Акустическая система-фазоинвертор со щелевым проходом

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Акустические системы

Опубликовано: 20.03.2017 09:57

Просмотров: 3419

А.Н. Журенков, г. Запорожье РА1'2010
Акустические системы-фазоинверторы обладают повышенным КПД, минимальными нелинейными искажениями на низших звуковых частотах по сравнению с АС других типов. Благодаря этому они получили широкое распространение в системе класса Hi-Fi. В традиционном варианте проход фазоинвертора выполняется в виде трубы определенной длины и настраивается на частоту основного резонанса динамической головки. При этом подавляется амплитуда колебаний ее подвижной системы, снижаются нелинейные искажения, но в АЧХ акустической системы (АС) появляется два пика. В предлагаемой АС предприняты меры подавления этих пиков путем применения в качестве прохода щелевидного короба переменной длины, настроенного не только на частоту основного резонанса, но и на частоты пиков, что позволяет улучшить АЧХ.

Акустические системы-фазоинверторы известны с 1930 года. Широкое их внедрение началось с 1950 года, и в настоящее время они являются самым распространенным типом систем класса Hi-Fi [1]. Это достигнуто благодаря их повышенному КПД, улучшению частотной характеристики в диапазоне низших звуковых частот и снижению нелинейных искажений в области частоты основного резонанса низкочастотной динамической головки по сравнению с открытым и закрытым ящиками АС [2].
АС-фазоинвертор представляет собой закрытый ящик с низкочастотной динамической головкой и дополнительным отверстием, в которое вставлена труба круглого или прямоугольного сечения соответствующих размеров (проход) для инвертирования и излучения звуковой волны от тыльной части диффузора динамической головки. АС-фазоинвертор часто называют просто фазоинвертором, т.к. в инвертировании фазы звуковой волны участвуют и ящик, и труба (рис.1). Форма сечения трубы на работу фазоинвертора существенно не влияет. Резонансная частота фазоинвертора зависит от объема ящика АС, площади сечения и длины трубы (массы воздуха, колеблющейся в трубе), и в традиционном варианте должна равняться основной резонансной частоте динамической головки в открытом пространстве. Труба фазоинвертора является дополнительным излучателем звуковых волн от тыльной части диффузора динамической головки преимущественно на резонансной частоте фазоинвертора.
В закрытом ящике частота основного резонанса динамической головки повышается пропорционально уменьшению объема ящика, что сужает
полосу воспроизводимых низших звуковых частот, а звуковые волны от тыльной части диффузора поглощаются внутри ящика и создают акустическое сопротивлении колебаниям диффузора, снижая КПД  АС.
На резонансной частоте фазоинвертора колебания воздуха в трубе почти синфазны с колебаниями передней части диффузора и значительно больше по амплитуде, чем колебания диффузора головки из-за большого акустического сопротивления фазоинвертора на резонансной частоте. Уменьшение амплитуды колебаний звуковой катушки и диффузора снижают нелинейные искажения динамической головки.

В других типах АС на частоте основного резонанса динамической головки амплитуда колебаний звуковой катушки и диффузора существенно возрастает, и начинают сказываться асимметрия                распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы [1] и нелинейность подвеса подвижной системы, искажающих форму звукового сигнала [2]. В фазоинверторе на этих частотах звуковое давление в основном создается его выходным отверстием. С увеличением частоты выше основного резонанса увеличивается излучение динамической головки, а излучение отверстия фазоинвертора уменьшается, но так как они почти синфазны, то их звуковые давления складываются. При дальнейшем увеличении частоты вследствие роста реактивного сопротивления трубы фазоинвертора АС начинает вести себя как закрытый ящик [2].
Частотная характеристика модуля полного сопротивления обычной динамической головки в открытом пространстве имеет один максимум на частоте основного резонанса. Фазоинвертор имеет два максимума, расположенных по обе стороны от частоты основного резонанса головки (рис.2), и чем меньше объем ящика, тем больше расстояния между максимумами и больше провал АЧХ между ними [2].

