No Image

Что такое пассивный излучатель в акустике

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Большой проблемой для любой акустической системы являются низкие частоты. Чтобы поднять их уровень чаще всего применяется фазоинвертор. Он не сложен в изготовлении, но довольно сложно его правильно рассчитать. Намного проще поднять басы акустической системы, установив в них пассивный излучатель своими руками. Поэтому в этой статье рассмотрим подробнее что такое пассивный излучатель.

Что такое пассивный излучатель

Пассивный излучатель (он же пассивный динамик) — это излучатель, лишенный магнитной системы и катушки. Он не способен преобразовывать электрический сигнал в звуковые колебания, а значит не может работать самостоятельно и должен возбуждаться активным излучателем, установленным в тот же закрытый корпус.

Наиболее эффективен пассивный излучатель на низких частотах. Н а средних и высоких частотах звукового давления, создаваемого активным излучателем, просто недостаточно. Поэтому используя пассивный динамик можно своими руками значительно улучшить басы вашей акустической системы.

АЧХ колонки с пассивным излучателем

Установка пассивного излучателя приводит к увеличению площади излучающей поверхности. Два диффузора колеблются вместе, поэтому во-первых повышается уровень в НЧ диапазоне, а во вторых и повышается КПД всей акустической системы.

Для примера рассмотрим обобщенную АЧХ акустической системы до и после вставки пассивного излучателя.

На сравнительном графике видно, что при наличии пассивного излучателя, АЧХ акустической системы значительно повышается в диапазоне от 20 до 500Гц. А это и есть низкочастотная область, т.е. те самые басы.

Как активный, так и каждый пассивный излучатель имеет свою резонансную частоту. На этой частоте его колебания максимальны.

Основную трудность для любой акустической системы обычно представляют самые низкие частоты, поэтому резонансную частоту всегда стараются понизить. Для этого диффузор пассивного динамика делают большей массы.

Колонка с пассивным излучателем

Довольно популярная сегодня область применения пассивных излучателей — это портативные колонки. При их размерах не так то просто получить действительно хороший бас. Акустический пассивный излучатель может значительно улучшить ситуацию .

Если вы хотите своими руками сделать портативную колонку, то перед вами стоит вопрос контроля заряда аккумулятора. Для этих целей рекомендую глянуть статью Умный контроллер заряда литиевых аккумуляторов — модуль на tp4056. Тем более что стоят такие модули всего 30 центов за штуку.

Но даже если колонка не портативная, а настольная диаметр диффузора пассивного динамика должен быть больше или равен диаметру активного излучателя.

При этом собственный резонанс пассивного излучателя должен лежать ниже резонанса основного динамика. В идеале, для настольной акустики он должен лежать ниже 20Гц. Будет еще лучше, если такую же низкую резонансную частоту будет иметь и активный громкоговоритель.

Применяется пассивный излучатель только в корпусе типа закрытый ящик. Т.к. возбуждается он только колебаниями воздуха внутри корпуса от активной головки. Следовательно любая негерметичность корпуса колонки с пассивным излучателем сильно снижает эффективность отдачи по басам.

Пассивный излучатель своими руками

Можно легко сделать пассивный излучатель своими руками, удалив у низкочастотного динамика магнитную систему и подвижную катушку. Лучше использовать басовый динамик диаметром не меньше предполагаемого активного излучателя. Так же не лишним будет немного утяжелить диффузор.

Не обязательно препарировать нормальный динамик, чтобы сделать из него пассивный динамик своими руками. Лучше использовать его по назначению, а в дополнение к нему дешево купить пассивный излучатель на AliExpress.

Показанные выше пассивные излучатели отлично подходят для создания самодельных портативных колонок. Они обладают диаметром 2 дюйма и стоят всего 143 рубля за пару. Покупать рекомендую в этом магазине.

Еще более интересный вариант:

Эти пассивные излучатели уже меньше похожи на обычные динамики потому, что лишены металлической корзины и имеют минимальную толщину. Они обладают диаметром 3 дюйма (79мм), за счет чего могу обеспечить лучшие басы. Обойдутся они несколько дороже — 515 рублей за пару. Ссылка на магазин.

Больше диаметр — больше басов:

Это уже 4-х дюймовый пассивный излучатель басов. Его цена так же не столь велика и составляет 260 рублей. Купить его можно тут. Однако благодаря большему диаметру он еще лучшую отдачу по низким частотам.

