Любители хорошего акустического звучания знают, что его качество в первую очередь зависит от передачи низкочастотной составляющей звука. Использование фазоинвертора способно существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подводимой мощности. Но всё это возможно лишь при правильном расчёте размеров фазоинверторного (ФИ) отверстия, выравнивающего гармонические колебания и обеспечивающего качественный звук.

Виды акустических систем

Звук - это колебание, имеющее механическую природу возникновения, распространяющееся под давлением вызванным источником излучения. Акустическая система, представляющая собой звуковую колонку, преобразует электрические сигналы в механические, воспринимаемые слухом человека. Частота этих колебаний лежит в границах от 20 гц до 20 КГц. Существуют различные виды акустических систем:

Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон, но и повысить коэффициент полезного действия. При этом частотный диапазон не изменится. Отверстие фазоинвертора выполняется разного вида и размеров. Размещаться оно может на любой поверхности колонки. При разработке акустической системы наиболее важно выполнить правильно расчёт размера фазоинверторного короба, от чего зависит не только диапазон воспроизводимой частоты, но и качество всего звука в целом.

Принцип работы устройства

Любая колонка фазоинверторного типа имеет в своём составе отверстие - фазоинвертор. Часто он называется акустическим туннелем или портом. Принцип работы его заключается в изменении фазы звукового колебания, вызванного задней стороной диффузора на сто восемьдесят градусов. При возникновении резонанса в ящике амплитуда колебания диффузора достигает минимального значения.

Связано это с тем, что при движении вперёд динамик создаёт разрежение в середине закрытой колонки, тем самым вытесняя воздух в фазоинверторный канал и увеличивая разряжение. Поэтому на частоте резонанса механические волны излучаются через отверстие, а не диффузором динамика.

От размера и вида фазоинверторного порта зависят объём воздуха и частота резонанса, на которую настроен канал. Объём воздуха в канале начинает резонировать и усиливать воспроизведение частоты при наступлении момента, когда диффузор излучает частоту, на которую рассчитан фазоинвертор.

По своей форме классический туннель выполняется кольцевой формы. Но для увеличения полезной внутренней площади ему часто придают щелевой вид. Отказ от цилиндрической формы тоннеля позволяет сократить его длину и снизить шумы, возникающие при выбросе воздуха.

При ошибках в расчёте щелевого фазоинвертора настроить его гораздо сложнее, чем классический вид, так как он изготавливается совместно с колонкой. Сам расчёт выполняется сложнее, чем для систем закрытого типа: при этом, кроме объёма ящика, учитывается настраиваемая частота резонанса. Оптимальные размеры подбираются с учётом амплитудно-частотной характеристики колонки, а именно её равномерности.

Расчёт низкочастотного туннеля

Существует несколько способов для проведения вычислений размеров ФИ. Наиболее популярным является расчёт фазоинвертора онлайн или с использованием специализированных программ. Такие способы обычно требуют знаний множества параметров используемых динамиков. Существуют варианты и проще, но с большим расхождением конечного результата с реальным значением. Хотя в любом случае после расчёта и изготовления приходится проводить настройку.

Простая формула для вычисления

Метод вычисления заключается в использовании несложных формул и происходит методом подбора данных, когда за основу используется желаемая длина ФИ канала.

F = (C/2 π) * K, где:

При этом коэффициент K равен квадратному корню отношения S/LV, где:

S - площадь отверстия;
L - длина канала;
V - объем колонки.

В качестве единиц измерения везде используются метры, а для частоты - герцы. При определении значений объёма считается, что лучше выбрать узкий фазоинвертор, но такой подход неверен, ведь при этом в нём возрастает скорость движения воздуха, а это вносит искажения в звучание. Проектирование широкого и длинного ФИ также лишено смысла, ведь длина фазоинвертора не должна превышать длину волны в момент наступления резонанса. Выполнение этого правила помогает избавиться от стоячих волн.

Использование специализированных программ

Вырезанная из ватмана полоска, ширина которой совпадает с длиной трубки, в несколько витков наматывается на поверхность газетной бумаги. При этом перед каждым витком наносится эпоксидный клей. Его получают путём смешивания смолы и отвердителя согласно инструкции. После того как выполнены все витки, изделие обтягивается по кругу нитью для придания жёсткости и ставится на просушку.

