Как лучше рассчитать фазоинвертор для акустической системы

Существует множество программ, полезных для разработки и создания автомобильной акустики. Большая часть из относится к расчету низкочастотных громкоговорителей (сабвуферов), потому что остальное, на сегодня, расчету на поддается.
Броненосцы сабвуферного программного обеспечения - LEAP/LMS фирмы Linear X и TermPro одноименной компании Вейна Харриса стоят немеряных денег.
Другие коммерческие продукты стоят денег мерянных, но тоже немалых (ну, так, долларов по 100 - 150 за пакет). Это вполне подходит для профессиональных установочных фирм, но многовато для любителя, который, может, один-единственный сабвуфер собирается рассчитать. К счастью, есть и shareware, и совсем бесплатные вещи. Они разнятся по интерфейсу и удобству пользования, но, в сущности, базируются на одной и той же модели Тилля-Смолла, поэтому и результаты дадут сходные.
Программы, которые я нашел наиболее подходящими на основе личного опыта пользования, помещены в эту библиотеку. Я снабдил их кратким описанием, чтобы легче было ориентироваться.
В практике работы возникает также надобность в расчете пассивных кроссоверов и входящих в них индуктивностей. Две приводимые программы - безусловно лучшие в этом жанре.

Программа для расчета сабвуферов Blaubox

После прочтения съесть!

BLAUBOX - творение Блаупункта, как ясно из названия,- программа вполне и безусловно бесплатная. Несколько упрощенная и грубоватая графика вполне компенсируется тем, что программа работает, во-первых, быстро, во-вторых, может рассчитывать все три основных типа сабвуферов (закрытый ящик, фазоинвертор, полосовой сабвуфер), в-третьих - чрезвычайно проста в обращении, в-четвертых - может рисовать рабочие чертежи ящика по результатам расчета.

Программа для расчета сабвуферов Perfect Box 4.5

После прочтения съесть!

Perfect Box 4.4 - предпродажная версия программы, при этом почти полностью укомплектована функциями и опциями. Внешне - грубоватая ДОС-овская вещь. На деле - лучшая, на мой взгляд программа, если наловчиться. Рассчитывает закрытые ящики и фазоинверторы. В качестве приданного идет довольно большая база данных по динамикам, легко Вами пополняемая по мере возникновения надобности, а также вещь малополезная, но забавная - программа EQ2.EXE , с помощью которой можно рассчитать звено активной коррекции АЧХ. Программа завязана на основную по параметрам частоты и добротности корректирующего фильтра.

Программа для расчета сабвуферов Box Plot 2

После прочтения съесть!

Boxplot 2 - предпродажная версия программы, в связи с чем часть функций не работает. Главное достоинство - программа очень поучительна, поскольку прямо на экране можно варьировать параметрами H = fb/fs (отношение частоты настройки фазоинвертора к резонансной частоте головки и ALPHA = Vas/Vb (отношение эквивалентного объема головки к объему ящика, в том числе и закрытого). Через пять минут работы с программой человек, никогда в жизни не читавший ничего по теории громкоговорителей уже знает наиболее важные зависимости. Для практических расчетов программа не очень удобна из-за урезанных функций, хотя при некотором навыке работать можно. Впрочем, если кто желает заплатить 25 долларов - там где-то сказано - куда...

Программа для расчета сабвуферов WinSpeakerz

После прочтения съесть!

WinSpeakerz - правописание как в оригинале - работа некоего Джона Мерфи, компания TrueAudio. Программа вполне коммерческая, стоит около 130 долларов, а бесплатно выдается демо-версия, без базы данных по динамикам и прочих прелестей (включая руководство на 150 страницах). Программа по-настоящему хороша, поскольку, кроме прочего, имеет специальную функцию для учета внутрисалонной акустики.
Среди активных профессиональных пользователей - студия БЛЮЗМОБИЛЬ , где программой очень довольны.

Программа для расчета сабвуферов JBL Speakershop

После прочтения съесть!

