Звук в кінці тунелю
"Володя, будеш на складі - захопи порти для фазиков..." (подслушано в одній з московських настановних студій)
(Коли АвтоЗвук був ще маленьким і сидів під крилом Салону АВ, вийшли в світ перші дві частини трилогії про сабвуферах - про те, чого чекати від різних типів акустичного оформлення і як підібрати динамік для закритого ящика.
Значна частина тих, хто, обдумуючи життя, вирішив з розумінням поставитися до басовому озброєння свого автомобіля, цим, в принципі, вже могла б обійтися. Але не всі. Оскільки існує як мінімум ще один, надзвичайно популярний тип акустичного оформлення, за поширеністю не поступається закритому ящику.
(Фазоінвертор у вітчизняній літературі, bass reflex, ported box, vented box - в англомовній - все це, по суті, звукотехническая реалізація ідеї резонатора Гельмгольца. Ідея проста - замкнутий обсяг з'єднується з навколишнім простором за допомогою отвору, що містить деяку масу повітря. Ось саме існування цієї маси - того самого стовпа повітря, який, за твердженням Остапа Бендера, тисне на будь-якого трудящого, і виробляє чудеса, коли резонатор Гельмгольца наймають на роботу у складі сабвуфера. Тут химерна річ імені німецького фізика набуває прозовий ім'я тунелю (по-буржуйськи port або vent) .
Як працює фазоінвертор? Чому раптом наявність в корпусі гучномовця акуратно виконаної дірки певних розмірів драматично позначається на роботі всього ансамблю? Як вже говорилося, побіжно, у попередніх частинах цього епічного полотна, тунель фазоінвертора служить для того, щоб, затримавши на строго певний час звукову хвилю, що виникає всередині скриньки гучномовця, випустити її назовні в тій же фазі, що і створювана "лицьовій" стороною динаміка. Тут, на волі, вони об'єднають свої децибели і дадуть по вухах (при правильному розрахунку) так, що мало не здасться. Ось за це, власне, фазоінвертор і люблять через підвищений, порівняно з закритим ящиком, к. п. д.
Але не тільки. Груба сила - не аргумент, якщо вона не підкріплюється точністю відтворення сигналу. Тут мається на увазі інша, значно менш тривіальна особливість фазоінвертора - його здатність виробляти необхідну звуковий тиск при істотно меншій амплітуді коливань дифузора. Це звучить дещо парадоксально. Всі знають, що саме наявність позаду дифузора закритого обсягу стримує коливання дифузора, так чому ж в "дірявому" корпусі вони раптом виявляться менше? А з-за маси, як і було сказано. Отвір у корпусі фазонивертора тому і зроблено досить протяжний тунель - труба, простіше кажучи, щоб тримати всередині деяку масу повітря. На відносно високих частотах вище 200 Гц, інерція повітряної маси в тунелі призводить до того, що він акустично абсолютно непрозорий. Як ніби закупорений зовсім.
Нижче за частотою повітряна пробка в тунелі починає оживати і ворушитися, оскільки її ззаду штовхає пульсируюшее всередині ящика тиск. Інерція повітряної маси призводить до того, що вона рухається не в такт із чинною на неї хвилею, а з деяким зрушенням. Цей зсув досягає 180 градусів по фазі, тобто починає бути противофазен звукової хвилі, що виходить від тильної сторони дифузора на деякій частоті, що і називається частотою настройки фазоінвертора.
Тут майже всі зусилля динаміка йдуть на розгойдування незговірливої повітряної маси всередині тунелю, так що на власні коливання вже майже нічого не залишається і амплітуда коливання дифузора мінімальна. (А звук - йде, та ще який! Просто на цій частоті він майже весь йде з тунелю). А оскільки саме великі амплітуди коливань дифузора і породжують помітні на слух спотворення - обстановка в сенсі звуку настає найсприятливіша.
Ще нижче по частоті справи, правда, починають змінюватися в гіршу сторону.Для зовсім повільних низькочастотних коливань маса повітря в тунелі вже ніяка не інерція і тильна сторона дифузора качає її туди-сюди, як насос.
