Тема расположения акустических систем в комнате для прослушивания пережила множество обсуждений и споров. Особо увлеченные люди писали на эту тему доклады и книги, стараясь подарить читателю некую универсальную истину в многообразии терминов, формул, чертежей и графиков.
Одним из таких энтузиастов является основатель фирмы Cardas Audio — Джордж Кардас (George Cardas). Основываясь на своем опыте, он одним из первых ввел в индустрию аудио/видеотехники понятие «золотое сечение» — или соотношение Фибоначчи.
Применяя в производстве своей продукции эту константу, Джордж утверждает, что использование правила «золотого сечения» при расстановке акустических систем в комнатах для прослушивания дает лучшие результаты из тех, что возможны для данного помещения. Благодаря такому позиционированию комнатные резонансы минимально мешают слушателю, вследствие чего звучание систем выходит на новый уровень. Верно ли его утверждение? Проверим!
Какой должна быть частота резонанса фазоинвертора?
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 фазоинвертора.
Пример: Fрез. динамика в ЗЯ = 60 Гц. 60 х 0,33 = 20гц. 60-20 = 40 Гц.
Расчётная резонансная частота ФИ в данном примере должна быть 40 Гц.
Для этой частоты, а считаю далее диаметр и длина фазоинвертора под объём данного ящика. А теперь рассмотрим более научные варианты расчета фазоинвертора.
Эй, на пароме!
Рупор — самый древний и, пожалуй, самый провокационный тип акустического оформления. Выглядит круто, если не сказать эпатажно, звучит ярко, а временами… В старых фильмах герои иногда кричат друг другу что-то в рупор, и характерная окраска такого звука давно стала мемом и в музыкальном, и в киношном мире.
Avantgarde Acoustics Trio с низкочастотным рупорным массивом Basshorn XD высотой 2,25 м
Конечно от жестяной воронки с ручкой теперешняя акустика ушла очень далеко, но принцип работы все тот же — рупор повышает сопротивление воздушной среды для лучшего согласования с относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы динамика. Таким образом, повышается его КПД, а заодно и формируется четкая направленность излучения. В отличие от всех описанных ранее конструкций, рупор чаще всего используется в высокочастотных звеньях АС. Причина проста — его сечение увеличивается по экспоненте, и чем ниже воспроизводимая частота, тем большим должен быть размер выходного отверстия — уже на 60 Гц потребуется раструб диаметром 1,8 м. Понятно, что такие монструозные конструкции больше подходят для стадионных концертов, где их действительно периодически можно встретить.
Главный козырь адептов рупорного воспроизведения заключается в том, что акустическое усиление позволяет при заданной звуковой отдаче уменьшить ход мембраны, а значит, поднять чувствительность и улучшить музыкальное разрешение. Да-да, снова кивок обладателям ламповых однотактников. К тому же при грамотном расчете раструбы могут играть роль акустических фильтров, круто отсекая звук за пределами своей полосы и позволяя ограничиться самыми простыми, а потому вносящими минимальные искажения электрическими кросоверами, а иногда и вообще обойтись без них.
Системы Realhorns — особая акустика для особых случаев
Скептики же не устают напоминать о характерной рупорной окраске, особенно заметной на вокале, и придающей ему характерную гнусавость. Побороть данную неприятность действительно нелегко, хотя судя по тому, как играют лучшие образцы High-End-рупоров, вполне реально.
Рупор
Плюсы: Высокий акустический КПД, а значит, отличная чувствительность и неплохое музыкальное разрешение системы.
Минусы: Характерная трудноустранимая окраска звука, недетские размеры средне- и тем более низкочастотных конструкций.
Вариант №1. Простой вариант расчета размеров фазоинвертора
Это вариант подойдет для ленивых. Нам надо знать частоту настройки фазоинвертора для данного динамика. Его часто указывают производители динамиков в технических характеристиках, например на упаковке.
где:
- F — частота настройки ФИ;
- C — скорость звука;
- п — число = 3,14…;
- S — площадь отверстия;
- L — эффективная длина трубы (длина трубы плюс процентов 5);
- V — объем корпуса.
Везде метры и герцы.
