Фазоинвертор что это такое в колонках

Фазоинвертор. Немного теории

Понимание, доработка и настройка акустического оформления типа «Фазоинвертор».

Все просто! Не нужно иметь степень по физике, не нужно высшей математики, лишь логика и здравый смысл – ведь это все, что Вам нужно, чтобы получить достойный звук. В этом разделе постараемся разложить все «по полочкам», доступно и понятно описать работу и настройку корпуса типа «Фазоинвертор». Обладая знанием – исследуйте и творите свои уникальные системы!

Фазоинвертор — тип акустического оформления, объединяющий высокое качество звучания, внушительную громкость, простоту в построении и дальнейшей настройке, так же, ФИ сравнительно мал в плане вытесняемого в багажнике пространства.

Мы рекомендуем использовать оформление такого типа всем нашим пользователям в качестве первого корпуса, так же, мы тестируем и рекомендуем начальные, наиболее универсальные в реальной работе, параметры корпуса типа ФИ. Но, как всем Вам известно, из каждого правила есть исключения. И если рекомендованные нами решения удовлетворяют большинству Ваших требований, то всегда найдутся такие, кому нужно что то свое – это и участники различных соревнований, и любители «ветра», и любители «прокачивать площадки»… Эта статья посвящается как раз таким людям, построившим стандартный корпус и желающим получить больше – больше качества, или больше давления, или глубже бас, или…или…

Для начала давайте разберемся, как работает ФИ.

Если закрытый ящик(ЗЯ) попросту устраняет волны, созданные обратной стороной диффузора, то ФИ преобразует эти волны в «полезные», за счет чего происходит существенный рост эффективности и звукового давления. Несомненным плюсом ФИ, в сравнении с ЗЯ, является значительно более высокая эффективность и громкость, минус ФИ — высокий уровень групповых задержек, выраженный в «размытости» и более низкой точности баса.

Порт передает энергию в значительно более узком диапазоне, чем фронтальная часть диффузора. Потому изменения затрагивают лишь часть общего диапазона работы сабвуфера. Впрочем, для большинства значительный выигрыш в громкости или эффективной ширине диапазона куда более важен, чем не такой значительный проигрыш в качестве, от того ФИ — это, пожалуй, самый популярный корпус сегодня.

Схематическое изображение принципиальной конструкции корпуса ФИ изображено на рисунке ниже.

ФИ имеет 2 составляющие — объем(как передаточная среда) и порт(как дополнительный излучатель). Принцип работы оформления типа «фазоинвертор» — корпус инвертирует по фазе энергию обратной стороны диффузора и при помощи порта передает ее в среду, тем самым усиливая акустическую отдачу. Проще говоря, корпус делает из «отрицательных» волн «положительные», эти «положительные» волны и усиливают итоговую отдачу.

В случае с ФИ, мы настоятельно рекомендуем использование фильтра инфранизких частот.

Раздел 2. Углубляемся.

С принципом работы разобрались, теперь перейдем к практике.

Мы уже много лет проводим тестирование корпусов типа ФИ и за годы работы выявили наиболее востребованные параметры корпуса, которые удовлетворят большинство наших пользователей. Но если есть желание получить действительно что то особенное от баса — придется поработать и настроить ФИ индивидуально.

При правильном подключении, диффузор движется сначала вверх, создавая разряжение в корпусе, за тем вниз, создавая сжатие. И это нормально, но в частных случаях лучше работает в обратном порядке. Потому, первое что мы попробуем изменить – заставим диффузор перемещаться сначала вниз, затем вверх. Для этого достаточно лишь поменять полярность подключения динамика – «перепутаем» плюс с минусом, теперь диффузор сперва переместится вниз и это серьезно изменит звучание. Не путайте акустические клеммы с питанием, подключив питающие провода к усилителю не верно, Вы гарантированно его сожжете.

Размяли динамик, отслушали наш стандартный корпус, поигрались с настройками магнитолы и частотами срезов, покрутили эквалайзеры и прочие «улучшайзеры»… что то все равно не устраивает? Так перейдем к существу вопроса и изменим корпус так, чтобы устраивало все!

Настройка. Давайте сразу договоримся, во многих источниках под «настройкой» ФИ принято понимать некую единственную частоту. Мы якобы можем включить какую нибудь программу, в которую нужно внести какие то параметры и которая сразу же нам скажет и нарисует нужный ящик. Все это в корне не верно. Настройка — это осознанный и практический процесс, итогом которого является нужный результат, не зависимо от того, будет это качество звука или какое то сверх-естественное давление или особенно широкий диапазон.

