Основные проблемы при конструировании акустических систем вызывает выбор низкочастотного акустического оформления. При его расчете необходимо учитывать не только характеристики динамической головки, но и акустические свойства помещения на низких частотах (передаточную характеристику). Для бытовых помещений ее влияние невелико, но салон автомобиля в силу малых размеров уже становится одним из элементов акустического оформления. Поэтому самые радикальные любители начинают создание аудиосистемы с выбора соответствующего автомобиля.

Передаточная характеристика салона

Салон автомобиля ввиду малых размеров оказывает существенное влияние на воспроизведение звука, особенно в области низших частот. Для этой области можно выделить две особенности: локальные дефекты АЧХ, вызванные резонансными явлениями, и подъем АЧХ на низших частотах. Воздействие указанных факторов в совокупности называется передаточной характеристикой салона. Поэтому автомобильный сабвуфер вне машины нормально звучать не будет, так же, как и ¦домашний¦ = в машине.

Для сигналов тех частот, длина волны которых намного меньше максимального размера салона (как правило = его длины), звуковое давление определяется колебательной скоростью диффузора, и теоретически его можно считать постоянным (волновой режим излучения). Возникающие на практике локальные дефекты АЧХ = результат интерференции стоячих волн, о чем мы поговорим позже.

Для сигналов самых низких частот звуковое давление изменяется в пределах салона практически синфазно (компрессионный режим излучения). В пределах компрессионной зоны звуковое давление определяется амплитудой колебаний диффузора и теоретически растет обратно пропорционально частоте с крутизной 12дБ/окт. В первом приближении (без учета потерь) можно считать, что частота, на которой подъем АЧХ составляет 3 дБ, равна

Fз=Vs/2Lmax=170/Lmax,

где
Fз = граничная частота (Гц),
Vs=340 м/с = скорость звука,
Lmax = максимальный размер салона (м).
¦Ока¦ -80 Гц
¦Классики¦ и ¦зубилы¦ 65=70 Гц
¦Универсалы¦ имикроавтобусы55=60 Гц

Однако на практике подъем АЧХ с такой крутизной происходит в диапазоне примерно одной октавы, после чего подъем замедляется. Поведение АЧХ на самых низких частотах определяется герметичностью конкретного кузова и конечной жесткостью кузовных панелей, поэтому реально подъем составляет 12=15 дБ и весьма индивидуален. Для участка от 40 до 80 Гц кривые для большинства легковых автомобилей практически совпадают и в расчетах можно принимать среднее значение F3=63 Гц.

Рисунок 1. Передаточная характеристика салона легкового автомобиля средних размеров

На частотах, где работает волновой механизм излучения, благодаря наличию в салоне относительно параллельных поверхностей (боковые стенки, пол и потолок) создаются условия для возникновения стоячих волн. Практическое значение имеют только колебания на основной частоте и субгармониках (частотах, которые составляют целую часть частоты основного колебания), интенсивность остальных составляющих весьма мала. Реально из-за наличия препятствий в виде сидении и пассажиров большинство резонансов подавляется, а явно выражен только объемный резонанс салона. Для большинства легковых автомобилей это область частот 120= 150 Гц. На частоте примерно вдвое большей наблюдается антирезонанс салона, вызванный сложением прямой и отраженной волны. Наибольшей неравномерностью АЧХ в этой области обладает кузов, ширина и высота которого близки по величине. Кроме того, характер резонансного ¦горба¦ и антирезонансной ¦ямы¦ зависит от направления излучения НЧ-динамика, а также выбранных частот раздела сабвуфера и остальной акустики. При расчете сабвуферов обычно для простоты этот фактор не учитывают.

На слух резонанс салона проявляется в виде неприятного гула и ¦бубнения¦. В первом приближении можно считать, что частота резонанса салона равна:

Fr=Vs/2W=170/W,

где
Fr = частота резонанса (Гц),
Vs=340 м/с = скорость звука,
W = ширина (высота) салона (м).

Вредное влияние резонанса может быть снижено за счет применения мягкой облицовки дверей и потолка, но полностью подавить его возможно только путем коррекции АЧХ тракта (см.статью ¦Горбатого могила исправит¦, ¦Мастер 12 Вольт¦ ¦ 35, август 2001).