Соответственно отношение площади отверстия к длине фазоинвертора:
Рис. 1. Формула отношения площади отверстия к длине фазоинвертора
то есть при увеличении площади отверстия вдвое (два порта) — вдвое растет длина каждого из фазоинвертора. Делать узкий фазоинвертор чтобы уменьшить длину трубы нецелесообразно — возрастает скорость потока в нем (там должно быть не более 5% от скорости звука! я ошибся по памяти)
Одновременно сделать очень широкий и длинный фазоинвертор также не имеет смысла — его длина не должна быть больше длины волны на частоте резонанса, чтобы не было стоячих волн, но вообще-то это несколько метров получается, так что тут ошибиться трудно.
Самостоятельное изготовление порта
Фазоинвертор так же, как и динамик, участвует в воспроизведении звука. Для избегания эффекта интерференции канал размещается поближе к излучателю низкой частоты на расстоянии, не превышающем его длину волны. В качестве ФИ используются жёсткие конструкции, например, в самодельных изделиях применяются канализационные пластиковые трубы.
Но при попытках рассчитать фазоинвертор для сабвуфера потребители сталкиваются с тем, что диаметр таких труб не совпадает с вычисленными значениями, поэтому труба изготавливается из подручного плотного материала — ватмана. Для того чтобы сделать канал самостоятельно, потребуются:
Согласно выполненному расчёту, подбирается основание с диаметром немного меньше рассчитанного. Затем, используя оправку, на него наматывается несколько слоёв газетной бумаги, обработанной клеем. Намотка осуществляется плотно, с избеганием попадания между слоями воздуха.
Вырезанная из ватмана полоска, ширина которой совпадает с длиной трубки, в несколько витков наматывается на поверхность газетной бумаги. При этом перед каждым витком наносится эпоксидный клей. Его получают путём смешивания смолы и отвердителя согласно инструкции. После того как выполнены все витки, изделие обтягивается по кругу нитью для придания жёсткости и ставится на просушку.
Через сутки основание извлекается. В случае возникновения трудностей его можно поломать изнутри и достать частями. Изготовленный канал такого вида имеет хорошую прочность и легко подвергается дополнительной обработке. Далее полученная трубка устанавливается в отверстие колонки, но не до конца и начинается прослушивание звука. В заводских условиях используется специальный прибор. Такое устройство работает на основе мультивибратора, который настраивается на резонансную частоту динамической головки. После подключения динамика запускается генератор и длина трубы регулируется по максимуму колебанию в ней воздуха.
Аналогично можно провести настройку и самостоятельно. Для этого на вход подаётся сигнал низкой частоты. Трубка выдвигается вперёд или погружается внутрь ящика, а после оценивается объём выходящего воздуха. Установив положение максимального его выхода, излишки трубы удаляют снаружи, а сам порт герметизируют. При желании для придания конструкции оконченного вида выполняется раскрыв трубы, но можно обойтись и без этого.
Вариант №2
В первую очередь, руководствуясь рис. 2 и таблицей, необходимо изготовить «стандартный объем» — герметичный фанерный ящик, все стыки которого во избежание утечек воздуха тщательно подогнаны, проклеены и промазаны пластилином.
Рис. 2. Чертеж фанерного ящика
| Диаметр диффузора громкоговорителя, мм | Размеры, мм | ||
| А | В | С | |
| 200 | 255 | 220 | 170 |
| 250 | 360 | 220 | 220 |
| 300 | 360 | 220 | 270 |
| 375 | 510 | 220 | 335 |
Далее измеряют собственную частоту резонанса громкоговорителя, находящегося в свободном пространстве. Для этого его подвешивают в воздухе вдалеке от крупных предметов (мебели, стен, потолка). Схема измерений приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема для измерения параметров Тилля-Смолла
Здесь ЗГ — градуированный звуковой генератор, V — ламповый вольтметр переменного тока и R — резистор сопротивлением 100–1000 ом (при больших значениях сопротивления измерение оказывается более точным).
Вращая ручку настройки частоты звукового генератора в пределах от 15-20 до 200-250 гц, добиваются максимального отклонения стрелки вольтметра. Частота, при которой отклонение максимально и является резонансной частотой громкоговорителя в свободном пространстве Fв.