На рис.2 показаны АЧХ модуля полного сопротивления динамической головки:
1  - в открытом пространстве;
2 - в ящике фазоинвертора объемом 54 литра с трубой;
3 - в ящике фазоинвертора меньшего объема;
4 - в ящике фазоинвертора объемом 54 литра со щелевым проходом переменной длины.
С целью получения более равномерной АЧХ в авторском варианте АС применен щелевой проход в виде узкого короба с переменной длиной (рис.3).
Конструкция АС
В АС применена низкочастотная (НЧ) динамическая головка типа 8ГД-1 с частотой основного резонанса 30 Гц и диаметром диффузора 200 мм

Оптимальный объем ящика фазоинвертора для такой головки равен 54л [2]. Внутренние размеры ящика авторского варианта АС равны 260x600x360 мм с учетом объема, занимаемого головками и внутренними деталями. Боковые стенки изготовлены из ламинированной ДСП толщиной 20 мм, лицевая панель - из фанеры толщиной 12 мм, которая в области НЧ головки упрочнена накладкой из фанеры толщиной 10 мм, облицованной шпоном. Короб фазоинвертора, кроме формирования АЧХ, выполняет функцию ребра жесткости более тонкой части лицевой панели. Задняя стенка изготовлена из фанеры толщиной 12мм. Боковые стенки скреплены между собой с помощью шурупов, вкрученных в боковые торцы верхней и нижней стенок с интервалом 20 мм. Головки шурупов выступают на 10 мм и входят в соответствующие отверстия, просверленные в вертикальных стенках на глубину 12 мм и заполненных эпоксидной смолой [3].
Соединение боковых стенок необходимо выполнять на ровной поверхности, положив их на нее задними торцами и вставив вовнутрь заднюю стенку, торцы которой по периметру обмотаны несколькими слоями изоленты ПХВ, обеспечивающими правильную форму, технологический зазор и препятствующими приклеиванию ее к стенкам. Верх и низ стенок плотно скрепить жгутами с применением закруток на время полимеризации смолы. Выступившую наружу смолу надо сразу убрать тампоном, смоченным ацетоном. После полимеризации смолы переднюю и заднюю части стенок ящика на расстоянии 10 мм от торцов следует обшить рейками сечением 20x20 мм с помощью коротких гвоздей и клея ПВА или эпоксидной смолы, которые будут необходимы для крепления лицевой панели и задней стенки. После выполнения всех необходимых операций лицевая панель вклеивается наглухо, а задняя панель крепится с помощью шурупов. На лицевой панели должны быть закреплены блок ВЧ головок, СЧ головка с экранирующим коробом, НЧ головка и короб фазоинвертора. Перед вклеиванием лицевой панели для удобства работы НЧ головку необходимо снять.
Для расширения диаграммы направленности в ВЧ диапазоне головки блока типа 2ГД-36 размещены по дуге с радиусом 200 мм. Крепятся ВЧ головки к четырем крайним и четырем средним кронштейнам из листовой стали толщиной 2 мм (рис.4,а, б), закрепленным на алюминиевом обрамлении винтами МЗ с потайными головками, которые утоплены и зашпаклеваны. Обрамление ВЧ блока состоит из четырех стенок из мягкого алюминия толщиной 5 мм, которые плотно подогнаны между собой и прикреплены шурупами к внутреннему деревянному прямоугольнику (рис.5). Между головками вклеены перегородки из электрокартона толщиной 1,5 мм, окрашенные в черный цвет. ВЧ блок крепится шурупами к лицевой панели изнутри, к закрепленным на панели трем рейкам вверху и по бокам отверстия для него.
Принцип работы
Принцип работы щелевого прохода с переменной длиной заключается в снижении амплитуд колебаний подвижной системы НЧ головки не только на частоте основного резонанса, но и на частотах боковых максимумов. Средняя длина короба эквивалентна трубе, настроенной на частоту основного резонанса динамической головки, более длинная боковая часть короба настроена на частоту нижнего максимума, а более короткая боковая часть короба настроена на частоту верхнего максимума АЧХ. Уменьшение величины модуля полного сопротивления динамической головки в более широком диапазоне частот дополнительно уменьшит амплитуду колебания звуковой катушки и диффузора в этом диапазоне. Кроме того, снизит нелинейные искажения и увеличит звуковое давление выходным отверстием трубы фазоинвертора в более широком диапазоне низших звуковых частот, что в результате повысит качество звучания АС.


