Басовый рефлекс
Система фазоинвертора (также известная как портированная , вентилируемая коробка или фазоинверторный порт ) — это тип корпуса громкоговорителя , в котором используется порт (отверстие) или вентиляционное отверстие, вырезанное в корпусе, и часть трубки или трубы, прикрепленная к порту. [1] [2] Этот порт позволяет звуку идти с задней стороны диафрагмы, чтобы повысить эффективность системы на низких частотах по сравнению с типичным громкоговорителем в герметичном или закрытом корпусе или с бесконечной перегородкой.
Рефлекторный порт является отличительной чертой этого популярного типа корпуса . Конструктивный подход улучшает воспроизведение самых низких частот , генерируемых низкочастотным или сабвуфером . Порт обычно состоит из одной или нескольких трубок или трубок, установленных на передней ( перегородке ) или задней стороне корпуса. В зависимости от точного соотношения между параметрами драйвера , объемом корпуса (и заполнением, если таковое имеется), а также поперечным сечением и длиной трубки, эффективность может быть существенно улучшена по сравнению с производительностью герметичного корпуса аналогичного размера.
Объяснение
[ редактировать ]
В отличие от громкоговорителей закрытого типа, которые почти герметичны, система фазоинвертора имеет отверстие, называемое портом или вентиляционным отверстием, вырезанным в корпусе, обычно состоящее из трубы или воздуховода (обычно круглого или прямоугольного поперечного сечения). [3] [4] Воздушная масса в этом отверстии резонирует с «пружинистостью» воздуха внутри корпуса точно так же, как резонирует воздух в бутылке, когда поток воздуха направляется через отверстие. Другая часто используемая метафора — думать о воздухе как о пружине или резиновой ленте. Частота, на которой резонирует система коробка/порт, известная как резонанс Гельмгольца , зависит от эффективной длины и площади поперечного сечения воздуховода, внутреннего объема корпуса и скорости звука в воздухе. На заре появления портированных динамиков разработчикам динамиков приходилось проводить обширные эксперименты, чтобы определить идеальный диаметр порта и длину трубки или трубы порта; однако в последнее время появилось множество таблиц и компьютерных программ, которые для данного размера шкафа рассчитывают, насколько большим должен быть порт и какой длины должна быть трубка. Однако даже при использовании этих программ некоторые эксперименты с прототипами все же необходимы, чтобы определить, хорошо ли звучит корпус.
Если этот резонанс воздушной массы вентиляционного отверстия/воздушной пружины коробки выбран так, чтобы лежать по частоте ниже, чем собственная резонансная частота басового динамика, происходит интересное явление: обратная волна звукового излучения басового динамика инвертируется по полярности для данного частотного диапазона. между двумя резонансами. [3] Поскольку обратная волна уже находится в противоположной полярности с передней волной, эта инверсия приводит два излучения в фазу (хотя вентиляционное излучение отстает на один период волны), и, следовательно, они усиливают друг друга. Это имеет полезную цель: обеспечить более высокий выходной сигнал (при любом заданном отклонении драйвера по сравнению с закрытым ящиком) или, наоборот, аналогичный выходной сигнал с меньшим отклонением (что означает меньшие искажения драйвера). Наказанием за такое усиление является размытие времени: по сути, вентиляционный резонанс увеличивает выходную мощность основного драйвера, накладывая на него «резонансный хвост». Для частот выше естественного резонанса динамика настройка рефлекса не имеет никакого влияния. Для частот ниже вентиляционного резонанса инверсия полярности не происходит и происходит подавление обратной волны. При этом водитель ведет себя как будто подвешенный на открытом воздухе, поскольку пневмоупругость коробки отсутствует.
Когда динамики предназначены для домашнего использования или для живых выступлений с большой громкостью (например, с с усилителями басов громкоговорителями акустической системы , динамиками и сабвуферами ), производители часто рассматривают преимущества переноса (улучшение басов, снижение басов, повышение эффективности). чтобы перевесить недостатки (шум порта, проблемы с резонансом). Эта конструкция популярна среди потребителей и производителей (корпуса громкоговорителей могут быть меньше и легче для более или менее эквивалентной производительности), но увеличение выходного баса требует точного соответствия динамика, корпуса и порта. Плохо подобранные конструкции рефлексов могут иметь неприятные характеристики или недостатки, что иногда делает их непригодными для настроек, требующих высокой точности и нейтральности звука, например, студийные мониторные громкоговорители для использования звукоинженерами в средствах мониторинга, студиях звукозаписи и т. д. Однако можно спроектировать бас-гитару. рефлекторная система, которая в основном преодолевает эти недостатки; а качественные конструкции с фазоинвертором обычно встречаются в сложных условиях по всему миру.
