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
АС с щелевым фазоинвертором
В описываемой конструкции трёхполосной АС автор отдал предпочтение щелевому фазоинвертору, менее склонному к органным резонансам, нежели АС с круглыми трубами. Для громкоговорителей этой АС достаточно небольшой мощности усилителя — 2×10. 20 Вт. Акустические системы (громкоговорители) с фазоинвертором (ФИ) в настоящее время стали самыми распространёнными в классе Hi-Fi [1].
Это объясняется повышенным КПД в области низких звуковых частот и меньшими нелинейными искажениями в области основного резонанса НЧ головки в сравнении с другими видами акустического оформления [2]. АС с ФИ представляет собой закрытый корпус с динамической НЧ головкой и дополнительным отверстием, в котором закреплён отрезок трубы круглой или прямоугольной формы определённых размеров для инвертирования и излучения звуковой волны от тыльной части диффузора динамической головки. АС с ФИ часто называют просто фазо-инвертором, так как в инвертировании фазы звуковой волны участвуют внутренний объём корпуса и трубы. Форма сечения трубы на работу ФИ существенно не влияет.
Резонансная частота ФИ зависит от внутреннего объёма корпуса, площади сечения и длины трубы (массы воздуха, колеблющегося в трубе), в традиционном варианте она должна быть близка к резонансной частоте динамической головки в открытом пространстве. Отверстие ФИ является дополнительным излучателем инвертированных звуковых волн от тыльной части диффузора динамической головки в области резонанса ФИ, и колебания воздуха в трубе почти синфазны с колебаниями прямого излучения диффузора и значительно больше по амплитуде, чем колебания диффузора головки из-за большого акустического сопротивления ФИ на резонансной частоте.
В других типах АС в области основного резонанса динамической головки амплитуда колебаний звуковой катушки и диффузора существенно возрастает, и начинают сказываться асимметрия магнитного поля относительно катушки [1] и нелинейность подвеса подвижной системы, искажающие форму звукового сигнала [2]. В фазоинверторе на этих частотах звуковое давление создаётся в основном выходным отверстием трубы. Выше частоты основного резонанса увеличивается излучение динамической головки, а излучение отверстия ФИ уменьшается, но так как они почти синфазны, то их звуковое давление складывается. На более высоких частотах вследствие роста реактивного сопротивления трубы ФИ эта АС действует как закрытый корпус [2].
Рис. 1
Частотная характеристика модуля полного сопротивления обычной динамической головки в открытом пространстве имеет один максимум на частоте основного резонанса. Фазоинвертор как АС имеет два максимума, расположенных по обе стороны от частоты основного резонанса головки (кривые 1 и 2 на рис. 1), и чем меньше объём корпуса, тем больше расстояние между максимумами и провал между ними [2]. С целью получения более гладкой АЧХ на НЧ в некоторых высококачественных АС устанавливают три трубы, настроенные на частоту основного резонанса и частоты боковых максимумов. Если в АС применена НЧ головка с очень низкой частотой основного резонанса и нижний максимум находится в области инфранизких частот, то будет достаточно две трубы, настроенные на частоту основного резонанса и верхнего максимума. Эти решения дают положительные результаты в части сглаживания АЧХ, но усложняют конструкцию, а дополнительные отверстия на лицевой панели ухудшают внешний вид АС. АС с щелевым ФИ, которые стали широко применяться радиолюбителями, а также в промышленных АС и сабвуферах, менее склонны к органным резонансам, нежели АС с круглыми трубами [3]. 
Учитывая отсутствие локализации излучения низших звуковых частот, ФИ всех типов можно размещать на любых стенках корпусов АС или сабвуферов. Примером может служить АС с щелевым ФИ на задней стенке, показанной на рис. 2. Если ФИ размещён не на лицевой панели, то между его выходным отверстием и стенами помещения или мебели должны быть зазоры не менее 100 мм. В любительских и промышленных АС, в сабвуферах нередко используют стенку корпуса для образования щелевого ФИ. Это решение не только более технологично, но и уменьшает его длину на 15 % по сравнению с расчётным значением, что немаловажно для малогабаритных АС [3].
Учитывая вышеизложенное, автором была разработана конструкция и затем изготовлена в двух экземплярах АС с щелевым ФИ. В авторском варианте применён щелевой канал, выход которого почти не заметен на лицевой панели (рис. 3). Кроме того, для сглаживания АЧХ в области основного резонанса НЧ головки канал ФИ имеет переменную длину (рис. 4). Принцип работы такого ФИ описан ниже.
