Автомобильные Audio / Video

4 Сабвуферы

В этом разделе немного теории, необходимой для понимания принципа
действия и устройства сабвуферов и советы, как сделать правильный
выбор в соответствии с Вашими требованиями, а также - как заставить
компьютер сделать часть работы за Вас.

4.1 Что такое параметры Тейла-Смолла (Thiele/Small)? [CD,RDP]

Это группа параметров, введенных A.N. Thiele и позднее R.H. Small, при
помощи которых можно полностью описать электрические и механические
характеристики средне- и низкочастотных головок громкоговорителей,
работающих в компрессионной области, т.е. тогда, когда в диффузоре не
возникают продольные колебания и его можно уподобить поршню. Эти параметры
совершенно необходимы при проектировании высококачественных сабвуферов.

Fs (Hz) - частота собственного резонанса головки громкоговорителя в
          открытом пространстве. В этой точке ее импеданс максимален.
Fc (Гц) - частота резонанса акустической системы для закрытого корпуса.
Fb (Гц) - частота резонанса фазоинвертора.
F3 (Гц) - частота среза, на которой отдача головки снижается на 3 dB.

Vas (куб.м) - эквивалентный объем. Это возбуждаемый головкой закрытый
            объем воздуха, имеющий гибкость, равную гибкости Cms подвижной
            системы головки.
D (м) - эффективный диаметр диффузора.
Sd (кв.м) - эффективная площадь диффузора (примерно 50-60% конструктивной
          площади).
Xmax (м) - максимальное смещение диффузора.
Vd (куб.м) - возбуждаемый объем (произведение Sd на Xmax)

Re (Ом) - сопротивление обмотки головки постоянному току.
Rg (Ом) - выходное сопротивление усилителя с учетом влияния соединительных
          проводов и фильтров.

Qms (безразмерная величина) - механическая добротность головки
    громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qes (безразмерная величина) - электрическая добротность головки
    громкоговорителя на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические
    потери.
Qts (безразмерная величина) - полная добротность головки громкоговорителя на
    резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Qmc (безразмерная величина) - механическая добротность акустической системы
    на резонансной частоте (Fs), учитывает механические потери.
Qec (безразмерная величина) - электрическая добротность акустической системы
    на резонансной частоте (Fs), учитывает электрические потери.
Qtc (безразмерная величина) - полная добротность акустической системы на
    резонансной частоте (Fs), учитывает все потери.
Ql (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb),
    учитывающая потери перетекания.
Qa (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb),
    учитывающая потери поглощения.
Qp (безразмерная величина) - добротность акустической системы на частоте (Fb),
    учитывающая прочие потери.

n0 ( безразмерная величина, иногда %) - относительная эффективность (К.П.Д.)
    системы.

Cms (м/Н) - гибкость подвижной системы головки громкоговорителя (смещение
    под воздействием механической нагрузки).
Mms (кГ) - эффективная масса подвижной системы (включает массу диффузора и
    колеблющегося вместе с ним воздуха).
Rms (кГ/с) - активное механическое сопротивление головки.

Cas - акустический эквивалент Cms
Mas - акустический эквивалент Mms
Ras - акустический эквивалент Rms

Cmes (Ф) - эквивалентная емкость Mms
Lces (Г) - эквивалентная индуктивность Cms
Res (Ом) - эквивалентное сопротивление Rms

B (Тл) - индукция в зазоре.
l (м) - длина проводника звуковой катушки.
Bl (м/Н) - коэффициент магнитной индукции.

Pa - акустическая мощность
Pe - электрическая мощность

c=342 м/с - скорость звука в воздухе в нормальных условиях.
p=1.18 кГ/м^3 - плотность воздуха в нормальных условиях.

4.2 Какие существуют типы звукового оформления ? [JLD, JG]

Дальнейшее изложение ведется не по предпочтительности, а по мере возрастания
порядка компонентов.

При работе с кроссовером (разделительным фильтром) порядок системы
увеличивается на порядок кроссовера.

Пример : если кроссовер первого порядка 6dB/октава (катушка индуктивности
последовательно с динамиком) используется с акустическим оформлением
четвертого порядка, система в целом будет пятого порядка.

Примечание : Пропорции не соблюдены, иллюстрирована только идея.

