Компонентная акустика фазоинвертор. Теория и практика фазоинвертора

Закономерным финалом саги о фазоинверторе будут практические аспекты его воплощения в жизнь. Ключевым элементом здесь становится именно труба, она же - тоннель, она же в результате рабской транслитерации с английского - порт. Именно она, труба, позволит реализовать на практике два главных параметра, определяющие акустический облик задуманного фазоинвертора: объём корпуса и частота его настройки. Эти две величины, одна в литрах, вторая - в герцах, становятся результатом либо самостоятельного расчёта, либо следования ранее сделанным калькуляциям. Их источником могут быть изготовители динамика, наши тесты или же советы специалистов, основанные на их практике. Во всех трёх случаях бывает, что даются готовые размеры тоннеля, обеспечивающие настройку известного объёма на нужную частоту, но, во-первых, не каждый раз, а во-вторых, слепое копирование не всегда возможно и всегда непохвально. Так что более общей и гораздо более продуктивной будет такая постановка задачи: известны объём и частота, а вопрос об их физической, в материале, реализации станем решать самодеятельно. Часть истории будет организована по принципу вопросов и ответов: номенклатура вопросов известна, в редакционной почте они повторяются с регулярностью, дающей повод для статистических выкладок, которые так любит наш тестовый департамент. Не стану отнимать у них любимую игрушку, у нас - свои. Итак, что вначале, рассчитываем тоннель или покупаем трубу, которой этим тоннелем предстоит стать? По идее надо вначале купить - трубы бывают не любого диаметра, а из некоторого ряда значений, если брать готовые, а не накручивать самому из бумаги на клею, как пионер из кружка юного космонавта. Но начать придётся всё же с хотя бы грубой прикидки, и дело здесь в том, что...

Толщина имеет значение

Если тоннель действительно труба (есть ведь и варианты), какой она должна быть в диаметре? Самый общий и самый грубый ответ: чем больше, тем лучше. Совет действительно радикален и может вызвать протестную реакцию: а если я возьму и сделаю тоннель диаметром вдвое больше динамика? Не возьмете и не сделаете, как бы ни старались, об этом больше ста лет назад позаботился некто Герман Гельмгольц, резонатором имени которого фазоинвертор и является, а позже - создатели автомобилей, сделавшие их по габаритам меньше существовавших в то время паровозов. Итак, по порядку, почему больше и почему что-то этот процесс остановит.

Во время работы вблизи частоты настройки, где, собственно, и выполняет свои функции тоннель фазоинвертора, добавляя от себя к звуковым волнам, порождаемым колебаниями диффузора, внутри тоннеля движется воздух. Движется колебательно, туда-сюда. Объём движущегося воздуха - точно такой же, какой во время каждого колебания приводится в движение диффузором, он равен произведению площади диффузора на его ход. Для тоннеля этот объём - произведение площади сечения на ход воздуха внутри тоннеля. Площадь сечения реально всегда меньше площади диффузора (если кто ещё не отказался от угрозы сделать такой же, а то и больше, скоро никуда не денутся и откажутся), и, чтобы переместить такой же объём, воздуху надо двигаться быстрее, скорость в тоннеле с уменьшением диаметра возрастает пропорционально уменьшению площади его сечения. Чем это плохо? Всем сразу. Прежде всего тем, что модель резонатора Гельмгольца, на которой всё основано, предполагает, что потери энергии на трение воздуха о стенки тоннеля отсутствует. Это, разумеется, идеальный случай, но чем дальше мы от него отойдём, тем меньше работа фазоинвертора будет походить на то, чего мы от него ожидаем. А потери на трение в тоннеле тем выше, чем больше скорость воздуха внутри. Теоретически формула, да и несложная программа, на ней основанная, этих потерь не учитывает и безропотно выдаст вам расчётную длину тоннеля при диаметре хоть в палец, но работать такой фазоинвертор не будет, всё умрёт в завихрениях воздуха, пытающегося стремительно летать по тесному тоннелю взад-вперёд. Текст когда-то виденного мной агитационного плаката ГАИ «Скорость это смерть» к движению воздуха в тоннеле подходит безусловно, если смерть отнести к эффективности фазоинвертора.

Впрочем, намного раньше, чем фазик погибнет как средство звуковоспроизведения, он станет источником звуков, для которых не предназначен, вихри, возникающие при излишне высокой скорости движения воздуха, создадут струйные шумы, нарушающие гармонию басовых звуков самым бессовестным и неэстетичным образом.

Что следует принять за минимальное значение площади сечения тоннеля? В разных источниках вы найдёте разные рекомендации, далеко не все из них авторами были когда-либо опробованы хотя бы путём вычислительного эксперимента, о других уж не говорим. Как правило, в такие рекомендации закладываются две величины: диаметр диффузора и максимальная величина его хода, то самое Xmax. Это разумно и логично, но в полной мере относится лишь к работе сабвуфера на предельном режиме, когда о качестве звучания говорить уже немного поздно. Основываясь на многочисленных практических наблюдениях, можно взять на вооружение куда более простое правило, оно небезупречно и не совсем универсально, но работает: для 8-дюймовой головки тоннель должен быть не меньше 5 см в диаметре, для 10-дюймовой -

7 см, для 12-ти и больше - 10 см. Можно ли больше? Даже нужно, но вот именно сейчас нас кое-что остановит. А именно - длина тоннеля. Дело в том, что...

