高感度オーディオ検出器：超微小電気信号の検出

部品と材料

• 高感度評価（dB）の密閉型オーディオヘッドホン
• ヘッドホン用メスジャック（例：Radio Shack #274-312または同等品）
• 小型降圧トランス（120V→6V）；6V二次巻線を使用
• 1N4001整流ダイオード 2個
• 1kΩ抵抗
• 100kΩポテンショメータ（オーディオテーパー推奨；直線性でも可）
• バナナジャック端子 2個（ポテンショメータ回路用）
• コンポーネント搭載用プラスチックまたは金属筐体

ヘッドホン選びが重要です：デシベル単位の感度評価が高いほど、微弱信号の検出性能が向上します。質の良いオーディオ店で複数モデルを試し、最も低い音量設定でもクリアな音が出るものを選んでください。

高級ヘッドホンは性能を高めますが、古いRadio Shack「Realistic」モデルのような控えめなものでも、ほとんどの実験で十分実用的です。

関連文献

『Lessons In Electric Circuits』第1巻 第8章：「DC Metering Circuits」

『Lessons In Electric Circuits』第2巻 第9章：「Transformers」

『Lessons In Electric Circuits』第2巻 第12章：「AC Metering Circuits」

学習目標

• 基本的な半田付け技術を習得する
• インピーダンス整合でのトランス使用を理解する
• 極めて微小な電気信号を検出する
• ダイオードで電圧を最大レベルにクリッピングする

回路図

イラスト

手順

「Sensitive Voltage Detector（高感度電圧検出器）」の構築手順（DC実験章で説明）に従ってください。すでに作成済みなら、初期セットアップはスキップできます。

ほとんどのヘッドホンは3極プラグのステレオタイプです。そのうち2極に接続します；2極プラグのモノラルタイプならそのまま使えます。

2つのヘッドホンドライバーは直列または並列に配線できます。直列配線の方が微小信号に対してより大きな音量が得られるとされています：

すべての接続をしっかり半田付けしてください——緩んだ接点は不要なノイズを加えます。トランス一次側に並列接続された2個のダイオードと、直列の1kΩ抵抗が、入力電圧を約0.7Vにクリッピングします。これによりヘッドホン出力を制限し、偶発的な高電圧から保護します。

バインディングポストは、検出器を筐体に取り付けた後、バナナプラグ式テストプローブの確実な接続点となります。標準的なマルチメータプローブやワニ口クリップリードで確実に接続できます。

この検出器は、ブリッジ回路のバランス調整、ヌルバランス電圧計セットアップ、オーディオ帯域の極めて低振幅AC信号の聴取に最適です。

オシロスコープの代替として価値があり、回路動作を異なる感覚（聴覚）で知覚できます。

1V以上の電圧測定時は、分圧器で検出器の感度を減衰させます。分圧器を回路のフロントに挿入：

未知信号に対して100kΩポテンショメータを約半分に設定。音声出力が大きすぎず小さすぎないよう上下に調整。

この検出器はDCとRF信号も検知できます。テストリードが電源に接触/離脱するたびに微かな「カチッ」という音が聞こえます。安価なヘッドホンでも、0.1µA以下のDC電流と2MHzまでのRF信号を検出できます。

印象的なデモ：最大感度でテストリードを舌先に触れさせます。金属-電解質接触による電位差で、濡れた皮膚にリードが触れるたびに柔らかなクリック音が鳴ります。

ヘッドホンプラグを外して舌先に触れてもクリック音は出ますが、振幅は小さくなります。ヘッドホンスピーカーは低インピーダンスデバイスで、大きな音響出力には低電圧・大電流が必要です。

インピーダンス（Z）は交流に対する抵抗、抵抗（R）は直流に対する抵抗を表し、ともにオーム（Ω）で表されます。ほとんどの微小信号源は、ヘッドホンの典型的な8Ωよりはるかに高い内部インピーダンスを持ち、電流供給が制限されます。

トランスでヘッドホンインピーダンスを信号源インピーダンスに整合させると、最大電力伝達定理により最適な音声出力が得られます。またトランスは回路開放時に誘導キックバックを生成し、微小DC信号をヘッドホン用に効果的に増幅します。

長期使用には、固定テストリード付きの永久筐体に組み込むことをお勧めします。

関連ワークシート

• Design Project: Sensitive Audio Detector Worksheet
• Impedance Matching With Transformers Worksheet