Расчет порта фазоинвертора: Расчет акустического фазоинвертора онлайн

Содержание

Автозвук своими руками - Расчет фазоинверторного корпуса

Расчет фазоинверторного корпуса (короба) можно разложить на 3 части, но перед этим необходимо найти параметры Тиля-Смола для сабуферного динамика иначе не чего не выйдет. Для расчета ФИ короба достаточно трех параметров Fs, Vas и Qts

  • Fs – резонансная частота динамика, указывается в Гц (герцах).
  • Vas – эквивалентный объем, указанный в литрах.
  • Qts – полная добротность динамика. 

Данные параметры можно найти в инструкции к сабвуферному динамику или на сайте производителя.   

1. Расчет чистого объема и частоты настройки порта фазоинвертора.

 Чистый объем (Vb) – это внутренний объем короба, без учета объема порта фазоинвертора и объема вытесняемого динамиком.

 Настройка порта (Fb) – это конфигурация порта (длинна, ширина, высота) относительно чистого объема корпуса, настроенного на определенную частоту, для ее усиления, что приводит к формирования нужной АЧХ.   

 Данный расчет мы можем произвести в программах JBL SpeakerShop или BassBox 6 prо. Я рекомендую использовать первую, она проще и намного понятнее. В программе вводим параметры Fs, Vas и Qts, далее изменяя значения Vb (объем) и Fb (настройка порта) добиваемся желаемого графика АЧХ. Для универсального короба график должен быть не сильно горбатым с пиком в районе 35Гц - 40Гц. Если с программой возникли какие либо трудности, инструкцию к ней можно посмотреть здесь.  

 

  В программе мы узнали какой чистый объем короба и настройка порта нам нужна, в данном примере Vb - 45л. Fb - 36Гц.   

2. Расчет порта фазоинвертора.

Расчета порта фазоинвертора будем выполнять в программе BassPort.

 Вводим в программе:

  • Необходимую частоту настройки порта ФИ (Fb)
  • Полученный ранее чистый объем ящика (Vb)
  • Эффективную площадь диффузора сабвуферного динамика (замеряется, длинна по центру динамика от одной середины подвеса до противоположной середины подвеса)
  • Максимальный ход диффузора в одну сторону (указывается в инструкции или на сайте производителя как Xmax, может быть указан как в одну сторону, так и сразу в обе)
  • Вводим размеры порта
    W
    и h
  • Нажимаем кнопку пересчитать. 

 В данном примере рассчитан щелевой порт, выстой 35см и шириной 4см, длинна которого составила 61см и имет объем 8,5л. (округленно)   

 При подборе размеров порта нельзя, что бы длинна порта L превышала 1000мм., а максимальная скорость воздуха на выходе была красной.  

 3. Считаем общий объем корпуса ФИ и делаем чертеж.

 У нас есть следующие данные, которые необходимо сложить, что бы получить общий объем короба (грязный объем)  - чистый объем 45л., объем порта 8,5л., а так же добавляем сюда объем который вытеснит сам динамик, это в пределах 2-4л. возьмем в данном случае 3л., но так как это щелевой порт и одна из стенок так же вытеснит какой то объем, его тоже нужно учесть, здесь же это будет 4л. 

 Для расчета литража стенки, умножаем длинну внутренней стенки порта на высоту и толщену, затем делим на 1000. 

 Считаем: 45+8,5+3+4= 60,5л. 

 Итого нам нужен короб с общим объемом 60,5л.

 Переходим к чертежу короба.

 У нас есть объем 60,5 литра. Замеряем багажник, смотрим какие габариты нас устроят, например: высота - 39см, длина – 50см осталось узнать ширину. Отнимаем от высоты и длинны толщену стенок в данном случае это 2см и получаем: высота – 35см., длинна 46см. 

 Теперь считаем ширину короба:  60,51000 ÷ 35 ÷ 46 = 37,57см (округлим до 38см) – ширина корпуса, без учета стенок, со стенками будет 42см.

 Ну а дальше чертим или рисуем.

 Вот так, выглядит расчет фазоинверторного корпуса под определенный сабвуферный динамик, который будет играть так как нужно нам.  

расчёт нужной частоты, как сделать и настроить порт в домашних условиях

ФазоинверторФазоинверторЛюбители хорошего акустического звучания знают, что его качество в первую очередь зависит от передачи низкочастотной составляющей звука. Использование фазоинвертора способно существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подводимой мощности. Но всё это возможно лишь при правильном расчёте размеров фазоинверторного (ФИ) отверстия, выравнивающего гармонические колебания и обеспечивающего качественный звук.

Виды акустических систем

Звук — это колебание, имеющее механическую природу возникновения, распространяющееся под давлением вызванным источником излучения. Акустическая система, представляющая собой звуковую колонку, преобразует электрические сигналы в механические, воспринимаемые слухом человека. Частота этих колебаний лежит в границах от 20 гц до 20 КГц. Существуют различные виды акустических систем:

  1. Акустический лабиринт. Имеет вид лабиринта, выполненного в виде туннеля, находящегося в середине колонки. Его предназначение — усиливать низкие частоты за счёт множества изгибов. Внутренние стенки лабиринта покрываются демпфирующим покрытием, за счёт чего лабиринт не привносит в звук паразитные призвуки.
  2. Виды фазоинверторовВиды фазоинверторовОткрытого типа. Представляет собой систему, в которой стенка, противоположная направлению излучения динамиков, не устанавливается. В таком типе исполнения невозможно получить хорошие низкие частоты из-за отсутствия компрессии, а средние и высокие звуки кажутся более открытыми и воздушными.
  3. Закрытого типа. Выполняется из полностью герметичного корпуса, создающего внутри замкнутый объём воздуха. Этот объём образует внутреннее давление, мешающее нормальному ходу диффузоров динамика. Такого рода колонки имеют большие габариты с накладкой на внутренние стенки — демпфера. Достоинством этой системы является чистота звука, в гамму которого не примешиваются нежеланные посторонние звуки.
  4. Изобарического типа. Отличается сложностью изготовления и дороговизной, но из-за конструктивных особенностей позволяет увеличивать мощность и глубину низкочастотной составляющей. В середине колонки располагаются два динамика, разделённые звуконепроницаемой перегородкой и направленные в одну сторону. Эти динамики подключаются параллельно друг другу и работают в фазе.
  5. Пассивная. Основное её предназначение — повысить эффективность воспроизведения низкочастотной составляющей звука за счёт использования пассивного излучателя. Этот излучатель располагается в глубине отверстия, выполненного в корпусе колонки и не обладает магнитной системой. При подаче сигнала диффузор излучателя движется не с помощью преобразования электрического сигнала, а под воздействием потока воздуха, вызванного установленным низкочастотным динамиком. Такая конструкция позволяет достичь глубокого баса, но может привнести гул в звук.
  6. С дипольным излучателем. Дипольного вида акустика воспроизводит звук в двух направлениях. Другое название такого типа — биполярный. По своему типу относится к открытому виду. Для получения приемлемых низких частот потребуется использование динамиков с большими размерами диффузоров.
  7. Корпус с фазоинверторомКорпус с фазоинверторомКонтрапертурная. Редко используемая конструкция. Динамики в ней направляются в верхнюю или нижнюю сторону, и к ним подводится одинаковый сигнал. При столкновении звука, излучаемого динамиками, он изменяет своё направление, распространяясь радиально. К недостаткам такой системы относят возникновение реверберации, из-за чего «размывается» стереопанорама. Достоинства заключаются в появлении эффекта «растворения» звуковых колебаний в помещении.
  8. Фазоинверторная. Эта система изготавливается в виде классической колонки закрытого типа, но со специальным отверстием. В него устанавливается труба, уходящая вглубь ящика. Такой подход позволяет получить низкочастотный звук значительно ниже по частоте, чем возможности динамиков. Такая система очень востребована, так как позволяет в относительно небольших размерах корпуса воспроизвести глубокие басы, выдавая частоты, недостижимые простым применением динамиков.

Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон, но и повысить коэффициент полезного действия. При этом частотный диапазон не изменится. Отверстие фазоинвертора выполняется разного вида и размеров. Размещаться оно может на любой поверхности колонки. При разработке акустической системы наиболее важно выполнить правильно расчёт размера фазоинверторного короба, от чего зависит не только диапазон воспроизводимой частоты, но и качество всего звука в целом.

Принцип работы устройства

Любая колонка фазоинверторного типа имеет в своём составе отверстие — фазоинвертор. Часто он называется акустическим туннелем или портом. Принцип работы его заключается в изменении фазы звукового колебания, вызванного задней стороной диффузора на сто восемьдесят градусов. При возникновении резонанса в ящике амплитуда колебания диффузора достигает минимального значения.

Связано это с тем, что при движении вперёд динамик создаёт разрежение в середине закрытой колонки, тем самым вытесняя воздух в фазоинверторный канал и увеличивая разряжение. Поэтому на частоте резонанса механические волны излучаются через отверстие, а не диффузором динамика.

Какой фазоинвертор лучшеКакой фазоинвертор лучше

От размера и вида фазоинверторного порта зависят объём воздуха и частота резонанса, на которую настроен канал. Объём воздуха в канале начинает резонировать и усиливать воспроизведение частоты при наступлении момента, когда диффузор излучает частоту, на которую рассчитан фазоинвертор.

