 Принцип действия АС с
ФИ заключается в том, что благодаря наличию дополнительного
акустического колебательного контура, настроенного в пределах ± ⅔
октавы относительно резонанса головки, звуковое давление в отверстии
сдвинуто в угол, близкий к 180˚, по отношению к давлению от
задней стенки диффузора. ФИ – аналог акустического ФВЧ третьего порядка
(18 дБ/окт.). Иногда, в зависимости от конструктивного исполнения, может
быть близок к фильтру второго порядка («закрытый» ФИ или ФИ с закрытой
НЧ-головкой – корпус АС разбит на два объёма с помощью перегородки, в
которой установлена НЧ-головка, а в одном из отсеков – труба
фазоинвертора) или к фильтру четвёртого порядка (двойной «закрытый» ФИ,
в котором труба фазоинвертора установлена в каждом отсеке, а НЧ-головка
установлена на перегородке внутри корпуса). Импульсная характеристика
обычного ФИ несколько хуже, чем у закрытого корпуса, требует применения
в УМЗЧ ФВЧ, срезающего инфранизкие частоты (subsonic
filter). «Закрытый» ФИ имеет достоинства обычного ФИ при
сохранении переходных характеристик закрытого ящика. Достоинства
двойного «закрытого» ФИ – максимальная отдача (повышенный КПД) при малых
смещениях подвижной системы. Многие известные в области электроакустики
фирмы: Jamo, Paradigm,
KEF, Electro-Voice,
JBL, Bose,
Peavey и др. используют такое оформление как
для создания сабвуферов, так и для полных АС, воспроизводящих весь
спектр воспроизводимого сигнала.
Поведение АС с ФИ на
низких частотах определяется в основном тремя параметрами:
-
Полное добротность НЧ-головки
QTC>
с учётом сопротивления
индуктивностей разделительного фильтра, выходного сопротивления УМЗЧ и
акустического оформления, т.е. степени её демпфирования;
-
Отношение эквивалентного объёма
головки VAS>
к объёму корпуса АС
V;
-
Отношением частоты настройки
фазоинвертора fф
к резонансной частоте головки
fS.
Управлять демпфированием можно:
-
Изменением выходного
сопротивления УМЗЧ, например, ПОС по току для уменьшения или
комбинированной ООС по току и напряжению для увеличения выходного
сопротивления;
-
Применением ЭМОС;
-
Размещением определенным образом
вблизи задней поверхности диффузора звукопоглощающего материала.
Бытует мнение, что системы с ФИ «бубнят»,
имеют «размытый» бас. Наиболее частые причины : использование головок с
большей, чем допустимо добротностью (QTS>0.6)
и настройки частоты фазоинвертора без учёта соотношения эквивалентного
объёма головки VAS
и объёма ящика V.
Неправильно сконструированная труба фазоинвертора, даже будучи
настроенной на необходимую частоту, также может служить источником
дополнительных искажений и потерь. Дополнительные призвуки возникают в
случае, если скорость потока в трубе ФИ превышает 5% скорости звука,
т.е. больше 17 м/с. В этом случае поток воздуха становится турбулентным.
Минимальный диаметр трубы, отвечающий этим требованиям, рассчитывают по
формуле:
(20)
Где
VD
– объёмное смещение, м3 (для головки 35ULY-1-4(8)
(25ГД-26Б) VD=1.21∙10-4м3).
Поскольку этот параметр, как правило,
неизвестен, то в первом приближении его можно считать пропорциональным
квадратному корню из паспортной мощности. Другими словами, для
50-ваттной головки VD
увеличится (по сравнению с
VD
для 25ГД-26Б) в √2=1,41 раза, а для 10-ваттной – уменьшится в √2,5=1,58
раза.
Частота настройки ФИ fФ
связана с площадью отверстия
S
и объёмом корпуса V
зависимостью:
(21)
Где
c=34400см/с
- скорость звука при 20˚C>
и нормальном атмосферном давлении 760
мм.рт.ст. (при 0˚C>
c=331м/с);
lЭ
– эффективная длина трубы, см.
Складывается из фактической длины трубы
l и дополнительной части, образуемой за счёт краевых эффектов:
(22)
Где
l
– фактическая длина трубы, см;
S
– площадь отверстия, см3 (для конического отверстия за
диаметр отверстия принимают средний диаметр
DСР=(D+d)/2);
V
– внутренний объём корпуса АС, см3;
k
– отношение сторон отверстия.
Для круглого и квадратного отверстия
k=1;
для отверстия в виде щели вокруг НЧ-головки
k=π∙[(D+d)/(D-d)],
где D
и d
- внешний и внутренний диаметры, соответственно. В случае выполнения ФИ
из нескольких одинаковых труб в качестве эффективной длины берут
эффективную длину одной трубы, а за площадь отверстия – сумму площадей
всех отверстий.
Чувствительность передаточной функции
фазоинверсной системы к расстройке ФИ довольно высока. Поэтому после
сборки почти всегда возникает необходимость точной подстройки. Как
правило, настройку фазоинвертора предусматривают либо изменением длины
трубы (например, с помощью резьбового соединения), либо с помощью шторки
(в случае короткого отверстия). Увеличение длины трубы до
l=√S
позволяет вдвое уменьшить объём корпуса. С другой стороны, во избежание
образования стоячих волн в трубе, длина трубы не должна быть более
c/fS.
Звукопоглощающего материала вблизи внутреннего
отверстия фазоинвертора не должно быть (свободное пространство объёмом
3…5 л организуют с помощью проволочных каркасов), т.к. чрезмерное
демпфирование может привести к прекращению действия ФИ.
Настраивают ФИ в домашних условиях следующим
образом. Снимают характеристику полного сопротивления АС описанным выше
способом. Настройка заключается в том, чтобы оба пика полного
сопротивления (рис.) были примерно одинаковы по высоте. Кривая имеет
минимум вблизи частоты настройки фазоинвертора
fФ∙RМ
– сопротивление, обусловленное потерями в корпусе.
Правильно сделанный и настроенный ФИ не только
улучшает частотную характеристику звуковоспроизведения в области низших
частот по сравнению с закрытой АС ТОО же объёма, но и способствует
уменьшению искажений (нелинейных и интермодуляционных, обусловленных
конструкцией подвеса диффузора) компрессионных головок вблизи частоты
основного резонанса, вследствие уменьшения амплитуды смещения диффузора
головки в результате значительного акустического сопротивления ФИ на
частоте резонанса. Искажения же обычных головок, вызванные недостаточной
жёсткостью диффузора, наоборот, увеличиваются.
Следует отметить, что при сближении отверстия
и головки суммарное сопротивление излучений возрастает и тем самым
увеличивается создаваемое системой звуковое давление (возрастает КПД). В
этом смысле, идеальный вариант конструкции, когда головка расположена
внутри отверстия фазоинвертора.
Выполнение фазоинвертора отличается большим
разнообразием: от простой трубы с выходом на переднюю панель, заднюю
стенку или в днище, до щели между стенками корпуса и полом. В последнем
случае значительно упрощается настройка фазоинвертора и заключается в
подборе толщины резиновых подкладок-ножек. Иногда, когда расчётная длина
трубы соизмерима с глубиной корпуса, а по соображениям дизайна не хотят
делать выход отверстия в днище или на боковую стенку, трубу выполняют в
виде изогнутого воздуховода. С целью уменьшения завихрений воздуха и
связанного с ним шума часто края отверстия делают закруглёнными, а сам
туннель коническим, расширенным концом наружу.
Фазоинвертор, работающий вниз, на акустический
рассеиватель, делает звуковое поле круговым, обеспечивая более
равномерное распределение волны в комнате и уменьшая дифракционные
эффекты.
Оптимальные параметры АС
с ФИ в зависимости от добротности НЧ-головок
QTS>
,отношения эквивалентного объёма
головки VAS
к объёму ящика V
и отношения fФ/fS
приведены в таблице 2.
При добротности головки 0,7 и выше и
отношении n=VAS/V=1
и более имеет место подъём на частотах от 1,6 до 2,5
fS.
Причем, чем больше n,
тем выше частота, на которой наблюдается подъём и тем выше величина
подъёма. При этом ФИ практически не поддаётся настройке.
