труба фазоинвертора

1. Формирование технического задания
1.1 Наименование:
Акустическая система (акустический комплекс)………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………
1.2 Цель:
Разработка опытного образца АС для …………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………...
1.3 Требования по назначению:
Устройство должно использоваться ……...……………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………...
1.4 Технические требования:
1.4.1 Электроакустические параметры:

Диапазон воспроизводимых частот
В поле допуска -10 дБ....................................................................................................Гц
В поле допуска ±3 дБ…………………………………………………………………Гц

Номинальные углы покрытия ………………………………………………….…°H x …°V

Мощность…………………………………………………………………………………...Вт

Уровень характеристической чувствительности…………………………………. дБ Вт/м

Уровень звукового давления………………………………………………………………дБ

Номинальное (расчетное) сопротивление……………………………………………….Ом
1.4.2 Требования к конструкции:

Опытный образец выполняется на базе динамических головок производства
......…………...............................................................................................................................
………………………………………………………………………………………………….
аксессуаров производства..........…………………………………………………………......
………………………………………………………………………………………………….
материалов производства….....................................................................................................
……………………………………………………………………………………………….....
электрорадиокомпонентов производства………………………………………...................
………………………………………………………………………………………………….

Разъемы………………………………………………………………………………………..

Наличие ручек для переноски, колес, элементов крепежа и т.д.

Габаритные размеры …………………………..……………L x ……….D x ….…..H (mm)

Масса……………………………………………………………………………………….кг
1.4.3 Требования к надёжности:

Царапино-, влаго-, удароустойчивость, ремонтопригодность, разборная конструкция и
т.д.
1.5 Дополнительные требования:
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
Приведем пример спецификации АС фирмы Kling&Freitag CA 1215-6(M)
2. Что такое параметры Тейла-Смолла (Thiele/Small)?
Это группа параметров, введенных A.N. Thiele и позднее R.H. Small, при помощи которых
можно полностью описать электрические и механические характеристики средне- и
низкочастотных головок громкоговорителей, работающих в компрессионной (поршневой)
области, т.е. тогда, когда в диффузоре не возникают продольные колебания и его можно
уподобить жесткому поршню.
FS (Гц) - частота собственного резонанса головки громкоговорителя в открытом
пространстве. В этой точке ее импеданс максимален.
FC (Гц) - частота резонанса головки громкоговорителя в закрытом корпусе.
FB (Гц) - частота резонанса фазоинвертора.
F3 (Гц) - частота среза, на которой отдача головки снижается на 3 dB.
Vas (куб.м) - эквивалентный объем. Это возбуждаемый головкой закрытый объем воздуха,
имеющий гибкость, равную гибкости Cms подвижной системы головки.
Dia (м) - эффективный диаметр диффузора.
Sd (кв.м) - эффективная площадь диффузора (примерно 50-60% конструктивной площади).
XMAX (м) - максимальное смещение диффузора.
Vd (куб.м) - возбуждаемый объем (произведение Sd на XMAX)
Re (Ом) - сопротивление обмотки головки постоянному току.
Rg (Ом) - выходное сопротивление усилителя с учетом влияния соединительных проводов
и фильтров.
Qms (безразмерная величина) - механическая добротность головки громкоговорителя на
резонансной частоте (FS), учитывает механические потери.
Qes (безразмерная величина) - электрическая добротность головки громкоговорителя на
резонансной частоте (FS), учитывает электрические потери.
Qts (безразмерная величина) - полная добротность головки громкоговорителя на
резонансной частоте (FS), учитывает все потери.
Qmc (безразмерная величина) - механическая добротность акустической системы на
резонансной частоте (FS), учитывает механические потери.
Qec (безразмерная величина) - электрическая добротность акустической системы на
резонансной частоте (FS), учитывает электрические потери.
Qtc (безразмерная величина) - полная добротность акустической системы на резонансной
частоте (FS), учитывает все потери.
QL (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (FB),
учитывающая потери перетекания.
QA (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (FB),
учитывающая потери поглощения.
QP (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (FB),
учитывающая прочие потери.
n0 ( безразмерная величина, иногда %) - относительная эффективность (К.П.Д.) системы.
Cms (м/Н) - гибкость подвижной системы головки громкоговорителя (смещение под
воздействием механической нагрузки).
Mms (кГ) - эффективная масса подвижной системы (включает массу диффузора и
колеблющегося вместе с ним воздуха).
Rms (кГ/с) - активное механическое сопротивление головки.
Cas - акустический эквивалент Cms
Mas - акустический эквивалент Mms
Ras - акустический эквивалент Rms
Cmes (Ф) - эквивалентная емкость Mms
Lces (Г) - эквивалентная индуктивность Cms
Res (Ом) - эквивалентное сопротивление Rms
B (Тл) - индукция в зазоре.
l (м) - длина проводника звуковой катушки.
Bl (м/Н) - коэффициент магнитной индукции.
Pa - акустическая мощность
Pe - электрическая мощность
cЗВ=342 м/с - скорость звука в воздухе в нормальных условиях.
ρ=1.18 кГ/м^3 - плотность воздуха в нормальных условиях.
3. Выбор динамических головок
Определяется основными параметрами технического задания. Рассмотрим по пунктам:
1. Принцип (Principle): одно-, двух-, трех- и многополосная АС и акустическое
оформление (открытый ящик (freeair), закрытый ящик, фазоинвертор (bass reflex),
полосовая АС (bandpass), акустический волновод (лабиринт), рупорная АС и т.д.)
Акустическое оформление задается или выбирается с учетом частотного диапазона,
неравномерности частотной характеристики в области низких частот, а также
габаритных размеров ящика.
На этом этапе осуществляется выбор НЧ динамиков, определяемый полной
добротностью Qts, эквивалентным объемом VAS и резонансной частотой головки FS.
Если величина Fs/Qts составляет 70 или меньше, динамик применяется в
закрытом ящике. Необходимый объем ящика при этом будет тем меньше, чем
ниже Fs или чем меньше Vas.
Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts
составляет 90 и больше.
Для двойных фазоинверторов или квазиполосовых АС – желательно применять
головки с показателем Fs/Qts равным 100 и выше.
2. Эффективно воспроизводимый частотный диапазон (Frequency Responce)
акустической системы
Определяет выбор динамиков по их эффективно воспроизводимому частотному
диапазону и характеристической чувствительности.
Перекрытие частотных диапазонов головок должно составлять не менее 2 октав
(4 раза), иначе не удастся обеспечить точное согласование и плавность переходов
фазочастотных характеристик головок в области частоты раздела фильтров.
Очень удобно подбирать комплект головок по их зависимостям dB SPL(freq),
желательно также, чтобы характеристическая чувствительность головок
комплекта была одинаковой или, по возможности, близкой.
3. Диаграмма направленности или углы покрытия (Nominal Covering Angles)
Определяет выбор высокочастотной головки. Диаграмма направленности или углы
покрытия для рупорных ВЧ-драйверов указываются в документации.
4. Мощность (Power Handling)
Рекомендуемые соотношения мощностей головок
для двухполосной АС: НЧ-СЧ:СЧ-ВЧ как 1,5...3,0 : 1,0 (с учетом
чувствительности)
для трехполосной АС: НЧ:СЧ:ВЧ как 50% : 35% : 15% (от номинальной
мощности с небольшими вариациями при учете чувствительности)
мощность АС определяется суммарной мощностью НЧ, СЧ и ВЧ головок
5. Характеристическая чувствительность (Sensitivity) АС в целом приближенно
определяется средней характеристической чувствительностью головок.
6. Максимальное звуковое давление (Max SPL)
Здесь динамики выбираются по требуемому звуковому давлению.
7. Импеданс (Impedance)
Здесь имеется в виду в основном сопротивление АС по постоянному току. Этот
параметр определяет способ включения головок (последовательное, параллельное или
комбинированное) и обычно оказывается приблизительно равным сопротивлению
головок НЧ-звена.
8. Масса и габариты
Определяют размеры выбираемых головок (Ø, Sd), а также материал и конструкцию
магнитной системы и диффузородержателя.
Приведем пример технической документации на динамические головки разных типов

Низкочастотный динамик SN-12 B производства «P. Audio»

Высокочастотный драйвер PHT-413 производства «P. Audio»
4. Выбор и расчет акустического оформления
Типы акустического оформления по мере возрастания порядка компонентов.
При работе с кроссовером (разделительным фильтром) порядок системы увеличивается на порядок кроссовера.
Пример: если кроссовер первого порядка 6dB/октава (катушка индуктивности последовательно с динамиком) используется с акустическим
оформлением четвертого порядка, система в целом будет пятого порядка.
Наименование
Первый порядок:
бесконечный объем или
открытое пространство
Схематическое изображение
|
|
/
/
||
||
\
\
|
|
Достоинства
 Корпус не нужен. Значит проще смонтировать и
подключить.
Недостатки
 Требует хорошей
акустической изоляции
между передней и задней
поверхностью диффузора.
 Демпфирование диффузора в
этом случае определяется
только гибкостью
подвижной системы и
может оказаться
недостаточным.
 Менее эффективна в
области самых низких
частот по сравнению с
другими конструкциями.
а) Второй порядок:
акустически
разгруженный или
закрытый корпус.
_________
|
|
|
/
|
/
|
||
|
||
|
\
|
\
|_________|
б) Второй порядок:
изобарический*акустичес
ки разгруженный или
закрытый корпус
(сдвоенные головки)
______________
|
_____|
|
/
/
|
/
/
|
||
||
|
||
||
|
\
\
|
\____\
|______________|
а)
а) Четвертый порядок:
фазоинвертор туннель
или щель
б) Четвертый порядок:
пассивный излучатель
фазоинвертор
в) Четвертый порядок:
изобарический*
фазоинвертор
б)
________
|
|
|
/
|
/
|
||
|
||
|
\
|
\
|
|
|
|
|
|
|
____|
|
|
____
|
|
|________|
________
|
|
|
/
|
/
|
||
|
||
|
\
|
\
|
|
|
/
|
/
|
|
|
|
|
\
|
\
|________|
_____________
|
____ |
|
/
/
|
/
/
|
||
||
|
||
||
|
\
\
|
\____\
|
|
|
|
|
|
|
____|
|
|
____
|
|
|_____________|
а)
б)
в)
 Малый занимаемый объем.
 Неглубокий (12 dB/октава)
спад АЧХ на низких
частотах.
 Прекрасная переходная
характеристика и
групповое время задержки.
 Легкость монтажа и
простота конструкции.
 Снисходительность к
конструктивным
просчетам.
 На 3-4 dB эффективнее,
чем закрытый корпус.
 Отдача в области "верхнего
баса" лучше, а искажения
меньше.
 Магнитная система
хорошо охлаждается.
 АЧХ правильно
сконструированного
агрегата расширена в
область низких частот по
сравнению с закрытым
корпусом.
 Недостаточная
эффективность.
 Незначительная отдача в
области "верхнего баса".
 При использовании
мощного агрегата в
маленьком корпусе
охлаждение магнитной
системы недостаточно.
 Недостаточная нагрузка
ниже Fb.
 Сложнее в
проектировании, в
результате просчетов
можно получить гулкий,
неприятный звук.
а) Четвертый порядок:
фазоинвертор с
резонатором
б) Четвертый порядок:
изобарический*
фазоинвертор с
резонатором
а) Четвертый порядок:
трехкамерный
фазоинвертор с
резонатором
б) Четвертый порядок:
трехкамерный
изобарический*
фазоинвертор с
резонатором
Пятый порядок = агрегат
4 порядка + кроссовер 1
порядка
Пятый порядок = агрегат
3 порядка + кроссовер 2
порядка
___________
____
|
|
| |
|
|
/
| |
|
|
/
|
|
||
|
|
||
|
|
\
|
|
\
|
|_______|___________|
а)
_________
_________
|
| | | |
|
|
/
| |
\
|
|
/
\
|
| ||
|| |
| ||
|| |
|
\
/
|
|
\
/
|
|______|_______|______|
а)
______________
___
|
|
| |
|
|
/ \
| |
|
|
/
\
|
|
||
||
|
|
||
||
|
|
\
/
|
|
\ /
|
|_______|_____________|
б)
____________
____________
|
|
| |
|
|
|
/ \
| |
/ \
|
|
/
\
/
\
|
| ||
||
||
|| |
| ||
||
||
|| |
|
\
/
\
/
|
|
\ /
\ /
|
|______|_____________|______|
б)

Надлежащим образом
сконструированный и
смонтированный сабвуфер
обеспечивает прекрасное
воспроизведение самых
низких частот.
 Лучше демпфируются
колебания диффузора и
снижаются механические
нагрузки.
 При установке в
автомобиле диффузор
надежно защищен от
болтающихся по багажнику
предметов

