Фазоинвертор для чего и из чего?
Ну как, нашли подсказку, на которую я намекал в прошлом выпуске? Там было насчёт «баса народа»…
На службе народу
Ладно, раз не нашли, сейчас помогу. Весной 2006 года мы с вами общими усилиями (один я бы не справился) пришли к очень благоприятному для себя заключению: при правильном выборе динамика и верном расчёте объёма закрытый ящик может обеспечить в салоне автомобиля абсолютно, незыблемо ровную АЧХ. Ровную и простирающуюся в область низких частот настолько, насколько немыслимо этого достичь в домашнем аудио, ни за какие деньги. Всё, что для этого надо сделать — устроить так, чтобы АЧХ сабвуфера в открытом пространстве начала спадать примерно (или точно) там же, где начинается подъём на волшебной кривой передаточной функции салона. Двигая этой частотой вверх или вниз по оси частот, мы можем получить некоторый подъём на АЧХ или, наоборот, пострадать от некоторого спада по отношению к средним частотам, но в одном можно быть уверенным: уровень звукового давления, создаваемый в салоне машины сабвуфером в закрытом ящике ниже 50 — 60 Гц, не начнёт падать до самых низких, инфразвуковых частот, да и там это произойдёт не из-за него, а из-за нежёсткости и негерметичности кузова. Это было весной, и это, можно считать, были хорошие новости.
Зимой, а точнее — в прошлом номере, мы с той же неумолимостью пришли к выводу: сабвуфер-фазоинвертор ни при каких реально возможных обстоятельствах такой благодати во всей полосе низких частот обеспечить не может. Фазоинвертор придумали чёрт знает когда нарочно для расширения полосы воспроизводимых частот вниз, а у нас, в машине, это не актуально в силу той же самой передаточной функции. Это вроде бы новость плохая.
Однако тут же на реальном примере мы убедились: полосу частот в машине фазоинвертор не расширит, зато способен существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подведенной к сабвуферу мощности. Опять хорошая новость. Итого: две хорошие на одну плохую, счёт в нашу пользу. Но как же всё-таки быть с врождённой неравномерностью АЧХ фазоинвертора? Вот про это и была подсказка, которую вы не нашли.
Чтобы не искать: вот результаты обобщения десятков реально построенных и успешно работающих аудиосистем. Верхний график — чего хотят чемпионы, нижний — что предпочитает просто любитель музыки в автомобиле. Во избежание недоразумений подчеркнём: во всех случаях речь идёт о серьёзных, порой очень недешёвых системах
Кто далёк от народа?
Тогда же, погожей весной 2006 года, мы прошерстили данные рубрики «Системы» на предмет выяснения: какую басовую АЧХ желает иметь народ в своём автомобиле, потратившись на установку руками профессионалов. И выяснили: есть два довольно непохожих типа баса. Один можно наблюдать (вернее — слышать) в машинах, получивших самые высокие оценки на соревнованиях самого высокого уровня. Вот именно так: самые и на самых. В таких машинах басовая частотная характеристика очень напоминает АЧХ дорогой (или очень дорогой) домашней акустики. Обобщённо: ровный, с минимальными отклонениями от горизонтали «стол» до самого низа. Если же взять статистику по обычным, для повседневного использования, автомобилям, там кривая будет существенно другая: с довольно явственно прорисованным подъёмом на басах, максимум которого приходится на 40 Гц.
Почему чемпионы оказались дальше от народа, чем мы ожидали? Да нет, они — из наших, просто на соревнованиях машину слушают на месте и, кроме специальных случаев, при заглушенном двигателе. Это, по существу, воспроизведение домашних условий в салоне, отсюда и уже отмеченное сходство. Но стоит запустить двигатель и куда-нибудь отправиться (а, говорят, автомобиль для этого и предназначен), требования к басам резко меняются, уровень низкочастотного шума в салоне даже дорогого автомобиля неожиданно высок, но воспринимается ухом совсем не так, как шумы на средних частотах. Кажется, что в машине тихо, но почему-то басовые звуки музыкального сопровождения поездки как будто затихают — так наш слух адаптируется к постоянно действующей низкочастотной помехе. Басы надо поднимать, и в этом случае не так страшно, если подняты они окажутся не все сразу, а только до какой-то частоты, в реальных фонограммах содержание информации ниже 30 Гц крайне невелико.
Отсюда и столь любимая в народе форма басовой АЧХ. Отсюда же — крайняя полезность для автомобильной акустики замечательного изобретения, сделанного в первой трети прошлого века.
Упрощённые до прямолинейности графики происходящего в салоне машины, когда туда помещают сабвуфер. Верхний вы уже видели: это — результат идеально аудиофильской настройки сабвуфера типа ЗЯ. Его АЧХ «на свободе» начинает спадать именно там и именно с таким наклоном, с каким её поднимает передаточная функция салона. Итог — неколебимая прямая и призовой кубок.
Смотрите, что пришло
Вновь повторим иллюстрацию к одному из прошлых выпусков: название серии это не только допускает, но и требует. Вот схема, лежащая в основе «рецепта чемпионов». Предельно упрощённая, но все упрощения мы оговорим. Если согласиться с тем, что на нижней граничной частоте АЧХ сабвуфера в закрытом ящике резко, изломом, начинает катиться вниз, а на этой же частоте передаточная функция заворачивает вверх, то результирующая характеристика будет по-чемпионски горизонтальной. Вы правы, природа не терпит изломов, реально кривые будут загибаться плавно, одна вниз, другая — вверх, но при выполнении некоторых условий (которые мы обсуждали) результат будет таким же: ровная АЧХ до неслышимых границ. Теперь с такими же условностями нарисуем, что произойдёт, если вместо закрытого ящика мы построим фазоинвертор. Для большей ясности давайте сначала его построим плохо и неправильно. Это значит: запомнив из материалов про «простые числа», сулящие небесные характеристики ЗЯ (№4/2006 ), что резонансная частота динамика в этом виде оформления должна выбираться близкой к частоте перегиба кривой передаточной функции, настроим на эту частоту и вновь сооружаемый ФИ. Это на практике означает настройку герц эдак на 60 — 70. Что произойдёт? А ничего хорошего, АЧХ фазоинвертора, как уже говорилось, ниже частоты настройки падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика, 24 дБ/окт. вместо 12. Передаточная функция салона про это ничего не знает и по-прежнему обеспечивает подъём АЧХ в присущем ей темпе: 12 дБ/окт. Результатом станет «дефицит бюджета», ниже частоты настройки результирующая АЧХ пойдёт вниз с наклоном 12 дБ/окт. Зачем надо было вертеть дыру в ящике, чтобы такое получить? И верно, незачем, но мы ведь нарочно начали с плохого фазоинвертора, чтобы лучше вышел хороший.