Сравнение с пассивным радиатором
[ редактировать ]
Пассивные излучатели по своей работе аналогичны портированным фазоинверторным системам, и оба метода используются по одной и той же причине: для расширения низкочастотной характеристики системы. [5] [6] Пассивный излучатель – это использование в шкафу одного или нескольких дополнительных конусов (диафрагм) вместо портов. Эти пассивные диафрагмы не имеют магнита или звуковой катушки и не подключены к усилителю мощности . С акустической точки зрения они ведут себя в основном так же, как и порт, на частоте настройки, поскольку они также действуют как резонатор Гельмгольца, возбуждаемый задней стороной диафрагмы басового динамика. Пассивные излучатели можно настраивать независимо от их размеров, добавляя или удаляя массу диафрагмы пассивного излучателя. Это делает их полезными для небольших корпусов с одинаковой настройкой корпуса, где порт с одинаковой настройкой был бы непрактичным. Они также позволяют избежать резонансов среднечастотных труб, которые могут быть проблемой в портированных корпусах полнодиапазонных систем. [7] Однако для эффективности им требуется гораздо большая площадь поверхности снаружи шкафа, чем у порта. Они также значительно дороже, чем трубка с портом, поскольку фактически представляют собой динамик динамика без звуковой катушки и магнита двигателя.
История
[ редактировать ]
Влияние различных параметров динамиков, размеров корпуса и размеров портов (и воздуховодов) на характеристики фазоинверторных систем не было хорошо изучено до начала 1960-х годов. Впоследствии новаторские анализы А. Н. Тиле, [8] [9] [10] Дж. Э. Бенсон [11] [12] и Ричард Х. Смолл [4] [13] [14] [15] Представленные теоретические основы синтеза акустических систем с фазоинвертором, отвечающие заданным критериям низкочастотных характеристик, были преобразованы в серию «выравниваний» ( наборов соответствующих параметров громкоговорителей ), которые позволяли разработчикам получать полезные и предсказуемые отклики. Кил [16] расширила возможности дизайна, представив новый набор систем громкоговорителей с вентилируемым корпусом 6-го порядка. Все эти результаты позволили производителям акустических систем разрабатывать громкоговорители с фазоинвертором, подходящие для корпусов различных размеров, а также подбирать корпуса к конкретным громкоговорителям с большой предсказуемостью. Из-за физических электромеханических ограничений невозможно разместить небольшой динамик в небольшом корпусе, обеспечивающий расширенный басовый отклик с высокой эффективностью (т. е. требующий только маломощного усилителя). Возможно иметь два из этих атрибутов, но не все; это было названо «железным законом Хофмана» в честь Дж. Антона Хофмана из KLH резюме (совместно с Генри Клоссом ) работы Эдгара Вильчура несколькими годами ранее. Создаваемое звуковое давление зависит от эффективности динамика, механической или тепловой мощности динамика, потребляемой мощности и размера динамика.
Преимущества
[ редактировать ]
Новак [2] пришли к выводу, что корпус с фазоинвертором может иметь большую акустическую мощность при заданной величине искажений, меньшую общую гармоническую интермодуляцию и переходные искажения, чем полностью закрытый корпус аналогичного размера. Такая резонансная система усиливает басовую характеристику динамика и, если она спроектирована правильно, может расширить частотную характеристику комбинации динамик/корпус до уровня ниже диапазона, который динамик мог бы воспроизвести в герметичном корпусе аналогичного размера. Резонанс корпуса имеет еще одно преимущество: он ограничивает движение диффузора в полосе частот, сосредоточенной вокруг частоты настройки, уменьшая искажения в этом диапазоне частот. Портированные кабинетные системы дешевле динамиков с пассивным излучателем при тех же характеристиках; тогда как для системы с пассивным излучателем требуется один или два динамика с «дронным конусом», для системы с портами требуется только отверстие или порт и длинная трубка.
Ограничения
[ редактировать ]
По сравнению с громкоговорителями закрытого типа, кабинеты с фазоинвертором имеют худшую переходную характеристику, что приводит к более длительному времени затухания басовых нот. [4] Некоторые примеры переходных характеристик для различных функций фильтра верхних частот показаны на соответствующем рисунке, где каждый фильтр имеет идентичную частоту среза –3 дБ, равную 50 Гц. На этом рисунке (а) представляет переходную характеристику обычного выравнивания с вентилируемым коробом B4, а (b) представляет переходную характеристику выравнивания с закрытым коробом B2 с Q = 0,7071. Переходную характеристику громкоговорителя с вентилируемым корпусом можно улучшить, выбрав ориентацию QB3, аналогичную (c), что приводит к более хорошему затуханию переходной характеристики, чем при настройке B4. Однако юстировка C4 с вентилируемой коробкой, аналогичная (e), приводит к менее хорошо затухающему переходному процессу.
