Закриті АС вимагають великого об'єму оформлення для достатньо хорошого відтворення нижчих частот, тому виходять громіздкими і важкими. Що існують малогабаритні закриті АС малочутливі. Якщо ж потрібно мати закриту АС менших габаритних розмірів, доводиться миритися з тим, що «басів» у неї при цьому буде значно менше. В значній мірі цього недоліку можна уникнути в АС з ФІ. Як видно з табл. 2, в США і Західній Європі число таких систем складає одну третину типів від загального випуску, а в Японії — дві третини.
Рис. 14.1 - Акустична система з ФІ:
1 — головка; 2 — канал (труба) фазоінвертора; 3- звукопоглинальна оббивка
Пристрій АС з ФІ показано на рис. 14.1. Ця АС відрізняєте від закритої тим, що в корпусі АС з ФІ є або отвір. або отвір з трубою круглого або прямокутного перетину. Спрощена схема акустичного аналога цієї системи представлена на рис. 14.2.
Рис. 14.2 - Спрощена схема акустичного аналога АС з ФІ
Рис. 14.3 - Залежність модуля повного електричного
опору від частоти для АС з ФІ
Тут m – акустична маса повітря в отворі або трубі фазоінвертора; r — активний акустичний опір в отворі або трубі фазоінвертора і активна складова опору випромінювання отвору.
Як видно з рис. 14.2, АС з ФІ — складна коливальна система. Завдяки цьому і частотна характеристика модуля її повного електричного опору також складніше, ніж у закритої АС і має вигляд, представлений на рис. 14.3
Принцип дії АС з ФІ полягає в тому, що завдяки наявності контура ms (права гілка на схемі аналога) звуковий тиск в отворі або вихідному отворі труби вже не протилежно по фазі звуковому тиску від передньої поверхні дифузора низькочастотної головки, а зрушено на кут, в усякому разі, менший 180°. Внаслідок цього не відбувається нейтралізації звукового тиску від передньої і задньої поверхонь дифузора, як це мало місце у відкритих системах. При відповідному підборі параметрів головки, оформлення і виборі отвору (труби) фазоінвертора можна отримати від АС з ФІ значне поліпшення відтворення низьких частот в порівнянні із закритою АС. Для цього контур фазоінвертора настроюють зазвичай на частоту, близьку до резонансної частоти вживаної головки. Дослідження авторів показали, що розлад частоти резонансу фазоінвертора щодо частоти резонансу головки практично не повинен перевищувати ±2/3 октави, а часто і співпадати з нею.
Слід також мати на увазі, що для АС з ФІ підходять головки тільки з низькою добротністю (Q<0,6). Крім того, добре розраховану АС з ФІ не завжди можна конструктивно виконати, наприклад, якщо розрахункова довжина труби перевищить конструктивно-допустиму. Проте у будь-якому випадку довжина труби повинна бути менше λн/12, де λн — довжина хвилі на резонансній частоті контура ms. Резонансна ж частота fф контура знаходиться з наступного виразу:
.
Розраховуючи звуковий тиск АС з ФІ, доцільно визначати не його абсолютну величину pф, а порівняльну із звуковим тиском відповідної закритої системи р3, тобто такий, яка має рівний внутрішній об'єм і однакову по всіх параметрах головку. Це дозволяє визначити, який виграш по звуковому тиску забезпечує АС з ФІ в порівнянні із закритою АС.
Виходячи з (12.6) і (12.9), можна записати, що:
.
де 
Тут введені наступні позначення: 
— середня об'ємна швидкість поверхні дифузора головки у відповідному закритому оформленні; 
— сумарна швидкість АС (дифузора і ФІ); 
— активний акустичний опір випромінювання головки у відповідному закритому оформленні; 
— повний активний акустичний опір випромінювання дифузора головки з урахуванням впливу опору випромінювання отвору фазоінвертора; 
— повний активний акустичний опір випромінювання отвору фазоінвертора з урахуванням впливу опору випромінювання дифузора головки; 
— сумарний активний акустичний опір випромінювання АС з ФІ.
Декілька слів про активний акустичний опір випромінювання АС з ФІ. Ця АС розглядається як сукупність двох випромінювачів, один з яких — власне головка, а інший — отвір фазоінвертора. Біли розглядати роботу цих випромінювачів незалежно один від одного, то все порівняльно просто, оскільки активний опір випромінювання головки в закритому оформленні, малому в порівнянні з довжиною хвилі, відомий [див. вираз в (12.13)]. Проте при їх спільній роботі, як це має місце в АС з ФІ, випромінювачі роблять вплив один на одного. Повні опори випромінювання в цьому випадку:
.