Второй график — пример неуместного переноса этого же подхода на фазоинвертор. Его собственная АЧХ спадает ниже частоты настройки с наклоном уже 24 дБ/окт., передаточная функция наполовину скомпенсирует только крутизну спада, но он начнётся с той же недопустимо высокой частоты.
Выбросим сделанное ранее (слава богу, мысленно) и построим другой ФИ, у которого частота настройки существенно ниже частоты перегиба передаточной функции. Теперь происходит следующее: начиная с некоторой частоты передаточная функция салона начинает поднимать звуковое давление внутри, ведь АЧХ сабвуфера в свободном пространстве пока горизонтальна. Когда же частота (мы идём сверху вниз, разумеется) достигнет частоты настройки, АЧХ самого сабвуфера пойдёт вниз с наклоном 24 дБ/окт., на 12 дБ/окт. её «выправит» передаточная функция, итог — падение отдачи ниже частоты настройки, как у закрытого ящика в комнате.
А теперь посмотрите, что происходит между этими двумя частотами: пока не началось падение АЧХ, фазоинвертор успел набрать изрядный запас звукового давления. То, что в нашей упрощённой схеме выглядит эдаким домиком, на самом деле реализуется в виде плавных кривых, в общем случае похожих именно на форму АЧХ «народного баса». Остаётся самая малость — реализовать это на практике, где прямых и ломаных нету…
Идеализация реальной настройки ФИ: его звёздный час приходится на диапазон между точкой перегиба кривой передаточной функции и частотой настройки. Чем шире разнесены эти две частоты, тем больше простора для басового «домика».
Основной принцип, вытекающий вовсе не из науки, а из самой приземлённой практики, вы уже можете вывести сами. Если большинство населения делает (или принимает сделанную для них) АЧХ сабвуфера в виде горба с центральной частотой около 40 Гц, то зачем нам идти против народа? Исходя из приведенной схемы, самым первым, даже нулевым приближением рецепта оптимального автомобильного (только автомобильного) фазоинвертора будет настройка его на частоту 40 плюс-минус 5 Гц. На передаточную функцию мы никак повлиять не можем, она определит, где начинается подъём АЧХ. А её спад, а следовательно, и максимум придутся по нашей модели на частоту настройки ФИ. И всё? Вновь «простые числа»? Увы, нет. Совсем простых чисел для фазоинвертора не придумано. Но кое-что упростить всё же можно.
Свобода в степени
Действительно, был ящик, стал ящик с тоннелем, почему нельзя и в этом случае обойтись простыми рецептами? Дело в числе переменных, определяющих характеристики фазоинвертора как колебательной системы. Если в случае закрытого ящика мы имели дело с системой с одной степенью свободы, то у ФИ этих степеней две. Численно разница невелика, но для того, чтобы представить, насколько сложнее при этом становятся повадки системы, воспользуемся такой иллюстрацией, вам предстоит либо представить себе не раз виденные предметы в определённом сочетании, либо, если нет иного занятия, взять и в самом деле построить несложную экспериментальную установку. Первая её часть — банальный маятник, да хоть груз на верёвке. Всё, что он умеет — качаться туда-сюда, движения его предсказуемы до неинтересности. У маятника степень свободы — одна, его состояние в любой момент времени исчерпывающим образом определяется углом отклонения от положения равновесия. Теперь замените верёвку резинкой. Степеней свободы, то есть не зависящих друг от друга координат, определяющих состояние такой, с позволения сказать, системы, стало две: угол качания и степень растяжения резинки. Отклоните теперь такой маятник в сторону, одновременно растянув резинку. Если вы правда не видели, что после этого начнётся, не пожалейте времени и галантереи и проведите опыт: вместо банального раскачивания груз будет выделывать в воздухе трудноописуемые и нелегко прогнозируемые кульбиты.
Примерно в той же мере поведение ФИ отличается от предсказуемого ЗЯ. У динамика по-прежнему три параметра, один из которых, эквивалентный объём, сейчас менее важен, потому что определяет масштабный фактор, а не процесс колебаний, а два других, резонансная частота и добротность, по-прежнему важны. Но у акустического оформления параметров стало вдвое больше: объём ящика и частота настройки тоннеля. В каком соотношении эти четыре величины должны находиться, чтобы мы не оказались разочарованы результатами? Серьёзные исследования работы фазоинвертора породили не одну диссертацию и множество классических научных статей, но у нас задача иная, поэтому попытаемся дать практические ориентиры, не вдаваясь в подробности, почему они именно таковы.
Ведь смотрите: считать ФИ всё равно предстоит с помощью компьютерной программы, причём с вероятностью 99% это будет BassBox или (что то же самое) JBL Speaker Shop, эти некогда коммерческие продукты сейчас расползлись по миру в таком количестве, что не найти очередную копию себе сможет только очень ленивый. Но печка, от которой танцевать, даже при наличии испытанного софта, всё же нужна.
Общее правило: чем просторнее корпус ФИ, тем выше (но тем и острее) будет горб акустического усиления
В достаточно просторных корпусах, которые, будь они закрытыми, приводили бы к низким значениям полной добротности динамика в оформлении, пик отдачи ложится на частоту настройки
В корпусах тесных, в том числе — оптимальных в роли ЗЯ для данного динамика, АЧХ имеет максимум выше частоты настройки, при совсем заниженном объёме характеристика приобретает двугорбую форму, а выгода от использования ФИ сходит на нет
Неспортивное ориентирование
Итак, ориентир первый, уже относительно понятный из сравнения практической, «целевой» формы АЧХ, полученной обобщением практики, и упрощённой картинки, иллюстрирующей происходящее в салоне. Если мы хотим, чтобы на АЧХ возник подъём с максимумом в районе 40 Гц, на этой частоте и должен начаться спад АЧХ сабвуфера в свободном пространстве (в комнате или на улице — всё равно, важно, что не в салоне). Эта частота в первом приближении — частота настройки тоннеля. Та же практика демонстрирует со всей очевидностью: во всех удачных аудиосистемах, где используется сабвуфер в фазоинверторном оформлении, частота настройки приходится на диапазон 30 — 40 Гц. В этом же коридоре находятся обычно значения частоты настройки фазоинверторов, рекомендуемых для своих сабвуферов изготовителями. За исключением особых случаев спортивного применения, мы сейчас не об этом. Глядя на условно-упрощённую диаграмму, вы можете сообразить, что при прочих равных чем ниже будет частота настройки ФИ, тем выше успеет забраться АЧХ в салоне, прежде чем начнёт падать с тем же наклоном. Это вы можете увидеть и по фактическим материалам: загляните в какой-либо из наших тестов корпусных сабвуферов и сравните частоту настройки тоннеля (для тех, у кого он есть) с положением максимума звукового давления, зафиксированного при измерениях в салоне.
Однако положение горба по частоте — одно, а высота его — другое. Как добиться желаемого плавного подъёма басов в разумно широкой полосе частот, чтобы АЧХ не стояла домиком, как одеяло у первогодка? Свои ориентиры есть и для этого. Общее правило: при прочих равных (мы всё время делаем эту оговорку, и понятно почему — из-за возросшего числа переменных) подъём АЧХ вблизи частоты настройки будет тем выше и острее, чем больше объём ящика ФИ. Как выбрать первое приближение объёма? Есть простой (наконец-то) рецепт, за которым, правда, стоят далеко не простые умозаключения классиков современной электроакустики. Возьмите такой объём, который, если бы он был закрытым ящиком, дал бы значение полной добротности головки в оформлении, равное примерно 0,55 — 0,6. Именно в силу этого оптимальный объём ФИ в подавляющем большинстве случаев больше, чем оптимальный ЗЯ для этого же динамика, ведь ЗЯ рассчитывается исходя из результирующей добротности 0,7, а то и выше.
При таком объёме (а здесь играет роль, разумеется, не столько абсолютное значение объёма, сколько его отношение к величине эквивалентного объёма динамика Vas) можно рассчитывать на корректную работу получившегося акустического оформления во-первых и на то, что максимум отдачи будет находиться вблизи частоты настройки — во вторых. Нужен более высокий, пусть и более «домиком», подъём АЧХ — увеличивайте объём. Нужен подъём ниже, но более плавный и в более широкой полосе частот — уменьшайте объём, только заранее будьте готовы к двум вещам: вместе со сглаживанием максимума он с уменьшением объёма будет стремиться переехать выше по частоте, и уже не будет строго соответствовать частоте настройки порта, а когда объём достигнет значения оптимального для этого динамика закрытого ящика, с очень большой вероятностью АЧХ приобретёт довольно неуклюжую седловидную форму, при этом акустическое усиление, тот самый горб, который мы пытаемся построить, в большинстве случаев сойдёт на нет.
Впрочем, прежде чем начать опыты с подбором (а по-другому не получается, с одного клика ФИ рассчитать не удавалось ещё никому) объёма и настройки, надо определиться с динамиком. Здесь нам будет необходимо, увы, разрушить одно заблуждение.
Вновь на арене EBP
Мы уже говорили об этой величине, сокращённое имя которой расшифровывается как Energy Bandwidth Product. Этой величиной, численно равной отношению частоты резонанса динамика к его полной добротности, мы уже пользовались при выборе динамика для ЗЯ. Но задолго до нас, уже который год ею призывают пользоваться для сортировки динамиков на предназначенные для закрытых ящиков и просящиеся в фазоинвертор. Принято считать, что, если эта величина меньше 50, динамик предназначен только для ЗЯ. Если больше 100 — только для ФИ, между этими двумя значениями простирается некая сумеречная зона, где может оказаться и так и эдак.
Опыт показывает относительную малую полезность этого показателя для подбора оформления автомобильных сабвуферов, хотя идея в принципе здравая. Малая EBP означает: резонансная частота низкая, добротность относительно высокая, что свидетельствует о тяжёлой подвижной системе, а по канону такой динамик, действительно, идёт в ЗЯ. Большое значение EBP говорит о лёгкой «подвижке», на таких головках, действительно, получаются отличные фазоинверторы, но… дома.
У нас, во-первых, огромное, подавляющее число сабвуферных головок имеют значение параметра EBP в диапазоне 50 — 80, что для пессимиста означает неопределённость, а для оптимиста — свободу выбора. Во-вторых, и это уже из практики, не получаются в машине хорошие ФИ на динамиках с канонически хорошими для этого показаниями. Фазоинвертор на динамике с малой добротностью (а так и оказывается, если EBP переваливает за сотню) в свободном пространстве покажет ровную АЧХ со своеобразным, возможно, поведением вблизи нижней граничной частоты, в машине это своеобразие сложится с передаточной функцией и породит, почти без исключений, довольно уродливую характеристику.
Вклад в относительное развенчание «энергетического продукта» внесли и наши испытатели, проведя исследование на реальных образцах сабвуферных головок. Результат был таков: при значении EBP около 50 (по канону — в ЗЯ, и без разговоров) есть шанс получить очень неплохое акустическое усиление в ФИ с сохранением пристойной формы АЧХ, при 90 (по канону уже просится в ФИ) выигрыш в отдаче падает ниже 3 дБ, зачем, спрашивается, париться? Так что для нашего брата получается всё почти наоборот: наиболее эффективные ФИ выходят на базе наиболее «ящичных» головок. Так уж у нас всё устроено…
Источник
Сабвуфер с фазоинвертором – расчет, настройка и типичные ошибки
Теория и практика “на пальцах”. Умельцам, у которых руки растут из плеч, а в голове – опилки.
