Как своими руками сделать фазоинвертор своими руками

Расчёт и настройка фазоинвертора акустической системы

Как правильно спроектировать фазоинвертор? Какой должна быть частота резонанса фазоинвертора? Какими должны быть длина и диаметр? Онлайн калькулятор размеров тоннеля фазоинвертора.

Фазоинвертор (с точки зрения акустики) – это порт (труба, щель и т. д.) в корпусе акустической системы, обеспечивающий расширение воспроизводимого НЧ – диапазона за счёт резонанса этого порта на частоте более низкой, чем резонансная частота динамика.
Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон закрытого ящика, но и повысить коэффициент полезного действия. Тоннель фазоинвертора может выполняться различной формы и размещаться – на любой поверхности колонки.
При разработке акустической системы крайне важно правильно выполнить расчёт фазоинверторного короба, так как от этого зависит не только диапазон воспроизводимых частот, но и качество всего звука в целом.

Давайте индифферентно отнесёмся к многообразию теоретических аспектов, описывающих физику процессов в данном типе акустики, а сразу ответим на вопрос: «А почему, собственно?». Такой вопрос может возникнуть у энтузиаста, который рассчитал размеры фазоинвертора по известной формуле из умной книжки и убедился в её несостоятельности в процессе неудачного практического опыта!

Напрягаться сильно не придётся, потому как синьор Жан-Пьеро Матараццо (авторитетный специалист в области профессиональной акустики) уже помог нам разобраться в этом актуальном вопросе.
Вот что уважаемый итальянский специалист-акустик написал в статье «Теория и практика фазоинвертора»:

Рис.1 Конструкции фазоинверторов с тоннелем в виде трубы

Одним из наиболее часто встречающихся пожеланий в электронной почте автора является – привести «магическую формулу», по которой читатель ACS мог бы сам рассчитать фазоинвертор. Это, в принципе, нетрудно. Фазоинвертор представляет собой один из случаев реализации устройства под названием «резонатор Гельмгольца» (Рис.1 а). Частоту настройки резонатора Гельмгольца (или фазоинвертора, что одно и то же) можно рассчитать по формуле:

где: Fb – частота настройки (Гц), с – скорость звука (344 м/с), S – площадь сечения тоннеля (кв. м), L – длина тоннеля (м), V – объем ящика (куб. м), π = 3,14.

Эта формула действительно магическая, в том смысле, что настройка фазоинвертора не зависит от параметров динамика, который будет в него установлен. Объём ящика и размеры тоннеля частоту настройки определяют раз и навсегда. Всё, казалось бы, дело сделано.
Приступаем.
Пусть у нас есть ящик объёмом 50 л. Мы хотим превратить его в корпус фазоинвертора с настройкой на 50 Гц. Диаметр тоннеля решили сделать 8 см. По только что приведённой формуле частота настройки 50 Гц получится, если длина тоннеля будет равна 12,05 см. Аккуратно изготавливаем все детали, собираем их в конструкцию, как на Рис.1 б), и для проверки измеряем реально получившуюся резонансную частоту фазоинвертора.
И видим, к своему удивлению, что она равна не 50 Гц, как полагалось бы по формуле, а 41 Гц. В чем дело и где мы ошиблись? Да нигде. Наш свежепостроенный фазоинвертор оказался бы настроен на частоту, близкую к полученной по формуле Гельмгольца, если бы он был сделан, как показано на Рис.1 в). Этот случай ближе всего к идеальной модели, которую описывает формула: здесь оба конца тоннеля «висят в воздухе», относительно далеко от каких-либо преград. В нашей конструкции один из концов тоннеля приближается к стенке ящика. Для воздуха, колеблющегося в тоннеле, это небезразлично, из-за влияния «фланца» на конце тоннеля происходит как бы его виртуальное удлинение. Фазоинвертор окажется настроенным так, как если бы длина тоннеля была равна 18 см, а не 12, как на самом деле.

Казалось бы, если тоннель полностью разместить снаружи ящика, Рис1.а) – справа, у нас получается резонатор Гельмгольца в чистом виде. Однако на практике и тут существует эмпирическая зависимость «виртуального удлинения» тоннеля в зависимости от его размеров.
Для круглого тоннеля, один срез которого расположен достаточно далеко от стенок ящика (или других препятствий), а другой находится в плоскости стенки, это удлинение приблизительно равно 0,85D.