Через сутки основание извлекается. В случае возникновения трудностей его можно поломать изнутри и достать частями. Изготовленный канал такого вида имеет хорошую прочность и легко подвергается дополнительной обработке. Далее полученная трубка устанавливается в отверстие колонки, но не до конца и начинается прослушивание звука. В заводских условиях используется специальный прибор. Такое устройство работает на основе мультивибратора, который настраивается на резонансную частоту динамической головки. После подключения динамика запускается генератор и длина трубы регулируется по максимуму колебанию в ней воздуха.

Аналогично можно провести настройку и самостоятельно. Для этого на вход подаётся сигнал низкой частоты. Трубка выдвигается вперёд или погружается внутрь ящика, а после оценивается объём выходящего воздуха. Установив положение максимального его выхода, излишки трубы удаляют снаружи, а сам порт герметизируют. При желании для придания конструкции оконченного вида выполняется раскрыв трубы, но можно обойтись и без этого.

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

Акустическая система по-прежнему остается самым консервативным звеном в цепи звуковоспроизведения. В подавляющем большинстве моделей в качестве электроакустических преобразователей используются электродинамические головки. В них диффузор приводится в движение за счет взаимодействия тока, протекающего по звуковой катушке, с полем магнитной системы.

Звуковая волна, которую мы в результате и слышим, возникает благодаря колебанию конуса диффузора.

Для правильного воспроизведения требуется, чтобы для всех слышимых частот звуковое давление было одинаково. Однако если взглянуть на частотную характеристику громкоговорителя, свободно подвешенного в пространстве, то обнаружится, что при понижении частоты сигнала, начиная с некоторого ее значения, уровень давления будет плавно падать.

Принципиальная проблема всех громкоговорителей заключается в том, что они излучают звук как вперед, так и назад с одинаковой интенсивностью. Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью, и поскольку сами излучатели относительно малы по сравнению с длиной волны на низких частотах, излучение спереди и сзади от диффузора взаимно компенсирует друг друга. Этот эффект называется акустическим коротким замыканием.

На высоких частотах длина волны мала, и волна не успевает обогнуть головку за один период колебания, и излучаемая энергия увеличивается. Граничная частота, ниже которой эффективность головки падает, зависит от размеров диффузора и определяется конечным значением скорости звука в воздухе. Например, для головки диаметром 20 см спад начинается ниже одного 1 кГц. С уменьшением диаметра частота повышается.

Чтобы исключить акустическое замыкание, динамической головке создают акустическое оформление, то есть помещают в корпус. Самое простое оформление открытое, когда задняя стенка у прямоугольного корпуса просто отсутствует или представляет собой перфорированную панель.

У автономных акустических систем для высококачественного воспроизведения такое оформление не встречается, но у большинства телевизоров, переносных магнитол и радиоприемников акустическое оформление - открытое.

Основное достоинство такого оформления в том, что оно не повышает резонансной частоты головки, ниже которого головка просто не работает.

А самый серьезный недостаток - относительно большие размеры, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Характеристика акустики в области низких частот должна быть максимально гладкой, чтобы при воспроизведении импульсов, а музыка - это практически одни импульсы, не появлялось дополнительных призвуков и послезвучания.

Если произвести расчет объема акустической системы, то для современных головок он будет чрезмерно большим - порядка 150 литров, что абсолютно неприемлемо для современной квартиры по эстетическим соображениям.

Поскольку при колебании диффузора задняя сторона излучает половину акустической мощности, а в закрытой акустике эта мощность пропадает, интересно попытаться ее использовать. Для этого нужно найти способ изменить фазу звуковой волны от задней стороны на противоположную, и тогда при достижении плоскости передней панели произойдет акустическое сложение, а не вычитание. Решение было предложено очень давно (еще в 1937 году) и получило название акустического оформления с фазоинвертором.

Однако монополию открытых систем нарушило сначала закрытое акустическое оформление, когда головка помещалась в закрытый корпус.

Пионером такой конструкции принято считать Acoustic Research, выпустившую в 50-х годах прошлого века первую закрытую акустическую систему AR1. А ее двухполосная система AR2a (появилась в 1957 году) считается родоначальницей всей полочной акустики.

Современный громкоговоритель - крайне неэффективное электродинамическое устройство. Он преобразует в зависимости от конструкции в акустическую мощность только от 0,25 до 2,5% подводимой электрической мощности.

Остальная мощность выделяется в виде тепла.
Для закрытых систем крутизна спада ниже частоты резонанса составляет 12 дБ на октаву. Такой спад можно частично компенсировать расположением акустической системы в помещении относительно стен.

