Фазоинвертор – акустическое оформление

Идея фазоинверсной системы известна с 1930 года, но широкое использование началось в 50-х годах. В настоящее время фазоинвертор (ФИ) является одним из самых распространенных типов низкочастотного оформления для акустических систем и сабвуферов класса Hi-Fi.

Фазоинвертор представляет собой закрытый ящик, имеющий отверстие с трубой, которое служит для использования излучения задней стороны диффузора громкоговорителя и увеличивает отдачу на самых низких частотах. Происходит это потому, что диффузор громкоговорителя связан через упругость воздушного объема ящика с массой воздуха в отверстии. Масса воздуха в отверстии ведет себя подобно диффузору, являясь дополнительным излучателем звука (вторым диффузором). Отдача увеличивается преимущественно на резонансной частоте фазоинвертора, которая выбирается равной или несколько ниже основной резонансной частоты динамика. Упругость воздушного объема ящика и масса воздуха в отверстии фазоинвертора, зависящая от его площади и толщины краев отверстия, образуют резонансную систему (резонатор Гельмгольца).

Эквивалентные схемы фазоинвертора:

Эквивалентные схемы не учитывают индуктивность звуковой катушки, сопротивление излучения и взаимное влияние сопротивления излучения громкоговорителя и фазоинвертора ввиду их пренебрежимо малого влияния на характеристики АС на низких частотах.

Принцип действия фазоинвертора заключается в том, что благодаря наличию акустической массы в трубе фазоинвертора звуковое давление в отверстии трубы уже не противоположно по фазе звуковому давлению от передней поверхности диффузора низкочастотной головки, а сдвинуто на угол, во всяком случае меньший 180°. Вследствие этого не происходит нейтрализации звуковых давлений от передней и задней поверхностей диффузора, как это имело место в открытых системах.

Движение в корпусе с фазоинвертором ненаправленное:

При соответствующих параметрах головки, оформления и выборе отверстия (трубы) фазоинвертора можно получить от АС с ФИ значительное улучшение воспроизведения низких частот по сравнению с закрытой АС. Для этого контур фазоинвертора настраивают обычно на частоту, близкую к резонансной частоте применяемой головки. Исследования авторов показали, что расстройка частоты резонанса фазоинвертора относительно частоты резонанса головки практически не должна превышать ±2/3 октавы.

Труба ФИ круглой формы с расширяющимися концами:

Следует иметь в виду, что для фазоинвертора подходят динамики только с низкой добротностью (Qts<0,6). Кроме того, хорошо рассчитанную АС с ФИ не всегда можно конструктивно выполнить, например, если расчетная длина трубы превысит конструктивно-допустимую. Однако в любом случае длина трубы должна быть меньше длины волны на резонансной частоте/12.

Импеданс акустических системы с фазоинвертором имеет 2 выраженных пика:
первый пик – резонансная частота трубы фазоинвертора ω1
провал – частота настройки фазоинвертора ωф
второй пик- резонансная частота динамика в корпусе ω2

Сечение трубы фазоинвертора может быть практически любой формы: круг, квадрат, прямоугольник и т.д. Для удобства расчета сечения трубы от круглого сечения, можно воспользоваться статьей Площадь фазоинвертора. Из круглой в любую.

Если передаточная функция закрытой системы зависит только от суммарной добротности системы Qts и резонансной частоты Fs, то передаточная функция фазоинверсной системы зависит от полной добротности громкоговорителя Qts, нормированной частоты настройки фазоинвертора Fc, соотношения гибкостей подвеса и воздуха в корпусе α, резонансной частоты громкоговорителя Fs и добротности потерь в корпусе Q_L.

3 вида потерь в системе с фазоинвертором:

1. потери за счет звукопоглощения в корпусе АС;
2. щелевые потери за счет трения воздуха в щелях корпуса;
3. потери за счет трения воздуха в трубе фазоинвертора.

