Учимся считать чистый объём и порт для фазоинверторного сабвуферного короба

Очень большое распространение в последние годы получили закрытые акустические системы, которые до недавнего времени были единственным видом АС для высококачественного воспроизведения как в нашей стране, так и за рубежом. И только в последние годы АС с фазоинвертором (АС с ФИ) и АС с пассивным излучателем (АС с ПИ) нарушили монополию закрытых АС.

Тем не менее акустическое оформление закрытый ящик и в настоящее время является одной из наиболее распространенных конструкций высококачественных АС в Западной Европе и довольно широко выпускаются в США, как это было видно из таблицы (данные 1984 года):

На рис. 1 представлена типичная закрытая АС.

Активный сабвуфер Tannoy TS2.8 в акустическом оформлении закрытый ящик.

Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует «акустическое короткое замыкание».

Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω01 и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха SВ может быть найдено как:

SB=γp0S2эфф/V, (1)

где γ — показатель адиабаты, Sэфф — эффективная площадь диффузора головки, V — внутренний объем корпуса оформления.

Эффективной площадью диффузора считают 50–60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d Sэфф=0,55S=0,44d2. Это эквивалентно тому, что эффективный диаметр диффузора составляет 0,8 от конструктивного диаметра. Упругость SВ суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки S0 и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении вычисляется по формуле:

ω01=√((S0+SB)/m)=ω0√(1+SB/S0), (2)

где m — масса подвижной системы головки.

Как видно из формулы 1, упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха VЭ, имеющего упругость S0. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении:

ω01=ω0√(1+VЭ/V) (3)

Чтобы резонансная частота все же не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с более тяжелой подвижной системой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении, как это видно из формулы 2. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность акустической системы, как это видно из формулы для стандартного звукового давления:

где A — частотно-независимый множитель, Rr — выходное сопротивление усилителя (генератора), Rk — активное сопротивление звуковой катушки, а — эффективный радиус головки.

Особенно малой эффективностью обладают так называемые малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки.

Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки.

Стандартное звуковое давление рст такой системы на частотах ω>ω01, где рст частотно-независимо, определяется так:

рст=2,65*10-3√(f301V/Q01), (5)

где Q01 — добротность головки в закрытом оформлении (методику измерения можно найти в статье «Измерение параметров Тиля-Смолла в домашних условиях»).

Как следует из формулы (4), неравномерность частотной характеристики закрытых акустических систем в области низких частот так же, как и открытых, определяется из добротностью (рис. 2.).

Рис. 2. Частотная характеристика закрытой системы (АЧХ ЗЯ)

При Q01<0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты в область низких частот и неравномерность проявляется как спад на резонансной частоте ω01 по сравнению с высшими частотами. При 0,70701<1 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте ω1 и далее спад на резонансной частоте ω01. Неравномерность частотной характеристики при этом определяется подъемом на пике ω1, и спадом на резонансной частоте ω01. При Q01>1 неравномерность частотной характеристики определяется только ликом на частоте ω1 относительно горизонтальной части характеристики.

Неравномерность частотной характеристики в зависимости от добротности закрытой АС приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость неравномерности частотной характеристики закрытой акустической системы от Q01.

Как следует из рисунка, минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q01=1 и составляет 1,3 дБ. Желательная же добротность самой головки находится из условия:

Q=Q01/√(1+Vэфф/V) (6)

Исследования показали, что добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8–1.

В противном случае головка получается «раздемпфированной». Это означает, что при ее возбуждении, т.е. при подаче на нее напряжения музыкальной или речевой программы, головка помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний, близкой к резонансной частоте.

Для слушателей это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как своего рода «гудение», «нечистота» низких тонов. Отметим также, что если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении.

Для их устранения внутренние поверхности (особенно заднюю стенку) покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия-расширения воздуха в оформлении.

Без заполнения процесс сжатия-расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический.

В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в формуле (1), составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС.

Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает √1,4, так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω01’ может быть найдена как:

ω01’= ω01√((1+0,75 *S/S0) ∙ (1+S/S0)), (7)

Расчет короба для сабвуфера

Итак, вы определились с сабвуфером, подобрали к нему усилитель, выбрали акустическое оформление и решили самостоятельно изготовить корпус. Перед тем как создать чертеж вам нужно рассчитать короб для сабвуфера, то есть получить исходные данные. Для закрытого ящика — это объем; для фазоинвертора — это объем корпуса, площадь сечения порта и его длина; для четвертьволнового резонатора — длина и площадь сечения тоннеля; для бандпассов — объем отсеков, площадь и длина портов, форма корпуса. Все эти параметры нужно рассчитать и для этого применяются специальные программы. Основой для всех калькуляций являются параметры Тиля — Смолла.

Смысл правильного расчета сабвуфера заключается в том, что бы спроектировать такое оформление, в котором динамик будет выдавать бас, подходящий для ваших вкусов и музыкальных предпочтений. Например, для закрытого ящика плавность АЧХ и характер звучания будет зависеть от объема корпуса, который вам нужно будет подобрать исходя из характеристик вашего сабвуферного динамика; для фазоинвертора частота настройки и горб АЧХ зависит от объема корпуса, объема порта, его длины формы и сечения и т.д.

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:

1. 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.

2. 
   Открытого типа. Представляет собой систему, в которой стенка, противоположная направлению излучения динамиков, не устанавливается. В таком типе исполнения невозможно получить хорошие низкие частоты из-за отсутствия компрессии, а средние и высокие звуки кажутся более открытыми и воздушными.

3. Закрытого типа. Выполняется из полностью герметичного корпуса, создающего внутри замкнутый объём воздуха. Этот объём образует внутреннее давление, мешающее нормальному ходу диффузоров динамика. Такого рода колонки имеют большие габариты с накладкой на внутренние стенки — демпфера. Достоинством этой системы является чистота звука, в гамму которого не примешиваются нежеланные посторонние звуки.
4. Изобарического типа. Отличается сложностью изготовления и дороговизной, но из-за конструктивных особенностей позволяет увеличивать мощность и глубину низкочастотной составляющей. В середине колонки располагаются два динамика, разделённые звуконепроницаемой перегородкой и направленные в одну сторону. Эти динамики подключаются параллельно друг другу и работают в фазе.
5. Пассивная. Основное её предназначение — повысить эффективность воспроизведения низкочастотной составляющей звука за счёт использования пассивного излучателя. Этот излучатель располагается в глубине отверстия, выполненного в корпусе колонки и не обладает магнитной системой. При подаче сигнала диффузор излучателя движется не с помощью преобразования электрического сигнала, а под воздействием потока воздуха, вызванного установленным низкочастотным динамиком. Такая конструкция позволяет достичь глубокого баса, но может привнести гул в звук.
6. С дипольным излучателем. Дипольного вида акустика воспроизводит звук в двух направлениях. Другое название такого типа — биполярный. По своему типу относится к открытому виду. Для получения приемлемых низких частот потребуется использование динамиков с большими размерами диффузоров.
7. Контрапертурная. Редко используемая конструкция. Динамики в ней направляются в верхнюю или нижнюю сторону, и к ним подводится одинаковый сигнал. При столкновении звука, излучаемого динамиками, он изменяет своё направление, распространяясь радиально. К недостаткам такой системы относят возникновение реверберации, из-за чего «размывается» стереопанорама. Достоинства заключаются в появлении эффекта «растворения» звуковых колебаний в помещении.
8. Фазоинверторная. Эта система изготавливается в виде классической колонки закрытого типа, но со специальным отверстием. В него устанавливается труба, уходящая вглубь ящика. Такой подход позволяет получить низкочастотный звук значительно ниже по частоте, чем возможности динамиков. Такая система очень востребована, так как позволяет в относительно небольших размерах корпуса воспроизвести глубокие басы, выдавая частоты, недостижимые простым применением динамиков.

Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон, но и повысить коэффициент полезного действия. При этом частотный диапазон не изменится. Отверстие фазоинвертора выполняется разного вида и размеров. Размещаться оно может на любой поверхности колонки. При разработке акустической системы наиболее важно выполнить правильно расчёт размера фазоинверторного короба, от чего зависит не только диапазон воспроизводимой частоты, но и качество всего звука в целом.

Программы для расчета корпуса сабвуфера

Speaker Box Lite

Одна из самых современных и удобных программ для расчета сабвуферов. Speaker Box Lite поможет вам быстро и удобно рассчитать корпус для сабвуфера, а так же нарисовать его эскиз и сделать раскрой материала. Cтроит графики АЧХ, учитывает передаточную функцию салона, основывается на параметрах Тиля — Смолла, дополнительно отображает импеданс системы, фазовую характеристику, групповые задержки и т.п.

JBL speaker shop

Программа для расчета оформления динамиков и сабвуферов в частности. Программка старая и не работает с последними операционками, но до сих пор лучше ничего не придумано, по этому приходится применять небольшие ухищрения для работы. Программа строит графики АЧХ, учитывает передаточную функцию салона, учитывает параметры Тиля — Смолла — то есть все что нужно, чтобы правильно рассчитать короб для сабвуфера.

BassBox 6 Pro

Программа для расчета сабвуферов, работает на основах JBL speakershop, в 5й версии у них был даже одинаковый интерфейс — в 6й его изменили. Но программа работает хорошо и кому-то возможно будет удобнее работать с ней.

Bassport

Узконаправленная программа, предназначена для расчета портов фазоинвертора для определенного объема, полноценно корпус в ней не рассчитать. Все внимание направлено на проектирование портов, учитывает воздушные потоки, формы, расстояния до стенок и перегородок.

UniBox (Unified Box Model)

Очень простая программка, работает на Microsoft Windows Excel 2000. Может симулировать уровень звукового давления, кривую импеданса динамиков, АЧХ и т.п.

Что нужно знать перед установкой JBL SpeakerShop?

Данная программа, для расчёта сабвуфера, может быть установлена лишь на компьютер с ОС Windows. К сожалению, она выпущена давно, и потому совместима только с версиями от XP и ниже. Для установки на более поздние версии системы (Windows 7, 8, 10) потребуется специальный эмулятор, позволяющий имитировать XP.

К числу наиболее популярных, и при этом бесплатных программ, позволяющих имитировать более ранние версии «винды», можно отнести Oracle Virtual Box. Она предельна проста и понятна. Только с учётом сказанного, и после проведения предварительных манипуляций можно устанавливать программу JBL SpeakerShop.

Для получения большей информации советуем ознакомиться со статьей «Короб для сабвуфера» там подробно описаны два вида коробов, и какой объем стоит выбирать.

Объем корпуса и площадь порта для сабвуфера

Фундаментом для расчета является объем предполагаемого корпуса, а от него зависит площадь порта.

Любой корпус содержит в себе какой-то объем воздуха. Так вот на определение оптимального размера влияет большое количество факторов: это ход динамика, резонансная частота, мощность, передаточная функция салона, сама настройка корпуса и т.п. Тем не менее, проходя через воронку всех этих зависимостей, на выходе проявляются какие-то общие результаты и диапазоны, которые и применяются для первоначального определения объема. Диапазоны эти привязаны к площади диффузора динамика, как к одному из основных параметров. Даны они в кубофутах, это результаты множества опытов энтузиастов АЗ по всему миру, но нужно отметить что наибольший вклад внесли конечно американские коллеги. Такие диапазоны стали формироваться на американских форумах с начала 2000 годов, так же сюда замешаны общие рекомендации разных производителей и вот выведены примерные значения, которые все это время проверялись практикой и незначительно корректировались.

Если перевести в понятные нам литры, то получатся вот такие цифры.

Это лишь примерные рамки для отправной точки расчетов. Так как зависимостей очень много, и разные динамики в одном и том же объеме будут играть по разному. Так же один и тот же корпус в разных системах так же будет звучать по разному. Так вот для нахождения оптимального объема нужно учесть основные факторы, которые влияют на поведение сабвуфера.

Расчет корпуса закрытого ящика

Объем закрытого ящика влияет на итоговую резонансную частоту и добротность динамика. И от этого будет зависеть на сколько динамик будет низко играть и какой будет характер звучания.

Как ориентироваться в представленном диапазоне.

1) Смотрите на линию рассчитанной АЧХ в программе для расчета и подбирайте тот предполагаемый график звучания, который вам подходит.

2) Так же ориентируйтесь на такой объем, что бы итоговая добротность была близка к 0,7.

3) Учитывайте мощность. В случае если усилитель у вас чуть меньше РМС сабвуфера и соответственно связка будет настроена на номинал усилителя. Двигайтесь в большую сторону, если же усилитель настроен на номинал динамика или просто равен по заявленной мощности сабвуферу – берите среднее значение. Если же вы очень опытный любитель АЗ и учли подъемы импеданса понижения напряжения и тп. и настроили мощный усилитель выше заявленного номинала динамика, что бы выжать из сабвуфера максимум, тогда ужимайте объем.

Чем больше объём ящика, тем легче двигаться диффузору и тем эффективность больше что и нужно на сравнительно малой мощности. Меньший же объем имеет большую упругость и будет являться своего рода подушкой безопасности для динамика, что нужно на повышенных мощностях. Это относится не только к ЗЯ но и к ФИ так как большой объем при высокой мощности может приводить к не достаточному демпфированию динамика на частоте настройки или превышению хода на других частотах.

К примеру, возьмем 10 саб с RMS 300 Вт, а усилитель — 250 Вт. В таком случае ориентируйтесь на объем в районе 18-20 литров.

Но при этом не забывайте про добротность и примерную АЧХ. Вот среди этих параметров и нужно искать компромисс.

Расчет корпуса фазоинвертора

В случае с объемом действуйте так же как с ЗЯ. Только вместо добротности добавляется зависимость объема от настройки корпуса. Настройкой называют частоту, на которой сабвуфер будет наиболее эффективно работать, а соответственно и громче играть.

Настройка корпуса выбирается из музыкальных предпочтений. Если грубо то Low, srewed и всевозможные заниженные треки это 27-33 Гц; рэп, дабстеп и тп. 30-37 гц; джаз, рок инструментал, клубная музыка 40-45 Гц; а если всего понемногу – это 35-40 Гц.

Общее такое правило, чем ниже настройка, тем больше объем. Это связано с резонансной частой, а так же дает меньшее удлинение порта при понижении настройки.

Ориентируйтесь на максимум объема для настройки ниже 30 Гц и на минимум при настройке свыше 40 Гц.

Таким образом, при определении объема в представленных диапазонах ищите компромисс между мощностью настройкой и формой АЧХ.

Для фазоинвертора нужно еще определять площадь порта. Вообще основная задача, сделать порт таким, чтобы скорость в нем не превышала определенных значений, после которых, могут появляться шумы или чтобы он не запер ящик. Либо чтобы порт не был слишком большим, для правильной нагрузки сабвуфера.

Существует общая рекомендация 12 – 16 дюймов на кубофут. То опять же примерный диапазон. И площадь порта зависит, в том числе от мощности сабовой связки и чем итоговая мощность выше, тем больше нужен порт и наоборот. На слабых мощностях большой порт не нужен. Но это не все, тут еще нужно учитывать форму порта, внутреннюю его площадь, шероховатость и тп. Как видите, опять все уходит гораздо глубже и из теории можно не выбраться. К счастью существует безопасное значение это как раз верхнее значение рекомендаций 16 квадратных дюймов на 1 кубофут объема или 3,65 кв.см. на 1 литр объема для щели. Для круглого порта можно использовать 3,2 3,65 кв.см. на литр. Эти значения гарантированно дадут вам порт, который будет хорошо работать в абсолютном большинстве переменных, даже не смотря на некоторые допущения и опускание некоторых зависимостей.

В принципе с опытом приходит понимание, где можно уменьшить порт, возможно для экономии места или иногда нужно правильно нагрузить связку на малой мощности. Но и данные рекомендации на 1 литр не разочаруют и это отношение можно применять практически всегда.

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

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.