Определение геометрических размеров фазоинвертора
Для практического определения минимальной, средней и максимальной длин короба необходимо с помощью звукового генератора определить частоту основного резонанса реальной низкочастотной динамической головки в открытом пространстве визуально по максимальной амплитуде колебаний диффузора или более точно с помощью амперметра по минимуму тока в цепи звуковой катушки. Для этого надо установить эту головку в ящик АС, демонтировать среднечастотную головку с экраном (щель для короба фазоинвертора вырезается после определения его размеров) и закрепить заднюю стенку. Изготовить телескопическую трубу из плотного картона выбранного диаметра из двух трубок длиной по 50... 100 мм и установить ее через уплотнительное кольцо в отверстие для СЧ головки с наружной стороны ящика. Подать от звукового генератора сигнал через УМЗЧ с частотой основного резонанса на НЧ головку и, изменяя длину телескопической трубы, добиться максимума сигнала на ее выходе. Определить это можно по максимальному отклонению пламени свечи возле выходного отверстия трубы или более точно с помощью микрофона и вольтметра переменного тока. В результате этого полученная длина трубы будет равна длине средней части короба.
Аналогично определению частоты основного резонанса динамической головки в открытом пространстве необходимо определить частоты верхнего и нижнего максимумов АЧХ при настроенной трубе с помощью амперметра и по кривым рис.60 из [2] определить длины левого и правого краев короба. По этим данным изготовить короб с поперечным внутренним сечением в два раза больше сечения настроечной трубы, так как в области частоты основного резонанса головки в коробе будут колебаться три потока воздуха с разными резонансными частотами. Короб изготовить из фанеры толщиной 5.. .6 мм и реек согласно рис.3, вырезать для него отверстие в лицевой панели под блоком ВЧ головок и посадить его на клей в это отверстие.
Эти рекомендации даны для применения других типов НЧ головок, если их частота основного резонанса неизвестна или они доработаны по методикам, понижающим эту частоту.
В авторском варианте внутреннее сечение короба равно 20x200 мм, что равно удвоенному сечению трубы диаметром 50 мм, lmin-55 мм, lс =70 мм, lmax=120 мм, которые определены по рекомендациям Эфрусси М.М. и кривым для определения длин проходов рис.60,а из [2], а также путем экспериментов. Добиться идеальной АЧХ в области основного резонанса довольно трудно, но даже частичное снижение боковых максимумов повышает качество воспроизведения низших звуковых частот в сравнении с традиционным фазоинвертором. Очевидно, что над этим вопросом можно еще поработать.

В среднечастотном звене применена широкополосная головка типа ЗГДШ-8, закрытая экраном из деревянных реек и фанеры толщиной 6 мм с внутренними размерами 105x105x35 мм. Экран заполнен распушенной ватой и крепится к передней панели изнутри четырьмя шурупами по углам.
При окончательной сборке все соприкасаемые поверхности деталей, крепящихся с помощью шурупов, покрыть тонким слоем пластилина. АС не содержит звукопоглощающего вещества, так как возникло мнение, что звукопоглощение эффективно в АС с закрытым ящиком. В фазоинверторе энергия, излучаемая тыльной стороной диффузора, не должна поглощаться и превращаться звукопоглощателем в тепло, а излучаться выходным отверстием фазоинвертора в полном объеме.
Разделительный фильтр
В данной АС применен трехполосный разделительный фильтр с частотами раздела 500 и 5000 Гц, принципиальная схема которого показана на рис.6. Катушка L1 бескаркасная с внутренним диаметром 35 мм, шириной намотки 20 мм и содержит 120 вит-
ков провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм. Намотка производится на деревянной оправке диаметром 35 мм со съемными щечками. Перед намоткой между щечками вложить 3-4 прочные нитки, которыми после намотки витки катушки необходимо связать, пропитать лаком и высушить. Катушка L2 также наматывается на той же оправке и содержит 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм. Расчет элементов разделительного фильтра приведен в [2] и [4].
Детали фильтра приклеиваются к днищу АС быстросохнущим клеем и соединяются монтажными проводами с динамическими головками и гнездом задней стенки для подключения соединительного кабеля между АС и УМЗЧ. Провода, идущие к гнезду разъема, должны позволять свободно снимать заднюю стенку АС.
Конденсаторы С1 и С2 - бумажные на напряжение 63-160 В. С1 составлен из двух конденсаторов емкостью 20 мкФ.
Для радиолюбителей, желающих изготовить такую АС в традиционном варианте, полезно будет отметить, что короб такого сечения эквивалентен трубе с диаметром 71 мм и по кривым рис.60,б из [2] должен иметь длину 160 мм по всей ширине. Излучение выходного отверстия на резонансной частоте пропорционально его площади [2], т.е. большей в два раза, чем у трубы с диаметром 50 мм. Качество воспроизведения звуковых сигналов такой АС также довольно высокое.
Литература
1. Алдошина И.А., ВойшвиллоА.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. -М.: Радио и связь, 1985. - С.49, 83, 124.
2. Эфрусси М.М. Громкоговорители и их применение. - М.: Энергия, 1976. - С.70-82, 106-109.
3. Журенков А.Н. Соединение деталей из ДСП //Радио.- 1980. -№1.
4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990. -С. 195-196.