По своей форме классический туннель выполняется кольцевой формы. Но для увеличения полезной внутренней площади ему часто придают щелевой вид. Отказ от цилиндрической формы тоннеля позволяет сократить его длину и снизить шумы, возникающие при выбросе воздуха.

При ошибках в расчёте щелевого фазоинвертора настроить его гораздо сложнее, чем классический вид, так как он изготавливается совместно с колонкой. Сам расчёт выполняется сложнее, чем для систем закрытого типа: при этом, кроме объёма ящика, учитывается настраиваемая частота резонанса. Оптимальные размеры подбираются с учётом амплитудно-частотной характеристики колонки, а именно её равномерности.

Расчёт низкочастотного туннеля

Существует несколько способов для проведения вычислений размеров ФИ. Наиболее популярным является расчёт фазоинвертора онлайн или с использованием специализированных программ. Такие способы обычно требуют знаний множества параметров используемых динамиков. Существуют варианты и проще, но с большим расхождением конечного результата с реальным значением. Хотя в любом случае после расчёта и изготовления приходится проводить настройку.

Простая формула для вычисления

Метод вычисления заключается в использовании несложных формул и происходит методом подбора данных, когда за основу используется желаемая длина ФИ канала.

F = (C/2 π) * K, где:

  • Формула расчета фазоинвертораФормула расчета фазоинвертораF — желаемая частота настройки;
  • C — скорость звука;
  • π — математическая постоянная, равная 3,14;
  • K — коэффициент, зависящий от размеров фазоинвертора.

При этом коэффициент K равен квадратному корню отношения S/LV, где:

  • S — площадь отверстия;
  • L — длина канала;
  • V — объем колонки.

В качестве единиц измерения везде используются метры, а для частоты — герцы. При определении значений объёма считается, что лучше выбрать узкий фазоинвертор, но такой подход неверен, ведь при этом в нём возрастает скорость движения воздуха, а это вносит искажения в звучание. Проектирование широкого и длинного ФИ также лишено смысла, ведь длина фазоинвертора не должна превышать длину волны в момент наступления резонанса. Выполнение этого правила помогает избавиться от стоячих волн.

Использование специализированных программ

Программа для расчета акустических системПрограмма для расчета акустических системСуществует много программ, позволяющих автоматизировать расчёты при построении акустических систем, например, Bassport. Эта программа специально разработана для автоматизации проведения расчёта порта фазоинвертора. При разработке программы учитывалось, что когда скорость потока воздуха в трубе становится более шести метров в секунду, то становятся заметными шумы.

Интерфейс программы интуитивно понятен, тем более она имеет локализацию на русском языке. Для получения нужных результатов понадобится ввести:

  • скорость звука;
  • объем колонки;
  • частоту фазоинвертора и динамика;
  • диаметр диффузора;
  • ход диффузора.

После ввода всех данных останется нажать кнопку «Пересчитать» и получить результат, соответствующий максимальной добротности, зависящей, прежде всего, от соотношения объёма ящика к диаметру порта. Программа Bassport позволяет выполнить расчёт для различных форм, но чаще всего, при скоростях потока до шести метров в секунду, применяется несложная форма для трубчатого или щелевого вида.

Необходимо отметить следующие нюансы при использовании программы. Измерение диаметра диффузора происходит между расстояниями противоположными средним точкам подвесов. Цвет отображения цифры скорости потока, обозначает возможные возникновения шума: чёрный — шума нет, красный — шум заметно слышимый.

Использование онлайн-программ построено по такому же принципу: вводятся параметры системы и выдаётся результат. Сайты с такими программами легко находятся по запросу «фазоинвертор онлайн-калькулятор» в любой поисковой системе. Хотя для достоверности результатов следует перепроверить полученные данные на нескольких сайтах.

После выполнения расчётов останется изготовить и настроить фазоинвертор. В домашних условиях выполнить такие операции несложно, при этом какие-то особые материалы не понадобятся.

Самостоятельное изготовление порта

Фазоинвертор так же, как и динамик, участвует в воспроизведении звука. Для избегания эффекта интерференции канал размещается поближе к излучателю низкой частоты на расстоянии, не превышающем его длину волны. В качестве ФИ используются жёсткие конструкции, например, в самодельных изделиях применяются канализационные пластиковые трубы.

Но при попытках рассчитать фазоинвертор для сабвуфера потребители сталкиваются с тем, что диаметр таких труб не совпадает с вычисленными значениями, поэтому труба изготавливается из подручного плотного материала — ватмана. Для того чтобы сделать канал самостоятельно, потребуются:

  • газетная бумага;
  • ватман;
  • клей.

Согласно выполненному расчёту, подбирается основание с диаметром немного меньше рассчитанного. Затем, используя оправку, на него наматывается несколько слоёв газетной бумаги, обработанной клеем. Намотка осуществляется плотно, с избеганием попадания между слоями воздуха.

Как изготовить сабвуфурКак изготовить сабвуфур

Вырезанная из ватмана полоска, ширина которой совпадает с длиной трубки, в несколько витков наматывается на поверхность газетной бумаги. При этом перед каждым витком наносится эпоксидный клей. Его получают путём смешивания смолы и отвердителя согласно инструкции. После того как выполнены все витки, изделие обтягивается по кругу нитью для придания жёсткости и ставится на просушку.

Самодельные колонкиСамодельные колонкиЧерез сутки основание извлекается. В случае возникновения трудностей его можно поломать изнутри и достать частями. Изготовленный канал такого вида имеет хорошую прочность и легко подвергается дополнительной обработке. Далее полученная трубка устанавливается в отверстие колонки, но не до конца и начинается прослушивание звука. В заводских условиях используется специальный прибор. Такое устройство работает на основе мультивибратора, который настраивается на резонансную частоту динамической головки. После подключения динамика запускается генератор и длина трубы регулируется по максимуму колебанию в ней воздуха.

Аналогично можно провести настройку и самостоятельно. Для этого на вход подаётся сигнал низкой частоты. Трубка выдвигается вперёд или погружается внутрь ящика, а после оценивается объём выходящего воздуха. Установив положение максимального его выхода, излишки трубы удаляют снаружи, а сам порт герметизируют. При желании для придания конструкции оконченного вида выполняется раскрыв трубы, но можно обойтись и без этого.

Теория и практика фазоинвертора. Отредактированное

От редакции: Статья итальянского специалиста-акустика, воспроизводимая здесь с благословения автора, в оригинале называлась «Teoria e pratica del condotto di accordo». То есть, в буквальном переводе – «Теория и практика фазоинвертора». Заголовок этот, на наш взгляд, соответствовал содержанию статьи только формально. Действительно, речь идет о соотношении простейшей теоретической модели фазоинвертора и тех сюрпризов, которые готовит практика. Но это – если формально и поверхностно. А по существу, статья содержит ответ на вопросы, которые возникают, судя по редакционной почте, сплошь и рядом при расчете и изготовлении сабвуфера-фазоинвертора. Вопрос первый: «Если рассчитать фазоинвертор по формуле, известной уже давным-давно, получится ли у готового фазоинвертора расчетная частота?» Наш итальянский коллега, съевший на своем веку собак эдак с десяток на фазоинверторах, отвечает: «Нет, не получится». А потом объясняет, почему и, что самое ценное, на сколько именно не получится. Вопрос второй: «Рассчитал тоннель, а он такой длинный, что никуда не помещается. Как быть?» И здесь синьор предлагает настолько оригинальные решения, что именно эту сторону его трудов мы и вынесли в заголовок. Так что ключевое слово в новом заголовке надо понимать не по-новорусски (иначе мы бы написали: «короче – фазоинвертор»), а совершенно буквально. Геометрически. А теперь слово для выступления имеет синьор Матараццо.

Фазоинвертор: короче!

Об авторе: Жан-Пьеро Матараццо родился в 1953 г. в городе Авеллино, Италия. С начала 70-х работает в области профессиональной акустики. Долгие годы был ответственным за тестирование акустических систем для журнала «Suono» («Звук»). В 90-х годах разработал ряд новых математических моделей процесса излучения звука диффузорами громкоговорителей и несколько проектов акустических систем для промышленности, включая популярную в Италии модель «Опера». С конца 90-х активно сотрудничает с журналами «Audio Review», «Digital Video» и, что для нас наиболее важно, «ACS» («Audio Car Stereo»). Во всех трех он – главный по измерению параметров и тестированию акустики. Что еще?.. Женат. Два сынишки растут, 7 годиков и 10.

Рис 1. Схема резонатора Гельмгольца. То, от чего все происходит.

Рис 2. Классическая конструкция фазоинвертора. При этом часто не учитывают влияние стенки.

Рис 3. Фазоинвертор с тоннелем, концы которого находятся в свободном пространстве. Здесь влияния стенок нет.

Рис 4. Можно вывести тоннель полностью наружу. Здесь опять произойдет «виртуальное удлинение».

Рис 5. Можно получить «виртуальное удлинение» на обоих концах тоннеля, если сделать еще один фланец.

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

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

Рис 8. Тоннель в форме усеченного конуса.

Рис 9. Основные размеры конического тоннеля.

Рис 10. Размеры щелевого варианта конического тоннеля.

Рис 11. Экспоненциальный тоннель.

Рис 12. Тоннель в форме песочных часов.

