От редакции: Статья итальянского специалиста-акустика, воспроизводимая здесь с благословения автора, в оригинале называлась Teoria e pratica del condotto di accordo. То есть, в буквальном переводе – «Теория и практика фазоинвертора». Заголовок этот, на наш взгляд, соответствовал содержанию статьи только формально.
Действительно, речь идет о соотношении простейшей теоретической модели фазоинвертора и тех сюрпризов, которые готовит практика. Но это – если формально и поверхностно. А по существу, статья содержит ответ на вопросы, которые возникают, судя по редакционной почте, сплошь и рядом при расчете и изготовлении сабвуфера-фазоинвертора.
Вопрос первый: «Если рассчитать фазоинвертор по формуле, известной уже давным-давно, получится ли у готового фазоинвертора расчетная частота?» Наш итальянский коллега, съевший на своем веку собак эдак с десяток на фазоинверторах, отвечает: «Нет, не получится». А потом объясняет, почему и, что самое ценное, на сколько именно не получится.
Вопрос второй: «Рассчитал тоннель, а он такой длинный, что никуда не помещается. Как быть?» И здесь синьор предлагает настолько оригинальные решения, что именно эту сторону его трудов мы и вынесли в заголовок. Так что ключевое слово в новом заголовке надо понимать не по-новорусски (иначе мы бы написали: «короче – фазоинвертор»), а совершенно буквально.
Геометрически. А теперь слово для выступления имеет синьор Матараццо.
Фазоинвертор: короче!
Жан-Пьеро МАТАРАЦЦО Перевод с итальянского Е. Журковой
Об авторе: Жан-Пьеро Матараццо родился в 1953 г. в городе Авеллино, Италия. С начала 70-х работает в области профессиональной акустики. Долгие годы был ответственным за тестирование акустических систем для журнала «Suono» («Звук»).
В 90-х годах разработал ряд новых математических моделей процесса излучения звука диффузорами громкоговорителей и несколько проектов акустических систем для промышленности, включая популярную в Италии модель «Опера». С конца 90-х активно сотрудничает с журналами «Audio Review», «Digital Video» и, что для нас наиболее важно, «ACS» («Audio Car Stereo»).
Во всех трех он – главный по измерению параметров и тестированию акустики. Что еще?.. Женат. Два сынишки растут, 7 годиков и 10.
Рис 1. Схема резонатора Гельмгольца. То, от чего все происходит.
Рис 2. Классическая конструкция фазоинвертора. При этом часто не учитывают влияние стенки.
Рис 3. Фазоинвертор с тоннелем, концы которого находятся в свободном пространстве. Здесь влияния стенок нет.
Рис 4. Можно вывести тоннель полностью наружу. Здесь опять произойдет «виртуальное удлинение».
Рис 5. Можно получить «виртуальное удлинение» на обоих концах тоннеля, если сделать еще один фланец.
Рис 6. Щелевой тоннель, расположенный далеко от стенок ящика.
Рис 7. Щелевой тоннель, расположенный вблизи стенки. В результате влияния стенки его «акустическая» длина получается больше геометрической.
Рис 8. Тоннель в форме усеченного конуса.
Рис 9. Основные размеры конического тоннеля.
Рис 10. Размеры щелевого варианта конического тоннеля.
Рис 11. Экспоненциальный тоннель.
Рис 12. Тоннель в форме песочных часов.
Рис 13. Основные размеры тоннеля в форме песочных часов.
Рис 14. Щелевой вариант песочных часов.
Магические формулы
Одно из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора – привести «магическую формулу», по которой читатель ACS мог бы сам рассчитать фазоинвертор. Это, в принципе, нетрудно. Фазоинвертор представляет собой один из случаев реализации устройства под названием «резонатор Гельмгольца».
Формула его расчета не намного сложнее самой распространенной и доступной модели такого резонатора. Пустая бутылочка из-под кока-колы (только обязательно бутылка, а не алюминиевая банка) – именно такой резонатор, настроенный на частоту 185 Гц, это проверено.
Впрочем, резонатор Гельмгольца намного древнее даже этой, постепенно выходящей из употребления упаковки популярного напитка. Однако и классическая схема резонатора Гельмгольца схожа с бутылкой (рис. 1). Для того чтобы такой резонатор работал, важно, чтобы у него был объем V и тоннель с площадью поперечного сечения S и длиной L.
Зная это, частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) теперь можно рассчитать по формуле:
где Fb – частота настройки в Гц, с – скорость звука, равная 344 м/с, S – площадь тоннеля в кв. м, L – длина тоннеля в м, V – объем ящика в куб. м. = 3,14, это само собой.
Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объем ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Все, казалось бы, дело сделано. Приступаем. Пусть у нас есть ящик объемом 50 литров.
Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведенной формуле частота настройки 50 Гц получится, если длина тоннеля будет равна 12,05 см. Аккуратно изготавливаем все детали, собираем их в конструкцию, как на рис.
2, и для проверки измеряем реально получившуюся резонансную частоту фазоинвертора. И видим, к своему удивлению, что она равна не 50 Гц, как полагалось бы по формуле, а 41 Гц. В чем дело и где мы ошиблись? Да нигде.
Наш свежепостроенный фазоинвертор оказался бы настроен на частоту, близкую к полученной по формуле Гельмгольца, если бы он был сделан, как показано на рис. 3. Этот случай ближе всего к идеальной модели, которую описывает формула: здесь оба конца тоннеля «висят в воздухе», относительно далеко от каких-либо преград.
В нашей конструкции один из концов тоннеля сопрягается со стенкой ящика. Для воздуха, колеблющегося в тоннеле, это небезразлично, из-за влияния «фланца» на конце тоннеля происходит как бы его виртуальное удлинение. Фазоинвертор окажется настроенным так, как если бы длина тоннеля была равна 18 см, а не 12, как на самом деле.
