玩转舌簧——致以广大矿友

暖风轻音 · 发表于 2021-10-4 20:03:03

本帖最后由暖风轻音于 2021-10-4 21:29 编辑

玩转舌簧——致以广大矿友。

1：古典舌簧效率分析
2：古典舌簧设计与欣赏
3：新器件与新思路

1：古典舌簧效率分析：
1-1：古典双极化平衡电枢：
线圈铜绕，极靴包封。
平衡电枢，夹在其中。
外施强磁，以致振动。
如图P1-1。

空气是导磁的，真空是导磁的，铁钴镍也是导磁的。
但是凡事有不同。真空和空气远不如铁钴镍好导磁，正如铅碳铁远不如铜银来的好导电，电有电阻，磁有磁阻。

电池是有能量的，磁铁也是有能量的。电池短路要坏，磁铁开路要坏。电有电势能，磁铁有磁势能，所以，对于舌簧系统，我们可以得到其磁路等效图P1-2。

其中：r：磁铁材料磁阻
E：磁势
RA：上夹板导磁磁阻
RAB：上夹板与上极靴间接触磁阻
RB：上极靴传导磁阻
RBC：上极靴与舌簧片间的空气磁阻
RCD：舌簧片与下极靴间的空气磁阻
RD：下极靴传导磁阻
RDE：下极靴与下极靴间接触磁阻
RE：下极靴磁阻
RC：舌簧片磁阻

对于一个理想的校正在中心的舌簧系统，永久磁钢产生的定磁流如P1-3。
磁路和电路相似，构成了一个单臂桥。在恰好平衡时，定磁流不经过中心舌簧片，中心舌簧片没有磁偏置，如图P1-4的A点。

在这种理想情况下，舌簧片位于初始导磁率位置，导磁率最大，体现为RC最小。此时如果使用交流励磁舌簧片，那么将使用最少的能量去获得最强的励磁效果，不仅展现为声音最响最灵敏，而且使用电感表测量时，电感量最大。

如果舌簧片歪斜，展现为单臂桥上的臂不平衡。由于RBC和RCD在等效上大于其他磁阻（气隙导磁率远不如铁磁金属导磁率），故而表现为舌簧片上通过了大量的定磁流，此时舌簧片的磁场状态从P1-4上面的A点，移动到b点和c点，或是这二者之间，或是更加恶劣。此时舌簧片导磁率大大下降，展现为音频线圈励磁效果不明显，音量下降，而且，使用电感表测量时表现为电感量下降。

1-2：古典舌簧工作与失真。

从p1-4得到的特性图中，我们可以看到铁磁性材料的导磁率并不是无限的。当我们使用调节理想的舌簧系统去使用在音频上时，在某个瞬间，舌簧片的状态如P1-5所示：

舌簧片在音频的某半周时，舌簧片被励磁后和定磁场共同作用进行了偏转，此时舌簧片不仅通过音频励磁磁流（方向为从舌簧→极靴→舌簧），更因为由于偏转从而通过了用来偏置作用的定磁流。定磁流产生的偏转力与一小部分励磁磁流产生的偏转力维持舌簧保持中心的弹性器件进行抵消（这种弹性器件可以是振膜，也可以是设置的弹性片），多余的偏转力用于驱动舌簧的空气鼓动系统，可以是耳机的振膜，也可以是喇叭的盆。

这里我们可以看出舌簧磁流远远不止励磁所产生的磁流，更有比其强大的多的定磁流。此时如果对交流加入时间轴，那么舌簧片磁状态在P1-4的曲线图上进行剧烈的震荡，由于铁磁性物质固有的性质，在选材上初始导磁率大的容易磁饱和，灵敏度高的需要初始导磁率大的舌簧。故而如果交流稍大，舌簧的磁状态将会不断震荡到临近饱和区（接近1.5特斯拉（针对特定的坡莫合金））甚至是饱和区（极其接近1.5特斯拉）。此时就会出现削顶或者圆顶失真，这可以产生舌簧系统独特的舌簧音的一部分。