Рис 13. Основные размеры тоннеля в форме песочных часов.

Рис 14. Щелевой вариант песочных часов.

Магические формулы

Одно из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора – привести «магическую формулу», по которой читатель ACS мог бы сам рассчитать фазоинвертор. Это, в принципе, нетрудно. Фазоинвертор представляет собой один из случаев реализации устройства под названием «резонатор Гельмгольца». Формула его расчета не намного сложнее самой распространенной и доступной модели такого резонатора. Пустая бутылочка из-под кока-колы (только обязательно бутылка, а не алюминиевая банка) – именно такой резонатор, настроенный на частоту 185 Гц, это проверено. Впрочем, резонатор Гельмгольца намного древнее даже этой, постепенно выходящей из употребления упаковки популярного напитка. Однако и классическая схема резонатора Гельмгольца схожа с бутылкой (рис. 1). Для того чтобы такой резонатор работал, важно, чтобы у него был объем V и тоннель с площадью поперечного сечения S и длиной L. Зная это, частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) теперь можно рассчитать по формуле:

  1. Fb – частота настройки трубы фазоинвертора (Гц)
  2. с – скорость звука, постоянная величина = 344 м/с
  3. S – площадь тоннеля фазоинвертора (м2)
  4. L – длина тоннеля фазоинвертора (м)
  5. V – объем корпуса (м3)
  6. П – постоянная величина = 3,14

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:

  1. Fb – частота, на которую настраивается фазоинвертора (Гц)
  2. V – объем корпуса (л)
  3. D – диаметр трубы фазоинвертора (мм)
  4. L – длинна трубы фазоинвертора (мм)

Полученный результат ценен не только тем, что позволяет на этапе расчета получить значение длины, близкое к окончательной, дающей требуемое значение частоты настройки, но и тем, что открывает определенные резервы укорочения тоннеля. Почти один диаметр мы уже выиграли. Можно укоротить тоннель еще больше, сохранив ту же частоту настройки, если сделать фланцы на обоих концах, как показано на рис. 5.

Теперь, кажется, все учтено, и, вооруженные этой формулой, мы представляемся себе всесильными. Именно здесь нас и ждут трудности.

Первые трудности

Первая (и главная) трудность заключается в следующем: если относительно небольшой по объему ящик требуется настроить на довольно низкую частоту, то, подставив в формулу для длины тоннеля большой диаметр, мы и длину получим большую. Попробуем подставить диаметр поменьше – и все получается отлично. Большой диаметр требует большой длины, а маленький – как раз небольшой. Что же тут плохого? А вот что. Двигаясь, диффузор динамика своей тыльной стороной «проталкивает» практически несжимаемый воздух через тоннель фазоинвертора. Поскольку объем колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в тоннеле будет во столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз площадь сечения тоннеля меньше площади диффузора. Если сделать тоннель в десятки раз меньшего размера, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большой, и, когда она достигнет 25 – 27 метров в секунду, неизбежно появление завихрений и струйного шума. Великий исследователь акустических систем Р. Смолл показал, что минимальное сечение тоннеля зависит от диаметра динамика, наибольшего хода его диффузора и частоты настройки фазоинвертора. Смолл предложил совершенно эмпирическую, но безотказно работающую формулу для вычисления минимального размера тоннеля:

Формулу свою Смолл вывел в привычных для него единицах, так что диаметр динамика Ds, максимальный ход диффузора Xmax и минимальный диаметр тоннеля Dmin выражаются в дюймах. Частота настройки фазоинвертора – как обычно, в герцах.

Теперь все выглядит не так радужно, как прежде. Очень часто оказывается, что, если правильно выбрать диаметр тоннеля, он выходит невероятно длинным. А если уменьшить диаметр, появляется шанс, что уже на средней мощности тоннель «засвистит». Помимо собственно струйных шумов, тоннели небольшого диаметра обладают еще и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.

Столкнувшись с такой дилеммой, читатели ACS обычно звонят в редакцию и просят подсказать им решение. У меня их три: простое, среднее и экстремальное.

Простое решение для небольших проблем

Когда расчетная длина тоннеля получается такой, что он почти помещается в корпусе и требуется лишь незначительно сократить его длину при той же настройке и площади сечения, я рекомендую вместо круглого использовать щелевой тоннель, причем размещать его не посреди передней стенки корпуса (как на рис. 6), а вплотную в одной из боковых стенок (как на рис. 7). Тогда на конце тоннеля, находящемся внутри ящика, будет сказываться эффект «виртуального удлинения» из-за находящейся рядом с ним стенки. Опыты показывают, что при неизменной площади сечения и частоте настройки тоннель, показанный на рис. 7, получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на рис. 6. Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя еще больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины. Это – простое решение. Если его недостаточно, придется перейти к среднему.

Среднее решение для проблем побольше

Решение промежуточной сложности заключается в использовании тоннеля в форме усеченного конуса, как на рис. 8. Мои эксперименты с такими тоннелями показали, что здесь можно уменьшить площадь сечения входного отверстия по сравнению с минимально допустимой по формуле Смолла без опасности возникновения струйных шумов. Кроме того, конический тоннель намного менее склонен к органным резонансам, нежели цилиндрический.

В 1995 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения. Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS audioreview.it в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.

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

Lo L d D h Win Wout
160 120 67 84 60 59 92
200 150 64 85 60 53 95
260 180 60 85 60 48 95
330 200 54 86 60 39 98
400 250 52 87 60 35 99
500 350 50 99 60 33 129
630 450 46 109 60 28 155
750 500 42 112 60 24 164

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

Lo L d D h Win Wout
270 200 79 107 70 71 129
330 220 73 108 70 60 131
420 280 70 109 70 54 133
530 350 65 114 70 47 143
650 450 62 124 70 43 174
800 550 57 134 70 36 200
1000 650 50 141 70 29 224
1180 750 46 151 70 24 257

Lo – длинная исходного цилиндрического тоннеля

L – длинна конического тоннеля

Таблица 2 составлена для исходного тоннеля диаметром 100 мм. Это подойдет для большинства сабвуферов с головкой диаметром 300 мм.

Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов. Этот угол больше 6 – 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля. Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.

Тоннель в форме усеченного конуса не обязательно должен иметь круглое сечение. Как и обычный, цилиндрический, его иногда удобнее делать в виде щелевого. Даже, как правило, удобнее, ведь тогда он собирается из плоских деталей. Размеры щелевого варианта конического тоннеля приведены в следующих столбцах таблицы, а что эти размеры означают, показано на рис. 10.

Замена обычного тоннеля коническим способна решить много проблем. Но не все. Иногда длина тоннеля получается настолько большой, что укорочения его даже на 30 – 35% недостаточно. Для таких тяжелых случаев есть…

…экстремальное решение для больших проблем

Экстремальное решение заключается в применении тоннеля с экспоненциальными обводами, как показано на рис. 11. У такого тоннеля площадь сечения сначала плавно уменьшается, а потом так же плавно возрастает до максимальной. С точки зрения компактности для данной частоты настройки, устойчивости к струйным шумам и органным резонансам экспоненциальный тоннель не имеет себе равных. Но он не имеет себе равных и по сложности изготовления, даже если рассчитать его обводы по такому же принципу, как это было сделано в случае конического тоннеля. Для того чтобы преимуществами экспоненциального тоннеля все же можно было воспользоваться на практике, я придумал его модификацию: тоннель, который я назвал «песочные часы» (рис. 12). Тоннель-песочные часы состоит из цилиндрической секции и двух конических, откуда внешнее сходство с древним прибором для измерения времени. Такая геометрия позволяет укоротить тоннель по сравнению с исходным, постоянного сечения, по меньшей мере, в полтора раза, а то и больше. Для расчета песочных часов я тоже написал программу, ее можно найти там же, на сайте ACS. И так же, как для конического тоннеля, здесь приводится таблица с готовыми вариантами расчета.

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

Lo Lmax d D L1 L2 h Wmin Wmax
160 100 58 81 60 20 50 52 103
200 125 58 81 75 25 50 52 103
260 175 58 82 105 35 50 52 104
330 200 55 82 120 40 50 48 104
400 250 55 83 150 50 50 48 105
500 300 54 83 180 60 50 45 105
630 400 54 84 240 80 50 45 106
750 450 54 84 270 90 50 45 106

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

Lo Lmax d D L1 L2 h Wmin Wmax
270 175 71 100 105 35 60 69 130
330 200 71 100 120 40 60 69 130
420 250 71 100 150 50 60 69 130
530 300 69 102 180 60 60 66 133
650 400 69 102 240 80 60 66 133
800 500 68 103 300 100 60 63 135
1000 600 68 103 360 120 60 63 135
1180 750 68 103 450 150 60 63 135

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…

Автор: Di Gian Piero Matarazzo

Перевод с итальянского Журковой Е., по материалам cxem.net

Статья обновлена в 2017 специально для ldsound.ru

Фазоинвертор не на бумаге | журнал АвтоЗвук

Такие задачи возникают у детей, у взрослых и у олигархов. Первым задают, у вторых горят, третьи — контролируют. Все эти решаются известными методами, мы пойдём дальше.

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

Экзотические, отчаянные решения: свернуть тоннель спиралью или винтом

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.

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

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…

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

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.

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

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.

