Корпуса акустических систем: закрытые и фазоинверторные. Фазоинвертор для чего и из чего? Для чего фазоинвертор в колонке

Знаете, когда был предыдущий выпуск серии «Вспомнить всё»? В апреле 2006-го, когда то, что сейчас покрыто снежком, только думало начать зеленеть...

Но рукописи (особенно в компьютерном формате) не горят, и, несмотря на время, можно точно установить, на чём всё закончилось. На фразе: «А что касается фазоинверторов, придёт день, поговорим и о них...» Будем считать - пришёл.
Несколько выпусков серии подряд были посвящены самому (на первый взгляд) простому и одному из двух наиболее популярных видов акустического оформления для сабвуфера - закрытому ящику. И наряду с прочим было сказано: ЗЯ - единственный вид оформления, потенциально способный создать в машине ровную АЧХ на низких частотах. Казалось бы, вопрос закрыт и никакого другого оформления не требуется. Однако статистика, так любимая специалистами нашего тестового департамента, демонстрирует: в реально построенных аудиосистемах ЗЯ и ФИ представлены примерно поровну и вместе составляют больше 80 процентов парка сабвуферов . Естественный вопрос: если дырку в сабвуфере вырезают, значит, это кому-нибудь нужно? Вопрос, как и его поэтический прототип - риторический, не нужно было бы - не дырявили бы закрытые ящики.
Переключим клавиатуру из риторической раскладки в практическую, спросив, кому и зачем. И окажется, что на эти два вопроса нельзя дать общий ответ. Разным - для разного. И, чтобы этим основательно проникнуться, предлагаю, в который уже раз, для начала погрузиться в пучины прошлого.

Кто, где, когда
Всякое такое погружение чревато парадоксальными находками. В начале 2006 года, в №2, я предлагал вам отметить полувековой юбилей закрытого ящика, согласно бумаге, выданной патентным ведомством США. Надеюсь, вы воспользовались поводом. Когда был изобретён фазоинвертор? За двадцать четыре года до этого, согласно тому же источнику. В июле 1932-го, всего через три года после появления первого динамического громкоговорителя, которым мы практически в неизменном виде пользуемся по сей день и будем пользоваться до дня, назначенного нам судьбой, сотрудник лабораторий телефонной компании Bell Альберт Турас получил охранную грамоту на устройство, скромно и формально названное им «звуковоспроизводящий прибор». Цели, которые преследовал изобретатель, были сформулированы уже в первом абзаце документа. Целью было улучшить воспроизведение низких частот, добившись, по собственному выражению изобретателя, «более естественного воспроизведения низких нот в речи и музыке, находящегося в более правильной пропорции с высокими нотами, чем было возможно прежде».
Такова была цель. В качестве средства мистер Турас предлагал так обустроить громкоговоритель, чтобы использовать излучение не одной, а обеих сторон диффузора. Механизм такого использования Турас понимал правильно, расписав, что трубы, соединяющие объём ящика с окружающим пространством, будут действовать как механический фильтр, внося на определённых частотах фазовый сдвиг в 180 градусов между акустической волной на их входе (внутри ящика) и на выходе (снаружи). В этом случае, как совершенно справедливо рассудил изобретатель, терявшаяся прежде энергия выйдет наружу, а находясь в фазе с уже излучённой лицевой стороной диффузора, увеличит создаваемое всем ансамблем звуковое давление. И, как было отмечено уже тогда, семьдесят с лишним лет назад, происходить это будет только в узкой полосе частот, на которую предлагавшиеся им трубы настроены.
Забавно, что во всём документе понятие резонансной частоты динамика в явной форме не встречается, автор великого изобретения говорит лишь о частотах, где излучение начинает ослабевать, мы-то, здесь и сейчас, знаем, что это как раз ниже резонансной частоты...
На фоне этих, абсолютно обоснованных рассуждений довольно трогательно выглядят заблуждения изобретателя, касающиеся практического устройства «звуковоспроизводящего прибора». Турасу казалось, что всё произойдёт по его рецепту, только если выход труб или кольцевого канала (в общем, того, что мы нынешние называем тоннелем или портом ФИ) будут находиться как можно ближе к диффузору, окружая его тесным кольцом. Сегодня мы знаем, что на практике не очень важно, где будет выход тоннеля, синфазность излучения на низких частотах на пострадает. Но всё равно мистеру Турасу от всех нас спасибо большущее.

Откройте дверь, закройте дверь
Давайте всё же вспомним (за этим и собрались, в конце концов), что происходит в корпусе сабвуфера, если, помимо самого корпуса и динамика, в нём проделали дыру и закрепили в ней отрезок трубы. Начнём двигаться по шкале частот сверху, так удобнее. Пока частота сигнала, подаваемого на динамик, достаточно высока, наличие прорехи в ящике ни на чём особо не сказывается. Почему? Да потому, что действует тот самый механический фильтр, о котором писал изобретатель фазоинвертора. В простых же словах дело происходит так: когда колебания давления внутри ящика происходят с большой частотой, масса воздуха в тоннеле не успевает прийти в движение, дверь вроде бы есть, но если её часто-часто трясти за ручку, она так и останется закрытой. Одновременно смотрим на то, на что Альберт Турас не смотрел, тогда ещё не было принято - на кривую импеданса нашего громкоговорителя (на самом деле понимаем, не просто громкоговорителя, а сабвуфера). В качестве примера взята реальная кривая импеданса корпусного сабвуфера-фазоинвертора характерной двугорбой формы. Почему двугорбой и что означают горбы, выяснится очень скоро, а пока мы находимся там, где отмечено красной точкой, импеданс (проще говоря - сопротивление) громкоговорителя невелик, поскольку невелика амплитуда колебаний диффузора.
Забыли, как связана амплитуда с сопротивлением? Вот велика беда, сейчас вспомним. Смотрите: сопротивление динамика оказывается тем больше, чем меньше ток, проходящий по звуковой катушке при одном и том же подведенном напряжении, верно? Когда диффузор колеблется, он создаёт противо-ЭДС, ток при этом уменьшается. А это то же самое, что возрастание сопротивления. Если диффузор заклинить (это иногда происходит по естественным причинам у особо ретивых эспиэльщиков и примкнувших к ним в результате перегрева и расклеивания звуковой катушки), его сопротивление будет на низких частотах практически неизменным, а на более высоких - расти в силу индуктивности, и только. Когда частота приближается к резонансной, амплитуда колебаний диффузора возрастает (на то он и резонанс), растёт и противо-ЭДС, ток в катушке уменьшается, это равносильно росту её сопротивления.


