Настройка Фазо Инвертора у акустических систем.
При построении коробов для сабвуферов многие просто делают короб в слепую.
Что то распилили собрали и довольствуются готовым результатом.
Если результат их не устраивает говорят надо прогреться сабвуферу.
Увы современные материалы для динамиков разрабатываются таким способом, что прогреваться там нечему.
Производители уже давно применяют материалы которые в процессе эксплуатации громкоговорителей не должны изменять свои характеристики.
Максимум что может прогреваться это адаптация к неприятному звуку.
Лично я первую свою колонку собирал в слепую, честно говоря я их собрал в слепую три штуки.
Первую на динамиках 25гдн с частотой настройки 80 гц, знакомые были приятно удивлены от звукового давления.
Вторую я собрал лабиринт и благополучно обложался.
А вот с третьей мои познания в настройке только начинались)
Я задался вопросом, а как понять собрана ли колонка правильно и если она собрана не правильно на что можно опираться при последующей коррекции таковой.
С закрытым ящиком всё просто собрал ящик звукопоглощения в него по более и пусть играет как нибудь (в программе моделирования выбирается только добротность ящика которая не влияет на ачх практически никак плавает лишь незначительно параметр group delay).
А вот с фи всё несколько веселее.
У фазоинвертор крутит фазу в принципе пускай всё хоть перекручивает помещение всё равно вносит свои искажения в разы больше.
Вот незадача бывает спроектированный фи вроде бы в программе всё правильно показывает, но увы не играет.
Причина тому при воспроизведении амплитудно частотная характеристика имеет весьма выраженную неровность в помещении ну или. автомобиле.
Иными словами при проектировании ФИ не стоит отталкиваться на методы моделирования корпуса для динамической головки, необходимо отталкиваться от того места где находится акустическая система.
Возьмем виртуальную комнату размером 5*4 и высотой 2,4 метраи посмотрим как она изменяет ачх.
ачх пустой комнаты
Видим какая ачх кривая и в данной комнате в зависимости от точки прослушивания можно найти действительно ровную ачх.
Проблема в том, что эта точка может быть где то в углу, а слушать музыку хочется где то в центре.
Дак вот горбы на ачх называются модами стоячие волны.
И что бы сгладить эти моды можно попробовать настоить фи на частоты между модами к примеру 55 герц (повторюсь в каждом помешении всё индивидуально).
Эффект будет но по сравнению с параметрическим эквалайзером небольшой.
Если же настроить фи на частоту 35 гц будет звуковое давление в разы больше чем это получается в оригинальном воспроизведении и возможно остальной тон музыки будет отходить на второй план.
Лично я для начала поставил бы акустическую колонку в закрытом исполнении.
Снял ачх с колонки.
Посмотрел на амплитудно частотную характеристику в месте прослушивания музыки.
Определил стоячие волны и настроил бы фи между стоячими волнами.
Возникает вопрос, а как же его настроить?
Современные звуковые карты позволяют измерять импеданс динамической головки в реальном времени. Программой можно воспользоваться той же arta или room eq wizard.
Собрав схему где на дополнительном сопротивлении возникает напряжение можно измерять импеданс динамика.
схема измерения импеданса динамической головки
На левый и правый сигнал подается разность напряжения через подстроечный резистор ref стабилизаторы можно исключить из схемы, но я вам этого не советовал! спалить звуковую карту можно!
далее при измерениях мы видим импеданс у закрытого ящика
зя импеданс
У фазоинвертора импеданс будет с 2 вершинами.
Ипенданс ФИ
Зная вершины и определив впадину можно понять как настроить фи.
К сожалению я не нашел своих графиков импеданса.
Но в совокупности с программами проектирования сабвуферов можно понять исходя из графиков на какую частоту настроен фазоинвертор.
Так же хочу добавить, фазоинвертор добавляет групповое время задержки на низких частотах, но подгрузкой импульсной характеристики ГВЗ выраванивается.
