小電力パワーアンプ・ヘッドホーンアンプおよび集音器(補聴器)の工作

 上記は老化現象に伴い聴力が低下したため　道楽部屋では従来システムの運用を見直ししました。家族から道楽部屋から音量が大きいとクレームとなり　部屋の音響設備の改修にいたりました。くだらないブログを立ち上げている　無銭庵　仙人　と申します。この項目以外にICを使った音響システムを設計し投稿していますので　発行年月の古い投稿が後になっていますので　必要のない方はこの項目は飛ばしていただいて結構です。

道楽部屋では約１００リットル容量フロア型バスレフスピーカーを真空管アンプシステム及び工作した半導体アンプで音出し運用です。しかし年齢による聴力の低下とともに特に夜間になると周りが静かになますが　家族からは　道楽部屋が騒音公害である!!　とクレームです。それらの対策により　常用音源であるスピーカーを近くに設定すれば小音量の音源でも聴覚障害は改善されます。音圧は距離の二乗に反比例します。冒頭の画像はICを使った集音器(補聴器)です。難聴程度は耳鼻科医からは弱難聴と診断されました。やはりテレビの音量を上げなければ内容が理解できない場合も発生します。それと人とのコミニュケーションにおいて会話が聞き取りにくい状態ともなります。コマーシャルなどではテレビ音量表示バーを使い　音量が３０倍で耳掛け式の集音器が一万円強で販売されています。３０倍はデシベルで表示すれば dB ? 。コマーシャルでは 何dB の入力音圧が何dB の出力音圧となる　肝心の記載がありません。コマーシャルではあいまいな表示３０倍のみの強調です。電力などの場合(10log**)での１０倍は+10dB ですね。２倍は+3dB です。１００倍で +20dBです。増幅回路における電圧・電流では(20log**)。集音器それらは医療機器ではありません。小さな表示で"補聴器とは異なります"と注意書きしています。医療機器である補聴器は８万円から１５万円以上します。特注品はもっと高額です。医療機器である補聴器は市町村からは購入補助金ももらえますが　医療機器と認定されていなければ交付されません。医療用補聴器と市販品集音器とは別物です。

上記画像は作業テーブルの後方に設置した BOSE (by sony )インピーダンス4Ω 60mm 口径のスピーカーを設置しました。一応バックロードホーン形式としてホーン部を工作しました。耳からの距離は１m 以内であり　小音量でも十分な音量でありながら外部には迷惑は発生しにくくなっています。自己防衛策です。アンプ出力は数百mWでも実用になります。ただ常用１００リットルのバスレフスピーカーに比較すると低音域は期待できません。上図画像はステレオ小電力出力IC M2703 を使ったアンプをデジタルレコーダーからの音源再生できるシステムです。通常は工作した　ICプリ・メインアンプで常用スピーカーから上記小型スピーカーに切り替え駆動しています。

今回工作したICアンプル類は東京の大手通販会社から入手したものです。ヘッドホーンアンプ工作については初代のブログに記載していますが今回の目的は省電力およびリチウムイオン電池１セルでも可能となるように選択しました。

まずは集音器(補聴器)から話しを進めます。工作した補聴器です。ここでは集音器と記載しませんが医療機器用補聴器と聞き比べをしましたが大きく変わらないため　補聴器と記述します。比較した補聴器は医療機器と指定されている　ポケット型 RIONET  HD-34 デジタル式とアナログ式 HD-43 型です。弱難聴であるため　数十万円もする耳掛け式および耳挿入型は比較しておりません。

上図は購入した RIONET HD-34 型です。将来の難聴程度の進行を踏まえ　中程度・高度・重度 まで対応している　デジタル型 HD-34 型 を購入です。８万円強の出費です。単四型アルカリ乾電池一本で連続約330時間であり　充電式エネループ単四型での使用も考慮されています。単四電池一本というランニングコストがローコスト品です。ここ数十年上記 PCMデジタルステレオ録音機塔載の機器に慣れているためポケット型補聴器でも違和感はありません。なぜかと言うと　ライブ録音においてステレオヘッドホーンでモニターしているのと大きく変わりません。デジタルレコーダーとして会話録音状態モニターと同じです。現在軽難聴程度のプリセット状態で運用しています。ただ医療機器であるためユーザーサイドでは音圧出力レベル及び周波数特性プリセットはできません。メーカーおよび特約店のみでのプリセットが可能です。ユーザーサイドでは触れません。難聴にも人により聞こえる特性が異なります。現実にオーディオジェネレーターを測定器として所有しており　自分の耳の音響特性はその測定器により自己特性把握しています。現在10000Hz(10KHz) 以上は聞こえにくいです。若いころはカラーテレビの水平発振周波数の 15734Hz のフライバックトランスから発生する音は識別できていました。