Для достижения басовой мощности корпуса портированных громкоговорителей распределяют два резонанса: один от динамика и коробочного воздуха, а другой от коробочного воздуха и порта. На частоте настройки вентиляционного канала выходной сигнал порта является основным источником вывода звука, поскольку смещение низкочастотного динамика минимально. Это более сложная система более высокого порядка, чем эквивалентный корпус громкоговорителя закрытого типа. Взаимодействие между двумя резонансами приводит к тому, что система обладает меньшим затуханием и увеличенной временной задержкой (увеличенной групповой задержкой ). Благодаря последнему ровный устойчивый басовый отклик не возникает одновременно с остальным звуковым выходом на более высоких частотах в рабочей области. Вместо этого он начинается позже (запаздывает), и задержка увеличивается, накапливаясь со временем в виде длинного резонансного «хвоста», приходящего позади основного «тела» акустического сигнала. Из-за своих электродинамических характеристик портированные корпуса, которые хорошо аппроксимируются системами фильтров верхних частот 4-го порядка, обычно приводят к худшим переходным характеристикам на низких частотах, чем акустические системы закрытого типа, которые являются системами фильтров верхних частот 2-го порядка. фильтрационные системы.
Еще одним недостатком этого дополнения является то, что на частотах ниже частоты настройки клапана порт разгружает конус и позволяет ему двигаться с очень большими смещениями. Это означает, что динамик можно вывести за пределы безопасных механических рабочих пределов на частотах ниже частоты настройки с гораздо меньшей мощностью, чем в герметичном корпусе такого же размера. По этой причине мощные системы, использующие фазоинверторную конструкцию, часто защищаются фильтром верхних частот, который удаляет сигналы ниже частоты настройки вентиляционного канала. К сожалению, электрическая фильтрация добавляет дополнительную частотно-зависимую групповую задержку. Даже если такую фильтрацию можно настроить так, чтобы не удалять музыкальный контент, она может мешать звуковой информации, связанной с размером и атмосферой места или места записи, информации, которая часто существует в низкочастотном спектре. [17] [18]
Слышен ли эффект этих эффектов в правильно спроектированной системе, остается предметом споров. Плохо спроектированная система фазоинвертора, обычно такая, чье вентиляционное отверстие неправильно настроено на слишком высокую или слишком низкую частоту, имеет тенденцию производить чрезмерную выходную мощность на частоте настройки по сравнению с остальной частью полосы пропускания акустической системы. Такое поведение может добавить «громкое» качество воспроизведения низких частот. Хотя некоторые могут подумать, что это связано с резонансом порта, накладывающим свои характеристики на воспроизводимую ноту, это просто результат не максимально плоской частотной характеристики. Если такой пик басовой характеристики корпуса фазоинвертора совпадает с одной из резонансных мод комнаты, что не является чем-то необычным, последствия будут еще больше усугубляться. В общем, чем ниже частота порта настроена, тем менее нежелательными могут быть эти проблемы.
Порты часто размещаются на передней перегородке и, таким образом, могут обеспечивать передачу нежелательных средних частот, отраженных изнутри корпуса, в среду прослушивания. Если он меньшего размера, порт также может издавать «шум ветра» или «пыхтение» из-за турбулентности вокруг отверстий порта на высоких скоростях воздуха. [19] Корпуса с портами, обращенными назад, в некоторой степени маскируют эти эффекты, но их нельзя разместить непосредственно у стены, не вызывая проблем со звуком. Им требуется некоторое свободное пространство вокруг порта, чтобы они могли работать по назначению. Некоторые производители включают порт, обращенный к полу, в подставку или основание динамика, обеспечивая предсказуемую и повторяемую работу порта в рамках конструктивных ограничений.
Сжатие портов
[ редактировать ]Сжатие порта представляет собой снижение эффективности порта по мере увеличения уровня звукового давления. По мере того, как портированная система играет громче, эффективность порта снижается, а искажения, излучаемые портом, увеличиваются. Это можно уменьшить за счет конструкции порта, но не устранить полностью. Асимметричную нагрузку на диффузор динамика при использовании на высоких уровнях можно уменьшить, разместив перегородку на внутреннем конце трубки порта. Эта перегородка также может служить элементом жесткости конструкции ограждения.
