СОДЕРЖАНИЕ

АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ФАЗОИНВЕРТОРОМ

Закрытые АС требуют большого объема оформления для достаточно хорошего воспроизведения низших частот, поэтому получаются громоздкими и тяжелыми. Существующие малогабаритные закрытые АС малочувствительны.

Если же требуется иметь закрытую АС меньших габаритных размеров, приходится мириться с тем, что «басов» у нее при этом будет значительно меньше.

В значительной степени этого недостатка можно избежать в АС с ФИ. Как видно из табл. 2, в США и Западной Европе число таких систем составляет одну треть типов от общего выпуска, а в Японии - две трети. Устройство АС с ФИ показано на рис. 49.

Эта АС отличается от закрытой тем, что в корпусе АС с ФИ имеется либо отверстие, либо отверстие с трубой круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 49. Акустическая система с фазоинвертором: 1 — головка; 2 — канал (труба) фазоинвертора; 3 — звукопоглощающая обивка

Упрощенная схема акустического аналога этой системы представлена на рис. 50. (Более подробно об акустическом аналоге см. приложение 3.)

Здесь m — акустическая масса воздуха в отверстии или трубе фазоинвертора; r — активное акустическое сопротивление в отверстии или трубе фазоинвертора и активная составляющая сопротивления излучения отверстия.

Как видно из рис. 50, АС с ФИ — сложная колебательная система. Благодаря этому и частотная характеристика модуля ее полного электрического сопротивления также сложнее, чем у закрытой АС и имеет вид, представленный на рис. 51.

Принцип действия АС с ФИ заключается в том, что благодаря наличию контура ms (правая ветвь на схеме аналога) звуковое давление в отверстии или выходном 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. При соответствующем подборе параметров 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, а часто и совпадать с ней.

Следует также иметь в виду, что для АС с ФИ подходят головки только с низкой добротностью (Q<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 должка быть меньше λ_н/12, где λ_н — длина волны на резонансной частоте контура ms. Резонансная же частота f_ф контура находится из следующего выражения:

f_ф = 1 / 2π • √s/m

Рассчитывая звуковое давление АС с ФИ, целесообразно определять не его абсолютную величину ρ_ф, а сравнительную со звуковым давлением соответствующей закрытой системы ρ_э, т. е. такой, которая имеет равный внутренний объем и одинаковую по всем параметрам головку. Это позволяет определить, какой выигрыш по звуковому давлению обеспечивает АС с ФИ по сравнению с закрытой АС.

Исходя из (15) и (18), можно записать, что

(40)

где r_эф=r_si + r_s2

Здесь введены следующие обозначения: x₀ — средняя объемная скорость поверхности диффузора головки в соответствующем закрытом оформлении; x_ф —суммарная скорость АС (диффузора и ФИ); r_s0 — активное акустическое сопротивление излучения головки в соответствующем закрытом оформлении; r_s2 — полное активное акустическое сопротивление излучения диффузора головки с учетом влияния сопротивления излучения отверстия фазоинвертора; r_s2 — полное активное акустическое сопротивление излучения отверстия фазоинвертора с учетом влияния сопротивления излучения диффузора головки; r_sф — суммарное активное акустическое сопротивление излучения АС с ФИ.

Несколько слов об активном акустическом сопротивлении излучения АС с ФИ. Эта АС рассматривается как совокупность двух излучателей, один из которых — собственно головка, а другой — отверстие фазоинвертора. Если рассматривать работу этих излучателей независимо друг от друга, то все сравнительно просто, так как активное сопротивление излучения головки в закрытом оформлении, малом по сравнению с длиной волны, известие [см. выражение r_s2 в (22)]. Однако при их совместной работе, как это имеет место в АС с ФИ, излучатели оказывают влияние друг на друга. Полные сопротивления излучения в этом случае

z₁=z₁₁+z_12, z₂=z₂₂+z₂₁, (41)

где z_1, z₂ — соответственно полное сопротивление излучения головки и отверстия, z₁₂, z₂₂ — соответственно собственное сопротивление излучения головки и отверстия, z₁₂ — вносимое, учитывающее влияние отверстия на излучение головки, сопротивление излучения, z₂₁ — вносимое, учитывающее влияние головки на излучение отверстия, сопротивление излучения.

Вещественные части этих выражений являются активными сопротивлениями излучения головки и отверстия при их взаимном влиянии.