Заключение

Пассивные излучатели уже давно используются во многих типах колонок, заменяя собой фазоинвертор. Например, пассивный излучатель отлично подходит для сабвуфера, особенно автомобильного. Поэтому определенно стоит попробовать встроить пассивный излучатель своими руками в вашу АС.

Вот чем мне нравится Kicker, так это своим нестандартным подходом. Пока все упёрлись и вагонами клепают сабвуферы в фазоинверторных корпусах, эти старички car audio просто вспоминают, что есть ещё и другие виды оформления. Пассивный излучатель (он же – passive radiator) имеет много общего с фазоинвертором, но лишён очень многих его недостатков. И ведь ничего нового, Гарри Олсон описал его принцип в своём патенте аж в 1935 году…

Не стану забегать вперёд и первым делом "встречу по одёжке". Kicker CWTB10 очень компактен – длина корпуса не превышает 44 см. Внешний диаметр, соответственно, как у типовой "десяточки" – немногим меньше 28 см. В серии есть и 8-дюймовая модель, она ещё компактнее.

Особо отмечу, что сабвуфер позиционируется производителем как универсальный – его можно использовать не только в автомобиле, но и, скажем, в катерах, открытых внедорожниках или квадроциклах. Корпус выполнен из толстого ударопрочного пластика и полностью герметичен.

Читайте также:  Сообщение решето эратосфена 6 класс

Для крепления сабвуфера предусмотрены отверстия с резьбой, а в комплекте идут несколько кронштейнов для горизонтального или вертикального монтажа.

Мне на тест досталась модель с номинальным импедансом 2 Ом, но вообще у Kicker CWTB10 есть и 4-омная версия. 2-омную лучше подключать к какому-нибудь басовому моноблоку, а вот 4-омную можно использовать и с многоканальными усилителями, подключая сабвуфер к паре каналов в мост.

Теперь, собственно, к акустическому оформлению – пассивному излучателю. Форма корпуса тут играет не самую важную роль, но в нашем случае он выполнен в виде трубы, на концах которой – по диффузору. Динамику на самом деле принадлежит только один из них. Второй точно такой же диффузор и на точно таком же подвесе – это и есть пассивный излучатель.

КАК РАБОТАЕТ ПАССИВНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ?

Я не зря в самом начале упомянул, что пассивный излучатель имеет много общего с фазоинвертором. Для тех, кто не знает как работает фазоинвертор, коротко рассказываю.

Когда диффузор динамика ходит туда-сюда, он попеременно то сжимает, то разжимает воздух внутри корпуса. Соответственно, этот воздух будет попеременно стремиться то выйти наружу через порт, то засасываться через него обратно. Но фишка в том, что воздух внутри порта имеет определённую инертность, и к выходу из него все эти колебания будут "добираться" с некоторым запозданием.

На определённой частоте (именно она и называется частотой настройки порта) окажется так, что воздух на выходе из порта будет колебаться синхронно с самим диффузором. Т. е. излучения от диффузора и из порта будут складываться. Собственно, это и есть эффект акустического усиления.

Пассивный излучатель работает абсолютно по такому же принципу. Только вместо порта с воздушной массой внутри него тут работает просто диффузор на подвесе. По сути, пассивный излучатель – это точно такой же динамик, только без магнитной системы. И если настройку обычного фазоинверторного порта можно менять его пропорциями и размерами, то в пассивном излучателе настройка меняется массой диффузора и упругостью/вязкостью/жёсткостью его подвеса.

В ЧЁМ ПРЕИМУЩЕСТВА ПАССИВНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПЕРЕД ОБЫЧНЫМ ФАЗОИНВЕРТОРНЫМ ПОРТОМ?

А вы посмотрите на размеры корпуса, и вопрос отпадёт сам собой. В случае с Kicker CWTB10 внутренний объём получается что-то около 27 литров. Если попробовать рассчитать обычный порт для такого корпуса (например, в JBL Speakershop или в BassPort), то программа выдаст для него ну очень неудобные размеры. Либо сечение будет слишком маленьким, либо длина невменяемой.

А у пассивного излучателя можно сделать хоть какую площадь и хоть какую настройку. Как думаете, получится сделать обычный порт такого же сечения с низкой настройкой? Вот и я о том же.

КАК ЭТО УСТРОЕНО ВНУТРИ?

Динамики крепятся через "лапы" защитного гриля. Чтобы добраться до винтов, нужно всего лишь снять с них заглушки.

Кстати, это вам не саморезы какие-нибудь, всё серьёзно – с вживлёнными в корпус закладными гайками.

Внутри корпус заполнен распушённым синтепоном. Если коротко, то он, во-первых, создаёт эффект "увеличения" внутреннего объёма, а во-вторых, в какой-то мере демпфирует колебания воздуха внутри него.