Теперь, если подставить в формулу Гельмгольца все константы, ввести поправку на «виртуальное удлинение», а все размеры выразить в привычных единицах, окончательная формула для длины тоннеля диаметром D, обеспечивающего настройку ящика объёмом V на частоту Fb, будет выглядеть так:

Здесь частота Fb – в герцах, объем V – в литрах, а длина L и диаметр D тоннеля – в миллиметрах, как нам привычнее.

Геометрические размеры тоннеля имеют свои ограничения. Великий исследователь акустических систем Р. Смолл показал, что минимальное сечение тоннеля зависит от диаметра динамика, наибольшего хода его диффузора и частоты настройки фазоинвертора. Смолл предложил совершенно эмпирическую, но безотказно работающую формулу для вычисления минимального размера тоннеля:

Формулу свою Смолл вывел в привычных для него единицах, так что диаметр динамика Ds, максимальный ход диффузора Xmax и минимальный диаметр тоннеля Dmin выражаются в дюймах. Частота настройки фазоинвертора – как обычно, в герцах.

Очень часто оказывается, что, если правильно выбрать диаметр тоннеля, он выходит невероятно длинным. А если уменьшить диаметр, появляется шанс, что уже на средней мощности тоннель «засвистит». Помимо собственно струйных шумов, тоннели небольшого диаметра обладают ещё и склонностью к так называемым «органным резонансам», частота которых намного выше частоты настройки фазоинвертора и которые возбуждаются в тоннеле турбулентностями при больших скоростях потока.
Когда расчётная длина тоннеля получается такой, что он почти помещается в корпусе и требуется лишь незначительно сократить его длину при той же настройке и площади сечения, я рекомендую вместо круглого использовать щелевой тоннель аналогичной площади, причём размещать его не посреди передней стенки корпуса, как на Рис.2 а), а вплотную в одной из боковых стенок, как на Рис.2 б).

Рис.2 Конструкции фазоинверторов с щелевыми тоннелями

Тогда на конце тоннеля, находящемся внутри ящика, будет сказываться эффект «виртуального удлинения» из-за находящейся рядом с ним стенки. Опыты показывают, что при неизменной площади сечения и частоте настройки тоннель, показанный на Рис.2 б), получается примерно на 15% короче, чем при конструкции, как на Рис.2 а).
Щелевой фазоинвертор, в принципе, менее склонен к органным резонансам, чем круглый, но, чтобы обезопасить себя ещё больше, я рекомендую устанавливать внутри тоннеля звукопоглощающие элементы, в виде узких полосок фетра, наклеенных на внутреннюю поверхность тоннеля в районе трети его длины.

Дальнейшего снижения длины тоннеля можно добиться использованием фазоинверторов конической, экспоненциальной форм, а также формы в виде песочных часов. Поскольку подобные технологии конструктивно сложны и не нашли широкого распространения в радиолюбительской практике, то и рассматривать их в рамках данной статьи мы не станем. А лучше сдобрим пройденный материал парой онлайн считалок, позволяющих рассчитать трубчатые и щелевые фазоинверторы без излишнего напряга, калькулятора и деревянных счёт.

Но сначала зададимся резонным вопросом: а на какую резонансную частоту следует настраивать фазоинвертор?
Ответ очень прост – на оптимальную частоту. Если частота резонанса фазоинвертора будет выше оптимальной, т. е. она будет находиться близко к резонансной частоте динамика в закрытом ящике, то мы получим на АЧХ выпячивающий горб, вследствие чего звучание будет бочкообразным.
Если частоту выбрать чересчур низкой, то подъём НЧ уровня не будет чувствоваться, т. к. на этой частое отдача динамика окажется слишком слабой и усиливать окажется нечего.
Таким образом – частоту резонанса фазоинвертора следует выбрать немногим ниже частоты резонанса динамика в закрытом ящике, т. е. в той области, где у динамика происходит некоторый спад звукового давления. Этот спад компенсируется подъёмом фазоинвертора, что, в конечном итоге, приведёт к расширению нижней границы воспроизводимых частот.

