Магические формулы

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

где Fb - частота настройки в Гц, с - скорость звука, равная 344 м/с, S - площадь тоннеля в кв. м, L - длина тоннеля в м, V - объем ящика в куб. м. = 3,14, это само собой.

Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объем ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Все, казалось бы, дело сделано. Приступаем. Пусть у нас есть ящик объемом 50 литров. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведенной формуле частота настройки 50 Гц получится, если длина тоннеля будет равна 12,05 см. Аккуратно изготавливаем все детали, собираем их в конструкцию, как на рис. 2, и для проверки измеряем реально получившуюся резонансную частоту фазоинвертора. И видим, к своему удивлению, что она равна не 50 Гц, как полагалось бы по формуле, а 41 Гц. В чем дело и где мы ошиблись? Да нигде. Наш свежепостроенный фазоинвертор оказался бы настроен на частоту, близкую к полученной по формуле Гельмгольца, если бы он был сделан, как показано на рис. 3. Этот случай ближе всего к идеальной модели, которую описывает формула: здесь оба конца тоннеля «висят в воздухе», относительно далеко от каких-либо преград. В нашей конструкции один из концов тоннеля сопрягается со стенкой ящика. Для воздуха, колеблющегося в тоннеле, это небезразлично, из-за влияния «фланца» на конце тоннеля происходит как бы его виртуальное удлинение. Фазоинвертор окажется настроенным так, как если бы длина тоннеля была равна 18 см, а не 12, как на самом деле.

Заметим, что то же самое произойдет, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, снова совместив один его конец со стенкой (рис. 4). Существует эмпирическая зависимость «виртуального удлинения» тоннеля в зависимости от его размеров. Для круглого тоннеля, один срез которого расположен достаточно далеко от стенок ящика (или других препятствий), а другой находится в плоскости стенки, это удлинение приблизительно равно 0,85D.

Теперь, если подставить в формулу Гельмгольца все константы, ввести поправку на «виртуальное удлинение», а все размеры выразить в привычных единицах, окончательная формула для длины тоннеля диаметром D, обеспечивающего настройку ящика объемом V на частоту Fb, будет выглядеть так:

Здесь частота - в герцах, объем - в литрах, а длина и диаметр тоннеля - в миллиметрах, как нам привычнее.

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

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

Первые трудности

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

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

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

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

Простое решение для небольших проблем

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

Среднее решение для проблем побольше

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

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

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

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

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

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

Экстремальное решение для больших проблем

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

Что означают размеры в таблицах 3 и 4, станет ясно из рис. 13. D и d - это диаметр цилиндрической секции и наибольший диаметр конической секции, соответственно, L1 и L2 - длины секций. Lmax - полная длина тоннеля в форме песочных часов, приводится просто для сравнения, насколько короче его удалось сделать, а вообще, это L1 + 2L2.

Технологически песочные часы круглого поперечного сечения делать не всегда просто и удобно. Поэтому и здесь можно выполнить его в виде профилированной щели, получится, как на рис. 14. Для замены тоннеля диаметром 80 мм я рекомендую высоту щели выбрать равной 50 мм, а для замены 100-миллиметрового цилиндрического тоннеля - равной 60 мм. Тогда ширина секции постоянного сечения Wmin и максимальная ширина на входе и выходе тоннеля Wmax будут такими, как в таблице (длины секций L1 и L2 - как в случае с круглым сечением, здесь ничего не меняется). Если понадобится, высоту щелевого тоннеля h можно изменить, одновременно скорректировав и Wmin, Wmax так, чтобы значения площади поперечного сечения (h.Wmin, h.Wmax) остались неизменными.

Вариант фазоинвертора с тоннелем в форме песочных часов я применил, например, когда делал сабвуфер для домашнего театра с частотой настройки 17 Гц. Расчетная длина тоннеля получилась больше метра, а рассчитав «песочные часы», я смог сократить ее почти вдвое, при этом шумов не было даже при мощности около 100 Вт. Надеюсь, вам это тоже поможет...

Ну как, нашли подсказку, на которую я намекал в прошлом выпуске? Там было насчёт «баса народа»…

На службе народу

Ладно, раз не нашли, сейчас помогу. Весной 2006 года мы с вами общими усилиями (один я бы не справился) пришли к очень благоприятному для себя заключению: при правильном выборе динамика и верном расчёте объёма закрытый ящик может обеспечить в салоне автомобиля абсолютно, незыблемо ровную АЧХ. Ровную и простирающуюся в область низких частот настолько, насколько немыслимо этого достичь в домашнем аудио, ни за какие деньги. Всё, что для этого надо сделать - устроить так, чтобы АЧХ сабвуфера в открытом пространстве начала спадать примерно (или точно) там же, где начинается подъём на волшебной кривой передаточной функции салона. Двигая этой частотой вверх или вниз по оси частот, мы можем получить некоторый подъём на АЧХ или, наоборот, пострадать от некоторого спада по отношению к средним частотам, но в одном можно быть уверенным: уровень звукового давления, создаваемый в салоне машины сабвуфером в закрытом ящике ниже 50 - 60 Гц, не начнёт падать до самых низких, инфразвуковых частот, да и там это произойдёт не из-за него, а из-за нежёсткости и негерметичности кузова. Это было весной, и это, можно считать, были хорошие новости.

Зимой, а точнее - в прошлом номере, мы с той же неумолимостью пришли к выводу: сабвуфер-фазоинвертор ни при каких реально возможных обстоятельствах такой благодати во всей полосе низких частот обеспечить не может. Фазоинвертор придумали чёрт знает когда нарочно для расширения полосы воспроизводимых частот вниз, а у нас, в машине, это не актуально в силу той же самой передаточной функции. Это вроде бы новость плохая.

Однако тут же на реальном примере мы убедились: полосу частот в машине фазоинвертор не расширит, зато способен существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подведенной к сабвуферу мощности. Опять хорошая новость. Итого: две хорошие на одну плохую, счёт в нашу пользу. Но как же всё-таки быть с врождённой неравномерностью АЧХ фазоинвертора? Вот про это и была подсказка, которую вы не нашли.

Чтобы не искать: вот результаты обобщения десятков реально построенных и успешно работающих аудиосистем. Верхний график - чего хотят чемпионы, нижний - что предпочитает просто любитель музыки в автомобиле. Во избежание недоразумений подчеркнём: во всех случаях речь идёт о серьёзных, порой очень недешёвых системах

Кто далёк от народа?

Тогда же, погожей весной 2006 года, мы прошерстили данные рубрики «Системы» на предмет выяснения: какую басовую АЧХ желает иметь народ в своём автомобиле, потратившись на установку руками профессионалов. И выяснили: есть два довольно непохожих типа баса. Один можно наблюдать (вернее - слышать) в машинах, получивших самые высокие оценки на соревнованиях самого высокого уровня. Вот именно так: самые и на самых. В таких машинах басовая частотная характеристика очень напоминает АЧХ дорогой (или очень дорогой) домашней акустики. Обобщённо: ровный, с минимальными отклонениями от горизонтали «стол» до самого низа. Если же взять статистику по обычным, для повседневного использования, автомобилям, там кривая будет существенно другая: с довольно явственно прорисованным подъёмом на басах, максимум которого приходится на 40 Гц.

Почему чемпионы оказались дальше от народа, чем мы ожидали? Да нет, они - из наших, просто на соревнованиях машину слушают на месте и, кроме специальных случаев, при заглушенном двигателе. Это, по существу, воспроизведение домашних условий в салоне, отсюда и уже отмеченное сходство. Но стоит запустить двигатель и куда-нибудь отправиться (а, говорят, автомобиль для этого и предназначен), требования к басам резко меняются, уровень низкочастотного шума в салоне даже дорогого автомобиля неожиданно высок, но воспринимается ухом совсем не так, как шумы на средних частотах. Кажется, что в машине тихо, но почему-то басовые звуки музыкального сопровождения поездки как будто затихают - так наш слух адаптируется к постоянно действующей низкочастотной помехе. Басы надо поднимать, и в этом случае не так страшно, если подняты они окажутся не все сразу, а только до какой-то частоты, в реальных фонограммах содержание информации ниже 30 Гц крайне невелико.

Отсюда и столь любимая в народе форма басовой АЧХ. Отсюда же - крайняя полезность для автомобильной акустики замечательного изобретения, сделанного в первой трети прошлого века.

Упрощённые до прямолинейности графики происходящего в салоне машины, когда туда помещают сабвуфер. Верхний вы уже видели: это - результат идеально аудиофильской настройки сабвуфера типа ЗЯ. Его АЧХ «на свободе» начинает спадать именно там и именно с таким наклоном, с каким её поднимает передаточная функция салона. Итог - неколебимая прямая и призовой кубок.

Смотрите, что пришло

Вновь повторим иллюстрацию к одному из прошлых выпусков: название серии это не только допускает, но и требует. Вот схема, лежащая в основе «рецепта чемпионов». Предельно упрощённая, но все упрощения мы оговорим. Если согласиться с тем, что на нижней граничной частоте АЧХ сабвуфера в закрытом ящике резко, изломом, начинает катиться вниз, а на этой же частоте передаточная функция заворачивает вверх, то результирующая характеристика будет по-чемпионски горизонтальной. Вы правы, природа не терпит изломов, реально кривые будут загибаться плавно, одна вниз, другая - вверх, но при выполнении некоторых условий (которые мы обсуждали) результат будет таким же: ровная АЧХ до неслышимых границ. Теперь с такими же условностями нарисуем, что произойдёт, если вместо закрытого ящика мы построим фазоинвертор. Для большей ясности давайте сначала его построим плохо и неправильно. Это значит: запомнив из материалов про «простые числа», сулящие небесные характеристики ЗЯ (№4/2006), что резонансная частота динамика в этом виде оформления должна выбираться близкой к частоте перегиба кривой передаточной функции, настроим на эту частоту и вновь сооружаемый ФИ. Это на практике означает настройку герц эдак на 60 - 70. Что произойдёт? А ничего хорошего, АЧХ фазоинвертора, как уже говорилось, ниже частоты настройки падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика, 24 дБ/окт. вместо 12. Передаточная функция салона про это ничего не знает и по-прежнему обеспечивает подъём АЧХ в присущем ей темпе: 12 дБ/окт. Результатом станет «дефицит бюджета», ниже частоты настройки результирующая АЧХ пойдёт вниз с наклоном 12 дБ/окт. Зачем надо было вертеть дыру в ящике, чтобы такое получить? И верно, незачем, но мы ведь нарочно начали с плохого фазоинвертора, чтобы лучше вышел хороший.

Второй график - пример неуместного переноса этого же подхода на фазоинвертор. Его собственная АЧХ спадает ниже частоты настройки с наклоном уже 24 дБ/окт., передаточная функция наполовину скомпенсирует только крутизну спада, но он начнётся с той же недопустимо высокой частоты.

Выбросим сделанное ранее (слава богу, мысленно) и построим другой ФИ, у которого частота настройки существенно ниже частоты перегиба передаточной функции. Теперь происходит следующее: начиная с некоторой частоты передаточная функция салона начинает поднимать звуковое давление внутри, ведь АЧХ сабвуфера в свободном пространстве пока горизонтальна. Когда же частота (мы идём сверху вниз, разумеется) достигнет частоты настройки, АЧХ самого сабвуфера пойдёт вниз с наклоном 24 дБ/окт., на 12 дБ/окт. её «выправит» передаточная функция, итог - падение отдачи ниже частоты настройки, как у закрытого ящика в комнате.

А теперь посмотрите, что происходит между этими двумя частотами: пока не началось падение АЧХ, фазоинвертор успел набрать изрядный запас звукового давления. То, что в нашей упрощённой схеме выглядит эдаким домиком, на самом деле реализуется в виде плавных кривых, в общем случае похожих именно на форму АЧХ «народного баса». Остаётся самая малость - реализовать это на практике, где прямых и ломаных нету…

Идеализация реальной настройки ФИ: его звёздный час приходится на диапазон между точкой перегиба кривой передаточной функции и частотой настройки. Чем шире разнесены эти две частоты, тем больше простора для басового «домика».

Основной принцип, вытекающий вовсе не из науки, а из самой приземлённой практики, вы уже можете вывести сами. Если большинство населения делает (или принимает сделанную для них) АЧХ сабвуфера в виде горба с центральной частотой около 40 Гц, то зачем нам идти против народа? Исходя из приведенной схемы, самым первым, даже нулевым приближением рецепта оптимального автомобильного (только автомобильного) фазоинвертора будет настройка его на частоту 40 плюс-минус 5 Гц. На передаточную функцию мы никак повлиять не можем, она определит, где начинается подъём АЧХ. А её спад, а следовательно, и максимум придутся по нашей модели на частоту настройки ФИ. И всё? Вновь «простые числа»? Увы, нет. Совсем простых чисел для фазоинвертора не придумано. Но кое-что упростить всё же можно.

Свобода в степени

Действительно, был ящик, стал ящик с тоннелем, почему нельзя и в этом случае обойтись простыми рецептами? Дело в числе переменных, определяющих характеристики фазоинвертора как колебательной системы. Если в случае закрытого ящика мы имели дело с системой с одной степенью свободы, то у ФИ этих степеней две. Численно разница невелика, но для того, чтобы представить, насколько сложнее при этом становятся повадки системы, воспользуемся такой иллюстрацией, вам предстоит либо представить себе не раз виденные предметы в определённом сочетании, либо, если нет иного занятия, взять и в самом деле построить несложную экспериментальную установку. Первая её часть - банальный маятник, да хоть груз на верёвке. Всё, что он умеет - качаться туда-сюда, движения его предсказуемы до неинтересности. У маятника степень свободы - одна, его состояние в любой момент времени исчерпывающим образом определяется углом отклонения от положения равновесия. Теперь замените верёвку резинкой. Степеней свободы, то есть не зависящих друг от друга координат, определяющих состояние такой, с позволения сказать, системы, стало две: угол качания и степень растяжения резинки. Отклоните теперь такой маятник в сторону, одновременно растянув резинку. Если вы правда не видели, что после этого начнётся, не пожалейте времени и галантереи и проведите опыт: вместо банального раскачивания груз будет выделывать в воздухе трудноописуемые и нелегко прогнозируемые кульбиты.

Примерно в той же мере поведение ФИ отличается от предсказуемого ЗЯ. У динамика по-прежнему три параметра, один из которых, эквивалентный объём, сейчас менее важен, потому что определяет масштабный фактор, а не процесс колебаний, а два других, резонансная частота и добротность, по-прежнему важны. Но у акустического оформления параметров стало вдвое больше: объём ящика и частота настройки тоннеля. В каком соотношении эти четыре величины должны находиться, чтобы мы не оказались разочарованы результатами? Серьёзные исследования работы фазоинвертора породили не одну диссертацию и множество классических научных статей, но у нас задача иная, поэтому попытаемся дать практические ориентиры, не вдаваясь в подробности, почему они именно таковы.

Ведь смотрите: считать ФИ всё равно предстоит с помощью компьютерной программы, причём с вероятностью 99% это будет BassBox или (что то же самое) JBL Speaker Shop, эти некогда коммерческие продукты сейчас расползлись по миру в таком количестве, что не найти очередную копию себе сможет только очень ленивый. Но печка, от которой танцевать, даже при наличии испытанного софта, всё же нужна.

Общее правило: чем просторнее корпус ФИ, тем выше (но тем и острее) будет горб акустического усиления

В достаточно просторных корпусах, которые, будь они закрытыми, приводили бы к низким значениям полной добротности динамика в оформлении, пик отдачи ложится на частоту настройки

В корпусах тесных, в том числе - оптимальных в роли ЗЯ для данного динамика, АЧХ имеет максимум выше частоты настройки, при совсем заниженном объёме характеристика приобретает двугорбую форму, а выгода от использования ФИ сходит на нет

Неспортивное ориентирование

Итак, ориентир первый, уже относительно понятный из сравнения практической, «целевой» формы АЧХ, полученной обобщением практики, и упрощённой картинки, иллюстрирующей происходящее в салоне. Если мы хотим, чтобы на АЧХ возник подъём с максимумом в районе 40 Гц, на этой частоте и должен начаться спад АЧХ сабвуфера в свободном пространстве (в комнате или на улице - всё равно, важно, что не в салоне). Эта частота в первом приближении - частота настройки тоннеля. Та же практика демонстрирует со всей очевидностью: во всех удачных аудиосистемах, где используется сабвуфер в фазоинверторном оформлении, частота настройки приходится на диапазон 30 - 40 Гц. В этом же коридоре находятся обычно значения частоты настройки фазоинверторов, рекомендуемых для своих сабвуферов изготовителями. За исключением особых случаев спортивного применения, мы сейчас не об этом. Глядя на условно-упрощённую диаграмму, вы можете сообразить, что при прочих равных чем ниже будет частота настройки ФИ, тем выше успеет забраться АЧХ в салоне, прежде чем начнёт падать с тем же наклоном. Это вы можете увидеть и по фактическим материалам: загляните в какой-либо из наших тестов корпусных сабвуферов и сравните частоту настройки тоннеля (для тех, у кого он есть) с положением максимума звукового давления, зафиксированного при измерениях в салоне.

Однако положение горба по частоте - одно, а высота его - другое. Как добиться желаемого плавного подъёма басов в разумно широкой полосе частот, чтобы АЧХ не стояла домиком, как одеяло у первогодка? Свои ориентиры есть и для этого. Общее правило: при прочих равных (мы всё время делаем эту оговорку, и понятно почему - из-за возросшего числа переменных) подъём АЧХ вблизи частоты настройки будет тем выше и острее, чем больше объём ящика ФИ. Как выбрать первое приближение объёма? Есть простой (наконец-то) рецепт, за которым, правда, стоят далеко не простые умозаключения классиков современной электроакустики. Возьмите такой объём, который, если бы он был закрытым ящиком, дал бы значение полной добротности головки в оформлении, равное примерно 0,55 - 0,6. Именно в силу этого оптимальный объём ФИ в подавляющем большинстве случаев больше, чем оптимальный ЗЯ для этого же динамика, ведь ЗЯ рассчитывается исходя из результирующей добротности 0,7, а то и выше.

При таком объёме (а здесь играет роль, разумеется, не столько абсолютное значение объёма, сколько его отношение к величине эквивалентного объёма динамика Vas) можно рассчитывать на корректную работу получившегося акустического оформления во-первых и на то, что максимум отдачи будет находиться вблизи частоты настройки - во вторых. Нужен более высокий, пусть и более «домиком», подъём АЧХ - увеличивайте объём. Нужен подъём ниже, но более плавный и в более широкой полосе частот - уменьшайте объём, только заранее будьте готовы к двум вещам: вместе со сглаживанием максимума он с уменьшением объёма будет стремиться переехать выше по частоте, и уже не будет строго соответствовать частоте настройки порта, а когда объём достигнет значения оптимального для этого динамика закрытого ящика, с очень большой вероятностью АЧХ приобретёт довольно неуклюжую седловидную форму, при этом акустическое усиление, тот самый горб, который мы пытаемся построить, в большинстве случаев сойдёт на нет.

Впрочем, прежде чем начать опыты с подбором (а по-другому не получается, с одного клика ФИ рассчитать не удавалось ещё никому) объёма и настройки, надо определиться с динамиком. Здесь нам будет необходимо, увы, разрушить одно заблуждение.

Вновь на арене EBP

Мы уже говорили об этой величине, сокращённое имя которой расшифровывается как Energy Bandwidth Product. Этой величиной, численно равной отношению частоты резонанса динамика к его полной добротности, мы уже пользовались при выборе динамика для ЗЯ. Но задолго до нас, уже который год ею призывают пользоваться для сортировки динамиков на предназначенные для закрытых ящиков и просящиеся в фазоинвертор. Принято считать, что, если эта величина меньше 50, динамик предназначен только для ЗЯ. Если больше 100 - только для ФИ, между этими двумя значениями простирается некая сумеречная зона, где может оказаться и так и эдак.

Опыт показывает относительную малую полезность этого показателя для подбора оформления автомобильных сабвуферов, хотя идея в принципе здравая. Малая EBP означает: резонансная частота низкая, добротность относительно высокая, что свидетельствует о тяжёлой подвижной системе, а по канону такой динамик, действительно, идёт в ЗЯ. Большое значение EBP говорит о лёгкой «подвижке», на таких головках, действительно, получаются отличные фазоинверторы, но… дома.

У нас, во-первых, огромное, подавляющее число сабвуферных головок имеют значение параметра EBP в диапазоне 50 - 80, что для пессимиста означает неопределённость, а для оптимиста - свободу выбора. Во-вторых, и это уже из практики, не получаются в машине хорошие ФИ на динамиках с канонически хорошими для этого показаниями. Фазоинвертор на динамике с малой добротностью (а так и оказывается, если EBP переваливает за сотню) в свободном пространстве покажет ровную АЧХ со своеобразным, возможно, поведением вблизи нижней граничной частоты, в машине это своеобразие сложится с передаточной функцией и породит, почти без исключений, довольно уродливую характеристику.

Вклад в относительное развенчание «энергетического продукта» внесли и наши испытатели, проведя исследование на реальных образцах сабвуферных головок. Результат был таков: при значении EBP около 50 (по канону - в ЗЯ, и без разговоров) есть шанс получить очень неплохое акустическое усиление в ФИ с сохранением пристойной формы АЧХ, при 90 (по канону уже просится в ФИ) выигрыш в отдаче падает ниже 3 дБ, зачем, спрашивается, париться? Так что для нашего брата получается всё почти наоборот: наиболее эффективные ФИ выходят на базе наиболее «ящичных» головок. Так уж у нас всё устроено…

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

Толщина имеет значение

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

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

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

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

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

Длина имеет значение

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

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

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

Калибр имеет значение

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

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

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

Форма имеет значение

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

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

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

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

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

Сечение имеет значение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Экзотические, отчаянные решения: свернуть тоннель спиралью или винтом

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

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

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

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

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

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

Виды акустических систем

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

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

Принцип работы устройства

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

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

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

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

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

Расчёт низкочастотного туннеля

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

Простая формула для вычисления

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

F = (C/2 π) * K, где:

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

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

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

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

В зависимости от исполнения корпуса акустические системы разделяют на несколько типов по их акустическому оформлению. Самым простым акустическим оформлением является герметично закрытый корпус акустической системы, который так и называют - акустическая система закрытого типа. Преимуществом такого типа корпуса являются простота и хорошие переходные характеристики акустической системы, недостатком - сложность получения достаточно низкой граничной рабочей частоты.

Причина этого уже упоминалась выше и заключается в том, что общая упругость системы повышается, а это приводит к увеличению частоты НЧ-резонанса низкочастотного громкоговорителя, установленного в закрытом корпусе АС. Соответственно повышается нижняя граничная частота диапазона рабочих частот акустической системы и уменьшается уровень ее звукового давления на низких частотах: прощай, глубокий бас.

Этот недостаток акустического оформления во многом удалось преодолеть в акустических системах с фазоинвертором. Внешне акустические системы этого типа отличаются от закрытых акустических систем наличием у них на передней (или задней) стенке выходного отверстия (порта) фазоинвертора, соединяющего внутренний объем акустической системы с внешним миром.

Таким образом, фазоинвертор - это сочетание геометрических размеров внутреннего объема и трубы, обеспечивающее заданную резонансную частоту системы. Зачем это сделано и что это дает? Оказывается, столь простое конструктивное решение («дырка от бублика») позволяет существенно понизить нижнюю граничную частоту акустической системы и заметно увеличить уровень ее звукового давления на низких частотах. Фазоинвертор - устройство, преобразующее входной сигнал в два сигнала, сдвинутых по фазе на 180°. В акустике фазоинвертор - это труба в корпусе акустической системы, обеспечивающая расширение НЧ-диапазона за счёт резонанса этой трубы на частоте ниже воспроизводимой громкоговорителем.

Механизм работы фазоинвертора заключается в том, что специально рассчитанный акустический резонатор-фазоинвертор производит инверсию (переворот) фазы звуковой волны, излучаемой тыльной стороной диффузора. Эта перевернутая звуковая волна с выхода фазоинвертора суммируется со звуковой волной от фронтальной поверхности диффузора, что и приводит к существенному увеличению уровня звукового давления громкоговорителя на частоте настройки фазоинвертора. Достоинства этого типа акустического оформления хорошо известны, недаром сегодня по крайней мере 9 из 10 акустических систем, выпускаемых в мире, имеют фазоинвертор.

Судите сами: при равных размерах корпуса закрытой и фазоинверсной АС акустические системы с фазоинвертором имеют в 1,26 раза меньшую нижнюю граничную частоту при равном КПД для обоих типов систем. Если же сконструировать оба типа АС так, чтобы у них были одинаковые размеры корпуса и равные нижние граничные частоты, то акустическая система с фазоинвертором будет иметь на 3 дБ больший КПД, чем конкурирующая «закрытая» акустическая система.

Наконец при одинаковых КПД и нижней граничной частоте акустическая система с фазоинвертором будет иметь существенно меньшие размеры по сравнению с АС закрытого типа. Однако справедливости ради стоит отметить, что за все хорошее в жизни надо платить, и акустические системы фазоинверторного типа не являются в этом смысле исключением.

Расплатой за вышеупомянутые преимущества этого типа акустического оформления являются ухудшение (по сравнению с АС закрытого типа) переходных характеристик и усложнение согласования АС с усилителем. Фазоинвертор «живет» своей жизнью, время нарастания фронта звукового сигнала и длительность затухания его свободных колебаний определяется только акустической добротностью фазоинвертора. Субъективно это проявляется, например, в «бухающем» звуке большого барабана, глухом звуке литавр, в размытости щипка струны контрабаса и т.д.

Однако в массовых моделях акустических систем преимущества от применения фазоинвертора перевешивают его недостатки, так как существенно улучшают глубину звучания басов. Поэтому сегодня акустические системы этого типа составляют львиную долю выпуска в производственных программах ведущих мировых «акустических» фирм. Разновидностью акустического оформления АС типа «фазоинвертор» являются акустические системы с пассивным излучателем (называемые также системами с «пассивным радиатором"). В акустических системах этого типа для повышения уровня звукового давления на низких частотах используется пассивный излучатель, представляющий собой часть низкочастотного громкоговорителя без звуковой катушки и магнитной системы.

Принцип действия этого излучателя подобен работе фазоинвертора, так как он также производит инверсию фазы излучения звуковой волны от тыльной стороны диффузора. Путем изменения массы диффузора частота резонанса пассивного излучателя настраивается на нижнюю рабочую частоту низкочастотного громкоговорителя. Ну, а дальше вес очень просто: звуковая волна от пассивного излучателя суммируется с излучаемой низкочастотным громкоговорителем звуковой волной, что существенно повышает уровень звукового давления акустической системы на нижних частотах. Что и требовалось доказать. Остается добавить, что в акустических системах обычно имеется один порт фазоинвертора, хотя могут быть и двухпортовые, и трехпортовые фазоинверторы.

Часто порт фазоинвертора выводится на переднюю панель акустической системы, хотя целый ряд фирм выводят фазоинверторы на заднюю стенку АС. Наконец, некоторые фирменные модели имеют выходное отверстие фазоинвертора... на дне корпуса (Castle Acoustics, Mission или серия RT фирмы Polk Audio). Преимуществом фронтального расположения порта фазоинвертора является меньшая критичность таких акустических систем по отношению к стенам помещения, так как для нормаль ной работы АС с задним расположением фазоинвертора требуется обеспечить расстояние от задней панели АС до стен помещения порядка 25-100 см.

Кроме рассмотренных выше, существуют и другие типы акустического оформления АС, которые, однако, распространены существенно меньше. Английская фирма TDL Electronics, например, является верной поклонницей АС с акустическим оформлением типа «лабиринт». Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный звуковод - лабиринт, длину которого выбирают равной примерно половине длины волны на нижней граничной частоте системы. Благодаря этому излучение из выходного отверстия лабиринта будет совпадать с акустическими колебаниями от передней стороны диффузора головки.