Трудно изготовить,
займет уйму времени и
очень критично к
ошибкам
проектирования.
 Фильтрующие
свойства часто
маскируют искажения,
возникающие при
ограничении сигнала в
момент перегрузки
усилителя. В результате
слушатель и не
догадывается, что
динамик на грани
выхода из строя.
 Переходная
характеристика зависит от
характера настройки. При
широкой полосе звук
вялый, узкая полоса (и
большая отдача) улучшает
переходную
характеристику.
а) Шестой порядок:
фазоинвертор-резонатор
двойного действия
б) Шестой порядок:
изобарический*
фазоинвертор - резонатор
двойного действия
а) Шестой порядок:
трехкамерный
фазоинвертор- резонатор
двойного действия
__
__________
__
| | |
|
| | |
| | |
/
| | |
| | |
/
|
|
||
|
|
||
|
|
\
|
|
\
|
|____________|_________|
а)
_
_______
_______
_
| | |
|
| |
|
| | |
| | | /
| |
\ | | |
|
/
\
|
|
||
||
|
|
||
||
|
|
\
/
|
|
\
/
|
|________|_________|________|
б) Квази-шестой порядок:
последовательный
двойной фазоинвертор
а)
Седьмой порядок =
агрегат 6 порядка +
кроссовер 1 порядка и т.д.
__
____________
__
| | |
|
| | |
| | |
/ \
| | |
| | |
/
\
|
|
||
||
|
|
||
||
|
|
\
/
|
|
\ /
|
|____________|___________|
б)
__________
____
|
| | |
|
|
/
| |
|
|
/
|
|
||
|
|
||
|
|
\
|
|
\
|
|
____|
|
|
|
|
____
|
|
|
|
|_______|__________|
б)
а) Квази-восьмой порядок
последовательный
фазоинвертор-резонатор
двойного действия
б) Восьмой порядок
фазоинвертор-резонатор
тройного действия
_
___________
_
| | |
|
| | |
| | |
/
| | |
|
/
|
|
||
|
|
||
|
|
\
|
|
\
|
|
____|
|
|
|
|
____
|
|____________|________|
а)
.
___________
___________
|
| |
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|___
___________
____|
|
| |
|
| |
|
|
| |
/
| |
|
|
/
|
|
||
|
|
||
|
|
\
|
|
\
|
|_____________|____________|
б)
* Варианты изобарической (сдвоенной) (Iso-Group) головки громкоговорителя:
Встречный (пушпульный)
"лицом к лицу"
_________________
|
|
|
/ \
|
/
\
|
>>> ||
|| >>>
|
>>> ||
|| >>>
|
\
/
|
\ /
|_________________|
"спина к спине"
_________________________
|
_________|
|
\
/
|
\
/
|
>>> || || >>>
|
>>> || || >>>
|
/
\
|
/_______\
|_________________________|
Комбинированный
(туннельная установка)
"в затылок"
___________________________
|
____|
|
/
/
|
/
/
|
>>> || || >>>
|
>>> || || >>>
|
\
\
|
\___\
|___________________________|
С отражающей поверхностью
___________________________
|
| |
|
/
|
|
/
|
|
|| >>> |
|
|| >>> |
|
\
|
|
\
|
|________________________| |
| |
/
|
/
|
|| <<< |
|| <<< |
\
|
\
|
|__|
>>> мгновенное направление движения диффузора
В описанных вариантах можно использовать различные способы установки
сдвоенных головок. Предпочтительный вариант следует выбирать исходя из конкретных
конструктивных и акустических требований.
О ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯХ СО СДВОЕННЫМИ ГОЛОВКАМИ
Основные достоинства сдвоенной головки (по сравнению с одиночной) - более
гладкая АЧХ, меньшие нелинейные искажения и вдвое меньший требуемый объем
ящика акустического оформления. Оптимальная конструкция - та, в которой
головки обращены диффузорами одна к другой.
АЧХ сглаживается благодаря взаимному демпфированию головок, из которых
составлена сдвоенная. Каждая одиночная головка в пределах допускаемых отклонений
имеет свою, обусловленную технологией производства, неравномерность АЧХ, поэтому
частоты пиков и провалов на их АЧХ не совпадают. В сдвоенной головке часть этих пиков
и провалов взаимно компенсируются.
Нелинейные искажения уменьшаются из-за того, что сдвоенная головка (в отличие
от одиночной) представляет собой симметричную электромеханоакустическую систему.
По этой причине сопротивление воздушной среды с ее обеих сторон практически
одинаковое, обусловленное конструктивными особенностями и свойствами материала.
Различие гибкости подвеса у сдвоенных головок при движении диффузора вперед и назад
отсутствует. Наконец, асимметрия распределения магнитной индукции в зазоре
магнитной системы, отрицательно влияющая на уровень второй гармоники, в сдвоенной
головке не проявляется.
Объем ящика уменьшается благодаря тому, что результирующая гибкость подвеса
сдвоенной головки по сравнению с одиночной снижается вдвое. Масса же подвижной
системы сдвоенной головки возрастает во столько же раз, поэтому частота основного
механического резонанса не изменяется. Для сохранения расчетной резонансной
частоты сдвоенной головки в акустическом оформлении требуется ящик объемом,
вдвое меньшим, чем для одиночной головки того же типа, что видно из следующих
соотношений:
C as
FB
;

