耳机漫谈续篇…高灵敏度Sound Powered舌簧式耳机

mak1939

耳机漫谈续篇…高灵敏度 Sound Powered 舌簧式耳机

在本论坛的 “耳机漫谈… 如何提高耳机的灵敏度” （ http://www.crystalradio.cn/bbs/viewthread.php?tid=6858&extra=page%3D2
）一文中，我曾经提到1960年代我有一对结构和舌簧式扬声器相同的高灵敏度耳机。现在很想再找一对这样的耳机，但是不知道哪里可以找得到。

有网友介绍说139收信机的耳机是舌簧式的。我试用过觉得并不特别灵敏，声音是比一般耳机大些，但是太尖，灵敏度和音质比不上好的高阻耳机。盖子好象是用胶密封的。怕弄坏了不敢乱拆，因此还不清楚它的内部构造。

一位论坛上热心的朋友说他有舌簧式的耳机，愿意送给我。最近耳机辗转来到我手上。在此特别表示衷心感谢！

这是一种收发报机用的低阻耳机。两个耳筒串联的电阻约150欧。灵敏度比较高，但是因为阻抗低，用在矿石机的检波器上要注意选择适当的线圈抽头使阻抗和谐振回路匹配。



在下面它的发声元件照片里，黑色底座和线圈之间的一片金属（舌簧）被螺丝固定在中间。舌簧的末端焊了一条小金属杆到锥形振膜的中心，舌簧振动的时候便推动锥形振膜发出声音。



在很多国外的矿石收音机网站里，常见到制作DX（远距离接收）矿石机的爱好者提到 “Sound Powered” 这个名词。他们众口一词，对 Sound Powered 耳机赞声不绝。对其中 RCA 公司的一种型号更特别推荐，还根据它的形状起了个外号 “Big Cans”（大罐头）。

这就是 RCA 的 MI-2045-E 型 “Big Cans”：



有一张在网上的照片更引起了我的注意：




大家也许知道美国的老布希总统，前几年过70岁生日还不服老，从飞机上跳伞，还说希望到80岁生日的时候再来一次（确实的年龄我没记清楚，只记得有这么一回事）。这可令老布希夫人心惊胆跳了。小布希可能为了显示一下虎父无犬子，也不惜劳师动众，在2003年5月1日亲自驾驶一架战斗机在林肯号航空母舰上降落，然后对舰上官兵演说。这就是当时美国海军发表的一张照片。

一家名为 Dynalec 的公司在它的网页上说明，照片左边的海军女兵头上戴的和颈上挂的就是他们制造的 Sound Powered 通信设备。这使我明白了这种设备今天还未过时。它们仍然广泛使用在国防、消防、矿井和通信设备检修等需要特别注意安全的行业中。甚至监狱囚犯会见探监的亲友时，隔着玻璃窗谈话所用的电话也可能是 Sound Powered 设备。美国现在仍然有十多家公司生产这种通信系统。

物理学告诉我们，电场和磁场是可以互相变换的。传统的电磁式耳机是“听”的工具，但是也可以做“讲”的工具。当我们对着它讲话的时候，声波可以使耳机振膜相应振动而切割永久磁铁的磁力线，于是变化的磁场使它的线圈产生电流。这电流传送到另一个同样结构的耳机里又可以还原为声音。

我在中学里寄宿的时候，就曾经和同学玩过这种“电话”：我们宿舍的房间相隔很远，就用小变压器拆出来的细漆包线沿着走廊拉一条线到自己的床边，又各自在窗外插一条地线和各接一对耳机。一个听筒听，另一个当话筒讲，玩个不亦乐乎。

但是我从来没想到这玩意儿还有实用价值，而且是用在军舰上！


在介绍真实的 Sound Powered 耳机之前，让我们首先了解一下舌簧式耳机的历史。

根据网上资料的介绍，1918年亨利.艾格顿 （Henry Egerton） 首先取得 Balanced Armature （平衡衔铁，我们俗称“舌簧”） 的专利，它是以1882年托马斯. 沃森 （Thomas Watson） 的  Balanced Armature 电话专利为基础的。

美国在上世纪初生产的鲍尔温 （Baldwin） 牌耳机风行一时，就是采用舌簧的原理，它们用薄云母片做振膜。但它们不算是 Sound Powered 元件，因为它并非为这种用途而设计。

舌簧式耳机的效果比旧式的磁性耳机好得多，因为它充分利用了两极的磁力，而且振动膜最灵敏的一点是振动膜的中央，越靠近中心灵敏度越高。这就是为什么磁性耳机尽可能使它的两个线圈互相靠近，并且接近振膜的中心。舌簧式耳机很容易做到这一点，因为它的舌簧连接一条小棒到振膜正确的中心。



Sound Powered 通常是指一种无电源的通信系统。它最初是1940年代为海军设计的。在战斗中，船舰中弹毁坏的时候可能失去电力，无法再利用电话通信。有了这种只以声音为动力的设备，不需要任何电源，临时拉一条电缆就可以保持联络畅通无阻。

