Типы акустического оформления сабвуфера

Любой сабвуферный НЧ-динамик обязательно требует акустического оформления. Оформление может быть корпусным, или бескорпусным – в зависимости от характеристик динамика. За редчайшим исключением, все современные автомобильные НЧ-динамики ориентированы на корпусное оформление. И если в параметрах самого облюбованного НЧ-динамика можно быть уверенным – за это ручается добросовестная компания-изготовитель, то исполнение корпуса остается предметом фантазии и навыков того, кто за это берется, будь то профессиональные инсталляторы, или любители делать все своими руками. Попробуем выяснить, как влияют разные типы корпусов на поведение НЧ-динамика, и как добиться от него наилучшего результата.

Акустическое оформление само по себе
НЧ-динамик попросту не будет издавать баса, если подать на него аудиосигнал, но не обеспечить акустического оформления. Причина в том, что область повышенного давления, образующаяся спереди по ходу движения диффузора, и область пониженного давления сзади по ходу движения, оказываются ничем не разделены и взаимно компенсируют друг друга – поток воздуха просто перетекает в направлении пониженного давления. Грубо говоря, акустическое оформление как раз выполняет роль такого “разделителя”, изолируя объем с тыльной стороны динамика от объема с фронтальной стороны.

Типов акустического оформления великое множество, но абсолютное большинство из них принадлежит к корпусным типам – проще говоря, когда динамик ставится в ящик той или иной внутренней конфигурации. Типов корпусного оформления тоже множество, а в рамках каждого типа можно обнаружить разные вариации исполнения, отличающиеся прежде всего выбранным объемом и настройкой отдельных элементов конструкции на определенные частоты. Для того, чтобы сделать все правильно, необходимо понимать, какой тип оформления наилучшим образом подходит выбранному НЧ-динамику. Бывает так, что один и тот же динамик можно установить в разные типы корпусов, а бывает – что он пригоден только для одного строго определенного типа.

Наиболее востребованные на практике, составляющие 99 % процентов всего автомобильного сабвуферного парка типы акустического оформления: это бесконечный акустический экран (free air), закрытый ящик, корпус с фазоинвертором и корпус с пассивным излучателем. А среди них тотально доминируют закрытые ящики и корпуса с фазоинвертором. Причина такой популярности не только в выгодных акустических характеристиках, но и в простоте технической реализации, когда изготовление посильно практически в “домашних” условиях, не требует дорогостоящего оборудования, а процесс “подгонки” готового корпуса не слишком хлопотный.

Free air
Оформление типа “бесконечный акустический экран” или попросту “free air” исключительно привлекательно тем, что корпуса не требуется вовсе. Точнее, роль своеобразного “бесконечно большого” корпуса в данном случае выполняет изолированное задней полкой багажное отделение автомобиля. Технически правильно называть такой вариант все-таки достаточно большим “конечным” или “свернутым” экраном, но это неважно в данном случае, поскольку исходный англоязычный термин “infinite baffle” применим и к тому, и к другому случаю. Также неважно, большой багажник или маленький. Начиная с определенной цифры, которой удовлетворяет уже любой маленький багажник, рост объема уже никак не сказывается на поведении динамика. Плюсы в том, что не требуются расходы на изготовление корпуса, не страдает полезный объем багажника. Теоретические минусы тоже есть: это невысокая отдача и малая глубина баса. Но есть и практический минус: для установки в условиях free air пригодны только сабвуферы со строго определенным, довольно специфическим сочетанием основных электроакустических параметров, ориентированные специально на free air.
Практика показывает, что если для free air выбрать НЧ-динамик, не специализированный для такого оформления, а только более-менее подходящий, то можно добиться нужной глубины баса и уровня громкости, но про четкость и структуру баса можно просто забыть – вместо них будет маловразумительный низкочастотный гул. Как это ни печально, исключений здесь не бывает.
Та же практика показывает, что отсутствие корпуса не снижает трудозатраты при установке сабвуфера free air. Ничуть не меньшие силы уходят на “доведение до ума” герметично изолированной основательно усиленной задней полки. Так что единственная реальная выгода от free air – только сохранение объема багажника.

