Фазоинвертор как правильно сделать. Фазоинвертор для сабвуфера: принцип работы, преимущества и расчет

alexxlabРазное
Как работает фазоинвертор в сабвуфере. Какие преимущества дает фазоинверторное оформление. Как правильно рассчитать параметры фазоинвертора для сабвуфера. Когда стоит выбрать фазоинвертор вместо закрытого ящика.

Содержание

Что такое фазоинвертор и зачем он нужен

Фазоинвертор — это акустическое оформление динамика, при котором в корпусе сабвуфера делается дополнительное отверстие, соединенное с внутренним объемом трубой (портом). Основная цель фазоинвертора — улучшить воспроизведение низких частот за счет использования энергии обратной стороны диффузора.

Основные преимущества фазоинвертора по сравнению с закрытым ящиком:

  • Расширение диапазона воспроизводимых частот в область низких частот
  • Увеличение звукового давления на низких частотах
  • Снижение нагрузки на динамик в области резонанса
  • Повышение КПД акустической системы

При этом фазоинвертор имеет и некоторые недостатки, о которых нужно знать при выборе акустического оформления.


Принцип работы фазоинвертора

Работа фазоинвертора основана на явлении акустического резонанса в системе «объем корпуса — масса воздуха в трубе». На частоте настройки фазоинвертора колебания воздуха в трубе происходят в противофазе с колебаниями диффузора динамика. Это приводит к сложению звуковых волн от лицевой стороны диффузора и из порта фазоинвертора.

Рассмотрим подробнее, что происходит на разных частотах:

  1. На высоких частотах порт практически не влияет на работу динамика
  2. При приближении к частоте настройки ФИ начинается движение воздуха в трубе
  3. На частоте настройки колебания воздуха в трубе максимальны и происходят в противофазе с диффузором
  4. Ниже частоты настройки излучение из порта начинает компенсировать излучение динамика

Как рассчитать параметры фазоинвертора

Для правильной работы фазоинвертора необходимо точно рассчитать его параметры под конкретный динамик и объем корпуса. Основные параметры, которые нужно определить:

  • Частота настройки фазоинвертора Fb
  • Диаметр трубы
  • Длина трубы

Существует несколько методик расчета, но в общем случае алгоритм следующий:


  1. Выбор частоты настройки Fb (обычно на 5-10 Гц ниже Fs динамика)
  2. Расчет площади сечения трубы (около 10-15% от площади диффузора)
  3. Определение длины трубы по формулам или с помощью программ
  4. Проверка скорости потока воздуха в трубе

Преимущества фазоинвертора перед закрытым ящиком

Фазоинвертор позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с закрытым акустическим оформлением:

  • Более низкая граничная частота при том же объеме корпуса
  • Повышение чувствительности на 2-3 дБ в области настройки
  • Снижение амплитуды движения диффузора на частоте настройки
  • Возможность получить высокое звуковое давление при меньшей мощности

Это делает фазоинверторы очень популярными, особенно для домашних акустических систем. Однако в автомобильном звуке есть свои нюансы применения ФИ.

Особенности применения фазоинвертора в автомобиле

В условиях автомобильного салона работа фазоинвертора имеет некоторые особенности:

  • Передаточная функция салона усиливает низкие частоты, что может привести к избытку баса
  • Крутой спад АЧХ ниже частоты настройки может быть нежелателен
  • Требуется защита от перегрузки на инфранизких частотах
  • Сложнее получить ровную АЧХ во всем диапазоне

Поэтому в автозвуке фазоинверторы часто настраивают на более высокие частоты, чем в домашней акустике. Также часто используют фильтры инфранизких частот (сабсоники).


Когда лучше выбрать фазоинвертор, а когда закрытый ящик

Выбор между фазоинвертором и закрытым ящиком зависит от нескольких факторов:

  • Параметров используемого динамика
  • Требуемого диапазона воспроизводимых частот
  • Допустимого объема корпуса
  • Предпочтений по характеру звучания

Фазоинвертор стоит выбрать, если:

  • Нужно расширить диапазон НЧ при ограниченном объеме
  • Требуется высокое звуковое давление
  • Динамик хорошо подходит для ФИ по своим параметрам

Закрытый ящик предпочтительнее, когда:

  • Важна линейность АЧХ и точность баса
  • Нет жестких ограничений по объему корпуса
  • Динамик имеет низкую добротность

Настройка и оптимизация фазоинвертора

Для получения максимального качества звучания фазоинвертора важно правильно его настроить:

  1. Точно рассчитать параметры трубы под конкретный динамик
  2. Проверить отсутствие турбулентности в трубе
  3. Демпфировать стенки корпуса для устранения резонансов
  4. Настроить фильтр инфранизких частот (сабсоник)
  5. Провести акустические измерения и при необходимости скорректировать АЧХ

При правильной реализации фазоинвертор позволяет получить мощный и глубокий бас при компактных размерах корпуса сабвуфера. Однако нужно учитывать все нюансы, чтобы раскрыть потенциал такого акустического оформления.



Как сделать короб для сабвуфера своими руками. Правильно собрать коробок для саба

Автор admin На чтение 8 мин Просмотров 2.1к. Опубликовано

Источником мощного низкочастотного звука в звуковых системах является сабвуфер. Это касается и автомобильной акустики, поэтому большинство автолюбителей оборудуют свои машины такими устройствами.

Можно приобрести готовый блок, но многие предпочитают купить динамики и сделать короб для сабвуфера своими руками. Это не такая сложная работа, как может показаться, но потребуется наличие инструмента и определённые навыки.

Содержание

  1. Как правильно сделать короб для сабвуфера
  2. Как сделать корпус для саба
  3. Как правильно собрать корпус для сабвуфера
  4. Изготовление короба для сабвуфера своими руками
  5. Правильный короб для сабвуфера
  6. Делаем корпус для сабвуфера с фазоинвертором
  7. Маленький короб для сабвуфера
  8. Как сделать корпус для саба своими руками
  9. Чертежи на корпус для сабвуфера

Как правильно сделать короб для сабвуфера

Прежде чем начинать заниматься изготовлением короба для сабвуфера нужно выбрать громкоговоритель. От его параметров будет зависеть объём будущей конструкции. Чаще всего для воспроизведения мощных басов используются специализированные громкоговорители импортного производства диаметром 10-12 дюймов. Конструктивно ящик для сабвуфера может быть сделан в трёх вариантах:

  • Закрытый короб
  • Фазоинвертор
  • Бандпас

Качество громкоговорителя и конструкция короба, в конечном итоге определяют качество звучания низкочастотной звуковой системы.

Как сделать корпус для саба

Самым простым в изготовлении является зарытый ящик или короб. Это полностью закрытая конструкция, изготовление которой потребует минимума простых деревянных деталей. Как сделать корпус под саб становится понятно при виде подобного устройства. По сути это прямоугольный ящик, в передней стенке которого вырезано отверстие под динамическую головку. Ящик состоит из шести стенок, которые несложно выпилить из соответствующего материала. На боковой или задней стенке монтируется клеммная колодка для подключения проводов от усилителя. Закрытый ящик (ЗЯ) отличается плотным и не расплывчатым басом, ровной амплитудно-частотной характеристикой, но имеет самый низкий КПД среди всех конструкций.

Ящик может иметь форму параллелепипеда или трапеции со скошенными стенками. По своим характеристикам закрытая конструкция подойдёт для многих музыкальных стилей. Герметичная закрытая конструкция хорошо передаёт басы впоп и рок музыке, классике, джазе и инструментальных произведениях. Но любители рэпа и дабстэпа будут разочарованы, так как закрытый ящик не подходит для воспроизведения музыки, где много тяжёлого баса и где низкие частоты являются основой музыкальных произведений.

Как правильно собрать корпус для сабвуфера

Корпус для саба своими руками сделать несложно, если точно следовать всем рекомендациям. Самое главное, что требуется закрытому корпусу это герметичность и отсутствие вибраций. Оптимальным материалом для низкочастотной колонки считается многослойная фанера или МДФ. Толщина материала должна быть не менее 18-20 мм. Тонкие стенки будут резонировать и эти вибрационные волны, попадая в салон автомобиля, сильно ухудшат качество воспроизведения низких частот. Важнейшим параметром любого сабвуфера является его объём. Это параметр учитывает внутреннее пространство ящика без объёма, занимаемого динамиком. Соотношения объема корпуса и диаметра громкоговорителя выглядит следующим образом:

  • 10 дюймов (25 см) – 15-20 литров
  • 12 дюймов (30 см) – 25-35 литров
  • 15 дюймов (35 см) – 40-60 литров
  • 18 дюймов (46 см) – 70-110 литров

Для того чтобы повысить КПД и улучшить качество звучания, все швы между деревянными стенками должны быть герметизированы. Лучше всего использовать для этой цели силиконовый герметик. Закрытая коробка для сабвуфера, сделанная своимируками, имеет свои несомненные достоинства:

  • Простота расчёта объёма
  • Легкость в изготовлении
  • Небольшие размеры
  • Отчётливый и чистый бас

Основных недостатков всего два: низкий КПД, не подходит для прослушивания «тяжёлого» баса.

Внутренний объём закрытого сабвуфера можно заполнить синтепоном или ватой. Если объём подсчитан правильно, то этого делать не обязательно. Рекомендуется послушать работу сабвуфера, как с наполнителем, так и без него и выбрать лучший вариант. При разной температуре воздуха давление внутри закрытого объема меняется и для его выравнивания в корпусе сабвуфера иногда оставляют маленькое отверстие не более 1,5-2,0 мм.

Изготовление короба для сабвуфера своими руками

Корпус для сабвуфера своими руками делается просто и занимает минимум времени. После того как динамик подобран и внутренний объём закрытого ящика рассчитан нужно подготовить материал, крепёж и инструмент. Своими руками корпус саба обычно изготовляют из следующих материалов:

  • Фанера
  • МДФ
  • ДСП

Влагостойкая многослойная фанера считается лучшим материалом для изготовления короба сабвуфера. При этом имеются некоторые сложности. Фанера самый дорогой материал и сложно найти фанеру толщиной от 18 мм.

Если объём сабвуфера слишком большой, то фанерные стенки будут издавать «звон», избавиться от которого можно установив внутренние рёбра жёсткости. Хорошим выбором будет использование МДФ. Он дешевле фанеры, легко обрабатывается и имеет хорошую влагостойкость. Древесно-стружечная плита получила широкое распространение. Её можно найти в любой мебельной компании. Там же плиту нарежут по заданным размерам. К недостаткам конструкций из ДСП относится очень маленькая жёсткость, когда от сильной низкочастотной вибрации в точках крепления, материал будет разрушаться. Кроме того он хорошо впитывает влагу и если в багажник автомобиля попадёт вода короб может просто рассыпаться. Из этого материала можно сделать корпус для домашнего сабвуфера. Он не будет эксплуатироваться в экстремальных условиях и прослужит долго.

Правильный короб для сабвуфера

Под правильным корпусом понимается более сложная, но и более качественная конструкция. Это может быть корпус с фазоинвертором или ещё более сложная система, называемая бандпас. Сборка корпуса для сабвуфера своими руками займет больше времени, но результат того стоит. Фазоинвертор может быть щелевым или в виде трубы. Эта конструкция представляет собой небольшой «тоннель». В нём происходит поворот или инвертирование фазы сигнала с дальнейшим излучением его в пространство, в результате чего КПД сабвуфер возрастает в два раза.Фазоинверторный сабвуфер отличается сильным и сочным басом, а на его амплитудно-частотной характеристике, в точке настройки, имеется большой выступ и на этой частоте громкость возрастает. Пик настройки регулируется изменением размеров порта и соотношением рабочего объема сабвуфера к размерам фазоинвертора. Такая конструкция сабвуфера хорошо подойдет для воспроизведения музыки с быстрыми и мощными низами. Как собрать короб сабвуфера во многом зависит от его конструкции.

Делаем корпус для сабвуфера с фазоинвертором

Как и при изготовлении закрытого ящика, работа над более сложной конструкцией начинается с выбора громкоговорителя. Как изготовить короб для сабвуфера зависит от типа материала и крепёжных элементов. Многослойная фанера является самым прочным из рекомендуемых материалов. Чтобы собрать корпус для сабвуфера своими руками можно использовать любые саморезы. При соединении элементов из МДФ и тем более из ДСП, нужно использовать только белые саморезы. Чёрные не обеспечивают такого прочного соединения. Иногда при завинчивании у них обламываются шляпки.