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

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…


Расчет фазоинверторного корпуса

Перед тем как производить расчет корпуса сабвуфера с фазоинвертором, необходимо узнать электроакустические характеристики нашего конкретного динамика — так называемые параметры Тиля-Смолла. Также нам потребуется понять значение следующих терминов:
1. Чистый объем – внутренний размер корпуса. При его определении не учитываются объемы порта фазоинвертора и динамика.
2. Настройка порта – его конфигурация по отношению к чистому объему корпуса. Усиление настройки на определенную частоту приводит к формированию требуемой амплитудно-частотной характеристики.
Чтобы провести расчет фазоинвертора для сабвуфера, необходимо знать следующие параметры Тиля-Смолла:
1. Резонансную частоту динамика (Fs), измеряется в герцах (Hz).
2. Эквивалентный объем (Vas), измеряется в литрах.
3. Полную добротность динамика (Qts).
Как правило, все эти данные можно найти в описании или инструкции к динамику, а также на сайте его производителя.

Рассчитываем чистый объем и частоту настройки фазоинвертора

Для выполнения этих действий нам потребуется программное обеспечение, рассчитывающее сабвуферные корпуса, которое можно легко найти в интернете. Одной из самых популярных и простых в обращении считается программа JBLSpeakerShop. В ней нам потребуется указать параметры Тиля-Смолла, подобрать объем ящика с настройкой порта и получить нужный график амплитудно-частотных характеристик.

Рассчитываем порт фазоинвертора

Для этого мы воспользуемся помощью программы BassPort, которая проводит быстрый, удобный, а главное — очень точный расчет фазоинвертора онлайн.

Нам нужно будет ввести следующие значения:
1. Требуемую частоту настройки порта.
2. Чистый объем (полученный ранее).
3. Площадь диффузора динамика (замеряем длину по центральной оси динамика от середины подвеса до такой же точки напротив).
4. Ход диффузора (максимальный) в одну из сторон (указан в описании как Xmax).
5. Теперь нам нужно выбрать сечение порта.
6. Ввести его габариты.
7. Далее – жмем кнопку «Рассчитать» — получаем длину порта (L), а также его литраж.

Определяем общий объем корпуса

Выполняя расчет фазоинвертора программой JBLSpeakerShop, мы определили требуемый чистый объем для нашего конкретного сабвуфера и частоту, на которую нужно настраивать порт. BassPort «подсказал» нам длину порта, а также объем, который он будет занимать. Теперь проводим следующие арифметические действия: складываем объемы – порта, чистый и вытесняемый динамиком. Полученное значение и будет являться общим внутренним литражом нашего будущего корпуса.
Следует отметить, что если в корпусе будут использованы округления, ребра жесткости, или он будет щелевой, то нам придется учесть все эти нюансы. Примерный расчет щелевого фазоинвертора:
1. Чистый объем равен 45 литрам.
2. Щелевой порт – площадь 140 см3, 36 Hz – 8,5 л. Добавим 3,8 л на стенки порта (из фанеры 18 мм).
3. Вытесняемый динамиком – 3 л.
4. Складываем эти значения и получаем 60,3 л – общий литраж корпуса.

Получаем размеры корпуса по известному литражу

Итак, подходим к финальному этапу мероприятий. Теперь нам нужно рассчитать, какие же геометрические размеры будет иметь фазоинверторный корпус, если известен его общий литраж – 60,3 л. Проводим замеры багажника, определяя приемлемые габариты. К примеру, нам подходит конструкция длиной в 60 см и высотой в 40 см. Остается узнать ширину.
Определимся, что стенки ящика мы будем выполнять из фанеры толщиной 1,8 см. Теперь нам нужно отнять от длины и высоты конструкции толщину стенок (1,8х2) и получить такие значения: длина – 56,4; высота – 36,4 см. Далее проводим такие вычисления: 60,3х1000:36,4:56,4=29,4. Это и будет ширина корпуса, правда, без учета толщины стенок. Прибавим ее и получим 33 см.
Так выглядит примерный расчет корпуса сабвуфера с фазоинвертором под определенный динамик. Отметим, что эта статья является лишь общим руководством, в ней не учтены многие тонкости и нюансы, которые возникают в процессе работы.

Теория и практика фазоинвертора

Создано 27.02.2007 18:58. Обновлено 12.04.2020 16:34. Автор: Жан-Пьеро Матараццо.

Статья итальянского специалиста-акустика, воспроизводимая здесь с благословения автора, в оригинале называлась Teoria e pratica del condotto di accordo. То есть, в буквальном переводе — «Теория и практика фазоинвертора». От редакции журанала Автозвук:

Заголовок этот, на наш взгляд, соответствовал содержанию статьи только формально. Действительно, речь идет о соотношении простейшей теоретической модели фазоинвертора и тех сюрпризов, которые готовит практика. Но это — если формально и поверхностно. А по существу, статья содержит ответ на вопросы, которые возникают, судя по редакционной почте, сплошь и рядом при расчете и изготовлении сабвуфера-фазоинвертора.

Вопрос первый: «Если рассчитать фазоинвертор по формуле, известной уже давным-давно, получится ли у готового фазоинвертора расчетная частота?» Наш итальянский коллега, съевший на своем веку собак эдак с десяток на фазоинверторах, отвечает: «Нет, не получится». А потом объясняет, почему и, что самое ценное, на сколько именно не получится.

Вопрос второй: «Рассчитал тоннель, а он такой длинный, что никуда не помещается. Как быть?» И здесь синьор предлагает настолько оригинальные решения, что именно эту сторону его трудов мы и вынесли в заголовок. Так что ключевое слово в новом заголовке надо понимать не по-новорусски (иначе мы бы написали: «короче — фазоинвертор»), а совершенно буквально. Геометрически. А теперь слово для выступления имеет синьор Матараццо.

Матараццо

Об авторе: Жан-Пьеро Матараццо родился в 1953 г. в городе Авеллино, Италия. С начала 70-х работает в области профессиональной акустики. Долгие годы был ответственным за тестирование акустических систем для журнала «Suono» («Звук»). В 90-х годах разработал ряд новых математических моделей процесса излучения звука диффузорами громкоговорителей и несколько проектов акустических систем для промышленности, включая популярную в Италии модель «Опера».

С конца 90-х активно сотрудничает с журналами «Audio Review», «Digital Video» и, что для нас наиболее важно, «ACS» («Audio Car Stereo»). Во всех трех он — главный по измерению параметров и тестированию акустики. Что еще?.. Женат. Два сынишки растут, 7 годиков и 10.

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.

Схема резонатора ГельмгольцаРис 1. Схема резонатора Гельмгольца. То, от чего все происходит.

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:

Формула расчета частоты настройки резонатора ГельмгольцаФормула расчета частоты настройки резонатора Гельмгольца

где Fb — частота настройки в Гц, с — скорость звука, равная 344 м/с, S — площадь тоннеля в м2, L — длина тоннеля в м, V — объем ящика в м3, π = 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.

Классическая конструкция фазоинвертораРис 2. Классическая конструкция фазоинвертора. При этом часто не учитывают влияние стенки.

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.

Фазоинвертор с тоннелем, концы которого находятся в свободном пространствеРис 3. Фазоинвертор с тоннелем, концы которого находятся в свободном пространстве. Здесь влияния стенок нет.

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.

Можно вывести тоннель полностью наружуРис 4. Можно вывести тоннель полностью наружу. Здесь опять произойдет «виртуальное удлинение».

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:

Длина Туннеля

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.

Виртуальное удлинение фазоинвертораРис 5. Можно получить «виртуальное удлинение» на обоих концах тоннеля, если сделать еще один фланец.

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:

Минимальный диаметр фазоинвертора

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).

Щелевой фазоинверторРис 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.

Щелевой фазоинвертор, расположенный вблизи стенкиРис 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.

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.

Конусный фазоинверторРис 8. Тоннель в форме усеченного конуса.

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 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.

Таблица 1

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.

Основные размеры конического тоннеляРис 9. Основные размеры конического тоннеля.

Таблица 2 составлена для исходного тоннеля диаметром 100 мм. Это подойдет для большинства сабвуферов с головкой диаметром 300 мм.

Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов. Этот угол больше 6 — 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля. Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.

Тоннель в форме усеченного конуса не обязательно должен иметь круглое сечение. Как и обычный, цилиндрический, его иногда удобнее делать в виде щелевого. Даже, как правило, удобнее, ведь тогда он собирается из плоских деталей. Размеры щелевого варианта конического тоннеля приведены в следующих столбцах таблицы, а что эти размеры означают, показано на рис. 10.

Размеры щелевого варианта конического тоннеляРис 10. Размеры щелевого варианта конического тоннеля.

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.

Экспоненциальный тоннель фазоинвертораРис 11. Экспоненциальный тоннель фазоинвертора.

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 фазоинвертора в форме песочных часовРис 12. Тоннель фазоинвертора в форме песочных часов.

Тоннель-песочные часы состоит из цилиндрической секции и двух конических, откуда внешнее сходство с древним прибором для измерения времени. Такая геометрия позволяет укоротить тоннель по сравнению с исходным, постоянного сечения, по меньшей мере, в полтора раза, а то и больше. Для расчета песочных часов я тоже написал программу, ее можно найти там же, на сайте ACS. И так же, как для конического тоннеля, здесь приводится таблица с готовыми вариантами расчета.

