3. Фазоинвертор

Этот вид акустического оформления представляет собой закрытый ящик с двумя отверстиями (рис.6.31–а).

В одном отверстии устанавливается излучающая головка, второе отвер­стие оставляется открытым.

Обратная волна, возбуждаемая в объеме ящика, как известно, находится в противофазе с прямой волной, излучаемой передней стороной диффузора, то есть _нач.

Идея использования фазоинвертора состоит в том, чтобы "довернуть" фазу обратной волны еще на 180^ т. е. на _доп. В этом случае суммарный сдвиг по фазе между прямой и обратной волнами составил бы _=_нач+_доп= + =2.

В результате обратная волна, излучаемая слоем воздуха в отверстии, ока­залась бы в фазе с прямой. Тогда мы бы получили два излучателя, работающих синфазно при одной работающей головке. Одним из них являлся бы сам диф­фузор, другим–слой воздуха в отверстии. При равенстве площадей диффузора и слоя воздуха в отверстии можно добиться почти удвоения звукового давления на акустической оси, имея одну головку.

Упомянутый "доворот" (инверсия) фазы обратной волны достигается с помощью ре­зонатора Гельмгольца, которым является объем воздуха в ящике с отверстием. Отсюда и название такого оформления–фазоинвертор.

Схема электрического аналога механико-акустической колебательной системы фазоинвертора приведена на рис.6.31-а.

Рис.6.31. Устройство фазоинвертора и схема его электрического аналога

(r₁–сопротивление молекулярного трения верхнего гофра и центрирующей шайбы и активная составляющая сопротивления излучения; ñ₁–гибкость гофра и центрирующей шайбы; m₁–масса диффузора с катушкой и присоединенная масса среды; c₀–гибкость воздуха в ящике; r₂–сопротивление трения воздуха о края отверстия и активная состав­ляющая сопротивления излучения; m₂–масса воздуха в отверстии и присоединенная масса среды; V₁–колебательная скорость частиц среды у лицевой стороны диффузора; V₂– колебательная скорость массы воздуха в отверстии; F–возбуждающая электродинамическая сила, действующая на звуковую катушку с диффузором; –коэффициент трансформации камеры–ящика с двумя отверстиями (S_д–площадь диффузора; S_отв–площадь отверстия)

Если пересчитать параметры r₂ и m₂ в первичную обмотку, то схема ана­лога примет вид рис.6.33-б.

Из рис.6.33-б видно, что схема аналога представляет собой резонансную систему из двух контуров: последовательного с элементами ñ_1, m₁ и параллель­ного – .

Обычно параметра резонатора Гельмгольца подбирают так, чтобы его ре­зонансная частота равнялась бы частоте механического резо­нанса головки .

Учитывая, что отношение токов в ветвях цепи (рис.6.31–г) равно отноше­нию их проводимостей, имеем:

,

где

После преобразования получим:

Тангенс угла сдвига по фазе между колебательными скоростями лицевой стороны диффузора и массы слоя воздуха в отверстии будет опреде­ляться отношением реактивной составляющей к активной.

Графическая зависимость _доп от  приведена на рис 6.32, из которого видно, что на частоте =_ф=₀ дополнительный сдвиг составит 90^. Суммар­ная же разность фаз между прямой и обратной волнами составит:

_=_нач+_доп=180^+90^=270^,

что уже далеко от акустического короткого замыкания. На частотах выше _ф значение _доп быстро приближается к 180^, а _ –к 360^.

Таким образом, можно считать, что лицевая поверхность диффузора и слой воздуха в отверстии колеблются синфазно во всем диапазоне частот выше резонансной частоты фазоинвертора.

Однако уже на частотах ближе к средним сопротивление гибкости возду­ха с₀ становится настолько малым, что ток в цепи практи­чески отсутствует. Это означает, что упругое сопротивление воздуха внутри ящика становится ничтожно малым. Движение от диффузора к массе воздуха в отверстии не передается и оно перестает излучать.

Рис.6.36. Фазовая характеристика резонатора

Как известно, схема входного электрического сопротивления головки без акустического оформления, а также в экране и закрытом ящике имеет одинако­вый вид, приведенный на рис.6.15.

В случае работы головки в фазоинверторе схема усложняется и прини­мает вид, приведенный на рис.6.33.

Рис.6.33. Схема входного сопротивления головки, работающей в фазоинверторе

Сравнивая эти схемы, мы видим, что во втором случае в составе вноси­мого сопротивления появились дополнительные элементы за счет резонатора (рис.6.31–г). При этом ,

.

Частотная характеристика головки работающей в фазоинверторе приве­дена на рис.6.34.

Рис.6.34.Частотная характеристика модуля входного сопротивления головки

При пропускании через головку постоянного тока (=0) входное сопро­тивление равно сопротивлению катушки т.е.

В диапазоне частот 0_п индуктивное сопротивление звуковой катушки мало и в основном определяется вносимым сопротивлением. Последнее, как видно из схемы (рис.6.33) состоит из двух контуров: параллельного с эле­ментами и последовательного , включенного параллельно пер­вому.

Как уже отмечалось, резонансная частота параллельного контура –есть частота механического резонанса работающей головки.

Резонансная частота _ф последовательного контура есть резонансная частота резонатора Гельмгольца, то есть фазоинвертора.

Напомним, что фазоинвертор настраивают на частоту механи­ческого резонанса головки, то есть .

До резонансной частоты сопротивление параллельного контура имеет ин­дуктивный характер, последовательного контура – емкостной. Образуется экви­валентный параллельный контур с элементами и резонансной частотой

, сопротивление которого на этой частоте будет иметь максималь­ное значение. Следовательно и Z_вх будет иметь максимум.

На частоте первый контур как параллельный будет иметь максимальное сопротивление, второй, будучи последовательным – минималь­ное. Поскольку оба контура включены параллельно, то общее их сопротивле­ние, а значит и Z_вх будет иметь минимум.

В диапазоне частот ₀  _п сопротивление первого контура будет иметь емкостной характер, второго – индуктивный. Образуется второй эквивалентный параллельный контур с элементами и резонансной частотой , на которой Z_вх опять примет максимальное значение.

Выше частоты сопротивление емкости становится настолько малым, что оно шунтирует всю схему вносимого сопротивления. Образуется последовательный контур с элементами , который на частоте дает последовательный (электромеханический) резонанс и Z_вх будет иметь минимальное значение. С увеличением частоты ( > _п) сопро­тивление емкости становится ничтожно малым и входное сопротивление бу­дет в основном определяться сопротивлением звуковой катушки . Поскольку индуктивное сопротивление катушки изменяется пропорционально частоте, то и Z_вх будет увеличиваться с увеличением частоты.

Применение фазоинвертора дает следующие преимущества:

–звуковое давление в диапазоне низких частот увеличивается по сравнению с оформлением в закрытом ящике на 35 дБ;

–за счет возрастания механического сопротивления резонатора ( ) вблизи от частоты уменьшается амплитуда колебаний звуковой ка­тушки, что приводит к уменьшению нелинейных искажений;

–частотная характеристика модуля входного сопротивления в области нижних частот становится более равномерной.

В целях подавления резонансов воздушного объема ящика в области средних и высоких частот его внутренняя поверхность покрывается (как и в случае закрытого ящика) звукопоглощающим материалом.

Область верхних частот