3.2 Фазоинверсный тип (фи, vented box)

К олонки фазоинверсного типа (ФИ) отличаются от колонок типа ЗЯ наличием отверстия – фазоинвертора. В зарубежной технической литературе фазоинвертор может называться «vent» или «bass reflex», а тип акустического оформления – «vented box».

Задача фазоинвертора – изменить фазу колебания волны, возбуждаемой тыловой стороной диффузора, на 180^о и вывести ее наружу. На первый взгляд, нарушение герметичности ящика провоцирует АКЗ, но это не совсем так. Работу ФИ можно представить, используя модель «груз-пружина».

П редставьте себе груз, висящий на пружине (как пример – детская игрушка «йо-йо»).

Если груз начать медленно под-нимать и опускать, то груз будет следовать за пружиной, не растягивая и не сжимая ее (рис. а).

При увеличении частоты колеба-ния (но сохранении амплитуды) начи-нают проявляться инерционные свойст-ва груза. При определенной частоте наблюдается интересная картина – амплитуда колебания груза оказывается максимальной, однако он колеблется в противофазе с воздействующей силой (рис. б)! То есть, когда торец пружины перемещается вверх, груз движется вниз, и наоборот.

При дальнейшем увеличении частоты амплитуда перемещения груза падает вплоть до полной (визуально) остановки (рис. 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 двигателей внутреннего сгорания работают по схожему принципу.

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

Ниже показано отличие характеристик динамика Kenwood KFC-HQW300 в ящике объемом 35 л в оформлении ЗЯ и ФИ: толстая линия – ФИ, пунктирная – ЗЯ.

Как видно из графиков, 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^о, но в рабочем диапазоне (40 … 2000 Гц ) только 140^о, что не немного хуже, чем в оформлении ЗЯ.

Максимальное время групповой задержки составило 17 мс, что в четыре раза больше, чем в оформлении ЗЯ. К сожаления, и это не предел: при различных неоптимальных режимах работы время групповой задержки 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 АЧХ в этом случае шире.

Расчет колонки с ФИ сложнее, чем ЗЯ, так как оперируют двумя параметрами – объемом ящика и частотой резонанса ФИ. Как и для 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.

Что будет происходить, если динамик станет работать в неоптимальном режиме?

На рисунках ниже показаны графики основных характеристик динамической головки при различных режимах работы в оформлении ФИ для трех случаев: при оптимальном режиме, когда частота настройки ФИ выше оптимальной и ниже. Толстая линия на графиках – оптимальная частота настройки, толстая пунктирная – выше оптимальной, тонкая пунктирная – ниже оптимальной.

При настройке ФИ на частоту выше оптимальной возникает нелинейность АЧХ и её 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 делает 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 частоты 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.

От диаметра ФИ зависит качество работы акустической колонки. 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: рычание, свист и т.п.

Турбулентные явления – нарушения прямолинейного течения газа или жидкости при высокой скорости жвижения. Пример – образование вихрей в воде при движении весла.

Признаки, по которым можно определить, что скорость движения воздуха в ФИ выше нормы: при подаче на колонку синусоидального сигнала на частоте резонанса и мощности, близкой к максимальной

• ощущается “ветер” на расстоянии, большем 0,5 м от ФИ;

• мелкие кусочки бумаги, помещенные около ФИ, влетают в него, описывая спиральную траекторию;

• на частоте около 15 Гц из ФИ доносятся посторонние звуки (рычание, свист).

Чтобы уменьшить вероятность возникновения турбулентности, необходимо плавно увеличивать площадь сечения трубы ФИ на его торцах, т.е. снабдить их раструбами.

Чтобы максимально исключить вероятность возникновения турбулентности, выведены минимальные рекомендованные диаметры ФИ в зависимости от диаметра диффузора. Таблицы зависимости диаметра диффузора (в мм или дюймах) от минимального диаметра диффузора (в мм) можно найти в справочной литературе по акустике.

3.3 Полосовые излучатели (band-pass – «банд-пасс»)

П редставляет собой короб, разделенный внутрен-ней перегородкой, на которой закрепляется динамиче-ская головка. Таким образом образуется две резонатор-ные камеры. Из-за особенностей конструкции и узкого частотного диапазона такой тип акустического оформ-ления, в основном, использется для сабвуферов.

В связи с тем, что банд-пасс состоит из двух резонаторных камер, КПД излучателя увеличивается по сравнению с оформлением ЗЯ до четырех раз!

Программа JBL Speaker Shop не имеет модели оптимального режима работы для динамика в таком акустическом оформлении.