Фазоинвертор. Откройте дверь! Журнал "Автозвук"

Несколько выпусков серии подряд были посвящены самому (на первый взгляд) простому и одному из двух наиболее популярных видов акустического оформления для сабвуфера — закрытому ящику. И наряду с прочим было сказано: ЗЯ — единственный вид оформления, потенциально способный создать в машине ровную АЧХ на низких частотах. Казалось бы, вопрос закрыт и никакого другого оформления не требуется. Однако статистика, так любимая специалистами нашего тестового департамента, демонстрирует: в реально построенных аудиосистемах ЗЯ и ФИ представлены примерно поровну и вместе составляют больше 80 процентов парка сабвуферов. Естественный вопрос: если дырку в сабвуфере вырезают, значит, это кому-нибудь нужно? Вопрос, как и его поэтический прототип — риторический, не нужно было бы — не дырявили бы закрытые ящики.

Переключим клавиатуру из риторической раскладки в практическую, спросив, кому и зачем. И окажется, что на эти два вопроса нельзя дать общий ответ. Разным — для разного. И, чтобы этим основательно проникнуться, предлагаю, в который уже раз, для начала погрузиться в пучины прошлого.

Кто, где, когда

Всякое такое погружение чревато парадоксальными находками. В начале этого года, в №2, я предлагал вам отметить полувековой юбилей закрытого ящика, согласно бумаге, выданной патентным ведомством США. Надеюсь, вы воспользовались поводом. Когда был изобретён фазоинвертор? За двадцать четыре года до этого, согласно тому же источнику. В июле 1932-го, всего через три года после появления первого динамического громкоговорителя, которым мы практически в неизменном виде пользуемся по сей день и будем пользоваться до дня, назначенного нам судьбой, сотрудник лабораторий телефонной компании Bell Альберт Турас получил охранную грамоту на устройство, скромно и формально названное им «звуковоспроизводящий прибор». Цели, которые преследовал изобретатель, были сформулированы уже в первом абзаце документа. Целью было улучшить воспроизведение низких частот, добившись, по собственному выражению изобретателя, «более естественного воспроизведения низких нот в речи и музыке, находящегося в более правильной пропорции с высокими нотами, чем было возможно прежде».

Такова была цель. В качестве средства мистер Турас предлагал так обустроить громкоговоритель, чтобы использовать излучение не одной, а обеих сторон диффузора. Механизм такого использования Турас понимал правильно, расписав, что трубы, соединяющие объём ящика с окружающим пространством, будут действовать как механический фильтр, внося на определённых частотах фазовый сдвиг в 180 градусов между акустической волной на их входе (внутри ящика) и на выходе (снаружи). В этом случае, как совершенно справедливо рассудил изобретатель, терявшаяся прежде энергия выйдет наружу, а находясь в фазе с уже излучённой лицевой стороной диффузора, увеличит создаваемое всем ансамблем звуковое давление. И, как было отмечено уже тогда, семьдесят с лишним лет назад, происходить это будет только в узкой полосе частот, на которую предлагавшиеся им трубы настроены.

Забавно, что во всём документе понятие резонансной частоты динамика в явной форме не встречается, автор великого изобретения говорит лишь о частотах, где излучение начинает ослабевать, мы-то, здесь и сейчас, знаем, что это как раз ниже резонансной частоты...

На фоне этих, абсолютно обоснованных рассуждений довольно трогательно выглядят заблуждения изобретателя, касающиеся практического устройства «звуковоспроизводящего прибора». Турасу казалось, что всё произойдёт по его рецепту, только если выход труб или кольцевого канала (в общем, того, что мы нынешние называем тоннелем или портом ФИ) будут находиться как можно ближе к диффузору, окружая его тесным кольцом. Сегодня мы знаем, что на практике не очень важно, где будет выход тоннеля, синфазность излучения на низких частотах на пострадает. Но всё равно мистеру Турасу от всех нас спасибо большущее.