	Пока частота достаточно высока, существенно больше частоты настройки Fb, амплитуда колебаний диффузора растёт, а тоннель, хоть и выглядит открытой дверью, на самом деле заперт на «инерционный замок».


	На частоте настройки давление воздуха в ящике «хлопает дверью» ровно в противофазе с собой, а значит - в фазе с диффузором.


	Когда частота уходит ниже настройки, тоннель начинает работать в противофазе с диффузором. Диффузор, получается, работает, а тоннель всё сводит насмарку.

Начнём снижать частоту подведенного сигнала. Мы приближаемся к частоте резонанса динамика в ящике, как если бы он был закрытым (как её определить, зная параметры динамика и объём ящика, уж теперь-то вы знаете назубок). Импеданс растёт, это означает: динамик приближается к резонансу, растёт амплитуда колебаний диффузора, а «дверь» в ящик пока остаётся закрытой. До сих пор поведение динамика в корпусе с тоннелем идентично (не считая мелких факторов, которые сейчас проигнорируем, чтобы не запутаться) его поведению в корпусе, закрытом со всех сторон, то есть - в ЗЯ.
Кстати: если заткнуть тоннель фазоинвертора, на импедансной характеристике останется только один, верхний горб, это приходилось видеть не раз, когда в соседнем журнале «Салон AV» тестировались домашние колонки, к которым прилагались затычки для тоннелей. А мы идём ниже по частоте. Ниже резонанса диффузор должен был бы бесполезно сжимать воздух в корпусе, но теперь дверь наружу перестаёт быть закрытой, колебания давления внутри начинают выходить на волю. Выходят они сдвинутыми по фазе относительно того, что было внутри ящика. Почему? Есть два объяснения: корректное и простое, выберите по своему вкусу. Корректное: такова фазочастотная характеристика механического фильтра, которым является сочетание упругости воздуха в ящике и массы воздуха в тоннеле. Не берёте? Тогда простое: за ручку «акустической двери» теперь дёргают медленнее, она начинает приоткрываться, но дверь тяжёлая и поэтому запаздывает. Вот он и фазовый сдвиг. Наконец, на какой-то частоте фазовый сдвиг достигает ровно 180 градусов. Это значит: диффузор, например, идёт вперёд, создавая волну давления перед собой и волну разрежения - позади, то есть - внутри ящика. Эта волна хочет попасть наружу через тоннель, но запаздывает, и когда наконец выбирается наружу, диффузор уже движется назад, создавая волну разрежения и впереди себя. Две волны складываются в фазе, звуковое давление достигает максимума.
Что там у нас на импедансной кривой? Сопротивление падает, достигая минимума как раз на той частоте, где фазовый сдвиг оказывается равным 180 градусам и которая называется частотой настройки фазоинвертора. Что означает минимум импеданса? Совершенно верно: амплитуда колебаний диффузора здесь наименьшая. Парадокс, казалось бы, именно там, где звуковое давление наибольшее, амплитуда колебаний диффузора - наименьшая. Нет тут парадокса, всё по закону. Именно здесь, на этой частоте, с диффузора снимается максимум энергии, среда сопротивляется его движению и с передней стороны, и (ещё больше) с тыльной, а сопротивляясь, преобразует колебания диффузора в звук.
Ещё одно «кстати»: есть расхожий штамп в популярной (иногда чересчур) литературе, где описывается принцип работы фазоинвертора. Там говорится, что на частоте настройки, мол, диффузор вообще неподвижен, а весь звук излучается тоннелем. Позвольте поинтересоваться у невидимых авторов этой мудрости: если диффузор действительно будет неподвижен, с какого перепуга будет двигаться воздух в тоннеле? От сквозняков, что ли? Нет, здесь дело в другом: диффузор движется мало, но эффективно передаёт энергию в окружающую среду, оттого и результат (в децибелах) изрядный. Это как производительность труда: если человек работает полдня, но тяжко, он сделает то же, что другой спустя рукава за день. А со стороны видно только, что поработал полдня - и домой.
Ну ладно, насладились слаженной работой диффузора и тоннеля на частоте настройки, давайте двигаться дальше. В прежнем направлении, вниз по частоте. Когда частота сигнала снижается, запаздывание в открывании-закрывании двери становится всё меньше и в какой-то момент пропадает совсем. Как, скажем, было бы с реальной дверью, пусть даже и тяжёлой, если бы её требовалось открывать-закрывать раз в полчаса. На такой частоте кто не успеет вовремя? Для сабвуфера же это означает, что воздух из тоннеля выходит в фазе с колебаниями давления внутри ящика и в противофазе - с колебаниями, создаваемыми снаружи корпуса диффузором. Результат? Плачевный, а вы какого ждали... Ниже частоты настройки излучение тоннеля начинает отъедать то, что излучает диффузор, складываясь с прямым излучением в противофазе. Именно этим объясняется (если просто, а не корректно) главная особенность АЧХ фазоинвертора по сравнению с АЧХ закрытого ящика. У ЗЯ, как мы знаем, в свободном пространстве звуковое давление ниже частоты резонанса падает со скоростью 12 дБ/окт., а у фазоинвертора ниже частоты настройки тоннеля - вдвое быстрее, в темпе 24 дБ/окт. Это - прямой результат контрпродуктивной на этих частотах, подлой, можно сказать, деятельности тоннеля.
Вернёмся к импедансной кривой. Это самый могучий инструмент в электроакустике, который может рассказать об очень многом. Ниже частоты настройки тоннеля на кривой начинает расти второй горб. Мы уже уяснили: где горб на кривой сопротивления - там рост амплитуды колебаний диффузора. Но только здесь он оказывается совершенно бесполезным: диффузор азартно трясётся, не замечая, что дверь в ящик открыта настежь и звуковые волны в противофазе, которые в закрытом ящике умерли бы внутри, беспрепятственно выходят наружу, сводя на нет все старания бедного динамика.
Реально бедного: одним из недостатков фазоинвертора как акустического оформления считается то, что ниже частоты настройки диффузор ничем не ограничен в своём движении, значит, если на динамик попадет сигнал очень низкой (как правило - инфразвуковой) частоты, амплитуда колебаний может выйти за безопасные пределы. Во имя недопущения подобных трагедий и придуманы фильтры-сабсоники в усилителях.

