Нестеренко Д. О. Исследование и конструирование сабвуфера

Целью написания этой статьи является попытка разобраться в различных конструкциях утранизкочастотных акустических систем (сабвуферов) и в частности их автомобильного сегмента. Аналогичные разрабатываемому сабвуферу продукты в Донецке либо имеют высокую стоимость, либо являются не вполне качественными.

Таким образом, задачей исследования является создание простой в изготовлении и невысокой по цене низкоочастотной акустической системы, обладающей высоким К.П.Д. при минимальных искажениями сигнала.

Басовые динамики требуют правильного выбора и точного расчета среды, в которой они будут функционировать. В зависимости от типа акустического оформления могут варьироваться параметры головки: мощность, диапазон частот и, в известном смысле – цена.

Рис. 1 – Акустический экран

Рис. 2 – Закрытый ящик

Рис. 3 – Фазоинвертор

Рис. 4 – Громкоговоритель с пассивным излучателем

Рис. 5 – Полосовой громкоговоритель (4-го порядка)

Рис. 6 – Полосовой громкоговоритель (6-го порядка)

Рис. 7 – Квазиполосовой громкоговоритель

Рис. 8 – Трехкамерный полосовой громкоговоритель (4-го порядка)

Рис. 9 – Трехкамерный полосовой громкоговоритель (4-го порядка)

Рис. 10 – Акустический лабиринт

Рис. 11 – Свернутый рупор

Рис. 12 – Апериодическая нагрузка (акустическое сопротивление)

Задача любого низкочастотного акустического оформления решается по древнему принципу "разделяй и властвуй". "Разделяй" означает, что колебания, излучаемые одной стороной диффузора должны быть чем-то отделены от колебаний, создаваемых обратной его стороной, одновременно и в противофазе с первыми. "Властвуй" означает, что с отсеченными таким образом "лишними" звуковыми волнами можно поступить по разному.

Исторически первым акустическим оформлением был акустический экран. Он «держит оборону», не пуская колебания с одной стороны диффузора на другую и не давая им взаимно уничтожиться вплоть до частот, на которых кратчайшее расстояние между лицевой и обратной стороной диффузора станет сопоставимо с длиной полуволны излучаемой частоты. А ниже этой частоты акустический экран «расписывается в полном неумении» и предоставляет противофазным волнам гасить друг друга, как им заблагорассудится. Для пресечения акустического короткого замыкания на частоте, скажем, 50 Гц, щит должен иметь размер 3 х 3 метра. Поэтому этот вид акустического оформления практическое значение давно утерял, хотя и используется до сих пор в качестве эталонного при измерении параметров динамиков.

Конструктивно простейшее акустическое оформление из практически применяемых- закрытый ящик (sealed или closed в зарубежной терминологии). Здесь с ненужными колебаниями поступают решительно и круто: запертые в замкнутом пространстве позади диффузора, они рано или поздно угаснут, и превратятся в тепло. Количество этого тепла мизерно, но в мире акустики все носит характер малых возмущений, поэтому то, как происходит этот термодинамический обмен, небезразлично для характеристик акустической системы. Если позволить звуковым волнам внутри корпуса громкоговорителя «болтаться без присмотра», значительная часть энергии будет рассеяна на содержащемся внутри корпуса объеме воздуха, он, пусть и незначительно, нагреется и изменится упругость воздушного объема, причем в сторону повышения жесткости. Для того чтобы этого не происходило, применяют заполнение внутреннего объема звукопоглощающим материалом. Поглощая звук, этот материал (обычно вата, натуральная, синтетическая, стеклянная или минеральная), поглощает и тепло. Из-за существенно большей, чем у воздуха, теплоемкости звукопоглощающих волокон повышение температуры становится намного меньше и динамику «кажется», что позади него существенно больший объем, нежели на самом деле. На практике таким способом удается добиться увеличения «акустического» объема по сравнению с геометрическим на 15 - 20%.

Разновидностью этого типа акустического оформления является так называемый «бесконечный экран». В англоязычных источниках такой тип оформления называют infinite baffle или free-air. Все приведенные названия одинаково дезориентируют. Мы все тут взрослые люди и понимаем, что бесконечного экрана на практике быть не может. На самом деле бесконечным экраном принято считать закрытый ящик с объемом настолько большим, что упругость заключенного внутри него воздуха значительно меньше упругости подвески диффузора, так что динамик эту упругость просто «не замечает» и характеристики акустической системы определяются только параметрами головки. Где проходит та граница, начиная с которой объем ящика становится как бы бесконечным, зависит от параметров динамика.

При всей простоте закрытого ящика как акустического оформления низкочастотного звена акустики, это решение обладает многими достоинствами, отсутствующими у других, более мудреных конструкций.

Во-первых, простота расчета характеристик. У закрытого ящика есть всего один параметр – внутренний объем. Уж один-то можно правильно выбрать, если постараться! Поле для ошибок здесь сведено к минимуму.

Во-вторых, во всем диапазоне частот, вплоть до нуля, колебания диффузора сдерживаются упругой реакцией воздушного объема внутри ящика. Это существенно снижает вероятность перегрузки динамика и его механических повреждений. Не знаю, насколько утешительно это звучит, но у заядлых любителей баса динамики в закрытых ящиках, бывает, горят, но практически никогда не «выплевываются».

В-третьих, только закрытый ящик является акустическим фильтром второго порядка, то есть имеет спад АЧХ ниже частоты резонанса системы головка-ящик крутизной 12 дБ/окт. А именно такой крутизной, только в противоположным знаком, обладает АЧХ внутреннего объема салона автомобиля, ниже некоторой частоты. Если угадать, рассчитать или измерить (как кому доведется) - появляется возможность получить идеально горизонтальную частотную характеристику на нижних частотах.

В-четвертых, при грамотном выборе параметров головки и объема для нее закрытый ящик не имеет себе равных в области импульсных характеристик, в значительной мере определяющих субъективное восприятие басовых нот.

Естественный вопрос теперь - так в чем же подвох? Если все так хорошо, зачем нужны все остальные типы акустического оформления?

Подвох один-единственный. К.П.Д. У закрытого ящика он – наименьший по сравнению с любым другим типом акустического оформления. При этом, чем меньше нам удастся сделать объем ящика, при сохранении того же рабочего частотного диапазона, тем меньше будет его эффективность. Нет более ненасытной твари в смысле подводимой мощности, чем закрытый ящик малого объема, поэтому-то динамики в них, как и было сказано, хоть и не выплевываются, но горят нередко…

Следующий по распространенности тип акустического оформления – фазоинвертор (ported, vented, bass-reflex), более гуманен по отношению к излучению тыловой стороны диффузора. В фазоинверторе часть энергии, которая в закрытом ящике «ставится к стенке» используется в мирных целях. Для этого внутренний объем ящика сообщается с окружающим пространством тоннелем, заключающим в себе некоторую массу воздуха. Величина этой массы выбирается таким образом, чтобы, в сочетании с упругостью воздуха внутри ящика создать вторую колебательную систему, получающую энергию от тыльной стороны диффузора и излучающую ее куда нужно и в фазе в излучением диффузора. Такой эффект достигается в не очень широком диапазоне частот, от одной до двух октав, но в его пределах к.п.д. существенно возрастает, по принципу «нет отходов – есть неиспользованные ресурсы». Помимо более высокого к.п.д. фазоинвертор обладает еще одним важнейшим достоинством – вблизи частоты настройки значительно уменьшается амплитуда колебаний диффузора. Это может на первый взгляд показаться парадоксом – как наличие здоровенной прорехи в корпусе громкоговорителя может сдержать движение диффузора, но тем не менее это – факт жизни. В своем рабочем диапазоне фазоинвертор создает для динамика совершенно тепличные условия, причем точно на частоте настройки амплитуда колебаний минимальна, а большая часть звука излучается тоннелем. Допустимая подводимая мощность здесь максимальна, а искажения, вносимые динамиком – наоборот, минимальны. Выше частоты настройки тоннель становится все менее и менее «прозрачным» для звуковых колебаний, за счет инерции заключенной внутри него воздушной массы, и громкоговоритель работает как закрытый. Ниже частоты настройки происходит обратное: инерция тоннеля постепенно сходит на нет и на самых низких частотах динамик работает практически без нагрузки, то есть как будто его вынули из корпуса. Амплитуда колебаний быстро возрастает, а вместе с ней и риск «выплевывания» диффузора или повреждения звуковой катушки от удара о магнитную систему. В общем, если не предохраняться, поход за новым динамиком становится реальной перспективой.

