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
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
ЗВУКОМАНИЯ
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
Настройка фазоинвертора сабвуфера
Настройка фазоинвертора сабвуфера
Конструированием акустики я начал заниматься еще будучи 12 лет. Вначале была простая конструкция «в ящике динамик», но затем, конечно я принялся изучать влияния параметров короба и фазоинвертора на звук самого динамика.
Настройка фазоинвертора сабвуфера
Впрочем, я от данный темы потихоньку отошел, предпочитаю теперь:ОЯ, щиты, либо TQWT, TQWP на ШП динамиках. Но это совсем другая тема, в данной статье хочу осветить аспекты: частота настройки фазоинвертора, настройка фазоинвертора сабвуфера.
Предлагаю ознакомиться с данной статьёй, здесь я представлю довольно простой способ настройки фазоинвертора сабвуфера.
Я был сильно поражён, что для большинства «сабо-строителей» вообще не существует никакой настройки фазоинвертора это просто «динамик в коробе!», и чем больше размер динамика и ящика, тем лучше БАХАЕТ ПО БАШКЕ. Да, в некоторой степени, для закрытого ящика(ЗЯ) это верно. Но никак не для фазоинвертора…
Подобный ящик потребует от вас скрупулезной настройки фазоинвертора. Так, что же что мы видим на реалии? В качестве фазоинвертора такие люди монтируют канализационные трубы непонятной длины, мастерят «щелевые фазоинверторы» типа: «по этим отличным размерам Петя Иванов сделал», ставят при этом совсем другой динамик. Тот, кто не может сделать по нормальному –изготовливает закрытый ящик (и правильно сделает!).
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, коробов, а также не потребуются очень сложные измерительные приборы или же расчёты математические. Скажу проще уже было давно продумано настройка фазоинвертора и проверена в реалиях!
Методика настройка фазоинвертора, даёт погрешность 5%. Методика существует более 20-ти лет.
Для начала, нужно разобраться, чем ящик с «фазиком» различается от закрытого ящика?
Каждый динамик, это механическая система, обладает собственной резонансной частотой. Выше этой частоты сам динамик звучит «очень гладко», а вот ниже – уровень, формируемого им звукового давления, сразу падает. Причем, падает с быстротой 13 дБ. А вот за «нижнюю границу данных воспроизводимых частот» нужно считать частоту, на которой этот уровень упадет на 6 дБ.
Установив динамик в короб, его резонансная частота немного повысится, из за того, что к упругости подвеса самого диффузора прибавится упругость сдавливаемого в коробе воздуха. Кстати, подъём резонансной частоты неминуемо потянет вверх и даже нижнюю границу данных воспроизводимых частот. Зато, чем меньше объёма воздуха в коробе, тем больше он будет упругим, таким образом, больше резонансная частота. Из-за этого у многих возникает желание сделать короб огромный.
Сделать огромный короб в можно, причем, не увеличивать его физические размеры. Для этого короб заполняют демпфирующим материалом. Например, ватой. По мере роста количества такого наполнителя, резонансная частота самого динамика в коробе сразу понизится (увеличится «эквивалентный объём» короба). Если же наполнителя будет чересчур много, то резонансная частота сразу будет повышаться снова.
Также влияние размеров короба будет влиять на остальные параметры, например как добротность. В большинстве реальных случаев, из-за малого пространства, такой объём короба получится довольно близкий к наилучшему.
Ну с закрытым ящиком теперь все ясно, а что же даёт нам фазоинвертор? «Фазик»– это труба не обязательно она круглая, бывает и прямоугольная и даже узкая щель) причем определённой длины, такая труба вместе с объёмом воздуха в коробе обладает собственным резонансом. На этом «2-ом резонансе» поднимается вся звуковая отдача самой колонки. Необходимо частоту резонанса выбрать немного ниже частоты резонанса динамической головки в коробе, т.е. в области, где у самого динамика возникает спад этого звукового давления. Таким образом, там, где у динамика имеется спад, возникает подъём, который данный спад восполняет, расширяет нижние граничные частоты воспроизводимых частот.
Кстати, ниже частоты резонанса ФИ спад всегозвукового давления будет намного круче, чем у ЗЯ и составит 24 дБ на октаву.
Следовательно, фазоинвертор позволит расширить диапазоны всех воспроизводимых частот причем, в сторону НЧ. Так как же выбирать эту частоту резонанса ФИ?
Если частота резонанса ФИ станет выше оптимальной, т.е. она будет уже находиться совсем близко к резонансной частоте динамической головки в коробе, то мы приобретем «переконменсацию» в виде выпячивающегося горба на АЧХ. Звучание станет бочкообразный. Если частоту выбирать чересчур низкую, то подъём такого уровня не будет чувствоваться, т.к. на низкой частоте отдача динамика будет падает чересчур сильно (означает недокомпенсировали).
Это очень чуткий момент – или ФИ даст эффект, или не даст ничего, или, напротив, изуродует звучание! Частоту ФИ необходимо выбирать крайне правильно! Но где же взять эту правильность в домашней ситуациии?
Действительно, коэффициент соразмерности между частотой резонанса динамической головки в коробе и частотой резонанса ФИ, в большинстве истинных конструкций составит 0,6о – 0,63, и если же принять его равным 0,62, то погрешность составит не больше 5%.
Теперь же перенесем теорию в реальность.
Как же измерить резонансную частоту динамической головки в коробе? На резонансной частоте, этот «модуль полного электрического сопротивления» (Импеданс) звуковой катушки усиливается. Проще говоря – сопротивление вырастет. Если для стабильного тока оно составит, к примеру, 4 Ома, то на резонансной частоте оно вырастит до 10 — 50 Ом. Как же это можно замерить?
Последовательно с динамиком надо включить резистор номиналом на один порядок выше своего сопротивления динамической головки. Нам же подойдёт простой резистор номиналом 100 – 1000 Ом. Кстати, измеряя напряжение на данном резисторе, мы сможем оценить «модуль полного электрического сопротивления» нашей звуковой катушки динамической головки. На частотах, где сопротивление нашего динамика будет высокое – напряжение на данном резисторе будет наименьшим, и напротив. Чем будем измерять?
Совершенные значения для нас не значимы, нам необходимо лишь отыскать самое большее сопротивление(самое меньшее напряжения на резисторе), частоты сравнительно низкие, поэтому можно воспользоваться простым китайским тестером (мультиметром)причем, в режиме замера переменного напряжения. А где взять источник звуковой частоты?
Проще всего создать компакт-диск или альбом в флак с записанными треками звуковых частот. К примеру можно создать CD или альбом флак на 90 треков, по 4-5 секунд каждый, с рядом частот от 20 до 120 Гц, с шагом 1 Гц. Переключаешь треки – меняется частоты. Частоты равны номеру трека + 20. Довольно просто!
Процесс замера резонансной частоты динамической головки в коробе происходит таким образом: «затыкаете» отверстие ФИ (куском фанеры и пластилином) включаете альбом на воспроизведение, устанавливаете нормальную громкость, и, не изменяя её, «прыгаете» по трекам и находите трек, на котором напряжение на вашем резисторе будет минимально. Все – теперь частота вам известна.
Впрочем, параллельно, измеряя резонансную частоту динамической головки в коробе, вы можете подбирать лучшее количество наполнителя для вашего ящика! Понемногу добавлять количество этого наполнителя, смотрите изменение резонансной частоты. Находите то наилучшее количество, при котором данная резонансная
Зная подобное значение «резонансной частоты динамической головки в коробе с наполнителем» просто найти наилучшую резонансную частоту ФИ. Просто-напросто умножите её на 0,63. К примеру, получив резонансную частоту динамической головки в коробе 62 Гц – таким образом, наилучшая частота резонанса ФИ будет примерно 39 Гц.
Теперь «раскрываем» отверстие ФИ, и, изменяем длину трубы (либо тоннеля) или же сечение, настроим фазоинвертор на нужную частоту. Как это произвести?
Да с поддержкой вашего резистора, тестера и альбома! Только надо не забывать, что на частоте резонанса ФИ, напротив, «модуль полного электрического сопротивления» динамика катушки упадет до самого минимума. Отчего, искать вам надо не минимум напряжения на вашем резисторе, а, напротив самый максимум – 1-ый максимум, который находится ниже частоты резонанса динамической головке в ящике.
Конечно, частота настройка фазоинвертора будет разниться от требуемой. И очень сильно, в сторону НЧ (недокомпенсация). Для повышения частоты настройки вашего фазоинвертора нужно укоротить тоннель, или уменьшить площадь его поперечного сечения. Нужно делать это понемногу, по 0,5 см…
Приблизительно так будет выглядеть в области НЧ модуль полного электрического сопротивления динамической головки в ящике с наилучше настроенным ФИ:
Вот, и весь метод «Настройка фазоинвертора». Очень просто, и в то же время, дает довольно правильный итог. Впрочем, как настроить сабвуфер можете почитать здесь. Также вы можете смастерить саб своими руками прочитав данную статью.
Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске именно своего звука!
Не бойтесь меня и добавляйтесь в ВК, Ютуб, Одноклассники
Если вы хотите узнать больше об этой теме, и быть в курсе, пожалуйста, подпишитесь на наш сайт.
Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D) Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске именно своего звука!
На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.
Источник