Первый порядок
бесконечный объем или открытое пространство
                               |
                               |
                              /
                             /
                           ||
                           ||
                             \
                              \
                               |
                               |
 

Второй порядок                       Второй порядок
акустически разгруженный             Изобарический*акустически
                                     разгруженный
или закрытый корпус                  (сдвоенные головки)
  _______________________             _______________________
 |                       |           |                   _____|
 |                      /            |                 /    /
 |                     /             |                /    /
 |                   ||              |              ||   ||
 |                   ||              |              ||   ||
 |                     \             |                \    \
 |                      \            |                 \____\
 |_______________________|           |_______________________|
 
 

Четвертый порядок       Четвертый порядок       Четвертый порядок
фазоинвертор            пассивный излучатель    изобарический*
туннель или щель        фазоинвертор            фазоинвертор
  _______________         _______________         _______________
 |               |       |               |       |          ____ |
 |              /        |              /        |         /    /
 |             /         |             /         |        /    /
 |           ||          |           ||          |      ||   ||
 |           ||          |           ||          |      ||   ||
 |             \         |             \         |        \    \
 |              \        |              \        |         \____\
 |               |       |               |       |               |
 |               |       |              /        |               |
 |               |       |             /         |               |
 |           ____|       |            |          |           ____|
 |                       |            |          |
 |           ____        |             \         |           ____
 |               |       |              \        |               |
 |_______________|       |_______________|       |_______________|
 

Четвертый порядок               Четвертый порядок
фазоинвертор с резонатором      изобарический*фазоинвертор с
                                резонатором
  _________________    ____      _______________________    ____
 |         |       |  |    |    |               |       |  |    |
 |        /        |  |    |    |              / \      |  |    |
 |       /                 |    |             /   \             |
 |     ||                  |    |           ||     ||           |
 |     ||                  |    |           ||     ||           |
 |       \                 |    |             \   /             |
 |        \                |    |              \ /              |
 |_________|_______________|    |_______________|_______________|
 

Четвертый порядок                 Четвертый порядок
трехкамерный                      трехкамерный изобарический*
фазоинвертор с резонатором        фазоинвертор с резонатором
  ____________   ____________      ______________   ______________
 |      |     | |     |      |    |       |      | |      |       |
 |     /      | |      \     |    |      / \     | |     / \      |
 |    /                 \    |    |     /   \           /   \     |
 |  ||                   ||  |    |   ||     ||       ||     ||   |
 |  ||                   ||  |    |   ||     ||       ||     ||   |
 |    \                 /    |    |     \   /           \   /     |
 |     \               /     |    |      \ /             \ /      |
 |______|_____________|______|    |_______|_______________|_______|
 

Пятый порядок = агрегат 4 порядка + кроссовер 1 порядка
Пятый порядок = агрегат 3 порядка + кроссовер 2 порядка и т.д.
 
 

Шестой порядок                      Шестой порядок
фазоинвертор-резонатор              изобарический*фазоинвертор-
                                    резонатор
двойного действия                   двойного действия
  ____    _____________    ____      ____    ____________    ____
 |    |  |       |     |  |    |    |    |  |      |     |  |    |
 |    |  |      /      |  |    |    |    |  |     / \    |  |    |
 |    |  |     /               |    |    |  |    /   \           |
 |           ||                |    |          ||     ||         |
 |           ||                |    |          ||     ||         |
 |             \               |    |            \   /           |
 |              \              |    |             \ /            |
 |_______________|_____________|    |______________|_____________|
 

Шестой порядок                        Квази-шестой порядок
трехкамерный                          последовательный
фазоинвертор-резонатор                двойной фазоинвертор
двойного действия
  _    _________   _________    _      _________________    ____
 | |  |   |     | |     |   |  | |    |           |     |  |    |
 | |  |  /      | |      \  |  | |    |          /      |  |    |
 |      /                 \      |    |         /               |
 |    ||                   ||    |    |       ||                |
 |    ||                   ||    |    |       ||                |
 |      \                 /      |    |         \               |
 |       \               /       |    |          \              |
 |________|_____________|________|    |       ____|             |
                                      |                         |
                                      |       ____              |
                                      |           |             |
                                      |___________|_____________|
 

Седьмой порядок = агрегат 6 порядка + кроссовер 1 порядка и т.д.
 

Квази-восьмой порядок              Восьмой порядок
последовательный
фазоинвертор-резонатор             фазоинвертор-резонатор
двойного действия                  тройного действия
  _    _______________    _         ____________    _____________
 | |  |        |      |  | |       |            |  |             |
 | |  |       /       |  | |       |            |  |             |
 |           /             |       |                             |
 |         ||              |       |                             |
 |         ||              |       |                             |
 |           \             |       |____    _____________    ____|
 |            \            |       |    |  |      |      |  |    |
 |         ____|           |       |    |  |     /       |  |    |
 |                         |       |            /                |
 |         ____            |       |          ||                 |
 |_____________|___________|       |          ||                 |
                                   |            \                |
                                   |             \               |
                                   |______________|______________|
 
 

* Варианты изобарической (сдвоенной) (Iso-Group) головки громкоговорителя:
В описанных вариантах можно использовать различные способы установки
сдвоенных головок. Предпочтительный вариант следует выбирать исходя из
конкретных конструктивных и акустических требований.
 

