Как лучше рассчитать фазоинвертор для акустической системы

«Колонкостроительством» я начал заниматься ещё в начале 80-х. Вначале это был просто «динамик в ящике», но затем, конечно, я принялся изучать влияния параметров ящика (и фазоинвертора) на звучание динамика.

Попав на этот автомобильный сайт, я увидел много «сабвуферостроителей», и был сильно поражён, что для подавляющего большинства это просто «динамик в ящике», и чем больше размер динамика и ящика, тем лучше. Да, в некоторой степени, для закрытого ящика это верно. Но никак не для фазоинвертора…

Фазоинвертор требует тщательной настройки. А что мы видим на практике? В качестве фазоинвертора люди монтируют канализационные трубы непонятной длины, делают «щелевые фазоинверторы» по образу: «по этим отличным размерам Петя делал», ставят при этом совсем другой динамик. Тот, кто не может сделать по нормальному – изготавливает закрытый ящик (и правильно делает!).

Конечно же, есть такие отличные программы для моделирования акустики, к примеру, JBL SpeakerShop. Но они потребуют от вас введения множества исходных параметров. И даже зная эти параметры, расхождение в реальности получится, просто большое (динамик окажется совсем другой, короб немного различается по размерам, наполнителя не знаем, сколько нужно, фазоинверторная труба немного другая и т.п.)

Есть простой метод для настройки фазоинвертора, при которой не потребуется знать правильные исходные данные для ваших динамиков, ящиков, а также не требуются сложные измерительные приборы или математические расчёты, а также не потребуются очень сложные измерительные приборы или же расчёты математические. Скажу проще, всё уже было давно продумано и проверено на практике!

Методика настройка фазоинвертора, даёт погрешность 5%. И существует более 30-ти лет. Я ей пользовался еще, будучи школьником.

Для начала, нужно разобраться, чем ящик с фазоинвертором отличается от закрытого ящика?

Каждый динамик, как механическая система, обладает собственной резонансной частотой. Выше этой частоты динамик звучит «довольно гладко», а вот ниже – уровень, создаваемого им звукового давления, падает. Причём падает со скоростью 12 дБ на октаву (т.е. в 4 раза на двукратное снижение частоты). За «нижнюю границу воспроизводимых частот» принято считать частоту, на которой уровень падает на 6 дБ (т.е. в 2 раза).

АЧХ динамика в открытом пространстве

Установив динамик в ящик, его резонансная частота немного повысится, из-за того, что к упругости подвеса самого диффузора добавится упругость сжимаемого в ящике воздуха. Подъём резонансной частоты неминуемо «потянет за собой» вверх и нижнюю границу воспроизводимых частот. Чем меньше объём воздуха в ящике, тем выше его упругость, и, следовательно, выше резонансная частота. Отсюда и возникает желание «сделать ящик побо-о-о-ольше».

Жёлтая линия – АЧХ динамика в закрытом ящике

Сделать ящик «побольше» в некоторой степени можно не увеличивая его физические размеры. Для этого ящик заполняют демпфирующим материалом, например, ватой. Не будем вдаваться в физику этого процесса, но по мере увеличения количества такого наполнителя, резонансная частота динамика в ящике понижается (увеличивается «эквивалентный объём» ящика). Если же наполнителя будет слишком много, то резонансная частота начинает повышаться снова.

Опустим влияние размеров ящика на другие параметры, такие как добротность. Оставим это опытным «колонкостроителям». В большинстве практических случаев, из-за ограниченного пространства, объём ящика получается довольно близкий к оптимальному (мы же не строим колонки размером со шкаф). И смысл статьи, не загружать вас сложными формулами и расчётами.

Отвлеклись. Ну, с закрытым ящиком теперь всё ясно, а что же даёт нам фазоинвертор? Фазоинвертор – это «труба» (не обязательно круглая, может быть и прямоугольного сечения и узкая щель) причём определённой длины, которая совместно с объёмом воздуха в ящике обладает собственным резонансом. На этом «втором резонансе» поднимается звуковая отдача колонки. Необходимо выбрать частоту резонанса немного ниже частоты резонанса динамика в ящике, т.е. в той области, где у динамика начинается спад звукового давления. Таким образом, там, где у динамика начинается спад, возникает подъём, который в какой-то степени этот спад компенсирует, расширяя нижнюю граничную частоту воспроизводимых частот.

Красная линия – АЧХ динамика в закрытом ящике с фазоинвертором

Кстати, ниже частоты резонанса фазоинвертора спад звукового давления будет круче, чем у закрытого ящика и составит 24 дБ на октаву.

Следовательно, фазоинвертор позволяет расширить диапазон воспроизводимых частот в сторону нижних частот. Так как же выбрать частоту резонанса фазоинвертора?

Если частота резонанса фазоинвертора будет выше оптимальной, т.е. она будет находиться близко к резонансной частоте динамика в ящике, то мы получим «перекомпенсацию» в виде выпячивающегося горба на частотной характеристике. Звучание станет бочкообразным. Если частоту выбрать чересчур низкую, то подъём уровня не будет чувствоваться, т.к. на низких частотах отдача динамика падает слишком сильно (недокомпенсировали).

Голубые линии – не оптимальная настройка фазоинвертора

Это очень тонкий момент – или фазоинвертор даст эффект, или не даст ничего, или, наоборот, испортит звучание! Частоту фазоинвертора необходимо выбирать очень точно! Но где взять эту точность в гаражно-домашней ситуации?

На самом деле, коэффициент соразмерности между частотой резонанса динамика в ящике и частотой резонанса фазоинвертора, в подавляющем большинстве реальных конструкций составляет 0,61 – 0,65, и если принять его равным 0,63, то погрешность составит не больше 5%.

Кому интересно почитать теорию рекомендую:
1. Виноградова Э.Л. «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками», Москва, изд. Энергия, 1978
2. «Ещё о расчёте и изготовлении громкоговорителя», ж. Радио, 1984, №10
3
. «Настройка фазоинверторов», ж. Радио, 1986, №8

Теперь перенесём теорию на практику – так нам ближе.

Как же измерить резонансную частоту динамика в ящике? Как известно, на резонансной частоте, «модуль полного электрического сопротивления» (Impedance) звуковой катушки возрастает. Проще говоря – сопротивление возрастает. Если для постоянного тока оно составляет, к примеру, 4 Ома, то на резонансной частоте оно вырастет до 20 — 60 Ом. Как это измерить?

Для этого, последовательно с динамиком нужно включить резистор номиналом на порядок выше собственного сопротивления динамика. Нам подойдёт резистор номиналом 100 – 2019 Ом. Кстати, измеряя напряжение на этом резисторе, мы можем оценивать «модуль полного электрического сопротивления» звуковой катушки динамика. На частотах, где сопротивление динамика будет высокое – напряжение на резисторе будет наименьшим, и наоборот. Так, а чем измерить?

Измерение импеданса динамика

Абсолютные значения нам не важны, нам нужно лишь найти максимум сопротивления (минимум напряжения на резисторе), частоты сравнительно низкие, поэтому можно воспользоваться обычным тестером (мультиметром) в режиме измерения переменного напряжения. А где взять источник звуковых частот?

Конечно, в качестве источника лучше использовать генератор звуковых частот… Но оставим это профессионалам. Проще всего создать компакт-диск с записанными треками звуковых частот, созданный в какой-либо компьютерной программе, например, CoolEdit или Adobe Audition. Даже я, имея измерительные приборы дома, создал CD на 99 треков, по несколько секунд каждый, с рядом частот от 21 до 119 Гц, с шагом 1 Гц. Очень удобно! Переключаешь треки – меняешь частоту. Частота равна номеру трека + 20. Довольно просто!

Процесс измерения резонансной частоты динамика в ящике выглядит следующим образом: «затыкаете» отверстие фазоинвертора (куском фанеры и пластилином) включаете CD на воспроизведение, устанавливаете приемлемую громкость, и, не изменяя её, «прыгаете» по трекам и находите трек, на котором напряжение на резисторе будет минимально. Всё – теперь частота вам известна.

Кстати, параллельно, измеряя резонансную частоту динамика в ящике, вы можете подобрать оптимальное количество наполнителя для вашего ящика! Постепенно добавляя количество наполнителя, смотрите изменение резонансной частоты. Находите то оптимальное количество, при котором резонансная частота будет минимальная.

Зная значение «резонансной частоты динамика в ящике с заполнителем» легко найти оптимальную резонансную частоту фазоинвертора. Просто-напросто умножьте её на 0,63. К примеру, получили резонансную частоту динамика в ящике 62 Гц – следовательно, оптимальная частота резонанса фазоинвертора будет примерно 39 Гц.