FS
CB
CB 
V 2
Dia 4
Где FB и FS - резонансные частоты головки соответственно в ящике и открытом
воздушном пространстве, Cas и CB - гибкость подвеса головки и воздуха в ящике, V объем ящика, Dia - эффективный диаметр диффузора. Поскольку значение Dia сдвоенной
головки такое же, как и одиночной, для выполнения приведенных соотношений при
уменьшении гибкости Cas в 2 раза необходимо уменьшить гибкость CB, а следовательно, и
объем V во столько же раз (по сравнению с двумя головками, установленными
отдельно, объем уменьшится в 4 раза).
Сдваивание головок приводит к изменению общего эквивалентного объема. Так, при
сдваивании головок с эквивалентными объемами Vas1 и Vas2 их общий
эквивалентный объем:
Vas 
Vas 1  Vas 2
4
Вся методика дальнейшего расчета громкоговорителей со сдвоенными головками
не отличается от расчета громкоговорителей с одинарными головками как для закрытого
ящика, так и для фазоинвертора.
Изготовление корпуса
Для получения от акустической системы высококачественного звучания ее необходимо не
только правильно рассчитать, но и тщательно изготовить. Здесь даны рекомендации,
которые позволят избежать наиболее часто встречающихся ошибок, способных свести на
нет все конструкторские ухищрения.
Материалы и конструкция
Акустическое оформление рассчитывается исходя из конструктивных параметров
низкочастотных головок. В любом акустическом оформлении следует избегать какихлибо щелей и отверстий, корпус должен быть герметичным. Отверстия или щели
приводят к акустическому "короткому замыканию", вследствие чего воспроизведение
низких частот резко ухудшается. Головки громкоговорителей, если в их конструкции не
предусмотрено посадочное уплотнение, следует устанавливать через уплотняющую
прокладку из губчатой резины или резиновой трубки. То же самое относится и к
сдвоенным головкам сабвуферов.
При установке фазоинвертора необходимо обеспечить герметичность стыка трубы и
панели.
Диаметр отверстия для головки должен быть равен диаметру диффузора с учетом гофра,
чтобы исключить возможность касания гофром панели во время работы. Диффузор
головки при установке на наружной панели необходимо защитить от повреждений тонкой
решеткой или сеткой с ячейками 5-10 мм. Неплохо также защитить порт или туннель
фазоинвертора от попадания посторонних предметов, что особенно актуально при
установке сабвуфера в багажнике автомобиля. Крепление головок осуществляется при
помощи винтов, шурупов или шпилек. Головки не следует притягивать к корпусу
слишком сильно, чтобы не вызвать перекос диффузородержателя и подвижной системы и
не увеличить вибрации.
Материал корпуса должен обеспечивать жесткость панелей, особенно той, на которой
смонтирован(ы) динамик(и). Наиболее подходящие материалы - фанера, ДВП и ДСП. Чем
больше размеры корпуса и мощность головки, тем толще должен быть материал корпуса.
Для сабвуферов толщина панелей под динамики должна быть не меньше 15 мм, прочих 10 мм. Жесткость панелей можно увеличить при помощи дополнительных распорок
между противоположными стенками или ребер жесткости в виде прикрепленных к панели
брусков.
При самостоятельном изготовлении корпуса избежать шипового соединения панелей
можно, соединяя панели при помощи металлических уголков или деревянных брусков.
Деревянные бруски, кроме того, позволяют довольно просто изготовить скошенные
корпуса, более приспособленные к установке под сиденьями. В любом случае панели и
связующие элементы устанавливают на клею и крепят шурупами или винтами, а после
высыхания клея стыки герметизируют изнутри силиконом, эпоксидной смолой или
герметиком. Для заделки щелей на стыке панелей можно использовать смесь древесных
опилок с клеем. Внутренние поверхности корпуса следует хорошо задемпфировать.
Готовый корпус необходимо ошкурить, затем его можно зашпаклевать, загрунтовать и
покрасить, или отделать ковровым покрытием.
Звукопоглотитель
Закрытое акустическое оформление (U.C.)
Преимущество данного вида акустического оформления заключается в том, что задняя
поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует
акустическое короткое замыкание. Недостаток – диффузоры головок нагружены
дополнительной упругостью объема воздуха в ящике. Наличие этой упругости приводит к
повышению резонансной частоты системы «головка-ящик» и, как следствие, к сужению
снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема
воздуха SB может быть найдена следующим образом:
S B  0 S d2 / V
Где γ – показатель адиабаты или отношение теплоемкости воздуха при постоянном
давлении к его теплоемкости при постоянном объеме (для воздуха γ=1,4); ρ0 – постоянное