Таблица 3.

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.

Размеры тоннеля в форме песочных часовРис 13. Основные размеры тоннеля в форме песочных часов.

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.

Щелевой вариант песочных часовРис 14. Щелевой вариант песочных часов.

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...

Спасибо журналу «АвтоЗвук» за разрешение публикации данной очень занимательной статьи.

Жан-Пьеро МАТАРАЦЦО Перевод с итальянского Е. Журковой

Читайте также

 

Расчет фазоинвертора онлайн калькулятор. Блог › Простая методика настройки фазоинвертора

Сабвуфер – это важная часть любой полноценной акустической системы. В некоторых случаях низкочастотную колонку можно собрать своими руками. При этом нужно учитывать ряд важных характеристик сабвуфера, чтобы колонка звучала так, как надо.

Один из главных параметров низкочастотной колонки – это размер корпуса. С материалом, из которого будет выполняться короб, определиться весьма просто – следует использовать плотный и твердый материал, хорошо поглощающий звук – например, прессованную древесину средней плотности. С размерами же все не так просто. Для расчета правильных линейных параметров короба используются специальные программы, которыми нужно научиться пользоваться.

Прежде чем приступать к расчету корпуса, следует определиться с типом короба. Он может быть:

  • открытым – с фазоинвертором – цилиндрическим отверстием в одной из стенок, которое позволяет звуку лучше фокусироваться;
  • закрытым – с полнотелыми стенками и герметичным корпусом.

Очевидно, что качество низкочастотной колонки напрямую зависит от диаметра динамического излучателя – чем он больше, тем лучше. Поэтому колонка по определению не может быть маленькой, если хочется добиться максимально качественного звучания. Кроме того, форма корпуса должна быть строго определенной – кубической или прямоугольной. Усвоив эти базовые принципы, можно приступать к расчету размеров.

Расчет закрытого корпуса сабвуфера

Если правильный динамик уже был подобран и остается только разместить его в подходящем корпусе, задача становится весьма простой. Рассчитать короб для низкочастотной колонки при помощи специальной программы – дело нехитрое, если разобраться в ее интерфейсе. Можно сказать, что куда более сложно будет красиво оформить этот короб. В результате расчета должен получиться ящик с таким объемом, чтобы звук из динамика, встроенного в него, имел максимально прямолинейную амплитудно-частотную характеристику в том или ином помещении или внутри салона автомобиля.

Для расчета корпуса предстоит пользоваться одной из предназначенных для этого программ; их существует огромное множество, и подойдет, в принципе любая. Хороший вариант – JBL SpeakerShop, она бесплатна и имеет несложный интерфейс, в котором без труда разберется и неопытный пользователь. Единственная проблема – программа полностью на английском языке, что может стать препятствием для некоторых людей. Впрочем, какие-то особые познания и не понадобятся – главное, нажимать на нужные кнопки.

Для того, чтобы правильно настроить программу на расчет требуемого короба, необходимо найти инструкцию или техпаспорт, прилагающийся к низкочастотному динамику. В нем нужно найти параметры Тиля-Смолла:

  • Fs – резонансная частота излучателя, измеряется в герцах;
  • Vas – эффективный объем корпуса, рассчитывается в литрах;
  • Qts – добротность динамика, которая представляет собой совокупность физических сил, возникающих вблизи излучателя в процессе его работы и связанных с его подвижностью.

В техпаспорте динамика можно найти и другие параметры – если они известны, в программу можно ввести и их, но это совсем не обязательно. Для достаточно точного расчета короба достаточно и трех вышеперечисленных показателей.

Процесс расчета

Расчет производится следующим образом:

  • Чистый объем – объем корпуса, не занятый ничем. В него не включается пространство, занимаемое портом фазоинвертора и корпусом излучателя, а также звукопоглощающим материалом, которым обиваются стенки ящика изнутри.
  • Настройка порта – подбор размеров фазоинвертора таким образом, чтобы при определенной частоте (в случае с сабвуфером – низкой) звук усиливался и получал линейную АЧХ.

Расчет чистого объема корпуса

Действовать предстоит точно так же, как и в случае закрытого короба. Открываем программу для расчета, вводим показатели Fs, Vas и Qts в соответствующие поля. Выстраиваем расчетную АЧХ, которую затем изменяем, подгоняя расчетный объем корпуса сабвуфера.

К получившемуся объему следует добавить несколько литров в счет объема, который будет занят корпусом динамика и портом фазоинвертора. С динамиком все понятно, но как узнать, сколько места займет фазоинвертор?

Расчет порта фазоинвертора

Порт фазоинвертора тоже будет рассчитываться при помощи специальной программы – BassPort. Эта программа предназначена именно для сабвуфером, так как для низких частот требуется фазоинвертор с определенными параметрами.


Пользоваться программой несложно:

  • вводим частоту фазоинвертора;
  • указываем чистый объем короба;
  • эффективная площадь мембраны излучателя, для расчета которой понадобится узнать диаметр динамика;
  • пиковая амплитуда колебания диффузора, ее можно узнать из инструкции к динамику;
  • внизу главного окна выбираем форму трубки;
  • указываем габариты фазоинвертора;
  • после нажатия на кнопку «рассчитать» программа выдаст недостающие параметры порта: его длину, объем, который нужно добавить к чистому объему короба, скорость ветра в трубке и т. д.

Расчет короба для сабвуфера: видео

Характеристики ящика (фазоинвертора) напрямую влияют на звучан

Объяснение настройки фазоинвертора - шаг за шагом

Каковы выравнивания портированного бокса?

Регулировки фазоинвертора похожи на описание того, как будет звучать коробка. Хорошая аналогия - с запечатанными коробками. Если вы не читали статью, я призываю вас сделать это, поскольку она будет иметь больше смысла. Но я все равно вкратце объясню. Чтобы рассчитать объем запечатанного ящика, сначала нужно определиться, какой Q tc вам нужен.Q tc является фактором Q es , Q мс и Q коробки. Так как Q es и Q ms являются качествами динамика и являются фиксированными, можно изменить только Q блока, изменяя громкость блока. В обратном порядке, зная, какой Q tc вам нужен, и учитывая, что Q es и Q ms указаны производителем динамика, вы можете рассчитать объем коробки.

Герметичные и фазоинверторные выравнивания

Вот звуковые характеристики, соответствующие различным значениям Q tc для герметичных коробок:

  • Q tc = 0.5: Совершенные переходные процессы, но низкая эффективность.
  • Q tc = 0,707: это число, которого пытается достичь большинство людей, поскольку оно дает хорошие переходные процессы и ровный отклик с минимальной отсечкой.
  • 0,7 tc <1,2: Лучшая эффективность, несколько ухудшенные переходные процессы, более крутой спад.
  • Q tc > 1,2: Высокая эффективность, плохие переходные процессы, плохая частотная характеристика.

Поскольку портированный корпус сложнее герметичной коробки, это не так просто, как выбрать значение Q tc .Вместо этого есть несколько хорошо известных регулировок фазоинвертора, из которых вы можете выбирать. Я провел аналогию с герметичным корпусом, потому что это проще для понимания, но для фазоинвертора процесс намного сложнее. Внесение небольших изменений для Q в запечатанной коробке приведет к незначительному изменению ответа. Однако для фазоинвертора это может привести к заметному увеличению или уменьшению диапазона низких частот, что называется «рассогласованием». Переносные коробки имеют гораздо более крутой спад, и при возникновении проблем с несовпадением может возникать серьезный кратковременный звон.

Итак, чтобы определить объем коробки и размер вентиляционного отверстия, вам сначала нужно выбрать определенное выравнивание. Поскольку разные драйверы имеют разные параметры и, следовательно, разные недостатки, вам необходимо выбрать выравнивание, которое дополняет ваш драйвер, чтобы вы получили более или менее ровный ответ.

Типы фазоинверторов

Есть две основные категории выравниваний фазоинвертора, одна из которых распространяется на две другие категории:

Ассистированное выравнивание

включают активный электронный фильтр коррекции для достижения желаемого отклика.Этот вид выравнивания не пользуется особой популярностью, и мы не будем на нем останавливаться. Вместо этого мы сконцентрируем наше внимание на настройке фазоинвертора без посторонней помощи, которая не требует дополнительных электронных устройств для достижения прогнозируемого отклика. Благодаря более простой конструкции он получил более широкое распространение.

Выравнивание квартир без посторонней помощи

обычно требует значений Q ts ниже 0,4 и делится на 6 категорий:

  1. SBB 4 или Super Forth-Order Boom Box - отличается большим корпусом, низкой частотой настройки (более длинное вентиляционное отверстие) и хорошей переходной характеристикой (что ставит термин «бум-бокс» неуместно).
  2. SC 4 или Sub-Chebyshev четвертого порядка - примерно такой же размер корпуса и f 3 , что и SBB 4 , но с другой частотой настройки. Несколько ухудшенные переходные процессы по сравнению с SBB 4 .
  3. QB 3 или Quasi-Butterworth третьего порядка - наиболее популярное выравнивание с вентиляцией, поскольку оно дает меньшую коробку и меньшее f 3 . Однако переходная характеристика не так хороша, как SBB 4 или SC 4 .
  4. B 4 или Баттерворта четвертого порядка .
  5. BE 4 или Bessel четвертого порядка.
  6. IB 4 или промежуточный заказ Баттерворта .

Последние три настройки фазоинвертора называются дискретными настройками , потому что они существуют только для одного единственного значения Q ts . Их довольно сложно получить, потому что потери в коробке влияют на значение выравнивания. Из трех дискретных настроек BE 4 имеет лучший переходный отклик.

Неплоские трассы без посторонней помощи

генерируются с использованием более высокого значения Q ts . Эти настройки фазоинвертора, как правило, имеют низкую переходную и частотную характеристики. По этой причине они не подходят для высококачественных аудиоприложений. Однако, если отрицательные части не являются проблемой, неплоское выравнивание может достигнуть более низких значений f 3 . Эти раскладки разделены на 3 категории:

  1. C 4 или четвертого порядка Chebyshev - может быть полезен для низких значений пульсации (менее 1 дБ).
  2. BB 4 или стреловой ящик Forth-Order - имеет пик реакции, близкий к спаду, аналогично высокому Q TC герметичных коробок (1,2 или выше).
  3. SQB 3 или Super третьего порядка Quasi-Butterworth - это высокое значение Q ts , расширение выравнивания QB 3 .

Ящик потерь

Прежде, чем мы объясним выравнивание фазоинвертора, нам нужно сначала поговорить о потерях в коробке. Когда вы производите коробку, вы должны учитывать, что будет некоторая утечка воздуха или другие факторы, которые повлияют на результат.Все эти факторы вместе описывают потери в ящике. Вы столкнетесь с тремя основными типами потерь:

  • Утечка воздуха - Q L .
  • Поглощение от демпфирующего материала - Q A .
  • Потери вентиляции - Q P .

Общие убытки (Q B ) - это сумма всех трех, которые складываются следующим образом:

1 / квартал B = 1 / квартал L + 1 / квартал A + 1 / квартал P

В реальном сценарии, где звукопоглощающий материал будет отсутствовать или 1 дюйм облицовки стен, Q A будет минимальным.Кроме того, учитывая, что порт не заблокирован, Q P также незначителен. Итак, когда мы говорим о потерях в коробке, мы говорим об утечке коробки, которая составляет Q L . В результате разные количества Q L по-разному влияют на частотную характеристику.

Регулировочная коробка потерь

При конструировании коробки необходимо учитывать потери коробки или, точнее, утечку (Q L ). Итак, прежде чем начать сборку, примите во внимание, что коробка будет иметь нормальную протечку, которая составляет Q L = 7.После того, как вы заполнили коробку, вам нужно будет измерить потери коробки и посмотреть, близко ли значение к 7. Если действительно Q L составляет около 7, то вы можете поздравить себя. В противном случае вам придется принять меры по исправлению положения.

Как спроектировать громкоговорители - видеокурсы

Обнаружение того, что Q L ниже, означает, что вам придется увеличить коробку. Обычно это означает, что вам придется делать коробку заново.Если Q L больше, то коробку придется сделать меньше. Это делается довольно просто, помещая внутрь коробки твердые предметы (прямоугольные куски дерева), чтобы уменьшить чистый объем. Если вы опасаетесь низкого результата Q L , вы можете увеличить объем коробки, и после измерения потерь коробки вы можете уменьшить объем на соответствующую величину.

Как измерить потери коробки?

Вы не можете предсказать, сколько потерь вы понесете для заранее определенного корпуса.В результате, только после того, как коробка будет заполнена, вы сможете увидеть, насколько она с потерями. Чтобы измерить потери в коробке, вам нужно будет сделать некоторые измерения для динамика и корпуса. После того, как вы получите эти значения, вам нужно будет выполнить несколько расчетов. Поскольку написать все эти формулы довольно сложно, я предпочитаю добавить электронную таблицу Excel, где вы вводите необходимые значения, и Q L рассчитывается для вас.

Таблица Excel для расчета Q L : Расчет QL

Расшифровка терминов внутри таблицы относительно корпуса:

  • f b - резонансная частота коробки.
  • f H и f L - Кривая импеданса корпуса покажет 2 пика. Обратите внимание на частоты, которые соответствуют этим двум пикам. f H представляет значение для большего пика, а f L - значение для меньшего пика.
  • R 0 - полное сопротивление при f b .

Как рассчитать размер коробки, используя выравнивание фазоинвертора?

Прежде всего, ознакомьтесь с этой таблицей в формате excel: таблица выравнивания.Теперь выполните следующие действия:

  1. Выберите желаемое выравнивание и перейдите к соответствующей таблице.
  2. Затем перейдите к столбцу Q L = 7, поскольку это типичный показатель потерь.
  3. Определите Q ts вашего драйвера, измерив его или поищите в техническом описании.
  4. Если Q ts меньше 0,4, вы получите ровное выравнивание. Если оно больше 0,4, выравнивание будет неровным. Вы также можете определить пик-дБ или пульсацию-дБ из таблицы (если он равен 0, это ровно).В той же строке со значением Q ts у вас будут: H (коэффициент настройки), α (соответствие системы или соотношение объема коробки), f 3 / f s (коэффициент f 3 ) .
  5. Определите V как и f s вашего динамика, измерив его или посмотрев в технической документации.
  6. Рассчитайте объем коробки: V b = V как / α.
  7. Рассчитайте частоту настройки: f b = H * f s .
  8. Если вы хотите рассчитать f 3 , вы можете сделать это, взяв значение коэффициента f 3 из таблицы и умножив его на f s . Вычислите f 3 = (f 3 / f s ) * f s .
  9. Выберите диаметр порта. Больше лучше. Половина диаметра - это радиус (R).
  10. Рассчитайте длину порта: L v = [(14630000 * R 2 ) / (f b 2 * V b )] - (1.463 * R). Длина и радиус указаны в дюймах, а объем - в кубических дюймах.
Давайте рассмотрим реальный пример для 8-дюймового НЧ-динамика со следующими характеристиками:

Q ts = 0,52; f с = 47 Гц; V как = 7,86 L

  1. Выбранное выравнивание: SQB 3 (поскольку Q ts имеет высокое значение, это не плоское выравнивание).
  2. Посмотрите в среднем столбце, где Q L = 7.
  3. Q ts = 0.52.
  4. H = 0,8116; α = 0,1971; f 3 / f s = 0,6835.
  5. f с = 47 Гц; V как = 7,86 л.
  6. V b = 7,86 / 0,1971 = 39,88 л (2433,63 кубических дюйма).
  7. f b = 0,8116 * 47 = 38,14 Гц.
  8. f 3 = 0,6835 * 47 = 32,12 Гц.
  9. Выбираем диаметр 4 ″. Это означает, что R = 2 ″
  10. L v = [(14630000 * 4) / (1454,66 * 2433,63)] - (1,463 * 2) = (58520000/3540103.24) - 2,93 = 16,53 - 2,93 = 13,6 ″
Итак, для нашего 8-дюймового вуфера мы получили:
  • SQB 3 выравнивание.
  • Объем ящика 39,88 л.
  • Частота настройки 38,14 Гц.
  • f 3 = 32,12 Гц.
  • Порт диаметром 4 ″.
  • Длина порта 13,6 ″.

Заключение

Подобно Q tc из запечатанных коробок, фазоинвертор работает аналогичным образом.Это похоже на выбор кривой отклика еще до того, как вы сделали коробку. В отличие от закрытого корпуса фазоинвертор имеет дополнительный элемент (вентиляционное отверстие), и это не так просто, как выбрать значение Q tc . Драйвер Q ts является важной переменной в этом уравнении и определяет, будет ли выравнивание ровным или неровным.


Список литературы
  1. Поваренная книга по дизайну громкоговорителей, 7-е издание Вэнса Дикасона (Audio Amateur Pubns, 2005).
  2. Источник изображения: ссылка.
.Калькулятор скорости воздуха в порту

- с использованием WinISD

Как определить скорость потока воздуха через порт фазоинвертора?

Разве не было бы здорово иметь калькулятор скорости воздуха в порту, который сообщал бы вам, будет ли в вашем порту шум? К счастью, существует популярная бесплатная программа для проектирования корпусов, которая выполняет именно это (со многими другими функциями). Ты угадал! Я говорю о WinISD. Не знаю, почему не использую это приложение чаще. Мне не нравится, как вы выбираете водителя, но, может быть, я слишком разборчив.Еще я не понимаю, почему нужно выбирать из списка существующих драйверов. Я не могу поверить, что эти параметры, введенные кем-то другим, верны. Или, возможно, драйвер был обновлен, и параметры больше не действительны. Мой ОКР явно не одобрил это. Тем не менее, это хорошее приложение. Недурно!

Что случилось с этой скоростью воздуха?

Прежде всего, в этой статье предполагается, что вы хотите построить фазоинвертор. Это также предполагает, что вы уже знаете, как его спроектировать и построить.Если нет, прочтите эту статью или эту. В заключение, нас интересует исключительно шум, создаваемый портом. Пыхтение - это еще один способ назвать этот шум. Давайте перейдем к делу! Рассмотрите эти 4 аспекта дизайна вашей акустической системы:

  • Диаметр динамика.
  • Мощность динамика.
  • Диаметр порта.
  • Частота настройки.