Встречный (пушпульный)             Комбинированный
                                   (туннельная установка)
"лицом к лицу"                     "в затылок"
  _________________                 ___________________________
 |                 |               |                       ____|
 |                / \              |                      /   /
 |               /   \             |                     /   /
 |         >>> ||     || >>>       |               >>> ||  || >>>
 |         >>> ||     || >>>       |               >>> ||  || >>>
 |               \   /             |                     \   \
 |                \ /              |                      \___\
 |_________________|               |___________________________|

"спина к спине"                    С отражающей поверхностью
  _________________________         ___________________________
 |                _________|       |                        |  |
 |                \       /        |                       /   |
 |                 \     /         |                      /    |
 |              >>> || || >>>      |                    || >>> |
 |              >>> || || >>>      |                    || >>> |
 |                 /     \         |                      \    |
 |                /_______\        |                       \   |
 |_________________________|       |________________________|  |
                                                            |  |
                                                           /   |
                                                          /    |
                                                        || <<< |
                                                        || <<< |
                                                          \    |
                                                           \   |
                                                            |__|
>>> мгновенное направление
>>> движения диффузора
 

4.3 Какой тип звукового оформления выбрать ? [IDB, DK]

Ответ не содержит конкретных рекомендаций, но открывает простор для
творчества с "кубиками" (бесконечный объем - 1 порядок, закрытое
оформление - 2 порядок, фазоинвертор (в том числе и с резонатором) -
4 порядок и простые фильтры).
Расчет и изготовление акустического оформления более высокого порядка
достаточно сложны.

4.3.1 Бесконечный объем (открытое пространство)

Достоинства :

- Корпус не нужен. Значит - проще смонтировать и подключить.

Недостатки:

- Требует хорошей акустической изоляции между передней и задней поверхностью
диффузора. При установке может привести к определенным проблемам и
потребовать дополнительной изоляции отверстий в панелях, чтобы исключить
"акустическое короткое замыкание".
- Демпфирование диффузора в этом случае определяется только гибкостью
подвижной системы и может оказаться недостаточным.
- Менее эффективна в области самых низких частот по сравнению с другими
конструкциями.
- В принципе дороже, чем хороший корпусной сабвуфер. Для лучшей слышимости
подвижная система должна иметь максимальную гибкость и ход, чтобы
выдерживать большую подводимую мощность.

4.3.2 Закрытый корпус

Преимущества :

- Малый занимаемый объем.
- Неглубокий (12 dB/октава) спад АЧХ на низких частотах.
- Прекрасно выдерживают мощность на самых низких частотах.
- Прекрасная переходная характеристика и групповое время задержки.
- Легкость монтажа и простота конструкции.
- Снисходительность к конструктивным просчетам.

Недостатки :

- Недостаточная эффективность.
- Незначительная отдача в области "верхнего баса".
- При использовании мощного агрегата в маленьком корпусе охлаждение
магнитной системы недостаточно.

4.3.3. Фазоинвертор

Преимущества :

- На 3-4 dB эффективнее, чем закрытый корпус.
- Отдача в области "верхнего баса" лучше, а искажения меньше.
- Магнитная система хорошо охлаждается.
- АЧХ правильно сконструированного агрегата расширена в область низких
частот по сравнению с закрытым корпусом.

Недостатки :

- Размеры (не так критичные для неавтомобильной акустики).
- Недостаточная нагрузка ниже Fb.
- Сложнее проектирование, в результате просчетов можно получить гулкий,
неприятный звук.

4.3.4. Фазоинвертор с резонатором

Достоинства :

- Надлежащим образом сконструированный и смонтированный сабвуфер
обеспечивает прекрасное воспроизведение самых низких частот.
- Лучше демпфируются колебания диффузора и снижаются механические нагрузки.
- Диффузор надежно защищен от болтающихся по багажнику предметов.
- Выход хорошо вписывается в интерьер седанов.