Сам динамик – без лишних этикеток и прочих украшательств. Хотя указанная на лицевой стороне серия Comp R намекает на его родство с отдельным сабвуферным динамиком Kicker 43CWR104. Скорее всего, это он и есть, только в упрощённом исполнении – без декоративных накладок и с более простыми терминалами подключения кабелей.

А вот то, что стоит с другой стороны корпуса. Снаружи выглядит как динамик, но внутри на динамик совсем не похож. Вернее, похож на динамик без мотора.

Там, где к диффузору обычно крепится катушка, закреплена металлическая шайба – она корректирует вес подвижной системы.

Для интереса снял импедансную кривую не только целиком для всего сабвуфера, но и отдельно для динамика. Судя по характеру кривых, пассивный излучатель настроен где-то около 35 Гц, что очень близко к Fs самого динамика.

Измеренные параметры динамика в сабвуфере Kicker CWTB10:
Fs (собственная резонансная частота) – 35 Гц
Vas (эквивалентный объем) – 19,5 л
Qms (механическая добротность) – 8,97
Qes (электрическая добротность) – 0,51
Qts (полная добротность) – 0,49
Mms (эффективная масса подвижной системы) – 159 г
BL (коэффициент электромеханической связи) – 11,1 Тл м
Re (сопротивление звуковой катушки постоянному току) – 1,8 Ом
dBspl (опорная чувствительность, 1м, 1Вт) – 84,2 дБ

Впрочем, параметры динамика это так, больше для интереса. Мы же имеем готовый сабвуфер, поэтому оценю его работу в сборе.

Для начала снимаю АЧХ излучения самого диффузора. Обратите внимание на провал как раз в зоне настройки пассивного излучателя – около 35 Гц:

Дело в том, что при работе сабвуфера на этой частоте пассивный излучатель входит в резонанс и сам начинает сжимать-разжимать воздух в корпусе, и для динамика воздух в корпусе как бы становится упруже. Что, в свою очередь, и ограничивает ход его диффузора.

Читайте также:  Что определяет файловая система

Получается, сабвуфер на этих частотах почти не работает? Конечно же, нет, просто вблизи частоты настройки пассивного излучателя работает в основном не динамик, а сам излучатель:

И вот так они работают вместе:

Общую АЧХ показать, к сожалению, не могу, поскольку измерения на нижних частотах корректно делать лишь в ближнем поле (не вести же его из-за одного измерения в безэховую камеру МТУСИ). Но даже беглый анализ АЧХ динамика и пассивного излучателя даёт понять, что в салоне автомобиля сабвуфер должен работать очень вкусно. Что, собственно, и подтвердилось на практике.

ПРОБА В ДЕЛЕ И ВЫВОДЫ

Небольшой эксперимент в автомобиле показал, что не стоит преждевременно судить о возможностях этого саба по его размерам. Пассивный излучатель при правильной настройке (а здесь он настроен правильно) – большая сила. По отдаче и глубине баса Kicker CWTB10 уж точно не уступает среднестатистическому 12-дюймовому сабвуферу.

По характеру баса скажу одно – это Kicker. Плотный, весомый, сочный. Для клубной музыки – вообще находка. Что интересно, с увеличением громкости бас не начинает давить на уши, зато начинает восприниматься тактильно – басовый ритм воспринимается ударами в грудь как будто тяжёлым резиновым мячом. И это от какой-то там десяточки!

На открытом пространстве (а с таким исполнением Kicker CWTB10 можно спокойно использовать хоть на катере, хоть на открытом внедорожнике) бас вполне естественно теряет в глубине, но почти не теряет в напоре. Я бы даже сказал, что он становится ещё более плотным и собранным по своей структуре. И опять же, самое то для ритмичной клубной музыки.

В общем, правильно рассчитанный пассивный излучатель – это вам не какой-то там "фазик на трубе". Это посерьёзней будет.

Плюсы:
Компактен, удобен в установке
Можно использовать в открытых внедорожниках, катерах, квадроциклах и т.д.
Качественное исполнение
Неожиданно высокая для 10-дюймового калибра басовая отдача
На клубной музыке бас просто шикарен

Минусы:
Тяготеет преимущественно к ритмичной музыке

Существует еще одна разновидность акустического оформления громкоговорителя, способная обеспечивать воспроизведение громкоговорителем низших частот при сравнительно небольших габаритах ящика. Она имеет несколько названий, из которых наиболее правильным являются: фазоинвертор с пассивным радиатором или ФИ с закрытым отверстием. Еще такое оформление называется пассивный излучатель (ПИ) или пассивный радиатор.