Кому и зачем?
Было же сказано: разным и для разного. То, для чего был придуман фазоинвертор изначально, лучше других сформулировал тот, кто его придумал. В течение всех последовавших за этим заявлением десятилетий конструкторы акустики делали именно это - ставили динамик в ФИ, когда требовалось улучшить воспроизведение низких частот. Улучшить? А что это означает? В домашней акустике, из которой, придётся признать, мы все выросли, как из гоголевской «Шинели», это означало расширить полосу воспроизводимых частот вниз. Применением ФИ это достигается настолько эффективно, что сегодня, если вы взглянете на ассортимент домашней акустики, найти что-то в закрытом ящике будет трудно на грани возможного. Почти сплошь «скворечники» всех мастей и габаритов. Причину такой популярности легко проиллюстрировать: вот три АЧХ динамика с довольно типичными параметрами в трёх вариантах акустического оформления. Оптимальный ФИ, оптимальный же (то есть настроенный на баттервортовскую добротность Qtc = 0,707) закрытый ящик и закрытый ящик того же объёма, что и ФИ. В фазоинверторе нижняя граничная частота получается 32 Гц, в таком же по объёму закрытом ящике - 59, в закрытом ящике оптимального объёма - 57. Почувствуйте разницу. Производители и потребители «домашки» давно почувствовали, вот и не слезают с фазоинверторов, хоть палкой гони...

А на то, что ниже граничной частоты звуковое давление у ФИ падает гораздо быстрее, чем у ЗЯ, в этой, домашней постановке задачи, наплевать. А нам, мобильным и моторизованным? Отнюдь нет. Помните про передаточную функцию салона? Конечно, помните, такое не забывается. Она ведёт звуковое давление вверх (начиная с некоторой частоты) с наклоном 12 дБ/окт. У закрытого ящика ниже частоты резонанса звуковое давление падает ровно с такой же скоростью. Значит, при надлежащем выборе параметров сабвуфера одно на одно наложится и произведёт на свет идеально ровную АЧХ, какая в «домашке» и не снилась. А фазоинвертор заваливает свою характеристику со скоростью 24 дБ/окт., такое салон компенсировать не может, значит, с этим оформлением мы всегда (подчеркну: всегда) будем иметь завал АЧХ с наклоном 12 дБ/окт. уже в салоне начиная опять же с некоторой, но уже другой частоты. Вот давайте взглянем: затащим по очереди три ящика из предыдущего примера в машину. Оптимальный ЗЯ: ну что тут скажешь, оптимальный он и есть. ЗЯ увеличенного размера из-за более низкой резонансной частоты показал более высокую отдачу на инфранизах, но и только. Но если к нему пристроить тоннель, настроив «выходную дверь» на 30 Гц или около того, завал АЧХ с этой частоты начнётся, но с какой высоты, взгляните! Обрезок недорогой сантехники привёл к росту звукового давления в полосе частот 25 - 40 Гц (для «домашников» такие частоты - вообще или мечта, или разорение) в среднем на 7 дБ (минимум 6, максимум - 9). Уже минимум означает: при том же уровне звукового давления к сабвуферу надо будет подвести мощность вчетверо (!) ниже, чем к динамику в идеальном, аудиофильском закрытом ящике. Или примерно втрое ниже, чем в закрытом ящике равного объёма (для данного примера). Вот вам и вторая часть ответа на связку вопросов «кому - зачем». В машине - для получения лишнего звукового давления, как раз наиболее широкую полосу частот у нас обеспечивает ЗЯ. В этом отношении автомобильная басовая акустика прямо противоположна домашней.
Возникает вопрос, а нужна ли нам такая АЧХ? В принципе, ответ уже был в одном из прошлых выпусков «Вспомнить все». Но если к следующему разу не сможете найти, с этого и начнём. Подсказка: бас народа - бас божий...

Использование данных материалов допускается только с разрешения автора

В зависимости от исполнения корпуса акустические системы разделяют на несколько типов по их акустическому оформлению. Самым простым акустическим оформлением является герметично закрытый корпус акустической системы, который так и называют - акустическая система закрытого типа. Преимуществом такого типа корпуса являются простота и хорошие переходные характеристики акустической системы, недостатком - сложность получения достаточно низкой граничной рабочей частоты.

Причина этого уже упоминалась выше и заключается в том, что общая упругость системы повышается, а это приводит к увеличению частоты НЧ-резонанса низкочастотного громкоговорителя, установленного в закрытом корпусе АС. Соответственно повышается нижняя граничная частота диапазона рабочих частот акустической системы и уменьшается уровень ее звукового давления на низких частотах: прощай, глубокий бас.

Этот недостаток акустического оформления во многом удалось преодолеть в акустических системах с фазоинвертором. Внешне акустические системы этого типа отличаются от закрытых акустических систем наличием у них на передней (или задней) стенке выходного отверстия (порта) фазоинвертора, соединяющего внутренний объем акустической системы с внешним миром.

Таким образом, фазоинвертор - это сочетание геометрических размеров внутреннего объема и трубы, обеспечивающее заданную резонансную частоту системы. Зачем это сделано и что это дает? Оказывается, столь простое конструктивное решение («дырка от бублика») позволяет существенно понизить нижнюю граничную частоту акустической системы и заметно увеличить уровень ее звукового давления на низких частотах. Фазоинвертор - устройство, преобразующее входной сигнал в два сигнала, сдвинутых по фазе на 180°. В акустике фазоинвертор - это труба в корпусе акустической системы, обеспечивающая расширение НЧ-диапазона за счёт резонанса этой трубы на частоте ниже воспроизводимой громкоговорителем.

Механизм работы фазоинвертора заключается в том, что специально рассчитанный акустический резонатор-фазоинвертор производит инверсию (переворот) фазы звуковой волны, излучаемой тыльной стороной диффузора. Эта перевернутая звуковая волна с выхода фазоинвертора суммируется со звуковой волной от фронтальной поверхности диффузора, что и приводит к существенному увеличению уровня звукового давления громкоговорителя на частоте настройки фазоинвертора. Достоинства этого типа акустического оформления хорошо известны, недаром сегодня по крайней мере 9 из 10 акустических систем, выпускаемых в мире, имеют фазоинвертор.

Судите сами: при равных размерах корпуса закрытой и фазоинверсной АС акустические системы с фазоинвертором имеют в 1,26 раза меньшую нижнюю граничную частоту при равном КПД для обоих типов систем. Если же сконструировать оба типа АС так, чтобы у них были одинаковые размеры корпуса и равные нижние граничные частоты, то акустическая система с фазоинвертором будет иметь на 3 дБ больший КПД, чем конкурирующая «закрытая» акустическая система.