为 Sound Powered 设计的元件灵敏度通常比一般的电磁耳机高，因为它们必须在信号电平很低的条件下工作，而且1940年的生产工艺要比1900年好得多了。

当你对着舌簧式话筒讲话的时候，话筒线圈能够产生约20微安的电流，可以传送至几公里外推动多达六个耳机发出足够的音量。最简单的 Sound Powered 系统就是两套耳机和话筒，加上一条电缆。





Sound Powered 系统的话筒不一定是舌簧式的，可能用一般的电磁元件，甚至是碳精话筒或其他技术。

由于 Sound Powered 元件质量好，灵敏度高，自然就成为业余无线电爱好者所用耳机的首选。但是这类元件的电阻通常只有几十欧姆，不适合直接矿石机的检波电路。他们喜欢用高阻抗的输出变压器把阻抗降低，配合 Sound Powered 耳机的阻抗。

下面就是他们常用的 Bogen 725 4瓦输出变压器。可以匹配 8Ω 至 40KΩ 的多种阻抗。





也有人把 Sound Powered 耳机低阻抗的线圈拆开，用 0.05mm 的细漆包线重绕，每个线圈架可以绕到 5000圈。直流电阻从 27Ω 变成 2000Ω，对1KC 的阻抗从 280Ω 变成 28000Ω。耳机的 1KC 可听闻灵敏度则从 0.13 picoW 提高到 0.00028 picoW。这是多么惊人的改进啊！

（ 附注：

1 milli-Watt = 1 / 1000 Watt
1 micro-Watt = 1 / 1000 milli-Watt
1 nano-Watt = 1 / 1000 micro-Watt
1 pico-Watt = 1 / 1000 nano-Watt

Watt = 瓦，milli-Watt = 毫瓦，micro-Watt = 微瓦，nano-Watt = 毫微瓦，pico-Watt = 微微瓦）

关于 Sound Powered 耳机的详细资料，请参考这个矿石收音机网站里面的 “Sound Powered Section”
（ http://www.crystalradio.net/ ）


这个英文网站有很多精彩的内容。看过里面的图片和说明之后，如果有问题欢迎在论坛里提出来共同研究。

最近我终于在 eBay 投标得到了一套 Sound Powered 耳机。是 US Instruments (USI) 公司的 “甲板电话”。它包括一对耳机、一个挂在胸前的话筒，连带几十尺电缆。这是所谓的 “New Old Stock（未使用过的存货）”。打开包裹一看，果然是全新的货色，令我兴奋不已。







话筒下面连着接线盒。在里面把两个耳机和话筒并联在一起，三个元件的电阻各为 65Ω，并联后的电阻约 22Ω。



收到耳机之后，急不及待的接到我的矿石收音机上试听。结果大失所望，声音小得可怜！百思不得其解，只好把耳机和话筒小心拆开。终于发现三个元件的舌簧都被磁铁吸死到一边，不能在两磁极的中间振动。转动夹紧舌簧的上下两个螺帽迫使舌簧回到正中位置后，耳机立即发出柔和宏亮的声音。尖嘴钳夹着螺帽时，手指能够明显感受到舌簧发声的震动。

我把话筒线从接线盒抽出，两个耳机改成串联 （电阻130Ω） 之后，和我的其他耳机对比。可以肯定地说，我从来未听过这么大声的矿石收音机。Sound Powered 真是名不虚传。

原来的接线盒太笨重，接线有三、四十英尺长。但是我仍然希望保留这些配件，不想剪断了事。考虑了很久终于找到一个装照相胶卷的圆筒型胶盒，把两个耳机的接线头装在里面，另配了一条带插头的接线。这样改造一下，使用比较方便也不至于太难看。



我打算把话筒装到号筒上，自制一个号筒喇叭，看看效果如何。耳机也将会进一步测试对比，并且试用输出变压器。请留意 “继续探索40年前有关矿石收音机的疑问” （ http://www.crystalradio.cn/bbs/viewthread.php?tid=8435&extra=page%3D1 ）里面新的试验结果。

这是话筒拆开后里面的元件。它的内部结构和舌簧式耳机完全相同。



这是耳机的内部结构：



舌簧和下面的振膜之间用一条细螺丝杆连接，用螺帽调节舌簧在磁铁中间的正确位置。



舌簧在磁铁后面固定的结构照片:



下面是 USI Sound Powered 耳机分解后的零件照片：








[ 本帖最后由 mak1939 于 2008-2-1 11:22 编辑 ]

天缘

原来如此！长见识了！

pengxn2003

如此好贴一定要顶
长见识了,原来舌簧结构不但可以用在喇叭上,耳机这样小巧的东西也可以应用

mldog

长见识

色影无忌

呵呵....矿石机的利器!

tnlby

这么好的耳机楼主多少米拍得的？

alunli888

楼主一说我倒想起来了,我们单位原来有N多法国ALSTOM公司原装的对线电话,不用电源的,几部电话找根公共线,原来用于电气线路安装查线,不用电源.声音倒是挺大,后来清理库房,全部丢了,太可惜了.