Средством предохранения от таких неприятностей, помимо осмотрительности в выборе уровня громкости, служит использование фильтров инфранизких частот. Отрезая часть спектра, где все равно никакого полезного сигнала не содержится (ниже 25 - 30 Гц), такие фильтры не дают диффузору идти в разнос с риском для собственной жизни и Вашего бумажника.

Фазоинвертор существенно более капризен к выбору параметров и настройке, поскольку выбору, под конкретный динамик, подлежат уже три параметра: объем ящика, поперечное сечение и длина тоннеля. Тоннель очень часто делают так, чтобы у уже готового сабвуфера можно было регулировать длину тоннеля, меняя частоту настройки.

Из-за наличия двух взаимосвязанных колебательных систем фазоинвертор является акустическим фильтром четвертого порядка, то есть его АЧХ теоретически имеет спад 24 дБ/окт ниже частоты настройки (реально – от 18 до 24). Получить горизонтальную АЧХ при установке в салоне практически невозможно. В зависимости от соотношения размера салона (а, стало быть, характерной частоты, с которой начинается подъем АЧХ внутренней акустики) и частоты настройки фазоинвертора суммарная характеристика может иметь отклонения от деликатного горба до безумных Амурских волн. Горб, то есть плавный подъем АЧХ на низших частотах часто бывает как раз тем, что надо для оптимального субъективного восприятия басов в зашумленном пространстве, а вот резкие перепады амплитуды при неудачном выборе параметров снискали фазоинвертору, совершенно незаслуженно, прозвище boom-box («бухало»). Чтобы восстановить справедливость, заметим, что бухающего эффекта можно добиться и от закрытого ящика, а правильно рассчитанный фазоинвертор способен дать очень ясный и музыкальный бас при разумной подводимой мощности.

Разновидностью фазоинверторного оформления является громкоговоритель с пассивным излучателем (или радиатором). Иноязычные термины: passive radiator, drone cone. Здесь вторая колебательная система, позволяющая утилизировать энергию, снимаемую с задней стороны диффузора, реализована не в виде массы воздуха в тоннеле, а в виде второго диффузора, ни к чему не присоединенного, но утяжеленного до требуемой массы. На частоте настройки этот диффузор колеблется с наибольшей амплитудой, а основной – с наименьшей. С продвижением вверх по частоте они постепенно меняются ролями. До недавнего времени этот тип акустического оформления не находил применения в мобильных установках, хотя в домашних используется довольно часто. Причиной нелюбви были неоправданные хлопоты по добыванию второго диффузора (это, обычно, такой же динамик, но без магнитной системы и звуковой катушки) и трудности в размещении двух больших диффузоров там, где у обычного фазоинвертора надо разместить диффузор и небольшой тоннель. Однако в самое последнее время автомобильные сабвуферы с пассивным излучателем появились – нужда заставила. Дело в том, что в последнее время стали появляться динамики нового поколения с очень большим ходом диффузора, рассчитанные на работу в малых объемах. Объем «выдуваемого» ими при работе воздуха очень велик, и тоннель пришлось бы делать значительным в диаметре (иначе скорость воздуха в тоннеле возрастет настолько, что он будет шипеть как паровоз). А сочетание малого объема и большого диаметра тоннеля заставляет выбирать для тоннеля большую длину. Вот и оказалось, что фазоинверторы обычной конструкции для таких головок украсились бы трубами метровой длины. Чтобы избежать таких никому не нужных казусов, предпочли требуемую соколеблющуюся массу сосредоточить в пассивном излучателе с ходом диффузора, таким же, как и у активного динамика.