Недостатки :

- Трудно изготовить (не рекомендуется для новичков) и очень критично к
ошибкам проектирования.
- Фильтрующие свойства часто маскируют искажения, возникающие при
ограничении сигнала в момент перегрузки усилителя. В результате слушатель
и не догадывается, что динамик на грани выхода из строя.
- Требуется мощное звено "среднего баса" вследствие узкой полосы
воспроизводимых частот.
- Переходная характеристика зависит от характера настройки. При широкой
полосе звук вялый, узкая полоса (и большая отдача) улучшает переходную
характеристику.
- Займет уйму времени.

4.4 Как изготовить корпус ? [AS, GG]

Для получения от акустической системы высококачественного звучания ее
необходимо не только правильно рассчитать, но и тщательно изготовить.
Здесь даны рекомендации, которые позволят избежать наиболее часто
встречающихся ошибок, способных свести на нет все конструкторские
ухищрения.

4.4.1 Материалы и конструкция [AS,GG]

Акустическое оформление рассчитывается исходя из конструктивных параметров
низкочастотных головок. В любом акустическом оформлении следует избегать
каких-либо щелей и отверстий, корпус должен быть герметичным. Отверстия или
щели приводят к акустическому "короткому замыканию", вследствие чего
воспроизведение низких частот резко ухудшается. Головки громкоговорителей,
если в их конструкции не предусмотрено посадочное уплотнение, следует
устанавливать через уплотняющую прокладку из губчатой резины или резиновой
трубки. То же самое относится и к сдвоенным головкам сабвуферов. При установке
фазоинвертора необходимо обеспечить герметичность стыка трубы и панели.

Диаметр отверстия для головки должен быть равен диаметру диффузора с
учетом гофра, чтобы исключить возможность касания гофром панели во
время работы. Диффузор головки при установке на наружной панели
необходимо защитить от повреждений тонкой решеткой или сеткой с ячейками
5-10 мм. Неплохо также защитить порт или туннель фазоинвертора от попадания
посторонних предметов, что особенно актуально при установке сабвуфера в
багажнике. Крепление головок осуществляется при помощи винтов, шурупов
или шпилек. Головки не следует притягивать к корпусу слишком сильно,
чтобы не вызвать перекос диффузородержателя и подвижной системы и не
увеличить вибрации.

Материал корпуса должен обеспечивать жесткость панелей, особенно той,
на которой смонтирован(ы) динамик(и). Наиболее подходящие материалы - фанера,
ДВП и ДСП. Чем больше размеры корпуса и мощность головки, тем толще должен
быть материал корпуса. Для сабвуферов толщина панелей под динамики должна
быть не меньше 15 мм, прочих - 10 мм. Жесткость панелей можно увеличить при
помощи дополнительных распорок между противоположными стенками или ребер
жесткости в виде прикрепленных к панели брусков.

При самостоятельном изготовлении корпуса избежать шипового соединения
панелей можно, соединяя панели при помощи металлических уголков или
деревянных брусков. Деревянные бруски, кроме того, позволяют довольно
просто изготовить скошенные корпуса, более приспособленные к установке
под сиденьями. В любом случае панели и связующие элементы устанавливают
на клею и крепят шурупами или винтами, а после высыхания клея стыки
герметизируют изнутри силиконом, эпоксидной смолой или герметиком. Для
заделки  щелей на стыке панелей можно использовать смесь древесных опилок с
клеем. Внутренние поверхности корпуса следует хорошо задемпфировать.
Готовый корпус необходимо ошкурить, затем его можно зашпаклевать, загрунтовать
и покрасить, или отделать ковровым покрытием.

4.4.2 Звукопоглотитель [AS]

Введение звукопоглотителя в конструкцию корпуса громкоговорителя позволяет
превратить адиабатический процесс сжатия-расширения воздуха в ящике в
изотермический, что эквивалентно увеличению объема корпуса на 10-20%.
Соответственно снижается и резонансная частота громкоговорителя, в пределе
это снижение достигает 0,85 от исходной величины. Кроме того,
звукопоглотитель позволяет исключить отражения сигнала и резонансные явления
в объеме корпуса, что благоприятно сказывается на результирующей АЧХ.

Звукопоглощающий материал для заполнения внутреннего объема корпуса должен
быть рыхлым и пористым. Применимы  вата в виде матов (для закрытого
оформления можно в матерчатом или марлевом мешке), дакрон. Для
закрытого оформления необходимо заполнить приблизительно 60% объема позади
головки, для фазоинвертора и пассивного излучателя достаточно нанести
звукопоглотитель на заднюю (обязательно) и боковые (желательно) стенки
слоем толщиной не менее 20-30 мм. Не следует размещать звукопоглотитель
вблизи отверстия или трубы фазоинвертора, так как чрезмерное демпфирование
может привести к полному прекращению действия фазоинвертора. В резонансных
камерах акустических оформлений высоких порядков звукопоглотитель не
обязателен, но в некоторых случаях может быть полезным нанести его на одну
из стенок слоем 10-20 мм для уменьшения отражений.
Маты из ваты изготавливают так: на куске марли или бязи раскладывают
вату ровным слоем, накрывают другим куском и простегивают суровой ниткой.
Маты крепят к внутренним поверхностям корпуса гвоздями, шурупами или на
клею. Удобно также применять листовой поролон (пенополиуретан) в виде
ковриков и матов толщиной 20-50 мм. Для увеличения пористости (что дает
лучшее звукопоглощение) неплохо некоторое время походить по ним (но не
грязными сапогами!).