今回購入した RIONET HD-34 型 での仕様書によると

最大音響利得　HFA 71dB(±5dB)   ピーク値　76dB(±3dB) 

90dB入力 最大出力音圧レベル   HFA  133dB(±4dB)    138dB(±4dB) 

電池電圧　単四型アルカリ乾電池  1.5V    消費電流　1.95mA(+20%以下)

周波数レスポンス    peak 1600Hz       -10dB帯域　　250～4000Hz

正常人の場合イヤホーンから送出される音が 110dB の音が発せられたらどうなるでしょうか ? 　車両の警笛(クラクション)は音圧として 110dB(87dB以上、112dB以下　車両保安基準より) です。それも厳格に車両前方7mの位置で騒音計での表示される数値です。人の通常会話は 60dB です。0dB とは人間が音として感知できる最少音と規定されています。

ここで話を元に戻します。自作補聴器の話です。広帯域オーディオ増幅器とは異なることが判明しました。昔の黒電話のような特性 狭帯域増幅回路になると思います。もしも10KHz 以上の音源があっても耳が物理的に受け付けません。あまりハイカット特性は重要になるとは思えませんね。もしも広域カット特性とするには途中の信号源にコンデンサーで高域成分をグランドに落とす回路とすればよいことです。

IC類などは新規購入しましたがほとんどの材料は道楽部屋にあるジャンク部品を含め手持ち品の部品を活用して工作しました。補聴器とHI-FI アンプ機器とは設計が異なります。優れた音響機器とは周波数特性が広く大出力時ひずみが少ないほうが良いとされますが　補聴器では会話内容が間違いなく聞き取れることが重要であり　必要でない帯域は雑音となってしまいます。早く言えば　ハイカット・ローカット特性が最良となります。バンドパス特性です。PCMデジタルステレオレコーダーでの録音モニターでは広帯域の音源がどのように耳に入ってきますでしょうか。ライブ録音では様々な音が聞こえます。観客の騒音・周辺の雑音が耳障りですよね。スタジオ録音とライブ録音では大きな音質違いがあると思います。広帯域音源増幅とは異なり　補聴器の特性と比較すると大きく異なります。補聴器は会話音などが確実に耳に入る必要があるわけです。周辺からの雑音は必要ないですね。補聴器とは狭帯域音の増幅器と思います。設計においては HI-FI 増幅の概念を無視しなければなりませんね。

まずは音を拾い上げるセンサーとは何でしょうか。最初に思いつくのはマイクロホンではないでしょうか。それとも昔の黒電話機の送受話器でしょうか。受話器マイクロホンですが構造はカーボンマイクロホンであり　感度は良いが周波数特性はよくありません。時代とともに電話機のマイクロホンはコンデンサーマイクロホンに変化しています。近年普及しているスマホでもコンデンサー型マイクが使われています。テレビ・ラジオ放送の集音はマイクロホンが多用されています。多種多様のタイプが存在します。プロ仕様としてのボーカルマイクではダイナミックマイクロホンで有名な機種は　シュア(Shure) SM-58 が有名ですね。骸骨マイクとして Shure 55SH のマイクもダイナミック型です。ダイナミック型のマイクはスピーカーとは逆動作であり　音を捕まえる振動板にコイルが巻かれており　磁界(磁石)内でコイルが移動することにより発電する構造です。それ以外にはファンタム電源が必要であるコンデンサー型マイクが主流です。ノイマン・AKG ・SONY・AT が有名ですね。マイクの中でも比較的安価で特性の良いマイクと言えば ECM エレトレットコンデンサーマイクです。今回集音センサーとして採用しました。プロ仕様のコンデンサーマイクとは異なりマイクユニット駆動用外部電源装置(ファンタム電源)は必要としません。コンデンサー電極(ダイアフラム)に常時電荷が存在するため外部電源の必要はありません。しかしマイクユニット内には静電容量変化に伴う変化分を音に変換する FETトランジスター駆動用の小さな直流電源が必要です。

