Один из наиболее эффективных способов, который необходимо использовать для богатого и качественного баса – это добавление к уже существующей акустической системе сабвуфера. Именно сабвуфер и добавление фазоинвертора для сабвуфера позволяют значительно расширить и сделать богаче низкие частоты. В конечном итоге, это поможет не просто улучшить качество звучания звука, но и делать это вне зависимости от выбранной для прослушивания музыки.

На данный момент существует два варианта басов – гулкий бас и бас плотный. Выбирать устройство фазоинвертора для сабвуфера необходимо на основании предпочтений в музыке. На протяжении долгого времени на большом количестве форумов и Интернет-ресурсов обсуждались вопросы: что лучше использовать фазоинвертор для сабвуфера или закрытый корпус?

Одни уверены в том, что вентилируемые сабвуферы, или фазоинверторы необходимы только для того, чтобы улучшать звуковые эффекты, поэтому для музыки они годятся. Другие же уверены в том, что закрытые боксы отличаются большей музыкальностью, хотя им не хватает басов и глубины.

Оба вида сабвуферов – фазоинвертор и закрытый корпус, отличаются своими достоинствами и недостатками. Поэтому необходимо сделать выбор на основании плюсов и личных предпочтений в музыкальных жанрах.

Определение и особенности

Фазоинвертор – это тип акустической системы и ее оформление, которое объединяет в себе такие качества:

1. Высокое качество звука при воспроизведении.
2. Внушительная громкость.
3. Простота в эксплуатации и настройке фазоинвертора вне зависимости от модели и места расположения.
4. Небольшие размеры.

Принцип работы фазоинвертора

Фазоинвертор, как корпус с некоторыми отверстиями, позволяет воспроизводить действительно гулкие и громкие басы с хорошими, высокими энергическими показателями реверберации, чего не скажешь о закрытых боксах. Достигается такое высокое качество басов за счет негерметичного корпуса, а также отсутствия каких-либо средств дополнительной обработки звука.

Также в фазоинверторе отсутствует цифровой процессор, а это значит, что единственная особенность этой конструкции – это как раз использование негерметичного корпуса. В большинстве случаев негерметичность достигается тем, что в корпусе делается небольшое отверстие. В этом заключается главное отличие фазоинвертора от закрытых корпусов аудиосистем для транспортного средства.

Пускай у фазоинвертора очень простой и даже немного примитивный дизайн и внешний вид, однако эта простота никак не отображается и не связана с простотой настройки аппарата. Другими словами, в некоторых случаях бывает достаточно сложно правильно настроить фазоинвертор на сабвуфер для того, чтобы получить качественный, сбалансированный и красивый звук при проигрывании музыкальных композиций на выходе.

Главная хитрость фазоинвертора для сабвуфера и его настройки заключается в правильно выбранных габаритах корпусов, а также в правильном подборе отверстий в акустической системе для машины.

Вентиляционные отверстия, на основании использования которых и строится вся работа фазоинвертора, занимаются перенаправлением звуков из задней области конуса, одновременно с этим добавляя к этим звукам тот звук, который исходит от передней части конуса. На основании сочетания этих двух источников звучания при воспроизведении и получается сильно увеличить басы и их громкость.

Читайте также

Как сделать фильтр для сабвуфера своими руками

Подобная схема примечательна и полезна тем, что благодаря ее действию можно использовать очень скромный как по габаритам, так и по показателям внешний усилитель для того, чтобы на выходе получились отличные и качественные результаты звучания.

Еще одно интересное преимущество фазоинверторов, которое будет полезно потребителю, заключается в продолжительном сроке эксплуатации сабвуфера. Это происходит за счет потоков воздуха, охлаждающих динамики.

Основные преимущества и недостатки фазоинверторов

К основным преимуществам фазоинверторов для сабвуферов в транспортных средствах можно отнести следующие:

1. Уменьшение уровня и показателей вибрации и искажений диффузора.
2. Более качественный, четкий и приятный для человеческого восприятия звук. Правда, относится это не к каждому жанру и типу композиций, а к определенным разновидностям музыки. Из-за воздушных потоков, поступающих прямо в отверстие вентиляции, звук будет напоминать небольшой, едва слышимый свист. Этот свист очень похож на тот, который получается, когда человек дует на горлышко пустой бутылки.

К основным преимуществам фазоинверторов для сабвуферов в автомобилях можно отнести следующие:

1. Звуки при воспроизведении композиции, которые получаются при помощи вентиляционных каналов, могут стать причиной причинения вреда, а не пользы, но это относится не ко всем видам музыки, а только к некоторым из них. Как было отмечено выше, фазоинверторы – это тот комплекс в общей акустической системе транспортного средства, который не сможет подойти под абсолютно любую музыку.
2. Фазоинвертор — это достаточно чувствительный вид корпуса, а в особенности его чувствительность распространяется на изменения в климате. Больше всего работа фазоинвертора зависит от таких климатических показателей, как температурные показатели, а также уровень и процент влажности.
3. Фазоинвертор и тип корпуса, как ни странно, способствует физическому переутомлению человека.
4. Из-за постоянного высокого давления внутри корпуса фазоинвертора система должна быть очень прочной. Все это говорит о том, что ее сложнее делать и продавать, а себестоимость входит в итоговый ценник.

Что можно сказать о фазоинверторе?

Фазоинвертор в сабвуфере отличается расплывчатым басом, что понравится далеко не всем. С другой же стороны, если нужно, чтобы басы уходили «в землю», именно такая система акустики подойдет просто идеально.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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...

Акустическая система по-прежнему остается самым консервативным звеном в цепи звуковоспроизведения. В подавляющем большинстве моделей в качестве электроакустических преобразователей используются электродинамические головки. В них диффузор приводится в движение за счет взаимодействия тока, протекающего по звуковой катушке, с полем магнитной системы.

Звуковая волна, которую мы в результате и слышим, возникает благодаря колебанию конуса диффузора.

Для правильного воспроизведения требуется, чтобы для всех слышимых частот звуковое давление было одинаково. Однако если взглянуть на частотную характеристику громкоговорителя, свободно подвешенного в пространстве, то обнаружится, что при понижении частоты сигнала, начиная с некоторого ее значения, уровень давления будет плавно падать.

Принципиальная проблема всех громкоговорителей заключается в том, что они излучают звук как вперед, так и назад с одинаковой интенсивностью. Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью, и поскольку сами излучатели относительно малы по сравнению с длиной волны на низких частотах, излучение спереди и сзади от диффузора взаимно компенсирует друг друга. Этот эффект называется акустическим коротким замыканием.

На высоких частотах длина волны мала, и волна не успевает обогнуть головку за один период колебания, и излучаемая энергия увеличивается. Граничная частота, ниже которой эффективность головки падает, зависит от размеров диффузора и определяется конечным значением скорости звука в воздухе. Например, для головки диаметром 20 см спад начинается ниже одного 1 кГц. С уменьшением диаметра частота повышается.

Чтобы исключить акустическое замыкание, динамической головке создают акустическое оформление, то есть помещают в корпус. Самое простое оформление открытое, когда задняя стенка у прямоугольного корпуса просто отсутствует или представляет собой перфорированную панель.

У автономных акустических систем для высококачественного воспроизведения такое оформление не встречается, но у большинства телевизоров, переносных магнитол и радиоприемников акустическое оформление - открытое.

Основное достоинство такого оформления в том, что оно не повышает резонансной частоты головки, ниже которого головка просто не работает.

А самый серьезный недостаток - относительно большие размеры, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Характеристика акустики в области низких частот должна быть максимально гладкой, чтобы при воспроизведении импульсов, а музыка - это практически одни импульсы, не появлялось дополнительных призвуков и послезвучания.

Если произвести расчет объема акустической системы, то для современных головок он будет чрезмерно большим - порядка 150 литров, что абсолютно неприемлемо для современной квартиры по эстетическим соображениям.

Поскольку при колебании диффузора задняя сторона излучает половину акустической мощности, а в закрытой акустике эта мощность пропадает, интересно попытаться ее использовать. Для этого нужно найти способ изменить фазу звуковой волны от задней стороны на противоположную, и тогда при достижении плоскости передней панели произойдет акустическое сложение, а не вычитание. Решение было предложено очень давно (еще в 1937 году) и получило название акустического оформления с фазоинвертором.