Следующий этап — определение резонансной частоты громкоговорителя Fв при его работе на «стандартный объем». Для этого громкоговоритель кладут диффузором на отверстие «стандартного объема» и слегка прижимают, во избежание утечек воздуха в месте стыка поверхностей. Метод определения частоты резонанса прежний, но в этом случае она будет в 2–4 раза выше.
Рис. 4. Номограмма для определения резонансной частоты громкоговорителя Fв Рис. 5. Пример определения резонансной частоты громкоговорителя на номограмме
Зная эти две частоты, с помощью номограмм находят размеры фазоинвертора. В зависимости от диаметра диффузора громкоговорителя выбирают номограмму, приведенную на рис. 5 (для диаметра 200 мм). По выбранной номограмме определяют объем фазоинвертора, для чего соединяют прямой линией точки, соответствующие найденным частотам, на осях «Резонансная частота»
Рис. 6. Номограмма для определения оптимального объема ящика
Fв (см. рис. 5 точка А) и «Резонансная частота» Fя (точка В). Отмечают точку пересечения с вспомогательной осью и отсюда ведут вторую прямую линию через точку D до оси «оптимальный объем». Значение, соответствующее новой точке пересечения Е, и является искомым объемом.
Если нет каких-либо особых соображений для конструирования ящика специальной конфигурации, то расчет внутренних размеров его при заданной объеме может быть сделан по номограмме, показанной на рис. 6. Ширина фазоинвертора будет равна 1,4 высоты, а высота — 1,4 глубины. Пользование номограммой не представляет трудностей: проводят прямую линию между крайними осями, на которых нанесены величины объемов. Точки пересечения прямой с осями А, В, С определят ширину, высоту и глубину ящика. Диаметр выреза для громкоговорителя берется равным размеру С, указанному в таблице.
Рис. 7. Номограмма для определения размером ящика и диаметра выреза под фазоинвертор
Далее, задавшись диаметром туннеля, необходимо определить его длину и проверить вмещается ли он в ящик фазоинвертора. Длину туннеля находят из графиков, приведенных на рис. 8, для трех внутренних диаметров: графики А — для диаметра 50 мм, В — для диаметра 75 мм и В — для диаметра 120 мм. Выбрав соответствующие графики, по частоте Fв и объему фазоинвертора, определенным ранее, находят длину туннеля (пример на рис. 7,В). Она должна быть на 35–40 мм меньше внутренней глубины ящика. Если этого не получается, можно нисколько изменить конфигурацию ящика, сохранив его объем, или взять Другой диаметр туннеля.
Рис. 8. Графики для определения длины туннеля фазоинвертора
Фазоинвертор изготавливают из фанеры толщиной около 30 мм. Если нет такой толстой фанеры, то для повышения жесткости нужно приклеить внутри ящика по диагонали или крестообразно бруски размером 25×75 мм. Ящик собирают на винтах и клее и все швы герметизируют. Заднюю стенку рекомендуется крепить шурупами (по пять штук на одну сторону) с фетровой прокладкой. Туннель делают из толстостенной картонной трубки.
Изготовив фазоинвертор и установив в него громкоговоритель, приступают к его демпфированию. Для этого громкоговоритель рекомендуется полностью закрыть с задней стороны слоем стекловаты толщиной 25–50 мм, прикрепляя ее к доске вокруг диффузородержателя с помощью кольца, привинченного шурупами или винтами.
Рис. 9. Схема для проверки достаточности демпфирования
Достаточность демпфирования проверяется с помощью схемы, приведенной на рис. 9. Сопротивление резистора R берется около 0,5 ом. Если же известен коэффициент демпфирования К усилителя, с которым будет работать агрегат, и сопротивление звуковой катушки громкоговорителя переменному току r, то его можно определять из формулы R=r/K ом.
Переводи переключатель из одного положения в другое, прислушиваются к щелчку в громкоговорителе. Если он вполне отчетлив я нет «бубнения» или «звона», значит демпфирование достаточно. Окончательное решение принимают после прослушивания оркестровой музыки с хорошо выраженными басами и верхними котами.