上記画像は今回新規に購入した ECM エレクトリックコンデンサーマイクです。小さいマイクは単価税込み50円・大きいマイクは４個一袋単価税込み100円です。このマイクの端子は２か所しかありません。端子にマイクコードを接続して使用します。筐体外部がグランドレベルでありテスターで導通試験すれば判明します。ここで冒頭の手書き回路図を確認ください。FIG-１ が今回の補聴器の回路図です。電源電圧 3.7V から抵抗器 8.2KΩを経由してシールド線の芯線に接続され　音声出力信号はカップリングコンデンサー 0.33μF/MF型を通じて増幅ICに接続します。このエレクトリックコンデンサーマイクの出力インピーダンスは 1KΩ以下でありマイクロホンとしてはローインピーダンスマイクです。このカップリングコンデンサー C1 の容量値を変更することにより次段に送り出す周波数特性が変化します。マイクの負荷抵抗は 8.2KΩです。大まかですが低域カットオフ周波数の計算は　f＝１/(２πCR)  より　Rを8.2KΩで計算すると１/0.017=58Hz となります。200Hz以下を減衰するには 0.1μF でもよいと判明しますね。カップリングコンデンサーの容量を変化させることにより　低域遮断周波数が決定されます。補聴器では低域ノイズは軽減しなければなりません。これがローカットフィルター回路　6dB/oct 特性です。

今回初段マイクロホンアンプとして採用した IC は後半のブログでも多用している汎用品 NJM4558DD を採用しました。このIC は２組のオペアンプが内蔵していますが　今回は片側のユニットのみ使用します。ただこのICの最低動作電圧が特性上厳しいです。なぜなら通常のオペアンプは＋・－の２電源動作が一般的です。今回低電圧単電源仕様のオペアンプICを探しましたが見つかりません。唯一 NJM2125 が見つかりましたがチップタイプの構造であり配線がむつかしいと思います。仕方なく汎用品の NJM4558DD を単電源3.7V で実験の結果使えると判明しました。このIC で マイクユニットからの出力信号　1mV以下の交流信号を 100mV/rms の信号まで増幅しなければなりません。利得としては 40dB を歪なく増幅する必要があります。無帰還増幅回路に近づく利得となり NFB の御利益を望めません。現実には出力端子からマイナス端子への負帰還抵抗は 330KΩ という高抵抗値での動作させざるを得ませんでした。余談となりますが同じIC NJM4558DDフォノイコライザーアンプを設計しましたが±12V 2電源での設計でしたので設計は楽でしたが　今回は単電源 3.7V で動作です。実験の結果実用できると判断しました。

次段ヘッドホンステレオアンプの設計です。

今回電池仕様の回路構成です。小電圧でなおかつ消費電流の少ない　ステレオ・ヘッドホン・アンプICを探しました。今回採用した IC が LM4880 CMOS IC です。最大供給電圧がDC:6.0V 以下であり　今回リチウムイオン電池1セル 3.7V 動作ですので省電力IC として採用しました。

最初に考えなければならない事柄があります。それはヘッドホーンという品物です。現在愛用しているポータブルヘッドホーンプレイヤーは製造後15年ほどと思われる　PCM デジタルレコーダー SANYO ICR-401RM 等をポタブルヘッドホーンプレーヤーとして　外付けメモリーに好きな音源をコピーし長時間愛用しています。ヘッドホーンは　オーディオテクニカ(AT)　有線カナル型 ATH-CRK50 を常用使用しています。以前は同メーカー品 ATH-CKM500 を愛用していましたが自己不注意で片側を断線していまい　そのヘッドホーンを補聴器用途として採用しています。

上図画像が常時愛用している PCMデジタルレコーダーSANYO ICR-401RMと　AT ATH-DKR50 カナル型有線式ヘッドホーンです。デジタルレコーダーにはメーカーよりのヘッドホーンが付属していましたが音質が気に食わずオーディオテクニカ製のインナーヘッドホーンを愛用です。

所有している他機種ですが ICR-PS504RM の仕様書を確認すると

定格出力　10mW＋10mW(16Ω負荷)

