个Mouser压电陶瓷耳机的灵敏度均比“标准”低20dB。
事实证明，Sound Power耳机是最灵敏的，因此，更适合用于收听微弱信号，比如用矿石机尝试远程接收时。
在所有情况下都假定驱动耳机的源电阻等于耳机在所涵盖的音频范围内的平均阻抗，这是我们所能得到的最接近阻抗匹配的条件。
最后一项：请记住，耳机的灵敏度因设备而异。上面给出的数字并不是被测样本的所有同型耳机的数据。振膜变形，磁铁变弱，气隙可能会改变，这些变化都会影响灵敏度。
文章#13 发布时间：2000-08-30；最新修订：2004-10-28
原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/13MHpLs/13MHpLs.html
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