Фирменная продукция компании JBL. Говорят, продается и стоит денег. Помещенная здесь копия найдена на одном украинском сервере, все вопросы, касающиеся авторских прав и прочего, просим адресовать дружественному украинскому народу. Как эта программа попала на мой сервер - ума не приложу... ZIP- архив чудовищного размера. После разархивирования и инсталляции дает два модуля: для расчета корпусов сабвуферов и для расчета пассивных кроссоверов.

Программа расчета интерференционных искажений АЧХ работы Г.Татевяна Harmon3way

После прочтения съесть!

Программа на Microsoft Excel, готовая к работе

Программа для расчета эквивалентного объема головки методом добавочной массы, собственной работы VASCalc

После прочтения съесть!

Без чудес и бантиков, рабочий инструмент.

Генератор звуковых частот (и сигналов спецформы), работающий с всеразличными звуковыми картами, однозначно NCH Gen

После прочтения съесть!

NCH Tone Generator - простенькая в обращении программа, генерирующая (при наличии присутствия звуковой карты) сигналы синусоидальной формы (с коэффициентом гармоник около 0,01%), прямоуголькой (со вполне пристойными фронтами). Пилообразной, и т.д. Есть и сигнал со спектром белого шума, к нему, правда, есть некоторые претензии. Программа - 200 килобайт, всего ничего. Надо сгрузить куда-нибудь и запустить, остальное происходит само собой.

Программа расчета фазоинвертора типа Power Port (рецепт и патент фирмы Polk Audio) Power Port

После прочтения съесть!

Вот такую штуку придумал Мэтт Полк. Или Джордж Клопфер. Идея в том, чтобы снизить скорость на выходе тоннеля фазоинвертора и одновременно уменьшить его длину при сохранении настройки. Программа расчета устроена как файл Excel, я когда-то перетащил ее на родной язык. Чтобы вся эта штука не открывалась в браузере, она заархивирована в ZIP. Джордж Клопфер - знаток русской словесности, так что я дусаю, он не обидится, что некоторые его сочинения оказались переведены на русский. В январе в Лас Вегасе на всякий случай спрошу. А пока - пользуйтесь, расскажите, что получится.

Программа расчета пассивных кроссоверов P.X.O.

После прочтения съесть!

Программа PXO (Passive X-Overs), как и положено по возрасту, работает под DOS и работает отлично. Вы выбираете частоту (или частоты, для трехполосной системы) раздела, крутизну скатов от 6 до 24 дБ/окт и тип фильтра (Баттерворт, Линквиц-Рили и т.д.), а взамен получаете графики всех основных характеристик и номиналы элементов, входящих в цепи фильтров, причем последние схематически изображены в нижнем окне пользовательского интерфейса. Примечание:
Когда все будет сделано по Вашему вкусу, естественно возникнет вопрос "Как рассчитать индуктивность?" - готовых-то их нет, в отличие от конденсаторов. Для этого служит еще более простая программа, приведенная в оглавлении слева - COILS.EXE

.
Но Bass Port, это всего лишь программа авто расчета не может учитывать всё, программа для расчета ФИ — BassPort – это программа для очень быстрого расчета фазоинвертора.
Начнем с метода расчета которая выложена в отдельной инструкции к программе BassPort.

Все методики расчёта ФИ основаны на работе резонатора Гельмгольца и отличаются главным образом способами учёта этих краевых эффектов. А также – и такими коэффициентами, которые могут быть получены даже при отношении физических констант. Так как скорость звука автор любого метода берёт из личных , и выходит разница в коэффициентах. Кое-какие авторы используют округления промежуточных значений, в конечном счете, также сказывается на финальном результате.
Если рассчитать длину порта ФИ по стандартной формуле, результат необходимо уменьшить на отдельную величину из-за воздействия массы воздуха у выхода отверстия фазоинвертор на передней стенке. Впрочем, если порт фазоинвертора представляет небольшой цилиндр, то из этой длины отнимается также 0,85 диаметра. Данная величина целиком согласуется с методом Виноградовой.

Формулы для BassPort взяты из книги Крендалла называется она «Теория и вибрации звука» и расчёты отлично совпадают с практикой. Книга есть в Интернете, и жаждущие могут с нею .

Вот что произошло по результатам написания данной программы для расчёта портов ФИ.

1. Повышаем количества портов ФИ в BassPort
1.1. Если же вся общая площадь данных портов ФИ остаётся постоянной, то с повышением количества портов ФИ немного возрастает их длина, которая по мере стремится к такой как1,57 длины отправного одиночного порта ФИ.
1.2. Если же площадь данных портов ФИ увеличивается, получаем снижения скорости колебания воздушной массы в портах ФИ и снижения шумовых эффектов.

2. Экономим длину порта фазоинвертора в BassPort
Вряд ли есть чёткие и весьма однозначные советы.
Пользователю нужно самому решить, какой тип порта фазоинвертора и с какими параметрическими данными надо выбрать, отталкиваясь из того, что существеннее: выигрывание в длине, или бесшумная работа фазоинверторного порта.
BassPort уже с версии 0.6 beta, для такого расчёта наименьшее допустимой площади порта ФИ употребляют разнообразные значения наибольшей скорости, в зависимости от разного типа порта фазоинвертора.
Порты ФИ всегда «шумят». Часто данные шумы маскируются также прочим полезным сигналом в ФИ, но бывает и такое, что они могут быть заметные и досадные.
Всякий порт «шумит», причем по-своему, и порог слышимости шума также «персонален» для каждого порта ФИ.
Исходя из опытных данных, в программу BassPort введены примерные значения скорости воздушного потока ФИ:

– приметные на расстоянии от 0,2…1 метра (пурпурный цвет)
– приметные на расстояниях более 1 метра (красный цвет)

Проектирование порта фазоинвертора, в BassPort в окнах итогов вы будете лицезреть, в какой-либо степени «шумности» окажется подобный порт ФИ.

3. Геометрия порта фазоинвертора, в BassPort
3.1. Обыкновенный порт ФИ имеет 2 основных изъяна:

– резонансы органа (их 2)
– увеличенные турбулентности на краях порта фазоинвертора.

Для ликвидации данных недостатков используют порты с образующей непрямой.
3.2. Подобные порты разрешают снизить площадь поперечного всего сечения горловин порта фазоинвертора, и за счёт этого укоротить его длину ФИ. При этом возрастет скорость воздушного потока, причем в самой узких частях порта фазоинвертора, а на краях она снизится за счёт повышения площади выхода. Резонансы органные сместятся в сторону ВЧ или исчезнут навсегда.

4. Условия выбора того или другого вида , в BassPort .
4.1. Обыкновенный трубчатый порт фазоинвертора. Можно применять, если скорость потока воздуха в нём не превысит 6-9 м/с. Хотя если порт фазоинвертора разместить на задней стенке, резонансы органные будут меньше слышны. Но, при этом задняя панель акустики не должна располагаться чересчур близко к стене.
Впрочем, если скруглить края подобного порта фазоинвертора, можно достичь кое-какого уменьшения шумов. Уже с версии 0.4 beta BassPort в программу прибавлена вероятность расчёта портов фазоинвертора со скруглённым краем.
4.2. Интересный конический порт ФИ. Резонансы органа отсутствуют вообще. Обретаем предельно «музыкальный», но уже самый длинный порт фазоинвертора. Скорость самого воздушного потока в этой узкой части ФИ также не должна превысить 6-9 м/с.

4.3. Порт фазоинвертора конус-труба («воронка»). Частота резонансов органа располагается выше, чем для трубы ФИ, и делаются менее заметными, но не пропадают окончательно. Получаем значительную длины фазоинвертора в сопоставлении с конусом.
На самом узком конце порта ФИ скорость потока не обязана превысить 9-12 м/с.
4.4. Конус-труба-конус фазоинверторного порта («песочные часы»). Частота резонансов органа ещё более сдвигается вверх, заметность падает. Зато экономим длину при других равных чуть хуже, чем в случаях с «воронкой». Но скорость воздушную в горловине ФИ можно повысить, понизив диаметр трубы

Это программа. Ее основное ее назначение – расчет портов для фазоинвертора.

Если вас интересуют вопросы изготовления сабвуфера своими руками, наверняка Bassport будет вам полезна.
Вижу ваше недоумение: а зачем нужно было создавать эту программу, если есть другие, с помощью которых можно рассчитать не только порт, но и фазоинвертор целиком?

Ответ таков: все эти программы уделяют мало внимания проектированию порта, и в лучшем случае дают очень скудную информацию о воздушном потоке, а то и не дают вовсе.
Когда вы приступаете к проектированию порта, у вас неизбежно появляется вопрос: от чего отталкиваться? Каким должен быть порт по величине? Какая форма лучше? Каким должно быть расстояние от порта до противоположной стенки?

Как и вы, я задавался этими же вопросами. Ответов не было ни в "бумажной" литературе, ни в Интернете. Получалось, что велосипед как бы изобретен, но о педалях не очень позаботились, мол, они должны быть, а вы уж сами приделайте, какие захотите.

На различных форумах, как наших, так и очень зарубежных, кто-то советовал порт в полплощади диффузора, кто-то рекомендовал треть, кто-то четверть, – словом, разнобой, неразбериха и отсутствие каких бы то ни было аргументов. Если сделать порт малого диаметра, он будет шуметь, а если диаметр большой, порт становится длинным и не помещается в короб. Где золотая середина, где кроется разумный компромисс?

Чтобы понять это, я провел серию экспериментов с портами круглого и прямоугольного сечения разных форм: прямых, конических, а также напоминающих песочные часы. При этом отмечал заметность шумов на расстоянии 0.5 м от порта, а также рассчитывал скорости воздушного потока на выходе порта и в самой узкой его части.
По результатам этих исследований и была создана программа Bassport (название придумывал не слишком долго 🙂). Это инструмент, с помощью которого вы сможете проектировать хорошие порты, избавившись от сомнений вроде "а пойдёт ли такая площадь сечения?"

Общая идея такова: шумы становятся заметными, если скорость воздушного потока на выходе порта превышает 6...9 метров в секунду. Так получалось со всеми портами, участвовавшими в экспериментах. При скорости 6 м/с шумы были едва заметны, а при 9 м/с они определялись уверенно.

Вот так выглядит главное окно программы. Еще есть окно помощи и окно базы данных по автозвуковым брендам, но с ними вы запросто разберетесь без моих подсказок, а мы продолжим.
Как видите, интерфейс простой. В самом верху, под заголовком окна, панель управления. В левой её части пять кнопок управления проектами: Создать, Открыть, Сохранить, Печатать, Удалить, – словом, стандартные кнопки.

Последняя из кнопок носит имя Калькулятор. С её помощью можно рассчитать длину звуковой волны для нужной частоты, либо наоборот, частоту по заданной длине волны.

А еще можно определить настройку фазоинвертора, если известен рабочий объем и размеры порта.

Если нажмем кнопку Car Audio, мы увидим список автозвуковых брендов и даже сможем перейти на сайт выбранного производителя, разумеется, если к этому времени у вас установлено Интернет-соединение.

И наконец, крайняя справа кнопка Помощь. Прежде чем начать работать с программой, воспользуйтесь ею. Ну, это моё благое пожелание, а практика говорит о том, что нажимают ее в лучшем случае четверть пользователей.

А лично вы как – в числе большинства? 🙂

Остальное рабочее пространство главного окна разделено на две части: верхнюю и нижнюю.

Верхняя часть: тут мы вводим данные.

Нижняя часть... тоже кое-что вводим, и затем нажимаем кнопку Пересчитать.
Справа расположены серые поля, в них-то и выводятся результаты расчета. Давайте посмотрим, что там.

Первым делом замечаем, что результаты отображаются в двух столбцах: для горловины и для выхода порта. Если порт простой, то значения в обоих столбцах будут одинаковыми, а если порт сложной формы, то будут различаться.
Во-вторых, все значения приведены для одного порта, даже если вы задали количество портов больше единицы. Это чтобы вы не путались и ничего не отнимали-перемножали. Как выведено на экране, такой порт и пилим в потребном количестве. Два так два. Пять так пять. Никаких пересчетов ни в голове, ни на бумаге, ни, прости Господи, в Экселе, делать не надо.

Вот, собственно, и всё.
Ах, да. Слева внизу видим несколько кнопок, позволяющих выбрать форму порта. Как показала бурная повседневность, наиболее часто люди пользуются кнопками 1, 5 и 6. Поиграйте с ними самостоятельно, посмотрите, что из этого получится.

Вот теперь точно всё. Теперь у вас есть хороший инструмент для проектирования портов, да еще с русскоязычным интерфейсом.

Как, еще нет? Тогда срочно найдите справа на странице заголовок "Получи Bassport", введите ваше имя и е-мейл, подтвердите подписку - и получите ссылку на скачивание.

Пользуйтесь на здоровье. А если станет не хватать возможностей этой программы, обратите внимание на более продвинутую версию, . Она платная, но думаю, вы не будете разочарованы.

Любители хорошего акустического звучания знают, что его качество в первую очередь зависит от передачи низкочастотной составляющей звука. Использование фазоинвертора способно существенно увеличить уровень звукового давления при одной и той же подводимой мощности. Но всё это возможно лишь при правильном расчёте размеров фазоинверторного (ФИ) отверстия, выравнивающего гармонические колебания и обеспечивающего качественный звук.

Виды акустических систем

Звук - это колебание, имеющее механическую природу возникновения, распространяющееся под давлением вызванным источником излучения. Акустическая система, представляющая собой звуковую колонку, преобразует электрические сигналы в механические, воспринимаемые слухом человека. Частота этих колебаний лежит в границах от 20 гц до 20 КГц. Существуют различные виды акустических систем:

Использование фазоинверторного типа даёт возможность не только расширить нижний частотный диапазон, но и повысить коэффициент полезного действия. При этом частотный диапазон не изменится. Отверстие фазоинвертора выполняется разного вида и размеров. Размещаться оно может на любой поверхности колонки. При разработке акустической системы наиболее важно выполнить правильно расчёт размера фазоинверторного короба, от чего зависит не только диапазон воспроизводимой частоты, но и качество всего звука в целом.

Принцип работы устройства

Любая колонка фазоинверторного типа имеет в своём составе отверстие - фазоинвертор. Часто он называется акустическим туннелем или портом. Принцип работы его заключается в изменении фазы звукового колебания, вызванного задней стороной диффузора на сто восемьдесят градусов. При возникновении резонанса в ящике амплитуда колебания диффузора достигает минимального значения.

Связано это с тем, что при движении вперёд динамик создаёт разрежение в середине закрытой колонки, тем самым вытесняя воздух в фазоинверторный канал и увеличивая разряжение. Поэтому на частоте резонанса механические волны излучаются через отверстие, а не диффузором динамика.

От размера и вида фазоинверторного порта зависят объём воздуха и частота резонанса, на которую настроен канал. Объём воздуха в канале начинает резонировать и усиливать воспроизведение частоты при наступлении момента, когда диффузор излучает частоту, на которую рассчитан фазоинвертор.

По своей форме классический туннель выполняется кольцевой формы. Но для увеличения полезной внутренней площади ему часто придают щелевой вид. Отказ от цилиндрической формы тоннеля позволяет сократить его длину и снизить шумы, возникающие при выбросе воздуха.