При цьому виникає ситуація, ніби динамік взагалі не встановлений в корпус, тобто хвилі від тильної сторони дифузора і від лицьової зустрічаються в протифазі і в значній мірі друг-дружку з'їдають, як при нормальному акустичному короткому замиканні. Тому-то нижче частоти налаштування віддача фазоінвертора і падає вдвічі швидше, ніж у закритого ящика. Гірше, однак, інше - дифузор вже нічого не гальмує і амплітуда його коливань на зовсім низьких чатотах починає рости просто катастрофічно. Подтональные фільтри (subsonic filters), якими забезпечуються деякі, звичайно породисті, кросовери і підсилювачі, зроблені майже виключно для протидії цієї шкідливої звичкою фазоинверторов.
Отже, що ж ми конкретно отримаємо, вибравши для свого проекту фазоінвертор як акустичне оформлення? ( (Хочу відразу попередити - розрахунок фазоінвертора без призначених для цього комп'ютерних програм - можливий і для нього існують розрахункові формули та номограми. Однак на порозі третього тисячоліття кваліфікувати такі методи інакше як мазохізм, я не можу.
Ось картинка, яка пояснює (майже) всі. Взято 10-дюймовий динамік, за своїми параметрами підходить для встановлення в фазоінвертор і змодельовані характеристики, які вийдуть під час його встановлення в оптимальному для нього фазоинверторе (20 л, налаштований на 42 Гц) і такому ж за обсягом закритому ящику.
Верхня з двох чорних кривих, зрозуміло, наша. Порівняно з закритим ящиком, у всій смузі частот нижче приблизно 150 Гц віддача істотно вище. Що значить "істотно"? Погляньте: на частоті, скажімо, 60 Гц різниця становить близько 4 дБ. А це рівносильно підвищенню потужності підсилювача в 2,5 рази. Тобто зі скромним 100-ватним підсилювачем такий саб зіграє ніби до нього підведено 250 Вт. За ті ж гроші.
А ось з червоних кривих, що зображують залежність амплітуди коливань дифузора від частоти, наша - нижня. Як раз там, де зосереджена велика частина басової енергії - нижче 100 Гц, амплітуда починає падати і залишається набагато нижчим, ніж у закритого ящика, хоча створюється звуковий тиск - вдвічі більше!
У закритого ящика при цьому амплітуда коливань зростає неухильно і при підведення потужності, зазначеної як максимальна, виходить за межі робочого діапазону (червоний пунктир) вже до 70 Гц, а нижче - взагалі біда. Там-то і будуть породжені такі знайомі на слух хрипи, які супроводжують басові ноти. У фазоінвертора благодать з амплітудами триває аж до приблизно 30 Гц, а там амплітуда починає рости невгамовно. Втім, там вже і звуку-то ніякого майже немає, так що прямий сенс "придушити" цю частину спектру подтональным фільтром (якщо є) і насолоджуватися ударної ефективністю при мінімумі спотворень в дійсно звуковому діапазоні.
"Здорово!" - вигукне нетерплячий і охочий до децибел читач, закриє ці сторінки і відправиться негайно ладити прогалини у власному сабвуфері. Товариш, стій! Дивись, що може статися далі. Нехай, залишивши всі без зміни, ми вивернемо з нашого 20-літрового скриньки колишній динамік і встановимо іншого - призначений для роботи саме в закритому корпусі.
Його характеристика у закритому, рідному для нього ящику - нижня на графіку - була навіть дуже славна. А після переробки в фазоінвертор вона стане як верхня, тобто дасть яскраво виражений "хлопун" між 50 і 100 Гц. Саме в результаті створення таких поєднань фазоінвертори отримали в свій час образливе прізвисько boom-box ("бухало"), пізніше використане, на цей раз цілком справедливо, для портативної магнітоли.
У чому ж була різниця між двома динаміками? У двох параметрах, які повинні перебувати в певній гармонії для даного акустичного оформлення, інакше - залишіть надію кожен, хто сюди звучить, так сказати. Ці параметри - резонансна частота (Fs і повна добротність Qts.
У "закритого динаміка вони були Fs=25 Гц, Qts=0,4. А у "фазоінверторного" - 30 Гц і 0,3. Начебто не така велика різниця, а результати - істотно різні. Придуманий в свій час параметр енергетичної смуги пропускання Fs/Qts відразу показує хто є хто: його значення для першого динаміка 62,5, а для другого - 100. Правило просте - якщо Fs/Qts помітно менше 100 - забудьте слово "фазоінвертор". Якщо близько або більше - знову згадуйте, а забувайте про закритий ящик. В районі 90 - 100 - "сутінкова зона", де, з відомими поступками, можна застосовувати і одне і інше.
А що все-таки станеться, якщо наполягти на своєму і заштовхнути динамік невластиве йому оформлення? Давайте спробуємо, благо поки драма розгортається на папері або екрані комп'ютера, тобто "малою кров'ю на чужій території".
Для початку ставимо "фазоінверторний динамік" в закритий ящик і пробуємо варіювати тим єдиним параметром, що маємо - обсягом цього ящика.
На графіку - три криві. Сама полога - результат установки в ящик об'ємом 50 літрів, сама круто спадає нижче 100 Гц - при обсязі ящика 10 л. А посередині - наша вихідна характеристика в 20-літровому об'ємі. Бачимо: обсяг змінюється від непристойно маленького до непрактично великого, а путной характеристики не виходить - вона або починає спадати занадто рано або спадає занадто швидко.
У динаміка, народженої для закритого ящика, як видно з наступного графіка, є можливість або потрапити в оптимум (середня крива) або ж "накроить" на обсязі, отримавши при цьому досить помітно "гукающую" характеристику (верхня крива, отримана в обсязі 10 л).
А навпаки? Чи можна при установці "закритого" динаміка у фазоінвертор так його налаштувати, щоб отримати рівну АЧХ? Теоретично - так, благо у фазоінвертора можна при незмінному обсязі перебудовувати частоту, змінюючи діаметр і довжину тунелю (на практиці - завжди довжину, зрозуміло). Починаємо експеримент з верхній, зовсім жахливо кривої (обсяг 20 л, частота налаштування 50 Гц) і, поступово, перебудовуючи фазоінвертор, раптом, на частоті настройки 20 Гц, помічаємо, що прийшли до дуже симпатичною кривої (нижня на графіку).
Опаньки, давайте з'ясуємо, який тунель для цього потрібен - і вперед! Через півсекунди комп'ютерного часу отримуємо, що для того, щоб налаштувати 20-літровий об'єм на частоту 20 Гц, потрібен тунель діаметром 75 мм і довжиною 1 м 65 див. тобто зростанням з мініатюрну даму, а ніяк не з деталь компактного сабвуфера.
А ось зате "фазоінверторний" динамік дозволить з мінімальними клопотами (всунути трубу - висунути трубу) перебудовувати частотку не гірше ніж еквалайзером. На графіку - результати такої діяльності у діапазоні частоти налаштування тунелю від 35 до 52 Гц, для чого знадобилася довжина тунелю від 190 до 400 мм - не бог звістка що навіть при найбільшому значенні.
У наступній частині саги про сабвуферах (зрозуміло, не останній - тема безбрежна, а Бог милостивий і, можливо, продовжить роки автора), ми вже займемося безпосередньо вирішенням питання про практичне втілення задуманого - для тих, хто хоче це робити сам або ж для тих, хто хоче вміти відрізнити роботу грамотного установника від потуг неосвіченого халтурялы. Погодьтеся, навіть їдучи в таксі корисно знати, що шлях Сокільників в Ізмайлово проходить як-то в стороні від Чертаново...
Автор: Андрій Елютин, АвтоЗвук; Публікація: www.avtozvuk.com, www.cxem.net