Параметры Тиэля = Смолла

Они полностью описывают поведение головки в области поршневого действия. Математическая модель, использующая эти параметры, положена в основу современных методов расчета акустического оформления. Далее приводится минимально необходимый для расчетов список параметров Тиэля = Смолла, относящихся как непосредственно к головке, так и к ее акустическому оформлению.

Fs (Гц) = частота собственного резонанса головки в свободном пространстве.
Fc (Гц) = частота собственного резонанса головки в закрытом корпусе.
Fb (Гц) = частота настройки фазоинвертора.
Fз (Гц) = частота среза, на которой отдача головки в акустическом оформлении снижается на 3 дБ.
V as (м³) = эквивалентный объем. Это закрытый объем воздуха, имеющий гибкость, равную гибкости подвижной системы головки.
Qts (безразмерная величина) = полная добротность головки громкоговорителя в свободном пространстве на резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.

Классификация низкочастотного акустического оформления

Попытки классифицировать акустическое оформление на основе его конструктивного исполнения получаются громоздкими и бессистемными. Намного удобнее построить классификацию на основе акустической нагрузки диффузора и использовании его излучения.

Акустически разгруженное оформление (Free Air) = это такое оформление, в котором перемещение диффузора ограничивается только жесткостью подвеса, а сопротивление излучения мало. На русский язык этот термин обычно переводят как ¦открытое оформление¦ и нередко ошибочно связывают с конструктивным исполнением АС в корпусе без задней стенки.

Отличительный признак всех видов открытого акустического оформления = они не повышают резонансную частоту и полную добротность АС. Поэтому под определение Free Air попадает и закрытый ящик очень большого объема (намного большего, чем эквивалентный объем головки), что приводит к путанице при ¦конструктивной¦ классификации.

Акустически нагруженное оформление = это оформление, в котором смещение диффузора ограничено главным образом упругостью воздуха и сопротивлением излучения. Результирующая добротность и частота резонанса всегда оказываются выше, чем у исходной головки. Акустическая нагрузка может создаваться как с одной стороны диффузора, так и с обеих. В последнем случае АС уже не будет являться системой прямого излучения.

Система одинарного действия использует излучение только одной стороны диффузора. Излучение обратной стороны нейтрализуется акустическим оформлением. Данные системы обеспечивают наименьшие фазовые искажения сигнала.

Система двойного действия для увеличения отдачи на низких частотах использует излучение обеих сторон диффузора. Так как возбуждаемые передней и задней поверхностью диффузора звуковые волны находятся в противофазе, для обеспечения их синфазного излучения необходимо ввести задержку одной из волн. Поскольку музыкальный сигнал не является периодическим, при этом неизбежно проявляются искажения (¦размытость¦) результирующего сигнала. Кроме того, возможно увеличение неравномерности АЧХ, поскольку фазовый сдвиг 180 градусов выполняется только для какой-то одной частоты.

Выбор динамика

Тип необходимого акустического оформления напрямую связан с характеристиками динамической головки и прежде всего = с ее полной добротностью Qs. Низкой считается полная добротность головки меньше 0,3=0,35; высокой = больше 0,5=0,6. Зная полную добротность динамика, можно сделать вывод о необходимом для него акустическом оформлении. Для работы в закрытом ящике пригодны головки с добротностью не более 0,8, для работы в фазоинверторе = головки с добротностью менее 0,5. Головки с полной добротностью более 0,8 предназначены для работы исключительно в открытом оформлении.

Кроме того, необходимо знать эквивалентный объем головки Vas и ее собственную резонансную частоту в открытом пространстве Fs. Она определяет нижнюю границу полосы воспроизводимых частот. Все виды акустического оформления, кроме открытого, повышают частоту резонанса и полную добротность головки. Зная эквивалентный объем, можно оценить необходимый объем корпуса исходя из допустимой степени повышения этих параметров.

Оценить пригодность головки для работы в качестве автомобильного сабвуфера (с учетом передаточной характеристики салона) можно по эмпирическим значениям энергетической полосы Fs/Qts. Естественно, резонансная частота должна быть намного ниже 50 Гц, иначе это уже не сабвуфер. Если это отношение составляет 50 или меньше, излучатель предназначен для работы в закрытом ящике, если 100 и больше = в фазоинверторе. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть на другие параметры = к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для решения этого вопроса использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении с учетом передаточной характеристики салона.