4.5 Какой динамик использовать ? [AS, GG]

Хорошо зарекомендовали себя динамики фирм Rockford Fosgate, JL Audio, MTX,
Kicker. При самостоятельном изготовлении сабвуферов можно также использовать
следующие динамические головки отечественного производства, имеющие
сопротивление 4 Ом :

Обозначение Габариты, мм Чувствительность Частота
          (диаметр*высота) дБ/Вт          резонанса, Гц
________________________________________________________________
10ГДН1 (6ГД6)     125*80      84               75
25ГДН1 (10ГД34)   125*76      84               80
25ГДН2 (15ГД18)   125*76      81               100
25ГДН3 (15ГД14)   125*76      84               55
35ГДН1 (25ГД26)   200*120      86              30
75ГДН1 (30ГД2)    250*125      87              25
75ГДН6 (30ГД6)    250*124      88              33
________________________________________________________________

Использование динамиков сопротивлением 8 Ом в автомобильных сабвуферах
энергетически невыгодно и может быть оправдано только при параллельном
включении в сдвоенных головках.

4.6 Какое программное обеспечение использовать при проектировании ? [JSC,MH,DK]

Программы расчета различных вариантов акустического оформления доступны
через ftp://ftp.uu.net/usenet/rec.audio.high-end/Software. Наиболее
популярная программа - Perfect Box (файл "perf.uu" или "perf.zip").

Но ни одна программа не сделает за Вас оптимальный выбор ! Программа не
может учесть ограничения объема, тип автомобиля, тип и количество обычных
басовых динамиков, Ваши музыкальные предпочтения и предполагаемые затраты.
Многие слепо уверены, что компьютерная программа дает оптимальное решение
и результат их обескураживает. Лучше обсудить приглянувшуюся конструкцию
с квалифицированным монтажником, а еще лучше - с производителем.

Среди прочей информации заслуживает также внимания файл "sahfsd01.doc"
в архиве ftp.uu.net. Аббревиатура расшифровывается как "Software and
Hardware for Speaker Design". Файл был добавлен в июне 1994 анонимным автором.

4.7 Что такое панель акустического сопротивления
("aperiodic membrane") ? [CD,DK]

Апериодическая мембрана (в отечественной терминологии - панель
акустического сопротивления, ПАС) - составная часть акустического
оформления некоторых сабвуферов. Это решетка, акустическое сопротивление
которой зависит от частоты. Первоначально Naim применил ее в домашних
акустических системах, но некоторые производители применяют ее в
автомобильной акустике.

У системы с ПАС головка громкоговорителя передемпфирована и имеет
добротность не более 0,7. Напротив, распространенные закрытые корпуса
имеют полную добротность Qtc 0,8-1,1 и по определению недостаточно
демпфированы. При неправильном проектировании высокодобротные системы
могут иметь плохую переходную характеристику, значительный пик на АЧХ
и значительный спад за ним. ПАС ведут себя по другому - у них лучше
переходная характеристика и плоская АЧХ с протяженным низкочастотным участком.

Другое преимущество системы состоит в том, что открывается широкий выбор.
Параметры Тейла-Смолла (которые предопределяют выбор типа корпуса)
учитываются при проектировании ПАС так, чтобы ее характеристики
соответствовали характеристикам головки громкоговорителя.

Реально ПАС не для каждого автомобиля. Для достижения хороших результатов
необходима хорошая акустическая изоляция (с уплотнением) как багажника
от пассажирского салона, так и самого багажника. Головки громкоговорителей
монтируются на перегородке между салоном и багажником так же, как в
системе с бесконечным объемом/открытым оформлением. ПАС помещается либо
впереди динамика, либо позади него (в зависимости от типа), в этом случае
ПАС является задней стенкой небольшого корпуса, в котором установлена
головка громкоговорителя (как в Buick Grand National у Richard Clark).
Это не годится для грузовиков, джипов, роверов и хэтчбэков.