録音時の周波数特性　内蔵マイク PCM録音　60～20,000Hz 外部マイク端子PCM録音　40～21,100Hz

付属単四型エネループ電池仕様の録音時間　　PCM録音時　　9時間

付属しているマイクロホンは ECM エレクトリックコンデンサーマイクロホンです。

カナル型 AT ATH-CKR50 の仕様書　　　AT ATH- CKM500 の仕様書

ユニット形式　ダイナミック型                     ダイナミック型

ドライバー　　12.5mmΦ                                12.5mmΦ

出力音圧レベル　　　103dB/mW                103dB/mW

周波数特性　　　5～25,500Hz                      5～25,500Hz

インピーダンス　　　16Ω                               16Ω

最大入力電力　　　　200mW                        200mW

上記各機器の仕様書から判明する事柄は　ヘッドホーンアンプを設計するに　出力電力 10mW 以上　出力インピーダンスが16Ω負荷での動作と判明します。ヘッドホーンの特性から出力音圧レベルが 103dB/mW から判明することは　スピーカーとの特性表示とは異なり 1mW 出力で 103dB の音圧が得られることがわかります。ここで16Ω負荷において10mW の出力では正弦波の場合 1000Hz交流信号の実効値を計算します。スピーカーの特性表示では　スピーカーから1mの位置で 1W の出力で 1KHz の正弦波をドライブした場合の音圧を表示します。通常のステレオのスピーカーでは80db～90dB 程度です。道楽部屋の常用スビカーシステムは能率が良く 95dB ほどあります。所有している ALTEC 38 同軸スピーカーでは能率が良く 100dB ほどです。

出力電力　10mW       負荷抵抗　　16Ω　　　オームの法則により  W＝I・E　から　　10mW＝E・E/R　　0.01＝E・E/16　　E＝0.4(V)   ですね。これは交流実効値電圧です。P-P 電圧は 1.13Vp-p となります。電源電圧3.7V であっても16Ω負荷では十分にドライブできると判明します。理論上歪を無視する場合 3.7Vp-p の正弦波は1.3V/rms ですので　電力は約100mW出力と判明しますが　実用となるには3.7V の電源電圧では最大出力電力は約50mW程度ではないでしょうか。補聴器としてはイヤホン(ヘッドホーン)音圧出力として 110dB も出力があればよいと判断します。

これらをもとに試作を繰り返し　今回記載した回路図を記載通りに基板へと組み立てていきます。使用した基板は蛇の目プリント基板 72×48mm 汎用インチピッチ基板を半分な切断して工作しています。

上記画像は今回試行錯誤をした基板類です。実用完成品はブログ冒頭に記載したものです。手持ち部品およびジャンク品部品を多用したためフラットパッケージ部品ではないため薄型とはなりませんでした。チップ部品を多用しプリント基板もプロが作成すれば相当集積度は上がりますが　お遊びとご理解ください、ヘッドホーンアンプは2チャンネル仕様ですが　ヘッドホーンが方チャンネルとしたため　他チャンネルは使用していません。両チャンネル動作時はステレオヘッドホーンでモノラル動作が可能としたため　ヘッドホーンアンプ入力側の接続により動作させるチャンネルを選択しています。現在は左チャンネルでの運用です。肝心のバッテリーですが以前使っていた ガラーケー に使用していた廃棄電池  3.7V/790mA/h のリチウムイオンポリマー充電池を採用しました。消費電流及び電池電圧は 4.05V/3.3mA の結果となりました。通電表示として白色高輝度発光ダイオードでパイロットランプとしてあります。

理論上連続通電約240時間動作可能です。充電池内部に充電制御が組み込まれており　外付けの充電器ガラケー純正品を使って充電します。過充電にはなりません。新規に電池を探すに同等のリチウムイオンポリマー充電池は安価に入手できると思います。

今回使用した集積回路部品ICはどちらも単電源オペアンプ構造です。なぜなら 1/2VCC回路が必ず存在します。回路図に記載してあります。そして交流的にはGNDとなるようにコンデンサーで交流分だけバイパスさせています。2つのICでは10μFでバイパスしています。この中点電位を基準に回路は動作します。今回供給する電圧はたった3.7Vです。中点電圧から見れば２分割された回路での終段部のプッシュプル回路動作電圧は1.8Vほどしかありませんね。多段に直結されたトランジスターを動作させるにはあまりにも過酷です。単電源動作である限り入力側と出力側には直流分阻止としての機能するコンデンサーが必ず取り付けられます。このコンデンサーの容量を変更することによりローカットフィルター動作となります。特にヘッドホーンとつながる結合コンデンサー容量を小さくすることにより低域成分の減衰効果が得られます。今回47μF を採用しました。通常の半導体アンプではカップリングコンデンサーとして1000～2000μFを使いますね。OCL・OTLアンプ部では回路網と直結でスピーカーを駆動します。HI-FI Amp だからです。補聴器には広帯域増幅は必要ありません。ちなみに使用しているICデジタル録音機はたった一本の乾電池1.5Vで動作しますが　現実にはマイコンを動作させるためDC-DCコンバーターを使って昇圧をして回路動作電圧を得る構造です。

無銭庵　仙人　の独り言

以下工事中

by musenan sennin