С распространением ПО для расчета акустического оформления сложность проектирования уже не является сдерживающим фактором, но, поскольку число ¦степеней свободы¦ оформления растет, для оформления высокого порядка необходимы контроль параметров динамических головок и настройка готового изделия. Поэтому наибольшее распространение в любительских конструкция получили ЗЯ и ФИ, ¦снисходительные¦ к точности исходных величин и качеству исполнения и легко поддающиеся настройке. По той же причине полосовые излучатели в любительских установках встречаются, как правило, в виде готовых изделий с порядком не выше четвертого. Более высокий порядок = редкость даже среди промышленных и профессиональных конструкций.

При расчете акустического оформления рекомендуется ориентироваться на результирующую добротность Qtc в диапазоне 0,5=1,0. Этот параметр влияет не только на АЧХ, но и на импульсные характеристики АС и в значительной степени определяет характер звучания. При добротности 0,5 достигается наилучшая импульсная характеристика, при добротности 0,707 = наиболее гладкая АЧХ. Аудиофильский бас получается при добротности 0,5 = 0,6. Нейтральной и ¦всеядной¦ считается добротность 0,7 = 0,75. При добротности 0,85 = 0,9 бас становится рельефным и упругим. При добротности 1,0 на частоте среза появляется ¦горбик¦ амплитудой 1,5 дБ, на слух воспринимаемый как ¦хлесткий¦ звук. При дальнейшем росте добротности на АЧХ появляется ярко выраженный резонансный ¦горб¦, дающий характерный ¦гудящий¦ призвук. Впрочем, в некоторых случаях с учетом характера музыкального материала и передаточной характеристики салона это может оказаться полезным. Вот почему в установочных студиях всегда интересуются музыкальными предпочтениями клиентов: исходя из этого выбирается добротность готовой системы.

В дальнейшем рассматриваются только распространенные в car audio решения. Среди начинающих автоаудиофилов популярны различные варианты открытого оформления (¦полочные¦ решения), но первое место в ¦рейтинге популярности¦ сабвуферов разделили закрытый ящик и фазоинвертор.

Акустически разгруженное оформление

Из всех существующих видов открытого акустического оформления наибольшее распространение в car audio получил акустический экран. В англоязычной терминологии для обозначения экрана используется термин Infinity Buffle (бесконечная поверхность). В данном случае это означает, что размеры экрана намного больше максимальной длины волны диапазона воспроизводимых частот. Акустический экран в чистом виде для оформления низкочастотных головок не применяется ввиду больших линейных размеров, на практике используются его ¦укороченные¦ версии.

Основные достоинства открытого оформления: низкие линейные искажения, гладкая фазовая характеристика и отсутствие выброса на переходной характеристике. Все это положительно сказывается на музыкальности воспроизведения. Однако этим видам акустического оформления свойственен общий недостаток. Излучаемые задней поверхностью диффузора волны, огибая экран, складываются с прямыми. Разность пути этих волн невелика, поэтому на низких частотах они оказываются практически в противофазе и ослабляются. В результате частота среза оформления F3 оказывается заметно выше частоты резонанса головки Fs. Благодаря этому АЧХ динамической головки в малогабаритном экране или открытом ящике на этом участке спадает с крутизной 6 дБ/окт, что позволяет считать его акустическим ФВЧ первого порядка. Ниже частоты резонанса крутизна возрастает до 18 дБ/окт. Теоретически с учетом передаточной характеристики салона суммарная АЧХ на нижних частотах должна иметь подъем, но при использовании реальных головок этого не происходит. Максимум, на что можно рассчитывать в этом случае, = небольшой ¦горб¦ в области 50=70 Гц.

Открытое оформление автомобильных АС создается, как правило, панелями салона. Характеристики их далеки от необходимых, изменить их практически невозможно. Поэтому приходится заранее мириться с ухудшением АЧХ системы в области низких частот. Площадь идеального акустического экрана (то есть такого, который не влияет на воспроизведение частот выше резонансной) составляет:

где
Vs=340 м/с = скорость звука в воздухе,
Fs = частота основного резонанса головки (Гц),
Qts = полная добротность головки.

Поскольку площадь реального акустического экрана значительно меньше идеальной, при установке динамических головок в такое оформление на нижней частоте воспроизводимого диапазона появится спад АЧХ:

N=10 lg(S'/S) (дB),

где S' = фактическая площадь экрана.