Расчёт и настройка фазоинвертора акустической системы
Фазоинвертор (с точки зрения акустики) – это порт (труба, щель и т. д.) в корпусе акустической системы, обеспечивающий расширение воспроизводимого НЧ – диапазона за счёт резонанса этого порта на частоте более низкой, чем резонансная частота динамика.
Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон закрытого ящика, но и повысить коэффициент полезного действия. Тоннель фазоинвертора может выполняться различной формы и размещаться – на любой поверхности колонки.
При разработке акустической системы крайне важно правильно выполнить расчёт фазоинверторного короба, так как от этого зависит не только диапазон воспроизводимых частот, но и качество всего звука в целом.
Давайте индифферентно отнесёмся к многообразию теоретических аспектов, описывающих физику процессов в данном типе акустики, а сразу ответим на вопрос: «А почему, собственно?». Такой вопрос может возникнуть у энтузиаста, который рассчитал размеры фазоинвертора по известной формуле из умной книжки и убедился в её несостоятельности в процессе неудачного практического опыта!
Напрягаться сильно не придётся, потому как синьор Жан-Пьеро Матараццо (авторитетный специалист в области профессиональной акустики) уже помог нам разобраться в этом актуальном вопросе.
Вот что уважаемый итальянский специалист-акустик написал в статье «Теория и практика фазоинвертора»:
Рис.1 Конструкции фазоинверторов с тоннелем в виде трубы
Одним из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора является – привести «магическую формулу», по которой читатель ACS мог бы сам рассчитать фазоинвертор. Это, в принципе, нетрудно. Фазоинвертор представляет собой один из случаев реализации устройства под названием «резонатор Гельмгольца» (Рис.1 а). Частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) можно рассчитать по формуле:
где: Fb – частота настройки (Гц), с – скорость звука (344 м/с), S – площадь сечения тоннеля (кв. м), L – длина тоннеля (м), V – объем ящика (куб. м), π = 3,14.
Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объём ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Всё, казалось бы, дело сделано.
Приступаем.
Пусть у нас есть ящик объёмом 50 л. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведённой формуле частота настройки 50 Гц получится, если длина тоннеля будет равна 12,05 см. Аккуратно изготавливаем все детали, собираем их в конструкцию, как на Рис.1 б), и для проверки измеряем реально получившуюся резонансную частоту фазоинвертора.
И видим, к своему удивлению, что она равна не 50 Гц, как полагалось бы по формуле, а 41 Гц. В чем дело и где мы ошиблись? Да нигде. Наш свежепостроенный фазоинвертор оказался бы настроен на частоту, близкую к полученной по формуле Гельмгольца, если бы он был сделан, как показано на Рис.1 в). Этот случай ближе всего к идеальной модели, которую описывает формула: здесь оба конца тоннеля «висят в воздухе», относительно далеко от каких-либо преград. В нашей конструкции один из концов тоннеля приближается к стенке ящика. Для воздуха, колеблющегося в тоннеле, это небезразлично, из-за влияния «фланца» на конце тоннеля происходит как бы его виртуальное удлинение. Фазоинвертор окажется настроенным так, как если бы длина тоннеля была равна 18 см, а не 12, как на самом деле.
Казалось бы, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, Рис1.а) – справа, у нас получается резонатор Гельмгольца в чистом виде. Однако на практике и тут существует эмпирическая зависимость «виртуального удлинения» тоннеля в зависимости от его размеров.
Для круглого тоннеля, один срез которого расположен достаточно далеко от стенок ящика (или других препятствий), а другой находится в плоскости стенки, это удлинение приблизительно равно 0,85D.
Теперь, если подставить в формулу Гельмгольца все константы, ввести поправку на «виртуальное удлинение», а все размеры выразить в привычных единицах, окончательная формула для длины тоннеля диаметром D, обеспечивающего настройку ящика объёмом V на частоту Fb, будет выглядеть так:
Здесь частота Fb – в герцах, объем V – в литрах, а длина L и диаметр D тоннеля – в миллиметрах, как нам привычнее.
