Сабвуфери смугасто-проникного типу, журнал автозвук
Час від часу в наше поле зору потрапляють сабвуфери смугасто-проникного типу. Інакше - Бандпасс ...
1. Порівняно вузький частотний діапазон.
2. Підвищена складність виготовлення і налаштування.
Плюсів нам бачиться більше.
1. Наявність внутрішнього фільтра НЧ.
2. Здатність до відтворення низького баса.
3. Акустичний посилення.
4. Захищеність динаміка від зовнішніх впливів.
Перший мінус і перший плюс - дві сторони однієї медалі, які підтверджують відому мудрість про те, що кожна річ хороша на своєму місці. Тобто на роль широкосмугового басового випромінювача (в трьохсмуговими акустиці, скажімо) Бандпасс малопридатний, тоді як в позиції субвуфера буде дуже до місця. Другий недолік з'явився фактором, значною мірою обмежив поширення смугасто-пропускають оформлень. Притому проблема навіть не в виготовленні, врешті-решт, відміну ПП від ФМ полягає лише в присутності додаткової внутрішньої стінки. Складність в тому, що в процесі тонкої настройки одну зі стінок, ймовірно, доведеться переміщати, змінюючи «передній» обсяг. В одиничному виробництві це, дійсно, незручно, але при підготовці серії (хоч би і невеликий) - в чому проблема?
Тепер про плюси. Як можна уявити, наявність природного фільтра НЧ зумовило певну популярність Бандпасс в минулому, коли пасивні фільтри вважалися природним способом поділу частотних смуг. Пасивний фільтр НЧ, налаштований на типову для сабвуферів частоту, передбачає використання великих і недешевих котушок. У міру переходу до спеціалізованих басових підсилювачів і активним фільтрам цей фактор став несуттєвим. Однак якщо врахувати, що в нашій галузі більшість дійсно музичних підсилювачів оснащуються фільтрами другого порядку, присутність додаткового (акустичного) фільтра НЧ буде дуже до речі.
Здатність до відтворення низького баса - річ хороша, але не для нас. Скажімо, сабвуфер для домашнього театру в ЗЯ зможе відіграти бас від 50 Гц, в оформленні з ФМ - від 32, а в ПП оформленні - від 25, а якщо пожертвувати рівномірністю АЧХ, можна знизити частотну кордон і до 20 Гц. Однак в нашій галузі проблем з низьким басом наче й немає, сабвуфер в ЗЯ грає (в теорії) від 0 Гц. У нас є інші проблеми - з рівномірністю середнього баса, оскільки перехід від вільного поля до компресійного режиму доводиться на 55 - 70 Гц (частота -3 дБ підйому). Всі сабвуфери з ФМ дають підйом, починаючи з цієї частоти і вниз, ЗЯ, налаштований точно на перехідну частоту, дасть прямолінійну характеристику, але, природно, без якогось підйому. При всіх інших настройках ЗЯ дасть або підйом в області середнього баса 70 - 50 Гц, або, того гірше, спад на тих же частотах.
Так ось, Бандпасс четвертого порядку (далі мова тільки про нього, будемо уникати зайвих складнощів) може дати підйом саме там, де треба, поблизу верхньої межі його робочої смуги, і в умовах салону зберегти привабливу форму частотної характеристики. Здається, одного цього вже достатньо, щоб придивитися до нього уважніше. Ну і останній з перерахованих вище плюсів теж дечого коштує.
Отже, починаємо придивлятися. Беремо якийсь безіменний динамік, нас його характеристики до пори не цікавлять. Будуємо поки що характеристики у порожній частині, так наочніше. Подивимося, як змінюється частотна характеристика в залежності від величини «заднього» (тобто закритого) обсягу.
Мал. 1. Зміна характеристик в залежності від величини закритого обсягу
Мал. 2. Зміна характеристик в залежності від величини переднього обсягу
Мал. 3. Зміна характеристик в залежності від маси повітря всередині порту
Мал. 4. Зміна характеристик в залежності від ширини смуги
Як бачимо, навіть при зміні обсягу більш ніж втричі (на 10 дБ) ширина смуги змінюється незначно. Однак у міру зменшення обсягу підйом на характеристиці зміщується на нижню межу смуги пропускання. А нам цього не треба. Тому орієнтир буде простим, перший обсяг повинен відповідати ЗЯ з добротністю Баттерворта або трохи нижче, скажімо, від 0,62 до 0,72 (зелена крива на графіку). Щоб уникнути об'ємистих ящиків, ми повинні відразу орієнтуватися на головки з добротністю хоча б на 25% нижче цього показника, тобто не вище 0,47 - 0,5.