Рис. 1 (видео) – музыка австралийских аборигенов: диджериду, басовая дудочка:
Что такое фазоинвертор (ФИ) в колонке или сабвуфере? Это – пневмо-акустический РЕЗОНАТОР Гельмгольца. И как у всякого резонатора у него есть резонанс, весьма выраженный, с высокой добротностью и крутыми склонами, дудочка такая, на одной ноте поёт (см. Диджериду). Так, что в корпусе саба у нас два резонатора: активный (динамик) и пассивный (фазоинвертор). Оба они влияют друг на друга через упругую среду (воздух).
Назначение ФИ: уменьшение нижней рабочей частоты сабвуфера. Небольшое уменьшение. Вот и поглядим, стОит ли оно того.
Мнение большинства: сабвуфер с ФИ играет низА в два раза громче, чем ЗЯ вследствие более высокого КПД. Ну-ну.. А если бы он играл низА в четыре раза громче? Или в шесть? Счастье-то какО!
Утверждение, что сабы с фазоинвертором воспроизводят низкие частоты значительно громче, чем сабы типа ЗЯ – это прославление идиотизма безграмотного разработчика. И отчасти своей неграмотности. Да, действительно, сабы с ФИ МОГУТ играть низА громче, чем ЗЯ, НО БЫТЬ ТАКОГО НЕ ДОЛЖНО! Это искажение тонального баланса муз. произведения на частотах близких к резонансу ФИ. Чтобы вам было понятно, это и есть бУхание саба на одной ноте. Зато с высоким КПД, что для некоторых, надо полагать, особо приятно.
В сабе с ФИ басы должны быть НЕ ГРОМЧЕ, А НИЖЕ, чем в ЗЯ.
Рис. 2 – правильно рассчитанный и настроенный ФИ:
Да, именно так: преимущество правильного ФИ над ЗЯ не настолько велико, как его рекламируют. Поэтому и делают горбатые бубнилки подешевле и попроще, чтоб “колбасило”. (boombox – бУхало)
Рис. 3 – не настроенный фазоинвертор:
Типичный представитель сабвуферов с ФИ, бубнящий на одной ноте с высоким КПД. Годится для кинушек и игрушек, совершенно не годен для музона. Для музыки регулировка низких частот должна начинаться с 500-600 Гц и плавно повышаться к 20-40-ка герцам.
Следует уравнять по громкости звучания два резонанса: ФИ и динамика. Перекос излишней громкости ФИ над остальными низами устраняется совершенно кощунственным методом: надо своими ручками уменьшить отдачу фазоинвертора, завалить чрезмерный КПД. Ес-тес-но, на слух низов поубавится, зато они будут ровные, и на 35-40 % ниже, чем в ЗЯ. Как собственно и должен играть хорошо отлаженный ФИ-саб.
Задавить резонанс не сложно: надо уменьшить добротность ФИ созданием небольшого акустического сопротивления, помещая в трубу резонатора волокнистый материал. Какой и сколько подбирается опытным путём, лучше с генератором и можно на слух. Для снижения добротности резонатора (а вовсе не от тараканов), некоторые фирмы ставят в трубу мелкую, эластичную, упругую капроновую сетку, что-то вроде колготок, но в нашем случае можно просто затолкать не самый вонючий носок или шмат синтепона. Получается нечто промежуточное между чистым ФИ и чистым ЗЯ, и это нечто можно регулировать, подбирать. Операция займёт минимум времени: ломать – не строить. 🙂
(ГВЗ, правда чуть побольше будет, но что поделать, если вся конструкция порочна, пусть хоть слух не режет. Зато чуть уменьшится крутизна спада АЧХ)
Примечание. Между прочим, пассивные радиаторы (диффузоры) в сабах как раз это и делают: понижают добротность резонанса, сглаживают его. За счёт своей массы и инертности. Поэтому сабвуферы с пассивными радиаторами не склонны к бубнению, но у них “вялый” бас и большое ГВЗ.
Рис. 4 Неправильный расчёт фазоинвертора. Рваный бас:
Типовой китайский саб. Реально снятая характеристика:
Чрезмерно разнесённые резонансы ФИ и динамика. Резонанс динамика – 58 Гц, фазоинвертора – 27 Гц. Всё объяснимо: на более низких частотах тыльная сторона динамика излучает слабее, и слабее раскачивает резонатор. Чем больше разнос частот, тем ниже пик резонанса ФИ по отношению к общей АЧХ (той, что выше резонанса дина).
Обращаю ваше внимание: АЧХ ФИ (резонанс ФИ) как бы скользит вверх-вниз по ниспадающей наклонной АЧХ динамика, как по горке. В этом и состоит суть выбора частоты резонанса ФИ в любом сабвуфере. Когда вы будете изменять длину трубы ФИ (или её диаметр) именно так и будет меняться АЧХ вашего сабвуфера. Какую частоту резонанса ФИ выберете, так и играть будет.
Пример. Китайцы (и не только они) иногда ставят в саб дешёвенький динамик с высокой резонансной частотой (я встречал Fs = 65 Гц). При установке в корпус его резонанс повышается до 85 Гц. Ес-те-сно, баса такой саб не даст. И тогда в саб ставят ФИ, настроенный на частоту, скажем, 30-35 Гц. Реклама-то какая: 30 герц!
Что получается? Ниже резонансной частоты динамик работает как в закрытом ящике, то есть ниже 80 Гц его звуковое давление плавно падает со скоростью 12 дБ/октаву, значит на 40-ка герцах он будет играть в 4 раза тише, чем на 80-ти. Что делает нормальный человек? Правильно, добавляет громкость саба.
И вот тут начинаются фокусы. Я вам расскажу, как это выглядит.