Геометрические размеры тоннеля имеют свои ограничения. Великий исследователь акустических систем Р. Смолл показал, что минимальное сечение тоннеля зависит от диаметра динамика, наибольшего хода его диффузора и частоты настройки фазоинвертора. Смолл предложил совершенно эмпирическую, но безотказно работающую формулу для вычисления минимального размера тоннеля:
Формулу свою Смолл вывел в привычных для него единицах, так что диаметр динамика Ds, максимальный ход диффузора Xmax и минимальный диаметр тоннеля Dmin выражаются в дюймах. Частота настройки фазоинвертора – как обычно, в герцах.
Очень часто оказывается, что, если правильно выбрать диаметр тоннеля, он выходит невероятно длинным. А если уменьшить диаметр, появляется шанс, что уже на средней мощности тоннель «засвистит». Помимо собственно струйных шумов, тоннели небольшого диаметра обладают ещё и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.
Когда расчётная длина тоннеля получается такой, что он почти помещается в корпусе и требуется лишь незначительно сократить его длину при той же настройке и площади сечения, я рекомендую вместо круглого использовать щелевой тоннель аналогичной площади, причём размещать его не посреди передней стенки корпуса, как на Рис.2 а), а вплотную в одной из боковых стенок, как на Рис.2 б).
Рис.2 Конструкции фазоинверторов с щелевыми тоннелями
Тогда на конце тоннеля, находящемся внутри ящика, будет сказываться эффект «виртуального удлинения» из-за находящейся рядом с ним стенки. Опыты показывают, что при неизменной площади сечения и частоте настройки тоннель, показанный на Рис.2 б), получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на Рис.2 а).
Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя ещё больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины.
Дальнейшего снижения длины тоннеля можно добиться использованием фазоинверторов конической, экспоненциальной форм, а также формы в виде песочных часов. Поскольку подобные технологии конструктивно сложны и не нашли широкого распространения в радиолюбительской практике, то и рассматривать их в рамках данной статьи мы не станем. А лучше сдобрим пройденный материал парой онлайн считалок, позволяющих рассчитать трубчатые и щелевые фазоинверторы без излишнего напряга, калькулятора и деревянных счёт.
Но сначала зададимся резонным вопросом: а на какую резонансную частоту следует настраивать фазоинвертор?
Ответ очень прост – на оптимальную частоту. Если частота резонанса фазоинвертора будет выше оптимальной, т. е. она будет находиться близко к резонансной частоте динамика в закрытом ящике, то мы получим на АЧХ выпячивающий горб, вследствие чего звучание будет бочкообразным.
Если частоту выбрать чересчур низкой, то подъём НЧ уровня не будет чувствоваться, т. к. на этой частое отдача динамика окажется слишком слабой и усиливать окажется нечего.
Таким образом – частоту резонанса фазоинвертора следует выбрать немногим ниже частоты резонанса динамика в закрытом ящике, т. е. в той области, где у динамика происходит некоторый спад звукового давления. Этот спад компенсируется подъёмом фазоинвертора, что, в конечном итоге, приведёт к расширению нижней границы воспроизводимых частот.
В большинстве реальных конструкций – частота резонанса фазоинвертора составляет 0,61. 0,65 от частоты резонанса динамика в закрытом ящике.
А как легко и просто можно узнать частоту резонанса громкоговорителя в закрытом ящике – мы с вами подробно обсудили на этой странице . Итак:
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДИАМЕТРА И ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА
Диаметр тоннеля – величина, имеющая практический смысл только для фазоинверторов круглого сечения Площадь сечения – характеризует как трубчатые, так и щелевые фазоинверторы.
Рассчитаем длину тоннеля фазоинвертора по объёму ящика, резонансной частоте фазоинвертора и диаметру/ площади сечения тоннеля:
РАСЧЁТ ДЛИНЫ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА
Посчитанная длина тоннеля верна как для цилиндрических фазоинверторов, так и для щелевых фазоинверторов, находящихся на значительном расстоянии от стенки. Если щелевой фазоинвертор расположен вплотную к одной из стенок, как на Рис.2 б), то его длину следует укоротить на 15%.