Если взять Fs=60 Гц, Qts=0,8 (типичные значения для ¦блинов¦), площадь идеального экрана составит 6,2м². Площадь задней полки даже в ¦четверке¦ раз в шесть меньше, поэтому спад АЧХ на частоте 60 Гц составит порядка 8 дБ. Даже с учетом передаточной характеристики салона воспроизведение частот ниже 100 Гц будет заметно ослаблено.

Вариантом открытого акустического оформления можно также считать панель акустического сопротивления (ПАС, Aperiodic Membrane). В этом случае одна из стенок корпуса громкоговорителя имеет значительное количество отверстий небольшого диаметра (3=10 мм), иногда перекрытых неплотной тканью. Назначение ПАС = поглотить или хотя бы ослабить излучение задней стороны диффузора. Иногда этот вид оформления называют ¦полузакрытым¦. Применяется он редко, а удачные конструкции встречаются еще реже. Основные причины = отсутствие надежной методики расчета и сложность ¦штучного¦ изготовления. В зависимости от конструктивного исполнения и настройки этот вид акустического оформления принимает порядок от первого до второго.

Закрытый ящик

Закрытый ящик (ЗЯ, Closed Box, Sealed Box) = это оформление второго порядка (рисунок 2 а). По сравнению с другими видами нагруженного оформления менее чувствителен к отклонениям характеристик, что, наряду с другими достоинствами, снискало ему определенную популярность среди любителей car audio. Основные его плюсы = прекрасная импульсная характеристика и отличное сопряжение с передаточной характеристикой салона автомобиля (представляющего собой ФНЧ второго порядка). Это теоретически позволяет получить плоскую АЧХ. Недостаток = низкий КПД, что требует повышенной мощности усилителя, и повышенный уровень четных гармоник из-за несимметричной нагрузки диффузора.

Рисунок 2. Акустическое оформление:

А = закрытый ящик, Б = фазоинвертор, В = пассивный излучатель

Частота резонанса и полная добротность головки при установке в закрытый ящик объемом Vc, соизмеримым с эквивалентным Vas, увеличиваются:

Таким образом, при установке головки в ЗЯ с объемом, равным эквивалентному, ее резонансная частота и добротность увеличиваются в 1,41 раза, в ящике объемом 0,5Vas = в 1,73 раза и так далее. Именно это обстоятельство ограничивает применение головок от ¦домашних¦ АС в автомобиле, поскольку они в большинстве случаев требуют значительного объема корпуса. Однако характеристики корпуса можно скорректировать, если заполнить его звукопоглотителем или, наоборот, жесткими вставками.

В некоторых случаях головки, предназначенные для работы в открытом оформлении, по конструктивным соображениям приходится устанавливать в закрытый ящик. Объем его должен быть таким, чтобы частота резонанса и полная добротность изменились незначительно. Если неизвестен эквивалентный объем головки (случай на практике обычный), необходимый объем ящика можно приближенно оценить по следующей эмпирической формуле:

Vс= 0.25*D²*Qts, где

D = диаметр диффузора (см),
Vc = объем ящика (л)
Qts - добротность динамика

Фазоинвертор и пассивный излучатель

Для работы в фазоинверторе подходят динамики, у которых показатель Fs/Qts составляет 90 и больше. Внешние признаки фазоинверсной породы: легкие диффузоры и мощные магниты.

Из всех возможных конструкций систем двойного действия наибольшее распространение получил фазоинвертор (ФИ, Vented Box, Ported Box, Bass Reflex). Конструктивно он представляет собой отверстие или трубу определенного сечения и длины (рисунок 2 б). Это резонансная система. Заключенная в ФИ масса воздуха на частоте его настройки ведет себя подобно диффузору, являясь источником звуковых колебаний.

Пассивный излучатель (ПИ) = это разновидность ФИ, в котором масса воздуха в туннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя (рисунок 2 в). В качестве пассивного излучателя чаще всего используют обычную динамическую головку, иногда с удаленной магнитной системой.

ФИ и ПИ = оформление теоретически четвертого порядка (реально = от третьего до четвертого, в зависимости от исполнения и настройки). Поэтому даже с учетом передаточной характеристики салона плоская суммарная АЧХ недостижима. Достоинство = высокий КПД. Импульсная характеристика несколько хуже, чем у ЗЯ. Основной недостаток = ниже частоты настройки фазоинвертора амплитуда колебаний диффузора ограничивается только жесткостью подвеса, поэтому возможно повреждение головки. Для предотвращения этого в тракте сигнала необходимо применять фильтр, срезающий инфранизкие частоты (subsonic filter).

Фазоинвертор представляет собой резонатор Гельм-гольца, поэтому для расчета фазоинвертора в виде отверстия в панели (без туннеля) можно воспользоваться приближенной формулой:

где
Sb = площадь отверстия (см²),
Vc = объем ящика (см³).

Из этой формулы видно, что частота настройки фазоинвертора зависит от объема ящика гораздо сильнее, чем от площади отверстия. Некоторое влияние на частоту настройки фазоинвертора оказывает соотношение размеров отверстия и его форма. При переходе от отверстия круглой или квадратной формы к прямоугольному

(при сохранении площади) частота настройки фазоинвертора возрастает на 6=12%.

Недостаток фазоинвертора без туннеля заключается в том, что для повышения эффективности площадь отверстия ФИ должна быть сопоставима с площадью диффузора головки. Объем ящика при этом получается достаточно большим, что не всегда удобно. Сохранить частоту настройки фазоинвертора и уменьшить необходимый объем ящика можно, уменьшая сечение и увеличивая длину туннеля фазоинвертора. В этом случае частота настройки приближенно описывается кошмарной формулой:

где
Sb = площадь отверстия (см²),
Vc = объем ящика (см³),
L = толщина панели или длина туннеля (см),
К = соотношение сторон отверстия.

Длина прохода не должна превышать 0,1 длины волны, соответствующей частоте настройки фазоинвертора:

где
L = длина туннеля (м),
Fb = частота настройки фазоинвертора (Гц).

Экспериментальным путем установлено, что отверстие обеспечивает большую отдачу в области НЧ, щель = лучшее демпфирование резонанса подвижной системы, а туннель = более низкую граничную частоту АС. При настройке фазоинвертора на частоту основного резонанса головки Fs снижаются нелинейные искажения. При настройке на более низкую частоту (вплоть до 0,7Fs) расширяется диапазон воспроизводимых частот. Увеличение массы воздуха в туннеле приводит к повышению добротности фазоинвертора и увеличению отдачи. Однако следует иметь в виду, что переходные характеристики фазоинверторов с ростом добротности ухудшаются. Собственные колебания большой массы воздуха в тоннеле могут затухать в течение 30=40 мс, что порождает нежелательные призвуки. Колебательная скорость воздуха в туннеле при малом его сечении возрастает, что приводит к заметному на слух ¦шипению¦. В некоторых случаях по соображениям компоновки бывает удобно увеличить число портов фазоинвертора. Суммарная площадь их должна равняться площади сечения, вычисленной для единственного порта. Длина же будет несколько больше расчетной, поскольку с увеличением числа туннелей растут и потери в них.

Точный расчет фазоинвертора с учетом добротности примененной динамической головки, числа и формы портов лучше произвести при помощи специальных программ расчета. Практика показывает, что эти программы несколько завышают объем корпуса, поэтому система получается недодемпфированной и звучание приобретает ¦затянутый¦ характер.

Для получения ¦четкого¦ баса объем корпуса следует выбрать таким, чтобы результирующая добротность АС в ЗЯ этого объема составляла 0,63=0,65. После этого можно использовать программу. Если такой возможности нет, расчет фазоинвертора можно произвести вручную. Однако следует иметь в виду, что передаточную характеристику салона в этом случае придется учитывать отдельно.

Для расчета можно использовать приведенную ранее формулу, учитывающую соотношение сторон отверстия. Для отверстий круглого сечения, наиболее распространенных на практике, ее можно упростить. Если привести размерность к системе СИ, формула примет следующий вид:

где
Lv = длина туннеля (м),
Sv = площадь сечения туннеля (м²),
Vb = объем ящика (м³),
Fb = частота настройки ФИ (Гц).

Для прикидочных расчетов последним членом выражения можно пренебречь, длина туннеля в этом случае будет завышена на 20=30%. Формула примет следующий вид (размерность та же):

Для обратного расчета частоты настройки имеющегося туннеля можно использовать формулу (размерность та же):

Если полученные величины являются неприемлемыми, можно выбрать другие начальные условия и повторить расчет. Необходимо учитывать, что внутреннее отверстие туннеля должно быть удалено от внутренней стенки корпуса на расстояние не меньше его диаметра. Если труба фазоинвертора не помещается в корпусе, ее можно частично вывести наружу или использовать трубу изогнутой формы. В этом случае в расчете будет фигурировать ее средняя длина. Кроме того, объем трубы при расчете не входит в объем корпуса, и его нужно учитывать отдельно.

Окончательно настройка фазоинвертора производится изменением длины туннеля или площади сечения отверстия. Контролировать частоту настройки фазоинвертора лучше всего путем измерения кривой импеданса головки (рисунок 3.). Для фазоинвертора Z-кривая имеет характерный двугорбый вид, ее минимум соответствует частоте настройки фазоинвертора F. При добротности фазоинвертора более 10 пики на частотах F1 и F2 имеют приблизительно одинаковую величину.

Рисунок 3. Z-характеристика фазоинвертора

Другой, более удобный на практике, способ контроля частоты настройки = визуальный. На частоте настройки фазоинвертора амплитуда колебаний диффузора минимальна, а практически все излучение создается фазоинвертором. Медленно изменяя частоту сигнала, поданного на АС, определяют момент кажущейся ¦остановки¦ диффузора и значение частоты по шкале генератора (частотомера).

Большие перспективы в любительских установках у пассивного излучателя. В ряде случаев он может оказаться предпочтительней фазоинвертора. При использовании динамической головки с большим ходом диффузора для устранения шума воздуха в туннеле фазоинвертора его сечение приходится значительно увеличивать. При этом длина туннеля может превысить размеры корпуса. В этом случае удобнее перейти к использованию пассивного излучателя.

В отличие от фазоинвертора, частота настройки ПИ обычно выбирается в 2=3 раза ниже частоты резонанса основной головки. Площадь ПИ должна быть равной или больше площади диффузора основной головки. В роли пассивного излучателя может выступать отдельная динамическая головка. При использовании обычной головки в качестве ПИ снижение резонансной частоты обеспечивается увеличением массы подвижной системы с помощью дополнительных грузиков.

Обычно в любительских конструкциях головку ПИ используют без магнитной системы, но лучше использовать полноценную головку. Настраивать ПИ в таком случае можно уже не только механически (меняя массу подвижной системы пассивного излучателя), но и электрическим способом = изменяя сопротивление резистора, подключенного параллельно звуковой катушке пассивного излучателя. Этот нетрадиционный метод позволяет изменять характеристики системы от ФИ до ЗЯ, воздействуя при этом на результирующую добротность. На рисунке 4 приведена экспериментально полученная зависимость модуля полного электрического сопротивления акустической системы с пассивным излучателем от сопротивления шунта. Хорошо видно изменение характера Z-характеристики: от типичной ¦фазоинверторной¦ (при отсутствии шунта) до характеристики закрытого ящика (при замкнутой звуковой катушке).

Z-характеристики АС при разной добротности ПИ в корпусе объемом 7л. (на графиках указано сопротивление шунта)

Рисунок 4. Влияние шунтирования ПИ на Z-характеристику АС

Частота настройки ПИ определяется по формуле:

где
Fb = частота настройки ПИ (Гц),
Fr = собственная частота резонанса ПИ (Гц),
Vb = объем ящика,
Vr = эквивалентный объем головки ПИ.

Предлагаемые в ряде справочных изданий графические методы расчета ПИ и ФИ не очень точны. Удобнее воспользоваться современными компьютерными программами расчета, многие из которых учитывают передаточную характеристику салона. Это позволяет быстро оценить действие всех параметров на АЧХ системы. Программное обеспечение для расчета акустического оформления можно найти в Internet.

Акустическая нагрузка

Диффузор динамической головки в закрытом оформлении испытывает существенно отличающееся сопротивление при движении вперед и назад. Асимметричность нагрузки является потенциальным источником нелинейных искажений. Поэтому еще в середине 70-х годов появились акустические системы, в конструкции которых этот недостаток устранялся введением дополнительной акустической нагрузки для передней поверхности диффузора. Аналогичные решения можно использовать и для ограничения амплитуды колебаний диффузора в системах двойного действия. Надежных методик расчета акустической нагрузки нет, необходим эксперимент.

Рисунок 5. Акустическая нагрузка:
А = отражательная панель, Б = ¦сурдинка¦,
В = клиновая нагрузка, Г = резонатор

Акустическую нагрузку можно реализовать различными способами. В простейшем случае (рисунок 5 а) перед диффузором размещается отражающая поверхность (Reflex Body). Однако такое решение ухудшает чувствительность АС и ее АЧХ на средних частотах. В некоторых современных конструкциях для улучшения АЧХ и диаграммы направленности служит тело вращения чечевицеобразной формы (рисунок 5 б). С этой же целью можно использовать отражающую поверхность, расположенную под углом (рисунок 5 в). Клиновая нагрузка отчасти играет роль короткого рупора, что способствует акустическому усилению определенного диапазона частот. Как дальнейшее развитие этой идеи появились акустические системы с резонатором (рисунок 5 г). После этого оставалось сделать только один шаг к конструкции полосовых громкоговорителей.

Полосовые громкоговорители

Общая черта всех конструкций полосовых громкоговорителей (bandpass) = наличие одной или нескольких резонансных камер и установка динамической головки внутри корпуса. Поскольку эти системы уже не являются системами прямого излучения, их расчет и изготовление весьма сложны. Поэтому распространение получили в основном конструкции четвертого порядка (рисунок 6 а). Полосовые громкоговорители шестого (рисунок 6 б, в) и восьмого (рисунок 6 г, д) порядка встречаются реже.

Рисунок 6.
Полосовые громкоговорители:
А = закрытый ящик-резонатор,
Б = фазоинвертор двойного действия,
В = фазоинвертор последовательного действия,
Г = фазоинвертор последовательного двойного действия,
Д = фазоинвертор-резонатор последовательного двойного действия

Полосовое акустическое оформление используется исключительно для сабвуферов. Достоинство полосового громкоговорителя = высокий КПД, импульсные же и фазовые характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка. Для всех конструкций, кроме закрытого ящика-резонатора, желательно применение фильтра инфра-низких частот (как и для классического фазоинвертора).

Помимо рассмотренных конструкций полосовых громкоговорителей с одной динамической головкой известны также АС, имеющие две головки (рисунок 7). Конструкция получена объединением двух одинаковых полосовых систем. Одна из камер становится общей, ее объем при этом удваивается. На рисунке 7 а, б показаны два варианта оформления четвертого порядка, на рисунке 7 в = шестого.

Одно из достоинств подобных конструкций состоит в том, что они не требуют специального монофонического канала усиления: каждую головку можно подключить к своему каналу стереофонического УМЗЧ.

Рисунок 7: а, 6 = варианты трехкамерного резонатора, в = трех-камерный фазоинвертор двойного действия

Сдвоенные головки

Практически во всех рассмотренных конструкциях можно использовать сдвоенные динамические головки. Для этого однотипные головки устанавливаются одним из показанных на рисунке 8 способов. Получившуюся конструкцию можно рассматривать как новую низкочастотную динамическую головку с совершенно другими свойствами.

Рисунок 8. Установка сдвоенных головок:
а = ¦лицом к лицу¦, б = ¦спина к спине¦,
в = ¦в затылок¦, г = со связанным объемом

Теоретические значения полной добротности и частоты основного механического резонанса получившейся системы рассчитываются как среднее геометрическое от соответствующих величин исходных головок. Поскольку при сдваивании обычно используются однотипные головки с достаточно близкими параметрами, можно считать, что эти параметры практически не изменятся. Однако заключенный между диффузорами головок связанный объем воздуха увеличивает эффективную массу подвижной системы, понижая частоту основного механического резонанса головок больших размеров до 80% от исходной.

Эквивалентный объем получившейся системы рассчитывается по следующей формуле:

Для однотипных головок он составляет, таким образом, половину от исходного эквивалентного объема. Вследствие этого результирующая добротность АС со сдвоенной головкой ниже, чем с одиночной головкой в том же оформлении.

Чувствительность снижается приблизительно на 1,5 дБ. Поскольку при параллельном включении обмоток развиваемая усилителем мощность удваивается, снижение чувствительности не является серьезным недостатком, но требует применения усилителя, рассчитанного на нагрузку с низким импедансом. При последовательном соединении головок потребуется усилитель большей мощности.