Закрытый ящик
Закрытый ящик – простейшее корпусное оформление для НЧ-головки. Как следует из названия, корпус полностью герметичен, объем воздуха в нем изолирован от внешней среды. К счастью, простота такого варианта сочетается с весомыми достоинствами. Прежде всего – закрытый ящик, как правило, представляет собой самое компактное по объему решение среди всех корпусных. Он очень прост не только в расчете, но также в изготовлении и окончательной доводке. Но главное достоинство закрытого ящика – отменное качество звучания. Этому есть теоретические предпосылки, хорошо знакомые сведущим в основах акустики, достаточно посмотреть на такой параметр любого корпусного сабвуфера, как “групповое время задержки”. Музыкальные преимущества закрытого ящика убедительно подтверждаются на практике. Добиться от корпуса с фазоинвертором такой же четкости и проработанности баса, какую имеют закрытые ящики – возможно, но сложно и встречается редко. Многие самые требовательные ценители точного баса придерживаются мнения, что только в закрытом корпусе можно добиться по-настоящему чистого, точного и собранного баса.
Главным недостатком закрытого ящика выступает не столь большая глубина баса, как у корпуса с фазоинвертором. Также у него не самая высокая отдача среди возможных типов акустического оформления, поэтому он непопопулярен в ориентированных на громкое звучание системах. Если параметры НЧ-динамика позволяют устанавливать его как в закрытый ящик, так и в корпус с фазоинвертором, то во втором случае можно получить выигрыш в глубине от 10 Гц до нескольких десятков Гц. Эта разница зависит от множества факторов, но в любом случае для басовой области она существенна.
Но есть немаловажный нюанс с учетом автомобильной специфики. У закрытого ящика спад на нижней границе АЧХ начинается на более высокой частоте (т.е. глубина баса меньше), но идет полого, с крутизной -12 дБ/окт. У корпуса с фазоинвертором спад начинается на пониженной частоте (т.е. бас глубже), но идет круче, составляя -24 дБ/окт. В то же время в закрытом салоне автомобиля неизменно присутствует эффект естественного усиления низких частот, теоретически составляющий как раз +12 дБ/окт (на практике несколько меньше и вид весьма далек от наклонной прямой линии). Получается, что при удачном совпадении характеристик сабвуфера в закрытом корпусе и автомобильного салона, результирующая АЧХ в басовой области будет иметь вид, близкий к ровной “полке” вплоть до единиц герц. Это теоретически, а на практике может оказаться по-разному, в том числе – когда нехватка глубины баса все-таки дает о себе знать. Исходя из соображений точности и “скорострельности” баса, в таком случае можно выбрать НЧ-динамик на размер больше, чем изначально предполагалось, скажем – 12-дюмовый вместо 10-дюмового, но все-таки предпочесть закрытый корпус фазоинверторному исполнению.
К преимуществам закрытого корпуса относится также отсутствие возможных “лишних” призвуков от элементов конструкции (к примеру, порта фазоинвертора), когда единственной излучающей поверхностью выступает сам диффузор. Также закрытый корпус очень легко настраивать, используя жесткий (снижение объема корпуса) или мягкий (виртуальное увеличение объема корпуса) заполнитель. Также если у работающего с сабвуфером усилителя отсутствует фильтр инфранизких частот (ФИНЧ, subsonic) – а с включенным в мостовом режиме 2-канальным усилителем мощности, скорее всего, так и будет, - и предполагается частая работа на высокой мощности, то вероятность выхода динамика из строя в закрытом корпусе намного меньше, чем в фазоинверторном исполнении.

Корпус с фазоинвертором
Корпус с фазоинвертором (ФИ) делит с закрытым ящиком пальму первенства по популярности среди всех возможных типов акустического оформления. Он также очень прост в изготовлении, отличаясь от закрытого лишь наличием ФИ, состоящего из трубы (форма сечения трубы может сколь угодно отличаться от круглой) и порта. Наличие ФИ настроенного на определенную низкую частоту, позволяет получить ощутимую “бесплатную” прибавку в глубине баса, а часто – также в отдаче. Частота настройки ФИ в рамках заданного объема корпуса определяется длиной ФИ и площадью сечения ФИ. Если НЧ-динамик допускает оба варианта акустического оформления: закрытый и фазоинверторный, то во втором случае, как правило, потребуется корпус несколько большего объема. Величина этого прироста в габаритах зависит от характеристик динамика: встречающиеся на практике варианты укладываются в рамки от нулевого прироста (такой же объем, как у закрытого) до двукратного увеличения.
Увеличение требуемого объема корпуса при переходе к фазоинверторному исполнению вместо закрытого редко доставляет хлопот на практике, за исключением особо стесненных случаев установки. Преимущества корпуса с ФИ оказываются гораздо весомее, особенно для ориентированных на громкое звучание аудиосистем. Однако при ориентации на максимальную достоверность звучания приходится учесть, что добиться от фазоинверторного исполнения нужной точности, плотности и собранности звучания, сравнимой с закрытым вариантом, куда как сложнее. Чаще всего бас в корпусе с ФИ оказывается рыхлым, неплотным, “затянутым”. Приятные исключения бывают, но они редки. Кроме того, процесс доводки “по результату” уже готового корпуса с ФИ заметно сложнее, чем с закрытым, поскольку приходится оперировать замысловатым сочетанием уже нескольких переменных: объема корпуса, его заполнения, длиной трубы фазоинвертора и ее сечением. Что скрывать – нередко наилучший вариант так и остается ненайденным просто потому, что после N-й попытки его уже надоело искать.
При использовании корпуса с ФИ очень желателен усилитель, оснащенный фильтром инфранизких частот (ФИНЧ, subsonic), особенно если предполагается время от времени “поддать жару” аудиосистеме, выкрутив громкость в максимум. Одной из особенностей такого оформления является резкий рост амплитуды колебаний диффузора при снижении частоты ниже определенного порогового значения. В худшем случае амплитуда может даже превысить конструктивный предел динамика Xmech.
Наличие выходящего из порта фазоинвертора потока воздуха может послужить причиной посторонних призвуков в звучании, характерных “похрюкиваний”, хорошо заметных при работе на высокой громкости. Это встречается до обидного часто, даже с заводскими корпусными моделями от недобросовестных производителей, не говоря уже про самодельные конструкции. Причина в неграмотном исполнении порта ФИ и самой трубы ФИ. В основательно проработанных готовых корпусных активных и пассивных сабвуферах от компаний-производителей с высокой репутацией всегда можно обнаружить специальные меры для устранения подобной неприятности: сечение и форма трубы исключают слишком высокую скорость выходящего потока воздуха и образование завихрений, последней цели служит также профиль раструба порта.

Band pass
Довольно громоздкое название “корпус типа полосовой фильтр 4-го порядка”, который часто упрощенно (хоть и технически неверно) называют “полосовой корпус”, а еще проще без перевода (и технически верно) – band pass, принадлежит третьему по популярности типу акустического оформления автомобильного НЧ-динамика. Отличие band pass от закрытого ящика и корпуса с ФИ в том, что он состоит из двух камер: одна из них закрытая, а вторая открывается наружу портом ФИ. Динамик устанавливается на разделительной стенке между двумя камерами и снаружи не виден, единственным излучателем баса наружу выступает порт ФИ. Соответственно, большинство сабвуферов band pass выглядят как безликие черные коробки, но часто зрелищности ради фронтальную стенку выполняют прозрачной – это не очень хорошо для сохранения жесткости корпуса, особенно когда стенка выполнена из плексигласа (поликарбонат предпочтительнее), но “красота требует жертв”.
Такая комбинация закрытого и портированного корпусов в рамках одной конструкции приводит к тому, что как на нижней, так и на заданной верхней границе корпус band pass обеспечивает спад ФЧХ с одинаковой крутизной -12 дБ/окт – откуда он и получил свое название. Четвертый порядок в названии означает 12 (спад АЧХ снизу) + 12 (спад АЧХ сверху) дБ/окт, поскольку в фильтрах первый порядок – это 6 дБ/окт. Ширина пропускаемого диапазона частот зависит от объемов каждой из камер (каждый из них выбирается самостоятельно) и частоты настройки ФИ. Можно очень эффективно изменять характеристики звучания и формы АЧХ сабвуфера band pass, в том числе добиваясь очень хорошей, выигрышной по сравнению с другими вариантами акустического оформления, отдачи за счет сужения воспроизводимой полосы частот.
Высокая отдача, гибкость настройки рабочего диапазона частот и другие преимущества band pass омрачаются серьезным практическим недостатков – он сложен в постройке и чрезвычайно капризен в настройке уже готового корпуса. Очень часто многообещающий по расчетам корпус такого типа после аккуратного изготовления демонстрирует явные огрехи, которых вроде бы не должно быть – но они есть. Процесс практической доводки корпуса для достижения требуемого качества звучания путем варьирования объемов корпуса, длины и сечения ФИ, заполнения камер мягким материалом, у band pass сложнее, требует разборки корпуса для доступа к обеим камерам, и может затянуться надолго. Часто проблемой становятся ярко выраженные резонансные “всплески” на АЧХ на частотах гораздо выше рабочей области сабвуфера, вызванные неграмотно просчитанным портом ФИ. Если излучение порта идет не напрямую в салон, а в багажник, то band pass ведет себя капризно в автомобиле, заметно изменяя характер звучания в зависимости от места расположения и ориентации. Поэтому приступать к постройке корпуса такого типа имеет смысл только тогда, когда накоплен достаточный опыт обращения с более простыми видами акустического оформления, для начальных экспериментов band pass вряд ли подходит.
Но если все сделано грамотно, тем более в заводских условиях, то band pass способен демонстрировать отличные результаты как по качеству звучания, так и по отдаче и другим характеристикам, в том числе оставаясь достаточно компактным, несмотря на наличие двух камер.
При усложнении конструкции, к примеру, наличии двух оснащенных фазоинвертором камер, меняется порядок фильтров корпуса band pass, можно получить дополнительный выигрыш в характеристиках и гибкости настройки, но сложность расчета и доводки возрастает драматически. Подобными чаще всего неблагодатными по результатам экспериментами мало кто увлекается даже среди опытных профессионалов. К чему осложнять себе жизнь, если отличного результата можно добиться более традиционными простейшими в исполнении способами?

Корпус с пассивным излучателем
Корпус с пассивным излучателем можно рассмотреть как вариацию на тему корпуса с фазоинвертором – в которой место ФИ занял выполняющий ту же роль пассивный излучатель. Пассивный излучатель – по сути тот же динамик с диффузором, только лишенный звуковой катушки и магнитной системы, к нему не подводится аудиосигнал. Будучи настроенным на определенную низкую частоту, такой корпус дает очень хороший выигрыш в улучшении глубины баса и отдаче. При грамотном исполнении пассивный излучатель работает эффективнее, чем ФИ, поскольку у него больше площадь. Кроме того, в виду отсутствия проходящего сквозь трубу и порт потока воздуха пассивный излучатель лишен посторонних призвуков.
Однако при всех преимуществах такого типа оформления, оно чрезвычайно редко встречается среди изготавливаемых в инсталляционных студиях или в домашних условиях корпусов. Теоретические преимущества пассивного излучателя на практике оборачиваются большими сложностями в нахождении соответствующего требованиям излучателя среди доступного ассортимента комплектующих на рынке, а также крайним неудобством в настройке. Если для фазоинвертора достаточно запастись набором труб ФИ – как правило, уже оснащенных портом, разного сечения и регулировать их характеристики путем изменения длины, то у пассивного излучателя придется регулировать массу подвижной системы, а это уже весьма хлопотно. Другое дело – заводские условия, там производитель имеет все ресурсы для изготовления нужного пассивного излучателя и всех необходимых с ним экспериментов. Среди готовых серийных корпусных моделей с пассивными излучателями встречаются отличные по звучанию и характеристикам модели.

Другие типы корпусов
Вариантов акустического оформления множество, причем список все продолжает пополняться. Рассмотренные здесь типы относятся к самым практически употребимым, позволяющим быстро добиться нужного результата. Интересующимся остальными версиями можно обратиться к специальной литературе по акустике. Но нельзя забывать про поговорку “гладко было на бумаге…” – всякие экзотические варианты оформления с многообещающими характеристиками могут оказаться чрезвычайно трудоемкими в практической реализации, а процесс их доводки до нужного состояния способен затянуться до бесконечности. Иными словами, эта тема скорее исследовательская, чем представляющая практический интерес для тех, кто всего лишь хочет озвучить свой автомобиль с максимальным качеством передачи музыки.