Интернет журныл о промышленности в Украине

Фазоинвертор не на папері. Завдання з трубами. Журнал "Автозвук"

Такі завдання виникають у дітей, у дорослих і у олігархів.Першим задають, у других горять, треті - контролюють.Всі ці вирішуються відомими методами, ми підемо далі.

Зберегти і прочитати потім - Зберегти і прочитати потім -

Закономірним фіналом саги про фазоінвертора будуть практичні аспекти його втілення в життя. Ключовим елементом тут стає саме труба, вона ж - тунель, вона ж в результаті рабської транслітерації з англійської - порт. Саме вона, труба, дозволить реалізувати на практиці два основних параметри, що визначають акустичний вигляд задуманого фазоінвертора: обсяг корпусу і частота його налаштування. Ці дві величини, одна в літрах, друга - в герцах, стають результатом якого самостійного розрахунку, або проходження раніше зробленим калькуляциям. Їх джерелом можуть бути виробники динаміка, наші тести або ж поради фахівців, засновані на їхній практиці. У всіх трьох випадках буває, що даються готові розміри тунелю, що забезпечують настройку відомого обсягу на потрібну частоту, але, по-перше, не кожен раз, а по-друге, сліпе копіювання не завжди можливо і завжди непохвально. Так що більш загальної і набагато продуктивнішою буде така постановка задачі: відомі обсяг і частота, а питання про їх фізичної, в матеріалі, реалізації станемо вирішувати самодіяльно. Частина історії буде організована за принципом питань і відповідей: номенклатура питань відома, в редакційній пошті вони повторюються з регулярністю, що дає привід для статистичних викладок, які так любить наш тестовий департамент. Не стану віднімати у них улюблену іграшку, у нас - свої. Отже, що спочатку, розраховуємо тунель або купуємо трубу, якою цим тунелем належить стати? За ідеєю треба спочатку купити - труби буває не будь-якого діаметру, а з деякого ряду значень, якщо брати готові, а не накручувати самому з паперу на клею, як піонер з гуртка юного космонавта. Але почати доведеться все ж з хоча б грубою прикидки, і справа тут в тому, що ...

Товщина має значення

Якщо тунель дійсно труба (є ж і варіанти), якою вона має бути в діаметрі? Самий загальний і самий грубий відповідь: чим більше, тим краще. Рада дійсно радикальний і може викликати протестну реакцію: а якщо я візьму і зроблю тунель діаметром удвічі більше динаміка? Чи не візьмете і не зробите, як би не старалися, про це більше ста років тому подбав хтось Герман Гельмгольц, резонатором імені якого фазоинвертор і є, а пізніше - творці автомобілів, які зробили їх за габаритами менше існували в той час паровозів. Отже, по порядку, чому більше і чому щось цей процес зупинить.

Під час роботи поблизу частоти настройки, де, власне, і виконує свої функції тунель фазоінвертора, додаючи від себе до звукових хвиль, що породжується коливаннями дифузора, всередині тунелю рухається повітря. Рухається колебательно, туди-сюди. Обсяг рухомого повітря - точно такий же, який під час кожного коливання приводиться в рух дифузором, він дорівнює добутку площі дифузора на його хід. Для тунелю цей обсяг - твір площі перерізу на хід повітря всередині тунелю. Площа перетину реально завжди менше площі дифузора (якщо хто ще не відмовився від загрози зробити такий же, а то і більше, скоро нікуди не подінуться і відмовляться), і, щоб перемістити такий же обсяг, повітрю треба рухатися швидше, швидкість в тунелі зі зменшенням діаметра зростає пропорційно зменшенню площі його перетину. Чим це погано? Всім відразу. Перш за все тим, що модель резонатора Гельмгольца, на якій все засновано, передбачає, що втрати енергії на тертя повітря об стінки тунелю відсутня. Це, зрозуміло, ідеальний випадок, але чим далі ми від нього відійдемо, тим менше робота фазоінвертора буде походити на те, чого ми від нього очікуємо. А втрати на тертя в тунелі тим вище, чим більше швидкість повітря всередині. Теоретично формула, та й нескладна програма, на ній заснована, цих втрат не враховує і покірно видасть вам розрахункову довжину тунелю при діаметрі хоч в палець, але працювати такий фазоинвертор не буде, все помре в завихреннях повітря, що намагається стрімко літати по тісній тунелю взад вперед. Текст колись баченого мною агітаційного плаката ДАІ «Швидкість це смерть» до руху повітря в тунелі підходить безумовно, якщо смерть віднести до ефективності фазоінвертора.

Втім, набагато раніше, ніж фазік загине як засіб звуковідтворення, він стане джерелом звуків, для яких не призначений, вихори, що виникають при надмірно високій швидкості руху повітря, створять струменеві шуми, що порушують гармонію басових звуків самим безсовісним і неестетичним чином.

Що слід прийняти за мінімальне значення площі перерізу тунелю? У різних джерелах ви знайдете різні рекомендації, далеко не всі з них авторами були коли-небудь випробувані хоча б шляхом обчислювального експерименту, про інших вже не говоримо. Як правило, в такі рекомендації закладаються дві величини: діаметр дифузора і максимальна величина його ходу, то саме Xmax. Це розумно і логічно, але в повній мірі відноситься лише до роботи сабвуфера на граничному режимі, коли про якість звучання говорити вже трохи пізно. Грунтуючись на численних практичних спостереженнях, можна взяти на озброєння куди більш просте правило, воно не бездоганна і не зовсім універсально, але працює: для 8-дюймової головки тунель повинен бути не менше 5 см в діаметрі, для 10-дюймової -

7 см, для 12-ти і більше - 10 см. Чи можна більше? Навіть потрібно, але ось саме зараз нас дещо зупинить. А саме - довжина тунелю. Справа в тому що...

Довжина має значення

Як і було сказано, її скомандує великий Герман фон Гельмгольц. Ось він, у дошки в Гейдельберзькому університеті, а на дошці - та сама формула. Ну ладно, в цей раз її написав я, але придумав - він і написав би точно так же. Ця нехитрий, оскільки виведена для ідеального випадку, залежність показує, якою буде частота резонансу якоїсь порожнини (нам звичніше ящик, хоча Герман фон робив такі собі бульбашки з трубами-хвостиками) в залежності від обсягу V, довжини L і площі перетину хвостика. Зверніть увагу: параметрів динаміка тут немає, і було б дивно, якби вони були. У будь-якому випадку корисно запам'ятати і ніколи не піддаватися на провокації: настройка фазоінвертора повністю і вичерпно визначається розмірами ящика і характеристиками тунелю, що сполучає цей ящик з навколишнім середовищем. Крім цього в формулу входять тільки швидкість звуку в атмосфері планети Земля, позначена «з», і число «пі», яке не залежить навіть від планети.

Для практичних цілей, а саме - обчислення довжини тунелю за відомими даними, формулу легко перетворити, згадавши рідну школу, а константи підставити у вигляді чисел. Це робили багато. Багато ж публікували результати цього хвилюючого процесу, і автору трохи дивно, як можна було видовищно тися при операції з трьома-чотирма числами. Загалом, третина опублікованих на папері і в Мережі перетворених формул незбагненним чином є ахінеєю. Правильна наводиться тут, якщо підставляти величини в показаних чорним одиницях.

Ця ж формула плюс деякі поправки закладена і в усі відомі програми з розрахунку фазоінверторів, але прямо зараз формула для нас зручніше, все на виду. Дивіться: що буде, якщо замість мінімалістського тунелю поставити інший, просторіше (і тому краще)? Потрібна довжина зросте пропорційно квадрату діаметра (або пропорційно площі, але ж ми трубу-то зібралися по діаметру купувати, по-іншому не продають). Перейшли від 5-сантиметрової труби до 7-сантиметрової, це наприклад, довжина при тій же налаштування знадобиться вдвічі більше. Перейшли на 10 см - вчетверо. Біда? Поки - півбіди. Справа в тому що...

Калібр має значення

Біда зараз буде. Ще раз дивимося на формулу, на цей раз - в знаменник, фокусуйте зір. При всіх інших рівних довжина тунелю тим більше, чим менше обсяг ящика. Якщо для того, щоб налаштувати на 30 Гц 100-літровий об'єм, маючи в розпорядженні 100-міліметрову сантехнічну трубу, треба открижіть і вклеїти в ящик відрізок говнопровода протяжністю 25 сантиметрів, то при обсязі ящика 50 л це буде півметра (що вже не менше, ніж півбіди), і при досить поширених 25 л тунель такої товщини повинен буде мати метрову довжину. Це вже біда, без варіантів.

У наших, практичних умовах обсяг ящика в першу чергу визначається параметрами динаміка, і в силу причин, читачам цієї серії вже добре відомих, для головок калібру 8 дюймів оптимальний обсяг рідко перевищує 20 л, для «десяток» - 30 - 40, лише коли справа доходить до 12-дюймового калібру, ми починаємо мати справу з обсягами близько 50 - 60 л, і то не завжди.

Ось і виходить якийсь парад суверенітетів: частота настройки ФМ визначається тим басом, який ми від нього хочемо отримати, якби він був на «вісімці» або на «п'ятнашки» - не важливо. А частота настройки ящика знову не залежить від динаміка, чим менше обсяг, тим довше подавай тунель. Підсумок параду: як ми неодноразово зауважували в тестах малокаліберних сабвуферов, бажаний і багатообіцяючий варіант оформлення в ФМ фізично неможливо (або важко) реалізувати. Навіть якщо не шкода місця в багажнику, не можна обсяг ящика ФИ робити більше оптимального, а оптимальний нерідко виявляється настільки малий, що налаштувати його на інваріантну до інших факторів частоту 30 - 40 Гц немислимо. Ось приклад з недавнього тесту 10-дюймових сабвуферних головок ( «А3» №11 / 2006): якщо взяти за аксіому діаметр труби 7 см, то для того, щоб зробити фазоинвертор на голівці Boston, знадобився б її шматок завдовжки 50 см, для Rainbow - 70 см, А для Rockford Fosgate і Lightning Audio - близько метра. Порівняйте з рекомендаціями в тесті цього номера, що відносяться до 15-дюймовим голівках: ні в однієї таких проблем не відзначено. Чому? Чи не через динаміка, як такого, а через початкового об'єму, обраного за параметрами динаміка. Що робити? Зустрічати біду у всеозброєнні. Зброя нам викували покоління фахівців (і не тільки). Знаєте, в чому тут справа?

Форма має значення

Ви навряд чи могли не помітити: я дуже люблю копатися в патентах, оскільки вважаю, нехай дорога від винаходу до реального життя не настільки вже коротка, патент - відображення думки у вигляді вектора, тобто - з урахуванням напрямку. Більшість новацій, запропонованих (і неухильно пропонованих) невтомними розумами відносно фазоінвертора, сконцентровано на боротьбі з двома заважають факторами: довжина тунелю, коли його перетин великий, і струменеві шуми, коли його перетин, прагнучи скоротити довжину, спробували зменшити. Перше, найпростіше рішення, про допустимість якого нас запитують в редакційній пошті раз по п'ять на місяць: чи можна тунель помістити не всередину ящика, а зовні? Ось відповідь, остаточний, фактичний і справжній, як папір на квартиру професора Преображенського: можна. Хоч частково, хоч цілком, всередину ящика тунель запхнули винятково з естетичних міркувань, у фон Гельмгольца він стирчав зовні, і нічого, він це пережив. Та й сучасність наша дає приклади: ось, скажімо, ветерани car audio не можуть не пам'ятати (багато, чесно кажучи, не можуть забути) «басові труби» фірми SAS Bazooka. Адже вони почалися з патенту на сабвуфер, який зручно помістити за сидінням вантажівки - улюбленого транспорту американців. Для цього винахідник простягнув трубу фазоінвертора уздовж корпусу зовні, заодно вже надавши її розпластану по поверхні циліндричного корпусу форму. Це - один приклад, є інший: деякі фірми, що випускають вбудовані сабвуфери для домашніх кінотеатрів, виводять назовні трубу-тунель смугового сабвуфера-Бандпасс. Тип сабвуфера в даному випадку значення не має: це той же резонатор імені самі знаєте кого. Ще одне рішення теж, судячи з листів, шукають, але побоюються. «Чи можна гнути тунель?» Відповідь - в стилі Пилипа Пилиповича і очевидний. Інакше не випускали б відразу кілька компаній (DLS, JL Audio, Autoleads, etc. etc.) гнучкі труби спеціально для цієї мети. А в області патентної документації є навіть цікава підказка, як можна цю задачу вирішити не без витонченості і матеріальної економії: була свого часу запропонована конструкція модельного тунелю, який би збирався з типових елементів в будь-якої бажаної формі, ілюстрація повідає про решту. Від себе додам: велика частина зображених в патенті деталей зворушливо нагадує номенклатуру елементів каналізаційних мереж місцевого значення, що і є практичним рецептом впровадження інтелектуального ексцесу американського винахідника.

Борючись з недоречною довжиною тунелю, часто йдуть по шляху будівництва так званих «щілинних портів», їх гідність - в конструктивній інтеграції з корпусом, що дозволяє, при відомому уяві, зробити тунель досить протяжним, на схемі, що додається - відразу кілька варіантів, яким питання, зрозуміло, далеко не вичерпується (три верхніх ескізу належать перу відомого хай-ендщіка Олександра Клячина, інше було справою техніки).

Недолік же щілин - в труднощі підгонки довжини, це не сантехнічний ПВХ - махнув пилкою, і справа в капелюсі. Але є рішення і тут: не так давно один з героїв рубрики «Своя гра» перм'як Олександр Султанбек (не гріх зайвий раз нагадати країні імена її героїв) продемонстрував на практиці, як можна налаштовувати щілинний порт, змінюючи його перетин при незмінній довжині, він це робив, укладаючи всередину фанерні проставки, як показано на фото десь поблизу, пошукайте.

У згортанні тунелю фазоінвертора деякі світлі розуми дійшли до крайнощів: один світлий запропонував, наприклад, згорнути тунель у вигляді спіралі навколо циліндричного корпусу гучномовця, інший на хитру формулу Гельмгольца відповів тунелем-гвинтом, така концепція нам тут, в Росії, знайома ...

Але взагалі-то всі ці рішення (навіть з гвинтом) - лобові, тут тунель незмінною довжини просто прилаштовується або складається так, щоб не заважав. Відомі (і навіть продаються в товарних кількостях) реалізації іншого принципу. Тут справа ось в чому.

Перетин має значення

Чи не площа, як така, а характер її зміни по довжині тунелю. До сих пір ми, ведені вченням фон Гельмгольца в його найпростішій, шкільній формі, вважали неодмінною, що поперечний переріз тунелю постійно. А знайшлися люди, які це умова порушили і навіть нажили на цьому грошей.

Досвідчені читачі пам'ятають, наприклад, статтю нашого італійського колеги професора Матараццо, де він пропонує ефективні рішення щодо скорочення довжини тунелю шляхом надання йому конічної або двічі конічної, як пісочний годинник, форми. У «А3» №10 / 2001 розрахунки за програмами професора наведені у вигляді таблиць, а самі програми сеньйор недавно на наше прохання знайшов і прислав. На час виходу цього номера з друку ми їх викладемо на сайт в розділі «Додатки». Правда, вихідний код розсіяний професор втратив безповоротно, так що програми залишаються на італійському, якщо хто знає, як перевести, не маючи коду, приймемо допомогу з вдячністю.

А поки відзначимо: в своїх дослідженнях професор і не перший, і не єдиний. На цьому напрямку відбувалися навіть цілі трагедії. Давні читачі журналу, можливо, пам'ятають замітку в «А3» №2 / 2003 про судовий позов з приводу тунелю фазоінвертора, не настільки давнім нагадаю: корпорація Bose доглянула, що інша корпорація, JBL, використавши в своїх колонках тунелі фазоінвертора з криволінійною твірною, названі Linear-A, тяжко зазіхнула на інтелектуальну власність Bose Corp. На доказ був приведений патент США, де згадувалося, в числі іншого, що непогано було б тунель зробити з еліптичної утворює, він тоді буде і коротше, і тихіше з точки зору струменевих шумів. Даремно JBL намагалася пояснити суду, що у Bose еліпс, а у JBL - експонента. Суд пояснив, що еліпси-шмелліпси - справа десята, а колонок продали багато, бухгалтерія Bose порахувала: нажива JBL склала 5676718 доларів і 32 центи, що і пропонувалося внести в касу скривдженої сторони. Занесли як миленькі, включаючи мідяки, а у всіх колонках тунелі помінялися на інші, FreeFlow, типу - поліпшена модель. Ось як буває ...

Відхід від циліндра як форми тунеля пропонувалі дуже и дуже много. Хто - в стилі Матараццо з варіаціямі, хто - в скромному, локальному масштабі, обмежуючісь Надання кріволінійніх обводів кінців ціліндрічного тунель з метою зниженя струменевим шумів від завихрень. Найбільш же радикально засіб БОРОТЬБИ и з довжина, и з шумами НЕ только придумавши, но и ексклюзивно корістується ним уже не один рік Меттью Полк, Засновник компании свого імені. Суть пристрою під назвою PowerPort така: частина функцій тунелю бере на себе одна чи дві, на кожному кінці труби, кільцева щілина між стінкою ящика і поставленим на строго розрахованій відстані від неї «грибком», втім, на малюнку все видно. Такими тунелями забезпечуються практично всі домашні гучномовці Polk Audio. І якщо тільки хто зазіхне, плакали його 32 цента плюс ще дещо. Для себе ж, улюблених, ніхто не заборонить таку штуку спробувати, тим більше що колись давно Полк виклав на свій корпоративний сайт таблицю в «Ексель», по якій можна все розрахувати, я її тоді ж з цього сайту попер (отримавши на це пізніше, заднім числом, благословення автора - я ж не з метою наживи) і навіть переклав супровідні інструкції на великий і могутній, це все лежить у нас на сайті.

A propos, і праці професора Матараццо, і революційна розробка Меттью Полка нагадують нам ось про що: гимназическая формула Гельмгольца, крім іншого, не враховує дуже істотний для практики ефект: у величезній більшості випадків (практично - завжди) один з кінців тунелю прилягає до стінки корпусу сабвуфера, це стосується як круглих труб, відпиляних врівень зі стінкою, так і труб, забезпечених аеродинамічній законцовкой, а в ще більшому ступені - щілинних портів, що приліпилися до стінки. Близькість стінки створює кінцевий ефект, що нагадує те, чого навмисно домагався автор PowerPort - віртуального подовження тунелю. Тому-то до формули, безпосередньо виробленої з праць фон Гельмгольца сучасні прикладні фахівці радять вводити поправку, чисто емпіричну, але від того не менш потрібну, вона виділена червоним, щоб було ясно, де класик XIX століття, а де - практика XX.

А взагалі-то, друзі дорогі, пора братися за справу, не вік же в папірцях копатися. Справа-то якраз в цьому ...

Справа-то якраз в цьому

До питання про товщину: проштовхуючи той же об'єм повітря через більш тісний тунель, його доведеться розганяти до більш високої швидкості. А «швидкість - це смерть»

А «швидкість - це смерть»

Гельмгольц написав би свою формулу точно так же, просто в той момент не було фотографа

Гельмгольц написав би свою формулу точно так же, просто в той момент не було фотографа

Остаточна і фактична формула, що замінює комп'ютерну програму. Вона правильна, перевірили неодноразово. Сенс виділеного червоним «хвостика» буде пояснений в тексті

Сенс виділеного червоним «хвостика» буде пояснений в тексті

Чи може тунель перебувати зовні ящика? Так ціла фірма на цьому побудувала свій бізнес, патент на зручний для розміщення сабвуфер був розтиражований стогін тисяч басових труб SAS Bazooka. А виробники вбудованих сабвуферів для домашніх театрів взагалі не паряться ...

А виробники вбудованих сабвуферів для домашніх театрів взагалі не паряться

Чи можна тунель залишити всередині, але зігнути як зручніше? Ось вам відповідь

Ось вам відповідь

Екзотичні, відчайдушні рішення: згорнути тунель спіраллю або гвинтом

Екзотичні, відчайдушні рішення: згорнути тунель спіраллю або гвинтом

Щілинний тунель інтегрований з ящиком, від цього його можна зробити довше звичайного, «вставного», підганяти довжину, правда, набагато важче ...

Щілинний тунель інтегрований з ящиком, від цього його можна зробити довше звичайного, «вставного», підганяти довжину, правда, набагато важче

Значить, треба підганяти не довше, а перетин: ось як це робив один житель столиці Пермського краю

Значить, треба підганяти не довше, а перетин: ось як це робив один житель столиці Пермського краю

Відхід від циліндричної форми тунелю пропонувався і для скорочення його довжини, і у вигляді локальної «аеродинамічній обробки», для зниження струменевих шумів

Відхід від циліндричної форми тунелю пропонувався і для скорочення його довжини, і у вигляді локальної «аеродинамічній обробки», для зниження струменевих шумів

Найефектніша рішення в цій області: PowerPort Меттью Полка. Винахід не залишилося на папері, воно - складова частина майже всієї акустики Polk Audio

Підготовлено за матеріалами журналу "Автозвук", лютий 2007 р www.avtozvuk.com

Отже, що спочатку, розраховуємо тунель або купуємо трубу, якою цим тунелем належить стати?
Рада дійсно радикальний і може викликати протестну реакцію: а якщо я візьму і зроблю тунель діаметром удвічі більше динаміка?
Чим це погано?
Що слід прийняти за мінімальне значення площі перерізу тунелю?
Чи можна більше?
Дивіться: що буде, якщо замість мінімалістського тунелю поставити інший, просторіше (і тому краще)?
Біда?
Чому?
Що робити?
Знаєте, в чому тут справа?