Принцип работы фазоинвертора. Теория и практика фазоинвертора. Отредактированное. Что можно сказать о фазоинверторе

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.

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

Единственный эффективный способ для получения полного, богатого баса - это добавление сабвуфера к звуковой системе. Сабвуфер позволит значительно расширить воспроизведение низких частот в аудиосистеме и улучшит качество звука, независимо от того, какую музыку вы слушаете.

В основном, существуют два типа басов: плотный и гулкий. И в зависимости от предпочитаемой музыки уже стоит выбирать, какой тип сабвуфера подойдет для вас.

Долгое время на форумах обсуждался вопрос что лучше - фазоиверторный или закрытый корпус сабвуфера? Там нет недостатка мнений по этому поводу, но, к сожалению, есть много распространенных заблуждений. Одни считают, что вентилируемый сабвуфер, предназначен исключительно для звуковых эффектов и не годятся для музыки, другие говорят, что запечатанные боксы более музыкальны, но им, как правило, не хватает глубины баса.

И хотя присутствуют некоторые дебаты по этой теме, здесь есть и зерно истины. Оба вида сабвуферов имеют свои плюсы и минусы. Так что, перед приобретением саба, стоит тщательно продумать, какие результаты вы хотите получить.

Здесь мы постараемся разобраться, в чем различие между этим двумя видами.

Герметичный корпус: плюсы и минусы.

Что отличает закрытые корпуса от фазоинверторных, это их меньший размер. Закрытый ящик, как правило, более компактен, и как следствие, он подойдёт для установки во многих транспортных средствах. Если свободное пространство является проблемой, это будет неплохой вариант. Но размер не единственный фактор, который отличает закрытые корпуса от открытых, различие так же есть и в звуке. На самом деле, воздух внутри таких коробок действует как амортизатор дифузора сабвуфера. Он ограничивает движение низкочастотного динамика, что приводит к равномерному воспроизведению, соответственно на выходе получается более жесткий и точный бас.

Плюсы:

Как правило, закрытые боксы для сабвуфера меньше;

Качество звука и точность гораздо лучше;

Отличная переходная характеристика.

Минусы:

Что касается минусов, их довольно сложно найти. Единственным недостатком может являться эффективность. Позвольте мне остановиться на том, что происходит внутри запечатанного бокса;

В отличие от фазоинверторных коробок, воздух внутри закрытого пространства сильно ограничивает движение дифузора - задняя волна рассеивается внутри корпуса, что ослабляет звуковой сигнал на выходе. В такой ситуации потребуется более мощный усилитель с отдельным питанием, для компенсации потерь в эффективности.

Фазоинверторный корпус: плюсы и минусы.

Корпус открытого типа может воспроизводить громкий, гулкий бас с большей энергией и реверберацией, чем закрытые боксы. Это достигается с помощью негерметичного корпуса, без использования какого-либо дополнительного звукового эквалайзера или цифрового процессора. Отличие с закрытым боксом состоит в относительно небольшом отверстии в корпусе. Несмотря на простой дизайн, при использовании фазоинверторного сабвуфера бывает довольно трудно получить хороший, сбалансированный звук на выходе.

Хитрость заключается в идеально подобранном размере корпуса и подходящем размере отверстия. Вентиляционное отверстие перенаправляет звук из задней части конуса и добавляет его к звуку, исходящему от фронтальной части, что значительно увеличивает громкость басов. Такая схема позволяет использовать довольно скромный внешний усилитель, и получать неплохие результаты. Еще одно преимущество такого типа оформления корпусов, заключается, в долговечности сабвуфера, что происходит благодаря потоку воздуха, охлаждающего динамик.

Плюсы:

Снижение искажений и вибрации дифузора;
. Фазоинверторные боксы дадут вам более четкий звуковой удар в определенных видах музыки. Из-за воздуха, поступающего в вентиляционное отверстие, звук слегка напоминает свист, похожий на тот, который можно получить с помощью пустой бутылки.

Минусы:

Звук, получаемый с помощью вентиляционного канала, может принести больше вреда, чем пользы для некоторых типов музыки;
. Такой тип корпуса более чувствителен к изменениям климата, таким как влажность, температура и т.д.;
. Такой тип корпуса способствует физической усталости человека;
. Из-за высокого внутреннего давления, они должны быть более прочными, что делает их немного сложнее в изготовлении.

Вердикт

Мы рассмотрели два различных способа, чтобы определить, какой тип боксов будет соответствовать вашим потребностям. Фазоинверторный тип оформления, имеет расплывчатый бас, с помощью закрытыго ящика, получается более плотный звук. Если вы хотите чтобы басы отдавались в землю, фазоинверторный корпус подойдет как нельзя лучше. В противном случае, если вы ищете способ, чтобы добавить некоторую глубину музыке, закрытый ящик прекрасно справится с этим. Тп с оформдением "фазоинвертор" звучит громче нежели закрытый ящик, из-за того, что отверстие значительно увеличивает выход резонансных частот, что значительно расширяет чувствительность сабвуфера и позволяет добиться существенно большей басовитости.

Все вышеперечисленное в основном сводится к простому факту: закрытый ящик предназначен для более качественного звука, в то время как фазоинверторные используют для громкости. Но есть и некоторые исключения из этого правила. В конце концов, мы считаем, что качество звука это в гораздо большей степени наличие хорошей техники, а не определенный вид акустического оформления сабвуфера.

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).

Так что вот так то
Статья взята с журнала АвтоЗвук

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.

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 мнеьшей 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.

Index.php?t=getfile&id=235&private=0

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.

Index.php?t=getfile&id=236&private=0

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.