Особенность этого фазоинвертора состоит в том, что громкоговоритель размещается в ящике, имеющем вблизи места его установки отверстие, с закрепленной в нем подвижной системой второго громкоговорителя без магнитной системы и центрирующей шайбы. Диаметр диффузора пассивного радиатора приблизительно равен диаметру диффузора громкоговорителя. Отверстие в звуковой катушке заклеено и в этом месте, к диффузору прикреплен дополнительный груз. Масса груза зависит, главным образом, от объема ящика и резонансной частоты фазоинвертора.

Принцип действия с пассивным радиатором аналогичен принципу действия обычного фазоинвертора. На резонансной частоте закрытого ФИ диффузор пассивного радиатора колеблется синфазно с диффузором основного громкоговорителя, обеспечивая эффективное воспроизведение сигнала в области низших частот. Таким образом, в отличие от основного фазоинвертора здесь масса в отверстии заменена массой подвижной системы пассивного радиатора, включая дополнительный груз.

Груз позволяет более просто, чем это делается при измерении размера (объема) прохода в обычном фазоинверторе, регулировать резонансную частоту фазоинвертора. При уменьшении объема ящика обычного фазоинвертора приходится увеличивать объем прохода или уменьшать площадь отверстия, что снижает эффективность фазоинвертора. Фазоинвертор с закрытым отверстием свободен от этого недостатка и в это его основное достоинство.

Пассивные излучатели нашли применение в акустических системах эпохи СССР, таких как: “25 АС-128 Электроника” и “35 АС-015 Электроника”. В современных АС такое оформление применяется в акустике PMC IB2i или сабвуфере Sunfire True Subwoofer. Пассивный излучатель может быть практически любой формы, круглой, квадратной или к примеру овальной, как показано на фото ниже:

Другим положительным качеством фазоинвертора с закрытым отверстием является несколько большая синфазность движений обоих диффузоров в области резонанса по сравнению с движением объема воздуха в отверстии и диффузора громкоговорителя в обычном фазоинверторе. Резонансная частота фазоинвертора с закрытым отверстием равна ( также как и обычного):

fф = 1 : (2Π · (√mф · Сф)), где

  • – масса подвижной системы пассивного радиатора плюс соколеблющаяся с ним масса воздуха, присоединенная к диффузору, г;
  • Сф – результирующая гибкость (величина, обратная упругости) объема воздуха в ящике и дополнительной подвижной системы, см. дин.

Расчет фазоинвертора с закрытым отверстием производят следующим образом: выбрав объем ящика и, зня эффективный диаметр диффузора пассивного радиатора Dэф определяют гибкость воздушного объема из выражения:

Здесь объем ящика выражен в см 3 , а эффективный диаметр диффузора пассивного радиатора Dэф в см. Напомним, что эффективный диаметр диффузора равен:

Dэф =0,85-0,9 Dдиф, где

  • Dдиф – полный диаметр диффузора (правильно измерять диаметр – от центра подвеса (гофра) с одной стороны до центра подвеса другой стороны).
Читайте также:  Что такое ошибка 0xc0000022

Эквивалентный эффективный диаметр диффузора эллиптической (овальной) формы равен:

Dэкв.эф = (0,85 – 0,9) · (√Dб · Dм), где

  • – большой диаметр эллипса;
  • – малый диаметр эллипса.

Поскольку гибкость подвеса диффузора пассивного радиатора Спод много больше, чем гибкость воздушного объема ящика Сф, ее влияние на суммарную гибкость крайне мало и им можно пренебречь. Общая гибкость определяется по формуле:

Cобщ = (Спод · Сф) · (Спод + Сф)

Спод >> Cф, Собщ ≈ Cф.

Приняв, как обычно, резонансную частоту закрытого фазоинвертора, равной основной резонансной частоте громкоговорителя, находят массу , соответствующей этой частоте и гибкости выбранного объема:

mф = 1 : (4Π 2 · fф 2 · Сф)

Как указывалось выше, в эту массу входит масса диффузора пассивного радиатора mрад и присоединенная масса соколеблющегося с ним воздуха Δm, т.е.:

mф = mрад + Δm.