Однако монополию открытых систем нарушило сначала закрытое акустическое оформление, когда головка помещалась в закрытый корпус.

Пионером такой конструкции принято считать Acoustic Research, выпустившую в 50-х годах прошлого века первую закрытую акустическую систему AR1. А ее двухполосная система AR2a (появилась в 1957 году) считается родоначальницей всей полочной акустики.

Современный громкоговоритель - крайне неэффективное электродинамическое устройство. Он преобразует в зависимости от конструкции в акустическую мощность только от 0,25 до 2,5% подводимой электрической мощности.

Остальная мощность выделяется в виде тепла.
Для закрытых систем крутизна спада ниже частоты резонанса составляет 12 дБ на октаву. Такой спад можно частично компенсировать расположением акустической системы в помещении относительно стен.

Кроме того, регуляторы тембра, выполненные по классической схеме, имеют характеристику с таким же наклоном и также позволяют компенсировать спад АЧХ в области НЧ.

Однако подъем более чем на 6 дБ невозможен, поскольку при дальнейшем увеличении вступает в силу фактор максимальной подводимой мощности, превышение которой может вызвать механическое разрушение головки из-за перегрева звуковой катушки. Поэтому максимальная подводимая мощность оказывается одним из главных параметров, определяющих низкочастотную границу воспроизводимых акустической системой частот.

Простейший конструктивный вариант фазоинвертора - это отверстие (порт). Однако на практике такое решение используется редко. Поскольку параметры воздуха зависят от атмосферных условий (температуры и влажности), то порт можно закрыть пассивным радиатором. Но значительно чаще фазоинвертор выполняется в виде трубы. В этом случае, кроме головки и воздуха в корпусе, добавляется еще и объем воздуха в трубе.

Другой способ заставить работать звуковой фронт, излучаемый задней стороной диффузора, - это лабиринт, изогнутый вариант длинной линии. Но такая конструкция получается очень сложной, особенно если учесть, что общая длина лабиринта получается более двух метров, а значит, дорогой.

Порт фазоинвертора может располагаться как на передней стенке корпуса (что более правильно), так и на задней. Для напольных моделей встречается и донный вариант, когда порт работает в пол. Понятно, что полочную акустику с портом на задней стенке нельзя устанавливать на полку (отверстие фазоинвертора будет закрыто, и он не будет работать), а только на подставки. При этом теряется вся прелесть ее компактности.

Несмотря на широкое распространение акустического оформления с фазоинвертором (если посмотреть наши тесты за последние два года, то едва ли не единственной акустической системой с закрытым оформлением окажется полочная Yamaha NS-6940), оно имеет ряд недостатков.

Основная проблема оформления с фазоинвертором - это увеличение коэффициента нелинейных искажений на низких частотах по сравнению с закрытыми системами. Поскольку все результаты измерений акустических систем опубликованы в журнале, то можно легко оценить уровень КНИ в области работы фазоинвертора.

Современные акустические системы строятся исходя не из законов физики, а в угоду требованиям моды интерьерного дизайна. Для качественного (в первую очередь без искажений) воспроизведения низких частот нужна головка с большим диффузором, размещенная в ящике большого объема.

Снижение граничной частоты акустической системы на треть октавы в области 50 Гц потребует удвоения объема корпуса. Это, собственно, и имеет место в столь многочисленных ныне сабвуферах. Последний пример - новый сабвуфер фирмы Cabasse.

Еще одна особенность фазоинвертора - акустический шум. Причина в возникновении завихрений на выходе из порта. Существенно снизить шум путем выравнивания потока на выходе можно, изменив форму раскрыва трубы фазоинвертора. Специальные меры для создания нешумящих портов применяют многие изготовители акустики, среди которых B&W, JBL, Infinity, Polk и другие.

Можно высказать еще одно предположение, почему получили распространение малогабаритные АС с фазоинвертором.

Поскольку большинство из них воспроизводит не музыкальные звуки, а низкочастотные эффекты, без которых немыслим домашний кинотеатр, то их специфический окрас (за счет относительно больших искажений в НЧ-области) придает их звучанию неестественную сочность и гипертрофированную живость. Это то и делает их более привлекательными если не в глазах (или, точнее, ушах) покупателей, то в умах маркетологов фирм-призводителей и продавцов.

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.