Заметим, что то же самое произойдет, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, снова совместив один его конец со стенкой (рис. 4).
Существует эмпирическая зависимость «виртуального удлинения» тоннеля в зависимости от его размеров.
Для круглого тоннеля, один срез которого расположен достаточно далеко от стенок ящика (или других препятствий), а другой находится в плоскости стенки, это удлинение приблизительно равно 0,85D.
- Теперь, если подставить в формулу Гельмгольца все константы, ввести поправку на «виртуальное удлинение», а все размеры выразить в привычных единицах, окончательная формула для длины тоннеля диаметром D, обеспечивающего настройку ящика объемом V на частоту Fb, будет выглядеть так:
- Здесь частота – в герцах, объем – в литрах, а длина и диаметр тоннеля – в миллиметрах, как нам привычнее.
Полученный результат ценен не только тем, что позволяет на этапе расчета получить значение длины, близкое к окончательной, дающей требуемое значение частоты настройки, но и тем, что открывает определенные резервы укорочения тоннеля. Почти один диаметр мы уже выиграли. Можно укоротить тоннель еще больше, сохранив ту же частоту настройки, если сделать фланцы на обоих концах, как показано на рис. 5.
Теперь, кажется, все учтено, и, вооруженные этой формулой, мы представляемся себе всесильными. Именно здесь нас и ждут трудности.
Первые трудности
Первая (и главная) трудность заключается в следующем: если относительно небольшой по объему ящик требуется настроить на довольно низкую частоту, то, подставив в формулу для длины тоннеля большой диаметр, мы и длину получим большую. Попробуем подставить диаметр поменьше – и все получается отлично.
Большой диаметр требует большой длины, а маленький – как раз небольшой. Что же тут плохого? А вот что. Двигаясь, диффузор динамика своей тыльной стороной «проталкивает» практически несжимаемый воздух через тоннель фазоинвертора.
Поскольку объем колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в тоннеле будет во столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз площадь сечения тоннеля меньше площади диффузора.
Если сделать тоннель в десятки раз меньшего размера, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большой, и, когда она достигнет 25 – 27 метров в секунду, неизбежно появление завихрений и струйного шума. Великий исследователь акустических систем Р.
Смолл показал, что минимальное сечение тоннеля зависит от диаметра динамика, наибольшего хода его диффузора и частоты настройки фазоинвертора. Смолл предложил совершенно эмпирическую, но безотказно работающую формулу для вычисления минимального размера тоннеля:
Формулу свою Смолл вывел в привычных для него единицах, так что диаметр динамика Ds, максимальный ход диффузора Xmax и минимальный диаметр тоннеля Dmin выражаются в дюймах. Частота настройки фазоинвертора – как обычно, в герцах.
Теперь все выглядит не так радужно, как прежде. Очень часто оказывается, что, если правильно выбрать диаметр тоннеля, он выходит невероятно длинным. А если уменьшить диаметр, появляется шанс, что уже на средней мощности тоннель «засвистит».
Помимо собственно струйных шумов, тоннели небольшого диаметра обладают еще и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.
Столкнувшись с такой дилеммой, читатели ACS обычно звонят в редакцию и просят подсказать им решение. У меня их три: простое, среднее и экстремальное.
Простое решение для небольших проблем
Когда расчетная длина тоннеля получается такой, что он почти помещается в корпусе и требуется лишь незначительно сократить его длину при той же настройке и площади сечения, я рекомендую вместо круглого использовать щелевой тоннель, причем размещать его не посреди передней стенки корпуса (как на рис.
6), а вплотную в одной из боковых стенок (как на рис. 7). Тогда на конце тоннеля, находящемся внутри ящика, будет сказываться эффект «виртуального удлинения» из-за находящейся рядом с ним стенки. Опыты показывают, что при неизменной площади сечения и частоте настройки тоннель, показанный на рис.
7, получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на рис. 6.
Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя еще больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины. Это – простое решение. Если его недостаточно, придется перейти к среднему.
Среднее решение для проблем побольше
Решение промежуточной сложности заключается в использовании тоннеля в форме усеченного конуса, как на рис. 8.
Мои эксперименты с такими тоннелями показали, что здесь можно уменьшить площадь сечения входного отверстия по сравнению с минимально допустимой по формуле Смолла без опасности возникновения струйных шумов.
Кроме того, конический тоннель намного менее склонен к органным резонансам, нежели цилиндрический.
В 1995 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения.
Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS http://www.audiocarstereo.it/ в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.
Таблица 2 составлена для исходного тоннеля диаметром 100 мм. Это подойдет для большинства сабвуферов с головкой диаметром 300 мм.
Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов.
Этот угол больше 6 – 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля.
Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.
Тоннель в форме усеченного конуса не обязательно должен иметь круглое сечение. Как и обычный, цилиндрический, его иногда удобнее делать в виде щелевого. Даже, как правило, удобнее, ведь тогда он собирается из плоских деталей. Размеры щелевого варианта конического тоннеля приведены в следующих столбцах таблицы, а что эти размеры означают, показано на рис. 10.
Замена обычного тоннеля коническим способна решить много проблем. Но не все. Иногда длина тоннеля получается настолько большой, что укорочения его даже на 30 – 35% недостаточно. Для таких тяжелых случаев есть…
…экстремальное решение для больших проблем
Экстремальное решение заключается в применении тоннеля с экспоненциальными обводами, как показано на рис. 11. У такого тоннеля площадь сечения сначала плавно уменьшается, а потом так же плавно возрастает до максимальной. С точки зрения компактности для данной частоты настройки, устойчивости к струйным шумам и органным резонансам экспоненциальный тоннель не имеет себе равных.