Включает человек музон, оркестр, к примеру, низов ясен пень мало, и он их добавляет до нужного ему уровня. Всё, оркестр зазвучал, человек наслаждается. И вдруг, в какой-то непредсказуемый момент, одна из нот попадает в резонанс фазоинвертора. В натуре это выглядит так: на фоне ровной музыки, неожиданно закладывает уши, начинает дрожать пол и печень: дудочка ФИ запела. При этом звука практически не слышно, только штанины хлопают и посуда дребезжит. Через 1-2 секунды нота заканчивается, дрожь пропадает, и оркестр продолжает играть, как ни в чём не бывало. До следующей такой ноты. Не музыку слушаешь, а сидишь и ждёшь, когда ещё раз Ухнет.
Ребята, никаких бАек, я слышал такое своими ушами, при чём на фирменной акустике. Просто, в отличие от нормальных людей, я знаю в чём дело и почему так. Приведённый пример, конечно, редкость, но это же пример. Гораздо чаще хоть и менее выражено этот эффект можно наблюдать в массовых бюджетных сабвуферах. Когда резонансы динамика и ФИ через чур разнесены, тогда и будет резонанс ФИ выпирать на ровном месте, как член на поляне, в виде гула на одной ноте. Частота резонанса ФИ должна быть не более чем на 33% ниже резонанса динамика в том же корпусе с закрытым ФИ. Это должно быть всего лишь продолжение затухающей АЧХ динамика, НО НИКАК НЕ ОТРЫВ от неё.
Для чего я это карябаю?
Хотя бы на пальцах объяснить нашим “умельцам”, как это всё. Они ведь что делают: совершенно бездумно понижают частоту резонанса ФИ, удлиняя его трубу, и тем самым ещё больше разнося резонансы. Ещё и опытом на форумах хвастаются: делай как я и низа попрут. Попрут, конечно. На одной ноте, хоть и очень низкой. Получается как бы два раздельных сабвуфера в одном корпусе: плохонький ЗЯ, и отдельно, особнячком 2-3 ноты в ФИ.
Более продвинутые “аудиофилы” специализированными программами рассчитывают на компах новые и пересчитывают готовые сабы с ФИ. Но компьютер туп, какие цифры ему подсунешь, те и посчитает. Тут ведь в чём закавыка: ни в какой программе не выскочит окно с надписью – парень, я, конечно, всё посчитаю, как ты хочешь, но ты делаешь дурь, и звук будет понОсный. Нет таких программ.
Зато какие красивые АЧХ рисует компутер! Загляденье. Это напоминает мне 80-е годы: на морде любой совдеповской колонки шильдик с ровной линией.
А всего-то и надо сблизить резонансы динамика и ФИ до необходимого и уравнять по громкости. Либо заменить дерьмовый динамик на хороший, с более низким резонансом, либо увеличить частоту резонанса ФИ, уменьшив длину или, что лучше, увеличив диаметр трубы. Да, увеличение частоты резонанса фазоинвертора повышает нижнюю рабочую частоту сабвуфера, а что вы хотели с говённым динамиком?
Какой должна быть частота резонанса фазоинвертора?
Частота резонанса фазоинвертора (в общем случае) должна быть на 2/3 октавы ниже, чем частота резонанса того же динамика в том же ящике при закрытом отверстии ФИ.
Fрез. динамика в ЗЯ = 60 Гц. Октава от 60 Гц = 30 Гц, 2/3 от 30-ти = 20 Гц. 60 – 20 = 40 Гц
Или другими словами частота резонанса фазоинвертора (в общем случае) должна быть на 1/3 (на 33%) ниже, частоты резонанса того же динамика в том же ящике при закрытом отверстии ФИ.
Fрез. дина в ЗЯ = 60 Гц. 60 х 0,33 = 20 Гц. 60 – 20 = 40 Гц
Расчётная резонансная частота ФИ в данном примере должна быть 40 Гц.
Для этой частоты, а НЕ ОТ БАЛДЫ и считаются далее диаметр и длина фазоинвертора под объём данного ящика. Если при этом получится небольшой горб на АЧХ (ошибка 1), его всегда можно приглушить синтепоном (или, хотя это сложнее, НЕМНОГО понизить резонанс удлинением ФИ). Если получите “рваный бас” (ошибка 2), придётся укорачивать трубу ФИ.
Я ещё раз повторяю для лихих “умельцев”: произвольный выбор частоты резонанса фазоинвертора “ОТ ФОНАРЯ”, типа, я хочу сделать ФИ на 30 герц и я так сделаю… ну, делайте, но ни к чему хорошему это не приведёт. Во всяком случае в сабе для музыки. Частота резонанса ФИ не может жить сама по себе, она привязана к резонансу дина и объёму ящика, а не к вашему хотению.
Мне по этому поводу старый анекдот вспомнился:
Встречаются два другана, один другому:
– Ты чё запыхался?
– Да, за трамваем бежал, на проезде сэкономил.
– Ну и дурак. Бежал бы за такси, сэкономил бы больше.
Если вам всё равно, на какой частоте ваш ФИ будет плохо работать, делайте его на 15 герц. Всё-таки 15 герц круче 30-ти. Бегайте за такси, хоть будет, чем похвастаться.
Совет: прежде, чем хвататься за пилу, кошелёк или расчёты, попробуйте для начала приглушить фазоинвертор куском синтепона и послушайте, вдруг этого окажется достаточно. На крайняк, ФИ-саб с неплохим динамиком (Fs не выше 35-40 Гц) лехко переделывается в ЗЯ, надо лишь вместо носка вставить в трубу ФИ плотную затычку, и – прощай гул. Для уродских сабов специально поролоновые продаются.
Примечание. Невозможно сделать хороший сабвуфер на дерьмовом или просто некачественном динамике, как собственно и любые колонки. Но попробовать можно. Вольному – воля, пробуйте. Правда, это ещё уметь надо, для того и пишу. Кое-что по доработке сабвуферов изложено мной в соседней статье: http://samlib.ru/m/makeew_l_a/1806.shtml.
Это даже не ошибка, а какое-то всеобщее поветрие дури.
При самостоятельном конструировании и расчётах ящика сабвуфера с ФИ обычно тщательно подбирается динамик со множеством точно измеренных параметров. Все эти параметры измеряются в открытом пространстве, на воздухе.
Как только вы ставите динамик в ящик, можете смело забыть все ранее измеренные с охрененной точностью параметры дина. Параметры дина в ящике будут о-очень сильно отличаться от его же параметров в открытом пространстве, и чем меньше объём ящика, тем сильнее отличия, аж до 20-40-60 %. После установки дина в ящик все дальнейшие расчёты следует проводить исходя из новых параметров динамика.
Прежде, чем пользоваться прогой для расчёта сабов, желательно знать, кем и для каких целей она написана. Все эти проги написаны производителями сабов для СЕРИЙНОГО производства. Например, решила фирма выпустить саб в определённой ценовой категории на конкретных динамиках с конкретными параметрами Тиля-Смолла. Саб рассчитывается программой, а затем его параметры отшлифовываются, доводятся до ума в опытном экземпляре. И только потом саб запускается в серию, и только на этих динамиках. Для отладки и доведения до кондиции опытного образца саба в приличных фирмах есть лаборатории, КдП, необходимые измерительные приборы. У вас такого оборудования никогда не будет, можете даже не дёргаться.
Эти программы предназначены для ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО и приблизительного расчета сабвуферов. И у каждой фирмы прога своя, они лучше знают погрешности своих программ. В отличие от вас.
Таким образом, великое множество программ для расчёта сабов с ФИ, валяющиеся в Инете, не предназначены для индивидуального использования аудилофилами на Бог весть каких динамиках. Тем более в окончательном варианте, без отладки и доработок.
Некоторые особенности работы фазоинвертора
ГВЗ – групповое время задержки – параметр ни о чём. Примерно, как средняя температура по больнице. Фазовый сдвиг у различных частот в полосе пропускания ФИ меняется в полтора-два раза. Отсюда прямой вывод: время тактового отставания басовых барабанов не будет постоянным. Оно будет меняться в зависимости от характера звучания ударных. О какой верности звукопередачи сложного музыкального сигнала можно говорить?
Переходные процессы. При первичной подаче сигнала или изменении частоты басового сигнала – это первые несколько периодов, когда резонатор ФИ подстраивается под навязанные ему из вне колебания динамика, отличные от резонансной частоты фазоинвертора (т.н. “навязанные колебания резонатора”), к тому же прошедшие через упруго-вязкую среду воздуха саба. В момент подстройки труба ФИ кроме задержки сигнала даёт большие нелинейные искажения, так называемые “переходные искажения”.
При подаче на динамик постоянного синуса в рабочем диапазоне ФИ, между ними устанавливается равновесие. При изменении частоты сигнала на динамике, это равновесие нарушается и требуется некоторое время (иногда значительное), для установления новой точки равновесия между ФИ и динамиком. Это и есть переходные искажения. На быстрых басовых партиях они весьма значительны.
Поскольку эти искажения носят кратковременный характер их сложно измерять. В статическом режиме работы саба с генератора синуса этих искажений нет.
Таким образом, ГВЗ носит более-менее постоянный характер, а искажения переходных процессов пропорционально возрастают при высоком темпе игры басовых и ударных инструментов.
Кроме того, после окончания басовой ноты и остановки диффузора динамика, воздух в резонаторе некоторое время продолжает колебаться, так называемое “послезвучие”. Но, поскольку динамик молчит, и отсутствуют навязанные резонатору колебания, труба фазоинвертора продолжает издавать затухающий звук с частотой собственного резонанса, типа камертон на 30-40 Гц. На слух это воспринимается как звучание сабвуфера на одной ноте. Всегда на одной и той же. И при любом раскладе басовой музыки ФазоИнвертор ВСЕГДА будет стремиться вернуться к собственному резонансу: бубнению на одной ноте. Свой резонанс для ФИ роднее, чем колебания какого-то там динамика, своя рубашка ближе. Громче или тише, но он всегда будет прослушиваться. Ну, и сами понимаете, поскольку эти колебания возникают в трубе ФИ, а не в проводах и схеме, никакой эквалайзер или процессор их не отфильтрует и не задавит.
Я всё-таки надеюсь, что этот текст читают мало-мальски подготовленные люди, поэтому объясню эффект послезвучия чуть подробней.
В усилителях мощности есть такой параметр: коэффициент демпфирования. Он показывает, как быстро может выходной каскад УМ погасить колебания диффузора динамика на его резонансной частоте. И чем выше этот коэффициент, тем лучше, в дорогих усилках аж до 1 000. Время свободного колебания диффузора после прекращения сигнала очень малО, единицы миллисекунд.
Но никто в мире не выпускает даже дорогие сабвуферы с демпфированной трубой фазоинвертора, так как падает его отдача, уменьшается КПД. Поэтому колебания воздуха с частотой резонанса ФИ после прекращения подачи сигнала продолжаются в его трубе ещё долго, до 60 – 80 миллисекунд. Сигнала давно уже нет, а труба всё гудит и гудит. И весь мир эту бяку слушает. Ещё и нахваливают.
Ещё одна небывальщина, “сказочка про белого бычка”
Сабвуфер с фазоинвертором даёт меньше нелинейных искажений, чем саб ЗЯ. Якобы в резонансе ФИ у динамика очень малый ход диффузора, поэтому и искажений он даёт меньше.
Да кто бы спорил! Вот только в рабочей полосе ФазоИнвертора, динамик практически не издаёт звуков, и, спрашивается, зачем мерить искажения возле диффузора, который молчит? Измерять КНИ динамика и фазоинвертора надо раздельно, в той полосе частот, в которой они активно излучают. Но уж никак не наоборот. В рабочей полосе ФИ, возле его резонанса все звуки излучает труба ФИ, порт, дыра. Вот возле дыры и надо мерить искажения: и переходные и нелинейные и прочие. По некоторым данным, на частотах возле резонанса ФИ, на повышенной громкости в дыре нелинейные искажения достигают 3-5 %. В этом случае ФИ уже не просто акустический излучатель звуковых волн, а воздуховод, труба с большой скоростью воздушного потока. Как в пылесосе. Здесь тупо сказывается нелинейное ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ сопротивление трубы.
И в чём здесь преимущества ФИ над ЗЯ?
Перечисленные процессы происходят в сабе с ФИ не просто сами по себе, но ещё и с наложением друг на друга. Если совместить всё это в одном сабвуфере – вот вам и параша. А если эту парашу усилить высоким КПД (рис. 3), то можно вообще захлебнуться. Все ухищрения по расчётам и отладке саба с ФазоИнвертором не более, чем жалкие попытки уменьшить нежелательные следствия физических явлений, возникших от применения резонатора в сабвуфере. Типа, как ни старайся, а “горбатого ФИ” могила исправит. В сабвуфере типа ЗЯ описанные явления отсутствует в принципе, за отсутствием дыры с трубой.
Самый любимый умельцами параметр сабвуфера – АЧХ. Её выравнивают и вылизывают до идеала. Но, идеальная АЧХ не есть гарантия, что басовый инструмент будет похож сам на себя в исполнении сабвуфера с ФазоИнвертором. Гораздо чаще бывает совсем не так, потому, что ФИ даёт много мелких пакостей и ровная АЧХ от них не избавит.
Прежде, чем садиться за расчёты саба, решите, что для вас важнее: громкий звук ФИ, или качественный бас в ЗЯ. Совместить это вам вряд ли удастся, уж больно разные процессы. Мой совет: если решите делать саб с ФИ, просчитайте его так, чтобы заткнув порт ФИ (полностью или частично), можно было получить хотя бы средненький ЗЯ. Глядишь, потом у вас будет выбор.
И не надо тыкать мне Алдошиной. Акустика – маленькая-маленькая часть физики, ПОНЯТИЙНОЙ науки. А какое понятие у баб-с, все знают. Тоже мне, Склодовская-Кюри. Смешно-с.
Любителям высокого КПД рекомендую рупорный громкоговоритель: КПД 15 – 20 %:
Ну, позлобствовал и хватит. Раз уж вам приспичило ФИ, плавно перейдём к делу.
Первичный упрощённый расчёт объёма ящика для комнатного напольного сабвуфера с ФИ. Реально для первичного расчёта внутреннего объёма ящика, с учётом добротности динамика нужны только резонанс дина Fs и его эквивалентный объём Vas. И всё.
Внутренний объём такого ящика должен быть равен эквивалентному объёму динамика Vas. При этом резонансная частота дина Fs (в ящике с закрытым отверстием ФИ) должна повыситься в 1,4 раза. От этого повысившегося резонанса дина и следует рассчитывать резонанс ФИ. То есть, согласно приведённым выше расчётам, в данном случае примерно полУчите частоту резонанса ФИ равную частоте резонанса динамика в открытом пространстве Fs. (Да, и ещё: желательно подбирать динамик с не очень высокой или низкой добротностью, средне так.)
Настройка ФИ описана выше. При необходимости последующая настройка добротности дина производится демпфированием саба звукопоглотителем (см. соседнюю статью: http://samlib.ru/m/makeew_l_a/1806.shtml).
Совет: не стОит увлекаться объёмами саба более 50-60 литров. Если вам неизвестен Vas, поройтесь в Инете, там описаны способы определения эквивалентного объёма динамиков. Есть даже несложные. Мне лень. Если вам тоже лень, делайте саб в том ящике, который имеете. Ставите в него дин, измеряете получившийся резонанс и от этого рассчитываете ФИ. ПолУчите лучшее, что можно выжать из этого ящика. Ну, ладно, так и быть, я поборол лень, держИте:
Рис. 7 – график-шпаргалка, масштаб соблюдён:
Приблизительный график увеличения резонанса НЧ динамика (Fb) в разах, при уменьшении объёма реального ящика (Vb) относительно эквивалентного объёма дина (Vas), тоже в разы. Например: если реальный объём ящика Vb в 3 раза меньше эквивалентного объёма динамика Vas, то рез. частота динамика Fs повысится в 2 раза и будет называться Fb. Добротность динамика так же возрастёт в 2 раза.
Более точно можно посчитать. Формула зависимости резонанса динамика от объёма ящика (метод изменения объёма).
Измеряем Fs и внутренний объём Vb первого попавшегося ящика. Ставим динамик в ящик (можно снаружи), измеряем Fb. Полученные цифры подставляем в формулу и находим Vas. Потом, не хватаясь за пилу и фанеру, а просто играясь цифрами и формулой, можно просчитать резонансную частоту динамика в планируемом объёме сабвуфера. Просто, как репа. Желательно, чтобы объём измерительного ящика Vb был приблизительно похож на объём будущего сабвуфера.
Расчёт размеров ФИ под заданную (рассчитанную) частоту его резонанса.
Классическая формула резонатора Гельмгольца для круглого отверстия ФИ:
Все размерности даны в системе СИ:
Ну, если в лом считать или забыли таблицу умножения можно всё необходимое найти по номограмме М.М. Эфрусси, “Громкоговорители и их применение”.
Рис. 10 – номограмма:
Рассчитав оптимальную частоту резонанса ФИ и зная “чистый” внутренний объём ящика находим по номограмме подходящую длину и площадь ФИ. Полученные результаты почти в точности соответствуют расчётам, предложенным Виноградовой Э.Л. в книге “Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками”.
РАСЧЁТ ФАЗОИНВЕРТОРА – электронный калькулятор:
В ссылке три калькулятора: по Тилю-Смоллу, по Виноградовой и по Эфрусси. При расчёте по параметрам Тиля – Смола результаты какие-то сомнительные, не внушают. А Виноградова всё списала у Эфрусси, поэтому результаты совпадают. Если ссылка ещё работает, можете сходить, если нет – не расстраивайтесь, выше приведено всё необходимое для расчетов.
Примечание: не желательно делать площадь ФИ менее 25 % площади диффузора – воздух в дыре свистеть будет.
Приведённый расчёт саба с ФИ весьма прост (особенно если понимаешь, что делаешь), но с динамиками 8-12″ вполне работает. И никаких компьютеров. Jни вам не посчитают, а заморочек полУчите выше крыши.
Купайтесь в ХОРОШИХ басах, не надо плескаться в какашках.
Екатеринбург, 03.10.2015 г.
Всё написанное выше применимо так же к колонкам с “неправильными” ФИ, что тоже не редкость.
ПРИЛОЖЕНИЕ для апологетов звука, неудержимо, но бестолково снимающих АЧХ сабвуфера. Я познакомлю вас с методом прямого измерения, который в отличие от компьютерного, не требует вычислений и даёт более достоверный результат.
Снятие АЧХ саба проводится в АБСОЛЮТОНО заглушенном помещении, вся внутренняя поверхность которого выложена матрасами, причём в два слоя. Но проще это сделать на открытом пространстве, чтобы до ближайшего гаража с розеткой было не менее 10 метров. Если динамик или ФИ направлены в пол, ставим сабвуфер на землю, на щит, если нет – садим как человека, на табуретку. Измерительный микрофон следует устанавливать сбоку от динамика и от ФИ одновременно, на примерно одинаковом расстоянии, и не ближе 1-1,5 метра от корпуса саба. В этом случае вы будете мерить совокупное звуковое давление динамика и ФИ.
Вот когда на открытом пространстве вы выровняете АЧХ саба, только после этого можно заносить его в комнату и выявлять влияние помещения на результирующую АЧХ. А до этого снятие АЧХ саба в ближнем поле и поднесение микрофона на 1 см к динамику, я считаю преждевременными. Да и вообще не нужными: вы ведь не прикладываете ухо к динамику саба и не слушаете саб “в ближнем поле” лёжа на полу? Это вам не СЧ и не ВЧ, которые измеряются и слушаются в пределах прямой видимости, это – Бас-с. Сильно сомневаюсь, что вы сможете правильно состыковать (срастить) АЧХ динамика и ФИ снятые по отдельности в ближних полях. Не получите вы истинную картину совокупного звукового давления ФИ и дина в окружающем сабвуфер пространстве, двигая графики по экрану компа, а саб по комнате.
Так что ступайте-ка ребята на свежий воздух, на травку. Оно и для музыки и для здоровья полезнее будет, т.к. измерения надо проводить в тёплую погоду, дабы подвес у дина не задубел.
Но и это не финиш. Игра продолжится, когда вы внесёте в дупелину настроенный саб в комнату и начнёте бодаться с комнатными резонансами, модами. Очень увлекательно. 🙂
В этом заключается ещё один недостаток сабвуфера с ФИ: он капризен к месту своего расположения в комнате. Небольшое смещение саба приводит к заметному изменению комнатных резонансов, тогда как сабу типа ЗЯ практически по-фигу где стоять, лишь бы симметрия звука не нарушалась.
Сабвуферы с фазоинвертором – это какое-то недоразумение, игра фантазии инженеров-акустиков, которую подхватили и развили коммерсанты от музыки. Мода такая аудиофильская: да у меня в сабе трубы ФИ, как выхлопные в крутой тачке! Даже звук похож.
Поясню. Саб с ФИ бессмысленно, а иногда и вредно подключать к ресиверу для просмотра фильмов и некоторых сортов музыки. В DVD-сигнале присутствуют частоты от 5 Гц. Вся мощь ресивера ниже частоты настройки ФИ (от 5-ти до 30-40 Гц) направлена на выблёвывание диффузора динамика на пол. Ни каких звуков в этой полосе саб не издаёт, в добавок можно покалечить динамик. Если же в ресивере или усилке саба стоит фильтр сабсоника, тогда динамик и диффузор останутся целы, но звуков от 5-ти до 30-40 Гц, саб всё равно не издаст.
Вопрос: зачем тогда городить ФИ? Разве что для поп-музыки? Но для музыки гораздо лучше саб ЗЯ, к тому же он воспроизводит частоты ниже чем ФИ и при этом не идёт вразнос. Саб ЗЯ не бубнит, у него меньше ГВЗ, прекрасные переходные характеристики, он проще в расчётах и не требует настройки. А на КПД мне все-равно, я не собираюсь экономить на громкости и качестве музона 30 Вт из розетки. Так что по всем параметрам саб типа ЗЯ лучше, чем ФИ.
НО, только при условии, что в ЗЯ стоИт хороший, качественный динамик с F резонанса 18-25 Гц, желательно с малой массой диффузора (и возможно двукратным запасом мощности для корректора Линквица).
Вот мы и подошли к сути. Китайцы такие дины делать не умеют, а европейские хорошие динамики стОят ох, не дёшево.
Вывод очевиден: в сабвуферах типа ФИ почти наверняка стоИт паршивый динамик и саб имеет все перечисленные выше недостатки. Зато он громко бУхает, дёшев для невзыскательного потребителя (а таких большинство) и на нём можно сделать прибыльный бизнес. Массовый бизнес. Сабвуфер с ФИ – дешёвка, изделие для тугоухих, скаредных или малообеспеченных.
Акустический фазоинвертор был изобретён Альбертом Турасом в 1932 году, во времена, когда не было приличных басовых динамиков, но сейчас-то зачем?
Во времена винила и живых инструментов с нижней частотой 30-40 Гц фазоинвертор был очень кстати. Но в век электронных синтезаторов и DVD-записи, когда диапазон уходит в область инфразвука, фазоинвертор, мягко говоря, устарел и неспособен воспроизводить современный диапазон частот. Сабвуфер с ФИ – это атавизм, пережиток прошлого. Я ещё раз напоминаю: фазоинвертор – это резонатор. Для прослушивания музыки акустические резонансы вещь вредная и неприятная, от них стараются избавиться всяческими способами: и демпфирование, и эквализация, и фильтры, и пр.
Моё личное предпочтение – саб ЗЯ.
Наличие ФИ может быть в некоторой степени оправдано применением в малогабаритной акустике, но это уже не Звук, и тем более не Бас. Единственное применение сабвуфера с фазоинвертором с минимальным ущербом для качества звука, это имитация взрыво- и громоподобных эффектов в кинушках и игрушках. Там высокий КПД себя оправдывает. Для музыки же ФИ неприемлем. ИМХО.
Источник