Длина имеет значение

Как и было сказано, её скомандует великий Герман фон Гельмгольц. Вот он, у доски в Гейдельбергском университете, а на доске - та самая формула. Ну ладно, в этот раз её написал я, но придумал - он и написал бы точно так же. Эта немудрёная, поскольку выведена для идеального случая, зависимость показывает, какова будет частота резонанса некоей полости (нам привычнее ящик, хотя Герман фон делал эдакие пузыри с трубами-хвостиками) в зависимости от объёма V, длины L и площади сечения хвостика. Обратите внимание: параметров динамика здесь нет, и было бы странно, если бы они были. В любом случае полезно запомнить и никогда не поддаваться на провокации: настройка фазоинвертора полностью и исчерпывающе определяется размерами ящика и характеристиками тоннеля, соединяющего этот ящик с окружающей средой. Помимо этого в формулу входят только скорость звука в атмосфере планеты Земля, обозначенная «с», и число «пи», не зависящее даже от планеты.

Для практических целей, а именно - вычисления длины тоннеля по известным данным, формулу легко преобразовать, вспомнив родную школу, а константы подставить в виде чисел. Это делали многие. Многие же публиковали результаты этого волнующего процесса, и автору немного удивительно, как можно было зрелищно обделаться при операции с тремя-четырьмя числами. В общем, треть опубликованных на бумаге и в Сети преобразованных формул непостижимым образом являются ахинеей. Правильная приводится здесь, если подставлять величины в показанных чёрным единицах.

Эта же формула плюс некоторые поправки заложена и во все известные программы по расчёту фазоинверторов, но прямо сейчас формула для нас удобнее, всё на виду. Смотрите: что будет, если вместо минималистского тоннеля поставить другой, попросторнее (и потому получше)? Потребная длина возрастёт пропорционально квадрату диаметра (или пропорционально площади, но ведь мы трубу-то собрались по диаметру покупать, по-другому не продают). Перешли от 5-сантиметровой трубы к 7-сантиметровой, это к примеру, длина при той же настройке понадобится вдвое больше. Перешли на 10 см - вчетверо. Беда? Пока - полбеды. Дело в том, что...

Калибр имеет значение

Беда сейчас будет. Ещё раз глядим на формулу, на этот раз - в знаменатель, фокусируйте зрение. При всех прочих равных длина тоннеля будет тем больше, чем меньше объём ящика. Если для того, чтобы настроить на 30 Гц 100-литровый объём, имея в распоряжении 100-миллиметровую сантехническую трубу, надо открыжить и вклеить в ящик отрезок говнопровода протяжённостью 25 сантиметров, то при объёме ящика 50 л это будет полметра (что уже не меньше, чем полбеды), и при довольно распространённых 25 л тоннель такой толщины должен будет иметь метровую длину. Это уже беда, без вариантов.

В наших, практических условиях объём ящика в первую очередь определяется параметрами динамика, и в силу причин, читателям этой серии уже хорошо известных, для головок калибра 8 дюймов оптимальный объём редко превышает 20 л, для «десяток» - 30 - 40, лишь когда дело доходит до 12-дюймового калибра, мы начинаем иметь дело с объёмами порядка 50 - 60 л, и то не всегда.

Вот и получается какой-то парад суверенитетов: частота настройки ФИ определяется тем басом, который мы от него хотим получить, будь он на «восьмёрке» или на «пятнашке» - не важно. А частота настройки ящика опять не зависит от динамика, чем меньше объём, тем длиннее подавай тоннель. Итог парада: как мы неоднократно замечали в тестах малокалиберных сабвуферов, желательный и многообещающий вариант оформления в ФИ физически невозможно (или затруднительно) реализовать. Даже если не жалко места в багажнике, нельзя объём ящика ФИ делать больше оптимального, а оптимальный нередко оказывается настолько мал, что настроить его на инвариантную к прочим факторам частоту 30 - 40 Гц немыслимо. Вот пример из недавнего теста 10-дюймовых сабвуферных головок («А3» №11/2006): если взять за аксиому диаметр трубы 7 см, то для того, чтобы сделать фазоинвертор на головке Boston, понадобился бы её кусок длиной 50 см, для Rainbow - 70 см, А для Rockford Fosgate и Lightning Audio - около метра. Сравните с рекомендациями в тесте этого номера, относящимися к 15-дюймовым головкам: ни у одной таких проблем не отмечено. Почему? Не из-за динамика, как такового, а из-за исходного объёма, выбранного по параметрам динамика. Что делать? Встречать беду во всеоружии. Оружие нам выковали поколения специалистов (и не только). Знаете, в чём тут дело?

Форма имеет значение

Вы едва ли могли не заметить: я очень люблю копаться в патентах, поскольку считаю, пусть дорога от изобретения к реальной жизни не столь уж коротка, патент - отражение мысли в виде вектора, то есть - с учётом направления. Большинство новаций, предложенных (и неуклонно предлагаемых) неутомимыми умами в отношении фазоинвертора, сконцентрировано на борьбе с двумя мешающими факторами: длина тоннеля, когда его сечение велико, и струйные шумы, когда его сечение, стремясь сократить длину, попытались уменьшить. Первое, простейшее решение, о допустимости которого нас спрашивают в редакционной почте раз по пять в месяц: можно ли тоннель поместить не внутрь ящика, а снаружи? Вот ответ, окончательный, фактический и настоящий, как бумага на квартиру профессора Преображенского: можно. Хоть частично, хоть целиком, внутрь ящика тоннель запихнули исключительно из эстетических соображений, у фон Гельмгольца он торчал снаружи, и ничего, он это пережил. Да и современность наша даёт примеры: вот, скажем, ветераны car audio не могут не помнить (многие, честно говоря, не могут забыть) «басовые трубы» фирмы SAS Bazooka. Они ведь начались с патента на сабвуфер, который удобно поместить за сиденьем грузовика - любимого транспорта американцев. Для этого изобретатель протянул трубу фазоинвертора вдоль корпуса снаружи, заодно уж придав её распластанную по поверхности цилиндрического корпуса форму. Это - один пример, есть другой: некоторые фирмы, выпускающие встроенные сабвуферы для домашних кинотеатров, выводят наружу трубу-тоннель полосового сабвуфера-бандпасса. Тип сабвуфера в данном случае значения не имеет: это тот же резонатор имени сами знаете кого. Ещё одно решение тоже, судя по письмам, ищут, но опасаются. «Можно ли гнуть тоннель?» Ответ - в стиле Филиппа Филипповича и очевиден. Иначе не выпускали бы сразу несколько компаний (DLS, JL Audio, Autoleads, etc. etc.) гибкие трубы специально для этой цели. А в области патентной документации есть даже интересная подсказка, как можно эту задачу решить не без изящества и материальной экономии: была в своё время предложена конструкция модельного тоннеля, который бы собирался из типовых элементов в любой желаемой форме, иллюстрация поведает об остальном. От себя добавлю: большая часть изображённых в патенте деталей трогательно напоминает номенклатуру элементов канализационных сетей местного значения, что и является практическим рецептом внедрения интеллектуального эксцесса американского изобретателя.

Борясь с неуместной длиной тоннеля, часто идут по пути строительства так называемых «щелевых портов», их достоинство - в конструктивной интеграции с корпусом, что позволяет, при известном воображении, сделать тоннель довольно протяжённым, на прилагаемой схеме - сразу несколько вариантов, которым вопрос, разумеется, далеко не исчерпывается (три верхних эскиза принадлежат перу известного хай-эндщика Александра Клячина, остальное было делом техники).

Недостаток же щелей - в трудности подгонки длины, это не сантехнический ПВХ - махнул пилой, и дело в шляпе. Но есть решения и здесь: не так давно один из героев рубрики «Своя игра» пермяк Александр Султанбеков (не грех лишний раз напомнить стране имена её героев) продемонстрировал на практике, как можно настраивать щелевой порт, изменяя его сечение при неизменной длине, он это делал, укладывая внутрь фанерные проставки, как показано на фото где-то поблизости, поищите.

В сворачивании тоннеля фазоинвертора некоторые светлые умы дошли до крайностей: один светлый предложил, например, свернуть тоннель в виде спирали вокруг цилиндрического корпуса громкоговорителя, другой на хитрую формулу Гельмгольца ответил тоннелем-винтом, такая концепция нам здесь, в России, знакома...

Но вообще-то все эти решения (даже с винтом) - лобовые, здесь тоннель неизменной длины просто приделывается или складывается так, чтобы не мешал. Известны (и даже продаются в товарных количествах) реализации другого принципа. Здесь дело вот в чём.

Сечение имеет значение

Не площадь, как таковая, а характер её изменения по длине тоннеля. До сих пор мы, ведомые учением фон Гельмгольца в его самой простой, школьной форме, считали непременным, что поперечное сечение тоннеля постоянно. А нашлись люди, которые это условие нарушили и даже нажили на этом денег.

Опытные читатели помнят, например, статью нашего итальянского коллеги профессора Матарацци, где он предлагает эффективные решения по сокращению длины тоннеля путём придания ему конической или дважды конической, как песочные часы, формы. В «А3» №10/2001 расчёты по программам профессора приведены в виде таблиц, а сами программы сеньор недавно по нашей просьбе нашёл и прислал. Ко времени выхода этого номера из печати мы их выложим на сайт в разделе «Приложения». Правда, исходный код рассеянный профессор потерял безвозвратно, так что программки остаются на итальянском, если кто знает, как перевести, не имея кода, примем помощь с признательностью.

А пока отметим: в своих изысканиях профессор и не первый, и не единственный. На этом направлении происходили даже целые трагедии. Давние читатели журнала, возможно, помнят заметку в «А3» №2/2003 о судебном иске по поводу тоннеля фазоинвертора, не столь давним напомню: корпорация Bose усмотрела, что другая корпорация, JBL, использовав в своих колонках тоннели фазоинвертора с криволинейной образующей, названные Linear-A, тяжко посягнула на интеллектуальную собственность Bose Corp. В доказательство был приведен патент США, где упоминалось, в числе прочего, что неплохо было бы тоннель сделать с эллиптической образующей, он тогда будет и короче, и тише с точки зрения струйных шумов. Напрасно JBL пыталась втолковать суду, что у Bose эллипс, а у JBL - экспонента. Суд пояснил, что эллипсы-шмеллипсы - дело десятое, а колонок продали много, бухгалтерия Bose посчитала: нажива JBL составила 5676718 долларов и 32 цента, что и предлагалось внести в кассу обиженной стороны. Занесли как миленькие, включая медяки, а во всех колонках тоннели поменялись на другие, FreeFlow, типа - улучшенная модель. Вот как бывает...

Уход от цилиндра как формы тоннеля предлагали очень и очень многие. Кто - в стиле Матарацци с вариациями, кто - в скромном, локальном масштабе, ограничиваясь приданием криволинейных обводов концам цилиндрического тоннеля с целью снижения струйных шумов от завихрений. Наиболее же радикальное средство борьбы и с длиной, и с шумами не только придумал, но и эксклюзивно пользуется им уже не один год Мэттью Полк, основатель компании своего имени. Суть устройства под названием PowerPort такова: часть функций тоннеля берёт на себя одна или две, на каждом конце трубы, кольцевая щель между стенкой ящика и поставленным на строго рассчитанном расстоянии от неё «грибком», впрочем, на рисунке всё видно. Такими тоннелями снабжаются практически все домашние громкоговорители Polk Audio. И ежели только кто покусится, плакали его 32 цента плюс ещё кое-что. Для себя же, любимых, никто не запретит такую штуку попробовать, тем более что когда-то давно Полк выложил на свой корпоративный сайт таблицу в «Экселе», по которой можно всё рассчитать, я её тогда же с этого сайта попёр (получив на это позже, задним числом, благословение автора - я же не с целью наживы) и даже перевёл сопроводительные инструкции на великий и могучий, это всё лежит у нас на сайте.