Отметим, что при сближении отверстия и головки суммарное сопротивление излучения АС с ФИ возрастает и тем самым увеличивается создаваемое системой звуковое давление. Примером такой АС с ФИ служит конструкция* (рис. 52), в которой головка расположена внутри отверстия фазоинвертора. При таком расположении головки относительно отверстия вносимое сопротивление излучения будет максимальным.

Рис. 52. Схематическое изображение оригинальной конструкции акустической системы с фазоинвертором

В основу расчета АС с ФИ по выражению (40) может быть положена схема акустического аналога АС с ФИ, представленная на рис. 52.

Выражение для ρ₂ закрытого оформления дано в (37). Введя в него обозначения: t=ω/ω₀ — относительная частот, n=V_э/V — относительный объем оформления, представим (37) в виде

(42)

где А — частотно-независимый множитель.

Нахождение относительного сопротивления излучения АС с √r_sф/r_s0 здесь из-за сложности не приводится. Отметим лишь, что в зависимости от площадей диффузора головки и отверстия, их взаимного расположения, а также амплитуд и фаз колебаний на излучающих поверхностях оно может практически изменяться от 1,5 до 2,0 и быть частотно-малозависимым.

Вывод выражения для k=x_ф/x₀ приведен в приложении 4. Здесь приводится лишь окончательное выражение

Таким образом, выражение для ρ_ф из (40) имеет следующий вид:

При настройке фазоинвертора на резонансную частоту фазоинвертора — колебательной системы, состоящей из гибкости воздуха в объеме оформления и массы воздуха в отверстии или трубе фазоинвертора, что часто имеет место, выражение (44) упрощается и принимает вид

Поведение АС с ФИ может быть описано с помощью четырех параметров n, l, Q, Q_ф. Исследованиями авторов установлено, что число переменных можно сократить до трех, так как значение может быть выбрано фиксированным и в диапазоне Q_ф>10 практически не будет влиять, на результаты вычислений.

Здесь, кроме введенных обозначений: l=ω₀/ω_ф — относительная настройка фазоинвертора,

— добротность головки, Q_ф=ω_фm/r — добротность фазоинвертора.

Рис. 53. Семейство частотных характеристик АС с ФИ (Q₀=0,1)

Здесь и на рис. 54, 55, 56 нанесены следующие кривые: 1 — частотная характеристика соответствующей закрытой системы; 2 — частотные характеристики при настройке фазоинвертора на резонансную частоту готовки; 3 — при настройке фазоинвертора ниже на 1/3 октавы резонансной частоты головки; 4 — при настройке фазоинвертора выше на 1/3 октавы резонансной частоты головки; 5 — при расстройке фазоинвертора ниже на 2/3 октавы резонансной частоты головки; 6 — при расстройке фазоинвертора выше на 2/3 резонансной частоты головки.

Следовательно, работа АС с ФИ определяется добротностью применяемой головки, объемом оформления и настройкой фазоинвертора при условии поддержания добротности фазоинвертора Q_ф>10.

Как видно, выражение (44) довольно громоздко. Поэтому для облегчения нахождения результатов на рис. 53—56 приводятся наборы графических зависимостей (семейства частотных характеристик), построенных по выражению (43). Каждый рисунок выполнен для фиксированных значений Q и п для семейства кривых с различной расстройкой фазоинвертора относительно резонансной частоты головки.

Рис. 54. Семейство частотных характеристик АС с ФИ (Q₀=0,3). (Обозначения см. на рис. 53)

Рис 55. Семейство частотных характеристик АС с ФИ (Q₀=0,5)

С помощью приведенных кривых могут быть решены различные задачи. Можно, например, задаться желаемой формой частотной характеристики АС и подобрать, исходя из нее, параметры головки и объем оформления. Можно по имеющейся головке и ориентировочному объему оформления определить целесообразность и возможность применения именно этого вида оформления. Отметим, что для более точного расчета следует пользоваться выражением (44). По этим же кривым можно определить сравнительную (с соответствующим закрытым оформлением) чувствительность АС с ФИ.

Рис. 56. Семейство частотных характеристик АС с ФИ (Q₀=0,767)

Заметим, однако, что для расчета АС с ФИ кроме знания параметров головки и оформления необходимо также уметь рассчитывать параметры трубы фазоинвертора с точки зрения допустимости активных потерь в ней.

Экспериментальные исследования авторов позволили найти эмпирическую зависимость значения активных потерь от параметров трубы (D — диаметр трубы, I — длина трубы), на основе которой получены следующие выражения:

где f_ф — резонансная частота фазоинвертора (контура ms) определяется по 2-кривым для фазоинвертора как частота провала на ω_ф между пиками на частотах ω₁ и ω₂ (см. рис. 51). По этой же кривой можно также контролировать значения Q_ф. Если Q_ф>10, то пики на этих кривых будут примерно одинаковы по высоте и их уровень по отношению к уровню провала будет большим. Модуль величины Q_ф может быть определен численно с помощью z-кривых по выражению

где α=(f²_2-f²_ф)(f²_ф-f²₁)/(f²_1-f²₂), z=z₀/R (по рис. 26), Z_ф-r/R (по рис. 51).

В заключение рассмотрим несколько конструкций АС с ФИ. На рис. 57 показан внутренний вид АС объемом 90л (780 X 460 X 250 мм).

Рис. 57. Конструкция АС с ФИ (вид со снятой задней стенкой)

Диаметр низкочастотной головки 320 мм, диаметр трубы фазоинвертора 70 мм, его длина 100 мм. Резонансная частота 30 Гц.

На рис. 58 показан вид со стороны передней панели со снятой декоративной сеткой АС фирмы Akai (Япония) (внутренний объем 60 л, диаметр отверстия фазоинвертора 75 мм, номинальный диапазон частот 25 Гц—21 кГц).

Рис. 58. Акустические системы с фазоинвертором фирмы Akai (Япония): а — с головками прямого излучения; б — с рупорной головкой (высокочастотной); в — отдельно рупорная и низкочастотная головки

На рис. 59 показана конструкция АС фирмы Hitachi (Япония).

Рис. 59. АС с ФИ фирмы Hitachi (Япония)

Кроме высокочастотной 1, среднечастотной 2, низкочастотной 3, в корпусе имеется еще одна низкочастотная головка 4, укрепленная на горизонтальной панели, причем головка непосредственно не излучает в окружающее пространство, а излучение происходит через фазоинверторное отверстие 5 на его резонансной частоте.

На рис. 60 показана большая комбинированная АС фирмы Altec Lansing (США) с фазоинверторным отверстием прямоугольной формы в нижней части корпуса.

Рис. 60. АС с ФИ фирмы Altec Lansing (США)

Высокочастотное звено выполнено в виде секционного рупора, низкочастотная головка, кроме того, также нагружена на рупор.

Пример расчета

Пусть имеется головка 50ГД-4 (f₀ = 25 Гц, Q = 0,3, V_э = 150 л, d_э.ф = 25 см), Q_ф = 20.

Необходимо найти параметры АС с ФИ для максимально ровной частотной характеристики в области низких частот.

Рассмотрим рис. 53 для случая Q₀ = 0,3. Как видно, при п = 0,5 получаем частотные характеристики с большой неравномерностью и, кроме того, объем оформления при этом значителен (V=300 л). При п = 1,0, т. е. когда внутренний объем оформления равен 150 л, кривые наиболее приемлемые, но необходимо еще сделать выбор относительно настройки ФИ. Можно выбрать кривую, соответствующую настройке ФИ на частоту на 1/3 октавы ниже резонансной частоты головки, т. е. на 20 Гц. Частотная характеристика АС в этом случае равномерно понижается в область низких частот со спадом 3 — 4 дБ до частоты f_о. При необходимости расширить частотную характеристику в область более низких частот следует выбрать кривую, соответствующую настройке ФИ на частоту на 2/3 ниже резонансной частоты головки, т. е. на частоту 16 Гц. В этом случае частотная характеристика равномерно понижается со спадом 7 — 8 дБ до частоты 0,65f_о. Эти две кривые наиболее приемлемы. Можно рассмотреть кривые при n=2, т. е. когда внутренний объем равен 75 л, но полученные результаты будут значительно скромнее.

Итак, выбираем кривую, которая соответствует АС с ФИ со следующими параметрами: f_ф=20 Гц, V=150л.

Далее определим параметры трубы фазоинвертора:

Проверим, не превышает ли длина трубы фазоинвертора конструктивно допустимого значения.

Если принять внутренние размеры оформления равными 0,8 х 0,5 x 0,37 м³, то видно, что длина трубы не превышает конструктивно-допустимого значения. По критерию l < λ_н < 12 длина трубы также допустима, так как в рассмотренном случае λ_н < 12 = 1,42 м.