де 
— відповідно повний опір випромінювання головки і отвору, 
— відповідно власний опір випромінювання головки і отвору, 
— опір випромінювання, що вноситься, враховуючи вплив отвору на випромінювання головки, 
— опір випромінювання, що вноситься, враховуючи вплив головки на випромінювання отвору.
Речовинні частини цих виразів є активними опорами випромінювання головки і отвору при їх взаємному впливі.
Відзначимо, що при зближенні отвору і головки сумарний опір випромінювання АС з ФІ зростає і тим самим збільшується створюваний системою звуковий тиск. Прикладам такий АС з ФЕ служить конструкція (рис. 14.4), у якій головка розташована усередині отвору фазоінвертора.
При такому розташуванні головки щодо отвору опір випромінювання, що вноситься, буде максимальним.
У основу розрахунку АС з ФІ по виразу (9.17) може бути покладена схема акустичного аналога АС з ФІ, представлена на рис. 14.4.
Вираз для р3 закритого оформлення даний в (9.14). Ввівши в нього позначення: 
— відносна частота, n = V3/V — відносний об'єм оформлення, представимо (9.14); у вигляді:
. (14.1)
де А — частотно-незалежний множник.
Рис. 14.4 - Схематичне зображення оригінальної конструкції АС з ФІ
Знаходження відносного опору випромінювання АС з ФІ — 
тут із-за складності не приводиться. Відзначимо лише, що залежно від площ дифузора головки і отвору, їх взаємного розташування, а також амплітуд і фаз коливань на випромінюючих поверхнях воно може практично змінюватися від 1,5 до 2,0 і бути частотно-малозалежним.
Виведення виразу для 
приведений в додатку 4. Тут приводиться лише остаточний вираз:
. (14.2)
Таким чином, вираз для рф з (9.17) має наступний вигляд:
. (14.3)
При настроюванні фазоінвертора на резонансну частоту фазоінвертора — коливальної системи, що складається з гнучкості повітря в об'ємі оформлення і маси повітря в отворі або трубі фазоінвертора, що часто має місце, вираз (14.3) спрощується і приймає вигляд:
. (14.4)
Поведінка АС з ФІ може бути описано за допомогою чотирьох параметрів n, l, Q, Qф. Дослідженнями авторів встановлено, що число змінних можна скоротити до трьох, оскільки значення Qф може бути вибране фіксованим і в діапазоні Qф>10 практично не впливатиме на результати обчислень.
Тут, окрім введених позначень: 
- відносна настройка фазоінвертора, 
- добротність головки, 
- добротність фазоінвертора.
Тут і на рис. 14.6, 14.7, 14.8 нанесені наступні криві:
1— частотна характеристика відповідної закритої системи;
2 — частотні характеристики при настроюванні фазоінвертора на резонансну частоту головки;
3 — при настроюванні фазоінвертора нижче на 1/3 октави резонансної частоти головки;
4 — при настроюванні фазоінвертора вище на 1/3 октави резонансної частоти головки;
5 — при розладі фазоінвертора нижче на 2/3 октави резонансної частоти головки;
6 — при розладі фазоінвертора вище на 2/3 резонансної частоти головки
Рис. 14.5 - Сімейство частотних характеристик АС з ФІ (Q0=0,1).
Отже, робота АС з ФІ визначається добротністю вживаної головки, об'ємом оформлення і настройкою фазоінвертора за умови підтримки добротності фазоінвертора Qф>10.
Як видно, вираз (14.3) задоволений громіздко. Тому для полегшення знаходження результатів на рис. 14.5—14.8 приводяться набори графічних залежностей (сімейства частотних характеристик), побудованих по виразу (14.2). Кожен малюнок виконаний для фіксованих значень Q і n для сімейства кривих з різним розладом фазоінвертора щодо резонансної частоти головки.
За допомогою приведених кривих можуть бути вирішені різні завдання. Можна, наприклад, задатися бажаною формою частотної характеристики АС і підібрати, виходячи з неї, параметри головки і об'єм оформлення. Можна по наявній головці і орієнтовному об'єму оформлення визначити доцільність і можливість застосування саме цього виду оформлення. Відзначимо, що для точнішого розрахунку слід користуватися виразом (14.3). По цих же кривих можна визначити порівняльну (з відповідним закритим оформленням) чутливість АС з ФІ.