Откройте дверь, закройте дверь

Давайте всё же вспомним (за этим и собрались, в конце концов), что происходит в корпусе сабвуфера, если, помимо самого корпуса и динамика, в нём проделали дыру и закрепили в ней отрезок трубы. Начнём двигаться по шкале частот сверху, так удобнее. Пока частота сигнала, подаваемого на динамик, достаточно высока, наличие прорехи в ящике ни на чём особо не сказывается. Почему? Да потому, что действует тот самый механический фильтр, о котором писал изобретатель фазоинвертора. В простых же словах дело происходит так: когда колебания давления внутри ящика происходят с большой частотой, масса воздуха в тоннеле не успевает прийти в движение, дверь вроде бы есть, но если её часто-часто трясти за ручку, она так и останется закрытой. Одновременно смотрим на то, на что Альберт Турас не смотрел, тогда ещё не было принято — на кривую импеданса нашего громкоговорителя (на самом деле понимаем, не просто громкоговорителя, а сабвуфера). В качестве примера взята реальная кривая импеданса корпусного сабвуфера-фазоинвертора характерной двугорбой формы. Почему двугорбой и что означают горбы, выяснится очень скоро, а пока мы находимся там, где отмечено красной точкой, импеданс (проще говоря — сопротивление) громкоговорителя невелик, поскольку невелика амплитуда колебаний диффузора.

Забыли, как связана амплитуда с сопротивлением? Вот велика беда, сейчас вспомним. Смотрите: сопротивление динамика оказывается тем больше, чем меньше ток, проходящий по звуковой катушке при одном и том же подведенном напряжении, верно? Когда диффузор колеблется, он создаёт противо-ЭДС, ток при этом уменьшается. А это то же самое, что возрастание сопротивления. Если диффузор заклинить (это иногда происходит по естественным причинам у особо ретивых эспиэльщиков и примкнувших к ним в результате перегрева и расклеивания звуковой катушки), его сопротивление будет на низких частотах практически неизменным, а на более высоких — расти в силу индуктивности, и только. Когда частота приближается к резонансной, амплитуда колебаний диффузора возрастает (на то он и резонанс), растёт и противо-ЭДС, ток в катушке уменьшается, это равносильно росту её сопротивления.

Пока частота достаточно высока, существенно больше частоты настройки Fb, амплитуда колебаний диффузора растёт, а тоннель, хоть и выглядит открытой дверью, на самом деле заперт на «инерционный замок».

На частоте настройки давление воздуха в ящике «хлопает дверью» ровно в противофазе с собой, а значит — в фазе с диффузором.

Когда частота уходит ниже настройки, тоннель начинает работать в противофазе с диффузором. Диффузор, получается, работает, а тоннель всё сводит насмарку.

Начнём снижать частоту подведенного сигнала. Мы приближаемся к частоте резонанса динамика в ящике, как если бы он был закрытым (как её определить, зная параметры динамика и объём ящика, уж теперь-то вы знаете назубок). Импеданс растёт, это означает: динамик приближается к резонансу, растёт амплитуда колебаний диффузора, а «дверь» в ящик пока остаётся закрытой. До сих пор поведение динамика в корпусе с тоннелем идентично (не считая мелких факторов, которые сейчас проигнорируем, чтобы не запутаться) его поведению в корпусе, закрытом со всех сторон, то есть — в ЗЯ.

Кстати: если заткнуть тоннель фазоинвертора, на импедансной характеристике останется только один, верхний горб, это приходилось видеть не раз, когда в соседнем журнале «Салон AV» тестировались домашние колонки, к которым прилагались затычки для тоннелей. А мы идём ниже по частоте. Ниже резонанса диффузор должен был бы бесполезно сжимать воздух в корпусе, но теперь дверь наружу перестаёт быть закрытой, колебания давления внутри начинают выходить на волю. Выходят они сдвинутыми по фазе относительно того, что было внутри ящика. Почему? Есть два объяснения: корректное и простое, выберите по своему вкусу. Корректное: такова фазочастотная характеристика механического фильтра, которым является сочетание упругости воздуха в ящике и массы воздуха в тоннеле. Не берёте? Тогда простое: за ручку «акустической двери» теперь дёргают медленнее, она начинает приоткрываться, но дверь тяжёлая и поэтому запаздывает. Вот он и фазовый сдвиг. Наконец, на какой-то частоте фазовый сдвиг достигает ровно 180 градусов. Это значит: диффузор, например, идёт вперёд, создавая волну давления перед собой и волну разрежения — позади, то есть — внутри ящика. Эта волна хочет попасть наружу через тоннель, но запаздывает, и когда наконец выбирается наружу, диффузор уже движется назад, создавая волну разрежения и впереди себя. Две волны складываются в фазе, звуковое давление достигает максимума.