Наконец при одинаковых КПД и нижней граничной частоте акустическая система с фазоинвертором будет иметь существенно меньшие размеры по сравнению с АС закрытого типа. Однако справедливости ради стоит отметить, что за все хорошее в жизни надо платить, и акустические системы фазоинверторного типа не являются в этом смысле исключением.

Расплатой за вышеупомянутые преимущества этого типа акустического оформления являются ухудшение (по сравнению с АС закрытого типа) переходных характеристик и усложнение согласования АС с усилителем. Фазоинвертор «живет» своей жизнью, время нарастания фронта звукового сигнала и длительность затухания его свободных колебаний определяется только акустической добротностью фазоинвертора. Субъективно это проявляется, например, в «бухающем» звуке большого барабана, глухом звуке литавр, в размытости щипка струны контрабаса и т.д.

Однако в массовых моделях акустических систем преимущества от применения фазоинвертора перевешивают его недостатки, так как существенно улучшают глубину звучания басов. Поэтому сегодня акустические системы этого типа составляют львиную долю выпуска в производственных программах ведущих мировых «акустических» фирм. Разновидностью акустического оформления АС типа «фазоинвертор» являются акустические системы с пассивным излучателем (называемые также системами с «пассивным радиатором"). В акустических системах этого типа для повышения уровня звукового давления на низких частотах используется пассивный излучатель, представляющий собой часть низкочастотного громкоговорителя без звуковой катушки и магнитной системы.

Принцип действия этого излучателя подобен работе фазоинвертора, так как он также производит инверсию фазы излучения звуковой волны от тыльной стороны диффузора. Путем изменения массы диффузора частота резонанса пассивного излучателя настраивается на нижнюю рабочую частоту низкочастотного громкоговорителя. Ну, а дальше вес очень просто: звуковая волна от пассивного излучателя суммируется с излучаемой низкочастотным громкоговорителем звуковой волной, что существенно повышает уровень звукового давления акустической системы на нижних частотах. Что и требовалось доказать. Остается добавить, что в акустических системах обычно имеется один порт фазоинвертора, хотя могут быть и двухпортовые, и трехпортовые фазоинверторы.

Часто порт фазоинвертора выводится на переднюю панель акустической системы, хотя целый ряд фирм выводят фазоинверторы на заднюю стенку АС. Наконец, некоторые фирменные модели имеют выходное отверстие фазоинвертора... на дне корпуса (Castle Acoustics, Mission или серия RT фирмы Polk Audio). Преимуществом фронтального расположения порта фазоинвертора является меньшая критичность таких акустических систем по отношению к стенам помещения, так как для нормаль ной работы АС с задним расположением фазоинвертора требуется обеспечить расстояние от задней панели АС до стен помещения порядка 25-100 см.

Кроме рассмотренных выше, существуют и другие типы акустического оформления АС, которые, однако, распространены существенно меньше. Английская фирма TDL Electronics, например, является верной поклонницей АС с акустическим оформлением типа «лабиринт». Задняя сторона диффузора работает на образованный рядом перегородок зигзагообразный звуковод - лабиринт, длину которого выбирают равной примерно половине длины волны на нижней граничной частоте системы. Благодаря этому излучение из выходного отверстия лабиринта будет совпадать с акустическими колебаниями от передней стороны диффузора головки.

Как то сосед начал доказывать мне что если в дверях сделать дырки то динамики будут играть громче, мол выходя из логики что воздуху некуда деваться. Так вот люди очень многие даже не понимают зачем та дырка в сабе или трубу ставят для сабвуфера. Многие считают что так будет громче и воздух что бы выходил. Частично верно но по большей части нет.
И так что же такое фазоинвертор?
Фазоинвертор в отечественной литературе, bass reflex, ported box, vented box - в англоязычной - все это, по сути, звукотехническая реализация идеи резонатора Гельмгольтца. Идея проста: замкнутый объем соединяется с окружающим пространством с помощью отверстия, содержащего некоторую массу воздуха. Вот именно существование этой массы - того самого столба воздуха, который, по утверждению Остапа Бендера, давит на любого трудящегося, и производит чудеса, когда резонатор Гельмгольтца нанимают на работу в составе сабвуфера. Здесь мудреная вещь имени германского физика приобретает прозаическое имя тоннеля (по-буржуйски - port или vent).

Как работает фазоинвертор? Почему вдруг наличие в корпусе громкоговорителя аккуратно выполненной дырки определенных размеров драматически сказывается на работе всего ансамбля? Как уже говорилось вскользь в предыдущих частях этого эпического полотна, тоннель фазоинвертора служит для того, чтобы, задержав на строго определенное время звуковую волну, возникающую внутри ящика громкоговорителя, выпустить ее наружу в той же фазе, что и создаваемая «лицевой» стороной динамика. Здесь, на воле, они объединят свои децибелы и дадут по ушам (при правильном расчете) так, что мало не покажется. Вот за это, собственно, фазоинвертор и любят - за повышенный, по сравнению с закрытым ящиком, к.п.д.
Но не только. Грубая сила не аргумент, если она не подкрепляется точностью воспроизведения сигнала. Здесь имеется в виду другая, существенно менее тривиальная особенность фазоинвертора - его способность производить требуемое звуковое давление при существенно меньшей амплитуде колебаний диффузора. Это звучит несколько парадоксально. Все знают, что именно наличие позади диффузора закрытого объема сдерживает колебания диффузора, так почему же в «дырявом» корпусе они вдруг окажутся меньше? А из-за массы, как и было сказано. Отверстие в корпусе фазонивертора потому и сделано, как довольно протяженный тоннель - труба, проще говоря, чтобы держать внутри некоторую массу воздуха. На относительно высоких частотах, выше 200 Гц, инерция воздушной массы в тоннеле приводит к тому, что он акустически совершенно непрозрачен. Как будто закупорен совсем.
Ниже по частоте воздушная пробка в тоннеле начинает оживать и шевелиться, поскольку ее сзади толкает пульсируюшее внутри ящика давление. Инерция воздушной массы приводит к тому, что она двигается не в такт с действующей на нее волной, а с некоторым сдвигом. Он достигает 180 градусов по фазе, то есть начинает быть противофазен звуковой волне, исходящей от тыльной стороны диффузора на некоторой частоте, которая и называется частотой настройки фазоинвертора.
Здесь почти все усилия динамика идут на раскачивание несговорчивой воздушной массы внутри тоннеля, так что на собственные колебания уже почти ничего не остается, и амплитуда колебания диффузора минимальная. (А звук - идет, да еще какой! Просто на этой частоте он почти весь выходит из тоннеля). А поскольку именно большие амплитуды колебаний диффузора и порождают заметные на слух искажения, обстановка, в смысле звука, наступает самая благоприятная.

