Система фазоинвертора (также известная как фазоинверторный корпус , вентилируемый корпус или фазоинверторный порт ) — это тип корпуса громкоговорителя , в котором используется порт (отверстие) или вентиляционный канал, прорезанный в корпусе, и секция трубки или трубопровода, прикрепленная к порту. [1] [2] Этот порт позволяет звуку с задней стороны диафрагмы повышать эффективность системы на низких частотах по сравнению с типичным громкоговорителем в герметичном или закрытом корпусе или с установкой бесконечной перегородки.
Рефлекторный порт является отличительной чертой этого популярного типа корпуса . Подход к проектированию улучшает воспроизведение самых низких частот, генерируемых сабвуфером или басовым динамиком . Порт обычно состоит из одной или нескольких трубок или трубок, установленных на передней ( перегородке ) или задней поверхности 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.
В отличие от громкоговорителей закрытого типа, которые почти герметичны, система фазоинвертора имеет отверстие, называемое портом или вентиляционным отверстием, прорезанное в корпусе, обычно состоящее из трубы или воздуховода (обычно круглого или прямоугольного поперечного сечения). [3] [4] Воздушная масса в этом отверстии резонирует с «упругостью» воздуха внутри корпуса точно так же, как резонирует воздух в бутылке, когда поток воздуха направляется через отверстие. Другая часто используемая метафора — представлять воздух как пружину или резиновую ленту. Частота, на которой резонирует система короб/порт, известная как резонанс Гельмгольца , зависит от эффективной длины и площади поперечного сечения канала, внутреннего объема корпуса и скорости звука в воздухе. В первые годы существования портированных громкоговорителей проектировщикам громкоговорителей приходилось проводить обширные эксперименты, чтобы определить идеальный диаметр порта и длину трубки или трубы порта; Однако в последнее время появились многочисленные таблицы и компьютерные программы, которые вычисляют для заданного размера корпуса, насколько большим должен быть порт и какой длины должна быть трубка. Однако даже с этими программами все еще необходимо провести некоторые эксперименты с прототипами , чтобы определить, хорошо ли звучит корпус.
Если этот резонанс воздушной массы вентиляционного отверстия/воздушной упругости корпуса выбран таким образом, чтобы он лежал ниже по частоте, чем собственная резонансная частота басового драйвера, происходит интересное явление: обратная волна звукового излучения басового драйвера инвертируется по полярности для диапазона частот между двумя резонансами. [3] Поскольку обратная волна уже находится в противоположной полярности с передней волной, эта инверсия приводит два излучения в фазу (хотя излучение вентиляционного отверстия отстает на один период волны), и поэтому они усиливают друг друга. Это имеет полезную цель создания более высокого выходного сигнала (для любого заданного отклонения драйвера по сравнению с закрытым ящиком) или, наоборот, аналогичного выходного сигнала с меньшим отклонением (что означает меньшее искажение драйвера). Штраф, возникающий из-за этого усиления, — это размывание по времени: по сути, резонанс вентиляционного отверстия увеличивает выход основного драйвера, накладывая на него «резонансный хвост». Для частот выше собственного резонанса драйвера выравнивание рефлекса не оказывает никакого влияния. Для частот ниже резонанса вентиляционного отверстия инверсия полярности не достигается, и происходит подавление обратной волны. При этом водитель ведет себя так, словно подвешен в свободном воздухе, поскольку упругость воздуха в коробе отсутствует.
Когда динамики проектируются для домашнего использования или для громких живых выступлений (например, с басовыми усилителями , динамиками и сабвуферами систем PA ), производители часто считают, что преимущества портирования (увеличенный басовый отклик, более низкий басовый отклик, улучшенная эффективность) перевешивают недостатки (шум порта, проблемы резонанса). Конструкция популярна среди потребителей и производителей (корпуса колонок могут быть меньше и легче для более или менее эквивалентной производительности), но увеличение басового выхода требует близкого соответствия драйвера, корпуса и порта. Плохо подобранные конструкции с рефлектором могут иметь неудачные характеристики или недостатки, что иногда делает их непригодными для установок, требующих высокой точности и нейтральности звука, например, студийные мониторные динамики для использования звукорежиссерами в контрольных помещениях, студиях звукозаписи и т. д. Однако можно спроектировать систему с басовым рефлектором, которая в основном преодолевает эти недостатки; и качественные конструкции с басовым рефлектором обычно встречаются в сложных условиях по всему миру.