Фазоинверторный сабвуфер должен быть хорошо загерметизирован. Для этого на все швы, с внутренней стороны, наносится слой герметика. Линии распила должны быть очень ровными, поэтому работу лучше выполнить на специальном станке, если есть такая возможность.

При изготовлении щелевого фазоинвертора нужно следить, чтобы все внутренние перегородки не имели сквозных отверстий. Если размеры динамика и короба большие, то в поворотах щелевого порта могут возникать застойные зоны. Чтобы избежать этого все прямые углы фазоинвертора сглаживаются установкой дополнительных деревянных пластин. Сборка короба для сабвуфера своими рукамизавершается установкой внешних контактов для подключения усилителя. Эти места так же должны быть загерметизированы.

Маленький короб для сабвуфера

Некоторые автомобилисты не стремятся к мощному басу, а хотят немного улучшить звуковую картину в салоне. Для этого подойдёт небольшой сабвуфер. Для такой конструкции подойдут динамики 8 дюймов. Некоторые компании выпускают громкоговорители диаметром 6 дюймов, но их сложно найти. Как правильно сделать короб для сабвуфера. Сабвуфер для маленького громкоговорителя имеет маленький литраж, следовательно, займёт немного места в багажном отсеке автомобиля. Не нужно слишком уменьшать размеры конструкции, но и увеличивать так же не следует. Увеличение размеров короба приведёт к тому, что низкие частоты будут «расползаться» и бас будет нечётким. Если объем будет меньше той величины, которая нужна для динамика определённого диаметра, то низы будут слишком быстрыми и будут буквально бить по барабанным перепонкам.

Как сделать корпус для саба своими руками

Если нужно сделать хороший коробок для сабвуфера, то лучше всего остановиться на самой сложной конструкции. Такая система называется бандпасс. Он бывает четвёртого порядка и шестого порядка. Система четвёртого порядка представляет собой двухкамерный ящик, где одна камера это закрытый короб, а другая играет роль фазоинвертора.

Бандпасс шестого порядка это конструкция с двумя фазоинверторами. Здесь самым сложным является расчёт второго порта и взаимное соотношение настроек каждого фазоинвертора. Две камеры имеют разные размеры и способны ограничивать воспроизводимые громкоговорителем частоты. Короб для двух сабвуферов сложнее всего проектировать, но оно обладает максимальным КПД. Для определения всех размеров таких звуковых систем используются специальные утилиты. Для расчёта любой конструкции сабвуфера подойдёт универсальная программа WinISD. У неё нет рускоязычного интерфейса, но разобраться в ней несложно. Чтобы сделать чертёж короба для сабвуфера достаточно загрузить в компьютер параметры используемого динамика.

Чертежи на корпус для сабвуфера

Если нет времени и желания самостоятельно рассчитывать ящик сабвуфера своими руками, можно взять готовые расчёты и чертежи. Если нужно сделать бас очень глубоким и мощным можно сделать короб для сабвуфера на два динамика. В этом случае конструкция может быть в виде закрытого ящика или фазоинверторной. Оба громкоговорителя должны быть однотипными и с одинаковой частотой резонанса, иначе сложно будет настроить фазоинвертор. Если нет опыта по работе с автомобильной акустикой, то первый сабвуфер лучше делать по схеме закрытого ящика. Фазоинверторный сабвуфер с одним громкоговорителем так же несложно сделать своими руками. Не следует, не имея опыта, браться за такую систему, как бандпасс. Результат в любом случае будет не удовлетворительным.

Фазоинвертор. Откройте дверь!

Несколько выпусков серии подряд были посвящены самому (на первый взгляд) простому и одному из двух наиболее популярных видов акустического оформления для сабвуфера — закрытому ящику. И наряду с прочим было сказано: ЗЯ — единственный вид оформления, потенциально способный создать в машине ровную АЧХ на низких частотах. Казалось бы, вопрос закрыт и никакого другого оформления не требуется. Однако статистика, так любимая специалистами нашего тестового департамента, демонстрирует: в реально построенных аудиосистемах ЗЯ и ФИ представлены примерно поровну и вместе составляют больше 80 процентов парка сабвуферов. Естественный вопрос: если дырку в сабвуфере вырезают, значит, это кому-нибудь  нужно? Вопрос, как и его поэтический прототип — риторический, не нужно было бы — не дырявили бы закрытые ящики.

Переключим клавиатуру из риторической раскладки в практическую, спросив, кому и зачем. И окажется, что на эти два вопроса нельзя дать общий ответ. Разным — для разного. И, чтобы этим основательно проникнуться, предлагаю, в который уже раз, для начала погрузиться в пучины прошлого.

Факсимиле оригинального патента на фазоинвертор. Автор считал, что надо тоннель поместить как можно ближе к диффузору, по кругу, эта идея испытания временем не выдержала. А остальное ещё как выдержало…

Кто, где, когда

Всякое такое погружение чревато парадоксальными находками. В начале этого года, в №2, я предлагал вам отметить полувековой юбилей закрытого ящика, согласно бумаге, выданной патентным ведомством США. Надеюсь, вы воспользовались поводом. Когда был изобретён фазоинвертор? За двадцать четыре года до этого, согласно тому же источнику. В июле 1932-го, всего через три года после появления первого динамического громкоговорителя, которым мы практически в неизменном виде пользуемся по сей день и будем пользоваться до дня, назначенного нам судьбой, сотрудник лабораторий телефонной компании Bell Альберт Турас получил охранную грамоту на устройство, скромно и формально названное им «звуковоспроизводящий прибор». Цели, которые преследовал изобретатель, были сформулированы уже в первом абзаце документа. Целью было улучшить воспроизведение низких частот, добившись, по собственному выражению изобретателя, «более естественного воспроизведения низких нот в речи и музыке, находящегося в более правильной пропорции с высокими нотами, чем было возможно прежде».

Такова была цель. В качестве средства мистер Турас предлагал так обустроить громкоговоритель, чтобы использовать излучение не одной, а обеих сторон диффузора. Механизм такого использования Турас понимал правильно, расписав, что трубы, соединяющие объём ящика с окружающим пространством, будут действовать как механический фильтр, внося на определённых частотах фазовый сдвиг в 180 градусов между акустической волной на их входе (внутри ящика) и на выходе (снаружи). В этом случае, как совершенно справедливо рассудил изобретатель, терявшаяся прежде энергия выйдет наружу, а находясь в фазе с уже излучённой лицевой стороной диффузора, увеличит создаваемое всем ансамблем звуковое давление. И, как было отмечено уже тогда, семьдесят с лишним лет назад, происходить это будет только в узкой полосе частот, на которую предлагавшиеся им трубы настроены.

Забавно, что во всём документе понятие резонансной частоты динамика в явной форме не встречается, автор великого изобретения говорит лишь о частотах, где излучение начинает ослабевать, мы-то, здесь и сейчас, знаем, что это как раз ниже резонансной частоты…

На фоне этих, абсолютно обоснованных рассуждений довольно трогательно выглядят заблуждения изобретателя, касающиеся практического устройства «звуковоспроизводящего прибора». Турасу казалось, что всё произойдёт по его рецепту, только если выход труб или кольцевого канала (в общем, того, что мы нынешние называем тоннелем или портом ФИ) будут находиться как можно ближе к диффузору, окружая его тесным кольцом. Сегодня мы знаем, что на практике не очень важно, где будет выход тоннеля, синфазность излучения на низких частотах на пострадает. Но всё равно мистеру Турасу от всех нас спасибо большущее.

Откройте дверь, закройте дверь

Давайте всё же вспомним (за этим и собрались, в конце концов), что происходит в корпусе сабвуфера, если, помимо самого корпуса и динамика, в нём проделали дыру и закрепили в ней отрезок трубы. Начнём двигаться по шкале частот сверху, так удобнее. Пока частота сигнала, подаваемого на динамик, достаточно высока, наличие прорехи в ящике ни на чём особо не сказывается. Почему? Да потому, что действует тот самый механический фильтр, о котором писал изобретатель фазоинвертора. В простых же словах дело происходит так: когда колебания давления внутри ящика происходят с большой частотой, масса воздуха в тоннеле не успевает прийти в движение, дверь вроде бы есть, но если её часто-часто трясти за ручку, она так и останется закрытой. Одновременно смотрим на то, на что Альберт Турас не смотрел, тогда ещё не было принято — на кривую импеданса нашего громкоговорителя (на самом деле понимаем, не просто громкоговорителя, а сабвуфера). В качестве примера взята реальная кривая импеданса корпусного сабвуфера-фазоинвертора характерной двугорбой формы. Почему двугорбой и что означают горбы, выяснится очень скоро, а пока мы находимся там, где отмечено красной точкой, импеданс (проще говоря — сопротивление) громкоговорителя невелик, поскольку невелика амплитуда колебаний диффузора.

Забыли, как связана амплитуда с сопротивлением? Вот велика беда, сейчас вспомним. Смотрите: сопротивление динамика оказывается тем больше, чем меньше ток, проходящий по звуковой катушке при одном и том же подведенном напряжении, верно? Когда диффузор колеблется, он создаёт противо-ЭДС, ток при этом уменьшается. А это то же самое, что возрастание сопротивления. Если диффузор заклинить (это иногда происходит по естественным причинам у особо ретивых эспиэльщиков и примкнувших к ним в результате перегрева и расклеивания звуковой катушки), его сопротивление будет на низких частотах практически неизменным, а на более высоких — расти в силу индуктивности, и только. Когда частота приближается к резонансной, амплитуда колебаний диффузора возрастает (на то он и резонанс), растёт и противо-ЭДС, ток в катушке уменьшается, это равносильно росту её сопротивления.

Пока частота достаточно высока, существенно больше частоты настройки Fb, амплитуда колебаний диффузора растёт, а тоннель, хоть и выглядит открытой дверью, на самом деле заперт на «инерционный замок».

На частоте настройки давление воздуха в ящике «хлопает дверью» ровно в противофазе с собой, а значит — в фазе с диффузором.

Когда частота уходит ниже настройки, тоннель начинает работать в противофазе с диффузором. Диффузор, получается, работает, а тоннель всё сводит насмарку.

Начнём снижать частоту подведенного сигнала. Мы приближаемся к частоте резонанса динамика в ящике, как если бы он был закрытым (как её определить, зная параметры динамика и объём ящика, уж теперь-то вы знаете назубок). Импеданс растёт, это означает: динамик приближается к резонансу, растёт амплитуда колебаний диффузора, а «дверь» в ящик пока остаётся закрытой. До сих пор поведение динамика в корпусе с тоннелем идентично (не считая мелких факторов, которые сейчас проигнорируем, чтобы не запутаться) его поведению в корпусе, закрытом со всех сторон, то есть — в ЗЯ.

Кстати: если заткнуть тоннель фазоинвертора, на импедансной характеристике останется только один, верхний горб, это приходилось видеть не раз, когда в соседнем журнале «Салон AV» тестировались домашние колонки, к которым прилагались затычки для тоннелей. А мы идём ниже по частоте. Ниже резонанса диффузор должен был бы бесполезно сжимать воздух в корпусе, но теперь дверь наружу перестаёт быть закрытой, колебания давления внутри начинают выходить на волю. Выходят они сдвинутыми по фазе относительно того, что было внутри ящика. Почему? Есть два объяснения: корректное и простое, выберите по своему вкусу. Корректное: такова фазочастотная характеристика механического фильтра, которым является сочетание упругости воздуха в ящике и массы воздуха в тоннеле. Не берёте? Тогда простое: за ручку «акустической двери» теперь дёргают медленнее, она начинает приоткрываться, но дверь тяжёлая и поэтому запаздывает. Вот он и фазовый сдвиг. Наконец, на какой-то частоте фазовый сдвиг достигает ровно 180 градусов. Это значит: диффузор, например, идёт вперёд, создавая волну давления перед собой и волну разрежения — позади, то есть — внутри ящика. Эта волна хочет попасть наружу через тоннель, но запаздывает, и когда наконец выбирается наружу, диффузор уже движется назад, создавая волну разрежения и впереди себя. Две волны складываются в фазе, звуковое давление достигает максимума.

Что там у нас на импедансной кривой? Сопротивление падает, достигая минимума как раз на той частоте, где фазовый сдвиг оказывается равным 180 градусам и которая называется частотой настройки фазоинвертора. Что означает минимум импеданса? Совершенно верно: амплитуда колебаний диффузора здесь наименьшая. Парадокс, казалось бы, именно там, где звуковое давление наибольшее, амплитуда колебаний диффузора — наименьшая. Нет тут парадокса, всё по закону. Именно здесь, на этой частоте, с диффузора снимается максимум энергии, среда сопротивляется его движению и с передней стороны, и (ещё больше) с тыльной, а сопротивляясь, преобразует колебания диффузора в звук.