Виды акустических систем
Звук — это колебание, имеющее механическую природу возникновения, распространяющееся под давлением вызванным источником излучения. Акустическая система, представляющая собой звуковую колонку, преобразует электрические сигналы в механические, воспринимаемые слухом человека. Частота этих колебаний лежит в границах от 20 гц до 20 КГц. Существуют различные виды акустических систем:
- Акустический лабиринт. Имеет вид лабиринта, выполненного в виде туннеля, находящегося в середине колонки. Его предназначение — усиливать низкие частоты за счёт множества изгибов. Внутренние стенки лабиринта покрываются демпфирующим покрытием, за счёт чего лабиринт не привносит в звук паразитные призвуки.
- От размера и вида фазоинверторного порта зависят объём воздуха и частота резонанса, на которую настроен канал. Объём воздуха в канале начинает резонировать и усиливать воспроизведение частоты при наступлении момента, когда диффузор излучает частоту, на которую рассчитан фазоинвертор.
По своей форме классический туннель выполняется кольцевой формы. Но для увеличения полезной внутренней площади ему часто придают щелевой вид. Отказ от цилиндрической формы тоннеля позволяет сократить его длину и снизить шумы, возникающие при выбросе воздуха.
При ошибках в расчёте щелевого фазоинвертора настроить его гораздо сложнее, чем классический вид, так как он изготавливается совместно с колонкой. Сам расчёт выполняется сложнее, чем для систем закрытого типа: при этом, кроме объёма ящика, учитывается настраиваемая частота резонанса. Оптимальные размеры подбираются с учётом амплитудно-частотной характеристики колонки, а именно её равномерности.
Вариант №3. Расчет размера фазоинвертора по номограмме
рис. 10. Номограмма для расчета размера фазоинвертора
В области низких частот работа громкоговорителя не зависит от формы ящика или типа фазоинвертора, а определяется лишь двумя параметрами акустического оформления — объемом ящика-фазоинвертора V и частотой его настройки Fb. К нахождению этих величин и сводится в основном расчет акустического оформления.
Для того чтобы уяснить методику расчета громкоговорителей с помощью номограммы, рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.Рассчитать оптимальное акустическое оформление для известной низкочастотной головки. Допустим, что с помощью измерений параметры головки определены: Qa=3,2, Qe=0,33, Vas=0,120м3, fs=40 Гц. При работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением (Rg=0) Qt головки составит 0,3. Отметим на оси абсцисс точку Qt=0,3, проведем через нее перпендикулярную оси прямую и найдем ординаты точек пересечения прямой с кривыми в верхней и нижней частях номограммы: Vas/V=3, fb/fs=1,25, f3/fs=1,47. Подставляя в полученные отношения измеренные значения параметров головки Vas=0,120м3, fs=40 Гц, находим: V=0,04 м3, fb=50 Гц, f3=59 Гц. Таким образом, если не принимать мер к дополнительному регулированию Qt, для получения гладкой частотной характеристики громкоговорителя заданную головку достаточно поместить в ящик-фазоинвертор объемом 0,04 м3 и настроить его на частоту 50 Гц. Частота среза громкоговорителя при этом окажется равной 59 Гц.
Пример 2.Для той же исходной головки с Qa=3,2, Qe=0,33, Vas=0,120м3, fs=40 Гц требуется так рассчитать параметры ящика-фазоинвертора, чтобы частота среза громкоговорителя оказалась равной 35 Гц. При оговоренной частоте среза расчет начинается с определения f3/fs. В рассматриваемом случае f3/fs=0,875. Далее через точку с ординатой 0,875 на кривой f3/fs проводится прямая, перпендикулярная оси абсцисс, и определяются координаты точек пересечения ее с кривыми Vas/V и fb/fs , т. е. Qt=0,415, Vas/V=1.05, fb/fs =0.93. Подставляя в полученные отношения значения параметров головки Vas=0,12м3, fs=40 Гц, находим V=0,114 м3, fb=37 Гц. Следовательно, для того чтобы получить гладкую частотную характеристику громкоговорителя с частотой среза f3=35 Гц, объем ящика-фазоинвертора должен составлять 0,114 м3, а частота настройки — 37 Гц. Кроме того, поскольку требуемое значение общего Q головки отличается от измеренного (при работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением Qt=0.3), для достижения желаемой формы частотной характеристики потребуется дополнительное регулирование этого параметра.