Еще ниже по частоте дела, правда, начинают меняться в худшую сторону. Для совсем медленных низкочастотных колебаний масса воздуха в тоннеле уже никакая не инерция, и тыльная сторона диффузора качает ее туда-сюда, как насос.

При этом возникает ситуация, как будто динамик вообще не установлен в корпус, то есть волны от тыльной стороны диффузора и от лицевой встречаются в противофазе и в значительной степени друг дружку съедают, как при нормальном акустическом коротком замыкании. Поэтому-то ниже частоты настройки отдача фазоинвертора и падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика. Хуже, однако, другое - диффузор уже ничего не тормозит, и амплитуда его колебаний на совсем низких частотах начинает расти просто катастрофически. Подтональные фильтры (subsonic filters), которыми снабжаются некоторые, обычно породистые, кроссоверы и усилители, сделаны почти исключительно для противодействия этой вредной привычке фазоинверторов.
Итак, что же мы конкретно поимеем, выбрав для своего проекта фазоинвертор как акустическое оформление?
Хочу сразу предупредить: расчет фазоинвертора без предназначенных для этого компьютерных программ возможен, и для него существуют расчетные формулы и номограммы. Однако на пороге третьего тысячелетия квалифицировать такие методы иначе как мазохизм, я не могу. Да и формул я обещал на страницы этого журнала не пускать, и пока держусь. Так что для интересующихся в конце статьи я помещаю адрес в WWW, где есть аннотированная подборка проверенных программ разной степени сложности и совершенства.
Вот картинка, которая объясняет (почти) все. Взят 10-дюймовый динамик, по своим параметрам подходящий для установки в фазоинвертор, и смоделированы характеристики, которые получатся при его установке в оптимальном для него фазоинверторе (20 л, настроен на 42 Гц) и таком же по объему закрытом ящике.
Верхняя из двух черных кривых, понятно, наша. По сравнению с закрытым ящиком, во всей полосе частот ниже примерно 150 Гц отдача существенно выше. Что значит «существенно»? Взгляните: на частоте, скажем, 60 Гц разница составляет около 4 дБ. А это равносильно повышению мощности усилителя в 2,5 раза. То есть со скромным 100-ваттным усилителем такой саб сыграет, как будто к нему подведено 250 Вт. За те же деньги.
А вот из красных кривых, изображающих зависимость амплитуды колебаний диффузора от частоты, наша - нижняя. Как раз там, где сосредоточена большая часть басовой энергии - ниже 100 Гц, амплитуда начинает падать и остается намного ниже, чем у закрытого ящика, хотя создаваемое звуковое давление - вдвое больше!
У закрытого ящика при этом амплитуда колебаний растет неуклонно и при подведении мощности, указанной как максимальная, выходит за пределы рабочего диапазона (красный пунктир) уже к 70 Гц, а ниже - вообще беда. Там-то и будут порождены такие знакомые на слух хрипы, сопровождающие басовые ноты. У фазоинвертора благодать с амплитудами продолжается вплоть до примерно 30 Гц, а там амплитуда начинает расти неуемно. Впрочем, там уже и звука-то никакого почти нет, так что прямой смысл «придушить» эту часть спектра подтональным фильтром (если есть) и наслаждаться ударной эффективностью при минимуме искажений в действительно звуковом диапазоне.
«Здорово!» - воскликнет нетерпеливый и охочий до децибелов читатель, захлопнет журнал и тотчас отправится ладить прорехи в собственном сабвуфере. Товарищ, стой! Смотри, что может произойти дальше. Пусть, оставив все без изменения, мы вывернем из нашего 20-литрового ящика прежний динамик и установим другой - предназначенный для работы именно в закрытом корпусе.
Его характеристика в закрытом, родном для него ящике (нижняя на графике) была очень даже славная. А после переделки в фазоинвертор она станет, как верхняя, то есть даст ярко выраженный «хлопун» между 50 и 100 Гц. Именно в результате создания таких сочетаний фазоинверторы получили в свое время обидное прозвище boom-box («бухало»), позже использованное, на этот раз вполне справедливо, для какой-то портативной магнитолы.
В чем же была разница между двумя динамиками? В двух параметрах, которые должны находиться в определенной гармонии для данного акустического оформления, иначе - оставь надежду всяк сюда звучащий, так сказать. Эти параметры - резонансная частота Fs и полная добротность Qts.
У «закрытого» динамика они были Fs=25 Гц, Qts=0,4. А у «фазоинверторного» - 30 Гц и 0,3. Вроде не так велика разница, а результаты - существенно различаются. Придуманный в свое время параметр энергетической полосы пропускания Fs/Qts сразу показывает, кто есть кто: его значение для первого динамика 62,5, а для второго - 100. Правило простое: если Fs/Qts заметно меньше 100, - забудьте слово «фазоинвертор». Если близко или больше, - снова вспоминайте, а забывайте про закрытый ящик. В районе 90 - 100 - «сумеречная зона», где, с известными уступками, можно применять и одно, и другое.
А что все-таки произойдет, если настоять на своем и втолкнуть динамик в несвойственное ему оформление? Давайте попробуем, благо пока драма разворачивается на бумаге и экране компьютера, то есть «малой кровью, на чужой территории».
Для начала ставим «фазоинверторный динамик» в закрытый ящик и пробуем варьировать тем единственным параметром, который имеем - объемом этого ящика.

На графике - три кривые. Самая пологая - результат установки в ящик объемом 50 л, самая круто спадающая ниже 100 Гц - при объеме ящика 10 л. А посередине - наша исходная характеристика в 20-литровом объеме. Видим: объем меняется от неприлично маленького до непрактично большого, а путной характеристики не выходит - она или начинает спадать слишком рано, или спадает слишком быстро.
У динамика, рожденного для закрытого ящика, как видно из следующего графика, есть возможность или попасть в оптимум (средняя кривая), или же «накроить» на объеме, получив при этом довольно заметно «гукающую» характеристику (верхняя кривая, построенная в объеме 10 л).