Кроме того, регуляторы тембра, выполненные по классической схеме, имеют характеристику с таким же наклоном и также позволяют компенсировать спад АЧХ в области НЧ.

Однако подъем более чем на 6 дБ невозможен, поскольку при дальнейшем увеличении вступает в силу фактор максимальной подводимой мощности, превышение которой может вызвать механическое разрушение головки из-за перегрева звуковой катушки. Поэтому максимальная подводимая мощность оказывается одним из главных параметров, определяющих низкочастотную границу воспроизводимых акустической системой частот.

Простейший конструктивный вариант фазоинвертора - это отверстие (порт). Однако на практике такое решение используется редко. Поскольку параметры воздуха зависят от атмосферных условий (температуры и влажности), то порт можно закрыть пассивным радиатором. Но значительно чаще фазоинвертор выполняется в виде трубы. В этом случае, кроме головки и воздуха в корпусе, добавляется еще и объем воздуха в трубе.

Другой способ заставить работать звуковой фронт, излучаемый задней стороной диффузора, - это лабиринт, изогнутый вариант длинной линии. Но такая конструкция получается очень сложной, особенно если учесть, что общая длина лабиринта получается более двух метров, а значит, дорогой.

Порт фазоинвертора может располагаться как на передней стенке корпуса (что более правильно), так и на задней. Для напольных моделей встречается и донный вариант, когда порт работает в пол. Понятно, что полочную акустику с портом на задней стенке нельзя устанавливать на полку (отверстие фазоинвертора будет закрыто, и он не будет работать), а только на подставки. При этом теряется вся прелесть ее компактности.

Несмотря на широкое распространение акустического оформления с фазоинвертором (если посмотреть наши тесты за последние два года, то едва ли не единственной акустической системой с закрытым оформлением окажется полочная Yamaha NS-6940), оно имеет ряд недостатков.

Основная проблема оформления с фазоинвертором - это увеличение коэффициента нелинейных искажений на низких частотах по сравнению с закрытыми системами. Поскольку все результаты измерений акустических систем опубликованы в журнале, то можно легко оценить уровень КНИ в области работы фазоинвертора.

Современные акустические системы строятся исходя не из законов физики, а в угоду требованиям моды интерьерного дизайна. Для качественного (в первую очередь без искажений) воспроизведения низких частот нужна головка с большим диффузором, размещенная в ящике большого объема.

Снижение граничной частоты акустической системы на треть октавы в области 50 Гц потребует удвоения объема корпуса. Это, собственно, и имеет место в столь многочисленных ныне сабвуферах. Последний пример - новый сабвуфер фирмы Cabasse.

Еще одна особенность фазоинвертора - акустический шум. Причина в возникновении завихрений на выходе из порта. Существенно снизить шум путем выравнивания потока на выходе можно, изменив форму раскрыва трубы фазоинвертора. Специальные меры для создания нешумящих портов применяют многие изготовители акустики, среди которых B&W, JBL, Infinity, Polk и другие.

Можно высказать еще одно предположение, почему получили распространение малогабаритные АС с фазоинвертором.

Поскольку большинство из них воспроизводит не музыкальные звуки, а низкочастотные эффекты, без которых немыслим домашний кинотеатр, то их специфический окрас (за счет относительно больших искажений в НЧ-области) придает их звучанию неестественную сочность и гипертрофированную живость. Это то и делает их более привлекательными если не в глазах (или, точнее, ушах) покупателей, то в умах маркетологов фирм-призводителей и продавцов.

Один из наиболее эффективных способов, который необходимо использовать для богатого и качественного баса – это добавление к уже существующей акустической системе сабвуфера. Именно сабвуфер и добавление фазоинвертора для сабвуфера позволяют значительно расширить и сделать богаче низкие частоты. В конечном итоге, это поможет не просто улучшить качество звучания звука, но и делать это вне зависимости от выбранной для прослушивания музыки.

На данный момент существует два варианта басов – гулкий бас и бас плотный. Выбирать устройство фазоинвертора для сабвуфера необходимо на основании предпочтений в музыке. На протяжении долгого времени на большом количестве форумов и Интернет-ресурсов обсуждались вопросы: что лучше использовать фазоинвертор для сабвуфера или закрытый корпус?

Одни уверены в том, что вентилируемые сабвуферы, или фазоинверторы необходимы только для того, чтобы улучшать звуковые эффекты, поэтому для музыки они годятся. Другие же уверены в том, что закрытые боксы отличаются большей музыкальностью, хотя им не хватает басов и глубины.