Что там у нас на импедансной кривой? Сопротивление падает, достигая минимума как раз на той частоте, где фазовый сдвиг оказывается равным 180 градусам и которая называется частотой настройки фазоинвертора. Что означает минимум импеданса? Совершенно верно: амплитуда колебаний диффузора здесь наименьшая. Парадокс, казалось бы, именно там, где звуковое давление наибольшее, амплитуда колебаний диффузора — наименьшая. Нет тут парадокса, всё по закону. Именно здесь, на этой частоте, с диффузора снимается максимум энергии, среда сопротивляется его движению и с передней стороны, и (ещё больше) с тыльной, а сопротивляясь, преобразует колебания диффузора в звук.

Ещё одно «кстати»: есть расхожий штамп в популярной (иногда чересчур) литературе, где описывается принцип работы фазоинвертора. Там говорится, что на частоте настройки, мол, диффузор вообще неподвижен, а весь звук излучается тоннелем. Позвольте поинтересоваться у невидимых авторов этой мудрости: если диффузор действительно будет неподвижен, с какого перепуга будет двигаться воздух в тоннеле? От сквозняков, что ли? Нет, здесь дело в другом: диффузор движется мало, но эффективно передаёт энергию в окружающую среду, оттого и результат (в децибелах) изрядный. Это как производительность труда: если человек работает полдня, но тяжко, он сделает то же, что другой спустя рукава за день. А со стороны видно только, что поработал полдня — и домой.

Ну ладно, насладились слаженной работой диффузора и тоннеля на частоте настройки, давайте двигаться дальше. В прежнем направлении, вниз по частоте. Когда частота сигнала снижается, запаздывание в открывании-закрывании двери становится всё меньше и в какой-то момент пропадает совсем. Как, скажем, было бы с реальной дверью, пусть даже и тяжёлой, если бы её требовалось открывать-закрывать раз в полчаса. На такой частоте кто не успеет вовремя? Для сабвуфера же это означает, что воздух из тоннеля выходит в фазе с колебаниями давления внутри ящика и в противофазе — с колебаниями, создаваемыми снаружи корпуса диффузором. Результат? Плачевный, а вы какого ждали... Ниже частоты настройки излучение тоннеля начинает отъедать то, что излучает диффузор, складываясь с прямым излучением в противофазе. Именно этим объясняется (если просто, а не корректно) главная особенность АЧХ фазоинвертора по сравнению с АЧХ закрытого ящика. У ЗЯ, как мы знаем, в свободном пространстве звуковое давление ниже частоты резонанса падает со скоростью 12 дБ/окт., а у фазоинвертора ниже частоты настройки тоннеля — вдвое быстрее, в темпе 24 дБ/окт. Это — прямой результат контрпродуктивной на этих частотах, подлой, можно сказать, деятельности тоннеля.

Вернёмся к импедансной кривой. Это самый могучий инструмент в электроакустике, который может рассказать об очень многом. Ниже частоты настройки тоннеля на кривой начинает расти второй горб. Мы уже уяснили: где горб на кривой сопротивления — там рост амплитуды колебаний диффузора. Но только здесь он оказывается совершенно бесполезным: диффузор азартно трясётся, не замечая, что дверь в ящик открыта настежь и звуковые волны в противофазе, которые в закрытом ящике умерли бы внутри, беспрепятственно выходят наружу, сводя на нет все старания бедного динамика.

Реально бедного: одним из недостатков фазоинвертора как акустического оформления считается то, что ниже частоты настройки диффузор ничем не ограничен в своём движении, значит, если на динамик попадет сигнал очень низкой (как правило — инфразвуковой) частоты, амплитуда колебаний может выйти за безопасные пределы. Во имя недопущения подобных трагедий и придуманы фильтры-сабсоники в усилителях.

Кому и зачем?

Было же сказано: разным и для разного. То, для чего был придуман фазоинвертор изначально, лучше других сформулировал тот, кто его придумал. В течение всех последовавших за этим заявлением десятилетий конструкторы акустики делали именно это — ставили динамик в ФИ, когда требовалось улучшить воспроизведение низких частот. Улучшить? А что это означает? В домашней акустике, из которой, придётся признать, мы все выросли, как из гоголевской «Шинели», это означало расширить полосу воспроизводимых частот вниз. Применением ФИ это достигается настолько эффективно, что сегодня, если вы взглянете на ассортимент домашней акустики, найти что-то в закрытом ящике будет трудно на грани возможного. Почти сплошь «скворечники» всех мастей и габаритов. Причину такой популярности легко проиллюстрировать: вот три АЧХ динамика с довольно типичными параметрами в трёх вариантах акустического оформления. Оптимальный ФИ, оптимальный же (то есть настроенный на баттервортовскую добротность Qtc = 0,707) закрытый ящик и закрытый ящик того же объёма, что и ФИ. В фазоинверторе нижняя граничная частота получается 32 Гц, в таком же по объёму закрытом ящике — 59, в закрытом ящике оптимального объёма — 57. Почувствуйте разницу. Производители и потребители «домашки» давно почувствовали, вот и не слезают с фазоинверторов, хоть палкой гони...

А на то, что ниже граничной частоты звуковое давление у ФИ падает гораздо быстрее, чем у ЗЯ, в этой, домашней постановке задачи, наплевать. А нам, мобильным и моторизованным? Отнюдь нет. Помните про передаточную функцию салона? Конечно, помните, такое не забывается. Она ведёт звуковое давление вверх (начиная с некоторой частоты) с наклоном 12 дБ/окт. У закрытого ящика ниже частоты резонанса звуковое давление падает ровно с такой же скоростью. Значит, при надлежащем выборе параметров сабвуфера одно на одно наложится и произведёт на свет идеально ровную АЧХ, какая в «домашке» и не снилась. А фазоинвертор заваливает свою характеристику со скоростью 24 дБ/окт., такое салон компенсировать не может, значит, с этим оформлением мы всегда (подчеркну: всегда) будем иметь завал АЧХ с наклоном 12 дБ/окт. уже в салоне начиная опять же с некоторой, но уже другой частоты. Вот давайте взглянем: затащим по очереди три ящика из предыдущего примера в машину. Оптимальный ЗЯ: ну что тут скажешь, оптимальный он и есть. ЗЯ увеличенного размера из-за более низкой резонансной частоты показал более высокую отдачу на инфранизах, но и только. Но если к нему пристроить тоннель, настроив «выходную дверь» на 30 Гц или около того, завал АЧХ с этой частоты начнётся, но с какой высоты, взгляните! Обрезок недорогой сантехники привёл к росту звукового давления в полосе частот 25 — 40 Гц (для «домашников» такие частоты — вообще или мечта, или разорение) в среднем на 7 дБ (минимум 6, максимум — 9). Уже минимум означает: при том же уровне звукового давления к сабвуферу надо будет подвести мощность вчетверо (!) ниже, чем к динамику в идеальном, аудиофильском закрытом ящике. Или примерно втрое ниже, чем в закрытом ящике равного объёма (для данного примера). Вот вам и вторая часть ответа на связку вопросов «кому — зачем». В машине — для получения лишнего звукового давления, как раз наиболее широкую полосу частот у нас обеспечивает ЗЯ. В этом отношении автомобильная басовая акустика прямо противоположна домашней.

Возникает вопрос, а нужна ли нам такая АЧХ? В принципе, ответ уже был в одном из прошлых выпусков «ВВ». Но если к следующему разу не сможете найти, с этого и начнём. Подсказка: бас народа — бас божий...

Подготовлено по материалам журнала "Автозвук", декабрь 2006 г. www.avtozvuk.com