атмосферное давление; Sd – эффективная площадь диффузора головки, V – объем ящика.
Отметим также, что если головка установлена в закрытый ящик, ухудшается
равномерность частотной характеристики в области средних и высших частот из-за
резонансных явлений в материале ящика. Для их устранения внутреннюю поверхность
ящика, особенно задней панели, покрывают звукопоглощающим материалом, а также
заполняют им часть объема.
Введение звукопоглотителя в конструкцию корпуса громкоговорителя позволяет
превратить адиабатический процесс сжатия-расширения воздуха в ящике в
изотермический (показатель адиабаты γ в этом случае равен 1), что эквивалентно
увеличению объема корпуса на 10-20%. Соответственно снижается и резонансная частота
громкоговорителя, в пределе это снижение достигает 1,4 от исходной величины. Кроме
того, звукопоглотитель ослабить отражения сигнала и резонансные явления в объеме
корпуса, что благоприятно сказывается на результирующей АЧХ.
---------->>>>>>
Другими словами:
Конструктивно простейшее акустическое оформление из практически применяемыхзакрытый ящик (sealed или closed в зарубежной терминологии). Здесь с ненужными
колебаниями поступают решительно и круто: запертые в замкнутом пространстве позади
диффузора, они рано или поздно угаснут, и превратятся в тепло. Количество этого тепла
мизерно, но в мире акустики все носит характер малых возмущений, поэтому то, как
происходит этот термодинамический обмен, небезразлично для характеристик
акустической системы. Если позволить звуковым волнам внутри корпуса
громкоговорителя болтаться без присмотра, значительная часть энергии будет рассеяна на
содержащемся внутри корпуса объеме воздуха, он, пусть и незначительно, нагреется и
изменится упругость воздушного объема, причем в сторону повышения жесткости. Для
того, чтобы этого не происходило, применяют заполнение внутреннего объема
звукопоглощающим материалом. Поглощая звук, этот материал (обычно вата,
натуральная, синтетическая, стеклянная или минеральная), поглощает и тепло. Из-за
существенно боьшей, чем у воздуха, теплоемкости звукопоглощающих волокон
повышение температуры становится намного меньше и динамику "кажется", что позади
него существенно больший объем, нежели не самом деле. На практике таким способом
удается добиться увеличения "акустического" объема по сравнению с геометрическим на
15 - 20%. В этом, а вовсе не в поглощении стоячих волн, как считают многие, заключается
основной смысл введения звукопоглощающего материала в закрытые громкоговорители.
---------->>>>>>
Звукопоглощающий материал для заполнения внутреннего объема корпуса должен быть
рыхлым и пористым. Применимы вата в виде матов (для закрытого оформления можно в
матерчатом или марлевом мешке), дакрон, синтепон. Для закрытого оформления
необходимо заполнить приблизительно 60% объема позади головки, для фазоинвертора и
пассивного излучателя достаточно нанести звукопоглотитель на заднюю (обязательно) и
боковые (желательно) стенки слоем толщиной не менее 20-30 мм. Не следует размещать
звукопоглотитель вблизи отверстия или трубы фазоинвертора, так как чрезмерное
демпфирование может привести к полному прекращению действия фазоинвертора. В
резонансных камерах акустических оформлений высоких порядков звукопоглотитель не
обязателен, но в некоторых случаях может быть полезным нанести его на одну из стенок
слоем 10-20 мм для уменьшения отражений. Маты из ваты изготавливают так: на куске
марли или бязи раскладывают вату ровным слоем, накрывают другим куском и
простегивают суровой ниткой. Маты крепят к внутренним поверхностям корпуса
гвоздями, шурупами или на клею. Удобно также применять листовой поролон
(пенополиуретан) в виде ковриков и матов толщиной 20-50 мм. Для увеличения
пористости (что дает лучшее звукопоглощение) неплохо некоторое время походить по
ним (но не грязными сапогами!).
Программное обеспечение для проектирования сабвуферов
Программы расчета различных вариантов акустического оформления доступны через
ftp://ftp.uu.net/usenet/rec.audio.high-end/Software. Наиболее популярная программа - Perfect
Box (файл "perf.uu" или "perf.zip"). Но ни одна программа не сделает за Вас оптимальный
выбор ! Программа не может учесть ограничения объема, тип автомобиля, тип и
количество обычных басовых динамиков, Ваши музыкальные предпочтения и
предполагаемые затраты. Многие слепо уверены, что компьютерная программа дает
оптимальное решение и результат их обескураживает. Лучше обсудить приглянувшуюся
конструкцию с квалифицированным монтажником, а еще лучше - с производителем.
Среди прочей информации заслуживает также внимания файл "sahfsd01.doc" в архиве
ftp.uu.net. Аббревиатура расшифровывается как "Software and Hardware for Speaker
Design". Файл был добавлен в июне 1994 анонимным автором.
ФАЗОИНВЕРТОР
1. Обозначения
FS - резонансная частота головки в свободном пространстве, Гц;
FB - собственная резонансная частота ящика-фазоинвертора, Гц;
F - частота сигнала подаваемого на динамическую головку, Гц;
Qts - общая добротность головки при работе от конкретного усилителя;
V - объём ящика фазоинвертора, м3;
Vas – эквивалентный объём воздуха, соответствующий акустической гибкости подвижной
системы, м3.
SV - площадь сечения порта, м2.
LV - фактическая длина порта, м.
LVE - эффективная длина порта с учетом краевых эффектов, м.
2. Принцип работы фазоинвертора
Фазоинвертор в отечественной литературе, bass reflex, ported box, vented box - в
зарубежной - все это звукотехническая реализация идеи резонатора Гельмгольца. Идея
проста - замкнутый объем соединяется с окружающим пространством с помощью
отверстия, содержащего некоторую массу воздуха.
На относительно высоких частотах, выше 2..3 FB, инерция
воздушной массы в тоннеле приводит к тому, что он
акустически совершенно непрозрачен, как будто закрыт совсем.
Ниже по частоте масса воздуха в тоннеле приводится в
движение пульсирующим внутри ящика давлением. Инерция
воздушной массы приводит к тому, что она двигается не в такт с
действующей на нее волной, а с некоторым сдвигом. Этот сдвиг
достигает 180°, то есть излучается противофазно звуковой
волне, исходящей от тыльной стороны диффузора (то есть
синфазно с волной, излучаемой передней стороной диффузора)
на некоторой частоте, которая и называется частотой настройки
фазоинвертора. Здесь почти вся кинетическая энергия динамика
идет на раскачивание воздушной массы внутри тоннеля, так что
на собственные колебания ее почти не остается, и амплитуда
колебания диффузора минимальная. Звук при этом излучается
тоннелем фазоинвертора. А поскольку именно большие
амплитуды колебаний диффузора порождают заметные на слух
искажения – то в области частоты настройки фазоинвертора эти
искажения пропадают.
Еще ниже по частоте картина меняется в худшую сторону. Для совсем медленных
низкочастотных колебаний масса инерция массы воздуха в тоннеле незначительна и
тыльная сторона диффузора раскачивает ее, как насос. При этом возникает ситуация, как
будто динамик вообще не установлен в корпус, то есть волны от тыльной стороны
диффузора и от лицевой встречаются в противофазе и в значительной степени гасят друг
друга, как при нормальном акустическом коротком замыкании. Поэтому ниже частоты
настройки отдача фазоинвертора и падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика. При
этом диффузор уже ничто не тормозит, и амплитуда его колебаний на совсем низких
частотах начинает расти просто катастрофически. Как показано на рисунке (нижняя
красная кривая), при постоянной подводимой мощности смещение низкочастотной
головки в фазоинверсном оформлении превышает предел, за которым возникают
нелинейные искажения на гораздо более низкой частоте, чем в закрытом ящике (верхняя
красная кривая). А это уже выигрыш в КПД. При прочих равных условиях в области
самых низких частот КПД фазоинверсного громкоговорителя оказывается на 3 дБ
выше, чем для закрытого оформления. Этот выигрыш в эффективности может быть
использован для снижения частоты среза (при сохранении линейности АЧХ) или для
уменьшения объема АС.
3. Минимальная частота настройки фазоинвертора
В случае использования в малогабаритной АС низкочастотных головок с высокой
добротностью Qts=0,65...1,5 - вообще сложно или невозможно получить ровную АЧХ в
корпусе любого объема. Поэтому целесообразно произвести настройку FB на частоту в
2...3 раза (точнее - см. дальше) ниже резонансной частоты головки FB будет практически
повторять АЧХ закрытой АС такого же объема. Чем ниже FB, тем ближе сходство АЧХ.
При низкой частоте FB наблюдаются также меньшие фазовые искажения и меньшее
групповое время задержки излучения АС на низких частотах.
Приближенную формула, по которой можно с точностью 10-15% рассчитать
оптимальную (минимально возможную) частоту настройки фазоинвертора (FBmin) для
конкретной низкочастотной головки. Иначе - это критерий определения частоты,
начиная с которой конкретная динамическая головка в АС с фазоинвертором
способна обеспечить максимальное акустическое давление не меньшее, чем на
средних частотах при подведении к ней номинальной электрической мощности:
FB min 
0 .8

Dia N d
SPL
X MAX
где:
Nd - число установленных в корпусе АС однотипных головок
Dia – эффективный диаметр диффузора, см
SPL - чувствительность головки дБ/Вт*м
XMAX - максимальное смещение диффузора (в одну сторону), см.
Главное, что частота FBmin, ниже которой максимальное акустическое давление,
создаваемое головкой, начинает резко уменьшаться, практически не зависит ни от объема
корпуса, ни от собственной резонансной частоты головки. Таким образом, не имеет
никакого смысла производить расчет корпуса с фазоинвертором, настроенным на
частоту ниже FBmin – не удастся получить приемлемую акустическую отдачу
низкочастотной головки в корпусе АС даже очень большого объема, хотя АЧХ АС
может быть оптимальной.
4. Расчет фазоинвертора
Частота настройки фазоинвертора fB связана с площадью сечения его порта эффективной
длиной порта LVE и объемом корпуса V соотношением
FB 
c ЗВ
2
SV
VLVE
(13)
где сзв - скорость распространения звука рассчитываемая в зависимости от абсолютной
температуры воздуха как:
cЗВ  331 Т / 273
Эффективная длина порта LVE слагается из фактической длины LV и дополнительной,
учитывающей краевые эффекты:
LVE  LV  0.825 SV
(14)
Для инженерного проектирования удобнее представить (13) в виде
LV 
2
c ЗВ
SV
 0.825 S v
2 2
4 FB V
что позволяет рассчитать необходимую длину порта при заданной частоте настройки.
Из приведенных соотношений видно, что частоту настройки удобнее всего регулировать
изменением длины порта фазоинвертора LV. Можно, хотя и значительно сложнее,
регулировать ее изменением площади сечения порта SV. При этом только нужно иметь в
виду, что длина порта должна быть такой, чтобы в нем даже на самой низкой
воспроизводимой громкоговорителем частоте не могли возникнуть стоячие волны.
Другими словами, его длина не должна превышать величину
LMAX 
c ЗВ
12 FB*
(15)
где FB* — наименьшая из FS и FB
Установлено также, что скорость воздушного потока в тоннеле фазоинвертора не должна
превышать 5 % скорости звука, так как в противном случае возникают нелинейные
искажения и растут потери. Последнее условие накладывает ограничения на минимальное
значение площади сечения порта:
S MIN  0.8FBVd
(16)
где:
fB Гц — частота настройки фазоинвертора,
Vd (м3) — объемное смещение или возбуждаемый объем (произведение Sd на XMAX),
Если параметр Sd неизвестен, его можно приблизительно рассчитать как
Sd 
Dia 2
4 2
Это так называемая эффективная излучающая поверхность диффузора. Для самых низких
частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной.
Dia (м) в данном случае будет являться расстояние от середины ширины резинового
подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с
тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей
поверхностью.
XMAX (м) - максимальное смещение диффузора (обычно указано в документации к ГД
зарубежного производства).
5. Конструкция фазоинвертора

Конструкция порта фазоинвертора должна удовлетворять следующим условиям:
жесткость и отсутствие резонансных призвуков в материале порта.

Порт можно разместить на любой боковой или задней стенке корпуса АС. Только
в том случае, если АС будет установлена в пространстве между мебельными
секциями или вплотную к стене или к другим предметам, ограничивающим
излучение сбоку или сзади - порт обязательно располагают на лицевой панели.

При расчете длины порта исходят из того, что внутренний край трубы должен
отстоять, по крайней мере, на расстояние ее диаметра от внутренней поверхности
противоположной стенки корпуса АС.

Установка нескольких (n) идентичных портов эквивалентна применению одного
порта такой же длины с внутренним диаметром в n раз больше, чем диаметр
одного из пары.
---------------------------------------незначительно. Моделирование различных вариантов моделирование программой JBL
Speaker Shop позволило определить основные соотношения параметров:
В этом случае объем резонансной камеры и размеры порта фазоинвертора получаются
вполне пристойными. Увеличение объема резонансной камеры относительно Vas сужает
полосу пропускания. Уменьшение объема расширяет полосу пропускания, но АЧХ
становится двугорбой. С учетом реально доступных объемов для такой конструкции
лучше всего подходят динамические головки со следующими параметрами:



Qts=0.7…1,0
Vas=20…50 л
Fs=40…60 Гц
Этим условиям отвечают не только "серьезные" динамики, но и многие "блины".
Эффективность такой системы (по крайней мере, теоретически)в области частот ниже 50
Гц заметно выше, чем у закрытого корпуса. Результаты моделирования "в одном и том же
багажнике" говорят сами за себя:
Разделительные фильтры, кроссоверы,
контроллеры
Для двухполосных систем частоту раздела спектра звукового сигнала выбирают в
диапазоне от 100 до 500 Гц или от 2000 до 6000 Гц.
Для трехполосных систем средняя полоса выбирается в границах от 400 до 4000 Гц.
Инженерный расчет LC-фильтров Баттерворта
1. Выбирается конфигурация фильтра. На рисунках приведены Т и π –звенья прототипа
НЧ-фильтра



Для одинаковых сопротивлений источника и нагрузки подходит любая
конфигурация. π-звено предпочтительнее, поскольку требуется меньшее количество
индуктивностей. В случае затруднения с приобретением конденсаторов требуемых
номиналов, рекомендуется выбирать Т-звено.
Если сопротивление нагрузки значительно выше сопротивления источника, то
следует выбрать Т-звено. Этот случай является наиболее распространенным в
звукотехнике, поскольку сопротивление усилителей мощности близко к 0, и даже
может иметь отрицательные значения. Поэтому во многих расчетных программах
приведены именно Т-фильтры.
Если сопротивление нагрузки значительно ниже сопротивления источника, то
следует выбрать π -звено. Этот случай практически не встречается в звукотехнике, за
исключением систем оповещения.
2. Исходя из требуемой крутизны характеристики фильтра выбирается количество
полюсов (n). Крутизна идеального фильтра Баттерворта определяется как 6n (дБ/Окт), и
составляет, например, 18 дБ/Окт для n=3.
3. Рассчитываются номиналы элементов фильтра.
П
Т
Низкочастотные фильтры Баттерворта (Rн=1 Ом)
C1
L2
C3
L4
C5
L6
L1
C2
L3
C4
L5
C6
1.4142 1.4142
1.4142 0.7071
1.0
2.0
1.0
1.5
1.3333
0.5
0.7654 1.8478 1.8478 0.7654
1.5307 1.5772 1.0824 0.3827
0.6180 1.6180
2.0
1.6180 0.6180
0.5451 1.6944 1.3820 0.8944 0.3090
0.5176 1.4142 1.9319 1.9319 1.4142 0.5176
1.5529 1.7593 1.5529 1.2016 0.7579 0.2588
0.4450 1.2470 1.8019
2.0
1.8019 1.2470
1.5576 1.7988 1.6588 1.3972 1.0550 0.6560
0.3902 1.1111 1.6629 1.9616 1.9616 1.6629
1.5607 1.8246 1.7287 1.5283 1.2588 0.9371
Rи
1/Rи
1
∞
1
∞
1
∞
1
∞
1
∞
1
∞
1
∞
n=2
n=3
n=4
n=5
n=6
n=7
n=8
C7
L7
L8
C8
0.4450
0.2225
1.1111
0.5776
0.3902
0.1951
Величины Li, Ci соответствуют нагрузке 1 Ом и частоте среза (-3 дБ) 1рад/с
В таблице приведены нормализованные значения элементов для 2 – 8-полюсных фильтров
НЧ для двух общих случаев:
1.) Сопротивления источника (Rи) и нагрузки (Rн) равны.
2.) Одно из сопротивлений, источника (Rи) или нагрузки (Rн) значительно больше
другого.
С помощью таблицы определяются действительные значения емкостей и индуктивностей
по формулам для соответствующих фильтров.
ФНЧ:
Rн – действительное значение сопротивления нагрузки (4, 6, 8, 16 Ом),
ω – требуемая циклическая частота среза (ω=2πfср)
действ.
n
L

.
Rн Lтабл
n

C
действ.
n
C nтабл.

Rн
ФВЧ:
Необходимо преобразовать прототип ФНЧ следующим образом: заменить индуктивности
на емкости, а емкости на индуктивности. Весь остальной расчет аналогичен. Формулы для
расчета действительных значений получившихся элементов:
.
Lдейств

n
Rн
Сnтабл.
Cnдейств. 
1
.
RнLтабл
n
Защита
Если максимальная выходная мощность усилителя мощности превышает номинальную
мощность низкочастотной головки АС в два и более раз, рекомендуется защитить
динамики от перегрузки плавким предохранителем на ток, который можно рассчитать по
формуле:
I 2
Pном
Re
Pном - номинальная мощность НЧ головки,
Re - сопротивление головки постоянному току.