A propos, и труды профессора Матарацци, и революционная разработка Мэттью Полка напоминают нам вот о чём: гимназическая формула Гельмгольца, помимо прочего, не учитывает очень существенный для практики эффект: в огромном большинстве случаев (практически - всегда) один из концов тоннеля прилегает к стенке корпуса сабвуфера, это касается как круглых труб, отпиленных заподлицо со стенкой, так и труб, снабжённых аэродинамической законцовкой, а в ещё большей степени - щелевых портов, прилепившихся к стенке. Близость стенки создаёт концевой эффект, напоминающий то, чего намеренно добивался автор PowerPort - виртуального удлинения тоннеля. Поэтому-то к формуле, непосредственно произведенной из трудов фон Гельмгольца современные прикладные спецы рекомендуют вводить поправку, чисто эмпирическую, но оттого не менее нужную, она выделена красным, чтобы было ясно, где классик XIX века, а где - практика XX.

А вообще-то, друзья дорогие, пора браться за дело, не век же в бумажках копаться. Дело-то как раз в этом...

К вопросу о толщине: проталкивая тот же объём воздуха через более тесный тоннель, его придётся разгонять до более высокой скорости. А «скорость - это смерть»

Гельмгольц написал бы свою формулу точно так же, просто в тот момент не было фотографа

Окончательная и фактическая формула, заменяющая компьютерную программу. Она правильная, проверили неоднократно. Смысл выделенного красным «хвостика» будет объяснен в тексте

Может ли тоннель находиться снаружи ящика? Да целая фирма на этом построила свой бизнес, патент на удобный для размещения сабвуфер был растиражирован стонями тысяч басовых труб SAS Bazooka. А производители встроенных сабвуферов для домашних театров вообще не парятся...

Можно ли тоннель оставить внутри, но согнуть как удобнее? Вот вам ответ

Экзотические, отчаянные решения: свернуть тоннель спиралью или винтом

Щелевой тоннель интегрирован с ящиком, от этого его можно сделать длиннее обычного, «вставного», подгонять длину, правда, гораздо труднее...

Значит, надо подгонять не длину, а сечение: вот как это делал один житель столицы Пермского края

Уход от цилиндрической формы тоннеля предлагался и для сокращения его длины, и в виде локальной «аэродинамической обработки», для снижения струйных шумов

Самое эффектное решение в этой области: PowerPort Мэттью Полка. Изобретение не осталось на бумаге, оно - составная часть почти всей акустики Polk Audio

Подготовлено по материалам журнала "Автозвук", февраль 2007 г. www.avtozvuk.com

Знаете, когда был предыдущий выпуск серии «Вспомнить всё»? В апреле 2006-го, когда то, что сейчас покрыто снежком, только думало начать зеленеть...

Но рукописи (особенно в компьютерном формате) не горят, и, несмотря на время, можно точно установить, на чём всё закончилось. На фразе: «А что касается фазоинверторов, придёт день, поговорим и о них...» Будем считать - пришёл.
Несколько выпусков серии подряд были посвящены самому (на первый взгляд) простому и одному из двух наиболее популярных видов акустического оформления для сабвуфера - закрытому ящику. И наряду с прочим было сказано: ЗЯ - единственный вид оформления, потенциально способный создать в машине ровную АЧХ на низких частотах. Казалось бы, вопрос закрыт и никакого другого оформления не требуется. Однако статистика, так любимая специалистами нашего тестового департамента, демонстрирует: в реально построенных аудиосистемах ЗЯ и ФИ представлены примерно поровну и вместе составляют больше 80 процентов парка сабвуферов . Естественный вопрос: если дырку в сабвуфере вырезают, значит, это кому-нибудь нужно? Вопрос, как и его поэтический прототип - риторический, не нужно было бы - не дырявили бы закрытые ящики.
Переключим клавиатуру из риторической раскладки в практическую, спросив, кому и зачем. И окажется, что на эти два вопроса нельзя дать общий ответ. Разным - для разного. И, чтобы этим основательно проникнуться, предлагаю, в который уже раз, для начала погрузиться в пучины прошлого.

Кто, где, когда
Всякое такое погружение чревато парадоксальными находками. В начале 2006 года, в №2, я предлагал вам отметить полувековой юбилей закрытого ящика, согласно бумаге, выданной патентным ведомством США. Надеюсь, вы воспользовались поводом. Когда был изобретён фазоинвертор? За двадцать четыре года до этого, согласно тому же источнику. В июле 1932-го, всего через три года после появления первого динамического громкоговорителя, которым мы практически в неизменном виде пользуемся по сей день и будем пользоваться до дня, назначенного нам судьбой, сотрудник лабораторий телефонной компании Bell Альберт Турас получил охранную грамоту на устройство, скромно и формально названное им «звуковоспроизводящий прибор». Цели, которые преследовал изобретатель, были сформулированы уже в первом абзаце документа. Целью было улучшить воспроизведение низких частот, добившись, по собственному выражению изобретателя, «более естественного воспроизведения низких нот в речи и музыке, находящегося в более правильной пропорции с высокими нотами, чем было возможно прежде».
Такова была цель. В качестве средства мистер Турас предлагал так обустроить громкоговоритель, чтобы использовать излучение не одной, а обеих сторон диффузора. Механизм такого использования Турас понимал правильно, расписав, что трубы, соединяющие объём ящика с окружающим пространством, будут действовать как механический фильтр, внося на определённых частотах фазовый сдвиг в 180 градусов между акустической волной на их входе (внутри ящика) и на выходе (снаружи). В этом случае, как совершенно справедливо рассудил изобретатель, терявшаяся прежде энергия выйдет наружу, а находясь в фазе с уже излучённой лицевой стороной диффузора, увеличит создаваемое всем ансамблем звуковое давление. И, как было отмечено уже тогда, семьдесят с лишним лет назад, происходить это будет только в узкой полосе частот, на которую предлагавшиеся им трубы настроены.
Забавно, что во всём документе понятие резонансной частоты динамика в явной форме не встречается, автор великого изобретения говорит лишь о частотах, где излучение начинает ослабевать, мы-то, здесь и сейчас, знаем, что это как раз ниже резонансной частоты...
На фоне этих, абсолютно обоснованных рассуждений довольно трогательно выглядят заблуждения изобретателя, касающиеся практического устройства «звуковоспроизводящего прибора». Турасу казалось, что всё произойдёт по его рецепту, только если выход труб или кольцевого канала (в общем, того, что мы нынешние называем тоннелем или портом ФИ) будут находиться как можно ближе к диффузору, окружая его тесным кольцом. Сегодня мы знаем, что на практике не очень важно, где будет выход тоннеля, синфазность излучения на низких частотах на пострадает. Но всё равно мистеру Турасу от всех нас спасибо большущее.

Откройте дверь, закройте дверь
Давайте всё же вспомним (за этим и собрались, в конце концов), что происходит в корпусе сабвуфера, если, помимо самого корпуса и динамика, в нём проделали дыру и закрепили в ней отрезок трубы. Начнём двигаться по шкале частот сверху, так удобнее. Пока частота сигнала, подаваемого на динамик, достаточно высока, наличие прорехи в ящике ни на чём особо не сказывается. Почему? Да потому, что действует тот самый механический фильтр, о котором писал изобретатель фазоинвертора. В простых же словах дело происходит так: когда колебания давления внутри ящика происходят с большой частотой, масса воздуха в тоннеле не успевает прийти в движение, дверь вроде бы есть, но если её часто-часто трясти за ручку, она так и останется закрытой. Одновременно смотрим на то, на что Альберт Турас не смотрел, тогда ещё не было принято - на кривую импеданса нашего громкоговорителя (на самом деле понимаем, не просто громкоговорителя, а сабвуфера). В качестве примера взята реальная кривая импеданса корпусного сабвуфера-фазоинвертора характерной двугорбой формы. Почему двугорбой и что означают горбы, выяснится очень скоро, а пока мы находимся там, где отмечено красной точкой, импеданс (проще говоря - сопротивление) громкоговорителя невелик, поскольку невелика амплитуда колебаний диффузора.
Забыли, как связана амплитуда с сопротивлением? Вот велика беда, сейчас вспомним. Смотрите: сопротивление динамика оказывается тем больше, чем меньше ток, проходящий по звуковой катушке при одном и том же подведенном напряжении, верно? Когда диффузор колеблется, он создаёт противо-ЭДС, ток при этом уменьшается. А это то же самое, что возрастание сопротивления. Если диффузор заклинить (это иногда происходит по естественным причинам у особо ретивых эспиэльщиков и примкнувших к ним в результате перегрева и расклеивания звуковой катушки), его сопротивление будет на низких частотах практически неизменным, а на более высоких - расти в силу индуктивности, и только. Когда частота приближается к резонансной, амплитуда колебаний диффузора возрастает (на то он и резонанс), растёт и противо-ЭДС, ток в катушке уменьшается, это равносильно росту её сопротивления.

	Пока частота достаточно высока, существенно больше частоты настройки Fb, амплитуда колебаний диффузора растёт, а тоннель, хоть и выглядит открытой дверью, на самом деле заперт на «инерционный замок».
	На частоте настройки давление воздуха в ящике «хлопает дверью» ровно в противофазе с собой, а значит - в фазе с диффузором.
	Когда частота уходит ниже настройки, тоннель начинает работать в противофазе с диффузором. Диффузор, получается, работает, а тоннель всё сводит насмарку.

Кому и зачем?
Было же сказано: разным и для разного. То, для чего был придуман фазоинвертор изначально, лучше других сформулировал тот, кто его придумал. В течение всех последовавших за этим заявлением десятилетий конструкторы акустики делали именно это - ставили динамик в ФИ, когда требовалось улучшить воспроизведение низких частот. Улучшить? А что это означает? В домашней акустике, из которой, придётся признать, мы все выросли, как из гоголевской «Шинели», это означало расширить полосу воспроизводимых частот вниз. Применением ФИ это достигается настолько эффективно, что сегодня, если вы взглянете на ассортимент домашней акустики, найти что-то в закрытом ящике будет трудно на грани возможного. Почти сплошь «скворечники» всех мастей и габаритов. Причину такой популярности легко проиллюстрировать: вот три АЧХ динамика с довольно типичными параметрами в трёх вариантах акустического оформления. Оптимальный ФИ, оптимальный же (то есть настроенный на баттервортовскую добротность Qtc = 0,707) закрытый ящик и закрытый ящик того же объёма, что и ФИ. В фазоинверторе нижняя граничная частота получается 32 Гц, в таком же по объёму закрытом ящике - 59, в закрытом ящике оптимального объёма - 57. Почувствуйте разницу. Производители и потребители «домашки» давно почувствовали, вот и не слезают с фазоинверторов, хоть палкой гони...