Величина Δm зависит от эффективного диаметра диффузора и определяется выражением:

Δm = (8 · 10 -4 ) · Dэф 3 , г

Таким образом, диффузор радиатора должен обладать массой:

mрад = mф – Δm;

Практически этой величине и будет равняться масса груза, который необходимо установить на диффузоре. Для облегчения необходимых расчетов в таблице приводятся значения гибкости объема Сф для ящиков объемом от 20 до 80 л и диффузоров пассивного радиатора с эффективным диаметром от 15 до 22 см, там же указанна величина присоединенной массы воздуха Δm для тех же диаметров диффузоров.

Гибкость объема ящика, см/дин 10 -6 при Dэф, см
15 16 17 18 19 20 22
Δm, г 1,7 3,3 3,9 4,7 5,5 6,4 8,6
20 0,45 0,35 0,27 0,22 0,17 0,14 0,1
30 0,67 0,52 0,41 0,32 0,26 0,21 0,15
40 0,9 0,69 0,55 0,43 0,35 0,29 0,19
50 1,12 0,87 0,68 0,54 0,44 0,36 0,24
60 1,35 1,04 0,82 0,65 0,52 0,43 0,29
70 1,57 1,21 0,95 0,76 0,61 0,5 0,34
80 1,8 1,4 1,09 0,87 0,7 0,57 0,39

Величина гибкости объема воздуха в ящиках с промежуточными значениями и эффективного диаметра диффузора радиатора определяют методом интерполяции по двум соседним значениям гибкости, между которыми находятся принятые размеры.

Для примера определим массу груза, который должен быть укреплен на диффузоре пассивного радиатора диаметром Dдиф = 22 см, устанавливаемом в ящике ФИ объемом = 50 л при резонансной частоте ФИ 45 Гц. Эффективный диаметр:

Dэф = 0,87 → Dдиф=0,87 · 22 = 19 см.

Находим по таблице гибкость объема воздуха в ящике при таком эффективном диаметре диффузора: эта гибкость равна:

Сф = 0,44 · 10 -6 см/дин.

Полная масса диффузора должна быть:

mф = 1 : (4Π 2 · fф 2 · Сф) = 10 6 : (4Π 2 · 45 2 · 0,44) ≈ 28,4 г

Присоединенная масса воздуха, согласно таблице, равна Δm = 5,5 г. Следовательно, для получения заданной резонансной частоты необходимо установить дополнительный груз:

mрад = mф – Δm = 28,4 – 5,5 ≈ 23 г

Дополнительный груз представляется собой стальной или медный (латунный) диск толщиной h, которая для стали в зависимости от диаметра диска d, равна:

h = (0,16 · mрад) : d 2

Как указывалось выше, магнитная система и центрирующая шайба удаляются из громкоговорителя, предназначенного для работы в качестве пассивного радиатора. Это делается для того, чтобы увеличить гибкость и линейность движения подвижной системы, и устранить опасность касания звуковой катушки. При этом не уменьшается действующий объем ящика. Представление о конструкции пассивного радиатора, установленного рядом с громкоговорителем, показано на рисунке ниже, на котором видно как дополнительный груз в виде диска прикреплен в центре диффузора болтом с гайками. Отверстие в диффузоре заклеивают кусочком жесткой бумаги (ватман или тонкий картон) с зубцами, приклеенными к диффузору целлулоидным или другим клеем, например БФ-2. Само собой разумеется, что основная резонансная частота громкоговорителя, предназначенного для пассивного радиатора, не имеет ни какого значения. Или же можно купить готовые пассивные излучатели, они сейчас в большой доступности.

Проектируя фазоинвертор с закрытым отверстием, не следует делать его объемом менее 30-40 л при резонансной частоте ниже 50 Гц, т.к. увеличение массы подвижной системы пассивного, также как и массы воздуха в проходе обычного ФИ, ухудшает переходные характеристики громкоговорителя.

Проверить правильность настройки сделанного фазоинвертора можно либо по видимой при резонансе ФМ амплитуде колебаний пассивного радиатора, либо по возрастающей при резонансе громкости, в чем можно убедиться, поставив кусок фанеры между диффузорами и поднесся ухо к диффузору пассивного радиатора. Также, как и в обычном фазоиверторе, частотная характеристика полного сопротивления громкоговорителя в фазоиверторе с закрытым отверстием должна иметь два максимум почти одинаковой высоты.

Ящик для фазоивертора можно изготовить из фанеры или ДСП плит толщиной 8-12 мм, при этом следует учесть, что он не должен иметь щелей. Внутрь ящика полезно поместить звукопоглощающий материал, например, поролон толщиной 15-30 мм, который сделает более гладкой частотную характеристику громкоговорителя в области средних частот.

По материалам из журнала «Радио», 1974, № 1

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector