Простая методика настройки фазоинвертора

«Колонкостроительством» я начал заниматься в начале 80-х. И если вначале это был просто «динамик в ящике», то потом, естественно началось изучение влияния параметров ящика (и фазоинвертора) на звучание динамика.

Есть много «сабвуферостроителей», но для подавляющего большинства это просто «динамик в ящике», и чем больше, тем лучше. Да, в какой-то степени, для закрытого ящика это правильно. Но для фазоинвертора…

Фазоинвертор требует тщательной настройки. А что мы видим на практике? В качестве фазоинвертора люди ставят канализационные трубы произвольной длины, делают «щелевые фазоинверторы» по образу: «по таким размерам Вася делал», ставя при этом другой динамик. Тот, кто представляет это – ограничивается изготовлением закрытого ящика (и правильно делает!).

Конечно, есть замечательные программы моделирования, например, JBL SpeakerShop. Но все они требуют введения кучи исходных параметров. И даже зная их, расхождение с практикой получается, как правило – огромное (динамик оказался немного другой, ящик чуть отличается по размеру, наполнитель не знаем какой и сколько, труба фазоинвертора чуть другая, не знаем акустического сопротивления и т.п.)

Существует простая методика для настройки фазоинвертора, при которой не требуется знать точные исходные данные динамиков, ящиков, а также не требуются сложные измерительные приборы или математические расчёты. Всё уже было давно продумано и проверено на практике!

Хочу рассказать о простой методике настройки фазоинвертора, которая даёт погрешность не более 5%. Методике, существующей более 30-ти лет. Я ей пользовался еще, будучи школьником.

Чем ящик с фазоинвертором отличается от закрытого ящика?

Любой динамик, как механическая система, имеет собственную резонансную частоту. Выше этой частоты динамик звучит «довольно гладко», а ниже – уровень, создаваемого им звукового давления, падает. 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

Войдите в ОК

Установив динамик в ящик, его резонансная частота несколько повысится, за счёт того, что к упругости подвеса диффузора добавится упругость сжимаемого в ящике воздуха. Подъём резонансной частоты неизбежно «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 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 поглощающим материалом. Не будем вдаваться в физику этого процесса, но по мере увеличения количества наполнителя, резонансная частота динамика в ящике понижается (увеличивается «эквивалентный объём» ящика). Если наполнителя 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. С закрытым ящиком всё понятно, а что даёт нам фазоинвертор? Фазоинвертор – это «труба» (не обязательно круглая, может быть и прямоугольного сечения и узкая щель) определённой длины, которая совместно с объёмом воздуха в ящике имеет собственный резонанс. На этом «втором резонансе» поднимается звуковая отдача колонки. Частоту резонанса выбирают несколько ниже частоты резонанса динамика в ящике, т.е. в области, где у динамика начинается спад звукового давления. Следовательно, там, где у динамика наблюдается спад, появляется подъём, который в какой-то степени этот спад компенсирует, расширяя нижнюю граничную частоту воспроизводимых частот.

Красная линия – АЧХ динамика в закрытом ящике с фазоинвертором

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

Диагностика и настройка автомобильных аудиосистем

Таким образом, 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 выпирающего горба на частотной характеристике. Звучание будет бочкообразным. Если частоту выбрать слишком низкую, то подъём уровня не будет ощущаться, 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 никакого, или, наоборот, испортит звук! Частоту фазоинвертора нужно выбирать очень точно! Но где взять эту точность в гаражно-домашних условиях?

На самом деле, коэффициент пропорциональности 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 ошибка составит не более 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

Как настроить сабвуфер Мистери

3. «Настройка фазоинверторов», ж. Радио, 1986, №8

Теперь перенесём теорию на практику – так нам ближе.

