Акустические системы

Как расчитать и изготовить звуковые колонки

АС С ФАЗОИНВЕРТЕРОМ (ФИ)

  версия для печати


Схематическое изображение АС с ФИ  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)формула 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)
формула 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)
формула 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. Рис. 5. Модуль входного сопротивления АС с 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:
  1. Имея головку с известными параметрами, определить оптимальный для неё объём оформления.
  2. 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):
Расчет
В соответствии с (7):
Расчет
Полученная добротность находится между значениями строк 14 и 16 таблицы 2, которые имеют максимально плоскую АЧХ.
Объём корпуса АС:
Расчет
Частота настройки ФИ из таблицы 2 должна быть между 0,83∙fS> и fS. Примем 0,9 fS. Тогда частота настройки фазоинвертора равна:
Расчет
Минимальный диаметр трубы ФИ из (20):
Расчет
Площадь отверстия:
Расчет
Из (21) и (22) определим длину трубы ФИ, соответствующую выбранному диаметру и частоте настройки:
Расчет
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 >>>
ptc73 ® © Copyright 2007–2017   Александр Малинин Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru