Выбор типа корпуса сабвуфера.
Открытое оформление.
Из всех существующих видов открытого акустического оформления наибольшее распространение на сегодняшний день получил акустический экран. 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. Значительно большее распространение получила конструктивная разновидность акустического экрана - открытый корпус.
Однако этим видам акустического оформления свойствен 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 оказывается заметно выше частоты резонанса головки F. Благодаря этому АЧХ динамической головки в малогабаритном экране или открытом корпусе 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.
Основные достоинства этих вариантов открытого оформления: низкие нелинейные искажения, гладкая фазовая характеристика и отсутствие выброса на переходной, что положительно сказывается на музыкальности воспроизведения. Недостаток малогабаритных конструкций - ослабленное воспроизведение низших частот, вызванное сложением прямой и обратной волн.
Вариантом открытого акустического оформления можно также считать панель акустического сопротивления. 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. При такой конструкции его колебания частично демпфируются, что может привести к некоторому повышению добротности и резонансной частоты. Иногда этот вид оформления называют «полузакрытым». Однако с тем же успехом можно рассматривать его и как закрытый корпус с большими утечками или совокупность большого количества маленьких фазоинверторов. Применяется этот вид оформления редко, а удачные конструкции встречаются еще реже. Основная причина - 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 - это оформление второго порядка. Он малочувствителен к отклонениям характеристик, что наряду с другими достоинствами снискало ему определенную популярность среди любителей car audio. По сравнению с иными вариантами акустического оформления его объем минимален, а качество звучания наивысшее. Основные его достоинства - прекрасная переходная 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.
Работа динамической головки в области основного механического резонанса оказывает значительное влияние на характер звучания акустической системы в целом. Резонанс должен быть эффективно подавлен, в противном случае звучание будет сопровождаться нежелательными призвуками (гулом, "бубнением"). Причем при избыточной добротности готовой акустической системы подавить его невозможно даже при использовании современных усилителей с высоким демпинг-фактором. В этом случае можно перейти к акустическим методам демпфирования.
Динамические головки низкой добротности и высокая мощность усилителей позволяют обойтись без этих ухищрений. Тем не менее, данный метод дает возможность использовать высокодобротные динамические головки в корпусах небольшого объема, что актуально именно для car audio. Это позволяет сохранить высокую чувствительность акустической системы и получить при этом гладкую АЧХ. Немаловажно и то, что размеры резонатора малы в сравнении с длиной волны действующих на него колебаний.
Фазоинвертор.
Сегодня без преувеличения можно сказать, что фазоинвертор получил наибольшее распространение в корпусных автомобильных (да и не только автомобильных) сабвуферах. Из всех возможных вариантов акустического оформления он выгодным образом сочетает в себе высокую эффективность с простотой и технологичностью изготовления и настройки. Поэтому фазоинверторы составляют большинство среди промышленных и любительских конструкций.
Фазоинвертор представляет собой отверстие или трубу определенного сечения и длины. Конструктивное исполнение фазоинвертора может быть различным (отверстие в панели, щель, тоннель круглого или прямоугольного сечения), но принцип действия один и тот же: масса воздуха в объеме порта фазоинвертора ведет себя подобно диффузору динамика, являясь источником звуковых колебаний на частоте настройки.
ФИ - 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. Переходная 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).
Главное достоинство этого вида акустического оформления - в том, что относительно простыми средствами можно снизить нижнюю границу диапазона воспроизводимых частот. Ниже частоты резонанса отдача динамической головки падает, и эстафета переходит к фазоинвертору. Обычно его настраивают несколько ниже частоты резонанса головки, потому что полоса его рабочих частот достаточно узкая, и при чрезмерно «низкой» настройке на АЧХ появится провал.
Для повышения эффективности сечение порта (отверстия фазоинвертора) должно быть сопоставимо с площадью диффузора головки. И тут проявляется главный недостаток фазоинвертора: с увеличением сечения порта драматически растет объем корпуса, необходимый для сохранения частоты настройки (как будет показано далее, частота настройки фазоинвертора зависит от объема корпуса гораздо сильнее, чем от площади отверстия). В домашней акустике «колоночка» размером со средний шкаф еще уместна, но в автомобиле - вряд ли.
Сохранить приемлемый объем корпуса и необходимую частоту настройки фазоинвертора можно, уменьшая сечение порта. Но на этом пути нас подстерегают сплошные засады. Во-первых, колебательная скорость воздуха в тоннеле малого сечения возрастает, что может привести к заметному на слух "астматическому сипению" фазоинвертора. Во-вторых, отдача тоннеля малого сечения тоже мала, и овчинка может не стоить выделки. Если же увеличить диаметр порта - длина тоннеля достигает фантастических величин, а она обычно ограничена размерами корпуса (хотя можно сделать трубу наподобие самоварной). Наконец, если удалось уместить в подходящем корпусе не слишком длинную трубу не самого малого сечения, то радоваться еще рано. Увеличение массы воздуха в длинном тоннеле большого сечения приводит к повышению добротности фазоинвертора, в результате собственные колебания большой массы воздуха в тоннеле могут затухать в течение 30-40 мс, порождая нежелательные призвуки (гул).
Причина же всех бед одна: в корпусе фиксированного объема воздействовать на частоту настройки фазоинвертора можно, только изменяя массу воздуха в тоннеле. И чем ниже должна быть частота, тем большая требуется масса воздуха. А поскольку плотность воздуха невелика, то и объем тоннеля получается значительным. Поэтому, несмотря на изобилие конструкций автомобильных сабвуферов с фазоинвертором, лишь немногие из них могут похвастаться выдающимися параметрами.
Пассивный излучатель.
Пассивный излучатель (ПИ) - это разновидность ФИ, в котором масса воздуха в тоннеле заменена массой подвижной системы пассивного излучателя. ПИ, как и фазоинвертор, - оформление теоретически четвертого порядка (реально - от третьего до четвертого, в зависимости от исполнения и настройки). В силу малой добротности ПИ переходная характеристика несколько лучше, чем у фазоинвертора.
Пассивный излучатель дает ряд новых возможностей, и первую очередь - простое управление частотой резонанса и добротностью, поэтому он перспективнее фазоинвертора и отличии от фазоинвертора, частоту настройки ПИ можно выбрать и 2-3 раза ниже частоты резонанса основного динамика.
Конструкция пассивного излучателя подобна конструкции обычной динамической головки, но без магнитной системы и звуковой катушки. Поскольку центрировать катушку в зазоре магнитной системы уже не нужно, то и центрирующая шайба не обязательна. Так появились пассивные излучатели с плоской алюминиевой диафрагмой, получившие распространение в малогабаритной домашней акустике. Обычно диафрагма «по совместительству» была шильником, на который наносился фирменный логотип или АЧХ системы, причем чаще всего она имела форму прямоугольника.
В немногочисленных пока автомобильных сабвуферах с пассивным излучателем используется более традиционная его форма - круглая. Наряду со специальными конструкциями в качестве пассивного излучателя нередко используют обычную динамическую головку без магнитной системы - это позволяет изготавливать пассивные излучатели на том же оборудовании, что и динамики, или использовать в качестве «сырья» бракованные экземпляры.
Акустическая нагрузка.
Диффузор динамической головки в закрытом оформлении испытывает существенно разное 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 при ограничении амплитуды колебаний диффузора в системах двойного действия.
Акустическую нагрузку можно реализовать различными способами. В простейшем случае перед диффузором размещается отражающая поверхность. Однако такое решение ухудшает чувствительность АС и ее АЧХ на средних частотах. В некоторых современных конструкциях для улучшения АЧХ и диаграммы направленности используется тело вращения чечевицеобразной формы. С этой же целью можно использовать отражающую поверхность, расположенную под углом. Клиновая нагрузка отчасти играет роль короткого рупора, что способствует акустическому усилению определенного диапазона частот. Как дальнейшее разлития этой идеи появились акустические системы с резонатором.
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. Достоинство полосового громкоговорителя - высокий КПД, переходные же и фазовые характеристики весьма посредственны и ухудшаются с ростом порядка.
Для всех конструкций, кроме закрытого корпуса-резонатора, желательно применение фильтра инфранизких частот (как и для классического фазоинвертора).
Из-за сложности изготовления полосовых корпусов распространение получили в основном конструкции четвертого порядка. Это двухкамерный корпус с установленной внутри динамической головкой.
Помимо рассмотренных конструкций полосовых громкоговорителей с одной динамической головкой, известны также АС, имеющие две головки. Конструкция получена объединением двух одинаковых полосовых систем. Одна из камер становится общей, ее объем при этом удваивается.
Одно из достоинств подобных конструкций состоит и том, что они не требуют специального монофонического канала усиления: каждую головку можно подключить к своему каналу стереофонического УМЗЧ.
Сдвоенные головки.
Практически во всех рассмотренных конструкциях можно использовать сдвоенные динамические головки. Для этого однотипные головки устанавливаются одним из показанных способов. Получившуюся конструкцию можно рассматривать как новую низкочастотную динамическую головку с совершенно другими свойствами.
Теоретические значения полной добротности и частоты механического резонанса получившейся системы рассчитываются как среднее геометрическое от соответствующих величин исходных головок. Поскольку при сдваивании используются однотипные головки с достаточно одинаковыми параметрами, можно считать, что они практике и не изменятся. Однако заключенный между диффузорами головок связанный объем воздуха увеличивает эффективную массу подвижной системы, понижая частоту механического резонанса (для головок больших диаметров до 80% от исходной).
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.