Оба вида сабвуферов – фазоинвертор и закрытый корпус, отличаются своими достоинствами и недостатками. Поэтому необходимо сделать выбор на основании плюсов и личных предпочтений в музыкальных жанрах.

Определение и особенности

Фазоинвертор – это тип акустической системы и ее оформление, которое объединяет в себе такие качества:

Высокое качество звука при воспроизведении.
Внушительная громкость.
Простота в эксплуатации и настройке фазоинвертора вне зависимости от модели и места расположения.
Небольшие размеры.

Принцип работы фазоинвертора

Фазоинвертор, как корпус с некоторыми отверстиями, позволяет воспроизводить действительно гулкие и громкие басы с хорошими, высокими энергическими показателями реверберации, чего не скажешь о закрытых боксах. Достигается такое высокое качество басов за счет негерметичного корпуса, а также отсутствия каких-либо средств дополнительной обработки звука.

Также в фазоинверторе отсутствует цифровой процессор, а это значит, что единственная особенность этой конструкции – это как раз использование негерметичного корпуса. В большинстве случаев негерметичность достигается тем, что в корпусе делается небольшое отверстие. В этом заключается главное отличие фазоинвертора от закрытых корпусов аудиосистем для транспортного средства.

Пускай у фазоинвертора очень простой и даже немного примитивный дизайн и внешний вид, однако эта простота никак не отображается и не связана с простотой настройки аппарата. Другими словами, в некоторых случаях бывает достаточно сложно правильно настроить фазоинвертор на сабвуфер для того, чтобы получить качественный, сбалансированный и красивый звук при проигрывании музыкальных композиций на выходе.

Главная хитрость фазоинвертора для сабвуфера и его настройки заключается в правильно выбранных габаритах корпусов, а также в правильном подборе отверстий в акустической системе для машины.

Вентиляционные отверстия, на основании использования которых и строится вся работа фазоинвертора, занимаются перенаправлением звуков из задней области конуса, одновременно с этим добавляя к этим звукам тот звук, который исходит от передней части конуса. На основании сочетания этих двух источников звучания при воспроизведении и получается сильно увеличить басы и их громкость.

Основные преимущества и недостатки фазоинверторов

К основным преимуществам фазоинверторов для сабвуферов в транспортных средствах можно отнести следующие:

Уменьшение уровня и показателей вибрации и искажений диффузора.
Более качественный, четкий и приятный для человеческого восприятия звук. Правда, относится это не к каждому жанру и типу композиций, а к определенным разновидностям музыки. Из-за воздушных потоков, поступающих прямо в отверстие вентиляции, звук будет напоминать небольшой, едва слышимый свист. Этот свист очень похож на тот, который получается, когда человек дует на горлышко пустой бутылки.

К основным преимуществам фазоинверторов для сабвуферов в автомобилях можно отнести следующие:

Звуки при воспроизведении композиции, которые получаются при помощи вентиляционных каналов, могут стать причиной причинения вреда, а не пользы, но это относится не ко всем видам музыки, а только к некоторым из них. Как было отмечено выше, фазоинверторы – это тот комплекс в общей акустической системе транспортного средства, который не сможет подойти под абсолютно любую музыку.
Фазоинвертор — это достаточно чувствительный вид корпуса, а в особенности его чувствительность распространяется на изменения в климате. Больше всего работа фазоинвертора зависит от таких климатических показателей, как температурные показатели, а также уровень и процент влажности.
Фазоинвертор и тип корпуса, как ни странно, способствует физическому переутомлению человека.
Из-за постоянного высокого давления внутри корпуса фазоинвертора система должна быть очень прочной. Все это говорит о том, что ее сложнее делать и продавать, а себестоимость входит в итоговый ценник.

Что можно сказать о фазоинверторе?

Фазоинвертор в сабвуфере отличается расплывчатым басом, что понравится далеко не всем. С другой же стороны, если нужно, чтобы басы уходили «в землю», именно такая система акустики подойдет просто идеально.