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

Для этого, последовательно с динамиком нужно включить резистор номиналом на порядок выше собственного сопротивления динамика. Нам подойдёт резистор номиналом 100 – 1000 Ом. Измеряя напряжение на этом резисторе, мы можем оценивать «модуль полного электрического сопротивления» звуковой катушки динамика. На частотах, где сопротивление динамика высокое – напряжение на резисторе будет минимальным, 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 довольно низкие, поэтому пользоваться можно обычным тестером (мультиметром) в режиме измерения переменного напряжения. А откуда взять источник звуковых частот?

Конечно, в качестве источника лучше использовать генератор звуковых частот… Но оставим это профессионалам. Нам же «никто не запрещает» создать компакт-диск с записанным рядом 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! Вставил в магнитолу, прыгаешь по трекам – меняешь частоту. Частота равна номеру трека + 20. Очень просто!

Процесс измерения резонансной частоты динамика в ящике выглядит следующим образом: «затыкаем» отверстие фазоинвертора (кусок фанеры и пластилин) включаем CD на воспроизведение, устанавливаем приемлемую громкость, и, не меняя её, «прыгаем» по трекам и находим трек, на котором напряжение на резисторе минимально. Всё – частота нам известна.

Кстати, параллельно, измеряя резонансную частоту динамика в ящике, мы можем подобрать оптимальное количество наполнителя для ящика! Постепенно добавляя количество наполнителя, смотрим изменение резонансной частоты. Находим то оптимальное количество, при котором резонансная частота минимальна.

Зная значение «резонансной частоты динамика в ящике с заполнителем» легко найти оптимальную резонансную частоту фазоинвертора. Просто умножьте её на 0,63. Например, получили резонансную частоту динамика в ящике 62 Гц – следовательно, оптимальная частота резонанса фазоинвертора будет около 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 помнить, что на частоте резонанса фазоинвертора, наоборот, «модуль полного электрического сопротивления» катушки динамика падает до минимума. Поэтому, искать нам нужно не минимум напряжения на резисторе, а, наоборот максимум – первый максимум, находящийся ниже частоты резонанса динамика в ящике.

Естественно, частота настройки фазоинвертора будет отличаться от требуемой. И поверьте – очень сильно… Обычно, в сторону низких частот (недокомпенсация). Для увеличения частоты настройки фазоинвертора необходимо укорачивать тоннель, либо уменьшать площадь его поперечного сечения. Делать это нужно постепенно, 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 простая, и в то же время, дающая довольно точный результат.

Автор:Андрей Голубев, г. Москва

Содержание:

Вступление

При расчете порта необходимо выбрать предпочитаемый музыкальный жанр под себя. Если вы любители рока то низкая настройка порта вам не подойдет и наоборот, при прослушивании негров, высокая настройка порта не подойдет.

Для новичков лучше выбирать, что то универсальное и желательно на трубе, так как щелевой ящик переделать по простому нельзя для изменения настройки.

Музыкальные жанры:

Низкая настройка — частота 25 — 29 Гц. Для любителей флекса, шатает автомобиль, надувает лобовое и самое важное это ветер, много ветра.Бас с такой настройкой глубокий и мягкий, из за чего не страдают уши. — При такой настройке клубняк, электро, рок и попсу, сабвуфер отыгрывать не будет. — Не все сабвуферы способны воспроизводить нормально такие частоты.
Повседневная настройка — частота 30 — 35 Гц. Самая распространенная и популярная настройка порта. Для любителей негров и даб степ, где присутствует флекс кузова. Бас с такой настройкой более давильный на слух.
Музыкальная настройка — частота 36 — 40 (42) Гц. Универсальная настройка или правильнее БАЛАНС между всеми жанрами. Бас с такой настройкой более выраженный, быстрый но жесткий. Флекс, соответственно, минимальный. — Больше подойдут короткоходные сабвуферы. — Вариант в сторону качество звука.
Спорт настройка — частота выше 45 — 55 Гц. Такую настройку используют для замеров звукового давления на соревнованиях. В народе такой короб называют — БОЕВОЙ. Бас с такой настройкой очень жесткий и слушать музыку невозможно. — Не рекомендуем использовать такую настройку для повседневного прослушивания.