Тепер зверніть увагу: всі криві проходять через деяку точку. Це - частота резонансу порту і переднього обсягу, ми її будемо називати центральною частотою. В даному випадку це 38 Гц, такий вибір типовий для домашнього сабвуфера, в нашій сфері центральну частоту треба вибирати істотно вище.
Від величини другого (переднього) обсягу найбільше залежить верхня частотна межа.
Зменшуючи цей обсяг, ми продовжуємо частотний діапазон вгору, одночасно отримуючи підйом на характеристиці. Форма високочастотної частини характеристики обумовлена резонансом фазоинвертора зі спільною пружністю, обумовленої жорсткістю підвісу, пружністю повітря заднього і пружністю повітря переднього обсягу. Підйом на 3 дБ (помаранчева крива) виходить, коли частота верхнього резонансу на октаву вище середньої частоти. Маса повітря всередині порту впливає на нижню частотну кордон і одночасно на форму характеристики.
Характеристика в цій області обумовлена резонансом об'єднаної маси повітря всередині порту і дифузора зі спільною пружністю підвісу і заднього обсягу. На щастя, нам велика маса не потрібна, достатньо відсунути нижній резонанс на 1/3 октави від центральної частоти (коричнева крива). Для розуміння характеру бандбасса корисно буде подивитися, як буде змінюватися форма характеристики, якщо ми будемо зберігати налаштування порту, але одночасно міняти і масу повітря всередині нього, і обсяг передньої камери.
Графіки показані в ідеалізованої формі, яка виходить без обліку витоків (а так само і нежёсткості) корпусу. Якщо це враховувати, центральна частина графіків ніколи не досягне рівня 0 дБ. Однак в наявній на сьогодні теорії втрати не враховуються.
Тепер переходимо до практики. Виберём дві головки з тіста №2 за цей рік. Їх параметри відповідають критерію Qts <0,5. Как показало моделирование, чтобы избежать провала характеристики на суббасовых частотах, надо, чтобы частота резонанса головки в ЗЯ (заднем объёме) была не выше 50 Гц. Потому добавляем ещё один критерий: Fs <35 Гц. Вот что мы выбрали:
Головка №1. Fs = 31,6 Гц; Vas = 29,3 л; Qts = 0,480.
Головка №2. Fs = 33,4 Гц; Vas = 22,0 л; Qts = 0,454.
Для розрахунку ПП оформлення четвертого порядку можна скористатися багатьма з готових програм: не всі вони дають очікувані результати, але старенька JBL Speakershop (вона ж Bass Box) в даному випадку дає досить коректні. Якщо, як вже було сказано, скинути з рахунків можливі витоки корпусу. Але для осмислених розрахунків бажано мати деякі відправні точки. Наприклад, для першої головки попередньо підрахувати обсяг ЗЯ, в якому досягається баттервортовская (або трохи нижче) добротність. Для Баттерворта отримуємо 24,7 л. Якщо після установки в такий ящик головки ми виміряємо характеристику імпедансу, то вона буде виглядати приблизно як на рис. 5:
Мал. 5. Характеристика імпедансу головки №1 в ЗЯ
Тепер треба визначити передній обсяг. Гарною відправною точкою буде 1/3 від заднього, в даному випадку це 8,2 л. В результаті моделювання уточнена величина переднього обсягу 8,06 л, що майже те ж саме. В ході розрахунку отримуємо характеристику в порожній частині таку, як показано на рис. 6. На графіку зазначено зразкове положення частоти резонансу порту.
Мал. 6. Характеристика ПП сабвуфера в порожній частині
Мал. 7. Характеристика ПП сабвуфера в типовому салоні. Головка №1, гранична частота 100 Гц
Як бачимо, максимальний розкид амплітуди в усьому робочому діапазоні від інфразвуку до 95 Гц менше 2 дБ. Схожу характеристику можна отримати за допомогою ЗЯ, але на стороні Бандпасс ще й постійне акустичне посилення 3 дБ плюс поверху ефективна крутизна спаду 18 дБ / окт.
Для повноти картини можна подивитися на рис. 8 характеристику імпедансу. Частота настройки порту 64,3 Гц, нижній резонанс налаштований на октаву нижче, верхній - приблизно на 2/3 октави вище.
Мал. 8. Характеристика імпедансу ПП сабвуфера. Головка №1, гранична частота 100 Гц
Що станеться, якщо ми при виготовленні помилимося з об'ємом переднього ящика? Скажімо, на 10% (рис. 9)?
Мал. 9. Расстройка обсягу переднього ящика на ± 10%
Особливо страшного - нічого. На 5% змінюється верхня частотна межа, однак форма частотної характеристики радикально не змінюється. А ось сильно помилятися в реалізації маси повітря всередині порту не рекомендується, наслідки - на рис. 10.
Мал. 10. Расстройка маси порту на ± 10%
Відхилення маси повітря всередині порту на 10% в кожну сторону (тобто зміна на 5% частоти настройки) призводить до відхилення частотної характеристики на 1 дБ в ту або іншу сторону.
З голівкою №2 досягається хоча і не зовсім ідентичний, але подібний набір характеристик. Перший обсяг в даному випадку ми налаштовуємо на добротність 0,66, для цього знадобиться ящик (частина ящика) об'ємом 21 л. Частота резонансу в такому ЗЯ була б дорівнює 48,8 Гц. Передній обсяг в результаті моделювання вибрали рівним 7,3 л. Розрахункова частотна характеристика показана на рис. 11.
Мал. 11. Характеристика ПП сабвуфера в типовому салоні. Головка №2, гранична частота 100 Гц
Нерівномірність у всьому діапазоні не більше 2 дБ, верхня гранична частота близько 95 Гц. Крутизна спаду - ті ж 18 дБ / окт. Якщо тепер звернутися до характеристики імпедансу (рис. 12а), то неважко буде побачити, що характерні частоти тут майже такі ж, як у випадку з головкою №1.
Мал. 12. Характеристики імпедансу ПП сабвуфера. Головка №2: a) гранична частота 100 Гц; б) гранична частота 80 Гц
Якщо нам знадобиться працювати в більш вузькій смузі, то настройки зміняться передбачуваним чином (рис. 12б). Щоб отримати верхню частотну кордон 80 Гц замість 100 Гц, нам треба буде знизити приблизно на 10% центральну частоту і частоту верхнього резонансу. При цьому частотна характеристика набуває вигляду як на рис. 13.
Мал. 13. Характеристика ПП сабвуфера в типовому салоні. Головка №2, гранична частота 80 Гц
Нерівномірність підвищилася до 3 дБ, хоча на відміну від ФМ, які мають звичай робити акцент на нижньому басі, у ПП оформлення спад починається близько 30 Гц, де, по суті, інформативний бас закінчується. Правда, для того, щоб звузити смугу поверху, величину переднього обсягу довелося підвищити майже до 10 л. Як ні парадоксально, але смугасто-проникний оформлення в наших умовах краще працює в більш широкій смузі.
Залишилося додати зовсім небагато. Що Бандпасс при всій його очевидній «технократичний» випромінює, як закритий ящик, а тому перехідні характеристики у нього цікавіше, ніж у ФМ. З цієї ж причини баси у нього (правильно налаштованого) виходять більш зібраними, що для SQ-інсталяцій важливо. Нарешті, по повному обсягу Бандпасс програє фазіку не так вже й багато, можна сказати, що величина програшу дорівнює величині переднього обсягу. Така плата за рівномірний акустичне посилення, іншими словами - за підвищений ККД.
З історії Бандпасс
Щоб не створювалося враження, що Бандпасс придумали «ось тільки що», дві ілюстрації з датами. Перша - патент США, виданий на ім'я чоловіка з дворянської французьким прізвищем д'Альтон. Він придумав Бандпасс як вузькосмуговий випромінювач, розраховуючи з безлічі таких, налаштованих на різні частоти, збирати на манер церковного органу широкосмугові акустичні системи великої ефективності.
Ідея дикувата і, як показала історія, малокорисна, але і пристрій, і, наскільки можна судити по сиротливо графіком, характеристики дворянин розумів, в принципі, правильно.
Двадцять років по тому, коли динамік (тобто електродинамічний гучномовець прямого випромінювання) остаточно витіснив інші засоби звукоизлучения, з'явився інший патент. У ньому вже відкритим текстом кажуть, що це - спосіб розширення смуги частот вниз за допомогою окремого, щодо вузькосмугового акустичного агрегату. Тобто рівно те, що ми сьогодні називаємо словом «сабвуфер».