Вопрос оценки и учета потерь в фазоинверсных системах, как и в закрытых системах, остается в настоящее время наиболее сложным в конструировании низкочастотного оформления АС. Измерения показывают, что добротность потерь за счет звукопоглощения в корпусе, содержащем звукопоглощающий материал, вдоль стенок корпуса лежит в пределах 30-80; добротность потерь в трубе фазоинвертора, не содержащей поглощающего материала – в пределах 50-100, тогда как добротность щелевых потерь за счет утечек – в пределах 5-20. Утечки происходят за счет неплотного крепления громкоговорителя, сквозь крепежные винты, через материал подвеса и пылезащитного колпака громкоговорителя. Следует отметить, что реальные сопротивления потерь являются частотно-зависимыми – потери в трубе фазоинвертора растут с частотой, потери за счет звукопоглощения падают. Совместное действие, оказываемое этими двумя видами потерь, по своему действию идентично влиянию потерь за счет утечек, поэтому их влияние заменяется влиянием только одного вида частотно-независимых потерь, что существенно упрощает анализ фазоинверсной системы. Наиболее часто встречающееся значение Q_L, в фазоинверсных системах лежат в пределах 5-10.

Передаточная функция корпуса с фазоинвертором зависит от большого числа параметров, у разработчиков возникает опасность ошибиться в точном соблюдении некоторых из них, что приводит к отклонению реальных характеристик от желаемых. Такие ошибки служат причиной мнений, что фазоинверсные системы всегда “бубнят”, имеют “размазанный бас” и т.д. Наиболее часто такие ситуации возникают в случае использования громкоговорителя с большей, чем нужно, добротностью Qts или настройкой частоты фазоинвертора без учета эквивалентного объема головки Vas и объема ящика Vb.

Круглые трубы ФИ настраиваемой длинны:

Неправильно сконструированная труба фазоинвертора, даже будучи настроенной на необходимую частоту, может служить источником искажений. Они могут образовываться за счет чрезмерно большой объемной скорости воздуха в трубе, когда поток становится турбулентным. Помимо возникновения нелинейных искажений, возрастают потери в трубе. Экспериментально установлено, что скорость потока в трубе фазоинвертора не должна быть больше 5% от скорости звука.

Для трубы с площадью сечения Sv ограничения на максимальную скорость выражаются приближенно экспериментальной зависимостью:

Sv ≥ 0,8 · Fв · Vd , где

• Sv – площадь сечения трубы (м²);
• Fв – частота настройки фазоинвертора (Гц);
• Vd – объемное смещение (м³).

Щелевой фазоинвертор:

Расчет длины трубы фазоинвертора можно сделать по формуле из работы Теория и практика фазоинвертора. Для этого нужно знать 3 вводных: объем корпуса, частота настройки фазоинвертора и диаметр трубы.

Для удобства монтажа в корпусе, труба ФИ может не один раз изгибаться:

Для предотвращения возникновения стоячих волн в трубе рекомендуется выбирать длину трубы не более:

Lmax ≤ c / Fs, где

• Lmax – максимальная длина трубы (м);
• с – скорость звука в сухом воздухе при 20 °C = 343 (м/с);
• Fs – резонансная частота фазоинвертора (Гц).

Эффективная длина трубы Lve складывается из фактической длины трубы Lv и дополнительной части Lvo, образуемой за счет краевых эффектов:

Lve = Lv + Lvo = Lv + 0,825√Sv

Формула справедлива для установки трубы ФИ заподлицо с передней панелью и без фланца с другой стороны. В случае наличия фланца на внутренней стороне трубы ФИ коэффициент перед корнем следует удвоить.

Даже при самом тщательном соблюдении расчетных соотношений разработчику редко удается соблюсти точность и ошибка часто превышает 5-10%.

---

Примеры расчета фазоинверсной акустической системы:

Литература:

1. Акустическое оформление громкоговорителей – Эфрусси, 1962.
2. Бытовые акустические системы – Иофе, Лизунков, 1984.
3. Высококачественные акустические системы и излучатели – Алдошина, Войшвилло, 1983.