Эти факторы напрямую влияют на скорость воздуха, проходящего через порт. Размер динамика и мощность являются заданными, диаметр порта и частота настройки - на ваше усмотрение.Однако, когда вы открываете калькулятор скорости воздуха в порте, вы в основном проверяете скорость для разных диаметров порта. В результате частота настройки с самого начала как бы фиксирована, и переменным остается только диаметр порта.

Сколько это уже много?

Людям нравится видеть числа. Итак, когда мы начнем беспокоиться о порте шума? Конечно, когда скорость воздуха через порт становится слишком высокой. Если вы спросите консервативных людей, они скажут, что скорость выше 10 м / с может привести к нежелательному шуму порта.Хотя это может быть верно для прямой трубы с неровными краями, это не так для расширяющегося порта.

Если вы изучаете гидродинамику, вы найдете свой ответ. Да, любой газ или жидкость - это жидкость (включая воздух). Однако любое исследование гидродинамики предполагает, что жидкость движется только в одном направлении. Согласно этим исследованиям, есть определенные вещи, которые можно сделать, чтобы жидкость текла беспрепятственно.

Как спроектировать громкоговорители - видеокурсы

Например, у вас есть емкость с водой и к ней прикреплена труба.Вода будет течь легче, если соединение между контейнером и трубой будет развальцовано. Также учтем, что другой конец трубы ни к чему не подключен, и вода падает на пол. Другой конец трубы не имеет значения, есть ли у него раструб или нет. В заключение, расширенный впуск имеет значение, а расширенный выпуск - нет.

Однако это не относится к аудио. Поскольку воздух движется вперед и назад через порт, каждый конец порта является одновременно входом и выходом для воздуха.В заключение, лучше всего, если оба конца порта расширены . Таким образом, вы можете увеличить скорость воздуха в левом отверстии до 30 м / с до . Если вы знаете, что ваш порт может издавать шум, вы можете разместить его на задней или нижней панели, чтобы он не находился на оси со слушателем (это можно увидеть на многих напольных или полочных динамиках).

Тестируемое устройство

Давайте выберем случайный сабвуфер, спроектируем для него фазоинверторный корпус и посмотрим, что нам показывает калькулятор скорости воздуха в портах.Я выбираю 12-дюймовый сабвуфер: Dayton Audio RSS315HFA-8 . Итак, давайте откроем WinISD.

Нажмите «Создать новый проект» -> «Добавить» -> и добавьте все параметры из спецификации динамика. Зеленые значения вводятся, а синие рассчитываются автоматически, поскольку мы вводим достаточные параметры.

Затем снова создайте новый проект и выберите вновь созданный драйвер. Выберите 1 драйвер в обычном месте и нажмите «Далее». Вентилируемая коробка.Наконец, выравнивание QB3 для максимального плоского отклика. Громкость и частота настройки рассчитываются автоматически для этого типа настройки. Что составляет 139,10 литра и частота настройки 19,92 Гц. Следующее, что мы хотим проверить, - это форма и размер порта.

Итак, для 12-дюймового НЧ-динамика достаточно размера 4-дюймового порта . Также убедитесь, что вы отметили опцию «фланцевое соединение с обоих концов». Это не влияет на расчет скорости воздуха, это только для расчета длины порта.Теперь все, что нам нужно сделать, это переключиться на график скорости воздуха в порту.

Калькулятор скорости воздуха в порте

Давайте посмотрим на график скорости воздуха в порту:

Переключиться на «Задний порт - скорость воздуха». Почему задний порт? Потому что передний порт зарезервирован для передней камеры полосового фильтра 6-го порядка (который имеет 2 камеры с фазоинвертором). Для всех остальных корпусов с одним портом вы найдете приставку «сзади».

Если мы проанализируем график, то увидим, что максимальная скорость порта близка к резонансной частоте коробки.Это около 20 Гц. Это не удивительно. Однако максимальная скорость воздуха всего 2 м / с совершенно нереальна. Это потому, что сигнал по умолчанию установлен на 1 Вт. Обычно вы бы включили свой сабвуфер, верно?

Проверьте мощность вашего сабвуфера. Для этого НЧ-динамика Dayton это 400 Вт. Установите сигнал на 75% от этого значения. В моем случае 300 Вт.

Теперь калькулятор скорости воздуха в порте выдает нужное нам число: 42 м / с. Это на высоком уровне. Вы можете ожидать некоторого слышимого жужжания на большой громкости.Если вы собираетесь поместить сабвуфер в багажник автомобиля, это не проблема. Если вы думаете, что это будет проблемой, вы можете попробовать изменить резонансную частоту коробки. Сохранение той же громкости и увеличение резонансной частоты только ухудшат ситуацию, так что это комбинация изменения громкости и частоты настройки.

В качестве альтернативы вы можете увеличить размер порта.

Как видите, просто увеличив размер на 1 дюйм, мы находимся в безопасной зоне: 27 м / с.Удачи в поиске 5-дюймового порта! Но я просто хотел донести суть.

Заключение

При проектировании корпуса с фазоинвертором важен размер порта. Я всегда рекомендую выбирать настолько большие, насколько позволяет дизайн. Есть ограничения, потому что больший диаметр означает более длинный порт. В любом случае, калькулятор скорости воздуха в портах, находящийся в WinISD, может помочь вам с числами, чтобы выбрать правильный размер порта. В качестве альтернативы вы можете поиграть с объемом коробки и частотой настройки, чтобы достичь более низкой скорости воздуха в порте.Вам решать, как вы это сделаете.


Ссылки
  1. Источник изображения: ссылка.
.

Дизайн фазоинвертора - простое объяснение

Что такое сабвуфер с фазоинвертором?

Громкоговоритель с фазоинвертором похож на обычный динамик с закрытым корпусом, но, кроме того, имеет открытый туннель или порт, который позволяет воздуху свободно циркулировать внутри корпуса и из него. Это отверстие помогает повысить эффективность низкочастотного динамика с существенным вкладом в низкие частоты. Этот тип корпуса очень популярен и является лучшим среди всех, когда он устанавливается вместе с герметичным корпусом.Это, если хотите, сладкое место для корпусов НЧ-динамиков. Это дает лучший баланс между эффективностью, расширением нижнего предела и сложностью сборки. Хотя построить корпус фазоинвертора довольно просто, его проектирование потребует немного больше усилий, а конечный результат не допускает ошибок проектирования, как герметичный корпус.

Почему стоит выбрать фазоинверторный динамик ?

Вот некоторые плюсы:

  • +3 дБ КПД по сравнению с герметичным корпусом эквивалентного объема.
  • Нижняя частота среза. Обычно после достижения резонансной частоты драйвера характеристика начинает снижаться, но именно тогда порт начинает работать и расширяет частотную характеристику.
  • Меньшие искажения на резонансной частоте. На этом этапе большую часть работы выполняет порт. Динамик практически не двигается на резонансной частоте коробки. Это означает меньше искажений и больше мощности.

Есть и недостатки у фазоинвертора.После достижения резонансной частоты отклик ухудшается с крутым спадом 24 дБ / октаву. Вентиляционное отверстие, если оно неправильно спроектировано или имеет высокий уровень шума, может стать шумным, поскольку воздух выходит из порта. Переходный отклик не так хорош, как герметичный аналог.

Как работает фазоинвертор?

Мы знаем, что весь смысл ограждения состоит в том, чтобы отделить волны, создаваемые задней частью динамика, от волн, создаваемых передней частью. Поскольку эти волны не в фазе, когда они встречаются, они гасят друг друга.Вы можете провести аналогию с математикой: положительные числа совпадают по фазе, а отрицательные числа не совпадают. И как в математике: - x + x = 0.

Но подождите! Если я использую порт, не означает ли это, что обратные волны проходят через порт, достигают передних волн и достигают компенсации? Это очень хороший вопрос, потому что на первый взгляд это выглядит как верная теория. На самом деле происходит кое-что еще. Порт действует как резонатор Гельмгольца, а обратные волны меняют фазу и выходят из порта синхронно с передними волнами.Благодаря этому он не только не гасит передние волны, но и усиливает их (+ x + x = 2x). Отсюда и эффективность +3 дБ.

Этот эффект возникает только при достижении резонансной частоты порта. Выше этой точки (более высокие частоты) масса воздуха внутри порта слишком велика, чтобы реагировать на движение динамика, и он действует как идеально герметичный корпус. Ниже этой точки порт действует как дыра в запечатанной коробке. Обратные волны не меняют фазу и выходят из порта только для того, чтобы погасить передние волны.Вот почему фазоинверторный динамик имеет такой крутой спад (24 дБ / октаву) ниже точки резонансной частоты.

Как спроектировать громкоговорители - видеокурсы

Достижение желаемой f B (резонансная частота)

Чтобы получить желаемую резонансную частоту коробки, теперь вы должны также учитывать размеры порта. Воздух внутри порта имеет свою собственную массу и резонирует в соответствии с движением воздушной «пружины» внутри коробки (дополнительную информацию об этой «пружине» см. В статье о закрытой коробке).Внутренний объем коробки и внутренний объем порта являются ключевыми для определения резонансной частоты.