А на то, что ниже граничной частоты звуковое давление у ФИ падает гораздо быстрее, чем у ЗЯ, в этой, домашней постановке задачи, наплевать. А нам, мобильным и моторизованным? Отнюдь нет. Помните про передаточную функцию салона? Конечно, помните, такое не забывается. Она ведёт звуковое давление вверх (начиная с некоторой частоты) с наклоном 12 дБ/окт. У закрытого ящика ниже частоты резонанса звуковое давление падает ровно с такой же скоростью. Значит, при надлежащем выборе параметров сабвуфера одно на одно наложится и произведёт на свет идеально ровную АЧХ, какая в «домашке» и не снилась. А фазоинвертор заваливает свою характеристику со скоростью 24 дБ/окт., такое салон компенсировать не может, значит, с этим оформлением мы всегда (подчеркну: всегда) будем иметь завал АЧХ с наклоном 12 дБ/окт. уже в салоне начиная опять же с некоторой, но уже другой частоты. Вот давайте взглянем: затащим по очереди три ящика из предыдущего примера в машину. Оптимальный ЗЯ: ну что тут скажешь, оптимальный он и есть. ЗЯ увеличенного размера из-за более низкой резонансной частоты показал более высокую отдачу на инфранизах, но и только. Но если к нему пристроить тоннель, настроив «выходную дверь» на 30 Гц или около того, завал АЧХ с этой частоты начнётся, но с какой высоты, взгляните! Обрезок недорогой сантехники привёл к росту звукового давления в полосе частот 25 - 40 Гц (для «домашников» такие частоты - вообще или мечта, или разорение) в среднем на 7 дБ (минимум 6, максимум - 9). Уже минимум означает: при том же уровне звукового давления к сабвуферу надо будет подвести мощность вчетверо (!) ниже, чем к динамику в идеальном, аудиофильском закрытом ящике. Или примерно втрое ниже, чем в закрытом ящике равного объёма (для данного примера). Вот вам и вторая часть ответа на связку вопросов «кому - зачем». В машине - для получения лишнего звукового давления, как раз наиболее широкую полосу частот у нас обеспечивает ЗЯ. В этом отношении автомобильная басовая акустика прямо противоположна домашней.
Возникает вопрос, а нужна ли нам такая АЧХ? В принципе, ответ уже был в одном из прошлых выпусков «Вспомнить все». Но если к следующему разу не сможете найти, с этого и начнём. Подсказка: бас народа - бас божий...

Использование данных материалов допускается только с разрешения автора

Акустическая система по-прежнему остается самым консервативным звеном в цепи звуковоспроизведения. В подавляющем большинстве моделей в качестве электроакустических преобразователей используются электродинамические головки. В них диффузор приводится в движение за счет взаимодействия тока, протекающего по звуковой катушке, с полем магнитной системы.

Звуковая волна, которую мы в результате и слышим, возникает благодаря колебанию конуса диффузора.

Для правильного воспроизведения требуется, чтобы для всех слышимых частот звуковое давление было одинаково. Однако если взглянуть на частотную характеристику громкоговорителя, свободно подвешенного в пространстве, то обнаружится, что при понижении частоты сигнала, начиная с некоторого ее значения, уровень давления будет плавно падать.

Принципиальная проблема всех громкоговорителей заключается в том, что они излучают звук как вперед, так и назад с одинаковой интенсивностью. Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью, и поскольку сами излучатели относительно малы по сравнению с длиной волны на низких частотах, излучение спереди и сзади от диффузора взаимно компенсирует друг друга. Этот эффект называется акустическим коротким замыканием.

На высоких частотах длина волны мала, и волна не успевает обогнуть головку за один период колебания, и излучаемая энергия увеличивается. Граничная частота, ниже которой эффективность головки падает, зависит от размеров диффузора и определяется конечным значением скорости звука в воздухе. Например, для головки диаметром 20 см спад начинается ниже одного 1 кГц. С уменьшением диаметра частота повышается.

Чтобы исключить акустическое замыкание, динамической головке создают акустическое оформление, то есть помещают в корпус. Самое простое оформление открытое, когда задняя стенка у прямоугольного корпуса просто отсутствует или представляет собой перфорированную панель.

У автономных акустических систем для высококачественного воспроизведения такое оформление не встречается, но у большинства телевизоров, переносных магнитол и радиоприемников акустическое оформление - открытое.

Основное достоинство такого оформления в том, что оно не повышает резонансной частоты головки, ниже которого головка просто не работает.

А самый серьезный недостаток - относительно большие размеры, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Характеристика акустики в области низких частот должна быть максимально гладкой, чтобы при воспроизведении импульсов, а музыка - это практически одни импульсы, не появлялось дополнительных призвуков и послезвучания.

Если произвести расчет объема акустической системы, то для современных головок он будет чрезмерно большим - порядка 150 литров, что абсолютно неприемлемо для современной квартиры по эстетическим соображениям.

Поскольку при колебании диффузора задняя сторона излучает половину акустической мощности, а в закрытой акустике эта мощность пропадает, интересно попытаться ее использовать. Для этого нужно найти способ изменить фазу звуковой волны от задней стороны на противоположную, и тогда при достижении плоскости передней панели произойдет акустическое сложение, а не вычитание. Решение было предложено очень давно (еще в 1937 году) и получило название акустического оформления с фазоинвертором.

Однако монополию открытых систем нарушило сначала закрытое акустическое оформление, когда головка помещалась в закрытый корпус.

Пионером такой конструкции принято считать Acoustic Research, выпустившую в 50-х годах прошлого века первую закрытую акустическую систему AR1. А ее двухполосная система AR2a (появилась в 1957 году) считается родоначальницей всей полочной акустики.