Пример 3. Дана низкочастотная головка (Qa=3,2, Qe=0,33, Vas=0,12м3, fs=40 Гц) и задан объем акустического оформления 19 V=0,06 м3. Требуется рассчитать громкоговоритель, обладающий гладкой частотной характеристикой. Определим отношение Vas/V =2. Через точку с ординатой 2 на кривой Vas/V проведем прямую, перпендикулярную оси абсцисс, и найдем координаты точек пересечения ее с кривыми fb/fs и f3/fs : Qt=0,345; fb/fs=1,1; f3/fs=1,2. Подставляя в последние отношения значения параметров головки, находим fb=44 Гц, f3=48 Гц. Таким образом, чтобы с данной головкой и в ящике оговоренных размеров получить гладкую частотную характеристику громкоговорителя, потребуется настроить ящик-фазоинвертор на частоту fb=44 Гц и с помощью средств регулирования довести общее Q головки до значения 0,345.
Непосредственный алгоритм создания самого корпуса для сабвуфера автомобиля
Вот, что нужно знать:
- Наиболее оптимальной формой будет усеченная пирамида, поскольку она является наиболее универсальной;
- Скос задней стенки должен составлять примерно 23 градуса, так как абсолютное большинство современных легковых автомобилей имеют салон с наклоном спинок задних сидений именно под этим углом;
- Обязательно необходимо рассчитать объём корпуса в соответствии с размерами свободного пространства багажника(см.Шумоизоляция багажника в комплексе мер по снижению шума в салоне).
Рекомендации по расчетам корпусов, труб сабвуфера
Расчет ФИ короба с помощью програм JBL SpeakerShop и BassPort. — DRIVE2
Прежде чем приступить к расчетам фазоинверторного корпуса под конкретный сабвуферный динамик, необходимо узнать какие у динамика параметры Тиля-Смолла и понять, что такое:Для адекватного расчета достаточно трех параметров.Fs – резонансная частота динамика, указывается в Гц (герцах).Vas – эквивалентный объем, указанный в литрах.
Qts – полная добротность динамика.
1. Расчет чистого объема и частоты настройки фазоинвертора. Для этого необходима программа для расчета сабвуферных корпусов, их достаточно много, как платных, так и бесплатных, наиболее популярная и простая в обращении, программа JBL SpeakerShop. В программе необходимо указать параметры Тиля – Смолла, подбирая объем ящика и настройку порта фазоинвертора, получить необходимый график АЧХ.
2.Расчет порта фазоинвертора. Очень быстро и удобно, а главное с большой точностью, рассчитать порт на нужную частоту, можно в программе BassPort.
Вводим в программе: Необходимую частоту настройки порта ФИ Полученный ранее чистый объем ящика Эффективную площадь диффузора динамика (замеряется, длинна по центру динамика от одной середины подвеса до противоположной середины подвеса) Максимальный ход диффузора в одну сторону (указывается в инструкции или на сайте производителя как Xmax, может быть указан как в одну сторону, так и сразу в обе) Выбираем сечение порта Вводим габариты порта Нажимаем кнопку рассчитать, и получаем необходимую длину порта «L», а так же другие не менее важные данные, в частности – литраж порта, который добавится к объему корпуса сабвуфера.
3.Считаем общий объем корпуса ФИ. В программе JBL SpeakerShop мы узнали, какой необходим чистый объем для конкретного сабвуфера, а так же не какую частоту лучше настраивать порт ФИ. В Bassportе мы посчитали, какой длинны должен быть порт ФИ, исходя из его площади, и узнали какой объем будет занимать порт.
Теперь складываем: чистый объем + объем порта + 3 – 4 литра (объем вытесняемый динамиком) и получаем общий внутренний объем будущего ФИ корпуса. Если в корпусе будут использоваться скругления, ребра жесткости, если корпус будет щелевой и пр. это так же необходимо учесть в общий объем.Пример:*Чистый объем – 45 л.