Третий тип сабвуфера, довольно часто используемый в автоустановках (хотя и реже, чем два предыдущих) – полосовой громкоговоритель (bandpass). Иногда встречается название «громкоговоритель с симметричной нагрузкой» (symmetric loading). Если закрытый ящик и фазоинвертор – акустические фильтры верхних частот, то полосовой, как и вытекает из названия – объединяет в себе фильтры верхних и нижних частот.

Простейший полосовой громкоговоритель – одинарный 4-го порядка (single reflex). Он состоит из закрытого объема, т.н. задней камеры и второго, снабженного тоннелем, как у обычного фазоинвертора (передняя камера). Динамик установлен в перегородке между камерами так, что обе стороны диффузора работают на полностью или частично замкнутые объемы – отсюда и термин «симетричная нагрузка».

Из традиционных конструкций полосовой громкоговоритель, в любом варианте – чемпион по эффективности. При этом эффективность прямо связана с шириной полосы пропускания. Частотная характеристика полосового громкоговорителя имеет вид колокола. Путем выбора соответствующих объемов и частоты настройки передней камеры, можно построить сабвуфер с широкой полосой пропускания, но органиченной отдачей, то есть колокол будет низким и широким, а можно - с узкой полосой и очень высоким к.п.д. в этой полосе. Колокол при этом вытянется в высоту.

Бандпасс – капризная штука в расчете и самая трудоемкая в изготовлении. Поскольку динамик закопан внутри корпуса, приходится идти на ухищрения по сборке ящика так, чтобы наличие съемной панели не нарушало жесткости и герметичности конструкции. Согласование частотных характеристик сабвуфера, салона и фронтальной акустики также связано с известной головной болью. Импульсные характеристики тоже не из лучших, в особенности при широкой полосе. Чем же это компенсируется?

Прежде всего, как уже говорилось – высочайшим к.п.д.

Во-вторых – тем, что весь звук излучается через тоннель, а динамик полностью закрыт. При компоновке такого сабвуфера открываются немалые возможности для установщика (или любителя) с фантазией. Достаточно найти небольшое местечко на стыке багажника и салона, где может разместиться жерло тоннеля – и путь мощнейшим басам открыт. Специально для таких установок фирма JLAudio, например, выпускает гибкие пластмассовые рукава-тоннели, которыми она предлагает (и многие соглашаются) соединять выход сабвуфера с салоном. Вроде шланга пылесоса, только толще и жестче.

Еще большей эффективностью обладают полосовые громкоговорители 6-го порядка с двумя тоннелями. Камеры такого сабвуфера настраиваются с разносом примерно в октаву. Двойной бандпасс обеспечивает меньшие искажения в рабочей полосе, поскольку динамик нагружен фазоинверторами с обеих сторон диффузора, со всеми преимуществами такой нагрузки, но имеет более крутой, по сравнению с одинарным, спад АЧХ ниже рабочей полосы.

Промежуточное положение занимает так называемый квазиполосовой громкоговоритель, он же – с последовательной настройкой, где задняя камера соединена тоннелем с передней, а передняя еще одним тоннелем - с окружающим пространством.

Трехкамерные полосовые громкоговорители представляют собой просто альтернативные конструктивные реализации обычных полосовых, и составлены из двух обычных, после чего убрана разделяющая их стенка.

