Как посчитать фазоинвертор для колонки

Расчёт и настройка фазоинвертора акустической системы

Как правильно спроектировать фазоинвертор? Какой должна быть частота резонанса фазоинвертора? Какими должны быть длина и диаметр? Онлайн калькулятор размеров тоннеля фазоинвертора.

Фазоинвертор (с точки зрения акустики) – это порт (труба, щель и т. д.) в корпусе акустической системы, обеспечивающий расширение воспроизводимого НЧ – диапазона за счёт резонанса этого порта на частоте более низкой, чем резонансная частота динамика.
Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон закрытого ящика, но и повысить коэффициент полезного действия. Тоннель фазоинвертора может выполняться различной формы и размещаться – на любой поверхности колонки.
При разработке акустической системы крайне важно правильно выполнить расчёт фазоинверторного короба, так как от этого зависит не только диапазон воспроизводимых частот, но и качество всего звука в целом.

Давайте индифферентно отнесёмся к многообразию теоретических аспектов, описывающих физику процессов в данном типе акустики, а сразу ответим на вопрос: «А почему, собственно?». Такой вопрос может возникнуть у энтузиаста, который рассчитал размеры фазоинвертора по известной формуле из умной книжки и убедился в её несостоятельности в процессе неудачного практического опыта!

Напрягаться сильно не придётся, потому как синьор Жан-Пьеро Матараццо (авторитетный специалист в области профессиональной акустики) уже помог нам разобраться в этом актуальном вопросе.
Вот что уважаемый итальянский специалист-акустик написал в статье «Теория и практика фазоинвертора»:

Рис.1 Конструкции фазоинверторов с тоннелем в виде трубы

Одним из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора является – 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» (Рис.1 а). Частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) можно рассчитать по формуле:

где: Fb – частота настройки (Гц), с – скорость звука (344 м/с), S – площадь сечения тоннеля (кв. м), L – длина тоннеля (м), V – объем ящика (куб. м), π = 3,14.

Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объём ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Всё, казалось бы, дело сделано.
Приступаем.
Пусть у нас есть ящик объёмом 50 л. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведённой 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.1 б), 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.1 в). 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 приближается к стенке 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.

Казалось бы, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, Рис1.а) – справа, у нас получается резонатор Гельмгольца в чистом виде. Однако на практике и тут 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 объёмом V на частоту Fb, будет выглядеть так:

Здесь частота Fb – в герцах, объем V – в литрах, а длина L и диаметр D тоннеля – в миллиметрах, как нам привычнее.

Геометрические размеры тоннеля имеют свои ограничения. 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.

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 ещё и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.
Когда расчётная 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 аналогичной площади, причём размещать его не посреди передней стенки корпуса, как на Рис.2 а), а вплотную в одной из боковых стенок, как на Рис.2 б).

Рис.2 Конструкции фазоинверторов с щелевыми тоннелями

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.2 б), получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на Рис.2 а).
Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя ещё больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины.

Дальнейшего снижения длины тоннеля можно добиться использованием фазоинверторов конической, экспоненциальной форм, а также формы в виде песочных часов. Поскольку подобные технологии конструктивно сложны и не нашли широкого распространения в радиолюбительской практике, то и рассматривать их в рамках данной статьи мы не станем. А лучше сдобрим пройденный материал парой онлайн считалок, позволяющих рассчитать трубчатые и щелевые фазоинверторы без излишнего напряга, калькулятора и деревянных счёт.

Но сначала зададимся резонным вопросом: а на какую резонансную частоту следует настраивать фазоинвертор?
Ответ очень прост – на оптимальную частоту. Если частота резонанса фазоинвертора будет выше оптимальной, т. е. она будет находиться близко к резонансной частоте динамика в закрытом ящике, то мы получим на АЧХ выпячивающий горб, вследствие чего звучание будет бочкообразным.
Если частоту выбрать чересчур низкой, то подъём НЧ уровня не будет чувствоваться, т. к. на этой частое отдача динамика окажется слишком слабой и усиливать окажется нечего.
Таким образом – частоту резонанса фазоинвертора следует выбрать немногим ниже частоты резонанса динамика в закрытом ящике, т. е. в той области, где у динамика происходит некоторый спад звукового давления. Этот спад компенсируется подъёмом фазоинвертора, что, в конечном итоге, приведёт к расширению нижней границы воспроизводимых частот.

В большинстве реальных конструкций – частота резонанса фазоинвертора составляет 0,61. 0,65 от частоты резонанса динамика в закрытом ящике.

А как легко и просто можно узнать частоту резонанса громкоговорителя в закрытом ящике – мы с вами подробно обсудили на этой странице . Итак:

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДИАМЕТРА И ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА

Диаметр тоннеля – величина, имеющая практический смысл только для фазоинверторов круглого сечения Площадь сечения – характеризует как трубчатые, так и щелевые фазоинверторы.

Рассчитаем длину тоннеля фазоинвертора по объёму ящика, резонансной частоте фазоинвертора и диаметру/ площади сечения тоннеля:

РАСЧЁТ ДЛИНЫ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА

Посчитанная длина тоннеля верна как для цилиндрических фазоинверторов, так и для щелевых фазоинверторов, находящихся на значительном расстоянии от стенки. Если щелевой фазоинвертор расположен вплотную к одной из стенок, как на Рис.2 б), то его длину следует укоротить на 15%.

Источник

Как лучше рассчитать фазоинвертор для акустической системы

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:

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

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

Принцип работы устройства

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

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

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

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

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

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

Использование специализированных программ

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

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

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

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

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

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

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

Самостоятельное изготовление порта

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

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

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

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.

Источник