  • Изменение размера ящика:
    • Увеличить коробку => понизить резонансную частоту
    • Уменьшение размера коробки => увеличение резонансной частоты
  • Для заданного диаметра порта изменение длины порта:
    • Удлинение порта => понижение резонансной частоты
    • Укорочение порта => увеличение резонансной частоты

Помните, что при выборе размеров порта для достижения определенной резонансной частоты важны 2 вещи: масса воздуха внутри порта и соответствие.Если порт должен иметь объем 2 л, вы не должны просто выбирать размеры радиуса и длины только для достижения этого целевого объема. Соответствие необходимо учитывать. Если отверстие широкое, оно более податливое, потому что воздух движется с меньшими ограничениями. Это означает, что порт необходимо сделать достаточно длинным, чтобы обеспечить желаемое соответствие. И наоборот, небольшой порт менее совместим и не должен быть длинным. Итак, радиус и длина порта взаимосвязаны и должны быть правильно согласованы для достижения желаемого результата.Вы можете увидеть это соотношение между длиной и радиусом на визуальном графике чуть ниже.

Размер порта

Чаще всего используются цилиндрические или прямоугольные формы порта фазоинвертора. Прямоугольные порты изготавливаются из кусков материала, который вы используете для изготовления коробки, но чаще всего используются круглые порты. Они сделаны из различных материалов (в основном из пластика), но если в вашем местном магазине аудио нет портов фазоинвертора, вы можете с успехом использовать, например, трубу PVC .В продолжающемся обсуждении этих вентиляционных отверстий мы сосредоточимся на цилиндрическом, поскольку он более популярен.

Размеры порта играют важную роль при выборе резонансной частоты (f B ) коробки. Я не буду писать формулу для расчета f B коробки, потому что вы собираетесь использовать для этого специализированное программное обеспечение.

  • Но я собираюсь упомянуть, что (для данного динамика) настроенная частота коробки (f B ) будет зависеть от 3 факторов:
    • Длина порта
    • Радиус порта
    • Объем ящика (V B )
Выбор размеров порта

Размеры порта - на ваш выбор.Например: если вы хотите достичь определенного значения f B , используя определенный объем коробки, вы можете изменить длину порта по своему усмотрению, но вам придется соответственно изменить радиус порта, чтобы первые 2 значения (f B и V B ) остаются постоянными. Несмотря на то, что кажется, что у вас есть свобода выбора размеров, которые вам нравятся, на самом деле есть определенные факторы, которые необходимо серьезно учитывать.

Диаметр порта должен иметь минимальное значение.Когда частота достигает значения резонанса (f B ), порт излучает почти всю акустическую мощность (динамик движется очень мало, а порт выполняет большую часть работы), и из-за этого вентиляционное отверстие должно иметь минимум объемное смещение, чтобы предотвратить сжатие мощности.

Г-н Тиле и г-н Смолл разработали собственную формулу определения минимального рекомендуемого диаметра порта. В зависимости от того, кто вам больше нравится, вы получите другой результат.Но на самом деле это не имеет большого значения, потому что вы всегда будете стремиться к большему порту. Увеличение диаметра порта означает, что вам нужно сделать порт длиннее, чтобы сохранить ту же резонансную частоту. , поэтому вы можете понять, что существуют некоторые ограничения на то, насколько большим вы можете пойти. Вентиляционные отверстия работают нелинейно, независимо от выбранных вами размеров, но выбор большего размера почти наверняка приведет к меньшей нелинейной производительности. Таким образом, больший диаметр означает меньшую турбулентность воздуха и снижает уровень шума порта при больших объемах.

Соотношение диаметра к длине

Для фиксированного объема коробки и для поддержания желаемого значения f B вот реальный пример взаимосвязи между диаметром и длиной порта:

  • Диаметр порта 2 ″ (5 см) => длина 2,3 ″ (5,8 см)
  • Диаметр порта 3 ″ (7,5 см) => Длина 6,2 ″ (15,5 см)
  • Диаметр порта 4 ″ (10 см) => Длина 12,3 ″ (30,8 см)
  • Диаметр порта 6 ″ (15 см) => длина 30 ″ (75 см)

Эти цифры просто подчеркивают.Для их создания использовался случайный ящик. Пожалуйста, не используйте их в своем проекте.

Как видите, слишком большой диаметр может дать впечатляющую длину порта фазоинвертора. Более длинные порты имеют тенденцию резонировать сами по себе, что вносит незначительные изменения в частотную характеристику. Не стоит слишком беспокоиться об этом и думать о том, насколько меньшие вентиляционные отверстия хуже.

Как спроектировать громкоговорители - видеокурсы

Рекомендуемый минимальный размер

Размер вашего фазоинвертора должен соответствовать размеру порта.Вот несколько рекомендаций по минимальному размеру вентиляционного отверстия по сравнению с размером динамика:

  • 1 ″ вентиляционное отверстие => 4 ″ динамик
  • 2 ″ вентиляционные отверстия => 4 ″ или 5 ″ динамик (6 ″ макс)
  • 3 ″ вентиляционное отверстие => динамик 6 ″ (8 ″ макс)
  • 4 ″ вентиляционные отверстия => 8 ″ или 10 ″ динамик (12 ″ макс.)
  • 6 ″ вентиляционное отверстие => 12 ″ или 15 ″ динамик

По мере увеличения диаметра длина порта увеличивается, поэтому, если вы используете большие вуферы и вам нужно более длинное вентиляционное отверстие, вы можете использовать одно из этих решений

  • Используйте колено 90 °, чтобы направить вентиляционное отверстие вверх или вниз.Таким образом, вам не придется делать корпус очень глубоким, чтобы в нем можно было разместить длинное вентиляционное отверстие.
  • Используйте несколько портов. Чтобы найти общий диаметр 2 портов, используйте формулу: d t = (d 1 2 + d 2 2 ) 1/2 . Таким образом, если у вас два порта 5 дюймов, это будет равно одному порту 7,07 дюйма.

Еще один способ увеличить линейность вентиляционного отверстия - использовать раструб. Наличие раструба на обоих концах вентиляционного отверстия снижает искажения и сводит к минимуму шум, производимый воздухом, когда он выбегает из порта.Говорят, что на высоких уровнях громкости расширенный порт снижает шум примерно на 5 дБ, что является значительным. Некоторые компании, такие как B&W, пошли еще дальше и сделали блики порта как текстуру мяча для гольфа. Они называют это проточным отверстием и еще больше уменьшают турбулентность воздуха.

Дополнительные факторы, которые необходимо учитывать

Дозвуковая фильтрация. Ниже резонансной частоты узла коробка-порт вентиляционное отверстие действует как отверстие в запечатанной коробке. В результате податливость коробки действительно высока, и динамик свободно перемещается.При отсутствии внутренней воздушной «пружины» НЧ-динамик больше не демпфируется и может достигать впечатляющих отклонений от указанного значения Xmax, если нажать слишком сильно. В заключение, используйте пассивный или активный фильтр, чтобы снизить вероятность повреждения динамика.

Демпфирующий материал. Как и в случае герметичных корпусов, демпфирующий материал может использоваться для уменьшения резонансов панели и стоячих волн. В отличие от герметичного корпуса, вы не забиваете коробку демпфирующим материалом, так как вы будете закрывать порт. Просто поместите 1-2 ″ абсорбирующего материала на стенки корпуса (на одной из противоположных сторон или на всех стенках).

Заключение

Конструкция АС с фазоинвертором, хотя и несложная в изготовлении, потребует немного больше времени на разработку. Тем не менее, мы расскажем больше о разработке блока фазоинвертора в будущей статье, потому что мы упомянули только основные принципы (проверьте настройки фазоинвертора). Это не должно мешать вам попробовать что-то более сложное. Строительство и проектирование герметичного корпуса довольно простое дело, и вам обязательно стоит начать с одного из них.Переносные коробки не так терпимы к ошибкам проектирования и сборки. Итак, когда вы готовы сделать шаг вперед и думаете, что вам нужны преимущества фазоинверторного сабвуфера, вам обязательно стоит попробовать.


Список литературы
  1. Поваренная книга по дизайну громкоговорителей, 7-е издание, автор Вэнс Дикасон (Audio Amateur Pubns, 2005).
  2. Аудио-эксперт: все, что вам нужно знать об аудио, Итан Винер (Focal Press, 2012).
  3. Источник изображения: ссылка.
.

Трубки и решетки порта фазоинвертора

Доступно только в Falcon Acoustics

Falcon Acoustics B110 и T27

Драйверы LS3 / 5a и запчасти доступны здесь

SEAS Назад Каталог, купленный Falcon

Редкие труднодоступные драйверы здесь

Отдельные крепления для трубок фазоинвертора и решетки громкоговорителей.Если нужный вам товар не отображается, напишите нам, мы вполне можем его получить.

  • 35mm Mini Bass Reflex Port Tube

    Искл. НДС: 3,45 фунтов стерлингов Вкл.НДС: 4,14 фунта стерлингов

  • 51mm Small Bass Reflex Port Tube

    Искл.НДС: 4,78 фунтов стерлингов Вкл. НДС: 5,74 фунтов стерлингов

  • 66mm Standard Bass Reflex Port Tube

    Искл.НДС: 3,80 фунтов стерлингов Вкл. НДС: 4,56 фунтов стерлингов

  • Loudspeaker Grill Mounts Monacor MBF-83  (heavy duty)

    Искл.НДС: 1,95 фунтов стерлингов Вкл. НДС: 2,34 фунта стерлингов

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о