Відмітимо, проте, що для розрахунку АС з ФЕ окрім знання параметрів головки і оформлення необхідно також уміти розраховувати параметри труби фазоінвертора з погляду допустимості активних втрат в ній.
Рис. 14.6 - Сімейство частотних характеристик АС з ФІ (Q0=0,3).
(Позначення див. на рис. 14.5)
Рис. 14.7 - Сімейство частотних характеристик АС з ФІ (Q0=0,5).
Рис. 14.8 - Сімейство частотних характеристик АС з ФІ (Q0=0,707).
Експериментальні дослідження авторів дозволили знайти емпіричну залежність значення активних втрат від параметрів труби (D — діаметр труби, l — довжина труби), на основі якої отримані наступні вирази:
;
.
де 
— резонансна частота фазоінвертора (контура ms) визначається z-кривим для фазоінвертора як частота провалу на 
між списами на частотах 
і 
(див. рис. 14.3). По цій же кривій можна також контролювати значення Qф. Якщо Qф>10, то списи на цих кривих будуть приблизно однакові по висоті і їх рівень по відношенню до рівня провалу буде великим. Модуль величини Qф може бути визначений чисельно за допомогою z - кривим по виразу:
,
де 
, 
(по рис.3.5), 
(по рис. 14.3).
На закінчення розглянемо декілька конструкцій АС з ФІ.
На рис. 14.9 показаний внутрішній вигляд АС об'ємом 90 л (780 × 460 × 250 мм). Діаметр низькочастотної головки 320 мм, діаметр труби фазоінвертора 70 мм, його довжина 100 мм. Резонансна частота 30 Гц.
На рис. 14.10 показаний вигляд з боку передньої панелі із знятою декоративною сіткою АС фірми Акаi (Японія) (внутрішній об'єм 60 л, діаметр отвору фазоінвертора 75 мм, номінальний діапазон частот 25 Гц—21 кГц).
На рис. 14.11 показана конструкція АС фірми Hitachi (Японія). Окрім високочастотної 1, середньочастотної 2, низькочастотною 3, в корпусі є ще одна низькочастотна головка 4, укріплена на горизонтальній панелі, причому головка безпосередньо не випромінює в навколишній простір, а випромінювання відбувається через фазоінверторний отвір 5 на його резонансній частоті.
На рис. 14.12 показана велика комбінована АС фірми Altec Lansing (США) з фазоінверторним отвором прямокутної форми в нижній частині корпусу. Високочастотна ланка виконана у вигляді секційного рупора, низькочастотна головка, крім того, також навантажена на рупор.
Рис. 14.9 - Конструкція АС з ФІ (вигляд із знятою задньою стінкою)
Рис. 14.10 - Акустичні системи з фазоінвертором фірми Акаi (Японія):
а — з головками прямого випромінювання;
б — з рупорною головкою (високочастотною);
в — окремо рупорна і низькочастотна головки.
Рис. 14.11 - АС с ФІ фірми Hitachi (Японія)
Рис. 14.12 - АС с ФІ фірми Altec Lansing (США)
Приклад розрахунку. Хай є головка 50ГД-4 (f0 = 25 Гц, Q = 0,3, Vэ=150 л, dэ.ф = 25 см) і Qф = 20.
Необхідно знайти параметри АС з ФІ для максимально рівної частотної характеристики в області низьких частот.
Розглянемо рис. 14.5 для випадку Q0=0,3. Як видно, при n = 0,5 отримуємо частотні характеристики з великою нерівномірністю і, крім того, об'єм оформлення при цьому значний (V = 300 л). При n = 1,0, тобто коли внутрішній об'єм оформлення рівний 150 л, криві найбільш прийнятні, але необхідно ще зробити вибір щодо настройки ФІ. Можна вибрати криву, відповідну настройці ФІ на частоту на 1/3 октави нижче за резонансну частоту головки, тобто на 20 Гц. Частотна характеристика АС в цьому випадку рівномірно знижується в область низьких частот із спадом 3-4 Дб до частоти 0,8 f0. При необхідності розширити частотну характеристику в область нижчих частот слід вибрати криву, відповідну настройці ФІ на частоту на 2/3 нижче за резонансну частоту головки, тобто на частоту 16 Гц. В цьому випадку частотна характеристика рівномірно знижується із спадом 7-8 дб до частоти 0,65f0. Ці дві криві найбільш прийнятні. Можна розглянути криві при n = 2, тобто коли внутрішній об'єм рівний 75 л, але отримані результати будуть значно скромніші.