Ещё одно «кстати»: есть расхожий штамп в популярной (иногда чересчур) литературе, где описывается принцип работы фазоинвертора. Там говорится, что на частоте настройки, мол, диффузор вообще неподвижен, а весь звук излучается тоннелем. Позвольте поинтересоваться у невидимых авторов этой мудрости: если диффузор действительно будет неподвижен, с какого перепуга будет двигаться воздух в тоннеле? От сквозняков, что ли? Нет, здесь дело в другом: диффузор движется мало, но эффективно передаёт энергию в окружающую среду, оттого и результат (в децибелах) изрядный. Это как производительность труда: если человек работает полдня, но тяжко, он сделает то же, что другой спустя рукава за день. А со стороны видно только, что поработал полдня — и домой.

Ну ладно, насладились слаженной работой диффузора и тоннеля на частоте настройки, давайте двигаться дальше. В прежнем направлении, вниз по частоте. Когда частота сигнала снижается, запаздывание в открывании-закрывании двери становится всё меньше и в какой-то момент пропадает совсем. Как, скажем, было бы с реальной дверью, пусть даже и тяжёлой, если бы её требовалось открывать-закрывать раз в полчаса. На такой частоте кто не успеет вовремя? Для сабвуфера же это означает, что воздух из тоннеля выходит в фазе с колебаниями давления внутри ящика и в противофазе — с колебаниями, создаваемыми снаружи корпуса диффузором. Результат? Плачевный, а вы какого ждали… Ниже частоты настройки излучение тоннеля начинает отъедать то, что излучает диффузор, складываясь с прямым излучением в противофазе. Именно этим объясняется (если просто, а не корректно) главная особенность АЧХ фазоинвертора по сравнению с АЧХ закрытого ящика. У ЗЯ, как мы знаем, в свободном пространстве звуковое давление ниже частоты резонанса падает со скоростью 12 дБ/окт., а у фазоинвертора ниже частоты настройки тоннеля — вдвое быстрее, в темпе 24 дБ/окт. Это — прямой результат контрпродуктивной на этих частотах, подлой, можно сказать, деятельности тоннеля.

Вернёмся к импедансной кривой. Это самый могучий инструмент в электроакустике, который может рассказать об очень многом. Ниже частоты настройки тоннеля на кривой начинает расти второй горб. Мы уже уяснили: где горб на кривой сопротивления — там рост амплитуды колебаний диффузора. Но только здесь он оказывается совершенно бесполезным: диффузор азартно трясётся, не замечая, что дверь в ящик открыта настежь и звуковые волны в противофазе, которые в закрытом ящике умерли бы внутри, беспрепятственно выходят наружу, сводя на нет все старания бедного динамика.

Реально бедного: одним из недостатков фазоинвертора как акустического оформления считается то, что ниже частоты настройки диффузор ничем не ограничен в своём движении, значит, если на динамик попадет сигнал очень низкой (как правило — инфразвуковой) частоты, амплитуда колебаний может выйти за безопасные пределы. Во имя недопущения подобных трагедий и придуманы фильтры-сабсоники в усилителях.

Кому и зачем?

Было же сказано: разным и для разного. То, для чего был придуман фазоинвертор изначально, лучше других сформулировал тот, кто его придумал. В течение всех последовавших за этим заявлением десятилетий конструкторы акустики делали именно это — ставили динамик в ФИ, когда требовалось улучшить воспроизведение низких частот. Улучшить? А что это означает? В домашней акустике, из которой, придётся признать, мы все выросли, как из гоголевской «Шинели», это означало расширить полосу воспроизводимых частот вниз. Применением ФИ это достигается настолько эффективно, что сегодня, если вы взглянете на ассортимент домашней акустики, найти что-то  в закрытом ящике будет трудно на грани возможного. Почти сплошь «скворечники» всех мастей и габаритов. Причину такой популярности легко проиллюстрировать: вот три АЧХ динамика с довольно типичными параметрами в трёх вариантах акустического оформления. Оптимальный ФИ, оптимальный же (то есть настроенный на баттервортовскую добротность Qtc = 0,707) закрытый ящик и закрытый ящик того же объёма, что и ФИ. В фазоинверторе нижняя граничная частота получается 32 Гц, в таком же по объёму закрытом ящике — 59, в закрытом ящике оптимального объёма — 57. Почувствуйте разницу. Производители и потребители «домашки» давно почувствовали, вот и не слезают с фазоинверторов, хоть палкой гони…

А на то, что ниже граничной частоты звуковое давление у ФИ падает гораздо быстрее, чем у ЗЯ, в этой, домашней постановке задачи, наплевать. А нам, мобильным и моторизованным? Отнюдь нет. Помните про передаточную функцию салона? Конечно, помните, такое не забывается. Она ведёт звуковое давление вверх (начиная с некоторой частоты) с наклоном 12 дБ/окт. У закрытого ящика ниже частоты резонанса звуковое давление падает ровно с такой же скоростью. Значит, при надлежащем выборе параметров сабвуфера одно на одно наложится и произведёт на свет идеально ровную АЧХ, какая в «домашке» и не снилась. А фазоинвертор заваливает свою характеристику со скоростью 24 дБ/окт., такое салон компенсировать не может, значит, с этим оформлением мы всегда (подчеркну: всегда) будем иметь завал АЧХ с наклоном 12 дБ/окт. уже в салоне начиная опять же с некоторой, но уже другой частоты. Вот давайте взглянем: затащим по очереди три ящика из предыдущего примера в машину. Оптимальный ЗЯ: ну что тут скажешь, оптимальный он и есть. ЗЯ увеличенного размера из-за более низкой резонансной частоты показал более высокую отдачу на инфранизах, но и только. Но если к нему пристроить тоннель, настроив «выходную дверь» на 30 Гц или около того, завал АЧХ с этой частоты начнётся, но с какой высоты, взгляните! Обрезок недорогой сантехники привёл к росту звукового давления в полосе частот 25 — 40 Гц (для «домашников» такие частоты — вообще или мечта, или разорение) в среднем на 7 дБ (минимум 6, максимум — 9). Уже минимум означает: при том же уровне звукового давления к сабвуферу надо будет подвести мощность вчетверо (!) ниже, чем к динамику в идеальном, аудиофильском закрытом ящике. Или примерно втрое ниже, чем в закрытом ящике равного объёма (для данного примера). Вот вам и вторая часть ответа на связку вопросов «кому — зачем». В машине — для получения лишнего звукового давления, как раз наиболее широкую полосу частот у нас обеспечивает ЗЯ. В этом отношении автомобильная басовая акустика прямо противоположна домашней.

Возникает вопрос, а нужна ли нам такая АЧХ? В принципе, ответ уже был в одном из прошлых выпусков «ВВ». Но если к следующему разу не сможете найти, с этого и начнём. Подсказка: бас народа — бас божий…

Компонентная акустика фазоинвертор. Фазоинвертор для чего и из чего? Использование специализированных программ

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…

Единственный эффективный способ для получения полного, богатого баса — это добавление сабвуфера к звуковой системе. Сабвуфер позволит значительно расширить воспроизведение низких частот в аудиосистеме и улучшит качество звука, независимо от того, какую музыку вы слушаете.

В основном, существуют два типа басов: плотный и гулкий. И в зависимости от предпочитаемой музыки уже стоит выбирать, какой тип сабвуфера подойдет для вас.

Долгое время на форумах обсуждался вопрос что лучше — фазоиверторный или закрытый корпус сабвуфера? Там нет недостатка мнений по этому поводу, но, к сожалению, есть много распространенных заблуждений. Одни считают, что вентилируемый сабвуфер, предназначен исключительно для звуковых эффектов и не годятся для музыки, другие говорят, что запечатанные боксы более музыкальны, но им, как правило, не хватает глубины баса.

И хотя присутствуют некоторые дебаты по этой теме, здесь есть и зерно истины. Оба вида сабвуферов имеют свои плюсы и минусы. Так что, перед приобретением саба, стоит тщательно продумать, какие результаты вы хотите получить.

Здесь мы постараемся разобраться, в чем различие между этим двумя видами.

Герметичный корпус: плюсы и минусы.

Что отличает закрытые корпуса от фазоинверторных, это их меньший размер. Закрытый ящик, как правило, более компактен, и как следствие, он подойдёт для установки во многих транспортных средствах. Если свободное пространство является проблемой, это будет неплохой вариант. Но размер не единственный фактор, который отличает закрытые корпуса от открытых, различие так же есть и в звуке. На самом деле, воздух внутри таких коробок действует как амортизатор дифузора сабвуфера. Он ограничивает движение низкочастотного динамика, что приводит к равномерному воспроизведению, соответственно на выходе получается более жесткий и точный бас.

Плюсы:

Как правило, закрытые боксы для сабвуфера меньше;

Качество звука и точность гораздо лучше;

Отличная переходная характеристика.

Минусы:

Что касается минусов, их довольно сложно найти. Единственным недостатком может являться эффективность. Позвольте мне остановиться на том, что происходит внутри запечатанного бокса;

В отличие от фазоинверторных коробок, воздух внутри закрытого пространства сильно ограничивает движение дифузора — задняя волна рассеивается внутри корпуса, что ослабляет звуковой сигнал на выходе. В такой ситуации потребуется более мощный усилитель с отдельным питанием, для компенсации потерь в эффективности.

Фазоинверторный корпус: плюсы и минусы.

Корпус открытого типа может воспроизводить громкий, гулкий бас с большей энергией и реверберацией, чем закрытые боксы. Это достигается с помощью негерметичного корпуса, без использования какого-либо дополнительного звукового эквалайзера или цифрового процессора. Отличие с закрытым боксом состоит в относительно небольшом отверстии в корпусе. Несмотря на простой дизайн, при использовании фазоинверторного сабвуфера бывает довольно трудно получить хороший, сбалансированный звук на выходе.

Хитрость заключается в идеально подобранном размере корпуса и подходящем размере отверстия. Вентиляционное отверстие перенаправляет звук из задней части конуса и добавляет его к звуку, исходящему от фронтальной части, что значительно увеличивает громкость басов. Такая схема позволяет использовать довольно скромный внешний усилитель, и получать неплохие результаты. Еще одно преимущество такого типа оформления корпусов, заключается, в долговечности сабвуфера, что происходит благодаря потоку воздуха, охлаждающего динамик.

Плюсы:

Снижение искажений и вибрации дифузора;
. Фазоинверторные боксы дадут вам более четкий звуковой удар в определенных видах музыки. Из-за воздуха, поступающего в вентиляционное отверстие, звук слегка напоминает свист, похожий на тот, который можно получить с помощью пустой бутылки.

Минусы:

Звук, получаемый с помощью вентиляционного канала, может принести больше вреда, чем пользы для некоторых типов музыки;
. Такой тип корпуса более чувствителен к изменениям климата, таким как влажность, температура и т.д.;
. Такой тип корпуса способствует физической усталости человека;
. Из-за высокого внутреннего давления, они должны быть более прочными, что делает их немного сложнее в изготовлении.

Вердикт

Мы рассмотрели два различных способа, чтобы определить, какой тип боксов будет соответствовать вашим потребностям. Фазоинверторный тип оформления, имеет расплывчатый бас, с помощью закрытыго ящика, получается более плотный звук. Если вы хотите чтобы басы отдавались в землю, фазоинверторный корпус подойдет как нельзя лучше. В противном случае, если вы ищете способ, чтобы добавить некоторую глубину музыке, закрытый ящик прекрасно справится с этим. Тп с оформдением «фазоинвертор» звучит громче нежели закрытый ящик, из-за того, что отверстие значительно увеличивает выход резонансных частот, что значительно расширяет чувствительность сабвуфера и позволяет добиться существенно большей басовитости.

Все вышеперечисленное в основном сводится к простому факту: закрытый ящик предназначен для более качественного звука, в то время как фазоинверторные используют для громкости. Но есть и некоторые исключения из этого правила. В конце концов, мы считаем, что качество звука это в гораздо большей степени наличие хорошей техники, а не определенный вид акустического оформления сабвуфера.

Фазоинвертор в отечественной литературе, bass reflex, ported box, vented box — в англоязычной — все это, по сути, звукотехническая реализация идеи резонатора Гельмгольтца. Идея проста: замкнутый объем соединяется с окружающим пространством с помощью отверстия, содержащего некоторую массу воздуха. Вот именно существование этой массы — того самого столба воздуха, который, по утверждению Остапа Бендера, давит на любого трудящегося, и производит чудеса, когда резонатор Гельмгольтца нанимают на работу в составе сабвуфера. Здесь мудреная вещь имени германского физика приобретает прозаическое имя тоннеля (по-буржуйски — port или vent).

Как работает фазоинвертор? Почему вдруг наличие в корпусе громкоговорителя аккуратно выполненной дырки определенных размеров драматически сказывается на работе всего ансамбля? Как уже говорилось вскользь в предыдущих частях этого эпического полотна, тоннель фазоинвертора служит для того, чтобы, задержав на строго определенное время звуковую волну, возникающую внутри ящика громкоговорителя, выпустить ее наружу в той же фазе, что и создаваемая «лицевой» стороной динамика. Здесь, на воле, они объединят свои децибелы и дадут по ушам (при правильном расчете) так, что мало не покажется. Вот за это, собственно, фазоинвертор и любят — за повышенный, по сравнению с закрытым ящиком, к.п.д.

Но не только. Грубая сила не аргумент, если она не подкрепляется точностью воспроизведения сигнала. Здесь имеется в виду другая, существенно менее тривиальная особенность фазоинвертора — его способность производить требуемое звуковое давление при существенно мнеьшей амплитуде колебаний диффузора. Это звучит несколько парадоксально. Все знают, что именно наличие позади диффузора закрытого объема сдерживает колебания диффузора, так почему же в «дырявом» корпусе они вдруг окажутся меньше? А из-за массы, как и было сказано. Отверстие в корпусе фазонивертора потому и сделано, как довольно протяженный тоннель — труба, проще говоря, чтобы держать внутри некоторую массу воздуха. На относительно высоких частотах, выше 200 Гц, инерция воздушной массы в тоннеле приводит к тому, что он акустически совершенно непрозрачен. Как будто закупорен совсем.

Ниже по частоте воздушная пробка в тоннеле начинает оживать и шевелиться, поскольку ее сзади толкает пульсируюшее внутри ящика давление. Инерция воздушной массы приводит к тому, что она двигается не в такт с действующей на нее волной, а с некоторым сдвигом. Он достигает 180 градусов по фазе, то есть начинает быть противофазен звуковой волне, исходящей от тыльной стороны диффузора на некоторой частоте, которая и называется частотой настройки фазоинвертора.

Здесь почти все усилия динамика идут на раскачивание несговорчивой воздушной массы внутри тоннеля, так что на собственные колебания уже почти ничего не остается, и амплитуда колебания диффузора минимальная. (А звук — идет, да еще какой! Просто на этой частоте он почти весь выходит из тоннеля). А поскольку именно большие амплитуды колебаний диффузора и порождают заметные на слух искажения, обстановка, в смысле звука, наступает самая благоприятная.

Еще ниже по частоте дела, правда, начинают меняться в худшую сторону. Для совсем медленных низкочастотных колебаний масса воздуха в тоннеле уже никакая не инерция, и тыльная сторона диффузора качает ее туда-сюда, как насос.

При этом возникает ситуация, как будто динамик вообще не установлен в корпус, то есть волны от тыльной стороны диффузора и от лицевой встречаются в противофазе и в значительной степени друг дружку съедают, как при нормальном акустическом коротком замыкании. Поэтому-то ниже частоты настройки отдача фазоинвертора и падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика. Хуже, однако, другое — диффузор уже ничего не тормозит, и амплитуда его колебаний на совсем низких частотах начинает расти просто катастрофически. Подтональные фильтры (subsonic filters), которыми снабжаются некоторые, обычно породистые, кроссоверы и усилители, сделаны почти исключительно для противодействия этой вредной привычке фазоинверторов.

Итак, что же мы конкретно поимеем, выбрав для своего проекта фазоинвертор как акустическое оформление?

Хочу сразу предупредить: расчет фазоинвертора без предназначенных для этого компьютерных программ возможен, и для него существуют расчетные формулы и номограммы. Однако на пороге третьего тысячелетия квалифицировать такие методы иначе как мазохизм, я не могу. Да и формул я обещал на страницы этого журнала не пускать, и пока держусь. Так что для интересующихся в конце статьи я помещаю адрес в WWW, где есть аннотированная подборка проверенных программ разной степени сложности и совершенства.

Вот картинка, которая объясняет (почти) все. Взят 10-дюймовый динамик, по своим параметрам подходящий для установки в фазоинвертор, и смоделированы характеристики, которые получатся при его установке в оптимальном для него фазоинверторе (20 л, настроен на 42 Гц) и таком же по объему закрытом ящике.

Index.php?t=getfile&id=235&private=0

Верхняя из двух черных кривых, понятно, наша. По сравнению с закрытым ящиком, во всей полосе частот ниже примерно 150 Гц отдача существенно выше. Что значит «существенно»? Взгляните: на частоте, скажем, 60 Гц разница составляет около 4 дБ. А это равносильно повышению мощности усилителя в 2,5 раза. То есть со скромным 100-ваттным усилителем такой саб сыграет, как будто к нему подведено 250 Вт. За те же деньги.

А вот из красных кривых, изображающих зависимость амплитуды колебаний диффузора от частоты, наша — нижняя. Как раз там, где сосредоточена большая часть басовой энергии — ниже 100 Гц, амплитуда начинает падать и остается намного ниже, чем у закрытого ящика, хотя создаваемое звуковое давление — вдвое больше!

У закрытого ящика при этом амплитуда колебаний растет неуклонно и при подведении мощности, указанной как максимальная, выходит за пределы рабочего диапазона (красный пунктир) уже к 70 Гц, а ниже — вообще беда. Там-то и будут порождены такие знакомые на слух хрипы, сопровождающие басовые ноты. У фазоинвертора благодать с амплитудами продолжается вплоть до примерно 30 Гц, а там амплитуда начинает расти неуемно. Впрочем, там уже и звука-то никакого почти нет, так что прямой смысл «придушить» эту часть спектра подтональным фильтром (если есть) и наслаждаться ударной эффективностью при минимуме искажений в действительно звуковом диапазоне.

«Здорово!» — воскликнет нетерпеливый и охочий до децибелов читатель, захлопнет журнал и тотчас отправится ладить прорехи в собственном сабвуфере. Товарищ, стой! Смотри, что может произойти дальше. Пусть, оставив все без изменения, мы вывернем из нашего 20-литрового ящика прежний динамик и установим другой — предназначенный для работы именно в закрытом корпусе.

Index.php?t=getfile&id=236&private=0

Его характеристика в закрытом, родном для него ящике (нижняя на графике) была очень даже славная. А после переделки в фазоинвертор она станет, как верхняя, то есть даст ярко выраженный «хлопун» между 50 и 100 Гц. Именно в результате создания таких сочетаний фазоинверторы получили в свое время обидное прозвище boom-box («бухало»), позже использованное, на этот раз вполне справедливо, для какой-то портативной магнитолы.

В чем же была разница между двумя динамиками? В двух параметрах, которые должны находиться в определенной гармонии для данного акустического оформления, иначе — оставь надежду всяк сюда звучащий, так сказать. Эти параметры — резонансная частота Fs и полная добротность Qts.

У «закрытого» динамика они были Fs=25 Гц, Qts=0,4. А у «фазоинверторного» — 30 Гц и 0,3. Вроде не так велика разница, а результаты — существенно различаются. Придуманный в свое время параметр энергетической полосы пропускания Fs/Qts сразу показывает, кто есть кто: его значение для первого динамика 62,5, а для второго — 100. Правило простое: если Fs/Qts заметно меньше 100, — забудьте слово «фазоинвертор». Если близко или больше, — снова вспоминайте, а забывайте про закрытый ящик. В районе 90 — 100 — «сумеречная зона», где, с известными уступками, можно применять и одно, и другое.

А что все-таки произойдет, если настоять на своем и втолкнуть динамик в несвойственное ему оформление? Давайте попробуем, благо пока драма разворачивается на бумаге и экране компьютера, то есть «малой кровью, на чужой территории».

Для начала ставим «фазоинверторный динамик» в закрытый ящик и пробуем варьировать тем единственным параметром, который имеем — объемом этого ящика.

На графике — три кривые. Самая пологая — результат установки в ящик объемом 50 л, самая круто спадающая ниже 100 Гц — при объеме ящика 10 л. А посередине — наша исходная характеристика в 20-литровом объеме. Видим: объем меняется от неприлично маленького до непрактично большого, а путной характеристики не выходит — она или начинает спадать слишком рано, или спадает слишком быстро.

У динамика, рожденного для закрытого ящика, как видно из следующего графика, есть возможность или попасть в оптимум (средняя кривая), или же «накроить» на объеме, получив при этом довольно заметно «гукающую» характеристику (верхняя кривая, построенная в объеме 10 л).

А наоборот? Можно ли при установке «закрытого» динамика в фазоинвертор так его настроить, чтобы получить ровную АЧХ? Теоретически — да, благо у фазоинвертора можно при неизменном объеме перестраивать частоту, меняя диаметр и длину тоннеля (на практике — всегда длину, разумеется). Начинаем эксперимент с верхней, совершенно ужасной кривой (объем 20 л, частота настройки 50 Гц) и, постепенно перестраивая фазоинвертор, вдруг на частоте настройки 20 Гц замечаем, что пришли к очень симпатичной кривой (нижняя на графике).

Опаньки, давайте сейчас вычислим, какой тоннель для этого нужен — и вперед! Через полсекунды компьютерного времени получаем данные, что для того, чтобы настроить 20-литровый объем на частоту 20 Гц, нужен тоннель диаметром 75 мм и длиной 1 м 65 см. То есть ростом с миниатюрную даму, а никак не с деталь компактного сабвуфера.

А вот зато «фазоинверторный» динамик позволит с минимальными хлопотами (вдвинуть — выдвинуть трубу) перестраивать частотку не хуже, чем эквалайзером. На графике — результаты такой деятельности в диапазоне частоты настройки тоннеля от 35 до 52 Гц, для чего понадобилась длина тоннеля от 190 до 400 мм — не Бог весть что даже при наибольшем значении.

Закономерным финалом саги о фазоинверторе будут практические аспекты его воплощения в жизнь. Ключевым элементом здесь становится именно труба, она же — тоннель, она же в результате рабской транслитерации с английского — порт. Именно она, труба, позволит реализовать на практике два главных параметра, определяющие акустический облик задуманного фазоинвертора: объём корпуса и частота его настройки. Эти две величины, одна в литрах, вторая — в герцах, становятся результатом либо самостоятельного расчёта, либо следования ранее сделанным калькуляциям. Их источником могут быть изготовители динамика, наши тесты или же советы специалистов, основанные на их практике. Во всех трёх случаях бывает, что даются готовые размеры тоннеля, обеспечивающие настройку известного объёма на нужную частоту, но, во-первых, не каждый раз, а во-вторых, слепое копирование не всегда возможно и всегда непохвально. Так что более общей и гораздо более продуктивной будет такая постановка задачи: известны объём и частота, а вопрос об их физической, в материале, реализации станем решать самодеятельно. Часть истории будет организована по принципу вопросов и ответов: номенклатура вопросов известна, в редакционной почте они повторяются с регулярностью, дающей повод для статистических выкладок, которые так любит наш тестовый департамент. Не стану отнимать у них любимую игрушку, у нас — свои. Итак, что вначале, рассчитываем тоннель или покупаем трубу, которой этим тоннелем предстоит стать? По идее надо вначале купить — трубы бывают не любого диаметра, а из некоторого ряда значений, если брать готовые, а не накручивать самому из бумаги на клею, как пионер из кружка юного космонавта. Но начать придётся всё же с хотя бы грубой прикидки, и дело здесь в том, что…

Толщина имеет значение

Если тоннель действительно труба (есть ведь и варианты), какой она должна быть в диаметре? Самый общий и самый грубый ответ: чем больше, тем лучше. Совет действительно радикален и может вызвать протестную реакцию: а если я возьму и сделаю тоннель диаметром вдвое больше динамика? Не возьмете и не сделаете, как бы ни старались, об этом больше ста лет назад позаботился некто Герман Гельмгольц, резонатором имени которого фазоинвертор и является, а позже — создатели автомобилей, сделавшие их по габаритам меньше существовавших в то время паровозов. Итак, по порядку, почему больше и почему что-то этот процесс остановит.