Теперь «открываем» отверстие фазоинвертора, и, изменяя длину трубы (тоннеля) или её сечение, настраиваем фазоинвертор на требуемую частоту. Как это сделать?

Да с помощью того же резистора, тестера и CD! Только нужно не забывать, что на частоте резонанса фазоинвертора, наоборот, «модуль полного электрического сопротивления» катушки динамика падает до минимума. Поэтому, искать вам нужно не минимум напряжения на резисторе, а, наоборот максимум – первый максимум, который находится ниже частоты резонанса динамика в ящике.

Конечно, частота настройки фазоинвертора будет отличаться от требуемой. И поверьте – очень сильно… Обычно, в сторону низких частот (недокомпенсация). Для повышения частоты настройки фазоинвертора нужно укорачивать тоннель, либо увеличивать площадь его поперечного сечения (диаметр). Делать это нужно понемногу, по полсантиметра…

Примерно так будет выглядеть в области нижних частот модуль полного электрического сопротивления динамика в ящике с оптимально настроенным фазоинвертором:

Вот, и вся методика. Очень просто, и в то же время, даёт довольно правильный результат.

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

Фазоинвертор: короче!

Об авторе: Жан-Пьеро Матараццо родился в 2019 г. в городе Авеллино, Италия. С начала 70-х работает в области профессиональной акустики. Долгие годы был ответственным за тестирование акустических систем для журнала «Suono» («Звук»). В 90-х годах разработал ряд новых математических моделей процесса излучения звука диффузорами громкоговорителей и несколько проектов акустических систем для промышленности, включая популярную в Италии модель «Опера». С конца 90-х активно сотрудничает с журналами «Audio Review», «Digital Video» и, что для нас наиболее важно, «ACS» («Audio Car Stereo»). Во всех трех он – главный по измерению параметров и тестированию акустики. Что еще?.. Женат. Два сынишки растут, 7 годиков и 10.

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

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

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

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

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

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

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

Рис 8. Тоннель в форме усеченного конуса.

Рис 9. Основные размеры конического тоннеля.

Рис 10. Размеры щелевого варианта конического тоннеля.

Рис 11. Экспоненциальный тоннель.

Рис 12. Тоннель в форме песочных часов.

Рис 13. Основные размеры тоннеля в форме песочных часов.

Рис 14. Щелевой вариант песочных часов.

Магические формулы

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

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

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

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

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

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

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

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

Первые трудности

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

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

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

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

Простое решение для небольших проблем

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

Среднее решение для проблем побольше

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

В 2019 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения. Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS audioreview.it в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.

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

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

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

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

Lo – длинная исходного цилиндрического тоннеля

L – длинна конического тоннеля

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

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

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

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

…экстремальное решение для больших проблем

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

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

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

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

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

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

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

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

Автор: Di Gian Piero Matarazzo

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

Статья обновлена в 2019 специально для ldsound.ru

15 Марта 2019 Автор: Ю. ЛЮБИМОВ

Предлагаемый метод расчета фазоинвертора основан на простейших измерениях, проводимых с вполне определенным экземпляром громкоговорителя, устанавливаемым в акустический фазоинвертор и на номографическом определении размеров последнего.

В первую очередь, руководствуясь рис. 1 и таблицей, необходимо изготовить «стандартный объем» — герметичный фанерный ящик, все стыки которого во избежание утечек воздуха тщательно подогнаны, проклеены и промазаны пластилином.


рис. 1

Диаметр диффузора
громкоговорителя, мм
Paзмеры,мм
  А В С
200 255 220 170
250 360 220 220
300 360 220 270
375 510 220 335

Далее измеряют собственную частоту резонанса громкоговорителя, находящегося в свободном пространстве. Для этого его подвешивают в воздухе вдалеке от крупных предметов (мебели, стен, потолка). Схема измерений приведена на рис. 2.


рис. 2

Здесь ЗГ — градуированный звуковой генератор, V — ламповый вольтметр переменного тока и R — резистор сопротивлением 100-1000 ом (при больших значениях сопротивления измерение оказывается более точным).

Вращая ручку настройки частоты звукового генератора в пределах от 15-20 до 200-250 гц, добиваются максимального отклонения стрелки вольтметра. Частота, при которой отклонение максимально и является резонансной частотой громкоговорителя в свободном пространстве Fв.

Следующий этап — определение резонансной частоты громкоговорителя Fв при его работе на «стандартный объем». Для этого громкоговоритель кладут диффузором на отверстие «стандартного объема» и слегка прижимают, во избежание утечек воздуха в месте стыка поверхностей. Метод определения частоты резонанса прежний, но в этом случае она будет в 2-4 раза выше.


рис. 3


рис. 4

Зная эти две частоты, с помощью номограмм находят размеры фазоинвертора. В зависимости от диаметра диффузора громкоговорителя выбирают номограмму, приведенную на рис. 3 (для диаметра ,200 мм), на рис. 4 (для диаметра 250 и 300 мм) или на рис. 5 (для диаметра 375 мм). По выбранной номограмме определяют объем фазоинвертора, для чего соединяют прямой линией точки, соответствующие найденным частотам, на осях «Резонансная частота»


рис. 5

Fв (см. рис. 4 точка А) и «Резонансная частота» Fя (точка В). Отмечают точку пересечения С с вспомогательной осью и отсюда ведут вторую прямую линию через точку D до оси «оптимальный объем». Значение, соответствующее новой точке пересечения Е, и является искомым объемом.

Если нет каких-либо особых соображений для конструирования ящика специальной конфигурации, то расчет внутренних размеров его при заданной объеме может быть сделан по номограмме, показанной на рис. 6. Ширина фазоинвертора будет равна 1,4 высоты, а высота — 1,4 глубины. Пользование номограммой не представляет трудностей: проводят прямую линию между крайними осями, на которых нанесены величины объемов. Точки пересечения прямой с осями А, В, С определят ширину, высоту и глубину ящика. Диаметр выреза для громкоговорителя берется равным размеру С, указанному в таблице.


рис. 6

Далее, задавшись диаметром туннеля, необходимо определить его длину и проверить вмещается ли он в ящик фазоинвертора. Длину туннеля находят из графиков, приведен ных на рис. 7, для трех внутренних диаметров: графики А — для диаметра 50 мм, В — для диаметра 75 мм и В — для диаметра 120 мм. Выбрав соответствующие графики, по частоте Fв и объему фазоинвертора, определенным ранее, находят длину туннеля (пример на рис. 7,В). Она должна быть на 35-40 мм меньше внутренней глубины ящика. Если этого не получается, можно нисколько изменить конфигурацию ящика, сохранив его объем, или взять Другой диаметр туннеля.


рис. 7

Фазоинвертор изготавливают из фанеры толщиной около 30 мм. Если нет такой толстой фанеры, то для повышения жесткости нужно приклеить внутри ящика по диагонали или крестообразно бруски размером 25×75 мм. Ящик собирают на винтах и клее и все швы герметизируют. Заднюю стенку рекомендуется крепить шурупами (по пять штук на одну сторону) с фетровой прокладкой. Туннель делают из толстостенной картонной трубки.

Изготовив фазоинвертор и установив в него громкоговоритель, приступают к его демпфированию. Для этого громкоговоритель рекомендуется полностью закрыть с задней стороны слоем стекловаты толщиной 25-50 мм, прикрепляя ее к доске вокруг диффузородержателя с помощью кольца, привинченного шурупами или винтами.


рис. 8

Достаточность демпфирования проверяется с помощью схемы, приведенной на рис. 8. Сопротивление резистора Я берется около 0,5 ом. Если же известен коэффициент демпфирования К усилителя, с которым будет работать агрегат, и сопротивление звуковой катушки громкоговорителя переменному току r, то его можно определять из формулы R=r/K ом. Переводи переключатель из одного положения в другое, прислушиваются к щелчку в громкоговорителе. Если он вполне отчетлив я нет «бубнения» или «звона», значит демпфирование достаточно. Окончательное решение принимают после прослушивания оркестровой музыки с хорошо выраженными басами и верхними котами.

Статья составлена по материалам журнала «Electronics World», 1966, январь.

(РАДИО № 1 1968г., с.29-30)

    РАСЧЁТ ФАЗОИНВЕРТОРА Чистый объём корпуса *

    V =

    литров

    Площадь порта **

    S =

    см2

    Желаемую частоту настройки

    f =

    Hz

    Результат расчета

    Необходимая длина порта/трубы

    L =

    мм

    * Чистый объем короба равен: Объем короба минус объем вытесняемый портом, минус объем вытесняемый динамиком.

    ** Площадь прямоугольного порта вычисляется по формуле длина Х ширину (см)

       
    Для тех, кто прогулял геометрию в школе: Площадь круглого порта вычисляется по формуле 3.14 Х (радиус Х радиус) (см)

    Акции

    Dynamic State NM-17.1

Недавно мне попалась на глаза тетрадка (завел ее в далеком 1980году), в нее обычно перерисовывал понравившиеся схемы и делал разные пометки. И вот перелистывая заветную тетрадь, наткнулся на схему и на методику (очень простую и доступную) настройки фазоинвертора без специальных приборов.

В 2019 году мы с братом решили собрать акустическую систему, да не простую, а с фазоинвертором.

Методик расчета фазоинвертора на тот момент уже было великое множество, но все они были мягко говоря запутанные, очень сложные, а местами и противоречили друг другу. И вот попалась такая методика, которая показалась простой для понимания и последующей реализации.

Как это работает?

Для этого собираем несложную схему(два транзистора П213-П217 и четыре сопротивления)т.н. генератора резонансных частот рис.1. Схема простейшая, из современных транзисторов подойдут и КТ814, при замене транзисторов на структуру n-p-n, просто меняем полярность питания.

Далее подключаем ГРЧ к низкочастотной ГД (ВНИМАНИЕ! Без фильтра, напрямую), динамик должен уже стоять в готовой АС, т.е все должно уже быть собрано и загерметезировано, легким толчком пальцев по диффузору запускаем .Мембрана динамика начнет колебаться с частотой, равной резонансу ГД для данного ящика. Перед всем этим нужно изготовить туннель фазоинвертора(мы делали из свернутого в трубку светофильтра, скрепленного по краям лейкопластырем (скотча тогда и в помине не было).

Вставляем туннель в отверстие ФИ (он должен быть достаточной длины, с запасом) предварительно на внешний конец трубки закрепляем полоску лейкопластыря (скотча) для удобства регулировки и исключения влияния ладони рис.2 Запускаем ГРЧ и медленно начинаем вытягивать трубку из ящика. При точной настройке должна резко уменьшиться амплитуда колебаний динамика, а амплитуда колебаний воздуха в ФИ должна наоборот, резко возрасти(можно поднести горящую свечу к ФИ и наблюдать, когда наступит максимальное отклонение пламени). На этом настройку можно считать оконченной. Аккуратно снимаем заднюю стенку АС и фиксируем трубу ФИ подходящим клеем(мы использовали клей»Момент»).

Далее ставим заднюю стенку АС на место. Все готово.

В заключении хочу добавить, что к сожалению, АС настроенные по этой методике не сохранились (они ушли «с молотка»70рублей за штуку, по тем временам очень хорошие деньги). Фотографий соответственно тоже нет (я не знаю, кому могло бы придти в голову, особенно в то время, фотографировать самопальную акустику, да и «цифры» тогда не было). Поэтому, привожу рисунки, из которых все должно быть понятно.

Не претендую на авторство и какое-либо «нау-хау», но данный метод должен действительно помочь всем, кто собрался собирать или уже собрал АС с ФИ. Большой плюс в том, что не надо делать сложных математических расчетов и специальных измерительных приборов, которые и в прошлом и в настоящем имели и имеют «астрономические»цены. А последний фактор для большинства людей решающий.

[24-05-2013][+]Стараниями наших сограждан (Meshin и Kan) найдены оригиналы в старинных журналах. Полезным окажется и описание, разъясняющее например назначение подстроечных резисторов и пр.

[17-12-2015][+] Справочник по схемотехнике для радиолюбителя, Киев, «Технiка», 2019 год, стр. 108-109

Владимир (VOVCHIK)

Россия Московская область. г.Орехово-Зуево

увлекаюсь музыкой, люблю рыбную ловлю, туризм, компьютер

Читательское голосование

Статью одобрили 55 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.

17.12.15 изменил Datagor. 24-05-2013 cтатья дополнена.

Связанные материалы

Общаемся по статье 💬

«Простой способ настройки акустических систем с фазоинвертором»

Комментарии, вопросы, ответы, дополнения, отзывы