Существует как минимум 6 видов акустического оформления для акустических систем. 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 в противофазе с первыми. "Властвуй" -- означает, что с отсеченными таким образом "лишними" звуковыми волнами можно поступить по-разному.
Виды акустического оформления:
Закрытый ящик;
Фазоинвертор;
Громкоговоритель с пассивным излучателем;
Band-bass, он же полосовой громкоговоритель (4-го, 6-го А, 6-го В порядка -- Квази-полосовой громкоговоритель);
Акустический лабиринт;
Свёрнутый рупор.
Не много из истории:
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 полу-волны 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 метра на 3 метра.-- Поэтому этот вид акустического оформления практическое значение давно утерял, хотя и используется до сих пор в качестве эталонного при измерении параметров динамиков.
Выбор акустического оформления:
Закрытый ящик:
Конструктивно, простейшее акустическое оформление из практически применяемых -- это закрытый ящик. 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, пусть и незначительно, он 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 не самом деле. На практике таким способом удается добиться увеличения "акустического" объема по сравнению с геометрическим на 15 - 20%. -- В этом, а вовсе не в поглощении стоячих волн, как считают многие, заключается основной смысл введения звукопоглощающего материала в закрытые громкоговорители
Разновидностью этого (а не предыдущего Щита, как часто полагают) 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. Впрочем, при решении практических задач таким объемом всегда оказывается внутренний объем например багажника авто, который и у небольшого автомобиля будет давать реакцию "бесконечно большого" объема даже для большого динамика. Другое дело, что не всякий динамик будет хорошо работать в таком оформлении, но это обсуждается отдельно, если мы будем говорить о выборе динамика под акустическое оформление (или наоборот).
При всей (кстати, кажущейся) простоте закрытого ящика как акустического оформления низкочастотного звена (например автомобильной 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 с противоположным знаком, обладает АЧХ внутреннего объема (например салона автомобиля, комнаты) 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.
Но, у закрытого динамика есть подвох. 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 АС малого объема, поэтому-то динамики в них, как и было сказано выше -- хоть и "не выплевываются", но горят нередко…
Фазоинвертор:
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 его задней 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 в упругостью воздуха внутри ящика -- создать вторую колебательную систему, получающую энергию от тыльной стороны диффузора и излучающую ее куда нужно и в фазе с фронтальным 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 его 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!
В своем рабочем диапазоне, фазоинвертор создает для динамика совершенно тепличные условия, причем точно на частоте настройки фазоинвертора амплитуда его колебаний минимальна, а большая часть звука излучается тоннелем. Допустимая подводимая мощность здесь максимальна, а искажения вносимые динамиком -- наоборот минимальны. Выше частоты настройки ФИ -- его 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 ФИ постепенно сходит на нет, и на самых низких частотах динамик работает практически без нагрузки -- 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, замена динамика становится реальной перспективой.
Средством предохранения от таких неприятностей (помимо осмотрительности в выборе уровня громкости) -- служит использование фильтров инфра-низких 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" .
Фазоинвертор существенно более капризен к выбору параметров его настройки, поскольку выбору под конкретный динамик подлежат уже три параметра: объем ящика, поперечное сечение и длина тоннеля. Тоннель очень часто делают так, чтобы у 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 авто или комнате -- практически невозможно. В зависимости от соотношения размера салона авто или комнаты -- а, стало быть, характерной частоты, с которой начинается подъем АЧХ внутренней акустики и частоты настройки фазоинвертора -- эта 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 незаслуженное прозвище boom-box ( бухало ). Чтобы восстановить справедливость, заметим, что "бухающего" эффекта можно добиться и от закрытого ящика ( в следующий раз необходимо разобрать: как правильно рассчитанный фазоинвертор способен дать очень ясный и музыкальный бас при разумной подводимой мощности)
Громкоговоритель с пассивным излучателем:
Разновидностью фазоинверторного оформления -- является громкоговоритель с пассивным излучателем (или радиатором). 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 его настройки, этот диффузор колеблется с наибольшей амплитудой, а основной диффузор ГР -- с наименьшей.
С продвижением вверх по частоте -- они постепенно меняются ролями.
До недавнего времени, этот тип акустического оформления не находил применения в автомобильных АС, хотя в домашних -- используется довольно часто. Причиной такой "не любви"-- 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 ящика с ФИ -- можно разместить диффузор и небольшой тоннель фазоинвертора. Однако, в самое последнее время автомобильные сабвуферы с пассивным излучателем стали появляться (нужда заставила) -- Дело в том, что в последнее время стали появляться динамики нового поколения с очень большим ходом диффузора и рассчитанные на работу в малых объемах. Объем "выдуваемого" ими при работе воздуха очень велик! -- и туннель 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 ФИ -- заставляет выбирать для тоннеля ФИ 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 "со-колеблющуюся массу" сосредоточить в пассивном излучателе с ходом диффузора таким же, как и у активного динамика.
Band-bass, он же полосовой громкоговоритель (4-го, 6-го А, 6-го В, порядка) Квазиполосовой громкоговоритель :
Третий тип акустического оформления, довольно часто используемый в автомобильных АС (хотя и реже, чем два предыдущих) -- полосовой громкоговоритель (Band-Вass). -- Иногда встречается название "громкоговоритель с симметричной нагрузкой".
Если закрытый ящик + фазоинвертор и акустические фильтры верхних частот -- то он полосовой (как и вытекает из его названия) -- Такой ГР объединяет в себе фильтры верхних и нижних частот.
Простейший полосовой громкоговоритель -- это одинарный 4-го порядка. Он состоит из закрытого объема, т.н. задней камеры и второго объема снабженного тоннелем, как у обычного фазоинвертора (передняя камера). Динамик установлен в перегородке между этими камерами так, что обе стороны диффузора работают на полностью или частично в замкнутые объемы -- отсюда и термин "симметричная нагрузка".
Из традиционных конструкций -- полосовой громкоговоритель, в любом варианте -- чемпион по эффективности. При этом эффективность прямо связана с шириной полосы его 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 ограниченной отдачей -- то есть вариант "АЧХ Колокол" будет низким и широким, и также с узкой полосой и очень высоким К.П.Д. в этой полосе. График АЧХ "Колокол"-- при этом вытянется в высоту.
Band-Bass -- 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 жесткость и герметичность конструкции. Согласование частотных характеристик сабвуфера, салона авто или комнаты 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 говорилось -- высочайшим К.П.Д.
И 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 JL Audio, например выпускает гибкие пластмассовые рукава-тоннели, которыми она предлагает (и многие соглашаются) соединять выход сабвуфера с салоном авто -- 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 Band-Bass обеспечивает меньшие искажения в рабочей полосе, поскольку динамик нагружен фазоинверторами с обеих сторон диффузора (со всеми преимуществами такой нагрузки) -- и еще имеет более крутой (по сравнению с одинарным ФИ) -- спад АЧХ ниже рабочей полосы.
Промежуточное положение -- занимает так называемый квази-полосовой громкоговоритель (он с последовательной настройкой) -- задняя камера АС соединена тоннелем с передней, а передняя камера АС еще одним тоннелем соединена с окружающим пространством.
Акустический лабиринт, Свёрнутый рупор:
Существует еще два варианта акустического оформления низкочастотной акустики, которые хоть и существуют-- но применения редко 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 -- длинный 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 или комнате.