Во время работы вблизи частоты настройки, где, собственно, и выполняет свои функции тоннель фазоинвертора, добавляя от себя к звуковым волнам, порождаемым колебаниями диффузора, внутри тоннеля движется воздух. Движется колебательно, туда-сюда. Объём движущегося воздуха — точно такой же, какой во время каждого колебания приводится в движение диффузором, он равен произведению площади диффузора на его ход. Для тоннеля этот объём — произведение площади сечения на ход воздуха внутри тоннеля. Площадь сечения реально всегда меньше площади диффузора (если кто ещё не отказался от угрозы сделать такой же, а то и больше, скоро никуда не денутся и откажутся), и, чтобы переместить такой же объём, воздуху надо двигаться быстрее, скорость в тоннеле с уменьшением диаметра возрастает пропорционально уменьшению площади его сечения. Чем это плохо? Всем сразу. Прежде всего тем, что модель резонатора Гельмгольца, на которой всё основано, предполагает, что потери энергии на трение воздуха о стенки тоннеля отсутствует. Это, разумеется, идеальный случай, но чем дальше мы от него отойдём, тем меньше работа фазоинвертора будет походить на то, чего мы от него ожидаем. А потери на трение в тоннеле тем выше, чем больше скорость воздуха внутри. Теоретически формула, да и несложная программа, на ней основанная, этих потерь не учитывает и безропотно выдаст вам расчётную длину тоннеля при диаметре хоть в палец, но работать такой фазоинвертор не будет, всё умрёт в завихрениях воздуха, пытающегося стремительно летать по тесному тоннелю взад-вперёд. Текст когда-то виденного мной агитационного плаката ГАИ «Скорость это смерть» к движению воздуха в тоннеле подходит безусловно, если смерть отнести к эффективности фазоинвертора.

Впрочем, намного раньше, чем фазик погибнет как средство звуковоспроизведения, он станет источником звуков, для которых не предназначен, вихри, возникающие при излишне высокой скорости движения воздуха, создадут струйные шумы, нарушающие гармонию басовых звуков самым бессовестным и неэстетичным образом.

Что следует принять за минимальное значение площади сечения тоннеля? В разных источниках вы найдёте разные рекомендации, далеко не все из них авторами были когда-либо опробованы хотя бы путём вычислительного эксперимента, о других уж не говорим. Как правило, в такие рекомендации закладываются две величины: диаметр диффузора и максимальная величина его хода, то самое Xmax. Это разумно и логично, но в полной мере относится лишь к работе сабвуфера на предельном режиме, когда о качестве звучания говорить уже немного поздно. Основываясь на многочисленных практических наблюдениях, можно взять на вооружение куда более простое правило, оно небезупречно и не совсем универсально, но работает: для 8-дюймовой головки тоннель должен быть не меньше 5 см в диаметре, для 10-дюймовой —

7 см, для 12-ти и больше — 10 см. Можно ли больше? Даже нужно, но вот именно сейчас нас кое-что остановит. А именно — длина тоннеля. Дело в том, что…

Длина имеет значение

Как и было сказано, её скомандует великий Герман фон Гельмгольц. Вот он, у доски в Гейдельбергском университете, а на доске — та самая формула. Ну ладно, в этот раз её написал я, но придумал — он и написал бы точно так же. Эта немудрёная, поскольку выведена для идеального случая, зависимость показывает, какова будет частота резонанса некоей полости (нам привычнее ящик, хотя Герман фон делал эдакие пузыри с трубами-хвостиками) в зависимости от объёма V, длины L и площади сечения хвостика. Обратите внимание: параметров динамика здесь нет, и было бы странно, если бы они были. В любом случае полезно запомнить и никогда не поддаваться на провокации: настройка фазоинвертора полностью и исчерпывающе определяется размерами ящика и характеристиками тоннеля, соединяющего этот ящик с окружающей средой. Помимо этого в формулу входят только скорость звука в атмосфере планеты Земля, обозначенная «с», и число «пи», не зависящее даже от планеты.

Для практических целей, а именно — вычисления длины тоннеля по известным данным, формулу легко преобразовать, вспомнив родную школу, а константы подставить в виде чисел. Это делали многие. Многие же публиковали результаты этого волнующего процесса, и автору немного удивительно, как можно было зрелищно обделаться при операции с тремя-четырьмя числами. В общем, треть опубликованных на бумаге и в Сети преобразованных формул непостижимым образом являются ахинеей. Правильная приводится здесь, если подставлять величины в показанных чёрным единицах.

Эта же формула плюс некоторые поправки заложена и во все известные программы по расчёту фазоинверторов, но прямо сейчас формула для нас удобнее, всё на виду. Смотрите: что будет, если вместо минималистского тоннеля поставить другой, попросторнее (и потому получше)? Потребная длина возрастёт пропорционально квадрату диаметра (или пропорционально площади, но ведь мы трубу-то собрались по диаметру покупать, по-другому не продают). Перешли от 5-сантиметровой трубы к 7-сантиметровой, это к примеру, длина при той же настройке понадобится вдвое больше. Перешли на 10 см — вчетверо. Беда? Пока — полбеды. Дело в том, что. ..

Калибр имеет значение

Беда сейчас будет. Ещё раз глядим на формулу, на этот раз — в знаменатель, фокусируйте зрение. При всех прочих равных длина тоннеля будет тем больше, чем меньше объём ящика. Если для того, чтобы настроить на 30 Гц 100-литровый объём, имея в распоряжении 100-миллиметровую сантехническую трубу, надо открыжить и вклеить в ящик отрезок говнопровода протяжённостью 25 сантиметров, то при объёме ящика 50 л это будет полметра (что уже не меньше, чем полбеды), и при довольно распространённых 25 л тоннель такой толщины должен будет иметь метровую длину. Это уже беда, без вариантов.

В наших, практических условиях объём ящика в первую очередь определяется параметрами динамика, и в силу причин, читателям этой серии уже хорошо известных, для головок калибра 8 дюймов оптимальный объём редко превышает 20 л, для «десяток» — 30 — 40, лишь когда дело доходит до 12-дюймового калибра, мы начинаем иметь дело с объёмами порядка 50 — 60 л, и то не всегда.

Вот и получается какой-то парад суверенитетов: частота настройки ФИ определяется тем басом, который мы от него хотим получить, будь он на «восьмёрке» или на «пятнашке» — не важно. А частота настройки ящика опять не зависит от динамика, чем меньше объём, тем длиннее подавай тоннель. Итог парада: как мы неоднократно замечали в тестах малокалиберных сабвуферов, желательный и многообещающий вариант оформления в ФИ физически невозможно (или затруднительно) реализовать. Даже если не жалко места в багажнике, нельзя объём ящика ФИ делать больше оптимального, а оптимальный нередко оказывается настолько мал, что настроить его на инвариантную к прочим факторам частоту 30 — 40 Гц немыслимо. Вот пример из недавнего теста 10-дюймовых сабвуферных головок («А3» №11/2006): если взять за аксиому диаметр трубы 7 см, то для того, чтобы сделать фазоинвертор на головке Boston, понадобился бы её кусок длиной 50 см, для Rainbow — 70 см, А для Rockford Fosgate и Lightning Audio — около метра. Сравните с рекомендациями в тесте этого номера, относящимися к 15-дюймовым головкам: ни у одной таких проблем не отмечено. Почему? Не из-за динамика, как такового, а из-за исходного объёма, выбранного по параметрам динамика. Что делать? Встречать беду во всеоружии. Оружие нам выковали поколения специалистов (и не только). Знаете, в чём тут дело?

Форма имеет значение

Вы едва ли могли не заметить: я очень люблю копаться в патентах, поскольку считаю, пусть дорога от изобретения к реальной жизни не столь уж коротка, патент — отражение мысли в виде вектора, то есть — с учётом направления. Большинство новаций, предложенных (и неуклонно предлагаемых) неутомимыми умами в отношении фазоинвертора, сконцентрировано на борьбе с двумя мешающими факторами: длина тоннеля, когда его сечение велико, и струйные шумы, когда его сечение, стремясь сократить длину, попытались уменьшить. Первое, простейшее решение, о допустимости которого нас спрашивают в редакционной почте раз по пять в месяц: можно ли тоннель поместить не внутрь ящика, а снаружи? Вот ответ, окончательный, фактический и настоящий, как бумага на квартиру профессора Преображенского: можно. Хоть частично, хоть целиком, внутрь ящика тоннель запихнули исключительно из эстетических соображений, у фон Гельмгольца он торчал снаружи, и ничего, он это пережил. Да и современность наша даёт примеры: вот, скажем, ветераны car audio не могут не помнить (многие, честно говоря, не могут забыть) «басовые трубы» фирмы SAS Bazooka. Они ведь начались с патента на сабвуфер, который удобно поместить за сиденьем грузовика — любимого транспорта американцев. Для этого изобретатель протянул трубу фазоинвертора вдоль корпуса снаружи, заодно уж придав её распластанную по поверхности цилиндрического корпуса форму. Это — один пример, есть другой: некоторые фирмы, выпускающие встроенные сабвуферы для домашних кинотеатров, выводят наружу трубу-тоннель полосового сабвуфера-бандпасса. Тип сабвуфера в данном случае значения не имеет: это тот же резонатор имени сами знаете кого. Ещё одно решение тоже, судя по письмам, ищут, но опасаются. «Можно ли гнуть тоннель?» Ответ — в стиле Филиппа Филипповича и очевиден. Иначе не выпускали бы сразу несколько компаний (DLS, JL Audio, Autoleads, etc. etc.) гибкие трубы специально для этой цели. А в области патентной документации есть даже интересная подсказка, как можно эту задачу решить не без изящества и материальной экономии: была в своё время предложена конструкция модельного тоннеля, который бы собирался из типовых элементов в любой желаемой форме, иллюстрация поведает об остальном. От себя добавлю: большая часть изображённых в патенте деталей трогательно напоминает номенклатуру элементов канализационных сетей местного значения, что и является практическим рецептом внедрения интеллектуального эксцесса американского изобретателя.

Борясь с неуместной длиной тоннеля, часто идут по пути строительства так называемых «щелевых портов», их достоинство — в конструктивной интеграции с корпусом, что позволяет, при известном воображении, сделать тоннель довольно протяжённым, на прилагаемой схеме — сразу несколько вариантов, которым вопрос, разумеется, далеко не исчерпывается (три верхних эскиза принадлежат перу известного хай-эндщика Александра Клячина, остальное было делом техники).

Недостаток же щелей — в трудности подгонки длины, это не сантехнический ПВХ — махнул пилой, и дело в шляпе. Но есть решения и здесь: не так давно один из героев рубрики «Своя игра» пермяк Александр Султанбеков (не грех лишний раз напомнить стране имена её героев) продемонстрировал на практике, как можно настраивать щелевой порт, изменяя его сечение при неизменной длине, он это делал, укладывая внутрь фанерные проставки, как показано на фото где-то поблизости, поищите.

В сворачивании тоннеля фазоинвертора некоторые светлые умы дошли до крайностей: один светлый предложил, например, свернуть тоннель в виде спирали вокруг цилиндрического корпуса громкоговорителя, другой на хитрую формулу Гельмгольца ответил тоннелем-винтом, такая концепция нам здесь, в России, знакома…

Но вообще-то все эти решения (даже с винтом) — лобовые, здесь тоннель неизменной длины просто приделывается или складывается так, чтобы не мешал. Известны (и даже продаются в товарных количествах) реализации другого принципа. Здесь дело вот в чём.

Сечение имеет значение

Не площадь, как таковая, а характер её изменения по длине тоннеля. До сих пор мы, ведомые учением фон Гельмгольца в его самой простой, школьной форме, считали непременным, что поперечное сечение тоннеля постоянно. А нашлись люди, которые это условие нарушили и даже нажили на этом денег.

Опытные читатели помнят, например, статью нашего итальянского коллеги профессора Матарацци, где он предлагает эффективные решения по сокращению длины тоннеля путём придания ему конической или дважды конической, как песочные часы, формы. В «А3» №10/2001 расчёты по программам профессора приведены в виде таблиц, а сами программы сеньор недавно по нашей просьбе нашёл и прислал. Ко времени выхода этого номера из печати мы их выложим на сайт в разделе «Приложения». Правда, исходный код рассеянный профессор потерял безвозвратно, так что программки остаются на итальянском, если кто знает, как перевести, не имея кода, примем помощь с признательностью.