При ошибках в расчёте щелевого фазоинвертора настроить его гораздо сложнее, чем классический вид, так как он изготавливается совместно с колонкой. Сам расчёт выполняется сложнее, чем для систем закрытого типа: при этом, кроме объёма ящика, учитывается настраиваемая частота резонанса. Оптимальные размеры подбираются с учётом амплитудно-частотной характеристики колонки, а именно её равномерности.

Расчёт низкочастотного туннеля

Существует несколько способов для проведения вычислений размеров ФИ. Наиболее популярным является расчёт фазоинвертора онлайн или с использованием специализированных программ. Такие способы обычно требуют знаний множества параметров используемых динамиков. Существуют варианты и проще, но с большим расхождением конечного результата с реальным значением. Хотя в любом случае после расчёта и изготовления приходится проводить настройку.

Простая формула для вычисления

Метод вычисления заключается в использовании несложных формул и происходит методом подбора данных, когда за основу используется желаемая длина ФИ канала.

F = (C/2 π) * K, где:

При этом коэффициент K равен квадратному корню отношения S/LV, где:

S - площадь отверстия;
L - длина канала;
V - объем колонки.

В качестве единиц измерения везде используются метры, а для частоты - герцы. При определении значений объёма считается, что лучше выбрать узкий фазоинвертор, но такой подход неверен, ведь при этом в нём возрастает скорость движения воздуха, а это вносит искажения в звучание. Проектирование широкого и длинного ФИ также лишено смысла, ведь длина фазоинвертора не должна превышать длину волны в момент наступления резонанса. Выполнение этого правила помогает избавиться от стоячих волн.

Использование специализированных программ

Вырезанная из ватмана полоска, ширина которой совпадает с длиной трубки, в несколько витков наматывается на поверхность газетной бумаги. При этом перед каждым витком наносится эпоксидный клей. Его получают путём смешивания смолы и отвердителя согласно инструкции. После того как выполнены все витки, изделие обтягивается по кругу нитью для придания жёсткости и ставится на просушку.

Через сутки основание извлекается. В случае возникновения трудностей его можно поломать изнутри и достать частями. Изготовленный канал такого вида имеет хорошую прочность и легко подвергается дополнительной обработке. Далее полученная трубка устанавливается в отверстие колонки, но не до конца и начинается прослушивание звука. В заводских условиях используется специальный прибор. Такое устройство работает на основе мультивибратора, который настраивается на резонансную частоту динамической головки. После подключения динамика запускается генератор и длина трубы регулируется по максимуму колебанию в ней воздуха.

Аналогично можно провести настройку и самостоятельно. Для этого на вход подаётся сигнал низкой частоты. Трубка выдвигается вперёд или погружается внутрь ящика, а после оценивается объём выходящего воздуха. Установив положение максимального его выхода, излишки трубы удаляют снаружи, а сам порт герметизируют. При желании для придания конструкции оконченного вида выполняется раскрыв трубы, но можно обойтись и без этого.

Это программа. Ее основное ее назначение – расчет портов для фазоинвертора.

Чтобы понять это, я провел серию экспериментов с портами круглого и прямоугольного сечения разных форм: прямых, конических, а также напоминающих песочные часы. При этом отмечал заметность шумов на расстоянии 0.5 м от порта, а также рассчитывал скорости воздушного потока на выходе порта и в самой узкой его части.
По результатам этих исследований и была создана программа Bassport (название придумывал не слишком долго). Это инструмент, с помощью которого вы сможете проектировать хорошие порты, избавившись от сомнений вроде "а пойдёт ли такая площадь сечения?"

А еще можно определить настройку фазоинвертора, если известен рабочий объем и размеры порта.

А лично вы как – в числе большинства?

Остальное рабочее пространство главного окна разделено на две части: верхнюю и нижнюю.

Верхняя часть: тут мы вводим данные.

Пользуйтесь на здоровье. А если станет не хватать возможностей этой программы, обратите внимание на более продвинутую версию, BassportMaster . Она платная, но думаю, вы не будете разочарованы.