На рис. 1 показаны частотные характеристики модуля полного сопротивления динамической головки: кривая 1 — в открытом пространстве; 2 — в корпусе фазоинвертора объёмом 54 л с трубой; 3 — в корпусе фазоинвертора меньшего объёма; 4 — в корпусе фазоинвертора объёмом 54 л с щелевым каналом переменной длины.
Конструкция громкоговорителя АС с основными узлами приведена на рис. 5.
Рис. 5
В АС применена низкочастотная динамическая головка 8ГД-1 с диаметром диффузора 200 мм (частота основного резонанса 30 Гц, полная добротность Q,s = 0,33), использовавшаяся в АС «Виктория-001».
Оптимальный внутренний объём корпуса фазоинвертора для такой головки равен 54 л [2]. Внешние размеры корпуса авторского варианта АС — 260x600x360 мм. Боковые стенки изготовлены из ламинированной ДСП толщиной 20 мм, а лицевая панель — из фанеры толщиной 12 мм, которая вблизи НЧ головки упрочнена накладкой из такой же фанеры, облицованной шпоном. Задняя стенка корпуса изготовлена из фанеры толщиной 12 мм. Боковые стенки скреплены между собой шурупами, вкрученными в боковые торцы верхней и нижней стенок с интервалом 20 мм. Головки шурупов выступают на 10 мм и входят в соответствующие отверстия, просверленные в вертикальных стенках на глубину 12 мм и заполненные эпоксидной смолой [5].
Соединение боковых стенок нужно выполнять на ровной поверхности, положив их на неё задними торцами и вставив внутрь заднюю стенку, торцы которой по периметру обмотаны несколькими слоями киперной или изоляционной ленты (ПВХ), обеспечивающей правильную форму, технологический зазор и препятствующей приклеиванию её к стенкам. Верх и низ стенок следует плотно скрепить жгутами с применением закруток на время полимеризации смолы. Выступившую наружу смолу сразу убрать тампоном, смоченным ацетоном или растворителем для нитрокрасок.
После полимеризации смолы переднюю и заднюю части стенок корпуса на расстоянии 12 мм от торцов обшить внутри рейками сечением 20×20 мм с помощью коротких гвоздей и клея ПВА или эпоксидной смолы, которые будут нужны для крепления лицевой панели и задней стенки. После выполнения всех необходимых операций лицевую панель вклеивают наглухо, а заднюю закрепляют шурупами.
На лицевой панели должны быть закреплены блок ВЧ головок, СЧ головка с экранирующим коробом, НЧ головка и короб ФИ. Перед вклеиванием лицевой панели для удобства работы НЧ головку необходимо снять. Такая технология сборки применена автором в порядке эксперимента, но вполне возможен и вариант крепления стенок с помощью реек.
Для расширения диаграммы направленности в полосе ВЧ головки 2ГД-36 блока размещены по дуге с радиусом 200 мм (рис. 6). Для этого их устанавливают на четырёх крайних и четырёх средних кронштейнах из листовой стали толщиной 2 мм (рис. 7,а, б), которые закреплены на алюминиевом обрамлении винтами МЗ с потайными головками. Обрамление ВЧ блока состоит из четырёх стенок из мягкого алюминия толщиной 5 мм, которые плотно подогнаны друг к другу и прикреплены шурупами к внутренней деревянной панели прямоугольной формы (рис. 8). Между головками вклеены перегородки из электрокартона толщиной 1,5 мм, окрашенные в чёрный цвет. ВЧ блок прикрепляют шурупами к лицевой панели изнури к закреплённым на ней трём рейкам вверху, а также по сторонам отверстия.
Принцип работы щелевого ФИ с переменной длиной заключается в снижении амплитуды колебаний подвижной системы НЧ головки не только на частоте основного резонанса, но и на частотах боковых максимумов. Средняя длина щелевого канала эквивалентна длине трубы, настроенной на частоту основного резонанса динамической головки. Уменьшение модуля полного сопротивления динамической головки в более широкой полосе дополнительно уменьшит амплитуду колебания звуковой катушки и диффузора в этой полосе, снижая нелинейные искажения динамической головки и, тем самым, повышая качество звучания АС.