舌簧系统由于要使用弹片（弹性振膜）去保持舌簧中心位置，这些机械系统对于能量的损失必须要控制到最低，也就是机械振动的Q高，Q高将会产生音频响应的不平均，这也可以产生舌簧系统独特的舌簧音。

从上面的图中我们可以看出，舌簧系统通过励磁线圈对舌簧片进行音频励磁，将电能转化为磁通能量的变化，进而驱动机械系统产生音频。

1-3 磁隙的设计。

首先明确一个特点：
两个磁极磁场的作用力与单个磁极的变化率成正比。
在一个固定的位置上，单个磁极增长1倍，作用力增长1倍。
两个磁极同时增长1倍，作用力增长3倍。

由于我们知道舌簧的驱动是定磁流和励磁音频磁流共同作用的结果，而舌簧的保持是定磁流和保持位置的弹性器件的作用。

当我们对磁隙进行缩小时，磁场的电路模型的定磁路的磁阻减小，表现为磁隙定磁流增强，如果还想把舌簧保持在居中的位置，那么就需要把弹性器件的弹性模量进行加强。如果舌簧片的音频励磁磁场没有改变，那么很明显作用力只与定磁场的增强成正比关系，驱动振幅没有任何的改变，体现为效率没有任何的上升。

但是实际上，励磁磁路的磁阻同样减小了，电能转化为磁通的效率更高了，表现为音频励磁场同样加强。那么就会造成一个喜闻乐见的现象：驱动振幅也上升了，效率同时进行了提高。

但是磁隙太小，舌簧器件在1-2中的失真就会在较大音量时出现，所以，根据应用来控制它的大小，这是一种调试的艺术。

1-4 极靴的设计。

极靴同时承担着定磁流和音频励磁磁流的双重任务，对于定磁流来说，我们应该考虑的是最高磁通量，对于音频励磁磁流来说，我们应该考虑的是磁导率，所以应该选取工作时磁通量高且磁导率同时很高的铁磁性软铁材料。如果做不到这一点，那么把磁铁减弱是个好的选择。磁铁减弱的同时弹性器件的模量也同时减弱，并不很影响效率。不仅对软铁材料的要求降低，弹性器件的用料也同时降低，是很符合经济性原则的。我们见到很多的舌簧耳机，均不使用强磁，一方面是因为时代因素无法选择，一方面就是因为这个原因。

后期美国器件公司生产的USI1614使用了矫顽力更高的铁氧体去取代磁力更弱但是更稳定的铝镍钴，也有相当的因素是因为铁氧体的廉价性。

1-5：总结

一个好的舌簧系统，不仅应该具有容易调节以保证恰好处于中心的舌簧片，更应该具有一个高初始磁导率和高饱和磁导率的舌簧片，这样可以增加灵敏度和减少失真；应该具有一对高饱和磁通和高磁导率的极靴，这样可以增加灵敏度。应该具有一个合适大小的磁隙，保证合理音量的同时减少失真；一个合理设计的磁路保证磁路上磁阻的最小从而提升灵敏度。一块稳定的磁铁，用来与稳定的弹性系统随时保持恰好的平衡。一个轻质量与低阻尼的机械传动与空气鼓动盆，用来把振动的能量最高效率传送到空气中。

2：古典舌簧设计与欣赏。

舌簧系统的出现比动圈要晚。而退出却比动圈要早的多。但是仍不影响其在合理的时间内出现了众多优秀的设计。在美国，众多的专利书里面，我们可以看到这些古典而精妙的设计：

美国1915年，鲍德温耳机专利。

在鲍德温耳机时代，磁钢远远没有现代先进。鲍德温耳机设计为一圈合金钢磁铁，舌簧片通过一根如同拐杖般的传动杆驱动云母振膜，而调节在中心的方法是舌簧片另一端的的一根金属丝。舌簧片的振动点位于中心。如图P2-1。

