В громкоговорителе фазовая заглушка , фазирующая заглушка или акустический трансформатор — это механический интерфейс между динамиком и аудиторией. Фазовая заглушка расширяет высокочастотный отклик, поскольку она направляет волны наружу к слушателю, а не позволяет им деструктивно взаимодействовать вблизи динамика. [1]
Фазовые заглушки обычно встречаются в мощных рупорных громкоговорителях , используемых в профессиональном аудио , в полосах пропускания средних и высоких частот, расположенных между компрессионной диафрагмой драйвера и акустическим рупором . Они также могут присутствовать перед конусами низкочастотного динамика в некоторых конструкциях громкоговорителей. В каждом случае они служат для выравнивания длины пути звуковой волны от драйвера до слушателя, чтобы предотвратить подавления и проблемы с частотной характеристикой. Фазовую заглушку можно считать дальнейшим сужением горла рупора, становясь расширением рупора до поверхности диафрагмы. [2]
Электромеханический драйвер, который позже использовался в громкоговорителях, был изобретен немецким промышленником Вернером фон Сименсом в 1877 году, но до 1921 года не существовало практического усилителя, который позволил бы создать громкоговоритель. [3] В 1920-х годах были созданы различные конструкции громкоговорителей, включая инженеров General Electric Честера У. Райса и Эдварда У. Келлогга, которые в 1925 году соединили акустический рупор с драйвером динамика. [4] В 1926 году инженеры Bell System Альберт Л. Тюрас и Эдвард К. Венте модифицировали рупорный громкоговоритель, вставив первую фазовую заглушку между драйвером и рупором. [5] Эта фазовая заглушка направляла звуковые волны в горловину рупора из центра диафрагмы и из кольца по периметру диафрагмы через центральное отверстие и кольцевую щель с целью улучшения «передаточных характеристик» громкоговорителя «в верхней части диапазона звуковых частот». [6] На основе совместных исследований два инженера получили последовательные патенты США: Турас подал заявку на патент на новую конструкцию электродинамической диафрагмы, а Венте подал заявку на патент на первую фазовую заглушку. [6] [7] Принципы, изложенные Турасом и Венте, оказали влияние на каждую последующую конструкцию фазовой заглушки. [8]
В рупорных громкоговорителях фазовая заглушка служит для переноса звуковых волн из всех областей диафрагмы компрессионного драйвера через компрессионную камеру в горловину рупора таким образом, что каждый импульс звука достигает горловины как один когерентный волновой фронт. [9] При успешной реализации высокочастотные характеристики расширяются еще больше. [10]
Фазовая заглушка — сложный и дорогой элемент компрессионного драйвера. [5] Для ее изготовления требуются точные допуски. Фазовые заглушки изготавливаются из металлов, таких как алюминий, или отливаются из твердого пластика или бакелита . [10] Meyer Sound Laboratories выбрали легкий пластик из-за его устойчивости к температуре и влажности. [11]
Существует множество вариаций конструкции фазовой заглушки, но два типа были разработаны для соответствия двум основным типам диафрагм: купольной и кольцевой.
Купольные диафрагмы похожи на патенты Thuras/Wente 1920-х годов и до сих пор широко используются. Фазовые заглушки, которые взаимодействуют с купольными диафрагмами, включают в себя широкий спектр: конструкции с радиальными щелями, конструкции с концентрическими кольцевыми кольцевыми щелями и гибридные конструкции с комбинацией кольцевых и радиальных щелей. Инженер Altec Клиффорд А. Хенриксен докладывал о различиях между радиальными и «окружными» типами фазовых заглушек на съездах Audio Engineering Society в 1976 и 1978 годах. [12] [13] Радиальную конструкцию легче производить, но она не различает звуковые волны с периметра диафрагмы и звуковые волны из центра. На высоких частотах диафрагма не действует как идеальный поршень; вместо этого она демонстрирует волнообразные, модальные свойства, связанные с ее жесткостью и плотностью. Из-за скорости распространения волн через материал диафрагмы центр диафрагмы перемещается немного позже периметра. Радиальные щели в фазовой заглушке не корректируют эту небольшую разницу во времени, которая влияет на самые высокие частоты. Концентрические круглые щели могут корректировать волнообразное поведение диафрагмы, но расположение щелей имеет решающее значение. Круглые щели могут позволить резонансам накапливаться между диафрагмой и фазовой заглушкой — резонансы, которые вызывают подавление волн и соответствующее снижение частотной характеристики на резонансной частоте. [5]
Менее распространенная кольцевая диафрагма является более поздней разработкой, призванной минимизировать проблемы, связанные с распространением волн через материал диафрагмы. Эта конструкция требует радикально иной формы фазовой пробки, но радиальные щели и концентрические кольца все еще могут играть свою роль. [5]
Общая площадь щелей фазовой заглушки обычно составляет около одной восьмой - одной десятой площади диафрагмы. Это дает отношение изменения скорости давления к объему в диапазоне от 8:1 до 10:1, что служит для согласования импеданса диафрагмы с горлом рупора. [8] [14] Большая площадь щели пропускает больше энергии звуковой волны, но также отражает больше энергии обратно на диафрагму. Меньшая площадь щели улавливает больше энергии волны между фазовой заглушкой и диафрагмой. Исследуя интерфейс диафрагма/фазовая заглушка, Дэвид Ганнесс обнаружил, что только половина энергии волны, в лучшем случае, проходит напрямую от диафрагмы через щели фазовой заглушки и выходит к слушателю. Другая половина (или больше) вызывает погашения в пространстве между диафрагмой и фазовой заглушкой или вызывает временные аномалии (размытие времени) при выходе из фазовой заглушки позже, чем прямой звук. Чтобы минимизировать проблему, Ганнесс смоделировал поведение математически и использовал цифровую обработку сигнала , чтобы применить версию нежелательного волнового поведения с обратной полярностью к исходному аудиосигналу . [15]
Фазовые заглушки могут быть размещены перед конусами НЧ-динамика , особенно в конструкциях громкоговорителей с рупорной нагрузкой. Так же, как и фазовые заглушки компрессионного драйвера, цель состоит в том, чтобы минимизировать помехи высокочастотных волн вблизи драйвера. В этом случае «высокая частота» относится к предполагаемой полосе пропускания; например, можно ожидать, что 12-дюймовый (300 мм) конусный НЧ-динамик будет воспроизводить энергию 550 Гц вблизи верхней части предполагаемого диапазона, однако длина волны 550 Гц примерно в два раза больше диаметра НЧ-динамика, поэтому энергия волны на этой частоте, распространяющаяся в поперечном направлении с одной стороны на другую, будет не в фазе и будет нейтрализована. При фазовой заглушке в центре такая боковая энергия волны отражается от препятствия и наружу к слушателю. Фазовые заглушки для конусов НЧ-динамика обычно представляют собой сплошные заглушки, расположенные над центральным пылезащитным колпачком НЧ-динамика или в центре НЧ-динамика, заменяя пылезащитный колпачок. [16] [17]