Простой способ настройки акустических систем с фазоинвертором
В 1981 году мы с братом решили собрать акустическую систему, да не простую, а с фазоинвертором.
Методик расчета фазоинвертора на тот момент уже было великое множество, но все они были мягко говоря запутанные, очень сложные, а местами и противоречили друг другу. И вот попалась такая методика, которая показалась простой для понимания и последующей реализации.
Как это работает?
Вставляем туннель в отверстие ФИ (он должен быть достаточной длины, с запасом) предварительно на внешний конец трубки закрепляем полоску лейкопластыря (скотча) для удобства регулировки и исключения влияния ладони рис.2 Запускаем ГРЧ и медленно начинаем вытягивать трубку из ящика. При точной настройке должна резко уменьшиться амплитуда колебаний динамика, а амплитуда колебаний воздуха в ФИ должна наоборот, резко возрасти(можно поднести горящую свечу к ФИ и наблюдать, когда наступит максимальное отклонение пламени). На этом настройку можно считать оконченной. Аккуратно снимаем заднюю стенку АС и фиксируем трубу ФИ подходящим клеем(мы использовали клей»Момент»).
Далее ставим заднюю стенку АС на место. Все готово.
В заключении хочу добавить, что к сожалению, АС настроенные по этой методике не сохранились (они ушли «с молотка»70рублей за штуку, по тем временам очень хорошие деньги). Фотографий соответственно тоже нет (я не знаю, кому могло бы придти в голову, особенно в то время, фотографировать самопальную акустику, да и «цифры» тогда не было). Поэтому, привожу рисунки, из которых все должно быть понятно.
Не претендую на авторство и какое-либо «нау-хау», но данный метод должен действительно помочь всем, кто собрался собирать или уже собрал АС с ФИ. Большой плюс в том, что не надо делать сложных математических расчетов и специальных измерительных приборов, которые и в прошлом и в настоящем имели и имеют «астрономические»цены. А последний фактор для большинства людей решающий.
[24-05-2013][+]
Стараниями наших сограждан (Meshin и Kan) найдены оригиналы в старинных журналах. Полезным окажется и описание, разъясняющее например назначение подстроечных резисторов и пр.
[17-12-2015][+] Справочник по схемотехнике для радиолюбителя, Киев, «Технiка», 1987 год, стр. 108-109
Простая методика настройки фазоинвертора
«Колонкостроительством» я начал заниматься в начале 80-х. И если вначале это был просто «динамик в ящике», то потом, естественно началось изучение влияния параметров ящика (и фазоинвертора) на звучание динамика.
Есть много «сабвуферостроителей», но для подавляющего большинства это просто «динамик в ящике», и чем больше, тем лучше. Да, в какой-то степени, для закрытого ящика это правильно. Но для фазоинвертора…
Фазоинвертор требует тщательной настройки. А что мы видим на практике? В качестве фазоинвертора люди ставят канализационные трубы произвольной длины, делают «щелевые фазоинверторы» по образу: «по таким размерам Вася делал», ставя при этом другой динамик. Тот, кто представляет это – ограничивается изготовлением закрытого ящика (и правильно делает!).
Конечно, есть замечательные программы моделирования, например, JBL SpeakerShop. Но все они требуют введения кучи исходных параметров. И даже зная их, расхождение с практикой получается, как правило – огромное (динамик оказался немного другой, ящик чуть отличается по размеру, наполнитель не знаем какой и сколько, труба фазоинвертора чуть другая, не знаем акустического сопротивления и т.п.)
Существует простая методика для настройки фазоинвертора, при которой не требуется знать точные исходные данные динамиков, ящиков, а также не требуются сложные измерительные приборы или математические расчёты. Всё уже было давно продумано и проверено на практике!
Хочу рассказать о простой методике настройки фазоинвертора, которая даёт погрешность не более 5%. Методике, существующей более 30-ти лет. Я ей пользовался еще, будучи школьником.
Чем ящик с фазоинвертором отличается от закрытого ящика?
Любой динамик, как механическая система, имеет собственную резонансную частоту. Выше этой частоты динамик звучит «довольно гладко», а ниже – уровень, создаваемого им звукового давления, падает. Падает со скоростью 12 дБ на октаву (т.е. в 4 раза на двукратное снижение частоты). За «нижнюю границу воспроизводимых частот» принято считать частоту, на которой уровень падает на 6 дБ (т.е. в 2 раза).
АЧХ динамика в открытом пространстве
Установив динамик в ящик, его резонансная частота несколько повысится, за счёт того, что к упругости подвеса диффузора добавится упругость сжимаемого в ящике воздуха. Подъём резонансной частоты неизбежно «потянет за собой» вверх и нижнюю границу воспроизводимых частот. Чем меньше объём воздуха в ящике, тем выше его упругость, и, следовательно, выше резонансная частота. Отсюда и желание «сделать ящик побо-о-о-ольше».
Жёлтая линия – АЧХ динамика в закрытом ящике
Сделать ящик «побольше» в некоторой степени можно не увеличивая его физические размеры. Для этого ящик заполняют поглощающим материалом. Не будем вдаваться в физику этого процесса, но по мере увеличения количества наполнителя, резонансная частота динамика в ящике понижается (увеличивается «эквивалентный объём» ящика). Если наполнителя слишком много, то резонансная частота начинает повышаться снова.
Опустим влияние размеров ящика на другие параметры, такие как добротность. Оставим это опытным «колонкостроителям». В большинстве практических случаев, из-за ограниченного пространства, объём ящика получается довольно близкий к оптимальному (мы же не строим колонки размером со шкаф). И смысл статьи, не загружать вас сложными формулами и расчётами.
Отвлеклись. С закрытым ящиком всё понятно, а что даёт нам фазоинвертор? Фазоинвертор – это «труба» (не обязательно круглая, может быть и прямоугольного сечения и узкая щель) определённой длины, которая совместно с объёмом воздуха в ящике имеет собственный резонанс. На этом «втором резонансе» поднимается звуковая отдача колонки. Частоту резонанса выбирают несколько ниже частоты резонанса динамика в ящике, т.е. в области, где у динамика начинается спад звукового давления. Следовательно, там, где у динамика наблюдается спад, появляется подъём, который в какой-то степени этот спад компенсирует, расширяя нижнюю граничную частоту воспроизводимых частот.
Красная линия – АЧХ динамика в закрытом ящике с фазоинвертором
Стоит отметить, что ниже частоты резонанса фазоинвертора спад звукового давления будет круче, чем у закрытого ящика и составит 24 дБ на октаву.
Таким образом, фазоинвертор позволяет расширить диапазон воспроизводимых частот в сторону нижних частот. Так как же выбрать частоту резонанса фазоинвертора?
Если частота резонанса фазоинвертора будет выше оптимальной, т.е. она будет находиться близко к резонансной частоте динамика в ящике, то мы получим «перекомпенсацию» в виде выпирающего горба на частотной характеристике. Звучание будет бочкообразным. Если частоту выбрать слишком низкую, то подъём уровня не будет ощущаться, т.к. на низких частотах отдача динамика падает слишком сильно (недокомпенсировали).
Голубые линии – не оптимальная настройка фазоинвертора
Это очень тонкий момент – или фазоинвертор даст эффект, или не даст никакого, или, наоборот, испортит звук! Частоту фазоинвертора нужно выбирать очень точно! Но где взять эту точность в гаражно-домашних условиях?
На самом деле, коэффициент пропорциональности между частотой резонанса динамика в ящике и частотой резонанса фазоинвертора, в подавляющем большинстве реальных конструкций составляет 0,61 – 0,65, и если принять его равным 0,63, то ошибка составит не более 5%.