Приложения
[ редактировать ]Шкафы сабвуфера , используемые в домашних кинотеатрах и системах звукоусиления, часто оснащены портами или вентиляционными отверстиями. усилителями басов Кабинеты с и кабинеты с усилителями клавишных , которые должны воспроизводить низкочастотные звуки до 41 Гц или ниже, часто имеют порты или вентиляционные отверстия, которые обычно находятся на передней части корпуса (хотя они также размещаются на задний). Даже некоторые дорогие акустические системы Hi-Fi имеют тщательно спроектированные порты.
См. также
[ редактировать ]- Акустическая подвеска – метод проектирования и использования шкафа громкоговорителя, при котором используется один или несколько динамиков громкоговорителей, установленных в герметичной коробке или шкафу.
- Корпус громкоговорителя
- Пассивный радиатор
- Громкоговоритель линии передачи
Ссылки
[ редактировать ]- ^ де Бур, Э. (1959). «Акустическое взаимодействие в вентилируемых корпусах громкоговорителей». Журнал Акустического общества Америки . 31 (2): 246–247. Бибкод : 1959ASAJ...31..246D . дои : 10.1121/1.1907703 .
- ^ Jump up to: а б Новак, Дж. (1959). «Характеристики корпусов для низкорезонансных громкоговорителей высокого качества». Транзакции IRE по аудио . АУ-7 (1): 5–13. дои : 10.1109/ТАУ.1959.1166180 .
- ^ Jump up to: а б Турас, Ал. (1932). «Устройство перевода звука» (PDF) . Патент США № 1869178, заявка от 15 августа 1930 г., запатентована 26 июля 1932 г. Проверено 2 июля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Смолл, Р.Х. (1973). «Акустические системы с вентилируемым корпусом – Часть 1: Анализ слабого сигнала» . Журнал Общества аудиоинженеров . 21 (июнь): 363–372.
- ^ «Страница сабвуфера, сделанного своими руками — системы пассивных радиаторов» . www.diysubwoofers.org . Проверено 2 января 2023 г.
- ^ Макгоуэн, Пол (30 апреля 2013 г.). «Пассивно излучающий» . psaudio.com . Архивировано из оригинала 27 ноября 2016 г. Проверено 20 ноября 2019 г.
- ^ «Технология пассивных радиаторов» . Проверено 2 января 2023 г.
- ^ Тиле, АН (1961). «Громкоговорители в вентилируемых коробках». Труды Института радиоинженеров Австралии . 22 (8): 487–508.
- ^ Тиле, АН (1971). «Громкоговорители в вентилируемых коробках: Часть 1» . Журнал Общества аудиоинженеров . 19 (май): 382–392.
- ^ Тиле, АН (1971). «Громкоговорители в вентилируемых коробках: Часть 2» . Журнал Общества аудиоинженеров . 19 (июнь): 471–483.
- ^ Бенсон, Дж. Э. (1972). «Теория и проектирование корпусов громкоговорителей, Часть 3 — Введение в синтез вентилируемых систем». Технический обзор AWA . 14 (4): 369–484.
- ^ Бенсон, Дж. Э. (1993). Теория и конструкция корпусов громкоговорителей . Синергетические концепции аудио. ISBN 0-9638929-0-8 .
- ^ Смолл, Р.Х. (1973). «Акустические системы с вентилируемым корпусом – Часть 2: Анализ сильного сигнала» . Журнал Общества аудиоинженеров . 21 (июль/август): 438–444.
- ^ Смолл, Р.Х. (1973). «Акустические системы с вентилируемым корпусом – Часть 3: Синтез» . Журнал Общества аудиоинженеров . 21 (сентябрь): 549–554.
- ^ Смолл, Р.Х. (1973). «Акустические системы с вентилируемым корпусом – Часть 4: Приложения» . Журнал Общества аудиоинженеров . 21 (октябрь): 635–639.
- ^ Кил, Д.Б. младший (1975). «Новый набор юстировок системы громкоговорителей с вентилируемым корпусом шестого порядка» . Журнал Общества аудиоинженеров . 23 (5): 354–360.
- ^ Холман, Т. (1997). Звук для кино и телевидения . Бостон, Массачусетс: Focal Press.
- ^ Чаттопадхьяй, Будхадитья (2017). «Реконструкция атмосферы: окружающий звук в кино и медиапроизводстве» . Коммуникация и общественность . 2 (4): 352–364. дои : 10.1177/2057047317742171 .
- ^ Беззола, Андри; Девантье, Аллан; Макмаллин, Элизабет (октябрь 2019 г.). «Дизайн порта громкоговорителя для оптимальной производительности и удобства прослушивания» . 147-я конвенция AES (документ № 10311, открытый доступ) . Проверено 15 мая 2021 г.