Современный громкоговоритель - крайне неэффективное электродинамическое устройство. Он преобразует в зависимости от конструкции в акустическую мощность только от 0,25 до 2,5% подводимой электрической мощности.

Остальная мощность выделяется в виде тепла.
Для закрытых систем крутизна спада ниже частоты резонанса составляет 12 дБ на октаву. Такой спад можно частично компенсировать расположением акустической системы в помещении относительно стен.

Кроме того, регуляторы тембра, выполненные по классической схеме, имеют характеристику с таким же наклоном и также позволяют компенсировать спад АЧХ в области НЧ.

Однако подъем более чем на 6 дБ невозможен, поскольку при дальнейшем увеличении вступает в силу фактор максимальной подводимой мощности, превышение которой может вызвать механическое разрушение головки из-за перегрева звуковой катушки. Поэтому максимальная подводимая мощность оказывается одним из главных параметров, определяющих низкочастотную границу воспроизводимых акустической системой частот.

Простейший конструктивный вариант фазоинвертора - это отверстие (порт). Однако на практике такое решение используется редко. Поскольку параметры воздуха зависят от атмосферных условий (температуры и влажности), то порт можно закрыть пассивным радиатором. Но значительно чаще фазоинвертор выполняется в виде трубы. В этом случае, кроме головки и воздуха в корпусе, добавляется еще и объем воздуха в трубе.

Другой способ заставить работать звуковой фронт, излучаемый задней стороной диффузора, - это лабиринт, изогнутый вариант длинной линии. Но такая конструкция получается очень сложной, особенно если учесть, что общая длина лабиринта получается более двух метров, а значит, дорогой.

Порт фазоинвертора может располагаться как на передней стенке корпуса (что более правильно), так и на задней. Для напольных моделей встречается и донный вариант, когда порт работает в пол. Понятно, что полочную акустику с портом на задней стенке нельзя устанавливать на полку (отверстие фазоинвертора будет закрыто, и он не будет работать), а только на подставки. При этом теряется вся прелесть ее компактности.

Несмотря на широкое распространение акустического оформления с фазоинвертором (если посмотреть наши тесты за последние два года, то едва ли не единственной акустической системой с закрытым оформлением окажется полочная Yamaha NS-6940), оно имеет ряд недостатков.

Основная проблема оформления с фазоинвертором - это увеличение коэффициента нелинейных искажений на низких частотах по сравнению с закрытыми системами. Поскольку все результаты измерений акустических систем опубликованы в журнале, то можно легко оценить уровень КНИ в области работы фазоинвертора.

Современные акустические системы строятся исходя не из законов физики, а в угоду требованиям моды интерьерного дизайна. Для качественного (в первую очередь без искажений) воспроизведения низких частот нужна головка с большим диффузором, размещенная в ящике большого объема.

Снижение граничной частоты акустической системы на треть октавы в области 50 Гц потребует удвоения объема корпуса. Это, собственно, и имеет место в столь многочисленных ныне сабвуферах. Последний пример - новый сабвуфер фирмы Cabasse.

Еще одна особенность фазоинвертора - акустический шум. Причина в возникновении завихрений на выходе из порта. Существенно снизить шум путем выравнивания потока на выходе можно, изменив форму раскрыва трубы фазоинвертора. Специальные меры для создания нешумящих портов применяют многие изготовители акустики, среди которых B&W, JBL, Infinity, Polk и другие.

Можно высказать еще одно предположение, почему получили распространение малогабаритные АС с фазоинвертором.

Поскольку большинство из них воспроизводит не музыкальные звуки, а низкочастотные эффекты, без которых немыслим домашний кинотеатр, то их специфический окрас (за счет относительно больших искажений в НЧ-области) придает их звучанию неестественную сочность и гипертрофированную живость. Это то и делает их более привлекательными если не в глазах (или, точнее, ушах) покупателей, то в умах маркетологов фирм-призводителей и продавцов.

Магические формулы

Одно из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора - 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». Формула его расчета не намного сложнее самой распространенной и доступной модели такого резонатора. Пустая бутылочка из-под кока-колы (только обязательно бутылка, а не алюминиевая банка) - именно такой резонатор, настроенный на частоту 185 Гц, это проверено. Впрочем, резонатор Гельмгольца намного древнее даже этой, постепенно выходящей из употребления упаковки популярного напитка. Однако и классическая схема резонатора Гельмгольца схожа с бутылкой (рис. 1). Для того чтобы такой резонатор работал, важно, чтобы у него был объем V и тоннель с площадью поперечного сечения S и длиной L. Зная это, частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) теперь можно рассчитать по формуле:

где Fb - частота настройки в Гц, с - скорость звука, равная 344 м/с, S - площадь тоннеля в кв. м, L - длина тоннеля в м, V - объем ящика в куб. м. = 3,14, это само собой.

Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объем ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Все, казалось бы, дело сделано. Приступаем. Пусть у нас есть ящик объемом 50 литров. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведенной 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. 2, 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. 3. 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 сопрягается со стенкой 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.

Заметим, что то же самое произойдет, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, снова совместив один его конец со стенкой (рис. 4). 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 объемом V на частоту Fb, будет выглядеть так:

Здесь частота - в герцах, объем - в литрах, а длина и диаметр тоннеля - в миллиметрах, как нам привычнее.

Полученный результат ценен не только тем, что позволяет на этапе расчета получить значение длины, близкое к окончательной, дающей требуемое значение частоты настройки, но и тем, что открывает определенные резервы укорочения тоннеля. Почти один диаметр мы уже выиграли. Можно укоротить тоннель еще больше, сохранив ту же частоту настройки, если сделать фланцы на обоих концах, как показано на рис. 5.