В большинстве реальных конструкций – частота резонанса фазоинвертора составляет 0,61. 0,65 от частоты резонанса динамика в закрытом ящике.

А как легко и просто можно узнать частоту резонанса громкоговорителя в закрытом ящике – мы с вами подробно обсудили на этой странице . Итак:

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДИАМЕТРА И ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА

Диаметр тоннеля – величина, имеющая практический смысл только для фазоинверторов круглого сечения Площадь сечения – характеризует как трубчатые, так и щелевые фазоинверторы.

Рассчитаем длину тоннеля фазоинвертора по объёму ящика, резонансной частоте фазоинвертора и диаметру/ площади сечения тоннеля:

РАСЧЁТ ДЛИНЫ ТОННЕЛЯ ФАЗОИНВЕРТОРА

Посчитанная длина тоннеля верна как для цилиндрических фазоинверторов, так и для щелевых фазоинверторов, находящихся на значительном расстоянии от стенки. Если щелевой фазоинвертор расположен вплотную к одной из стенок, как на Рис.2 б), то его длину следует укоротить на 15%.

Источник

Расчет акустического фазоинвертора

Предлагаемые методы расчета фазоинвертора основан на простейших измерениях, проводимых с вполне определенным экземпляром громкоговорителя, устанавливаемым в акустический фазоинвертор и на номографическом определении размеров последнего. А также варианты расчета фазоинвертора с использованием технических параметров динамиков от производителя.

Что такое Фазоинвертор?

И как у всякого резонатора у него есть резонанс, весьма выраженный, с высокой добротностью и крутыми склонами. Так, что в корпусе саба у нас два резонатора: активный (динамик) и пассивный (фазоинвертор). Оба они влияют друг на друга через упругую среду (воздух).

Назначение ФИ — уменьшение нижней рабочей частоты сабвуфера, добавить низких частот.

Какой должна быть частота резонанса фазоинвертора?

Частота резонанса фазоинвертора (в общем случае) должна быть на 1/3 (на 33 %) ниже, частоты резонанса того же динамика в том же ящике при закрытом отверстии фазоинвертора.

Пример:
F_рез. динамика в ЗЯ = 60 Гц.
60 х 0,33 = 20гц.
60-20 = 40 Гц.

Расчётная резонансная частота ФИ в данном примере должна быть 40 Гц.

Для этой частоты, а считаю далее диаметр и длина фазоинвертора под объём данного ящика. А теперь рассмотрим более научные варианты расчета фазоинвертора.

Вариант №1. Простой вариант расчета размеров фазоинвертора

Это вариант подойдет для ленивых. Нам надо знать частоту настройки фазоинвертора для данного динамика. Его часто указывают производители динамиков в технических характеристиках, например на упаковке.

• F — частота настройки ФИ;
• C — скорость звука;
• п — число = 3,14…;
• S — площадь отверстия;
• L — эффективная длина трубы (длина трубы плюс процентов 5);
• V — объем корпуса.

Везде метры и герцы.

Соответственно отношение площади отверстия к длине фазоинвертора:

то есть при увеличении площади отверстия вдвое (два порта) — вдвое растет длина каждого из фазоинвертора. Делать узкий фазоинвертор чтобы уменьшить длину трубы нецелесообразно — возрастает скорость потока в нем (там должно быть не более 5% от скорости звука! я ошибся по памяти)

Одновременно сделать очень широкий и длинный фазоинвертор также не имеет смысла — его длина не должна быть больше длины волны на частоте резонанса, чтобы не было стоячих волн, но вообще-то это несколько метров получается, так что тут ошибиться трудно.

Вариант №2

В первую очередь, руководствуясь рис. 1 и таблицей, необходимо изготовить «стандартный объем» — герметичный фанерный ящик, все стыки которого во избежание утечек воздуха тщательно подогнаны, проклеены и промазаны пластилином.

рис. 1

Диаметр диффузора громкоговорителя, мм	Размеры, мм
А	В	С
200	255	220	170
250	360	220	220
300	360	220	270
375	510	220	335

Далее измеряют собственную частоту резонанса громкоговорителя, находящегося в свободном пространстве. Для этого его подвешивают в воздухе вдалеке от крупных предметов (мебели, стен, потолка). Схема измерений приведена на рис. 2.

рис. 2

Здесь ЗГ — градуированный звуковой генератор, V — ламповый вольтметр переменного тока и R — резистор сопротивлением 100–1000 ом (при больших значениях сопротивления измерение оказывается более точным).

Вращая ручку настройки частоты звукового генератора в пределах от 15-20 до 200-250 гц, добиваются максимального отклонения стрелки вольтметра. Частота, при которой отклонение максимально и является резонансной частотой громкоговорителя в свободном пространстве F_в.

Следующий этап — определение резонансной частоты громкоговорителя F_в при его работе на «стандартный объем». Для этого громкоговоритель кладут диффузором на отверстие «стандартного объема» и слегка прижимают, во избежание утечек воздуха в месте стыка поверхностей. Метод определения частоты резонанса прежний, но в этом случае она будет в 2–4 раза выше.

рис. 3
рис. 4

Зная эти две частоты, с помощью номограмм находят размеры фазоинвертора. В зависимости от диаметра диффузора громкоговорителя выбирают номограмму, приведенную на рис. 3 (для диаметра ,200 мм), на рис. 4 (для диаметра 250 и 300 мм) или на рис. 5 (для диаметра 375 мм). По выбранной номограмме определяют объем фазоинвертора, для чего соединяют прямой линией точки, соответствующие найденным частотам, на осях «Резонансная частота»

рис. 5

F_в (см. рис. 4 точка А) и «Резонансная частота» F_я (точка В). Отмечают точку пересечения С с вспомогательной осью и отсюда ведут вторую прямую линию через точку D до оси «оптимальный объем». Значение, соответствующее новой точке пересечения Е, и является искомым объемом.

Если нет каких-либо особых соображений для конструирования ящика специальной конфигурации, то расчет внутренних размеров его при заданной объеме может быть сделан по номограмме, показанной на рис. 6. Ширина фазоинвертора будет равна 1,4 высоты, а высота — 1,4 глубины. Пользование номограммой не представляет трудностей: проводят прямую линию между крайними осями, на которых нанесены величины объемов. Точки пересечения прямой с осями А, В, С определят ширину, высоту и глубину ящика. Диаметр выреза для громкоговорителя берется равным размеру С, указанному в таблице.

рис. 6

Далее, задавшись диаметром туннеля, необходимо определить его длину и проверить вмещается ли он в ящик фазоинвертора. Длину туннеля находят из графиков, приведенных на рис. 7, для трех внутренних диаметров: графики А — для диаметра 50 мм, В — для диаметра 75 мм и В — для диаметра 120 мм. Выбрав соответствующие графики, по частоте F_в и объему фазоинвертора, определенным ранее, находят длину туннеля (пример на рис. 7,В). Она должна быть на 35–40 мм меньше внутренней глубины ящика. Если этого не получается, можно нисколько изменить конфигурацию ящика, сохранив его объем, или взять Другой диаметр туннеля.

рис. 8

Фазоинвертор изготавливают из фанеры толщиной около 30 мм. Если нет такой толстой фанеры, то для повышения жесткости нужно приклеить внутри ящика по диагонали или крестообразно бруски размером 25×75 мм. Ящик собирают на винтах и клее и все швы герметизируют. Заднюю стенку рекомендуется крепить шурупами (по пять штук на одну сторону) с фетровой прокладкой. Туннель делают из толстостенной картонной трубки.

Изготовив фазоинвертор и установив в него громкоговоритель, приступают к его демпфированию. Для этого громкоговоритель рекомендуется полностью закрыть с задней стороны слоем стекловаты толщиной 25–50 мм, прикрепляя ее к доске вокруг диффузородержателя с помощью кольца, привинченного шурупами или винтами.

рис. 8

Достаточность демпфирования проверяется с помощью схемы, приведенной на рис. 8. Сопротивление резистора Я берется около 0,5 ом. Если же известен коэффициент демпфирования К усилителя, с которым будет работать агрегат, и сопротивление звуковой катушки громкоговорителя переменному току r, то его можно определять из формулы R=r/K ом.

Переводи переключатель из одного положения в другое, прислушиваются к щелчку в громкоговорителе. Если он вполне отчетлив я нет «бубнения» или «звона», значит демпфирование достаточно. Окончательное решение принимают после прослушивания оркестровой музыки с хорошо выраженными басами и верхними котами.

Вариант №3. Расчет размера фазоинвертора по номограмме

В области низких частот работа громкоговорителя не зависит от формы ящика или типа фазоинвертора, а определяется лишь двумя параметрами акустического оформления — объемом ящика-фазоинвертора V и частотой его настройки F_b. К нахождению этих величин и сводится в основном расчет акустического оформления.

Для того чтобы уяснить методику расчета громкоговорителей с помощью номограммы, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1.Рассчитать оптимальное акустическое оформление для известной низкочастотной головки. Допустим, что с помощью измерений параметры головки определены: Q_a=3,2, Q_e=0,33, V_as=0,120м 3 , f_s=40 Гц. При работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением (R_g=0) Q_t головки составит 0,3. Отметим на оси абсцисс точку Q_t=0,3, проведем через нее перпендикулярную оси прямую и найдем ординаты точек пересечения прямой с кривыми в верхней и нижней частях номограммы: V_as/V=3, f_b/f_s=1,25, f₃/f_s=1,47. Подставляя в полученные отношения измеренные значения параметров головки V_as=0,120м3, f_s=40 Гц, находим: V=0,04 м 3 , f_b=50 Гц, f₃=59 Гц. Таким образом, если не принимать мер к дополнительному регулированию Q_t, для получения гладкой частотной характеристики громкоговорителя заданную головку достаточно поместить в ящик-фазоинвертор объемом 0,04 м 3 и настроить его на частоту 50 Гц. Частота среза громкоговорителя при этом окажется равной 59 Гц.

Пример 2.Для той же исходной головки с Q_a=3,2, Q_e=0,33, V_as=0,120м 3 , f_s=40 Гц требуется так рассчитать параметры ящика-фазоинвертора, чтобы частота среза громкоговорителя оказалась равной 35 Гц. При оговоренной частоте среза расчет начинается с определения f₃/f_s. В рассматриваемом случае f₃/f_s=0,875. Далее через точку с ординатой 0,875 на кривой f₃/f_s проводится прямая, перпендикулярная оси абсцисс, и определяются координаты точек пересечения ее с кривыми V_as/V и f_b/f_s , т. е. Q_t=0,415, V_as/V=1.05, f_b/f_s =0.93. Подставляя в полученные отношения значения параметров головки V_as=0,12м 3 , f_s=40 Гц, находим V=0,114 м 3 , f_b=37 Гц. Следовательно, для того чтобы получить гладкую частотную характеристику громкоговорителя с частотой среза f3=35 Гц, объем ящика-фазоинвертора должен составлять 0,114 м 3 , а частота настройки — 37 Гц. Кроме того, поскольку требуемое значение общего Q головки отличается от измеренного (при работе от усилителя с нулевым выходным сопротивлением Q_t=0.3), для достижения желаемой формы частотной характеристики потребуется дополнительное регулирование этого параметра.

Пример 3.Дана низкочастотная головка (Q_a=3,2, Q_e=0,33, V_as=0,12м 3 , fs=40 Гц) и задан объем акустического оформления 19 V=0,06 м 3 . Требуется рассчитать громкоговоритель, обладающий гладкой частотной характеристикой. Определим отношение V_as/V =2. Через точку с ординатой 2 на кривой V_as/V проведем прямую, перпендикулярную оси абсцисс, и найдем координаты точек пересечения ее с кривыми f_b/f_s и f₃/f_s : Q_t=0,345; f_b/f_s=1,1; f₃/f_s=1,2. Подставляя в последние отношения значения параметров головки, находим fb=44 Гц, f3=48 Гц. Таким образом, чтобы с данной головкой и в ящике оговоренных размеров получить гладкую частотную характеристику громкоговорителя, потребуется настроить ящик-фазоинвертор на частоту f_b=44 Гц и с помощью средств регулирования довести общее Q головки до значения 0,345.

Калькуляторы фазоинвертора онлайн

В калькуляторе фазоинвертора Параметры набирать через точку, ноль перед точкой вводить не обязательно.

Источник