Ну как, нашли подсказку, на которую я намекал в прошлом выпуске? Там было насчёт «баса народа»…

На службе народу

Ладно, раз не нашли, сейчас помогу. Весной 2006 года мы с вами общими усилиями (один я бы не справился) пришли к очень благоприятному для себя заключению: при правильном выборе динамика и верном расчёте объёма закрытый ящик может обеспечить в салоне автомобиля абсолютно, незыблемо ровную АЧХ. Ровную и простирающуюся в область низких частот настолько, насколько немыслимо этого достичь в домашнем аудио, ни за какие деньги. Всё, что для этого надо сделать - устроить так, чтобы АЧХ сабвуфера в открытом пространстве начала спадать примерно (или точно) там же, где начинается подъём на волшебной кривой передаточной функции салона. Двигая этой частотой вверх или вниз по оси частот, мы можем получить некоторый подъём на АЧХ или, наоборот, пострадать от некоторого спада по отношению к средним частотам, но в одном можно быть уверенным: уровень звукового давления, создаваемый в салоне машины сабвуфером в закрытом ящике ниже 50 - 60 Гц, не начнёт падать до самых низких, инфразвуковых частот, да и там это произойдёт не из-за него, а из-за нежёсткости и негерметичности кузова. Это было весной, и это, можно считать, были хорошие новости.

Зимой, а точнее - в прошлом номере, мы с той же неумолимостью пришли к выводу: сабвуфер-фазоинвертор ни при каких реально возможных обстоятельствах такой благодати во всей полосе низких частот обеспечить не может. Фазоинвертор придумали чёрт знает когда нарочно для расширения полосы воспроизводимых частот вниз, а у нас, в машине, это не актуально в силу той же самой передаточной функции. Это вроде бы новость плохая.

Однако тут же на реальном примере мы убедились: полосу частот в машине фазоинвертор не расширит, зато способен существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подведенной к сабвуферу мощности. Опять хорошая новость. Итого: две хорошие на одну плохую, счёт в нашу пользу. Но как же всё-таки быть с врождённой неравномерностью АЧХ фазоинвертора? Вот про это и была подсказка, которую вы не нашли.

Чтобы не искать: вот результаты обобщения десятков реально построенных и успешно работающих аудиосистем. Верхний график - чего хотят чемпионы, нижний - что предпочитает просто любитель музыки в автомобиле. Во избежание недоразумений подчеркнём: во всех случаях речь идёт о серьёзных, порой очень недешёвых системах

Кто далёк от народа?

Тогда же, погожей весной 2006 года, мы прошерстили данные рубрики «Системы» на предмет выяснения: какую басовую АЧХ желает иметь народ в своём автомобиле, потратившись на установку руками профессионалов. И выяснили: есть два довольно непохожих типа баса. Один можно наблюдать (вернее - слышать) в машинах, получивших самые высокие оценки на соревнованиях самого высокого уровня. Вот именно так: самые и на самых. В таких машинах басовая частотная характеристика очень напоминает АЧХ дорогой (или очень дорогой) домашней акустики. Обобщённо: ровный, с минимальными отклонениями от горизонтали «стол» до самого низа. Если же взять статистику по обычным, для повседневного использования, автомобилям, там кривая будет существенно другая: с довольно явственно прорисованным подъёмом на басах, максимум которого приходится на 40 Гц.

Почему чемпионы оказались дальше от народа, чем мы ожидали? Да нет, они - из наших, просто на соревнованиях машину слушают на месте и, кроме специальных случаев, при заглушенном двигателе. Это, по существу, воспроизведение домашних условий в салоне, отсюда и уже отмеченное сходство. Но стоит запустить двигатель и куда-нибудь отправиться (а, говорят, автомобиль для этого и предназначен), требования к басам резко меняются, уровень низкочастотного шума в салоне даже дорогого автомобиля неожиданно высок, но воспринимается ухом совсем не так, как шумы на средних частотах. Кажется, что в машине тихо, но почему-то басовые звуки музыкального сопровождения поездки как будто затихают - так наш слух адаптируется к постоянно действующей низкочастотной помехе. Басы надо поднимать, и в этом случае не так страшно, если подняты они окажутся не все сразу, а только до какой-то частоты, в реальных фонограммах содержание информации ниже 30 Гц крайне невелико.

Отсюда и столь любимая в народе форма басовой АЧХ. Отсюда же - крайняя полезность для автомобильной акустики замечательного изобретения, сделанного в первой трети прошлого века.

Упрощённые до прямолинейности графики происходящего в салоне машины, когда туда помещают сабвуфер. Верхний вы уже видели: это - результат идеально аудиофильской настройки сабвуфера типа ЗЯ. Его АЧХ «на свободе» начинает спадать именно там и именно с таким наклоном, с каким её поднимает передаточная функция салона. Итог - неколебимая прямая и призовой кубок.