А наоборот? Можно ли при установке «закрытого» динамика в фазоинвертор так его настроить, чтобы получить ровную АЧХ? Теоретически - да, благо у фазоинвертора можно при неизменном объеме перестраивать частоту, меняя диаметр и длину тоннеля (на практике - всегда длину, разумеется). Начинаем эксперимент с верхней, совершенно ужасной кривой (объем 20 л, частота настройки 50 Гц) и, постепенно перестраивая фазоинвертор, вдруг на частоте настройки 20 Гц замечаем, что пришли к очень симпатичной кривой (нижняя на графике).

Опаньки, давайте сейчас вычислим, какой тоннель для этого нужен - и вперед! Через полсекунды компьютерного времени получаем данные, что для того, чтобы настроить 20-литровый объем на частоту 20 Гц, нужен тоннель диаметром 75 мм и длиной 1 м 65 см. То есть ростом с миниатюрную даму, а никак не с деталь компактного сабвуфера.
А вот зато «фазоинверторный» динамик позволит с минимальными хлопотами (вдвинуть - выдвинуть трубу) перестраивать частотку не хуже, чем эквалайзером. На графике - результаты такой деятельности в диапазоне частоты настройки тоннеля от 35 до 52 Гц, для чего понадобилась длина тоннеля от 190 до 400 мм - не Бог весть что даже при наибольшем значении.

Так что вот так то
Статья взята с журнала АвтоЗвук

Магические формулы

Одно из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора - 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». Формула его расчета не намного сложнее самой распространенной и доступной модели такого резонатора. Пустая бутылочка из-под кока-колы (только обязательно бутылка, а не алюминиевая банка) - именно такой резонатор, настроенный на частоту 185 Гц, это проверено. Впрочем, резонатор Гельмгольца намного древнее даже этой, постепенно выходящей из употребления упаковки популярного напитка. Однако и классическая схема резонатора Гельмгольца схожа с бутылкой (рис. 1). Для того чтобы такой резонатор работал, важно, чтобы у него был объем V и тоннель с площадью поперечного сечения S и длиной L. Зная это, частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) теперь можно рассчитать по формуле:

где Fb - частота настройки в Гц, с - скорость звука, равная 344 м/с, S - площадь тоннеля в кв. м, L - длина тоннеля в м, V - объем ящика в куб. м. = 3,14, это само собой.

Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объем ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Все, казалось бы, дело сделано. Приступаем. Пусть у нас есть ящик объемом 50 литров. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведенной 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. 2, 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. 3. 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 сопрягается со стенкой 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.

Заметим, что то же самое произойдет, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, снова совместив один его конец со стенкой (рис. 4). 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 объемом V на частоту Fb, будет выглядеть так:

Здесь частота - в герцах, объем - в литрах, а длина и диаметр тоннеля - в миллиметрах, как нам привычнее.

Полученный результат ценен не только тем, что позволяет на этапе расчета получить значение длины, близкое к окончательной, дающей требуемое значение частоты настройки, но и тем, что открывает определенные резервы укорочения тоннеля. Почти один диаметр мы уже выиграли. Можно укоротить тоннель еще больше, сохранив ту же частоту настройки, если сделать фланцы на обоих концах, как показано на рис. 5.

Теперь, кажется, все учтено, и, вооруженные этой формулой, мы представляемся себе всесильными. Именно здесь нас и ждут трудности.

Первые трудности

Первая (и главная) трудность заключается в следующем: если относительно небольшой по объему ящик требуется настроить на довольно низкую частоту, то, подставив в формулу для длины тоннеля большой диаметр, мы и длину получим большую. Попробуем подставить диаметр поменьше - и все получается отлично. Большой диаметр требует большой длины, а маленький - как раз небольшой. Что же тут плохого? А вот что. Двигаясь, диффузор динамика своей тыльной стороной «проталкивает» практически несжимаемый воздух через тоннель фазоинвертора. Поскольку объем колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в тоннеле будет во столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз площадь сечения тоннеля меньше площади диффузора. Если сделать тоннель в десятки раз меньшего размера, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большой, и, когда она достигнет 25 - 27 метров в секунду, неизбежно появление завихрений и струйного шума. 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.

Теперь все выглядит не так радужно, как прежде. 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 еще и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.

Столкнувшись с такой дилеммой, читатели ACS обычно звонят в редакцию и просят подсказать им решение. У меня их три: простое, среднее и экстремальное.

Простое решение для небольших проблем

Когда расчетная 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, причем размещать его не посреди передней стенки корпуса (как на рис. 6), а вплотную в одной из боковых стенок (как на рис. 7). 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. 7, получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на рис. 6. Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя еще больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины. Это - простое решение. Если его недостаточно, придется перейти к среднему.

Среднее решение для проблем побольше

Решение промежуточной сложности заключается в использовании тоннеля в форме усеченного конуса, как на рис. 8. Мои эксперименты с такими тоннелями показали, что здесь можно уменьшить площадь сечения входного отверстия по сравнению с минимально допустимой по формуле Смолла без опасности возникновения струйных шумов. Кроме того, конический тоннель намного менее склонен к органным резонансам, нежели цилиндрический.

В 1995 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения. Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS http://www.audiocarstereo.it в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.

Таблица 2 составлена для исходного тоннеля диаметром 100 мм. Это подойдет для большинства сабвуферов с головкой диаметром 300 мм.

Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов. Этот угол больше 6 - 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля. Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.

Тоннель в форме усеченного конуса не обязательно должен иметь круглое сечение. Как и обычный, цилиндрический, его иногда удобнее делать в виде щелевого. Даже, как правило, удобнее, ведь тогда он собирается из плоских деталей. Размеры щелевого варианта конического тоннеля приведены в следующих столбцах таблицы, а что эти размеры означают, показано на рис. 10.

Замена обычного тоннеля коническим способна решить много проблем. Но не все. Иногда длина тоннеля получается настолько большой, что укорочения его даже на 30 - 35% недостаточно. Для таких тяжелых случаев есть...

Экстремальное решение для больших проблем

Экстремальное решение заключается в применении тоннеля с экспоненциальными обводами, как показано на рис. 11. У такого тоннеля площадь сечения сначала плавно уменьшается, а потом так же плавно возрастает до максимальной. С точки зрения компактности для данной частоты настройки, устойчивости к струйным шумам и органным резонансам экспоненциальный тоннель не имеет себе равных. Но он не имеет себе равных и по сложности изготовления, даже если рассчитать его обводы по такому же принципу, как это было сделано в случае конического тоннеля. Для того чтобы преимуществами экспоненциального тоннеля все же можно было воспользоваться на практике, я придумал его модификацию: тоннель, который я назвал «песочные часы» (рис. 12). Тоннель-песочные часы состоит из цилиндрической секции и двух конических, откуда внешнее сходство с древним прибором для измерения времени. Такая геометрия позволяет укоротить тоннель по сравнению с исходным, постоянного сечения, по меньшей мере, в полтора раза, а то и больше. Для расчета песочных часов я тоже написал программу, ее можно найти там же, на сайте ACS. И так же, как для конического тоннеля, здесь приводится таблица с готовыми вариантами расчета.

Что означают размеры в таблицах 3 и 4, станет ясно из рис. 13. D и d - это диаметр цилиндрической секции и наибольший диаметр конической секции, соответственно, L1 и L2 - длины секций. Lmax - полная длина тоннеля в форме песочных часов, приводится просто для сравнения, насколько короче его удалось сделать, а вообще, это L1 + 2L2.

Технологически песочные часы круглого поперечного сечения делать не всегда просто и удобно. Поэтому и здесь можно выполнить его в виде профилированной щели, получится, как на рис. 14. Для замены тоннеля диаметром 80 мм я рекомендую высоту щели выбрать равной 50 мм, а для замены 100-миллиметрового цилиндрического тоннеля - равной 60 мм. Тогда ширина секции постоянного сечения Wmin и максимальная ширина на входе и выходе тоннеля Wmax будут такими, как в таблице (длины секций L1 и L2 - как в случае с круглым сечением, здесь ничего не меняется). Если понадобится, высоту щелевого тоннеля h можно изменить, одновременно скорректировав и Wmin, Wmax так, чтобы значения площади поперечного сечения (h.Wmin, h.Wmax) остались неизменными.

Вариант фазоинвертора с тоннелем в форме песочных часов я применил, например, когда делал сабвуфер для домашнего театра с частотой настройки 17 Гц. Расчетная длина тоннеля получилась больше метра, а рассчитав «песочные часы», я смог сократить ее почти вдвое, при этом шумов не было даже при мощности около 100 Вт. Надеюсь, вам это тоже поможет...

От редакции: Статья итальянского специалиста-акустика, воспроизводимая здесь с благословения автора, в оригинале называлась «Teoria e pratica del condotto di accordo». То есть, в буквальном переводе – «Теория и практика фазоинвертора». Заголовок этот, на наш взгляд, соответствовал содержанию статьи только формально. Действительно, речь идет о соотношении простейшей теоретической модели фазоинвертора и тех сюрпризов, которые готовит практика. Но это – если формально и поверхностно. А по существу, статья содержит ответ на вопросы, которые возникают, судя по редакционной почте, сплошь и рядом при расчете и изготовлении сабвуфера-фазоинвертора. Вопрос первый: «Если рассчитать фазоинвертор по формуле, известной уже давным-давно, получится ли у готового фазоинвертора расчетная частота?» Наш итальянский коллега, съевший на своем веку собак эдак с десяток на фазоинверторах, отвечает: «Нет, не получится». А потом объясняет, почему и, что самое ценное, на сколько именно не получится. Вопрос второй: «Рассчитал тоннель, а он такой длинный, что никуда не помещается. Как быть?» И здесь синьор предлагает настолько оригинальные решения, что именно эту сторону его трудов мы и вынесли в заголовок. Так что ключевое слово в новом заголовке надо понимать не по-новорусски (иначе мы бы написали: «короче – фазоинвертор»), а совершенно буквально. Геометрически. А теперь слово для выступления имеет синьор Матараццо.

Фазоинвертор: короче!

Об авторе: Жан-Пьеро Матараццо родился в 1953 г. в городе Авеллино, Италия. С начала 70-х работает в области профессиональной акустики. Долгие годы был ответственным за тестирование акустических систем для журнала «Suono» («Звук»). В 90-х годах разработал ряд новых математических моделей процесса излучения звука диффузорами громкоговорителей и несколько проектов акустических систем для промышленности, включая популярную в Италии модель «Опера». С конца 90-х активно сотрудничает с журналами «Audio Review», «Digital Video» и, что для нас наиболее важно, «ACS» («Audio Car Stereo»). Во всех трех он – главный по измерению параметров и тестированию акустики. Что еще?.. Женат. Два сынишки растут, 7 годиков и 10.

Рис 1. Схема резонатора Гельмгольца. То, от чего все происходит.

Рис 2. Классическая конструкция фазоинвертора. При этом часто не учитывают влияние стенки.

Рис 3. Фазоинвертор с тоннелем, концы которого находятся в свободном пространстве. Здесь влияния стенок нет.

Рис 4. Можно вывести тоннель полностью наружу. Здесь опять произойдет «виртуальное удлинение».

Рис 5. Можно получить «виртуальное удлинение» на обоих концах тоннеля, если сделать еще один фланец.

Рис 6. Щелевой тоннель, расположенный далеко от стенок ящика.

Рис 7. Щелевой тоннель, расположенный вблизи стенки. В результате влияния стенки его «акустическая» длина получается больше геометрической.

Рис 8. Тоннель в форме усеченного конуса.

Рис 9. Основные размеры конического тоннеля.

Рис 10. Размеры щелевого варианта конического тоннеля.

Рис 11. Экспоненциальный тоннель.

Рис 12. Тоннель в форме песочных часов.

Рис 13. Основные размеры тоннеля в форме песочных часов.

Рис 14. Щелевой вариант песочных часов.

Магические формулы

Одно из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора – 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». Формула его расчета не намного сложнее самой распространенной и доступной модели такого резонатора. Пустая бутылочка из-под кока-колы (только обязательно бутылка, а не алюминиевая банка) – именно такой резонатор, настроенный на частоту 185 Гц, это проверено. Впрочем, резонатор Гельмгольца намного древнее даже этой, постепенно выходящей из употребления упаковки популярного напитка. Однако и классическая схема резонатора Гельмгольца схожа с бутылкой (рис. 1). Для того чтобы такой резонатор работал, важно, чтобы у него был объем V и тоннель с площадью поперечного сечения S и длиной L. Зная это, частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) теперь можно рассчитать по формуле:

Fb – частота настройки трубы фазоинвертора (Гц)
с – скорость звука, постоянная величина = 344 м/с
S – площадь тоннеля фазоинвертора (м 2)
L – длина тоннеля фазоинвертора (м)
V – объем корпуса (м 3)
П – постоянная величина = 3,14

Fb – частота, на которую настраивается фазоинвертора (Гц)
V – объем корпуса (л)
D – диаметр трубы фазоинвертора (мм)
L – длинна трубы фазоинвертора (мм)

Первые трудности

Первая (и главная) трудность заключается в следующем: если относительно небольшой по объему ящик требуется настроить на довольно низкую частоту, то, подставив в формулу для длины тоннеля большой диаметр, мы и длину получим большую. Попробуем подставить диаметр поменьше – и все получается отлично. Большой диаметр требует большой длины, а маленький – как раз небольшой. Что же тут плохого? А вот что. Двигаясь, диффузор динамика своей тыльной стороной «проталкивает» практически несжимаемый воздух через тоннель фазоинвертора. Поскольку объем колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в тоннеле будет во столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз площадь сечения тоннеля меньше площади диффузора. Если сделать тоннель в десятки раз меньшего размера, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большой, и, когда она достигнет 25 – 27 метров в секунду, неизбежно появление завихрений и струйного шума. 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:

Простое решение для небольших проблем

Когда расчетная 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, причем размещать его не посреди передней стенки корпуса (как на рис. 6), а вплотную в одной из боковых стенок (как на рис. 7). 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. 7, получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на рис. 6. Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя еще больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины. Это – простое решение. Если его недостаточно, придется перейти к среднему.

Среднее решение для проблем побольше

В 1995 году я написал программу для расчета конических тоннелей. Она заменяет конический тоннель последовательностью цилиндрических и путем последовательных приближений вычисляет длину, необходимую для замены обычного тоннеля постоянного сечения. Программа эта сделана для всех желающих, и ее можно взять на сайте журнала ACS audioreview.it в разделе ACS Software. Маленькая программка, работает под DOS, можно скачать и посчитать самому. А можно поступить по-другому. При подготовке русской редакции этой статьи результаты вычислений по программе CONICO были сведены в таблицу, из которой можно взять готовый вариант. Таблица составлена для тоннеля диаметром 80 мм. Это значение диаметра подходит для большинства сабвуферов с диаметром диффузора 250 мм. Рассчитав по формуле требуемую длину тоннеля, найдите это значение в первом столбце. Например, по вашим расчетам оказалось, что нужен тоннель длиной 400 мм, например, для настройки ящика объемом 30 литров на частоту 33 Гц. Проект нетривиальный, и разместить такой тоннель внутри такого ящика будет непросто. Теперь смотрим в следующие три столбца. Там приведены рассчитанные программой размеры эквивалентного конического тоннеля, длина которого будет уже не 400, а всего 250 мм. Совсем другое дело. Что означают размеры в таблице, показано на рис. 9.

Таблица 1. Размеры конического тоннеля, эквивалентного цилиндрическому диаметром 80 мм и длинной Lo.

Lo	L	d	D	h	Win	Wout
160	120	67	84	60	59	92
200	150	64	85	60	53	95
260	180	60	85	60	48	95
330	200	54	86	60	39	98
400	250	52	87	60	35	99
500	350	50	99	60	33	129
630	450	46	109	60	28	155
750	500	42	112	60	24	164

Таблица 2.

Lo	L	d	D	h	Win	Wout
270	200	79	107	70	71	129
330	220	73	108	70	60	131
420	280	70	109	70	54	133
530	350	65	114	70	47	143
650	450	62	124	70	43	174
800	550	57	134	70	36	200
1000	650	50	141	70	29	224
1180	750	46	151	70	24	257

Lo – длинная исходного цилиндрического тоннеля

L – длинна конического тоннеля

Если решите пользоваться программой самостоятельно, помните: тоннель в форме усеченного конуса делается с углом наклона образующей a от 2 до 4 градусов. Этот угол больше 6 – 8 градусов делать не рекомендуется, в этом случае возможно возникновение завихрений и струйных шумов на входном (узком) конце тоннеля. Однако и при небольшой конусности уменьшение длины тоннеля получается довольно значительным.

Замена обычного тоннеля коническим способна решить много проблем. Но не все. Иногда длина тоннеля получается настолько большой, что укорочения его даже на 30 – 35% недостаточно. Для таких тяжелых случаев есть…

…экстремальное решение для больших проблем

Таблица 3. Размеры тоннеля в форме песочных часов, эквивалентного цилиндрическому диаметром 80 мм и длинной Lo.

Lo	Lmax	d	D	L1	L2	h	Wmin	Wmax
160	100	58	81	60	20	50	52	103
200	125	58	81	75	25	50	52	103
260	175	58	82	105	35	50	52	104
330	200	55	82	120	40	50	48	104
400	250	55	83	150	50	50	48	105
500	300	54	83	180	60	50	45	105
630	400	54	84	240	80	50	45	106
750	450	54	84	270	90	50	45	106

Таблица 4. То же, для исходного тоннеля диаметром 100 мм

Lo	Lmax	d	D	L1	L2	h	Wmin	Wmax
270	175	71	100	105	35	60	69	130
330	200	71	100	120	40	60	69	130
420	250	71	100	150	50	60	69	130
530	300	69	102	180	60	60	66	133
650	400	69	102	240	80	60	66	133
800	500	68	103	300	100	60	63	135
1000	600	68	103	360	120	60	63	135
1180	750	68	103	450	150	60	63	135

Что означают размеры в таблицах 3 и 4, станет ясно из рис. 13. D и d – это диаметр цилиндрической секции и наибольший диаметр конической секции, соответственно, L1 и L2 – длины секций. Lmax – полная длина тоннеля в форме песочных часов, приводится просто для сравнения, насколько короче его удалось сделать, а вообще, это L1 + 2L2.

Технологически песочные часы круглого поперечного сечения делать не всегда просто и удобно. Поэтому и здесь можно выполнить его в виде профилированной щели, получится, как на рис. 14. Для замены тоннеля диаметром 80 мм я рекомендую высоту щели выбрать равной 50 мм, а для замены 100-миллиметрового цилиндрического тоннеля – равной 60 мм. Тогда ширина секции постоянного сечения Wmin и максимальная ширина на входе и выходе тоннеля Wmax будут такими, как в таблице (длины секций L1 и L2 – как в случае с круглым сечением, здесь ничего не меняется). Если понадобится, высоту щелевого тоннеля h можно изменить, одновременно скорректировав и Wmin, Wmax так, чтобы значения площади поперечного сечения (h.Wmin, h.Wmax) остались неизменными.

Перевод с итальянского Журковой Е., по материалам cxem.net