А пока отметим: в своих изысканиях профессор и не первый, и не единственный. На этом направлении происходили даже целые трагедии. Давние читатели журнала, возможно, помнят заметку в «А3» №2/2003 о судебном иске по поводу тоннеля фазоинвертора, не столь давним напомню: корпорация Bose усмотрела, что другая корпорация, JBL, использовав в своих колонках тоннели фазоинвертора с криволинейной образующей, названные Linear-A, тяжко посягнула на интеллектуальную собственность Bose Corp. В доказательство был приведен патент США, где упоминалось, в числе прочего, что неплохо было бы тоннель сделать с эллиптической образующей, он тогда будет и короче, и тише с точки зрения струйных шумов. Напрасно JBL пыталась втолковать суду, что у Bose эллипс, а у JBL — экспонента. Суд пояснил, что эллипсы-шмеллипсы — дело десятое, а колонок продали много, бухгалтерия Bose посчитала: нажива JBL составила 5676718 долларов и 32 цента, что и предлагалось внести в кассу обиженной стороны. Занесли как миленькие, включая медяки, а во всех колонках тоннели поменялись на другие, FreeFlow, типа — улучшенная модель. Вот как бывает…

Уход от цилиндра как формы тоннеля предлагали очень и очень многие. Кто — в стиле Матарацци с вариациями, кто — в скромном, локальном масштабе, ограничиваясь приданием криволинейных обводов концам цилиндрического тоннеля с целью снижения струйных шумов от завихрений. Наиболее же радикальное средство борьбы и с длиной, и с шумами не только придумал, но и эксклюзивно пользуется им уже не один год Мэттью Полк, основатель компании своего имени. Суть устройства под названием PowerPort такова: часть функций тоннеля берёт на себя одна или две, на каждом конце трубы, кольцевая щель между стенкой ящика и поставленным на строго рассчитанном расстоянии от неё «грибком», впрочем, на рисунке всё видно. Такими тоннелями снабжаются практически все домашние громкоговорители Polk Audio. И ежели только кто покусится, плакали его 32 цента плюс ещё кое-что. Для себя же, любимых, никто не запретит такую штуку попробовать, тем более что когда-то давно Полк выложил на свой корпоративный сайт таблицу в «Экселе», по которой можно всё рассчитать, я её тогда же с этого сайта попёр (получив на это позже, задним числом, благословение автора — я же не с целью наживы) и даже перевёл сопроводительные инструкции на великий и могучий, это всё лежит у нас на сайте.

A propos, и труды профессора Матарацци, и революционная разработка Мэттью Полка напоминают нам вот о чём: гимназическая формула Гельмгольца, помимо прочего, не учитывает очень существенный для практики эффект: в огромном большинстве случаев (практически — всегда) один из концов тоннеля прилегает к стенке корпуса сабвуфера, это касается как круглых труб, отпиленных заподлицо со стенкой, так и труб, снабжённых аэродинамической законцовкой, а в ещё большей степени — щелевых портов, прилепившихся к стенке. Близость стенки создаёт концевой эффект, напоминающий то, чего намеренно добивался автор PowerPort — виртуального удлинения тоннеля. Поэтому-то к формуле, непосредственно произведенной из трудов фон Гельмгольца современные прикладные спецы рекомендуют вводить поправку, чисто эмпирическую, но оттого не менее нужную, она выделена красным, чтобы было ясно, где классик XIX века, а где — практика XX.

А вообще-то, друзья дорогие, пора браться за дело, не век же в бумажках копаться. Дело-то как раз в этом…

К вопросу о толщине: проталкивая тот же объём воздуха через более тесный тоннель, его придётся разгонять до более высокой скорости. А «скорость — это смерть»

Гельмгольц написал бы свою формулу точно так же, просто в тот момент не было фотографа

Окончательная и фактическая формула, заменяющая компьютерную программу. Она правильная, проверили неоднократно. Смысл выделенного красным «хвостика» будет объяснен в тексте

Может ли тоннель находиться снаружи ящика? Да целая фирма на этом построила свой бизнес, патент на удобный для размещения сабвуфер был растиражирован стонями тысяч басовых труб SAS Bazooka. А производители встроенных сабвуферов для домашних театров вообще не парятся…

Можно ли тоннель оставить внутри, но согнуть как удобнее? Вот вам ответ

Экзотические, отчаянные решения: свернуть тоннель спиралью или винтом

Щелевой тоннель интегрирован с ящиком, от этого его можно сделать длиннее обычного, «вставного», подгонять длину, правда, гораздо труднее…

Значит, надо подгонять не длину, а сечение: вот как это делал один житель столицы Пермского края

Уход от цилиндрической формы тоннеля предлагался и для сокращения его длины, и в виде локальной «аэродинамической обработки», для снижения струйных шумов

Самое эффектное решение в этой области: PowerPort Мэттью Полка. Изобретение не осталось на бумаге, оно — составная часть почти всей акустики Polk Audio

Подготовлено по материалам журнала «Автозвук», февраль 2007 г. www.avtozvuk.com

Знаете, когда был предыдущий выпуск серии «Вспомнить всё»? В апреле 2006-го, когда то, что сейчас покрыто снежком, только думало начать зеленеть. ..

Но рукописи (особенно в компьютерном формате) не горят, и, несмотря на время, можно точно установить, на чём всё закончилось. На фразе: «А что касается фазоинверторов, придёт день, поговорим и о них…» Будем считать — пришёл.
Несколько выпусков серии подряд были посвящены самому (на первый взгляд) простому и одному из двух наиболее популярных видов акустического оформления для сабвуфера — закрытому ящику. И наряду с прочим было сказано: ЗЯ — единственный вид оформления, потенциально способный создать в машине ровную АЧХ на низких частотах. Казалось бы, вопрос закрыт и никакого другого оформления не требуется. Однако статистика, так любимая специалистами нашего тестового департамента, демонстрирует: в реально построенных аудиосистемах ЗЯ и ФИ представлены примерно поровну и вместе составляют больше 80 процентов парка сабвуферов . Естественный вопрос: если дырку в сабвуфере вырезают, значит, это кому-нибудь нужно? Вопрос, как и его поэтический прототип — риторический, не нужно было бы — не дырявили бы закрытые ящики.
Переключим клавиатуру из риторической раскладки в практическую, спросив, кому и зачем. И окажется, что на эти два вопроса нельзя дать общий ответ. Разным — для разного. И, чтобы этим основательно проникнуться, предлагаю, в который уже раз, для начала погрузиться в пучины прошлого.

Кто, где, когда
Всякое такое погружение чревато парадоксальными находками. В начале 2006 года, в №2, я предлагал вам отметить полувековой юбилей закрытого ящика, согласно бумаге, выданной патентным ведомством США. Надеюсь, вы воспользовались поводом. Когда был изобретён фазоинвертор? За двадцать четыре года до этого, согласно тому же источнику. В июле 1932-го, всего через три года после появления первого динамического громкоговорителя, которым мы практически в неизменном виде пользуемся по сей день и будем пользоваться до дня, назначенного нам судьбой, сотрудник лабораторий телефонной компании Bell Альберт Турас получил охранную грамоту на устройство, скромно и формально названное им «звуковоспроизводящий прибор». Цели, которые преследовал изобретатель, были сформулированы уже в первом абзаце документа. Целью было улучшить воспроизведение низких частот, добившись, по собственному выражению изобретателя, «более естественного воспроизведения низких нот в речи и музыке, находящегося в более правильной пропорции с высокими нотами, чем было возможно прежде».
Такова была цель. В качестве средства мистер Турас предлагал так обустроить громкоговоритель, чтобы использовать излучение не одной, а обеих сторон диффузора. Механизм такого использования Турас понимал правильно, расписав, что трубы, соединяющие объём ящика с окружающим пространством, будут действовать как механический фильтр, внося на определённых частотах фазовый сдвиг в 180 градусов между акустической волной на их входе (внутри ящика) и на выходе (снаружи). В этом случае, как совершенно справедливо рассудил изобретатель, терявшаяся прежде энергия выйдет наружу, а находясь в фазе с уже излучённой лицевой стороной диффузора, увеличит создаваемое всем ансамблем звуковое давление. И, как было отмечено уже тогда, семьдесят с лишним лет назад, происходить это будет только в узкой полосе частот, на которую предлагавшиеся им трубы настроены.
Забавно, что во всём документе понятие резонансной частоты динамика в явной форме не встречается, автор великого изобретения говорит лишь о частотах, где излучение начинает ослабевать, мы-то, здесь и сейчас, знаем, что это как раз ниже резонансной частоты…
На фоне этих, абсолютно обоснованных рассуждений довольно трогательно выглядят заблуждения изобретателя, касающиеся практического устройства «звуковоспроизводящего прибора». Турасу казалось, что всё произойдёт по его рецепту, только если выход труб или кольцевого канала (в общем, того, что мы нынешние называем тоннелем или портом ФИ) будут находиться как можно ближе к диффузору, окружая его тесным кольцом. Сегодня мы знаем, что на практике не очень важно, где будет выход тоннеля, синфазность излучения на низких частотах на пострадает. Но всё равно мистеру Турасу от всех нас спасибо большущее.

Откройте дверь, закройте дверь
Давайте всё же вспомним (за этим и собрались, в конце концов), что происходит в корпусе сабвуфера, если, помимо самого корпуса и динамика, в нём проделали дыру и закрепили в ней отрезок трубы. Начнём двигаться по шкале частот сверху, так удобнее. Пока частота сигнала, подаваемого на динамик, достаточно высока, наличие прорехи в ящике ни на чём особо не сказывается. Почему? Да потому, что действует тот самый механический фильтр, о котором писал изобретатель фазоинвертора. В простых же словах дело происходит так: когда колебания давления внутри ящика происходят с большой частотой, масса воздуха в тоннеле не успевает прийти в движение, дверь вроде бы есть, но если её часто-часто трясти за ручку, она так и останется закрытой. Одновременно смотрим на то, на что Альберт Турас не смотрел, тогда ещё не было принято — на кривую импеданса нашего громкоговорителя (на самом деле понимаем, не просто громкоговорителя, а сабвуфера). В качестве примера взята реальная кривая импеданса корпусного сабвуфера-фазоинвертора характерной двугорбой формы. Почему двугорбой и что означают горбы, выяснится очень скоро, а пока мы находимся там, где отмечено красной точкой, импеданс (проще говоря — сопротивление) громкоговорителя невелик, поскольку невелика амплитуда колебаний диффузора.
Забыли, как связана амплитуда с сопротивлением? Вот велика беда, сейчас вспомним. Смотрите: сопротивление динамика оказывается тем больше, чем меньше ток, проходящий по звуковой катушке при одном и том же подведенном напряжении, верно? Когда диффузор колеблется, он создаёт противо-ЭДС, ток при этом уменьшается. А это то же самое, что возрастание сопротивления. Если диффузор заклинить (это иногда происходит по естественным причинам у особо ретивых эспиэльщиков и примкнувших к ним в результате перегрева и расклеивания звуковой катушки), его сопротивление будет на низких частотах практически неизменным, а на более высоких — расти в силу индуктивности, и только. Когда частота приближается к резонансной, амплитуда колебаний диффузора возрастает (на то он и резонанс), растёт и противо-ЭДС, ток в катушке уменьшается, это равносильно росту её сопротивления.

Пока частота достаточно высока, существенно больше частоты настройки Fb, амплитуда колебаний диффузора растёт, а тоннель, хоть и выглядит открытой дверью, на самом деле заперт на «инерционный замок».

На частоте настройки давление воздуха в ящике «хлопает дверью» ровно в противофазе с собой, а значит — в фазе с диффузором.

Когда частота уходит ниже настройки, тоннель начинает работать в противофазе с диффузором. Диффузор, получается, работает, а тоннель всё сводит насмарку.

Начнём снижать частоту подведенного сигнала. Мы приближаемся к частоте резонанса динамика в ящике, как если бы он был закрытым (как её определить, зная параметры динамика и объём ящика, уж теперь-то вы знаете назубок). Импеданс растёт, это означает: динамик приближается к резонансу, растёт амплитуда колебаний диффузора, а «дверь» в ящик пока остаётся закрытой. До сих пор поведение динамика в корпусе с тоннелем идентично (не считая мелких факторов, которые сейчас проигнорируем, чтобы не запутаться) его поведению в корпусе, закрытом со всех сторон, то есть — в ЗЯ.
Кстати: если заткнуть тоннель фазоинвертора, на импедансной характеристике останется только один, верхний горб, это приходилось видеть не раз, когда в соседнем журнале «Салон AV» тестировались домашние колонки, к которым прилагались затычки для тоннелей. А мы идём ниже по частоте. Ниже резонанса диффузор должен был бы бесполезно сжимать воздух в корпусе, но теперь дверь наружу перестаёт быть закрытой, колебания давления внутри начинают выходить на волю. Выходят они сдвинутыми по фазе относительно того, что было внутри ящика. Почему? Есть два объяснения: корректное и простое, выберите по своему вкусу. Корректное: такова фазочастотная характеристика механического фильтра, которым является сочетание упругости воздуха в ящике и массы воздуха в тоннеле. Не берёте? Тогда простое: за ручку «акустической двери» теперь дёргают медленнее, она начинает приоткрываться, но дверь тяжёлая и поэтому запаздывает. Вот он и фазовый сдвиг. Наконец, на какой-то частоте фазовый сдвиг достигает ровно 180 градусов. Это значит: диффузор, например, идёт вперёд, создавая волну давления перед собой и волну разрежения — позади, то есть — внутри ящика. Эта волна хочет попасть наружу через тоннель, но запаздывает, и когда наконец выбирается наружу, диффузор уже движется назад, создавая волну разрежения и впереди себя. Две волны складываются в фазе, звуковое давление достигает максимума.
Что там у нас на импедансной кривой? Сопротивление падает, достигая минимума как раз на той частоте, где фазовый сдвиг оказывается равным 180 градусам и которая называется частотой настройки фазоинвертора. Что означает минимум импеданса? Совершенно верно: амплитуда колебаний диффузора здесь наименьшая. Парадокс, казалось бы, именно там, где звуковое давление наибольшее, амплитуда колебаний диффузора — наименьшая. Нет тут парадокса, всё по закону. Именно здесь, на этой частоте, с диффузора снимается максимум энергии, среда сопротивляется его движению и с передней стороны, и (ещё больше) с тыльной, а сопротивляясь, преобразует колебания диффузора в звук.
Ещё одно «кстати»: есть расхожий штамп в популярной (иногда чересчур) литературе, где описывается принцип работы фазоинвертора. Там говорится, что на частоте настройки, мол, диффузор вообще неподвижен, а весь звук излучается тоннелем. Позвольте поинтересоваться у невидимых авторов этой мудрости: если диффузор действительно будет неподвижен, с какого перепуга будет двигаться воздух в тоннеле? От сквозняков, что ли? Нет, здесь дело в другом: диффузор движется мало, но эффективно передаёт энергию в окружающую среду, оттого и результат (в децибелах) изрядный. Это как производительность труда: если человек работает полдня, но тяжко, он сделает то же, что другой спустя рукава за день. А со стороны видно только, что поработал полдня — и домой.
Ну ладно, насладились слаженной работой диффузора и тоннеля на частоте настройки, давайте двигаться дальше. В прежнем направлении, вниз по частоте. Когда частота сигнала снижается, запаздывание в открывании-закрывании двери становится всё меньше и в какой-то момент пропадает совсем. Как, скажем, было бы с реальной дверью, пусть даже и тяжёлой, если бы её требовалось открывать-закрывать раз в полчаса. На такой частоте кто не успеет вовремя? Для сабвуфера же это означает, что воздух из тоннеля выходит в фазе с колебаниями давления внутри ящика и в противофазе — с колебаниями, создаваемыми снаружи корпуса диффузором. Результат? Плачевный, а вы какого ждали… Ниже частоты настройки излучение тоннеля начинает отъедать то, что излучает диффузор, складываясь с прямым излучением в противофазе. Именно этим объясняется (если просто, а не корректно) главная особенность АЧХ фазоинвертора по сравнению с АЧХ закрытого ящика. У ЗЯ, как мы знаем, в свободном пространстве звуковое давление ниже частоты резонанса падает со скоростью 12 дБ/окт., а у фазоинвертора ниже частоты настройки тоннеля — вдвое быстрее, в темпе 24 дБ/окт. Это — прямой результат контрпродуктивной на этих частотах, подлой, можно сказать, деятельности тоннеля.
Вернёмся к импедансной кривой. Это самый могучий инструмент в электроакустике, который может рассказать об очень многом. Ниже частоты настройки тоннеля на кривой начинает расти второй горб. Мы уже уяснили: где горб на кривой сопротивления — там рост амплитуды колебаний диффузора. Но только здесь он оказывается совершенно бесполезным: диффузор азартно трясётся, не замечая, что дверь в ящик открыта настежь и звуковые волны в противофазе, которые в закрытом ящике умерли бы внутри, беспрепятственно выходят наружу, сводя на нет все старания бедного динамика.
Реально бедного: одним из недостатков фазоинвертора как акустического оформления считается то, что ниже частоты настройки диффузор ничем не ограничен в своём движении, значит, если на динамик попадет сигнал очень низкой (как правило — инфразвуковой) частоты, амплитуда колебаний может выйти за безопасные пределы. Во имя недопущения подобных трагедий и придуманы фильтры-сабсоники в усилителях.

Кому и зачем?
Было же сказано: разным и для разного. То, для чего был придуман фазоинвертор изначально, лучше других сформулировал тот, кто его придумал. В течение всех последовавших за этим заявлением десятилетий конструкторы акустики делали именно это — ставили динамик в ФИ, когда требовалось улучшить воспроизведение низких частот. Улучшить? А что это означает? В домашней акустике, из которой, придётся признать, мы все выросли, как из гоголевской «Шинели», это означало расширить полосу воспроизводимых частот вниз. Применением ФИ это достигается настолько эффективно, что сегодня, если вы взглянете на ассортимент домашней акустики, найти что-то в закрытом ящике будет трудно на грани возможного. Почти сплошь «скворечники» всех мастей и габаритов. Причину такой популярности легко проиллюстрировать: вот три АЧХ динамика с довольно типичными параметрами в трёх вариантах акустического оформления. Оптимальный ФИ, оптимальный же (то есть настроенный на баттервортовскую добротность Qtc = 0,707) закрытый ящик и закрытый ящик того же объёма, что и ФИ. В фазоинверторе нижняя граничная частота получается 32 Гц, в таком же по объёму закрытом ящике — 59, в закрытом ящике оптимального объёма — 57. Почувствуйте разницу. Производители и потребители «домашки» давно почувствовали, вот и не слезают с фазоинверторов, хоть палкой гони…

А на то, что ниже граничной частоты звуковое давление у ФИ падает гораздо быстрее, чем у ЗЯ, в этой, домашней постановке задачи, наплевать. А нам, мобильным и моторизованным? Отнюдь нет. Помните про передаточную функцию салона? Конечно, помните, такое не забывается. Она ведёт звуковое давление вверх (начиная с некоторой частоты) с наклоном 12 дБ/окт. У закрытого ящика ниже частоты резонанса звуковое давление падает ровно с такой же скоростью. Значит, при надлежащем выборе параметров сабвуфера одно на одно наложится и произведёт на свет идеально ровную АЧХ, какая в «домашке» и не снилась. А фазоинвертор заваливает свою характеристику со скоростью 24 дБ/окт., такое салон компенсировать не может, значит, с этим оформлением мы всегда (подчеркну: всегда) будем иметь завал АЧХ с наклоном 12 дБ/окт. уже в салоне начиная опять же с некоторой, но уже другой частоты. Вот давайте взглянем: затащим по очереди три ящика из предыдущего примера в машину. Оптимальный ЗЯ: ну что тут скажешь, оптимальный он и есть. ЗЯ увеличенного размера из-за более низкой резонансной частоты показал более высокую отдачу на инфранизах, но и только. Но если к нему пристроить тоннель, настроив «выходную дверь» на 30 Гц или около того, завал АЧХ с этой частоты начнётся, но с какой высоты, взгляните! Обрезок недорогой сантехники привёл к росту звукового давления в полосе частот 25 — 40 Гц (для «домашников» такие частоты — вообще или мечта, или разорение) в среднем на 7 дБ (минимум 6, максимум — 9). Уже минимум означает: при том же уровне звукового давления к сабвуферу надо будет подвести мощность вчетверо (!) ниже, чем к динамику в идеальном, аудиофильском закрытом ящике. Или примерно втрое ниже, чем в закрытом ящике равного объёма (для данного примера). Вот вам и вторая часть ответа на связку вопросов «кому — зачем». В машине — для получения лишнего звукового давления, как раз наиболее широкую полосу частот у нас обеспечивает ЗЯ. В этом отношении автомобильная басовая акустика прямо противоположна домашней.
Возникает вопрос, а нужна ли нам такая АЧХ? В принципе, ответ уже был в одном из прошлых выпусков «Вспомнить все». Но если к следующему разу не сможете найти, с этого и начнём. Подсказка: бас народа — бас божий…

Использование данных материалов допускается только с разрешения автора

Закрытый ящик или фазоинвертор. Что лучше?

Обилие различных по своим характеристикам динамиков для НЧ звена (а точнее сабвуфера) в состоянии повергнуть человека, пытающегося построить звук в акустической системе в состояние растерянности. И я надеюсь, что эта справка поможет кому-нибудь.

Может показаться странным, но динамик в основном характеризуют три основных параметра Тиля-Смолла:

  • Fs — частота резонанса в открытом пространстве;
  • Qts — полная добротность динамика; и
  • Vas — эквивалентный объем.

Что означает Fs, я думаю понятно всем, а что такое Qts и Vas? Ответ таков: Qts (справедливо для для акустического оформления бесконечный экран и закрытый ящик) есть отношение передаточной функции динамика на частоте Fs к передаточной функции на частотах, где амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) динамика горизонтальна, т.е. на частотах выше Fs. Другими словами, Qts — характеризует эффективность динамика на резонансной частоте. Таким образом, если Qts = 0,707, то на Fs величина звукового давления создаваемого динамиком будет меньше, чем на горизонтальном участке АЧХ на 20*Log10(0,707)=-31дб, если Qts=0,3 — то на -10,5 дБ.

Vas — объем воздуха, который обладает гибкостью (величина обратная упругости) такой же, как и подвижная система динамика.

При размещении динамика в закрытом ящике (ЗЯ) гибкость воздуха внутри ящика добавляется к гибкости подвижной системы динамика и его резонансная частота изменяется. Существует следующая закономерность, при помещении динамика в ящик объемом Vas его резонансная частота Fs и добротность Qts возрастают в 1,4 раза.

Вооружившись этой информацией, подберем динамики для гипотетического автомобиля, передаточная функция салона которого имеет подъем 12 дБ/октава, начиная с частоты 55 Гц в сторону низких частот. Объем багажника 300 литров. Ну, пусть в багажник нашего автомобиля безболезненно для владельца влезет 30 литровый ящик сабвуфера. Подберем динамики для трех (самых распространенных) видов акустического оформления, а именно:

  1. бесконечный экран (БЭ), V намного больше Vas;
  2. закрытый ящик (ЗЯ), V сравним с Vas;
  3. фазоинверторn (ФИ), V сравним с Vas.

Все системы должны иметь F3 (частота на которой АЧХ системы имеет значение на 3 дб. ниже, чем на горизонтальном участке и продолжает спадать в сторону низких частот) равную 55 Гц и Qt=0,707 (полная добротность системы, при которой достигается наиболее ровная АЧХ).

Итак, нужно F3=55Гц и Qts=0,707, спад АЧХ -12 дБ/октава.

Фазоинвертор

Самое интересное. Сразу оговорюсь, что фазоинвертор штука хитрая. 3,3).

Для нашего случая получим: Fs= 47,4 Гц, Qts= 0,36, Vas=V*1,4=30*1,4=42 литра, АЧХ ФИ ниже F3 имеет спад -24 дб/октава.

Результаты для наглядности сведены в таблицу.

ОформлениеБЭЗЯФИ
Fs5539,347,4
Qts0,7070,5050,36
Vasдо 30 л3042
Крутизна АЧХ-12 дб/октава-12 дб/октава-24 дб/октава

Видно, что динамики различны и никак не взаимозаменяемы. Приведенные выше прикидочные расчеты могут использоваться для подбора динамика под конкретное оформление.

В поисках закрытого ящика или почему исчезает целый класс акустических систем

Мировая аудиоиндустрия стремительно развивается. Вектор этого развития известен, способность производить удобоваримую электронику с минимальными затратами. Казалось бы, одним из самых логичных типов акустического оформления, не требующих ничего, кроме точного расчета, максимально технологичных и дешевых является закрытый ящик(ЗЯ). При таком оформлении можно минимизировать резонансы корпуса, получить сравнительно ровную АЧХ, а при адекватном демпфировании предотвратить появление заметных на слух стоячих волн. Получается дёшево и сердито, а значит, казалось бы, должно быть востребовано. Между тем, если вы попытаетесь найти такую акустику среди актуальных предложений интернет-магазинов и салонов электроники — вас ожидает разочарование.