美国1926年，舌簧号筒装置专利。

磁钢仍然选用U系合金碳钢，振膜改成了金属波纹膜，没有调节器，舌簧片的振动点位于中心。如图P2-2。

美国1933年，类USI耳机专利。
磁钢选用了当时性能最好的铝镍钴磁钢，这种磁钢温度系数极小且时间稳定性大大上升，磁力比较小，正好与软铁极靴材料情况符合，而且提升了装配效率与经济性。适合与弹性系统保持恰好的平衡，振膜使用金属波纹膜，舌簧单端固定，虽然丧失了一侧的磁力使用，但是巧妙的使用舌簧当做弹性系统的模量也同时减少了一半，所以效率仍然不受影响。如图P2-3。

美国1944年，Dynamic耳机专利。
磁钢选用了当时成熟的铝镍钴磁钢，极靴与导磁板一体，巧妙的使用了中间开孔的极靴，使得整套装置高度大大降低，作者在专利中对此十分自豪。舌簧片的振动点位于中心，调节器为舌簧片上的传动杆螺钉，如图P2-4。

美国，西屋电气公司sound powered耳机。
磁钢为U型合金磁钢，使用反绕双线圈，舌簧震动点位于中心，固定方式为类似于田737的扭转簧片支撑。舌簧类似于一根小棍，与扁平的后期成熟设计舌簧有很大不同，如图P2-5，P2-6。

3：新器件与新思路。

对于古典舌簧器件，现在仍然发挥着极其重要的作用。在舰船上现在仍然使用sound powered器件作为最基础的通讯工具，无源的特性令其虽然结构简单，但是长久不衰。
但是全新的价格非常昂贵，二手的价格不少爱好者也不一定能吃得消，这里提出的新器件将作为可能有效的替代品，在追求灵敏度的同时，甚至可以获得其他的收益。

3-1：CI-22955单元。
美国knowles公司在产产品器件。该公司持续关注于助听器耳机定制方案。CI系列高灵敏度单元是良好的替代品选择。这款单元是ci系列里面最高灵敏度单元，微型舌簧结构，也是不少动铁耳塞的标准低频单元。响应涵盖范围从200到5500赫兹，顶峰灵敏度128dB/mW，甚至可以有离散差值产品达到131.5dB/mW，瞬态响应和音质都很好，是在产的比较优秀的替代产品。
灵敏度如图P3-1，实物如图P3-2，直流电阻20Ω，500赫兹交流阻抗47欧姆。注意单元体积很小，应该做成耳塞使用，并且焊接速度要快。

我个人曾经使用过。在阻抗匹配的情况下，如果您使用了它，我相信它会给您带来轻便而美妙的矿石收音机使用体验。

注意不要为此而购买成品的动铁耳机。所有动铁耳机均不单搭载这一单款低频单元，使用中高频单元同时结合分频器和阻尼的结果是灵敏度降低。为了避免这种人为造成的灵敏度损失，应该直接购买裸体单元做成专用的耳塞，并且做成耳塞后直接导通，中间不加任何阻塞。

3-2：CI-30120单元。
美国knowles公司在产产品器件。该器件普遍比22955在1000Hz以上灵敏度低3-6dB，但是低频灵敏度比22955强。可能会听到交流杂讯干扰。之所以推荐的原因是灵敏度也比较高，且二手价格低廉（一手价格较高），音质尚算可以，是替代小黄等的优秀产品。
灵敏度如图P3-3，实物与22955类似，内部电机械结构完全相同，只是开口不同，也许这是灵敏度差异的直接原因。直流电阻17Ω，500Hz交流阻抗41Ω。所有注意事项同上。

3-3：压电片与磁致伸缩合金。
现有的压电片驱动方式并不是最合理的，压电片完全可以通过改造机械传动方式令灵敏度上升。而磁致伸缩合金具有随磁场机械伸缩的特性，这种新材料目前不甚了解，可能在矿石收音机耳机领域会有一番作为。

3-4：放大器。
为了矿石收音机而进行大的投资，在大部分人看来，并不是一个合理的行为。如果您的手头有比较好的音频放大器，那么完全可以搭配矿石收音机获得好的效果，这些东西可能您的废物堆里就会掏出两三样。在不重视耳机的情况下，这是一个极具经济的选择。

补充内容 (2021-10-4 22:49):
RDE是下夹板与下极靴间接触磁阻，语音输入错误，请诸君见谅。