*Порт щелевой, площадью 140 куб.см. на 36 Гц — 8,5 л., плюс 3,8 л. на стенку порта из 18 мм. фанеры. *Вытеснение динамиком – 3 л.*Итого — 60,3 л. общий объем ФИ корпуса.Теперь, казалось бы самое не понятное, как получить размеры корпуса исходя из известного литража?У нас есть объем 60,3 литра.
Совет
Замеряем багажник, смотрим какие габариты нас устроят, например: высота — 40 см, длинна – 60 см осталось узнать ширину. Отнимаем от высоты и длинны толщину стенок (пусть будут 18 мм фанера) и получаем: высота – 36,4 см., длинна 56,4 см.
Теперь считаем: 60,3 * 1000 / 36,4 / 56,4 = 29,4 – ширина корпуса, без учена стенок, со стенками 33 см.
Вот так, примерно выглядит расчет фазоинверторного корпуса под определенный сабвуферный динамик. Прошу вас не воспринимать данную статью как четкое руководство по изготовлению ФИ сабвуфера, очень много не учтенных моментов и тонкостей.
Кому интересен автозвук вступайте vk.com/sound_paradise
И другие…
Если вы думаете, что на этом список вариантов оформления колонок исчерпывается, значит вы сильно недооцениваете конструкторский энтузиазм электроакустиков. Я описал только наиболее ходовые решения, оставив за кадром близкую родственницу лабиринта — трансмиссионную линию, полосовой резонатор, корпус с панелью акустического сопротивления, нагрузочные трубы…
Nautilus от Bowers & Wilkins — одна из самых необычных, дорогих и авторитетных в плане звучания акустических систем. Тип оформления — нагрузочные трубы
Подобная экзотика встречается довольно редко, но иногда она материализуется в конструкции с действительно уникальным звучанием. А иногда и нет. Главное не забывать, что шедевры, как и посредственности, встречаются во всех оформлениях, что бы ни говорили идеологи того или иного бренда.
Круги на воде
Именно такой аналогией проще всего описать характер излучения контрапертурных акустических систем, впервые разработанных в Советском Союзе в 80-х годах прошлого века. Принцип работы нетривиален: пара одинаковых динамиков смонтирована так, что их диффузоры расположены друг напротив друга в горизонтальной плоскости и двигаются симметрично, то сжимая, то разжимая воздушную прослойку. В результате создаются кольцевые воздушные волны, равномерно расходящиеся во все стороны. Причем характеристики этих волн в процессе их распространения искажаются минимально, а их энергия затухает медленно — пропорционально расстоянию, а не его квадрату, как в случае обычных АС.
Duevel Sirius сочетает элементы рупорной и контрапертурной конструкций
Помимо дальнобойности и круговой направленности, контрапертурные системы интересны на удивление широкой вертикальной дисперсией (порядка 30 градусов против стандартных 4-8 гр.), а также отсутствием доплеровского эффекта. Для динамиков он проявляется в биениях сигнала, вызванных постоянным изменением расстояния от источника звука до слушателя из-за колебаний диффузора. Правда, реальная слышимость данных искажений до сих пор вызывает много споров.
Взаимное проникновение концентрических звуковых полей правой и левой колонок создают весьма обширную и равномерную зону объемного восприятия, то есть по сути вопрос точного позиционирования АС относительно слушателя становится не актуален.
Итальяно-российская контрапертурная акустика Bolzano Villetri
Обратная сторона медали — большая опасность ранних отражений этих волн от стен и мебели, о вредоносности которых я подробно рассказывал в статье «Азы акустики для чайников: как правильно расставить колонки в комнате».
Характерная особенность контрапертуры в том, что звук, приходящий к слушателю фактически со всех сторон, хотя и создает впечатляющий эффект присутствия, не может в полной мере передать информацию о звуковой сцене. Отсюда рассказы слушателей об ощущении летающего по комнате рояля и прочих чудесах виртуальных пространств.
Контрапертура
Плюсы: Широкая зона эффектного объемного восприятия, натуралистичность тембров благодаря нетривиальному использованию волновых акустических эффектов.
Минусы: Акустическое пространство заметно отличается от звуковой сцены, задуманной при записи фонограммы.