Но он не имеет себе равных и по сложности изготовления, даже если рассчитать его обводы по такому же принципу, как это было сделано в случае конического тоннеля. Для того чтобы преимуществами экспоненциального тоннеля все же можно было воспользоваться на практике, я придумал его модификацию: тоннель, который я назвал «песочные часы» (рис. 12).
Тоннель-песочные часы состоит из цилиндрической секции и двух конических, откуда внешнее сходство с древним прибором для измерения времени. Такая геометрия позволяет укоротить тоннель по сравнению с исходным, постоянного сечения, по меньшей мере, в полтора раза, а то и больше. Для расчета песочных часов я тоже написал программу, ее можно найти там же, на сайте ACS.
И так же, как для конического тоннеля, здесь приводится таблица с готовыми вариантами расчета.
Что означают размеры в таблицах 3 и 4, станет ясно из рис. 13. D и d – это диаметр цилиндрической секции и наибольший диаметр конической секции, соответственно, L1 и L2 – длины секций. Lmax – полная длина тоннеля в форме песочных часов, приводится просто для сравнения, насколько короче его удалось сделать, а вообще, это L1 + 2L2.
Технологически песочные часы круглого поперечного сечения делать не всегда просто и удобно. Поэтому и здесь можно выполнить его в виде профилированной щели, получится, как на рис. 14. Для замены тоннеля диаметром 80 мм я рекомендую высоту щели выбрать равной 50 мм, а для замены 100-миллиметрового цилиндрического тоннеля – равной 60 мм.
Тогда ширина секции постоянного сечения Wmin и максимальная ширина на входе и выходе тоннеля Wmax будут такими, как в таблице (длины секций L1 и L2 – как в случае с круглым сечением, здесь ничего не меняется). Если понадобится, высоту щелевого тоннеля h можно изменить, одновременно скорректировав и Wmin, Wmax так, чтобы значения площади поперечного сечения (h.Wmin, h.
Wmax) остались неизменными.
Вариант фазоинвертора с тоннелем в форме песочных часов я применил, например, когда делал сабвуфер для домашнего театра с частотой настройки 17 Гц. Расчетная длина тоннеля получилась больше метра, а рассчитав «песочные часы», я смог сократить ее почти вдвое, при этом шумов не было даже при мощности около 100 Вт. Надеюсь, вам это тоже поможет…
Ас с щелевым фазоинвертором
В описываемой конструкции трёхполосной АС автор отдал предпочтение щелевому фазоинвертору, менее склонному к органным резонансам, нежели АС с круглыми трубами. Для громкоговорителей этой АС достаточно небольшой мощности усилителя — 2×10…20 Вт. Акустические системы (громкоговорители) с фазоинвертором (ФИ) в настоящее время стали самыми распространёнными в классе Hi-Fi [1].
Это объясняется повышенным КПД в области низких звуковых частот и меньшими нелинейными искажениями в области основного резонанса НЧ головки в сравнении с другими видами акустического оформления [2].
АС с ФИ представляет собой закрытый корпус с динамической НЧ головкой и дополнительным отверстием, в котором закреплён отрезок трубы круглой или прямоугольной формы определённых размеров для инвертирования и излучения звуковой волны от тыльной части диффузора динамической головки.
АС с ФИ часто называют просто фазо-инвертором, так как в инвертировании фазы звуковой волны участвуют внутренний объём корпуса и трубы. Форма сечения трубы на работу ФИ существенно не влияет.
Резонансная частота ФИ зависит от внутреннего объёма корпуса, площади сечения и длины трубы (массы воздуха, колеблющегося в трубе), в традиционном варианте она должна быть близка к резонансной частоте динамической головки в открытом пространстве.
Отверстие ФИ является дополнительным излучателем инвертированных звуковых волн от тыльной части диффузора динамической головки в области резонанса ФИ, и колебания воздуха в трубе почти синфазны с колебаниями прямого излучения диффузора и значительно больше по амплитуде, чем колебания диффузора головки из-за большого акустического сопротивления ФИ на резонансной частоте.
В других типах АС в области основного резонанса динамической головки амплитуда колебаний звуковой катушки и диффузора существенно возрастает, и начинают сказываться асимметрия магнитного поля относительно катушки [1] и нелинейность подвеса подвижной системы, искажающие форму звукового сигнала [2].
В фазоинверторе на этих частотах звуковое давление создаётся в основном выходным отверстием трубы. Выше частоты основного резонанса увеличивается излучение динамической головки, а излучение отверстия ФИ уменьшается, но так как они почти синфазны, то их звуковое давление складывается.
На более высоких частотах вследствие роста реактивного сопротивления трубы ФИ эта АС действует как закрытый корпус [2].
Рис. 1
Частотная характеристика модуля полного сопротивления обычной динамической головки в открытом пространстве имеет один максимум на частоте основного резонанса. Фазоинвертор как АС имеет два максимума, расположенных по обе стороны от частоты основного резонанса головки (кривые 1 и 2 на рис.
1), и чем меньше объём корпуса, тем больше расстояние между максимумами и провал между ними [2]. С целью получения более гладкой АЧХ на НЧ в некоторых высококачественных АС устанавливают три трубы, настроенные на частоту основного резонанса и частоты боковых максимумов.
Если в АС применена НЧ головка с очень низкой частотой основного резонанса и нижний максимум находится в области инфранизких частот, то будет достаточно две трубы, настроенные на частоту основного резонанса и верхнего максимума.
Эти решения дают положительные результаты в части сглаживания АЧХ, но усложняют конструкцию, а дополнительные отверстия на лицевой панели ухудшают внешний вид АС. АС с щелевым ФИ, которые стали широко применяться радиолюбителями, а также в промышленных АС и сабвуферах, менее склонны к органным резонансам, нежели АС с круглыми трубами [3].
Учитывая отсутствие локализации излучения низших звуковых частот, ФИ всех типов можно размещать на любых стенках корпусов АС или сабвуферов. Примером может служить АС с щелевым ФИ на задней стенке, показанной на рис. 2. Если ФИ размещён не на лицевой панели, то между его выходным отверстием и стенами помещения или мебели должны быть зазоры не менее 100 мм. В любительских и промышленных АС, в сабвуферах нередко используют стенку корпуса для образования щелевого ФИ. Это решение не только более технологично, но и уменьшает его длину на 15 % по сравнению с расчётным значением, что немаловажно для малогабаритных АС [3].
Учитывая вышеизложенное, автором была разработана конструкция и затем изготовлена в двух экземплярах АС с щелевым ФИ. В авторском варианте применён щелевой канал, выход которого почти не заметен на лицевой панели (рис. 3). Кроме того, для сглаживания АЧХ в области основного резонанса НЧ головки канал ФИ имеет переменную длину (рис. 4). Принцип работы такого ФИ описан ниже.
На рис. 1 показаны частотные характеристики модуля полного сопротивления динамической головки: кривая 1 — в открытом пространстве; 2 — в корпусе фазоинвертора объёмом 54 л с трубой; 3 — в корпусе фазоинвертора меньшего объёма; 4 — в корпусе фазоинвертора объёмом 54 л с щелевым каналом переменной длины.
Конструкция громкоговорителя АС с основными узлами приведена на рис. 5.
Рис. 5
В АС применена низкочастотная динамическая головка 8ГД-1 с диаметром диффузора 200 мм (частота основного резонанса 30 Гц, полная добротность Q,s = 0,33), использовавшаяся в АС «Виктория-001».
Оптимальный внутренний объём корпуса фазоинвертора для такой головки равен 54 л [2]. Внешние размеры корпуса авторского варианта АС — 260x600x360 мм.
Боковые стенки изготовлены из ламинированной ДСП толщиной 20 мм, а лицевая панель — из фанеры толщиной 12 мм, которая вблизи НЧ головки упрочнена накладкой из такой же фанеры, облицованной шпоном. Задняя стенка корпуса изготовлена из фанеры толщиной 12 мм.
Боковые стенки скреплены между собой шурупами, вкрученными в боковые торцы верхней и нижней стенок с интервалом 20 мм. Головки шурупов выступают на 10 мм и входят в соответствующие отверстия, просверленные в вертикальных стенках на глубину 12 мм и заполненные эпоксидной смолой [5].
Соединение боковых стенок нужно выполнять на ровной поверхности, положив их на неё задними торцами и вставив внутрь заднюю стенку, торцы которой по периметру обмотаны несколькими слоями киперной или изоляционной ленты (ПВХ), обеспечивающей правильную форму, технологический зазор и препятствующей приклеиванию её к стенкам. Верх и низ стенок следует плотно скрепить жгутами с применением закруток на время полимеризации смолы. Выступившую наружу смолу сразу убрать тампоном, смоченным ацетоном или растворителем для нитрокрасок.
После полимеризации смолы переднюю и заднюю части стенок корпуса на расстоянии 12 мм от торцов обшить внутри рейками сечением 20×20 мм с помощью коротких гвоздей и клея ПВА или эпоксидной смолы, которые будут нужны для крепления лицевой панели и задней стенки. После выполнения всех необходимых операций лицевую панель вклеивают наглухо, а заднюю закрепляют шурупами.
На лицевой панели должны быть закреплены блок ВЧ головок, СЧ головка с экранирующим коробом, НЧ головка и короб ФИ. Перед вклеиванием лицевой панели для удобства работы НЧ головку необходимо снять. Такая технология сборки применена автором в порядке эксперимента, но вполне возможен и вариант крепления стенок с помощью реек.
Для расширения диаграммы направленности в полосе ВЧ головки 2ГД-36 блока размещены по дуге с радиусом 200 мм (рис. 6). Для этого их устанавливают на четырёх крайних и четырёх средних кронштейнах из листовой стали толщиной 2 мм (рис. 7,а, б), которые закреплены на алюминиевом обрамлении винтами МЗ с потайными головками. Обрамление ВЧ блока состоит из четырёх стенок из мягкого алюминия толщиной 5 мм, которые плотно подогнаны друг к другу и прикреплены шурупами к внутренней деревянной панели прямоугольной формы (рис. 8). Между головками вклеены перегородки из электрокартона толщиной 1,5 мм, окрашенные в чёрный цвет. ВЧ блок прикрепляют шурупами к лицевой панели изнури к закреплённым на ней трём рейкам вверху, а также по сторонам отверстия.
Стенки щелевого ФИ можно изготовить из фанеры толщиной 5…6 мм согласно рис. 4 и реек. В лицевой панели под блоком ВЧ головок вырезают отверстие для ФИ, где и закрепляют его клеем.В авторском варианте внутреннее сечение короба 20×200 мм, что равно удвоенному сечению трубы диаметром 50 мм. Размеры lmin = 55 мм, 1ср = 70 мм, Imax= 120 мм (см.
рис. 4) определены по рекомендациям М. М. Эфрусси и кривым для определения длины ФИ (рис. 60,а из [2]), а также путём экспериментов.
Добиться ровной АЧХ в области основного резонанса довольно трудно (влияние резонансов помещения также cледует иметь в виду), но даже частичное снижение боковых максимумов в импедансе АС повышает качество воспроизведения низших звуковых частот в сравнении с обычным ФИ; очевидно, что сглаживание импеданса нагрузки полезно для усилителя мощности.
В среднечастотном звене применена широкополосная головка ЗГДШ-8 (8 Ом), закрытая экраном из деревянных реек и фанеры толщиной 6 мм с внутренними размерами 105x105x35 мм. Полость, закрываемая экраном, заполнена распушённой ватой и крепится к передней панели изнутри четырьмя шурупами по углам.
При окончательной сборке все соприкасающиеся поверхности деталей, закреплённых с помощью шурупов, покрывают тонким слоем пластилина. Внутри основного корпуса АС звукопоглощающего материала нет: по моему мнению, энергия, излучаемая тыльной стороной диффузора НЧ головки, должна не поглощаться и превращаться в тепло, а излучаться через ФИ.
Он эффективно излучает колебания только в полосе частот, на которую настроен, поэтому влияние отражённых сигналов других частот на качество воспроизведения было поставлено под сомнение. Просто не возникло претензий к качеству звучания этой АС. Это не значит, что звукопоглощение для средних или высоких частот противопоказано.
В описываемой здесь АС применён трёхполосный разделительный фильтр с частотами раздела 500 и 5000 Гц, схема которого показана на рис. 9. Катушка L1 — бескаркасная многослойная с внутренним диаметром 35 мм, длиной намотки 20 мм; она содержит 120 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм.
Намотку производят на деревянной оправке диаметром 35 мм со съёмными щёчками. Перед намоткой между щёчками необходимо вложить 3—4 прочные нитки, которыми после намотки нужно связать витки катушки, пропитать лаком и высушить. Катушка L2 содержит 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм, её наматывают на той же оправке.
Расчёт элементов разделительного фильтра приведён в [2, 6].
В кроссовере можно использовать бумажные и металлобумажные конденсаторы БГТ, МБГП, МБГО, а также К42-4 на напряжение 160—250 В.
Детали фильтра приклеивают к дну корпуса АС быстросохнущим клеем и соединяют монтажными проводами с динамическими головками и разъёмом на задней стенке для подключения соединительного кабеля между АС и усилителем. Провода, идущие к разъёму, должны позволять, при необходимости, свободно снимать заднюю стенку корпуса.
В такой АС можно применить сдвоенные НЧ головки, но основной задачей была проверка эффективности работы АС с щелевым ФИ переменной длины.
В заключение следует отметить, что несмотря на применение устаревших динамических головок [4] качество звучания этих АС, подключаемых к усилителю с низким выходным сопротивлением и мощностью 10…20 Вт (при номинальной нагрузке 8 Ом), оценивается как весьма высокое.
А. ЖУРЕНКОВ, г. Запорожье, Украина Радио, №8 2013г
ЛИТЕРАТУРА1. Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. — М.: Радио и связь, 1985, с. 49,83, 124.2. Эфрусси М. М. Громкоговорители и их применение. — М.: Энергия, 1976, с. 70—82, 106—109.3. Жан-Пьеро Матараццо.
Теория и практика фазоинвертора. www.akycmuka.narod.ru4. Музей динамиков. http://devicemusic.ucoz.ru/forum/225. Журенков А. Соединение деталей из ДСП. — Радио, 1980, № 1, с. 26.6. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. Под редакцией Н. И. Чистякова. — М. Радио и связь, 1990, с. 195, 196.
Будет ли колонка с двумя небольшими фазоинверторами басить так же, как и колонка с одним большим?
- Здравствуйте, подскажите, теоретически даже не могу найти информацию.
- Есть у нас колонка A с двумя фазоинверторами (10 мм) и колонка B с одни (15 мм)
- Колонка A басит сильно, затыкаем один фазоинвертор — получаем нормальный результат.
- Если у колонки B не затыкать фазонинвертор, будет она басить так же сильно, как колонка с двумя открытыми фазоинверторами или как с одним открытым?
- Или это все зависит от частоты настройки фазоинвертора?
У фазоинвертора есть частота настройки. А так же такой параметр как площадь.
Если эти параметры совпадают — то ответ очевиден. Но вот головки то в разной акустике — разные, скорее всего.
Что будет если Герцы совпадут с квадратными метрами ???????
Если их параметры совпадут, гул будет мама не горюй?
Не благодарите:
http://www.aie.sp.ru/Calculator_faz.html
Вам подойдёт калькулятор по Эфрусси, для двух фазиков k = 2, для одного, это надо запомнить, k = 1
Да гонит этот ваш Эфрусси, подижто и не знал, лошара, что звуковая волна от обратной стороны динамика проходит через фазоинвертор и складывается с излучением лицевой стороны®️
тут еще нужно помнить что 2 фазонвертера дают еще одну секретную возможность… их можно настроить на разные частоты… а тогда это уже выравниватель ачх… а все остальное зависит о расчетных параметров… можно хоть 5 или 10 приделать главное все расчитать…
Вы просто меняете общую добротность настройки. Смысла в этом практически нет. Всё это можно сделать одним.
тут какое дело… я ниже написал коммент где агрументирую почему это не так… а сейчас напишу дополнение почему резонанс возникает который выправлять надо… суть в том что задача сделать как можно меньший размер колонки… и тогда приходится делать корпус который меньше чем нужен для полноценного фи… в результате вылезает лишний пик… и вот его вторым фазиком и корректируют…
конечно более простой подход при этом тоже возможен… просто ставить 2 а то и 3 дырки для красоты… но на крупнотиражках это лишний технологический процесс который должен быть оправдан… чистый декор там не пройдет…
нет, в колебательной системе АС, если ее перенести на классический школьный опыт с пружиной и грузом, пружина это воздух в корпусе, а грузик воздух в фазоинверторе. Если вы повесите несколько грузиков на одну пружину это будет просто груз суммарной массы. Другое дело их можно по-разному затыкать.
Систему с выравниванием зоны работы ФИ строят по-другому. Это должен быть щелевой ФИ с экспоненциально расширяющимся портом выхода. Тогда можно «растянуть зону резонанса»
Иногда для удаления внутренних резонансов АС делают внутри небольшие камеры с ФИ, они наоборот поглощают резонансы. Это решение пришло из архитектуры, так борются с резонансами внутри больших помещений.
Чтобы растянуть зону работы фи,нужен да,или экспо порт,или же лабиринт,плюсом от них меньше гудения будет и не будет турбулентных призвуков,так как площади портов там уже не такие мелкие как в обычном фи.
Автор еще упомянут про затыкание фи,как я понял одного из двух.
Ответ топикстартеру,если это так,то вы затыканием одного порта из двух тупо снижаете настройку,как известно уменьшая площадь мы снижаем настройку и естественно добротность резонатора,то есть играть он будет уже ниже и при этом еще и тише.
Уважаемый, спасибо большое за ответ
Сейчас проблем со звуком нет, даже на моей бюджетной акустику, боюсь представить, как отыграют Dali Oberon 5. Но хотел расширить немного знания
у всех этих ухищрений одна задача… уменьшить размеры колонки… финальная цель получить полноценный бас из спичечного коробка… с наушниками уже так получилось а вот с громкоговорителями еще все в процессе…
пока что по моим наблюдениям за блютус колонками лидирует в этом плане пассивный отражатель расположенный сзади динамика на его оси… ну и динамик при этом особой подвижности… никак не прикуплю такие для экспериментов…
он в 3 раза меньше классических широкополосников при таком же уровне отдачи по басу…
ФИ это как раз не самый эффективный способ уменьшения габаритов,зя самое компактное оформление,минус у него как известно только один,кпд его.
но в случае если отдача по басу одинаковая какая колонка в размерах меньше будет? та что с дырочкой или та что без?
хммм… запутали вы меня… 🙁 все таки при одинаковом басе какая колонка больше ЗЯ или ФИ?
дело в том что опыт с пружиной это сильно упрощенный пример работы фазоинвертера… явный пример управления басом это акустика фирмы Mission там бас имеет одну интересную специфику… он мощный но одновременно с этим имеет еще и противофазный выход который сразу после атаки гасит все переотраженки в помещении…
в итоге бас наваливает но тут же отпускает а не гудит вязким облаком… как именно они это делают воспрос на несколько полотен… тут важна точка «захвата баса» от динамика… фазоинвертеры зачастую это трубы с изгибами а не прямые… а такие штуковины могут выхватывать и разные частоты и разные разные фазы…
гораздо правильнее представлять моды в помещении… на разном удалении от динамика обитает резонанс разной частоты… расположение слушателя невзирая на его объемы и звукопоглощающие свойства при этом их геометрию не меняет… так вот и фазиками… каждый в своей моде стоит…
противофазный выход который сразу после атаки гасит все переотраженки в помещении… в итоге бас наваливает но тут же отпускает а не гудит вязким облаком… как именно они это делают воспрос на несколько полотен… тут важна точка «захвата баса» от динамика… фазоинвертеры зачастую это трубы с изгибами а не прямые… а такие штуковины могут выхватывать и разные частоты и разные разные фазы…
Бредни маркетологов.
но звук то у них именно такой… он примерно такой же и у щита… так же бас наваливает и отпускает… воспринимается это как прозрачный мощный быстрый бас… но на самом деле этот бас формируется не просто за счет хороших характеристик динамиков а и за счет того что эта конструкция заодно гасит реверберацию помещения…
я там слово переотраженки применил а по факту забыл правильный термин…
Иногда для удаления внутренних резонансов АС делают внутри небольшие камеры с ФИ, они наоборот поглощают резонансы. Э
иногда и не внутри, в TQWT всяких
А TQWT -это не внутри.ЛЮБУЮ акустику можно критиковать не за конструкцию,а за НЕПРАВИЛЬНУЮ реализацию данного изделия.ГРАМОТНО изготовленная акустика не зависимо от конструкции будет звучать,но должен быть индивидуальный технический подход и к помещению и к компонентам.
Назовите мне динамики,которые вы хотите использовать.А они для фазика по параметрам подходят?Они новые или » размятые».А какая резонансная частота у акустики?Может она совпадает с резонансами в комнате и где и,как они установлены?Какие компоненты и т. д.Это необходимый минимум вопросов без ответа на которые вы не получите звук.
Фазоинвертор — резонатор.
Он всегда портит звук. Он нужен не любителям музыки, а производителям — чтобы цифры в спецификациях были красивыми.
Я бы не стал высказываться,так категорично.А,то все фирмы перестанут выпускать фазоинверторы.Резонаторы с начала веков использовались и ни чего страшного.Я фазоинверторы на середину использую и настройку низкочастотникам делаю не на 30Гц, а на 40-75.Если ЛЮБУЮ акустику сконструировать коряво-она,так и звучать будет.
Тот,кто не согласен и ставит минусы(хотя мне по барабану) обоснуйте в чем я не прав.»Он всегда портит звук».Да это безграмотный производитель и покупатель(который неправильно подбирает акустику) портит звук своим непониманием.
Фазоинвертор это фильтр 3-го порядка и его нужно грамотно использовать не для красивых цифр,а подумать СВОЕЙ головой,как его применить.С нижней стороны можно обрезать,чтобы резонансы не совпадали с помещением или облегчить работу динамика.Нужно понимать для каких динамиков его применить и какую частоту настройки подобрать.
Можно слушать классику с фазиком,а для рока прикрыть и получить закрытый ящик,нужно уметь манипулировать,а,то поставят акустику в угол,а потом жалуются,что гудит.ВСЯ ИМПОРТНАЯ АКУСТИКА не для наших 16 квадратов и нужно осторожно подходить к покупки.Некоторые среднечастотники на 3-5″ просто нуждаются в открытом звуке при помощи фазика.
Некоторым вообще в голову не приходит,что частота настройки может быть 70-200Гц.А в эстрадной технике часто без фазоинвертора вообще не обойтись,а для концерта на улице.Где грамотные обоснования против?
Фазоинвертор: расчёт нужной частоты, как сделать и настроить порт в домашних условиях
Любители хорошего акустического звучания знают, что его качество в первую очередь зависит от передачи низкочастотной составляющей звука. Использование фазоинвертора способно существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подводимой мощности. Но всё это возможно лишь при правильном расчёте размеров фазоинверторного (ФИ) отверстия, выравнивающего гармонические колебания и обеспечивающего качественный звук.
Виды акустических систем
Звук — это колебание, имеющее механическую природу возникновения, распространяющееся под давлением вызванным источником излучения. Акустическая система, представляющая собой звуковую колонку, преобразует электрические сигналы в механические, воспринимаемые слухом человека. Частота этих колебаний лежит в границах от 20 гц до 20 КГц. Существуют различные виды акустических систем:
- Акустический лабиринт. Имеет вид лабиринта, выполненного в виде туннеля, находящегося в середине колонки. Его предназначение — усиливать низкие частоты за счёт множества изгибов. Внутренние стенки лабиринта покрываются демпфирующим покрытием, за счёт чего лабиринт не привносит в звук паразитные призвуки.
- Открытого типа. Представляет собой систему, в которой стенка, противоположная направлению излучения динамиков, не устанавливается. В таком типе исполнения невозможно получить хорошие низкие частоты из-за отсутствия компрессии, а средние и высокие звуки кажутся более открытыми и воздушными.
- Закрытого типа. Выполняется из полностью герметичного корпуса, создающего внутри замкнутый объём воздуха. Этот объём образует внутреннее давление, мешающее нормальному ходу диффузоров динамика. Такого рода колонки имеют большие габариты с накладкой на внутренние стенки — демпфера. Достоинством этой системы является чистота звука, в гамму которого не примешиваются нежеланные посторонние звуки.
- Изобарического типа. Отличается сложностью изготовления и дороговизной, но из-за конструктивных особенностей позволяет увеличивать мощность и глубину низкочастотной составляющей. В середине колонки располагаются два динамика, разделённые звуконепроницаемой перегородкой и направленные в одну сторону. Эти динамики подключаются параллельно друг другу и работают в фазе.
- Пассивная. Основное её предназначение — повысить эффективность воспроизведения низкочастотной составляющей звука за счёт использования пассивного излучателя. Этот излучатель располагается в глубине отверстия, выполненного в корпусе колонки и не обладает магнитной системой. При подаче сигнала диффузор излучателя движется не с помощью преобразования электрического сигнала, а под воздействием потока воздуха, вызванного установленным низкочастотным динамиком. Такая конструкция позволяет достичь глубокого баса, но может привнести гул в звук.
- С дипольным излучателем. Дипольного вида акустика воспроизводит звук в двух направлениях. Другое название такого типа — биполярный. По своему типу относится к открытому виду. Для получения приемлемых низких частот потребуется использование динамиков с большими размерами диффузоров.
- Контрапертурная. Редко используемая конструкция. Динамики в ней направляются в верхнюю или нижнюю сторону, и к ним подводится одинаковый сигнал. При столкновении звука, излучаемого динамиками, он изменяет своё направление, распространяясь радиально. К недостаткам такой системы относят возникновение реверберации, из-за чего «размывается» стереопанорама. Достоинства заключаются в появлении эффекта «растворения» звуковых колебаний в помещении.
- Фазоинверторная. Эта система изготавливается в виде классической колонки закрытого типа, но со специальным отверстием. В него устанавливается труба, уходящая вглубь ящика. Такой подход позволяет получить низкочастотный звук значительно ниже по частоте, чем возможности динамиков. Такая система очень востребована, так как позволяет в относительно небольших размерах корпуса воспроизвести глубокие басы, выдавая частоты, недостижимые простым применением динамиков.
Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон, но и повысить коэффициент полезного действия. При этом частотный диапазон не изменится. Отверстие фазоинвертора выполняется разного вида и размеров.
Размещаться оно может на любой поверхности колонки.
При разработке акустической системы наиболее важно выполнить правильно расчёт размера фазоинверторного короба, от чего зависит не только диапазон воспроизводимой частоты, но и качество всего звука в целом.
Принцип работы устройства
Любая колонка фазоинверторного типа имеет в своём составе отверстие — фазоинвертор. Часто он называется акустическим туннелем или портом. Принцип работы его заключается в изменении фазы звукового колебания, вызванного задней стороной диффузора на сто восемьдесят градусов. При возникновении резонанса в ящике амплитуда колебания диффузора достигает минимального значения.
Связано это с тем, что при движении вперёд динамик создаёт разрежение в середине закрытой колонки, тем самым вытесняя воздух в фазоинверторный канал и увеличивая разряжение. Поэтому на частоте резонанса механические волны излучаются через отверстие, а не диффузором динамика.
От размера и вида фазоинверторного порта зависят объём воздуха и частота резонанса, на которую настроен канал. Объём воздуха в канале начинает резонировать и усиливать воспроизведение частоты при наступлении момента, когда диффузор излучает частоту, на которую рассчитан фазоинвертор.
По своей форме классический туннель выполняется кольцевой формы. Но для увеличения полезной внутренней площади ему часто придают щелевой вид. Отказ от цилиндрической формы тоннеля позволяет сократить его длину и снизить шумы, возникающие при выбросе воздуха.
При ошибках в расчёте щелевого фазоинвертора настроить его гораздо сложнее, чем классический вид, так как он изготавливается совместно с колонкой.
Сам расчёт выполняется сложнее, чем для систем закрытого типа: при этом, кроме объёма ящика, учитывается настраиваемая частота резонанса.
Оптимальные размеры подбираются с учётом амплитудно-частотной характеристики колонки, а именно её равномерности.
Расчёт низкочастотного туннеля
Существует несколько способов для проведения вычислений размеров ФИ. Наиболее популярным является расчёт фазоинвертора онлайн или с использованием специализированных программ.
Такие способы обычно требуют знаний множества параметров используемых динамиков. Существуют варианты и проще, но с большим расхождением конечного результата с реальным значением.
Хотя в любом случае после расчёта и изготовления приходится проводить настройку.
Простая формула для вычисления
Метод вычисления заключается в использовании несложных формул и происходит методом подбора данных, когда за основу используется желаемая длина ФИ канала.
F = (C/2 π) * K, где:
- F — желаемая частота настройки;
- C — скорость звука;
- π — математическая постоянная, равная 3,14;
- K — коэффициент, зависящий от размеров фазоинвертора.
При этом коэффициент K равен квадратному корню отношения S/LV, где:
- S — площадь отверстия;
- L — длина канала;
- V — объем колонки.
В качестве единиц измерения везде используются метры, а для частоты — герцы.
При определении значений объёма считается, что лучше выбрать узкий фазоинвертор, но такой подход неверен, ведь при этом в нём возрастает скорость движения воздуха, а это вносит искажения в звучание.
Проектирование широкого и длинного ФИ также лишено смысла, ведь длина фазоинвертора не должна превышать длину волны в момент наступления резонанса. Выполнение этого правила помогает избавиться от стоячих волн.
Использование специализированных программ
Существует много программ, позволяющих автоматизировать расчёты при построении акустических систем, например, Bassport. Эта программа специально разработана для автоматизации проведения расчёта порта фазоинвертора. При разработке программы учитывалось, что когда скорость потока воздуха в трубе становится более шести метров в секунду, то становятся заметными шумы.
Интерфейс программы интуитивно понятен, тем более она имеет локализацию на русском языке. Для получения нужных результатов понадобится ввести:
- скорость звука;
- объем колонки;
- частоту фазоинвертора и динамика;
- диаметр диффузора;
- ход диффузора.
После ввода всех данных останется нажать кнопку «Пересчитать» и получить результат, соответствующий максимальной добротности, зависящей, прежде всего, от соотношения объёма ящика к диаметру порта. Программа Bassport позволяет выполнить расчёт для различных форм, но чаще всего, при скоростях потока до шести метров в секунду, применяется несложная форма для трубчатого или щелевого вида.
Необходимо отметить следующие нюансы при использовании программы. Измерение диаметра диффузора происходит между расстояниями противоположными средним точкам подвесов. Цвет отображения цифры скорости потока, обозначает возможные возникновения шума: чёрный — шума нет, красный — шум заметно слышимый.
Использование онлайн-программ построено по такому же принципу: вводятся параметры системы и выдаётся результат. Сайты с такими программами легко находятся по запросу «фазоинвертор онлайн-калькулятор» в любой поисковой системе. Хотя для достоверности результатов следует перепроверить полученные данные на нескольких сайтах.
После выполнения расчётов останется изготовить и настроить фазоинвертор. В домашних условиях выполнить такие операции несложно, при этом какие-то особые материалы не понадобятся.
Самостоятельное изготовление порта
Фазоинвертор так же, как и динамик, участвует в воспроизведении звука. Для избегания эффекта интерференции канал размещается поближе к излучателю низкой частоты на расстоянии, не превышающем его длину волны. В качестве ФИ используются жёсткие конструкции, например, в самодельных изделиях применяются канализационные пластиковые трубы.
Но при попытках рассчитать фазоинвертор для сабвуфера потребители сталкиваются с тем, что диаметр таких труб не совпадает с вычисленными значениями, поэтому труба изготавливается из подручного плотного материала — ватмана. Для того чтобы сделать канал самостоятельно, потребуются:
- газетная бумага;
- ватман;
- клей.
Согласно выполненному расчёту, подбирается основание с диаметром немного меньше рассчитанного. Затем, используя оправку, на него наматывается несколько слоёв газетной бумаги, обработанной клеем. Намотка осуществляется плотно, с избеганием попадания между слоями воздуха.
Вырезанная из ватмана полоска, ширина которой совпадает с длиной трубки, в несколько витков наматывается на поверхность газетной бумаги. При этом перед каждым витком наносится эпоксидный клей. Его получают путём смешивания смолы и отвердителя согласно инструкции. После того как выполнены все витки, изделие обтягивается по кругу нитью для придания жёсткости и ставится на просушку.
Через сутки основание извлекается. В случае возникновения трудностей его можно поломать изнутри и достать частями. Изготовленный канал такого вида имеет хорошую прочность и легко подвергается дополнительной обработке. Далее полученная трубка устанавливается в отверстие колонки, но не до конца и начинается прослушивание звука. В заводских условиях используется специальный прибор. Такое устройство работает на основе мультивибратора, который настраивается на резонансную частоту динамической головки. После подключения динамика запускается генератор и длина трубы регулируется по максимуму колебанию в ней воздуха.
Аналогично можно провести настройку и самостоятельно. Для этого на вход подаётся сигнал низкой частоты. Трубка выдвигается вперёд или погружается внутрь ящика, а после оценивается объём выходящего воздуха.
Установив положение максимального его выхода, излишки трубы удаляют снаружи, а сам порт герметизируют.
При желании для придания конструкции оконченного вида выполняется раскрыв трубы, но можно обойтись и без этого.
Загрузка...