波波猪

又长见识了

mak1939

回复tnlby兄：请看短信。谢谢！

tnlby

谢谢MAK1939的回复,这个拍价物有所值.恭喜!

freant

看MAK兄的文章，真是长见识啊！

mak1939

David Clark H5040 Sound Powered 头戴式耳机

在我寻找舌簧式耳机的过程中，见到不少大卫.克拉克 （David Clark） 公司生产的 Sound Powered 设备。例如下面这种 H5040 型：




我觉得奇怪，这副耳机的话筒无论如何都与舌簧式发音元件扯不上关系，为什么它又标榜是 Sound Powered 设备呢？在网上找了很多资料，发现这家公司还在生产几十种耳机，大部分是供飞机驾驶员用的，有些还是空军的标准通信设备，看来质量一定很好。

看到 H5040 型的零件图之后才明白了它的构造。原来它的话筒只是一条声音导管，把声音传送到一个耳机里（上图左边的耳机）。而这个耳机是反装的，振膜面对声音导管，把声音变成电流。可是这元件背后却特别开了一个洞面对你的耳朵，又同时当耳机使用。三个舌簧式发音元件变成了两个，这种设计真是巧妙！

有些无线电爱好者把这种耳机的声音导管拆掉，话筒后面的洞封闭之后再反过来安装，又变成了一对正常的高灵敏度舌簧式耳机。

还有一种 H5090 型更简单，只用一个舌簧式发音元件 – 既是话筒又是耳机。下面是它的零件分解图。图中的第5号零件是发声元件，背后开洞对着耳朵，震动膜面对右边的四个第12号零件 - 声音导管。







[ 本帖最后由 mak1939 于 2006-9-29 05:16 编辑 ]

mak1939

US Instruments Sound Powered 手持式电话机

今天收到两个美国仪器公司 （US Instruments ） 的 Sound Powered 手持式电话机。这种电话大概是供检查修理线路用的，不需要任何电源。我用两条电线分别接上这两个电话机的插头，在不同的房间里就可以清楚地通话。灵敏度相当高，用大喇叭开着矿石收音机在另一个房间的电话里也能听清楚。



拧开耳机和话筒的前盖，取出两个发音元件。看元件后盖上所印的标记，估计是76年3月的产品。耳机和话筒所用的是完全相同的舌簧式元件，和我两星期前得到的 USI “甲板电话” 也没有区别。



四个发音元件之中，只有一个声音比较小。开了后盖检查，发现又是舌簧位置不对，吸死到一边了。调整舌簧上的两个螺丝帽之后便完全恢复正常。

测量单个发音元件的直流电阻是 62Ω，线圈的电感量是 180mH。根据小坏狼兄提供的公式计算，如果不考虑潜布电容的影响，这个元件对 1000Hz 的阻抗大约是 1100Ω （感谢小坏狼兄！）

如果能够找到合适的耳机盒子，又可以改装成为两对高灵敏度的舌簧式耳机了！



[ 本帖最后由 mak1939 于 2006-9-30 02:44 编辑 ]

蚂蚁

严重恭喜，严重羡慕

mak1939

用压电晶体元件的 Sound Powered 电话

受友人之托，要找一对 Sound Powered 耳机元件。于是在网上买了一个 NCbel Phone 的 Sound Powered 手持式电话机回来。

这电话机很重，上面贴着一块标签： “All Weather Proof P12”，是防水防潮，不怕雨淋日晒的 P12 型。轻轻一按 “CALL” 的白色按钮，话筒就发出怪声，声音从大变小，每按必响。显然这是发出信号通知对方接电话的，可是并没有电池，发声的原理不得而知。按边“TALK” 的黑色按钮，当然就是通话了，但是只有一个手持式电话机，无法做通话试验。





打开盖子，见到两个密封的金黄色元件，后面印着 “Nobel Phone No. 091029”。以为拆下听筒和话筒就可以在矿石收音机上试用了。可是把一个金黄色元件接到矿石收音机上，却只听到蚊子叫一般的声音。

用电表量度，电阻是无限大。这才醒悟到这个元件不是舌簧式的耳机，可能是压电晶体或压电陶瓷耳机。并联一个 50千欧 的电阻，就听到电台播音了。但是比较之下，灵敏度远远不及舌簧式的 Sound Powered 元件，只能说和一般的高阻电磁耳机差不多。





以前在 Sound Powered 的资料里，也曾看到过一段说明： “…Sound Powered 系统的话筒不一定是舌簧式的，可能用一般的电磁元件，甚至是碳精话筒或其他技术…”。现在终于明白这“其他技术”是什么意思了！

吃一塹，长一智。这一回明白了： Sound Powered ≠ 舌簧式耳机



[ 本帖最后由 mak1939 于 2006-9-29 06:08 编辑 ]