Из жизни труб и щелей, или про порты - доступным языком

Рассчитав НЧ-оформление (вероятно пользуясь методикой из моей статьи) самодельщик часто сталкивается с множеством вопросов касающихся порта или портов. И вообще про порты ФИ ходит просто чудесное количество мифов, как в прочем и про все остальное в сфере аудио.

Попробую разобрать эти мифы и ответить на самые частые вопросы.

Миф №1. Порт ФИ - воздуховод для выхода лишнего воздуха, он нужен, что бы динамику было легче “ходить”.

На самом деле: Порт ФИ - это вторичный излучатель звуковых волн. Энергия к нему передается от основного динамика через упругость (пружина) объема воздуха в ящике. На частоте настройки ФИ динамику как раз таки “ходить” намного тяжелее. Собственно говоря, именно на этом и основана вся идея ФИ как НЧ-оформления: на частотах близких к настройке ФИ, диффузор колеблется гораздо меньше, но зато очень эффективно “двигает” воздух в трубе, который в свою очередь и излучает звуковые волны.

Миф №2. Труба проще, а щель эффективнее.

На самом деле: Поскольку звуковые волны создает движущийся в трубе воздух, этому процессу препятствуют различные силы, такие как например, трение. Воздух обладает вязкостью, а как известно при движении тела в неподвижной жидкости (или газе) возникает вязкое трение - тот же эффект имеет место и при движении жидкости/газа внутри неподвижной трубы. Проще говоря, воздух испытывает трение о стенки порта, и это трение тормозит его. Для эффективности важно соотношение площади сечения порта и площади соприкосновения воздуха со стенками. Те кто изучал в школе геометрию, знают, что лучшим соотношением будет обладать именно круглая труба, за ней идет квадратная, ну и прямоугольник - чем более он вытянутый, тем меньше площадь сечения и больше площадь стенок. Таким образом, по акустической отдаче круглая труба эффективнее вытянутой щели.

Миф №3. Если труба получается слишком длинной, ее можно согнуть буквой “Г” или даже буквой “П”.

На самом деле: Поскольку воздух в трубе движется с ускорением (функцией которого и является звуковое давление), то разумеется порт должен быть прямым. Как вы себе представляете ускорение на повороте? Воздух в трубе должен двигаться ламинарно, т.е. без каких либо завихрений (турбулентностей - по научному), а на повороте, особенно если он 90 градусов, как раз одни турбулентности и будут, скорость же потока после поворота будет в 10 раз меньше.

Порт должен быть прямой! За исключением того случая, когда вы сознательно уменьшаете отдачу порта, что бы выравнять АЧХ сабвуфера. Все программы моделирования ящиков оперируют моделью с прямой трубой. Причем именно трубой, а не щелью.

Согнуть трубу можно, но только очень плавно. Потери будут и в этом случае, но не критические. Радиус изгиба должен быть не меньше двух диаметров трубы, больше - лучше! Согнуть можно и щель. Для прямоугольного порта в данном случае “диаметр” - это его размер поперек которого происходит изгиб.

На первый взгляд кажется логичной мысль, что можно сделать узкую щель и согнуть ее по минимальному радиусу поперек толщины и в прямом сравнении между прямой и гнутой щелью разница будет не так уж и велика, но стоит сравнить такую конструкцию с прямой круглой или квадратной трубой и все встанет на свои места.

Гнутым портам не место в агрегатах, назначение которых высокие уровни звукового давления!

Миф №4. Диаметр трубы/размеры щели рассчитываются вместе с литражом каким то хитрым способом.

На самом деле: Площадь поперечного сечения порта выбирается относительно площади диффузора. Отдача порта меняется не катастрофически, если площадь порта находится в пределах от ¼ до ⅙  от площади диффузора. Больше ¼ делать большого смысла нет, ибо ФИ в таком случае плавно превращается в четверть волновой резонатор и работает не совсем так как планировалось. При площади в ½ от диффузора, ФИ все еще работает как ФИ, но уже не соответствует расчетам.

Миф №5. Угол Г-образного порта нужно скруглить.

На самом деле: Это бессмысленно. Почему - написано в правде по мифу №3. Скругляй, не скругляй - без разницы.

Миф №6. Для уменьшения шумов и увеличения КПД, надо делать “раскрыв” т.е. фланец (расширение) на конце трубы.

На самом деле: Это бесполезно. Если диаметр трубы мал, кроме уменьшения отдачи, будут возникать т.н. струйные шумы. Незначительные по диаметру, а главное по длине,  расширения не изменят ситуацию в корне. Для избежания струйных шумов и увеличения отдачи порта, надо просто увеличить его сечение, правда тогда ощутимо увеличится его длина, необходимая для сохранения настройки. Что бы обойти это стоит сделать порт в виде песочных часов т.е. примерно ⅗  порта выполняется сечением ⅛ , и по ⅕ с каждого края с плавным расширением от ⅛  до ¼. Требуемая длина будет примерно 60% от исходной. По количеству струйных шумов такой порт равен полноценному, но эффективность будет несколько меньше.

Миф №7. Порт должен находиться внутри ящика.

На самом деле: Без разницы. Хоть весь внутри, хоть весь снаружи, хоть пополам. Это не имеет значения само по себе, но есть небольшой нюанс.

Если вы изготовите ящик с расчетным литражом и установите в него трубу заподлицо с одной из стенок (как обычно и делают), и попробуете измерить частоту настройки ФИ, вы скорее всего обнаружите, что ФИ настроен чуть ниже, чем по расчету.

Дело в том, что существует так называемый “эффект виртуального удлинения“. Это явление состоит в том, что труба с фланцем (именно с фланцем, а не уширением) настроена немного ниже. Почему - нам не так уж и важно, важнее другое, что труба расположенная полностью снаружи или полностью внутри ящика будет иметь такой эффект, а труба торчащая на половину - нет. Впрочем никто не мешает сделать фланец у торчащего конца. Кстати программы расчетов “относятся” к этому эффекту по разному. Некоторые учитывают “стандартное удлинение”, некоторые и вовсе игнорируют его, а некоторые позволяют просчитать этот эффект.

Ну и не стоит забывать, что объем порта съедает полезный объем ящика.

И напоследок несколько выводов:

1. Если проектируется агрегат для получения высокого уровня давления, то имеет смысл делать прямой порт круглого сечения, в крайнем случае квадратного - его проще выполнить из того же материала, что и корпус.
2. Делая щелевой порт не стоит увлекаться сильным сужением - хороший результат в смысле звуковой отдачи получается, когда размеры щели соотносятся как 1:2 или 1:3, при более узкой щели сильно заметен эффект трения воздуха о стенки.
3. Если задача сабвуфера качественно играть - труба довольно часто получается метровой длины - не стоит “зажимать” сечение, в целях укоротить порт. В этом случае вы скорее всего получите струйные шумы и много другой бяки.
4. Лучшим выбором для качества будет или прямой порт, или плавно изогнутая щель. Такая щель кроме всего прочего имеет низкую добротность т.е. отдача точно на частоте настройки меньше по отношению остальному диапазону действия ФИ, чем для прямого круглого порта. При этом такой порт все равно демпфирует динамик в широком диапазоне и кардинально снижает искажения - собственно ради этого и стоит “заморачиваться” с ФИ в SQ системах.