Как определить частоту настройки фазоинвертора?

Самый простой способ проверить частоту настройки фазоинвертора с помощью Тонгенератора частот. На частоте настройки короба, ход диффузора динамика минимален. Запускаем тонгенератор, выставляем примерную частоту и с шагом 1 Гц определяем на какой частоте ход минимальный.
Второй не менее простой способ, схожий с первым. Необходимо поставить сабвуфер диффузором вверх и насыпать на него крупу или что нибудь мелкое и легкое. Запускаем тонгенератор, выставляем примерную частоту и с шагом 1 Гц определяем на какой частоте материал оставался не подвижным, а на частотах выше или ниже заметно подпрыгивал. Эта частота и будет частотой настройки фазоинвертора.

Общие сведения

Трансмиссионная линия представляет собой полый волновод переменного или постоянного сечения. Один конец волновода закрыт, второй открыт. Динамический излучатель размещается со стороны закрытого конца. Труба, как правило, свернута и качественно задемпфирована. Суть в том, чтобы уменьшить амплитуду колебаний диффузора динамического излучателя в области наиболее низких частот вблизи резонансной частоты трубы и при этом компенсировать уменьшение отдачи от динамика собственными колебаниями трансмиссионной линии в основной, наиболее низкочастотной моде. В подавляющем большинстве случаев этого можно добиться, когда длина трансляционной линии совпадает с четвертью длины колебаний на частоте собственного резонанса динамика. Гапоненко в своей книге “Акустические системы своими руками” описывает это следующей формулой:Где L — т.н. “акустическая” длина, которая превышает реальную геометрическую длину линии на величину: где S — площадь поперечного сечения трансляционной линии. Иными словами, необходимо настроить корпус на резонансную частоту, при которой воздух на выходе из волновода будет двигаться синфазно с колебаниями диффузора. Правильно спроектированная трансмиссионная линия характеризуется высокой точностью в НЧ диапазоне при сохранении достаточно мощных, акцентированных басов. Суть в том, что спроектировать ТЛ легче, чем другие типы лабиринтного оформления, при этом типичных фазоинверторных проблем не будет. Характерные гундосые и турбулентные призвуки не характерны для такой акустики. Главным достоинством таких АС является верность воспроизведения в НЧ диапазоне, при этом с сохранением достаточно небольших габаритов. “Обратной стороной” трансляционной линии, как и у конструктивно родственных лабиринтов, является критичность к верному расчету. Значительные ошибки при расчетах существенно отразятся на звуке, проявятся ненужные дребезжащие резонансы, либо внушительная неравномерность АЧХ. Радует здесь то, что рассчитать её проще, чем более сложные типы лабиринтов.