Существует еще три варианта акустического оформления низкочастотной акустики, которые, однако, применения практически не находят. Первый из аутсайдеров – акустический лабиринт, где «отвод энергии» от тыльной стороны диффузора происходит по длинной трубе, обычно сложенной для компактности, но все равно увеличивающей габариты сабвуфера до пределов, недопустимых в мобильной установке.

Второй – экспоненциальный рупор, который для получения достаточно низкой граничной частоты должен иметь циклопические размеры, что делает редкостью его использование в низкочастотном звене даже в стационарных системах, где места побольше, чем в автомобиле.

Третий тип, имеющий единичные прецеденты применения – громкоговоритель с апериодической нагрузкой в виде сосредоточенного акустического сопротивления (aperiodic membrane). У нас раньше это называлось ПАС – панель акустического сопротивления. Идея заключается в том, что нагрузкой для диффузора является близкорасположенная полупроницаемая преграда, например, плотная ткань или слой стекловаты, зажатый между перфорированными панелями. Теоретически, такая нагрузка носит неупругий характер и, как амортизатор в автомобильной подвеске, гасит акустическую энергию, не влияя на резонансную частоту динамика. Но это – теоретически. А на практике наличие воздушного объема между динамиком и ПАС создавало такую мешанину характеристик и реакций, что результаты становились малопредсказуемы.

Итак, из беглого взгляда на основные типы акустического оформления ясно, что совершенства в мире нет. Любой выбор будет компромиссом. А чтобы существо компромисса стало яснее, давайте завершим эту заочную встречу как положено – подведением промежуточных итогов. Сравним рассмотренные варианты с точки зрения основных факторов, определяющих успех их использования в мобильной аудиоустановке.

Величина к.п.д., присущего тому или иному типу акустического оформления определяет, в конечном счете, насколько мощный усилитель понадобится для достижения требуемого уровня громкости, а заодно и насколько трудна будет жизнь динамика.

В наиболее важном с точки зрения воспроизведения информации басового регистра диапазоне частот 40 - 80 Гц места распределятся так: узкополосные полосовые громкоговорители – чемпионы в этом зачете, особенно – двухтоннельные 6-го порядка. За ними идут широкополосный двухтоннельный и обычный фазоинвертор. И наконец, самые охочие до подводимой мощности – закрытый ящик и широкополосный одинарный бандпасс.

В нижней октаве музыкального диапазона (30 - 80 Гц) все типы акустического оформления ведут себя прилично при небольших уровнях мощности. Фазоинвертор и полосовой громкоговоритель – несколько лучше других, но ненамного. А вот при больших мощностях соперники растягиваются вдоль дистанции. Наилучшие результаты здесь следует ожидать от двойного полосового громкоговорителя. За ним – одинарный полосовой и фазоинвертор. И замыкает цепь – закрытый ящик, дающий наибольшие искажения при больших амплитудах сигнала.

Точная передача фронтов басовых инструментов – едва ли не главное качество для басовой акустики. Немного проку в низких басовых потугах, если они будут смазанными и вялыми. В этом отношении закрытый ящик обещает наилучшие результаты (при правильном расчете). Переходные характеристики фазоинвертора могут быть очень достойными, но все же в среднем уступят закрытому оформлению. Одинарные полосовые громкоговорители имеют неплохие характеристики, которые, однако, ухудшаются с расширением полосы пропускания. Наихудшей реакцией на импульсный сигнал обладает двойной полосовой громкоговоритель, опять же, в особенности – широкополосный.

Работа сабвуфера должна быть, начиная с определенной частоты, перепоручена мидбасам фронтальной акустики. Для закрытого ящика и фазоинвертора это не проблема и конструктор системы обладает изрядной свободой в выборе частоты раздела полос, поскольку и эта частота и крутизна спада определяются внешними цепями. А вот узкополосные бандпассы часто обладают собственным спадом частотки уже начиная с 70- 80 Гц, где далеко не все мидбасы могут безболезненно подхватить песню. Требования к мидбасам при этом усложняются, да и работа с кроссовером проще не становится.