Пассивные излучатели по принципу действия похожи на портированные системы фазоинвертора, и оба метода используются по одной и той же причине: для расширения низкочастотной характеристики системы. [5] [6] Пассивный излучатель — это использование одного или нескольких дополнительных конусов (диафрагм) в корпусе вместо портов. Эти пассивные диафрагмы не имеют магнита или звуковой катушки и не подключены к усилителю мощности . Акустически они ведут себя в основном так же вокруг своей частоты настройки, как порт, поскольку они также действуют как резонатор Гельмгольца, возбуждаемый задней стороной диафрагмы басового драйвера. Пассивные излучатели можно настраивать независимо от их размеров, добавляя или удаляя массу из диафрагмы пассивного излучателя. Это делает их полезными для корпусов меньшего размера с той же настройкой корпуса, где эквивалентно настроенный порт был бы непрактичным. Они также обходят резонансы трубы среднего диапазона, которые могут быть проблемой в портированных корпусах в полнодиапазонных системах. [7] Однако для того, чтобы быть эффективными, им требуется гораздо большая площадь поверхности на внешней стороне корпуса, чем порт. Они также значительно дороже фазоинверторных ламп, поскольку по сути являются драйвером динамика без звуковой катушки и магнита двигателя.
Влияние различных параметров динамиков, размеров корпусов и размеров портов (и каналов) на производительность систем с фазоинвертором не было хорошо изучено до начала 1960-х годов. Впоследствии новаторские анализы AN Thiele, [8] [9] [10] JE Benson [11] [12] и Richard H. Small [4] [13] [14] [15] представили теоретические основы для синтеза систем с фазоинвертором для соответствия заданным критериям производительности на низких частотах, которые были развиты в серию «выравниваний» ( наборов соответствующих параметров динамиков ), которые позволили разработчикам создавать полезные, предсказуемые отклики. Keele [16] расширил возможности проектирования, представив новый набор выравниваний систем громкоговорителей с вентилируемым корпусом 6-го порядка. Все эти результаты позволили производителям динамиков проектировать громкоговорители с фазоинвертором для соответствия различным размерам корпусов и подбирать корпуса к заданным динамикам с большой предсказуемостью. Из-за физических электромеханических ограничений невозможно иметь небольшой динамик в небольшом корпусе, производящем расширенный басовый отклик при высокой эффективности (т. е. требующем только маломощного усилителя). Возможно иметь два из этих атрибутов, но не все; это было названо железным законом Хофмана после резюме Дж. Антона Хофмана из KLH (совместно с Генри Клоссом ) работы Эдгара Вильхура годами ранее. Производимое звуковое давление зависит от эффективности динамика, механической или тепловой мощности, управляемой драйвером, входной мощности и размера драйвера.
Новак [2] пришел к выводу, что корпус с фазоинвертором может иметь большую акустическую мощность при заданном уровне искажений, меньшую общую гармоническую интермодуляцию и переходные искажения, чем полностью закрытый корпус аналогичного размера. Такая резонансная система усиливает басовый отклик драйвера и, если спроектирована правильно, может расширить частотную характеристику комбинации драйвера/корпуса до диапазона ниже диапазона, который драйвер воспроизводил бы в закрытом корпусе аналогичного размера. Резонанс корпуса имеет вторичное преимущество в том, что он ограничивает движение конуса в полосе частот, центрированной вокруг частоты настройки, уменьшая искажения в этом диапазоне частот. Системы с портированным корпусом дешевле, чем пассивный излучатель с той же производительностью; в то время как для пассивной излучательной системы требуется один или два динамика с «конусом дрона», для портированной системы требуется только отверстие или порт и длина трубки.
По сравнению с громкоговорителями закрытого типа, у басовых рефлексных корпусов хуже переходная характеристика, что приводит к более длительному времени затухания, связанному с басовыми нотами. [4] Некоторые примеры переходных характеристик для различных функций фильтра верхних частот показаны на соответствующем рисунке, где каждый фильтр имеет одинаковую частоту среза −3 дБ 50 Гц. На этом рисунке (a) представляет переходную характеристику обычного выравнивания вентилируемого корпуса B4, тогда как (b) представляет переходную характеристику выравнивания закрытого корпуса B2 с Q = 0,7071. Переходную характеристику громкоговорителя вентилируемого корпуса можно улучшить, выбрав выравнивание QB3, аналогичное (c), что приводит к более хорошо затухающему переходному отклику, чем тот, который создается выравниванием B4. Однако выравнивание вентилируемого корпуса C4, аналогичное (e), приводит к менее хорошо затухающему переходному отклику.
Для достижения басового выхода, корпусы портированных громкоговорителей создают два резонанса: один от драйвера и коробчатого воздуха, а другой от коробчатого воздуха и порта. На частоте настройки вентиляционного отверстия выход из порта является основным источником выходного звука, поскольку смещение сабвуфера минимально. Это включает в себя более сложную систему более высокого порядка, чем эквивалентный корпус громкоговорителя закрытого корпуса. Взаимодействие между двумя резонансами приводит к системе, которая обладает меньшим демпфированием и увеличенной временной задержкой (увеличенной групповой задержкой ). Из-за последнего плоский устойчивый басовый отклик не происходит одновременно с остальной частью звукового выхода на более высоких частотах в рабочей области. Вместо этого он начинается позже (запаздывает), и задержка увеличивается, накапливаясь со временем в виде длинного резонансного «хвоста», прибывающего позади основного «тела» акустического сигнала. Вследствие своих электродинамических характеристик, фазоинверторные корпуса, которые хорошо аппроксимируются как системы фильтров верхних частот 4-го порядка, обычно приводят к более слабым переходным характеристикам на низких частотах, чем акустические системы с закрытыми корпусами, которые являются системами фильтров верхних частот 2-го порядка.
Другим компромиссом для этого усиления является то, что на частотах ниже частоты настройки вентиляционного отверстия порт разгружает конус и позволяет ему двигаться с очень большими смещениями. Это означает, что динамик может быть выведен за пределы его безопасных механических рабочих пределов на частотах ниже частоты настройки с гораздо меньшей мощностью, чем в герметичном корпусе эквивалентного размера. По этой причине мощные системы, использующие конструкцию фазоинвертора, часто защищены фильтром верхних частот, который удаляет сигналы ниже частоты настройки вентиляционного отверстия. 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 площадки записи, информации, которая часто существует в низкочастотном спектре. [17] [18]
Вопрос о том, слышны ли эти эффекты в правильно спроектированной системе, остается предметом споров. Плохо спроектированная система фазоинвертора, как правило, та, у которой вентиляционное отверстие неправильно настроено слишком высоко или слишком низко по частоте, имеет тенденцию производить чрезмерный выход на частоте настройки относительно остальной части полосы пропускания акустической системы. Такое поведение может добавить «гулкое» однонотное качество к воспроизведению басовых частот. Хотя некоторые могут считать, что это происходит из-за резонанса порта, навязывающего свои характеристики воспроизводимой ноте, это просто результат не максимально плоской функции частотной характеристики. Если такой пик в басовом отклике корпуса фазоинвертора совпадает с одним из резонансных режимов помещения, что является обычным явлением, эффекты будут еще больше усугубляться. В общем, чем ниже по частоте настроен порт, тем менее нежелательными, вероятно, будут эти проблемы.
Порты часто располагаются на передней перегородке и, таким образом, могут пропускать нежелательные средние частоты, отраженные изнутри корпуса в среду прослушивания. Если он недостаточно большой, порт также может генерировать «шум ветра» или «пыхтение» из-за турбулентности вокруг отверстий порта при высоких скоростях воздуха. [19] Корпуса с портом, обращенным назад, в некоторой степени маскируют эти эффекты, но их нельзя разместить прямо у стены, не вызывая слышимых проблем. Им требуется некоторое свободное пространство вокруг порта, чтобы они могли работать так, как задумано. Некоторые производители встраивают порт, обращенный к полу, в подставку или основание динамика, обеспечивая предсказуемую и повторяемую производительность порта в рамках ограничений конструкции.
Компрессия порта — это снижение эффективности порта по мере увеличения уровня звукового давления. [20] [21] [22] 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. [23] Асимметричную нагрузку на конус драйвера при использовании на высоком уровне можно уменьшить, разместив перегородку на внутреннем конце трубки порта. Эта перегородка также может служить элементом жесткости конструкции корпуса.
Корпуса сабвуферов , используемые в домашних кинотеатрах и системах звукоусиления, часто оснащаются портами или вентиляционными отверстиями. Корпуса басовых усилителей и корпусы клавиатурных усилителей , которые должны воспроизводить низкочастотные звуки до 41 Гц или ниже, часто изготавливаются с портами или вентиляционными отверстиями, которые обычно находятся на передней части корпуса (хотя они также размещаются на задней стороне). Даже некоторые дорогие hi-fi -динамики имеют тщательно спроектированные порты.