Смотрите, что пришло

Вновь повторим иллюстрацию к одному из прошлых выпусков: название серии это не только допускает, но и требует. Вот схема, лежащая в основе «рецепта чемпионов». Предельно упрощённая, но все упрощения мы оговорим. Если согласиться с тем, что на нижней граничной частоте АЧХ сабвуфера в закрытом ящике резко, изломом, начинает катиться вниз, а на этой же частоте передаточная функция заворачивает вверх, то результирующая характеристика будет по-чемпионски горизонтальной. Вы правы, природа не терпит изломов, реально кривые будут загибаться плавно, одна вниз, другая - вверх, но при выполнении некоторых условий (которые мы обсуждали) результат будет таким же: ровная АЧХ до неслышимых границ. Теперь с такими же условностями нарисуем, что произойдёт, если вместо закрытого ящика мы построим фазоинвертор. Для большей ясности давайте сначала его построим плохо и неправильно. Это значит: запомнив из материалов про «простые числа», сулящие небесные характеристики ЗЯ (№4/2006), что резонансная частота динамика в этом виде оформления должна выбираться близкой к частоте перегиба кривой передаточной функции, настроим на эту частоту и вновь сооружаемый ФИ. Это на практике означает настройку герц эдак на 60 - 70. Что произойдёт? А ничего хорошего, АЧХ фазоинвертора, как уже говорилось, ниже частоты настройки падает вдвое быстрее, чем у закрытого ящика, 24 дБ/окт. вместо 12. Передаточная функция салона про это ничего не знает и по-прежнему обеспечивает подъём АЧХ в присущем ей темпе: 12 дБ/окт. Результатом станет «дефицит бюджета», ниже частоты настройки результирующая АЧХ пойдёт вниз с наклоном 12 дБ/окт. Зачем надо было вертеть дыру в ящике, чтобы такое получить? И верно, незачем, но мы ведь нарочно начали с плохого фазоинвертора, чтобы лучше вышел хороший.

Второй график - пример неуместного переноса этого же подхода на фазоинвертор. Его собственная АЧХ спадает ниже частоты настройки с наклоном уже 24 дБ/окт., передаточная функция наполовину скомпенсирует только крутизну спада, но он начнётся с той же недопустимо высокой частоты.

Выбросим сделанное ранее (слава богу, мысленно) и построим другой ФИ, у которого частота настройки существенно ниже частоты перегиба передаточной функции. Теперь происходит следующее: начиная с некоторой частоты передаточная функция салона начинает поднимать звуковое давление внутри, ведь АЧХ сабвуфера в свободном пространстве пока горизонтальна. Когда же частота (мы идём сверху вниз, разумеется) достигнет частоты настройки, АЧХ самого сабвуфера пойдёт вниз с наклоном 24 дБ/окт., на 12 дБ/окт. её «выправит» передаточная функция, итог - падение отдачи ниже частоты настройки, как у закрытого ящика в комнате.

А теперь посмотрите, что происходит между этими двумя частотами: пока не началось падение АЧХ, фазоинвертор успел набрать изрядный запас звукового давления. То, что в нашей упрощённой схеме выглядит эдаким домиком, на самом деле реализуется в виде плавных кривых, в общем случае похожих именно на форму АЧХ «народного баса». Остаётся самая малость - реализовать это на практике, где прямых и ломаных нету…

Идеализация реальной настройки ФИ: его звёздный час приходится на диапазон между точкой перегиба кривой передаточной функции и частотой настройки. Чем шире разнесены эти две частоты, тем больше простора для басового «домика».

Основной принцип, вытекающий вовсе не из науки, а из самой приземлённой практики, вы уже можете вывести сами. Если большинство населения делает (или принимает сделанную для них) АЧХ сабвуфера в виде горба с центральной частотой около 40 Гц, то зачем нам идти против народа? Исходя из приведенной схемы, самым первым, даже нулевым приближением рецепта оптимального автомобильного (только автомобильного) фазоинвертора будет настройка его на частоту 40 плюс-минус 5 Гц. На передаточную функцию мы никак повлиять не можем, она определит, где начинается подъём АЧХ. А её спад, а следовательно, и максимум придутся по нашей модели на частоту настройки ФИ. И всё? Вновь «простые числа»? Увы, нет. Совсем простых чисел для фазоинвертора не придумано. Но кое-что упростить всё же можно.

Свобода в степени

Действительно, был ящик, стал ящик с тоннелем, почему нельзя и в этом случае обойтись простыми рецептами? Дело в числе переменных, определяющих характеристики фазоинвертора как колебательной системы. Если в случае закрытого ящика мы имели дело с системой с одной степенью свободы, то у ФИ этих степеней две. Численно разница невелика, но для того, чтобы представить, насколько сложнее при этом становятся повадки системы, воспользуемся такой иллюстрацией, вам предстоит либо представить себе не раз виденные предметы в определённом сочетании, либо, если нет иного занятия, взять и в самом деле построить несложную экспериментальную установку. Первая её часть - банальный маятник, да хоть груз на верёвке. Всё, что он умеет - качаться туда-сюда, движения его предсказуемы до неинтересности. У маятника степень свободы - одна, его состояние в любой момент времени исчерпывающим образом определяется углом отклонения от положения равновесия. Теперь замените верёвку резинкой. Степеней свободы, то есть не зависящих друг от друга координат, определяющих состояние такой, с позволения сказать, системы, стало две: угол качания и степень растяжения резинки. Отклоните теперь такой маятник в сторону, одновременно растянув резинку. Если вы правда не видели, что после этого начнётся, не пожалейте времени и галантереи и проведите опыт: вместо банального раскачивания груз будет выделывать в воздухе трудноописуемые и нелегко прогнозируемые кульбиты.

Примерно в той же мере поведение ФИ отличается от предсказуемого ЗЯ. У динамика по-прежнему три параметра, один из которых, эквивалентный объём, сейчас менее важен, потому что определяет масштабный фактор, а не процесс колебаний, а два других, резонансная частота и добротность, по-прежнему важны. Но у акустического оформления параметров стало вдвое больше: объём ящика и частота настройки тоннеля. В каком соотношении эти четыре величины должны находиться, чтобы мы не оказались разочарованы результатами? Серьёзные исследования работы фазоинвертора породили не одну диссертацию и множество классических научных статей, но у нас задача иная, поэтому попытаемся дать практические ориентиры, не вдаваясь в подробности, почему они именно таковы.

Ведь смотрите: считать ФИ всё равно предстоит с помощью компьютерной программы, причём с вероятностью 99% это будет BassBox или (что то же самое) JBL Speaker Shop, эти некогда коммерческие продукты сейчас расползлись по миру в таком количестве, что не найти очередную копию себе сможет только очень ленивый. Но печка, от которой танцевать, даже при наличии испытанного софта, всё же нужна.

Общее правило: чем просторнее корпус ФИ, тем выше (но тем и острее) будет горб акустического усиления

В достаточно просторных корпусах, которые, будь они закрытыми, приводили бы к низким значениям полной добротности динамика в оформлении, пик отдачи ложится на частоту настройки

В корпусах тесных, в том числе - оптимальных в роли ЗЯ для данного динамика, АЧХ имеет максимум выше частоты настройки, при совсем заниженном объёме характеристика приобретает двугорбую форму, а выгода от использования ФИ сходит на нет

Неспортивное ориентирование

Итак, ориентир первый, уже относительно понятный из сравнения практической, «целевой» формы АЧХ, полученной обобщением практики, и упрощённой картинки, иллюстрирующей происходящее в салоне. Если мы хотим, чтобы на АЧХ возник подъём с максимумом в районе 40 Гц, на этой частоте и должен начаться спад АЧХ сабвуфера в свободном пространстве (в комнате или на улице - всё равно, важно, что не в салоне). Эта частота в первом приближении - частота настройки тоннеля. Та же практика демонстрирует со всей очевидностью: во всех удачных аудиосистемах, где используется сабвуфер в фазоинверторном оформлении, частота настройки приходится на диапазон 30 - 40 Гц. В этом же коридоре находятся обычно значения частоты настройки фазоинверторов, рекомендуемых для своих сабвуферов изготовителями. За исключением особых случаев спортивного применения, мы сейчас не об этом. Глядя на условно-упрощённую диаграмму, вы можете сообразить, что при прочих равных чем ниже будет частота настройки ФИ, тем выше успеет забраться АЧХ в салоне, прежде чем начнёт падать с тем же наклоном. Это вы можете увидеть и по фактическим материалам: загляните в какой-либо из наших тестов корпусных сабвуферов и сравните частоту настройки тоннеля (для тех, у кого он есть) с положением максимума звукового давления, зафиксированного при измерениях в салоне.

Однако положение горба по частоте - одно, а высота его - другое. Как добиться желаемого плавного подъёма басов в разумно широкой полосе частот, чтобы АЧХ не стояла домиком, как одеяло у первогодка? Свои ориентиры есть и для этого. Общее правило: при прочих равных (мы всё время делаем эту оговорку, и понятно почему - из-за возросшего числа переменных) подъём АЧХ вблизи частоты настройки будет тем выше и острее, чем больше объём ящика ФИ. Как выбрать первое приближение объёма? Есть простой (наконец-то) рецепт, за которым, правда, стоят далеко не простые умозаключения классиков современной электроакустики. Возьмите такой объём, который, если бы он был закрытым ящиком, дал бы значение полной добротности головки в оформлении, равное примерно 0,55 - 0,6. Именно в силу этого оптимальный объём ФИ в подавляющем большинстве случаев больше, чем оптимальный ЗЯ для этого же динамика, ведь ЗЯ рассчитывается исходя из результирующей добротности 0,7, а то и выше.

При таком объёме (а здесь играет роль, разумеется, не столько абсолютное значение объёма, сколько его отношение к величине эквивалентного объёма динамика Vas) можно рассчитывать на корректную работу получившегося акустического оформления во-первых и на то, что максимум отдачи будет находиться вблизи частоты настройки - во вторых. Нужен более высокий, пусть и более «домиком», подъём АЧХ - увеличивайте объём. Нужен подъём ниже, но более плавный и в более широкой полосе частот - уменьшайте объём, только заранее будьте готовы к двум вещам: вместе со сглаживанием максимума он с уменьшением объёма будет стремиться переехать выше по частоте, и уже не будет строго соответствовать частоте настройки порта, а когда объём достигнет значения оптимального для этого динамика закрытого ящика, с очень большой вероятностью АЧХ приобретёт довольно неуклюжую седловидную форму, при этом акустическое усиление, тот самый горб, который мы пытаемся построить, в большинстве случаев сойдёт на нет.

Впрочем, прежде чем начать опыты с подбором (а по-другому не получается, с одного клика ФИ рассчитать не удавалось ещё никому) объёма и настройки, надо определиться с динамиком. Здесь нам будет необходимо, увы, разрушить одно заблуждение.

Вновь на арене EBP

Мы уже говорили об этой величине, сокращённое имя которой расшифровывается как Energy Bandwidth Product. Этой величиной, численно равной отношению частоты резонанса динамика к его полной добротности, мы уже пользовались при выборе динамика для ЗЯ. Но задолго до нас, уже который год ею призывают пользоваться для сортировки динамиков на предназначенные для закрытых ящиков и просящиеся в фазоинвертор. Принято считать, что, если эта величина меньше 50, динамик предназначен только для ЗЯ. Если больше 100 - только для ФИ, между этими двумя значениями простирается некая сумеречная зона, где может оказаться и так и эдак.

Опыт показывает относительную малую полезность этого показателя для подбора оформления автомобильных сабвуферов, хотя идея в принципе здравая. Малая EBP означает: резонансная частота низкая, добротность относительно высокая, что свидетельствует о тяжёлой подвижной системе, а по канону такой динамик, действительно, идёт в ЗЯ. Большое значение EBP говорит о лёгкой «подвижке», на таких головках, действительно, получаются отличные фазоинверторы, но… дома.

У нас, во-первых, огромное, подавляющее число сабвуферных головок имеют значение параметра EBP в диапазоне 50 - 80, что для пессимиста означает неопределённость, а для оптимиста - свободу выбора. Во-вторых, и это уже из практики, не получаются в машине хорошие ФИ на динамиках с канонически хорошими для этого показаниями. Фазоинвертор на динамике с малой добротностью (а так и оказывается, если EBP переваливает за сотню) в свободном пространстве покажет ровную АЧХ со своеобразным, возможно, поведением вблизи нижней граничной частоты, в машине это своеобразие сложится с передаточной функцией и породит, почти без исключений, довольно уродливую характеристику.

Вклад в относительное развенчание «энергетического продукта» внесли и наши испытатели, проведя исследование на реальных образцах сабвуферных головок. Результат был таков: при значении EBP около 50 (по канону - в ЗЯ, и без разговоров) есть шанс получить очень неплохое акустическое усиление в ФИ с сохранением пристойной формы АЧХ, при 90 (по канону уже просится в ФИ) выигрыш в отдаче падает ниже 3 дБ, зачем, спрашивается, париться? Так что для нашего брата получается всё почти наоборот: наиболее эффективные ФИ выходят на базе наиболее «ящичных» головок. Так уж у нас всё устроено…

Что дает фазоинвертор. Корпуса акустических систем: закрытые и фазоинверторные