таблица 2
Оптимальные параметры АС с ФИ
| N п/п |
QTS |
n=VAS/V |
fФ/fS |
fr*/fS |
Пик АЧХ, дБ |
| 1 |
0,1 |
0,5 |
1,66 |
1,3 |
8,0 |
| 2 |
0,1 |
1,0 |
1,66 |
1,3 |
7,0 |
| 3 |
0,1 |
2,0 |
1,66 |
1,3 |
6,0 |
| 4 |
0,1 |
3,0 |
1,66 |
1,3 |
5,0 |
| 5 |
0,209 |
7,262 |
1,73 |
2,28 |
- |
| 6 |
0,225 |
6,21 |
1,75 |
2,28 |
- |
| 7 |
0,259 |
4,46 |
1,42 |
1,77 |
- |
| 8 |
0,275 |
3,98 |
1,51 |
1,77 |
- |
| 9 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
0,7 |
5,0 |
| 10 |
0,3 |
1,0 |
0,83…1,0 |
0,7…0,8 |
- |
| 11 |
0,3 |
2,0 |
1,0…1,33 |
1,0…1,2 |
- |
| 12 |
0,3 |
3,0 |
1,33 |
1,3 |
- |
| 13 |
0,383 |
1,414 |
1,00 |
1,0 |
- |
|
14 |
0,4 |
1,06 |
1,00 |
1,0 |
- |
| 15 |
0,5 |
0,5 |
0,67…0,83 |
0,5…0,7 |
1,0 |
| 16 |
0,5 |
1,0 |
0,83 |
0,7…0,8 |
- |
| 17 |
0,5 |
2,0 |
0,83 или 1,33 |
1,0 |
1,0 |
| 18 |
0,5 |
3,0 |
0,67…0,83 |
1,2 |
2,0 |
| 19 |
0,518 |
0,559 |
0,757 |
0,641 |
0,25 |
| 20 |
0,575 |
0,335 |
0,704 |
0,641 |
0,25 |
| 21 |
0,575 |
0,485 |
0,716 |
0,6 |
0,55 |
| 22 |
0,608 |
0,214 |
0,686 |
0,67 |
0,55 |
| 23 |
0,707 |
0,5 |
0,67…0,75 |
0,5 |
1,0 |
| 24 |
0,707 |
1,0 |
0,67…0,75 |
0,7 |
2,0 |
| 25 |
0,707 |
2,0 |
0,67…0,75 |
0,8 |
2,5 |
| 26 |
0,707 |
3,0 |
0,67…0,75 |
1,4 |
3,5 |
f*Г -
Граничная частота, на которой АЧХ снижается
на 8 дБ.
С помощью таблицы 2 можно решать следующие
задачи:
-
Имея головку с известными параметрами, определить оптимальный для
неё объём оформления.
-
Имея готовый корпус, подобрать головку с оптимальной добротностью
и определить частоту настройки ФИ.
Пример расчёта ФИ для головки 35ГДН-1-8 со
следующими параметрами:
fS=30Гц,
QMS=5.8;
QES=0.44;
QTS=0.4;
VAS=45л,
RE=7 Ohm;
VD=1.21∙10-4м3.
Возьмём в качестве разделительного фильтра
фильтр не выше 2-го порядка. Сопротивление дросселя
R<0.1∙RE=0.7 Ом
Тогда в соответствии с (9):
В соответствии с (7):
Полученная добротность находится между
значениями строк 14 и 16 таблицы 2, которые имеют максимально плоскую
АЧХ.
Объём корпуса АС:
Частота настройки ФИ из таблицы 2 должна быть
между 0,83∙fS>
и
fS.
Примем 0,9 fS.
Тогда частота настройки фазоинвертора равна:
Минимальный диаметр трубы ФИ из (20):
Площадь отверстия:
Из
(21) и (22) определим длину трубы ФИ, соответствующую выбранному
диаметру и частоте настройки:
Применение ФИ совместно с фильтром ВЧ второго
порядка с частотой среза 30 Гц на входе УМЗЧ позволяет уменьшить
амплитуду колебаний НЧ-головки и тем самым снизить нелинейные и
интермодуляционные искажения, вносимые динамической головкой, особенно
при проигрывании покоробленных пластинок.
В заключение рассмотрим возможный вариант
сабвуфера (двойной «закрытый» ФИ или ФИ с двойной настройкой).
Акустическое оформление представляет собой корпус с расположенной в нём,
и делящей его на два объёма, акустической панелью с установленной на ней
НЧ-головкой. Оба объёма снабжены фазоинверторами, настроенными на разные
частоты (35 и 88 Гц).
Корпус АС для использования головок 75ГДН-1-4 (30ГД-2), 75ГДН-3-4
(30ГД-11) имеет, в соответствии с принципом динамической симметрии (этот
принцип подразумевает определённые соотношения размеров сторон ящика
(глубины, ширины, высоты), например: 1×√2×2 и т.д.), следующие габариты:
580 × 410 × 290 мм (высота, глубина, ширина). Перегородка, имеющая в
центре отверстие диаметром 230 мм для установки НЧ-головки, выполнена из
ДСП толщиной 20 мм и установлена на расстоянии 160 мм от верхней стенки.
Задняя стенка выполнена съёмной, на ней размещён кроссовер и клеммы для
подключения, крепится шурупами через поролоновую прокладку.
Фазоинверторы представляют собой трубы внутренним диаметром 75 мм и
толщиной не менее 3 мм. Длина трубы, установленной в меньшем отсеке,
равна 50 мм, в большем - 250 мм. Трубы размещены на вертикальной оси
передней стенки на расстоянии 90 мм от края сверху и снизу (по оси
отверстия). Диапазон эффективно воспроизводимых частот 25…150 Гц.
Закрытый ящик с
пассивным излучателем >>>
|