Для практического определения минимальной и максимальной длин короба необходимо с помощью звукового генератора определить частоту основного резонанса реальной низкочастотной динамической головки в открытом пространстве визуально по максимальной амплитуде колебаний диффузора или более точно — с помощью амперметра по минимуму тока в цепи звуковой катушки. Для определения практических размеров щелевого ФИ можно установить эту головку в корпус АС, а отверстие для СЧ или ВЧ головки (обычно оно бывает диаметром не менее 70 мм) предлагается использовать для установки настраиваемой трубы. Её можно изготовить из двух картонных или пластиковых вставленных одна в другую (подобранных по диаметру) трубок длиной по 70. 100 мм. Трубку большего диаметра нужно закрепить через уплотнительное кольцо в отверстии для СЧ или ВЧ головки с наружной стороны корпуса. Подавая от звукового генератора сигнал с частотой основного резонанса через усилитель на НЧ головку и изменяя длину телескопической трубы, нужно добиться максимума акустических колебаний на её выходе. Это можно определить по максимальному отклонению пламени свечи возле выходного отверстия трубы или более точно — с помощью микрофона, подключённого к усилителю, и вольтметра переменного тока. В результате полученная длина трубы будет равна длине средней части короба. Аналогично определению частоты основного резонанса динамической головки в открытом пространстве необходимо определить частоты верхнего и нижнего максимумов АЧХ при настроенной трубе с помощью амперметра и по кривым рис. 60 из [2] вычислить длину левого и правого краёв короба. По этим данным можно изготовить короб с поперечным внутренним сечением в два раза больше сечения настроечной трубы, так как длина щелевого ФИ — величина переменная. Эти рекомендации даны для применения других типов НЧ головок, если их частота основного резонанса неизвестна или они доработаны по методикам, понижающим эту частоту.
Стенки щелевого ФИ можно изготовить из фанеры толщиной 5. 6 мм согласно рис. 4 и реек. В лицевой панели под блоком ВЧ головок вырезают отверстие для ФИ, где и закрепляют его клеем.
В авторском варианте внутреннее сечение короба 20×200 мм, что равно удвоенному сечению трубы диаметром 50 мм. Размеры lmin = 55 мм, 1ср = 70 мм, Imax= 120 мм (см. рис. 4) определены по рекомендациям М. М. Эфрусси и кривым для определения длины ФИ (рис. 60,а из [2]), а также путём экспериментов. Добиться ровной АЧХ в области основного резонанса довольно трудно (влияние резонансов помещения также cледует иметь в виду), но даже частичное снижение боковых максимумов в импедансе АС повышает качество воспроизведения низших звуковых частот в сравнении с обычным ФИ; очевидно, что сглаживание импеданса нагрузки полезно для усилителя мощности.
В среднечастотном звене применена широкополосная головка ЗГДШ-8 (8 Ом), закрытая экраном из деревянных реек и фанеры толщиной 6 мм с внутренними размерами 105x105x35 мм. Полость, закрываемая экраном, заполнена распушённой ватой и крепится к передней панели изнутри четырьмя шурупами по углам. При окончательной сборке все соприкасающиеся поверхности деталей, закреплённых с помощью шурупов, покрывают тонким слоем пластилина. Внутри основного корпуса АС звукопоглощающего материала нет: по моему мнению, энергия, излучаемая тыльной стороной диффузора НЧ головки, должна не поглощаться и превращаться в тепло, а излучаться через ФИ. Он эффективно излучает колебания только в полосе частот, на которую настроен, поэтому влияние отражённых сигналов других частот на качество воспроизведения было поставлено под сомнение. Просто не возникло претензий к качеству звучания этой АС. Это не значит, что звукопоглощение для средних или высоких частот противопоказано.
В описываемой здесь АС применён трёхполосный разделительный фильтр с частотами раздела 500 и 5000 Гц, схема которого показана на рис. 9. Катушка L1 — бескаркасная многослойная с внутренним диаметром 35 мм, длиной намотки 20 мм; она содержит 120 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм. Намотку производят на деревянной оправке диаметром 35 мм со съёмными щёчками. Перед намоткой между щёчками необходимо вложить 3—4 прочные нитки, которыми после намотки нужно связать витки катушки, пропитать лаком и высушить. Катушка L2 содержит 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм, её наматывают на той же оправке. Расчёт элементов разделительного фильтра приведён в [2, 6].
В кроссовере можно использовать бумажные и металлобумажные конденсаторы БГТ, МБГП, МБГО, а также К42-4 на напряжение 160—250 В.
Детали фильтра приклеивают к дну корпуса АС быстросохнущим клеем и соединяют монтажными проводами с динамическими головками и разъёмом на задней стенке для подключения соединительного кабеля между АС и усилителем. Провода, идущие к разъёму, должны позволять, при необходимости, свободно снимать заднюю стенку корпуса.
В такой АС можно применить сдвоенные НЧ головки, но основной задачей была проверка эффективности работы АС с щелевым ФИ переменной длины.
В заключение следует отметить, что несмотря на применение устаревших динамических головок [4] качество звучания этих АС, подключаемых к усилителю с низким выходным сопротивлением и мощностью 10. 20 Вт (при номинальной нагрузке 8 Ом), оценивается как весьма высокое.
А. ЖУРЕНКОВ, г. Запорожье, Украина Радио, №8 2013г
Источник