Теперь, кажется, все учтено, и, вооруженные этой формулой, мы представляемся себе всесильными. Именно здесь нас и ждут трудности.

Первые трудности

Первая (и главная) трудность заключается в следующем: если относительно небольшой по объему ящик требуется настроить на довольно низкую частоту, то, подставив в формулу для длины тоннеля большой диаметр, мы и длину получим большую. Попробуем подставить диаметр поменьше - и все получается отлично. Большой диаметр требует большой длины, а маленький - как раз небольшой. Что же тут плохого? А вот что. Двигаясь, диффузор динамика своей тыльной стороной «проталкивает» практически несжимаемый воздух через тоннель фазоинвертора. Поскольку объем колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в тоннеле будет во столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз площадь сечения тоннеля меньше площади диффузора. Если сделать тоннель в десятки раз меньшего размера, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большой, и, когда она достигнет 25 - 27 метров в секунду, неизбежно появление завихрений и струйного шума. 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.

Теперь все выглядит не так радужно, как прежде. 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 еще и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.

Столкнувшись с такой дилеммой, читатели ACS обычно звонят в редакцию и просят подсказать им решение. У меня их три: простое, среднее и экстремальное.

Простое решение для небольших проблем

Когда расчетная 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, причем размещать его не посреди передней стенки корпуса (как на рис. 6), а вплотную в одной из боковых стенок (как на рис. 7). 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. 7, получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на рис. 6. Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя еще больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины. Это - простое решение. Если его недостаточно, придется перейти к среднему.

Среднее решение для проблем побольше

Решение промежуточной сложности заключается в использовании тоннеля в форме усеченного конуса, как на рис. 8. Мои эксперименты с такими тоннелями показали, что здесь можно уменьшить площадь сечения входного отверстия по сравнению с минимально допустимой по формуле Смолла без опасности возникновения струйных шумов. Кроме того, конический тоннель намного менее склонен к органным резонансам, нежели цилиндрический.

В 1995 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения. Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS http://www.audiocarstereo.it в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.

Таблица 2 составлена для исходного тоннеля диаметром 100 мм. Это подойдет для большинства сабвуферов с головкой диаметром 300 мм.

Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов. Этот угол больше 6 - 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля. Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.

Тоннель в форме усеченного конуса не обязательно должен иметь круглое сечение. Как и обычный, цилиндрический, его иногда удобнее делать в виде щелевого. Даже, как правило, удобнее, ведь тогда он собирается из плоских деталей. Размеры щелевого варианта конического тоннеля приведены в следующих столбцах таблицы, а что эти размеры означают, показано на рис. 10.

Замена обычного тоннеля коническим способна решить много проблем. Но не все. Иногда длина тоннеля получается настолько большой, что укорочения его даже на 30 - 35% недостаточно. Для таких тяжелых случаев есть...

Экстремальное решение для больших проблем

Экстремальное решение заключается в применении тоннеля с экспоненциальными обводами, как показано на рис. 11. У такого тоннеля площадь сечения сначала плавно уменьшается, а потом так же плавно возрастает до максимальной. С точки зрения компактности для данной частоты настройки, устойчивости к струйным шумам и органным резонансам экспоненциальный тоннель не имеет себе равных. Но он не имеет себе равных и по сложности изготовления, даже если рассчитать его обводы по такому же принципу, как это было сделано в случае конического тоннеля. Для того чтобы преимуществами экспоненциального тоннеля все же можно было воспользоваться на практике, я придумал его модификацию: тоннель, который я назвал «песочные часы» (рис. 12). Тоннель-песочные часы состоит из цилиндрической секции и двух конических, откуда внешнее сходство с древним прибором для измерения времени. Такая геометрия позволяет укоротить тоннель по сравнению с исходным, постоянного сечения, по меньшей мере, в полтора раза, а то и больше. Для расчета песочных часов я тоже написал программу, ее можно найти там же, на сайте ACS. И так же, как для конического тоннеля, здесь приводится таблица с готовыми вариантами расчета.

Что означают размеры в таблицах 3 и 4, станет ясно из рис. 13. D и d - это диаметр цилиндрической секции и наибольший диаметр конической секции, соответственно, L1 и L2 - длины секций. Lmax - полная длина тоннеля в форме песочных часов, приводится просто для сравнения, насколько короче его удалось сделать, а вообще, это L1 + 2L2.

Технологически песочные часы круглого поперечного сечения делать не всегда просто и удобно. Поэтому и здесь можно выполнить его в виде профилированной щели, получится, как на рис. 14. Для замены тоннеля диаметром 80 мм я рекомендую высоту щели выбрать равной 50 мм, а для замены 100-миллиметрового цилиндрического тоннеля - равной 60 мм. Тогда ширина секции постоянного сечения Wmin и максимальная ширина на входе и выходе тоннеля Wmax будут такими, как в таблице (длины секций L1 и L2 - как в случае с круглым сечением, здесь ничего не меняется). Если понадобится, высоту щелевого тоннеля h можно изменить, одновременно скорректировав и Wmin, Wmax так, чтобы значения площади поперечного сечения (h.Wmin, h.Wmax) остались неизменными.

Вариант фазоинвертора с тоннелем в форме песочных часов я применил, например, когда делал сабвуфер для домашнего театра с частотой настройки 17 Гц. Расчетная длина тоннеля получилась больше метра, а рассчитав «песочные часы», я смог сократить ее почти вдвое, при этом шумов не было даже при мощности около 100 Вт. Надеюсь, вам это тоже поможет...