Объем служит для того, чтобы изменить полярность обратной волны с «-» на «+», порт же является своего рода передатчиком энергии. Проще говоря, объем нужен тем больше, чем ниже и глубже нужен бас, порт же нужен строго определенный, тк от порта зависит то, на сколько и какая именно частота будет усилена. Еще проще говоря, объем устанавливает рамки рабочего диапазона, порт усиливает нужную часть диапазона или расширяет его вверх или вниз.

Далее рассмотрим то, как на практике происходит процесс настройки корпуса. И для начала определим основные параметры, которые мы сможем измерить, ощутить, услышать и изменить. Не будем углубляться в физику, оно и не нужно, будем размышлять проще…

Громкость – все знают что это такое, измеряется в Децибеллах (Дб). Громкость бывает пиковая (большинство соревнований SPL), измеряется максимальный результат на одной частоте, и усредненная (формат LoudGames) – измеряется ряд частот, среднее значение принимается за конечный результат. Разницу в 3Дб мы уже можем услышать, разница в 10Дб очень хорошо ощутима на слух любому.

Эффективность – этот параметр описывает то, сколько фактической громкости мы получаем с одинаковой подводимой мощности. Пример: имея 500Вт, менее эффективный корпус даст 110Дб в среднем, более эффективный – 120Дб. Нашей задачей является получить максимум эффективности на всех воспроизводимых частотах.

Диапазон воспроизводимых частот – применительно к сабвуферу это диапазон частот от 20 до 100Гц. В идеале сабвуфер должен воспроизводить все эти частоты и с одинаковой громкостью, но в реальности этого конечно нет, сабвуфер отрабатывает часть диапазона и имеет спад громкости ближе к граничным частотам своих возможностей. Наша задача – заставить сабвуфер фактически воспроизводить частоты от 20 до 100Гц, но современные автомобильные мидбасовые динамики способны работать в диапазоне уже от 70-80Гц, а многие и от 50-60Гц, что существенно облегчает задачу.

Групповое время задержек(ГВЗ) – измеряется в миллисекундах, и чем оно выше, тем менее «содержательным» наш бас будет. На практике большое ГВЗ выражается в явном «запаздывании» баса, в отсутствии множества деталей, в «обмякшем», не эмоциональном и «гудящем» басе. Почему «групповое время» — если задержка одинакова на каждой воспроизводимой частоте во всем слышимом диапазоне от 20 до 20000Гц, то бас будет идеален и точен не зависимо от того, на сколько велика эта задержка. Более того, наличие задержки естественно, и чем ниже частота, тем выше задержка. Но в реальности разница между временем задержки на разных частотах гораздо выше идеала и куда менее постоянно, и ввиду этой непостоянной разницы звук превращается в кашу – одна частота играет раньше, другая позже. Наша задача – снизить ГВЗ до естественного уровня.

Максимум эффективности в полном диапазоне воспроизводимых частот при минимуме ГВЗ – наш рецепт идеального корпуса. В реальности же, как обычно, все не так просто, выигрывая в одном, жертвуем чем то другим…

Имея корпус типа «Фазоинвертор», мы оперируем тремя взаимосвязанными переменными – объем, площадь порта и длина порта. Изменяя их, мы имеем возможность добиваться нужного результата по каждому из вышеперечисленных параметров. Разберемся, за что отвечает каждая из этих переменных и как изменения повлияют на параметры звучания, а так же, как повлияет изменение на здоровье нашего динамика и надежность системы в целом.

Объем. Увеличивая объем, мы увеличиваем эффективность, но увеличиваем и ГВЗ, перемещаем нижнюю границу диапазона вниз, но так же, вниз перемещаем и верхнюю границу. И наоборот.

Объемом мы задаем границы диапазона воспроизводимых частот. Все знают о том, что с понижением частоты растет длина волны, а это значит, что чем больше объем, тем больше будет время задержки тыловой волны и тем более эффективным будет преобразование тыловой волны с «-» на «+» на нижних частотах, но тем менее эффективным будет преобразование на верхних частотах.

С увеличением объема, увеличивается уровень и ГВЗ внизу и вверху, но если внизу диапазона увеличение ГВЗ воспринимается как естественное, то вверху это совсем не так. Изменения эффективности так же происходят, с увеличением объема растет эффективность внизу, но падает вверху.