Ассортимент предельно мал, если сравнивать с фазоинверторной акустикой, при этом стоимость закрытого ящика существенно выше. Многие безусловно удовлетворятся старой доброй YAMAHA NS-6490 или профессиональными мониторами от Behringer. Также есть узкий сегмент встраиваемой и ландшафтной акустики, который является достаточно нишевыми и редкие дорогие образцы за полмиллиона, типа Graham Audio LS5/9f. Но в сравнении с другими типами оформления процент ЗЯ ничтожно мал. Это означает, что сегодня, новые АС с закрытым акустическим оформлением производят крайне неохотно. Под катом анализирую ситуацию и рассуждаю на тему того, почему закрытые ящики перестали быть востребованными.

Ниша закрытого ящика

С маркетологической точки зрения целевой аудиторией закрытого ящика является притязательный средний класс с уровнем интеллекта выше среднего. С одной стороны, это люди, которые хорошо понимают проблемы ставшего повсеместным фазоинверторного типа. С другой — это те, кто не способны заплатить за дорогие лабиринтные системы и поэтому выбирающие более технологичное и недорогое решение.
Это часто инженеры и другие люди, знакомые с основами акустики. В некоторых случаях такое же решение может понравится небогатым аудиофилам, которые одержимы идеей максимально высокой верности воспроизведения, но не имеют достаточно денег на ультимативно-бескомпромиссные и настолько же нерациональные дорогие решения из маркетингового класса High End.

Можно сказать, что эта категория покупателей больше прочих страдает сегодня от отсутствия продуктов. Как правило, они используют технику из сегмента попроще, при этом, с одной стороны, недовольны её качеством, а с другой, при переходе в премиум сегмент начинают жаловаться на стоимость.

И, казалось бы, всё не так сложно, достаточно начать производить хорошо рассчитанные закрытые ящики из МДФ или фанеры, и всем будет счастье. Но как обычно, дьявол скрывается в мелочах.

Проблема габаритов

Я исследовал мнение 60 человек, которых можно отнести к категории, которую я описал. Оказалось, что большинство (57 человек) из них очень заинтересованы в преимуществах, которые дает закрытый ящик. Трое сказали, что это впечатляет, но они не будут готовы быстро сменить акустику, т.к. их вполне устраивает та, что есть в настоящий момент. Однако, когда позитивно настроенное большинство узнало, что для получения звукового давления, которое обычно позволяет обеспечить фазоинвертор, понадобится увеличить объем в 3 раз, 38 человек отказалось от такого решения без обсуждения преимуществ и взвешивания фактов. Остальные же, лояльно настроенные к такому конструктивному решению, потеряли однозначную уверенность в том, что так лучше.
Получается, что даже решение, которое полностью удовлетворяет по сочетанию верность воспроизведение/стоимость, обладая значительно большими габаритами при равном или меньшем КПД, перестаёт быть интересным для подавляющего большинства потенциальных посетителей.

У такой неприязни к размерам 3 причины. Первая — эстетическая, АС такого размера с трудом сочетается с современным интерьером, где нормой, последние 15 лет, стали колонки столбики. Вторая — прагматическая, АС ЗЯ сжирает объем помещения, который часто хочется сохранить. Третья проблема массы, большие габариты гарантированно увеличивают массу устройства, что создает сложности в перспективе, например, при переезде или перестановке.

“Слабый низ”, как аргумент большинства

Те, кому довелось слышать закрытые ящики в форм факторе полноценной АС, в один голос заявляют о, якобы, “слабых” низких частотах, которых сильно не хватает. Не могу спорить с любителями низа, как минимум в силу того, что восприятие очень индивидуально и никакого стандарта в отношении тембральных акцентов не существует. При этом достаточно ровная АЧХ закрытого ящика не делает акцентов на НЧ, и любителям “сочного баса” его там очень не хватает.
Именно такие утверждения формируют проблему в производительности. По сути, по современным меркам размер такой АС непропорционален ожидаемой звуковой мощности устройства. Оно слишком тихое, что значительно затрудняет визуальную оценку предельной громкости. Работает вечное: “если они такие большие, почему они такие тихие, ведь у соседа 2 столбика, а от них просто уносит”. И именно ради соревнования с соседом Васей у, казалось бы, неглупых людей, способных оценить преимущества конструкции, полностью пропадает желание приобретать “тихие колонки”.

Сабвуфер, как исключение

Единственными современными устройствами, среди которых можно найти ЗЯ в широком ассортименте и ценовом диапазоне, являются сабвуферы. Факт в том, что те, кто хорошо знаком с физикой, неплохо знают о психоакустическом эффекте, когда человеческий слух практически не способен локализовать источники низких частот (ниже 80 Гц). При этом ЗЯ имеет массу преимуществ именно по части НЧ воспроизведения, таких как уменьшение вероятности резонансов, отсутствие специфических ФИ призвуков, турбулентных потоков и за счет этого всего очень ровную АЧХ. В связи с этим ЗЯ стали востребованными именно для создания сабвуферов. К слову, по сравнению с ЯИ и использующими пассивные излучатели, они также достаточно не громкие.

Сухой остаток

Будем честны, несмотря на громкие слова в миссиях кампаний, все они созданы как источник дохода, и соответственно, заботятся о пресловутой “верности воспроизведения” ровно настолько, насколько этого требуют потребители в их сегменте рынка. И, если взглянуть на маркетинговую привлекательность превосходно звучащих, но больших закрытых ящиков, мы увидим очевидную убыточность их возрождения в форм-факторе полноценной АС. Аудиофилы и притязательные богачи избалованы более изощренными решениями, а средний класс не готов поступиться объемом небольших квартир.
Лучшим решением с ЗЯ-оформлением на сегодняшний день являются сабвуферы. При наличии настраиваемого кроссовера можно отрегулировать частоту среза так, чтобы резонансная частота ФИ стереопары воспроизводилась сабом, и таким образом получить вожделенную ровную АЧХ. Также, судя по продуктам представленным на рынке, популярностью пользуется акустика центрального канала с закрытым акустическим оформлением.

Реклама Мы продаём акустические системы. В нашем каталоге их много, при желании можно найти АС и сабвуферы закрытого типа, в изобилии представлены АС с фазоинвертором.

Для каждой полосы — свой динамик и вариант акустического оформления

Не стоит забывать, что в случае с широкополосным динамиком, ему понадобится один собственный кабинет с тщательно просчитанными характеристиками. Но если мы имеем дело с двух- или более полосной системой, то излучатель каждой полосы частот должен получить свое отдельное акустическое оформление.

Существовали различные воззрения на максимальное необходимое количество частотных полос в акустике. В некоторых образцах колонок семидесятых годов прошлого столетия, например, таких полос могло быть до 5–7. Сейчас пришли вроде бы к оптимальному количеству полос для полноразмерных акустических систем — от двух до четырех. В полочных и бюджетных напольных системах чаще делают две полосы, а более серьезные модели могут вдобавок к трем полосам иметь излучатель самых верхних частот, который называют супертвитером.


Некоторые разработчики очень много внимания уделяют форме камер драйверов

Чаще всего полноразмерная напольная колонка имеет три полосы, и тогда практически весь объем кабинета отдается под акустическое оформление низкочастотного динамика/ов. Среднечастотник имеет свой собственный бокс внутри корпуса колонки, который полностью изолирует заднюю сторону диффузора динамика от влияния низкочастотника. Что касается твитера, то тыльная сторона мембраны работает на небольшой объем, образованный конструкцией самого динамика, либо на специально сформированные дополнительные полости, например, в виде трубки.

Спереди пищалка чаще всего имеет вариант рупорного оформления, который в последнее время часто называют волноводом. Это рупор широкого раскрытия, рассчитанный таким образом, чтобы диаграмма направленности пищалки соответствовала всем остальным излучателям, формируя правильную область прослушивания, то есть область, в которой звучание нашей колонки будет наиболее качественным.

Как устроен кабинет?

Простейший корпус колонки — его еще называют кабинет — это обычный ящик. Но не стоит думать, что здесь все так просто. На стенки корпуса действует серьезное давление, вызванное движением диффузора, поэтому корпус должен быть достаточно «жестким, но не звонким», то есть иметь хорошее сопротивление к возникновению собственных резонансов. Для этого внутри корпуса устанавливают дополнительные элементы жесткости — ребра, распорки. Внутренний объем корпуса в идеале не должен иметь параллельных стенок: зачастую они просто закруглены, но и полностью сферические корпуса — не такая уж редкость.


Типичный корпус из MDF

Казалось бы, логично сделать стенки корпуса из обычной древесины, но в этом случае возникают проблемы, связанные с неоднородностью (анизотропностью) и плохой повторяемостью параметров этого материала. Потому наиболее распространенным материалом кабинетов стал МДФ — древесно-волоконная плита. Часто применяется и березовая фанера, используют слои деревянного шпона, последовательно накладываемого на клей, композитные материалы, такие как стеклопластик, металлы — экструдированный алюминий, сталь и даже свинец.


Колонки из бетона

На нескольких выставках последнее время появились достаточно удачные колонки, отформованные из бетона. Технологии кабинетов акустики зависят от того, в каких условиях акустика будет работать. Естественно, что для ландшафтных, морских, автомобильных систем применяются материалы, устойчивые к погодным условиям, солнечному излучению, воде, пыли и т.д.

Резонансная частота

Динамик, как мы выяснили, является системой колебательной. Будучи предоставленным самому себе, его диффузор при воздействии колеблется с определенной частотой. То есть ведет он себя примерно так же, как струна после щипка или, к примеру, колокол после удара.

Считается, что резонансная частота может составлять:

  • для сабвуферных головок, не установленных в корпус — 20-50 Гц;
  • митбасовых динамиков — 50-120 Гц;
  • пищалок — 1000-2000 Гц;
  • диффузорных среднечастотников — 100-200 Гц;
  • купольных — 400-800 Гц.

Измерить резонансную частоту динамика можно, к примеру, прогнав через него сигнал звукового генератора (включив последовательно с ним резистор) или любыми другими подобными методами. Определяется этот показатель по пику импеданса устройства.

От чего еще зависит

Оформление оказывает, таким образом, большое влияние на добротность динамика. Также этот показатель у такого оборудования зависит от:

  1. Мощности его мотора. Чем выше эта характеристика, тем ниже добротность у головки.
  2. Массы подвижки. При увеличении этого показателя усилия мотора в звукопередающем устройстве становятся менее заметными. Потери на трение при этом возрастают. В результате всего этого добротность устройства увеличивается.
  3. Диаметра проводов. В том случае, если провода в динамике дают большое сопротивление, электрическая добротность устройства увеличится. Ведь в данном случае нагрузка на динамик, представляющий собой подобие генератора, падает.

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.

Что за характеристика

Итак, добротность динамика — что это за показатель? Ориентируясь на эту характеристику, можно в первую очередь определить, как затухают колебательные движения звукоизлучателей. Считается, что слишком большим этот показатель у головок быть не должен.

Если значение добротности у динамика высокое и равно, к примеру, 2 или 3, значит, колебания в нем будут продолжаться даже уже после того, как исчезнет вызвавшая их сила. Это, конечно же, приведет к снижению качества звука. В динамике начнут возникать раздражающие слух шумовые эффекты.

При низкой добротности (меньше 1) колебания в устройстве затухают очень быстро. То есть мембрана в динамике после резкого воздействия практически сразу приходит в стабильное состояние. В результате устройство выдает более чистый и приятный для слуха звук. Соответственно, о том, как повысить добротность динамика, специалисты задумываются редко. В основном при конструировании акустических систем мастера стараются сделать этот показатель более низким.

Рупор

Все вышеперечисленные варианты акустических оформлений применяются, по большей части, в области низких частот. Что же касается остальных частот слышимого диапазона, то здесь применимы рупорные варианты акустического оформления. На самом деле, для низких частот рупоры тоже делают, но они получаются очень уж большими.


Так работает рупор

Рупор позволяет сделать изучение динамика узконаправленным, резко подняв звуковое давление, то есть громкость, в зоне прослушивания. Сейчас рупорные системы применяются нечасто. С одной стороны, их звучание можно назвать аудиофильским. С другой стороны, рупорным системам присуща серьезная неравномерность амплитудно-частотной характеристики — такие колонки бывают очень хороши для одних жанров музыки и не годятся для других.

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).

Рис 6. Щелевой тоннель, расположенный далеко от стенок ящика.

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.

Рис 7. Щелевой тоннель, расположенный вблизи стенки. В результате влияния стенки его «акустическая» длина получается больше геометрической.

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.

Фазоинвертор, сзади или спереди? | Rmmedia.ru

romchik19
New Member