Отже, вибираємо криву, яка відповідає АС з ФІ з наступними параметрами: fф = 20Гц, V = 150 л.
Далі визначимо параметри труби фазоінвертора:
.
.
Розподільні фільтри
У багатосмугових АС головки, призначені відтворювати різні частини частотного діапазону, включаються через так звані розподільні фільтри. Їх призначення полягає в тому, щоб пропускати до кожної головки напругу тільки потрібних частот. Ці фільтри розрізняють по крутизні спаду за межами вищої або нижчої граничної частоти. Зазвичай застосовують фільтри з крутизною спаду 6, 12 або 18 дб на октаву. По схемі їх розділяють на фільтри для двохголосних і трьохсмугових АС. Початковими даними для розрахунку є, частота розділу і опір головки в робочій смузі фільтру. На рис. 14.13, а, б, в приведені схеми фільтрів з крутизною спаду відповідно 6, 12 і 18 дБ/октава. У верхній частині кожного з малюнків приводиться схема фільтру для двохсмуговий АС, а в нижній — для трьохсмугової. На кожному малюнку приведена також формула для визначення елементів цих фільтрів. Ємкості, індуктивності і опору відповідно дані у фарадах, генрі і омах. Конденсатори фільтрів вибирають з номенклатури виробів, що випускаються промисловістю. Більше всього підходять для розділових фільтрів конденсатори типу МБГО, параметри яких приведені в додатку 4.
Рис. 14.13 - Схеми розподільних фільтрів 
Що стосується котушок індуктивності, то їх виготовляють шляхом намотування без залізного сердечника щоб уникнути спотворень, обумовлених перемагнічуванням. Практично оптимальна в сенсі максимуму відношення індуктивності котушки до її активному опору конструкція виходить, коли внутрішній діаметр циліндрової обмотки удвічі більше її висоти h, а зовнішній діаметр в 4 рази більше h і в 2 рази більше внутрішнього діаметру. За цих умов значення 
мм (L, мкГн, R, Ом), довжина дроту 
, число витків 
, діаметр дроту (без ізоляції) 
мм, маса дроту 
кг
Приклад. Визначити дані котушки індуктивністю 3,37 мГн розподільного фільтру, навантаженого головкою опором 15 Ом. Активний опір котушки, що розраховується, вибираємо рівним 5% від опору головки. Це співвідношення можна вважати цілком прийнятним. Тоді R = 0,05 ∙ 15=0,75 Ом, звідки 
. Висота обмотки 
мм, довжина дроту 
мм = 53,5 м, число витків 
витка, діаметр дроту 
мм, маса дроту 
кг
Природно, отримані числа повинні бути закруглені, і в першу чергу діаметр дроту, до найближчого стандартизованого діаметру. Остаточно індуктивності підганяють шляхом вимірювання на містку, відмотуючи по декілька витків обмотки, намотаної з деяким перевищенням числа витків порівняно з розрахованим. Котушки можна намотувати на пластмасові, дерев'яні або картонні каркаси. Застосовується і безкаркасне намотування (рис. 14.14), для того, щоб котушка не розвалилася, витки після намотування кожного шару промазують клеєм БФ-4. Якщо є можливість, то для полімеризації клеївши котушку запікають в термостаті при температурі 140—160 °С протягом 1 ч. Якщо такої можливості немає, то котушка повинна бути висушена при кімнатній температурі протягом доби. Іноді дріт, як який віддають перевагу марці ПЕЛ, буває покритий яким-небудь маслом.
Рис. 14.14 - Схема безкаркасного намотування котушки
Тоді перед намотуванням або в її процесі дріт потрібно протерти ваткою, змоченою сумішшю з 50% спирту і 50% бензину або, в крайньому випадку, чистим бензином. Зібраний і змонтований фільтр, тобто його конденсатори і котушки, розміщують на поличці, укріпленій усередині корпусу АС. Зрозуміло, всі електричні з'єднання повинні добре пропоїти щоб уникнути шерехів і тріщин, що можуть виникнути із-за поганих контактів.
ТЕМА 15 АС з пасивним випромінювачем (ПВ)
Дата: 2019-03-05, просмотров: 267.