Безусловно, объем оказывает влияние и на ГВЗ, и на эффективность, но это влияние не велико и находится вблизи естественных пределов. Главная задача объема — получение нужного эффективного диапазона воспроизводимых частот.

Динамик и объем связаны между собой. Чем больше используемый объем, тем эффективнее динамик должен быть. Простой пример: 8″ динамик запускаем в объеме 150 литров, звука практически не будет, но 18″ динамик в том же объеме легко даст полноценный бас. Все дело в том, что с увеличением линейного хода, или с увеличением размера, или с увеличением эффективности, или с увеличением сразу всех трех этих характеристик, динамик способен эффективно воздействовать на бОльшую массу воздуха.

В результате наших собственных тестов мы уже определили для вас наиболее эффективный объем для каждого нашего сабвуфера, иными словами, мы определили диапазон, в котором сабвуфер будет работать так, чтобы было возможно получить наиболее качественный звук благодаря отсутствию «провала» между мидбасом и сабвуфером, при этом мы измерили множество различных мидбасов в различных реальных условиях, определив, что нижняя воспроизводимого ими диапазона — 69-84Гц. Если Ваш мидбас реально и эффективно работает ниже обозначенных рамок, то мы рекомендуем увеличивать объем, в следствии чего сабвуфер будет работать ниже, а жертва верхней границей окажется безболезненной для системы.

С объемом разобрались, с его помощью задаем начальные границы диапазона, теперь рассмотрим порт. Порт имеет 2 параметра — площадь сечения и длина, и изменяя эти параметры, мы определяем, какой ширины диапазон будет усилен портом, в какой части рабочего диапазона будет располагаться это усиление, на сколько эффективным будет усиление, как это повлияет на ГВЗ.

Длина порта. Увеличивая длину порта, тем самым мы увеличиваем массу воздуха в порте, то есть, увеличиваем нагрузку на динамик, заставляя его «толкать» бОльшую массу воздуха. Больше воздуха — выше эффективность, но выше и уровень ГВЗ.

Длина порта на прямую влияет на динамик, повышая или, наоборот, понижая нагрузку на диффузор. В условиях оптимальной нагрузки динамик работает наиболее эффективно, создается и приличный уровень звукового давления и организуются условия для обеспечения достаточно хода диффузора, а значит, и охлаждение звуковой катушки будет достаточным и звук будет приятно глубоким и точным. Увеличивая длину порта, мы конечно увеличиваем эффективность, но увеличиваем и нагрузку на диффузор, ход будет меньше, охлаждение хуже, ГВЗ выше.

Наша рекомендация, указанная к каждому динамику — это своеобразная золотая середина между высокой эффективностью и уровнем ГВЗ, что называется «динамик нагружен оптимально».

Необходимо иметь ввиду, нагрузка на динамик создается как корпусом ФИ сзади, так и салоном автомобиля спереди. Все наши тесты мы проводим для среднего багажника автомобиля средних размеров. Предположим нагрузка на динамик спереди снижается (слушаем с открытыми дверями или автомобиль слишком большой, типа микроавтобуса), в этом случае длину порта необходимо увеличить, тем самым мы компенсируем падение фронтальной нагрузки повышением тыловой нагрузки. Обратный случай — замкнутое пространство багажника седана ввиду своего ограниченного объема существенно «сдерживает» ход сабвуфера, нагрузку в этом случае так же необходимо компенсировать, но уже путем уменьшения длины порта.

Изменяя длину порта, мы так же можем достигнуть и другой цели — расширить диапазон воспроизводимых частот или вверх или вниз, но в этом случае неизбежно выведем систему из равновесия. Увеличивая длину порта, мы, как и в случае с объемом, но в гораздо меньшей степени, увеличиваем и время задержки «тыловой» волны, тем самым повысим эффективность работы сабвуфера в нижней части диапазона. Однако, как уже было сказано выше, сделав это, мы жертвуем «здоровьем» динамика, заставляя его работать выше своих возможностей. Оптимальная же длина порта усиливает весь диапазон воспроизводимых частот, усиливая центральную его часть с плавным падением к краю.

Наша рекомендация длины порта — это золотая середина между высокой эффективностью и ГВЗ в условиях установки сабвуфера в багажнике средних размеров для обслуживания объема салона среднего автомобиля.

Итак, что мы имеем. Отталкиваясь от наших рекомендаций, увеличиваем длину порта в случае, если необходимо компенсировать нагрузку на динамик. Увеличиваем длину порта чтобы увеличить отдачу внизу рабочего диапазона, увеличить нагрузку на динамик и принести в жертву эффективность и увеличить ГВЗ. И наоборот.

Площадь порта. Изменяя площадь порта, мы сужаем или расширяем диапазон воспроизводимых частот сабвуфера, так же, изменяем как эффективность, так и ГВЗ.

Площадь, как и длина порта, разгружают или нагружают динамик, изменяя массу воздуха в порте. Чем больше площадь, тем выше ГВЗ и выше эффективность и наоборот.

Порт имеет определенную пропускную способность. Чем больше площадь порта, тем выше его пропускная способность, тем лучше порт работает на низких частотах, но тем более узким будет диапазон. Однако, слишком большая площадь порта сильно перегрузит динамик до такой степени, что его эффективность упадет до нуля. И наоборот, слишком малая площадь порта, и о прибавке громкости, свойственной ФИ, можно забыть.

Наш порт — это разумный компромисс между шириной диапазона, эффективностью и ГВЗ. В итоге, опять же отталкиваясь от наших рекомендаций, увеличиваем площадь порта в случае, если есть необходимость получить повышенную эффективность в суженном диапазоне частот, или же уменьшаем площадь порта в случае, когда нужно расширить диапазон или снизить ГВЗ, но есть возможность и жертвовать эффективностью.

Комплексные изменения. Как мы видим, и объем, и порт отвечают за одни и те же параметры, но в реальности их влияние не одинаково ни по степени, ни по силе воздействия на конечный результат. Изменяя объем, мы настраиваем диапазон воспроизводимых частот, изменяя порт, мы настраиваем сабвуфер на работу в конкретных условиях. Однако, как Вы уже поняли, существует множество вариантов изменений сразу нескольких параметров, в результате чего есть возможность настроить сабвуфер так, чтобы он работал индивидуально. Это означает, что Вы добровольно жертвуете каким то менее значимым параметром звучания, но получаете возможность выделить гораздо более значимый.

Пределы изменений. Изменение объема всегда будет оказывать менее существенное влияние на характер звучания, чем порт, но пределы изменения объема значительно более широкие. Полезные изменения объема находятся в пределах +-60% от исходного. Изменения площади и длины порта следует делать с особой осторожностью, и в пределах не более 35%. Все изменения, выходящие за эти пределы, повлекут серьезные негативные последствия, перекрывающие все видимые плюсы. Это и существенные изменения звучания в негативную сторону, равно как возможно и очень значительное повышение нагрузки на динамик.

Так же, при комплексных переменах остерегайтесь «двойного действия». К примеру, увеличили объем и увеличили длину порта — оба эти действия не просто сильно понизят диапазон воспроизводимых частот, но и крайне серьезно перегрузят динамик. Необходимо проявить максимум осторожности и внимания к внесению изменений подобного характера.

Вполне возможно, внося одно изменение, компенсировать его другим. Например, увеличивая объем, уменьшить длину порта и т.п. Такие изменения способны как привести к нужному результату, так и компенсировать нежелательные последствия.

Помните, любые изменения полезны до того момента, пока не вносят более существенный вред. Нет таких изменений, которые дают только плюсы и не имеют минусов. При изменении нами рекомендованного корпуса, перед Вами стоит конкретный вопрос – чем, в какой степени и ради чего Вы готовы жертвовать.

Программы для компьютерного моделирования. В природе существует ряд программ, способных смоделировать результат работы сабвуфера на базе некоторых параметров. Мы рекомендуем ознакомиться с такими программами, по одной единственной причине — они способствуют пониманию изложенного материала. Однако, результат моделирования ни в коем случае не должен являться для Вас руководством к действию ввиду того, что ни одна программа на сегодняшний день не учитывает и половины тех нюансов, которые в реальности влияют на работу сабвуфера. Невозможно с помощью программы построить сабвуфер с нуля, однако возможно понять, как то или иное изменение корпуса повлияет на характер звучания в целом. Иными словами, программа поможет только тогда, когда уже есть от чего отталкиваться и нужно внести какие то изменения в уже существующий и рабочий корпус.

Начальное руководство мы получили, давайте теперь рассмотрим на реальных примерах применение полученных знаний…

Пример 1. Мидбас поставили в ящик или в хорошо подготовленную дверь, теперь он работает значительно ниже и эффективнее чем раньше, а естественная величина задержки на нижней границе мидбасового диапазона возросла. Получается, что нам уже не нужен диапазон работы от 20 до 80Гц, а нужен лишь от 20 до 60Гц. Мы знаем, что DD исследует и создает корпуса так, чтобы они эффективно воспроизводили частоты «сверху вниз», то есть, DD жертвует самым низом, чтобы правильно состыковать мидбас и сабвуфер и получать «цельный» звук. Увеличиваем объем и смотрим что получилось – сабвуфер теперь работает более эффективно и глубоко, а возросшая задержка на верхней границе не оказала влияния на звук, т.к. разница между нижней задержкой мидбаса и сабвуфером не изменилась.

Пример 2. Низкокачественный мидбас поставили в штатное место… При таких условиях возникает существенный провал между сабвуфером и мидбасом, в результате ряд частот мы просто не слышим, а сабвуфер играет «отдельно от музыки». Чтобы получить естественный звук, лучше всего будет не перекладывать проблему «с больной головы на здоровую» и поработать с мидбасом. Но если это невозможно (а оно часто невозможно по целому ряду причин), существует ряд решений:

— уменьшаем объем корпуса. Жертвуя нижними частотами, мы все же получаем «цельное» звучание.

— уменьшаем площадь порта и уменьшаем длину порта. Жертвуя эффективностью, получаем более широкий диапазон воспроизводимых частот.

— уменьшаем объем и увеличиваем длину порта. Жертвуя «здоровьем» динамика, расширяем диапазон…

Пример 3. Нужен более глубокий, более «мягкий» бас…

— уменьшаем площадь порта. Жертвуя эффективностью, мы расширяем диапазон и уменьшаем разницу в громкости между частотами в центре диапазона, уменьшаем ГВЗ, получаем точный, низкий, приятный бас, но менее громкий…

— уменьшаем объем, увеличиваем длину порта, уменьшаем площадь порта, в итоге изменений уровень ГВЗ падает вместе с эффективностью, а диапазон существенно расширяется с плавным спадом за пределами…

Пример 4. Хочется «надавить» на соревнованиях…

— в этом случае уменьшаем объем, увеличиваем площадь и длину порта, получаем рост эффективности в центре диапазона и резкий спад по краям, сам же диапазон смещается вверх ближе к резонансной частоте кузова. Для музыки не подойдет, но «надавить» уже куда веселее.

Пример 5. Хочется много «инфры» c «ветерком»…

— увеличиваем объем, увеличиваем площадь порта. Сдвигаем диапазон в «нужное» место и площадью порта увеличиваем эффективность, бинго, жертвуем всем в пользу эффективности на самых низких частотах.

— увеличиваем объем, увеличиваем площадь порта, увеличиваем длину порта. Тот же самый результат, но в условиях, когда мощности недостаточно и есть некоторый «запас» в системе охлаждения.

Пример 6. Нужно получить максимально качественный бас…

— уменьшаем площадь порта. Теряем в эффективности, но получаем более широкий диапазон и уменьшаем ГВЗ.

— уменьшаем площадь порта и уменьшаем объем. Теряем в эффективности еще больше, расширяем диапазон вверх и серьезно уменьшаем ГВЗ…

Пробуем! Полученный звук нестандартен и с помощью простых манипуляций с объемом корпуса или параметрами порта уже соответствует Вашей системе! Для персонализации большинства систем и этих знаний более чем достаточно. Однако профессиональный подход подразумевает более детальные и более точные изменения.

Понимание того, за что отвечает изменение, мы уже дали, профессионалу же нужно нечто большее — это измеренные и предельно точные режимы работы, в которых возможно «выжать» максимум пользы из сабвуфера, предельно качественный звук, предельно высокий уровень громкости, предельно точный диапазон работы…

Источник

Теория и практика фазоинвертора. Отредактированное

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!

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:

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:

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 audioreview.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 1. Размеры конического тоннеля, эквивалентного цилиндрическому диаметром 80 мм и длинной Lo.

Таблица 2. То же, для исходного тоннеля диаметром 100 мм

Lo – длинная исходного цилиндрического тоннеля

L – длинна конического тоннеля

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.

Таблица 3. Размеры тоннеля в форме песочных часов, эквивалентного цилиндрическому диаметром 80 мм и длинной Lo.

Таблица 4. То же, для исходного тоннеля диаметром 100 мм

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…

Источник