Кому интересно почитать теорию рекомендую:
1. Виноградова Э.Л. «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками», Москва, изд. Энергия, 1978
2. «Ещё о расчёте и изготовлении громкоговорителя», ж. Радио, 1984, №10
3. «Настройка фазоинверторов», ж. Радио, 1986, №8
Теперь перенесём теорию на практику – так нам ближе.
Как измерить резонансную частоту динамика в ящике? Как известно, на резонансной частоте, «модуль полного электрического сопротивления» (Impedance) звуковой катушки возрастает. Грубо говоря – сопротивление растёт. Если для постоянного тока оно составляет, например, 4 Ома, то на резонансной частоте оно вырастет Ом до 20 — 60. Как это измерить?
Для этого, последовательно с динамиком нужно включить резистор номиналом на порядок выше собственного сопротивления динамика. Нам подойдёт резистор номиналом 100 – 1000 Ом. Измеряя напряжение на этом резисторе, мы можем оценивать «модуль полного электрического сопротивления» звуковой катушки динамика. На частотах, где сопротивление динамика высокое – напряжение на резисторе будет минимальным, и наоборот. Так, а чем измерить?
Измерение импеданса динамика
Абсолютные значения нам не важны, нам нужно лишь найти максимум сопротивления (минимум напряжения на резисторе), частоты довольно низкие, поэтому пользоваться можно обычным тестером (мультиметром) в режиме измерения переменного напряжения. А откуда взять источник звуковых частот?
Конечно, в качестве источника лучше использовать генератор звуковых частот… Но оставим это профессионалам. Нам же «никто не запрещает» создать компакт-диск с записанным рядом звуковых частот, созданный в какой-либо компьютерной программе, например, CoolEdit или Adobe Audition. Даже я, имея измерительные приборы дома, создал CD на 99 треков, по несколько секунд каждый, с рядом частот от 21 до 119 Гц, с шагом 1 Гц. Очень удобно! Вставил в магнитолу, прыгаешь по трекам – меняешь частоту. Частота равна номеру трека + 20. Очень просто!
Процесс измерения резонансной частоты динамика в ящике выглядит следующим образом: «затыкаем» отверстие фазоинвертора (кусок фанеры и пластилин) включаем CD на воспроизведение, устанавливаем приемлемую громкость, и, не меняя её, «прыгаем» по трекам и находим трек, на котором напряжение на резисторе минимально. Всё – частота нам известна.
Кстати, параллельно, измеряя резонансную частоту динамика в ящике, мы можем подобрать оптимальное количество наполнителя для ящика! Постепенно добавляя количество наполнителя, смотрим изменение резонансной частоты. Находим то оптимальное количество, при котором резонансная частота минимальна.
Зная значение «резонансной частоты динамика в ящике с заполнителем» легко найти оптимальную резонансную частоту фазоинвертора. Просто умножьте её на 0,63. Например, получили резонансную частоту динамика в ящике 62 Гц – следовательно, оптимальная частота резонанса фазоинвертора будет около 39 Гц.
Теперь «открываем» отверстие фазоинвертора, и, изменяя длину трубы (тоннеля) или её сечение, настраиваем фазоинвертор на требуемую частоту. Как это сделать?
Да с помощью того же резистора, тестера и CD! Только нужно помнить, что на частоте резонанса фазоинвертора, наоборот, «модуль полного электрического сопротивления» катушки динамика падает до минимума. Поэтому, искать нам нужно не минимум напряжения на резисторе, а, наоборот максимум – первый максимум, находящийся ниже частоты резонанса динамика в ящике.
Естественно, частота настройки фазоинвертора будет отличаться от требуемой. И поверьте – очень сильно… Обычно, в сторону низких частот (недокомпенсация). Для увеличения частоты настройки фазоинвертора необходимо укорачивать тоннель, либо уменьшать площадь его поперечного сечения. Делать это нужно постепенно, по полсантиметра…
Примерно так будет выглядеть в области нижних частот модуль полного электрического сопротивления динамика в ящике с оптимально настроенным фазоинвертором:
Вот, и вся методика. Очень простая, и в то же время, дающая довольно точный результат.