Хорошо забытая труба Войта

Самое раннее упоминание об использовании трансмиссионной линии, которое мне удалось обнаружить — это опыт Пола Войта. Этого пионера электроакустики мир ~~предпочел забыть~~ знает, как отца электродинамического излучателя. В 1930-м Войт разработал, запатентовал и даже пустил в ограниченную серию акустические системы с трансмиссионной линией оригинальной конструкции.Paul Voigt Дело в том, что в то время Войт разрабатывал АС для кинотеатров, которые традиционно для того времени оформлялись в рупоры. Затем он переключился на радиоприёмники и домашнюю акустику, где применяемый им широкополосный двухдиффузорный динамик с механическим кроссовером не отличался мощным низом. Это вызвало необходимость в поиске нового акустического оформления более подходящего для подобных АС. Начав разработку, он экспериментировал и в определенный момент решил установить динамик в не очень традиционном месте, т.е. не в начале конусовидного рупора, а на одной из его сторон. В такой конструкции порт используется для регулировки заднего потока. Сама регулировка осуществляется увеличением, либо уменьшением количества демпфирующего материала в зависимости от типа используемого драйвера. Резонансная частота зависит от длины волновода, а также положения динамика. Современный вариант TQWT Трансмиссионная линия, названная позже трубой Войта — в разрезе очень напоминает классический рупор, снабженный дополнительными стенками. Сам Войт назвал динамик TQWT (Tapered Quarter Wave Tube) — конической четвертьволновой трубой. Такое название корпус получила по той причине, что как и во всех других классических типах ТЛ, для первой моды в трубе умещается четверть длины волны, для второй три четверти, для третьей пять и т.д. Относительным недостатком такой конструкции является невозможность выбрать низкую частоту среза, так как в этом случае можно получить выражение искажения на НЧ. В остальном оформление позволяет создать сравнительно компактную напольную акустику с “ровными” НЧ, близкую по характеристикам к более сложным лабиринтам. TQWT — практически не применяется в массовой акустике, но очень часто используется радиолюбителями при создании собственных АС. Проблема в том, что полноценной, развитой теории, описывающей акустические процессы TQWT-систем, пока нет, чего нельзя сказать о хорошо описанных фазоинверторах.

ATL — трансмиссионная линия в полочниках

Когда упоминаются трансмиссионные линии, как правило речь идёт о напольных системах. Считается, что формфактор и объем полочников требуют максимально компактных решений, коим является фазоинвертор. Однако есть компания, которая нашла сравнительное эффективное конструкторское решение по трансмиссионной линии в полочниках. Основатели и разработчики из PMC являются принципиальными противниками ФИ-акустики и убеждены, что будущее за их инновацией. PMC одна из немногих современных компаний, которые специализируются на АС с трансмиссионной линией. За десятилетия существования компания разработала десятки моделей для студийных и домашних АС с трансмиссионной линией, некоторые из которых существуют до сих пор. До 2000-х годов они производили преимущественно напольные системы, так как классическая ТЛ зачастую предполагала именно такой формфактор. Позже инженеры несколько усложнили конструкцию и создали т.н. «трансмиссионную линию последнего поколения» или ATL (Advanced Transmission Line). Особенность такой конструкции в дополнительных элементах, позволяющих получить достоинства ТЛ в полочниках. Относительный минус этой конструкции в том, что по сложности и технологичности ATL близка к прочей лабиринтной акустике, что гарантированно увеличивает стоимость. Радует лишь то, что один из руководителей PMC Питер Томас считает, что:

”мы действительно верим в то, что с повышением цены должно расти и качество… наши покупатели далеко не дураки.” (из интервью Саше Метсону в 2010 году).»

Итог и несколько слов в защиту ФИ

Несмотря на ощутимые минусы фазоинверторной акустики, физика её работы хорошо описана, и большинство акустических эффектов предсказуемы. Это безусловно позволяет получить прогнозируемый результат, что очень важно при массовом производстве. Ряд компаний освоили трансляционные линии, однако она остается менее технологичной и более дорогой. Возможно, в определенный момент трансмиссионные линии станут достаточно доступными и массовыми, но это произойдет не раньше момента, когда будут теоретически описаны основные процессы, происходящие в трансмиссионной линии. Если говорить о массовых и недорогих (до $500) АС найти что-то кроме ФИ и колонок с пассивным излучателем будет крайне сложно. Тем, кому надоели проблемы фазоинверторных АС, при этом эстетика или габариты помещений не позволяют применять закрытый ящик, пожалуй, стоит задуматься над приобретением или созданием собственной трансмиссионной линии. Я буду признателен за любые мнения относительно трансляционной линии, особенно интересны люди, которым доводилось самостоятельно создавать такие АС.Традиционная рекламаМы продаём акустические системы, в нашем каталоге представлены как традиционная акустическа с ФИ, так и АС с другими типами акустического оформления, в том числе с трансляционной линией. Используемые источники: