Поиск по сайту
Рубрики
Статистика
Rambler's Top100


Типы акустического оформления

Как говорилось ранее, для предотвращения АКЗ используют разные типы акустического оформления НЧ-излучателей. Наиболее простое -закрытый ящик (ЗЯ, closed box). В таком случае ящик просто от передней для предотвращения АКЗ. Воздух, содержащийся в ящике, обладает определенной упругостью, которая добавляется к упругости подвеса динамика, увеличивая его добротность и резонансную частоту.

Для определения оптимального объема ящика целесообразно использовать специальные программы моделирования, упрощающие процесс разработки акустических систем. В рамках этой книги рассматривается одна из самых распространенных программ — JBL SpeakerShop. Подробное описание ее работы и пример расчета акустической системы будут приведены позже.

Оформление типа ЗЯ является наиболее простым в расчете, так как мы оперируем только одним параметром — объемом ящика. К тому же этот тип акустического оформления менее критичен к отклонениям параметров динамика от номинальных. Другими словами, вероятность неудачного исхода при расчете минимальна.

Типичные характеристики колонки, выполненной в виде ЗЯ, показаны на рис. 1.13. Они построены на примере динамика Kenwood KFC-HQW300 в ящике объемом 20 л. Многие танцевальные школы используют ЗЯ.

Как видно из графика АЧХ, частота среза на уровне -3 дБ составляет 60 Гц, то есть начиная именно с этой частоты колонка уверенно воспроизводит звук. Фазовый сдвиг во всем диапазоне частот составляет 180°, но в рабочем диапазоне (60-2000 Гц) — только 100°. Время групповой задержки — 4 мс. По графику импеданса можно качественно судить об амплитуде колебания диффузора. Чем импеданс выше, тем больше амплитуда.

Несколько слов о том, как анализировать эти графики. АЧХ — главный по значимости график, который показывает интенсивность звука в зависимости от частоты подаваемого сигнала. При проектировании АС нужно стремиться расширять АЧХ в область.низких и высоких частот и добиваться ее равномерности. В идеальном случае АЧХ должна представлять ровную горизонтальную линию.

ФЧХ показывает, насколько отличается фаза колебания диффузора (как и возбуждаемой им волны) от фазы подаваемого на динамик сиг-
нала. В области ВЧ и СЧ фазовый сдвиг влияет на восприятие сцены. Чем меньше фазовый сдвиг у отдельного излучателя и между излучателями двух колонок, тем естественнее будет восприниматься звучание. В идеальном случае ФЧХ, как и АЧХ, должна представлять ровную горизонтальную линию.

К сожалению, инструменты, позволяющие адекватно оценить фазовые характеристики, найти не просто, а изготовить самому — и вовсе практически невозможно, поэтому в радиолюбительской практике используются альтернативные методы определения фазы, о которых будет написано ниже.

Время групповой задержки показывает, насколько снятый с колонки звуковой сигнал отстает во времени от поданного на нее электрического сигнала. Хотя считается, что задержка не воспринимается на слух, все же большое время запаздывания влияет на динамичность звучания, делая звук размытым и вялым.

Характеристика импеданса используется при настройке АС после ее сборки. Пик на данной характеристике вызван резонансом колебательной системы, образованной динамической головкой и ящиком. Начиная с некоторой-частоты, при ее увеличении растет и импеданс динамика. Это связано с тем, что звуковая катушка обладает определенной индуктивностью. Поэтому с ростом частоты электрическое сопротивление катушки также увеличивается.

Объем ящика необходимо подбирать к параметрам динамической головки для обеспечения оптимального режима ее работы. Как правило, оптимальный режим выбирается исходя из равномерности и ширины АЧХ. Когда динамик работает в оптимальном режиме, говорят, что он согласован с акустическим оформлением. На рис. 1.14 показаны типичные кривые акустической системы при согласованном и несогласованном режиме работы.

Как видите, при увеличении объема ящика АЧХ начинает спадать раньше, чем в оптимальном объеме, кроме того, увеличивается время групповой задержки. Можно также видеть, что импеданс при резонансе увеличивается, что свидетельствует об увеличении амплитуды колебания диффузора. Так и должно быть, ведь компрессия воздуха внутри ящика уменьшается. Подобный режим работы динамика называется разгруженным. Он характерен небольшим подъемом АЧХ ниже частоты резонанса, но спадом на частотах выше резонансной. Вреда от этого больше, чем пользы. Во-первых, хоть подъем и есть, но он ощутим там, где уровень громкости составляет -12 дБ, на общем фоне разница незаметна, однако повышается вероятность повреждения подвеса диффузора или катушки из-за большого перемещения подвижной системы. Во-вторых, при больших перемещениях диффузора увеличиваются гармонические и интермодуляционные искажения. Естественно, качество звука при этом ухудшается.
При уменьшении объема ящика АЧХ сужается и приобретает нелинейность («горб»). Если увеличение объема ящика кардинальных изменений в звуке не вызывает, то уменьшение существенно его портит. При таком виде несогласования звук колонки напоминает звук «из бочки».

Многие производители акустических систем в погоне за прибылью стремятся сделать колонки маленькими и мощными, корректируя АЧХ всевозможными фильтрами, но, как говорится, природу не обманешь, и платой за маленький объем часто является низкое качество звучания или преждевременный выход динамика из строя. Наиболее частая поломка в этом случае — перегорание звуковой катушки.

Что касается оптимального режима работы, то и он далек от идеала: как минимум половина мощности, которую излучает диффузор, рассеивается внутри ящика, то есть КПД колонки падает примерно вдвое. Если учесть, что КПД динамика и так составляет примерно 1%, становится совсем грустно. Такого недостатка лишены фазоинверсные типы акустического оформления (рис. 1.15).

Колонки фазоинверсного типа (ФИ) отличаются от ЗЯ наличием отверстия — фазоинвертора (многие называют его вентиляционным отверстием и даже выхлопом, что, конечно же, неправильно). В зарубежной литературе фазоинвертор может называться «vent» или «bass reflex», а тип акустического оформления — «vented box». Задача фазоинвертора — изменить фазу колебания волны, возбуждаемой тыльной стороной диффузора, на 180° и вывести ее наружу. Казалось бы, нарушая герметичность ящика, мы провоцируем АКЗ. Однако это не совсем так. Физику работы ФИ обычно поясняют, используя модель «груз-пружина». Хотя эта модель не совсем точна, зато весьма наглядна. Представьте себе груз, висящий на пружине, или детскую игрушку «йо-йо» (рис. 1.16), ;

Если пружину начать медленно поднимать и опускать, груз будет следовать за пружиной, не растягивая и не сжимая ее (рис. 1.16, а). При увеличении частоты колебания (но сохранении амплитуды) начинают проявляться инерционные свойства груза. При определенной частоте наблюдается интересная картина — амплитуда колебания груза оказывается максимальной, однако он колеблется в противофазе с воздействующей
силой (рис. 1.1 б, б)! То есть когда торец пружины перемещается вверх, груз движется вниз, и наоборот. Это легко проверить в домашних условиях — достаточно лишь найти эластичную резинку длиной около метра и пару тяжелых гаек. При дальнейшем увеличении частоты амплитуда перемещения груза падает вплоть до полной (визуально) остановки (рис. 1.16, в).

Аналогично работает и акустическая колонка: в качестве воздействующей силы выступает энергия волны, возбуждаемой тыльной стороной диффузора, в качестве пружины — упругость воздуха внутри ящика, а в качестве груза — инерция воздуха в фазоинверторе.

Интересно отметить, что во время резонанса амплитуда колебания диффузора оказывается минимальной, а не максимальной, как обычно. Суть данного явления понять просто: если диффузор движется вперед, создавая разрежение внутри ящика, то воздух в ФИ также должен двигаться вперед, провоцируя еще большее разрежение. И действительно, на частотах, близких к резонансным, большая часть энергии излучается именно фазоинвертором, а не диффузором динамика! Работа колонки в этом случае схожа с работой механического редуктора — небольшое перемещение диффузора с большой силой преобразуется в большое перемещение воздуха в ФИ с меньшей силой.

Конструкция колебательной системы, состоящей из объемной камеры и трубки, называется резонатором Гельмгольца и используется не только в акустических колонках. К примеру, глушители для ДВС (двигателя внутреннего сгорания) работают по схожему принципу.

Если перенести модель резонатора Гельмгольца на колонку, на частотах ниже резонансной динамик разгрузится, а при совсем низкой частоте наступит АКЗ, так как порт уже не будет работать как ФИ, а фактически превратится в прореху в ящике. На частотах выше резонансной
ФИ, что называется, запрется, и работа динамика станет аналогичной работе в ЗЯ (рис. 1.17).

Как же наличие фазоинвертора сказывается на работе динамика? Смоделируем работу динамика Kenwood KFC-HQW300 в ящике объемом 35 л.

Как видите, АЧХ стала шире почти на октаву, зато спад в области низких частот оказался круче, чем в оформлении ЗЯ. Фазовый сдвиг во всем диапазоне частот составляет уже 360°, но в рабочем диапазоне (40-2000 Гц) только 140°, что не намного хуже, чем в оформлении ЗЯ. Максимальное время групповой задержки составило 17 мс, что в четыре раза больше, чем в ЗЯ. К сожалению, и это не предел: при различных неоптимальных режимах работы время может достигать 50 мс. Характеристика импеданса имеет два пика («двугорбая»), между которыми находится минимум импеданса, показывающий резонансную частоту ФИ. Однако значение импеданса в них ниже, чем в оформлении ЗЯ, а значит, и амплитуда колебания диффузора меньше, несмотря на то что АХЧ в этом случае шире.

Расчет колонки с ФИ сложнее, чем ЗЯ, так как мы оперируем уже двумя параметрами — объемом ящика и частотой резонанса ФИ. Как и в случае с ЗЯ, оптимальный режим выбирается исходя из ширины и равномерности АЧХ, однако объем ящика может быть в несколько раз больше, чем в ЗЯ, при этом разгрузка динамика не наступит.

Стратегия моделирования акустического оформления состоит в следующем. Сначала вы определяете, какой объем ящика, сточки зрения программы, является оптимальным (конечно, это не совсем корректный термин, ведь оптимальные параметры вычисляются по математическим формулам для обеспечения наиболее оптимального режима работы динамика). После этого увеличиваете объем ящика примерно на 10% и, подбирая значение резонансной частоты, добиваетесь ровной АЧХ. Затем повторяете процедуру. Необходимо найти максимальный и минимальный объем ящика, при котором сохраняется согласование динамической головки и акустического оформления. Именно в этом диапазоне нужно выбирать объем ящика.

Устанавливать максимальный объем обычно предпочтительнее, чем минимальный, так как, во-первых, при этом расширяется диапазон воспроизводимых частот, а во-вторых, уменьшается длина фазоинвертора, что удобно с конструктивной точки зрения. Однако с увеличением объема ящика увеличивается и время групповой задержки, а значит, динамичность и упругость баса хуже.

Что же будет происходить, если динамик станет работать в неоптимальном режиме? На рис. 1.18 представлены графики для трех случаев: при оптимальном режиме, когда частота настройки ФИ выше оптимальной и ниже.

При настройке ФИ на частоту выше оптимальной возникает нелинейность АЧХ и ее сужение. Такой ярко выраженный резонансный пик приводит к искажению звука в виде «эффекта бочки». Слишком низкая частота настройки также приводит к нелинейности АЧХ. Кроме того, время групповой задержки в этом случае может быть очень большим, что сделает бас размазанным.

По поводу условий работы динамика в зоне оптимальных режимов можно сказать, что они достаточно комфортны: на частотах, близких к резонансной частоте ФИ, ход диффузора минимален; на частотах выше резонансной ФИ динамик не разгружается. Такие условия работы не только повышают КПД колонки, но и позволяют подводить довольно большую мощность. Что касается разгрузки динамика на нижних частотах, этот недостаток легко исправляется введением в усилитель фильтра, обрезающего инфранизкие частоты (subsonic filter — «сабсоник»). Без применения такого фильтра при большой подводимой мощности возможно повреждение подвеса или звуковой катушки динамика.

Заметим, что от диаметра фазоинвертора зависит качество работы акустической колонки. В первую очередь это связано с тем, что скорость движения воздуха в ФИ значительно выше скорости движения диффузора. При скорости выше 30 м/с в трубе ФИ могут возникнуть турбулентные явления, которые не только снижают КПД резонатора, но и вносят в звук посторонние призвуки: субгармоники, рычание и даже свист. Чтобы уменьшить вероятность возникновения турбулентности, необходимо плавно увеличивать площадь сечения трубы ФИ на его торцах, то есть снабдить их раструбами.

Вот признаки, по которым можно определить, что скорость движения воздуха в ФИ выше нормы:

  • ощущается «ветер» на расстоянии, большем 0,5 м от ФИ;
  • мелкие частицы (кусочки бумаги), помещенные около ФИ, влетают в него, описывая спиральную траекторию;
  • на частоте около 15 Гц из ФИ доносятся посторонние звуки (рычание, свист).

При выполнении первых двух тестов целесообразно подавать на колонку синусоидальный сигнал на частоте резонанса ФИ и мощности, близкой к максимальной.

Чтобы максимально исключить вероятность возникновения турбулентности, выведены минимальные рекомендованные диаметры ФИ в зависимости от диаметра диффузора.

Разновидность фазоинверсных АС — колонка с пассивным излучателем (passive radiator), который представляет собой динамическую головку без магнитной системы. Задача пассивного излучателя аналогична задаче фазоинвертора. Преимущество пассивного излучателя перед ФИ заключается в том, что на низких частотах динамик не разгружается, однако АЧХ имеет еще более сильный завал в области НЧ, чем колонка с фазоинвертором. Так как этот тип АС встречается крайне редко, мы не будем подробно останавливаться на нем.

Наибольшим КПД обладают полосовые излучатели (band-pass — «банд-пасс»). Из-за особенностей конструкции и узкого частотного диапазона такой тип акустического оформления в основном используется для сабвуферов. Полосовой излучатель представляет собой короб, разделенный внутренней перегородкой, на которой закрепляется динамическая головка. Таким образом образуются две резонаторные камеры (рис. 1.19) вместо одной.

Тот факт, что банд-пасс состоит из двух резонаторных камер, увеличивает КПД излучателя по сравнению с ЗЯ до четырех раз! Но, несмотря на это, расчет такого излучателя и его настройка представляют определенную трудность, так как мы должны оперировать тремя или даже четырьмя параметрами, в зависимости от типа банд-пасса. Кроме того, нет модели оптимального режима работы для динамика в таком акустическом оформлении, поэтому программа моделирования не подскажет наиболее подходящих значений параметров резонаторных камер.

Комментарии запрещены.

Реклама