Сравнительная характеристики различных типов акустических конструкций (по 5-бальной шкале):

Приведём пример расчёта низкочастотной акустической системы. Для начала необходимо выбрать тип акустического оформления.

Требования, предъявляемые к создаваемой системе, таковы:

Исходя из этих требований и анализа типов акустического оформления, сделанного выше, было принято решение создать низкочастотную акустическую систему на базе фазоинвертора.

Базовым элементом для её создания стал низкочастотный динамик 12" Infinity Kappa 120.3se производства Infinity systems. В данном продукте применены следующие технологии:

В качестве инструментального средства моделирования акустической системы была выбрана программа BassBox 6 Pro – продукт компании Harris Technologies, Inc. Данная программа выгодно отличается своих аналогов следующими качествами:

Динамик Infinity Kappa 120.3 se обладает параметрами, приведенными на рис. 13.

Рис. 13 – Параметры динамика Infinity Kappa 120.3 se .

Обозначения на рисунке имеют следующий физический смысл:

В результате проведенных расчётов были получены следующие параметры акустической системы:

Рис. 14 – Форма и размеры ящика.

Анализ данных, полученных при расчёте системы:

1) Нормализованная амплитудно-частотная характеристика системы (рис. 15) имеет нижнюю частоту среза на уровне 29,06 Гц; верхнюю – 325,2 Гц. В предела рабочей частоты АЧХ системы обладает неплохой линейностью.

Рис. 15 – Нормализованная АЧХ системы

2) Ненормализованная АЧХ (рис. 16) показывает пик акустической мощности в 113,1 дБ на частоте 79,85 Гц.

Рис. 16 – Ненормализованная АЧХ

3) Максимальная акустическая мощность (рис. 17) имеет линейный характер на всём рабочем диапазоне системы.

Рис. 17 – Максимальная акустическая мощность (в дБ на расстоянии 1 м)

4) Максимальная мощность входного сигнала (рис. 18) должна иметь линейный вид на входе системы.

Рис. 18 – Максимальная мощность сигнала на входе

5) Ход катушки динамика (рис. 19) лежит в допустимых переделах (< 13,5 мм) в рабочем частотном диапазоне. Однако на частоте ниже 19,5 Гц выходит за допустимые рамки. Этот факт говорит о необходимости «обрезания» данного частотного диапазона фильтром НЧ с частотой среза 19,5 Гц.

Рис. 19 – Амплитуда колебаний катушки динамика

6) Скорость воздушного потока через фазоинвертор (рис. 20) на превышает допустимого значения 33,4 м/сек (1/10 от скорости звука в воздухе).

Рис. 20 – Скорость потока воздуха через фазоинвертор

7) Сопротивление системы (рис. 21) имеет нелинейный характер на всем диапазоне частот. Имеются 2 пика: 24,19 Ом на 16,52 Гц и 26,91 Ом на 46,38 Гц. Рост сопротивления выше 500 Гц обусловлен тем, что система рассчитана на работу в области низких частот. Минимум между двумя пиками соответствуем частоте настройки ящика (26,87Гц).

Рис. 21 – Сопротивление системы

8) Фазо-частотная характеристика (рис. 22) показывает смещение фазы входного сигнала на различных частотах. Смещение сигнала на 180 0 на частоте 25 Гц, что не является рабочим диапазоном системы.

Рис. 22 – ФЧХ системы

9) Задержка сигнала (рис. 23) в силу особенностей конструкции фазоинверторного ящика имеет нелинейный характер и довольно велика по абсолютному значению. Пик находится на частоте 20,16 Гц и имеет значение 22,7 мс, что входит в допустимые рамки.

Рис. 23 – Задержка звукового сигнала

По материалам сайта http://www.avtozvuk.com/ и журнала Салон AUDIO VIDEO.

Сабвуферы