[114] Новий корпус для сабвуферу. Від теорії до практики. Частина 1

Вітаю усіх!

Не так давно @DomCobb зробив досить детальний запис про те, як своїми руками налаштовувати кастомну систему, де є DSP (у його випадку це вбудований процесор у підсилювач Helix M Six). Раджу почитати, якщо ще не ознайомились. А для того, щоб правильно покрутити різні параметри у програмній частині, нам потрібне щось, що буде ці параметри отримувати та відтворювати. То ж сьогодні поговоримо про досить важливий елемент будь-якого сетапу: неважливо, орієнтований він на SQ чи на SPL. 

Сабвуфер. Є невід'ємною частину більшості кастомних систем. Саме він кидає до твого аудіо жирненькі, соковиті баси, щоб усе заграло як треба. Без нього звук - це ніби піца без сиру, а з ним - бум-бум, аж вухо приємно тремтить!

А щоб не було розмов про "конячок у вакуумі" спробую розібрати, показати на прикладі своєї системи, адже настав час замінити "найстаріший" компонент усієї акустики Ікса. Сабвуферний динамік Helix K10W перекочував сюди ще з попереднього авто - Opel Vectra C, де він чудово функціонував у 2-смуговій системі відносно бюджетного рівня. Тут же загальний рівень підріс і саб почав не дотягувати. В автозвуці є просте правило "уся система грає так, як грає її найслабша ланка". Наприклад, ви можете купити якийсь супер підсилювач за 100к грн, але, якщо на нього кинути штатні динаміки, то ефекту від такої чудо-системи не буде😅

Як замінити або поставити свій перший саб? У цьому запису буде теоретична частина, а у наступному уже перейдемо до конкретно мого випадку.

Спочатку треба розібратися, у чому різниця між готовим сабвуфером та окремим НЧ динаміком.
Перший часто ще називають активним сабом, адже він йде у готовому корпусі, разом із вбудованим підсилювачем та кабелями для його підключення. 

Такий тип сабвуфера у мене якось стояв в Опелі. Вони ідеально підходять для новачків у автозвуці та просто для водіїв, які хочуть покращити штатну аудіосистему. Основна зручність у тому, що все вже готове з коробки, треба тільки підключити кабелі живлення до акумулятора та взяти сигнал: або з лінійного виходу магнітоли, або ж підключитись до кабелів, що йдуть на фронтальні чи тилові динаміки. Звісно, перший варіант є значно кращим. Чогось суперунікального та високоякісного не треба очікувати від даного типу сабів: підсилювач там буде бюджетного рівня, як і сам динамік. Виробник же більше зосереджений на зовнішньому вигляді, аби у вас виникло наполегливе бажання його купити, коли побачите в магазині чи на просторах інтернету. Проте повторюсь: якщо треба додати низьких частот за недорого - кращого варіанту не знайти.
 

Пасивний же - це НЧ динамік, для якого треба корпус та окремий підсилювач. Тут уже і варіантів побільше, і бюджет має значно ширші межі, і при побудові SQ чи SPL системи, ви прийдете саме по окремий динамік (а може і не один😏). Далі будемо говорити виключно про такий тип.

Такі саби у свою чергу розділяються за типом оформлення їх "домівки".

Free Air - той, якому не потрібен корпус взагалі, він кріпиться у задню полку та просто собі бумкає у повітря. Досить специфічний тип, який потребує від вас уміння правильного його встановлення. Інакше звук від нього не буде мати нічого спільного з правильним НЧ тиском. Free Air динамік НЕ МОЖНА використовувати в інших типах оформлення і навпаки.

Закритий ящик (англ. sealed) - тут і з назви усе зрозуміло: ящик, у якому встановлений наш НЧ динамік. Досить популярне рішення через його відносну простоту. Головною задачею при побудові буде правильний розрахунок потрібного об'єму (літражу) ящика. За рівнем гучності програє усім іншим варіантам, адже випромінювання від дифузора погашається всередині герметичного ящику. Проте ЗЯ має швидкий бас з приємною АЧХ у діапазоні НЧ. Також для нього потрібен більш потужніший підсилювач. У більшості SQ проектів використовується саме цей тип оформлення. Такий і у мене🙂

Фазоінвертор (англ. ported або bass reflex) - той же закритий ящик, але з одним чи більше отворів для повітря на корпусі. Такі полюбляють хлопці з SPL системами, адже видає більше басу за той же ЗЯ. Корпус цього типу зазвичай більший, ніж ЗЯ на 20-50%. Також під нього доведеться підбирати підсилювач, що має функцію сабсоніку (англ. subsonic) - фільтр інфранизьких частот. Умовно, якщо ви побудували ФІ, у якого нижній ліміт частот 25 Гц, то усе що нижче(0-24 Гц) треба відсіяти, аби не зіпсувати сам динамік. 

Смуговий(англ. bandpass) - грубо кажучи, комбінація ЗЯ і ФІ. Корпус ділиться на дві зони: ЗІ з динаміком і зона з отворами, як у ФІ. Своїми габаритами ще більший за ФІ, а його виготовлення потребує правильних розрахунків та практичних умінь конструювання. Це буде найгучніший варіант з усіх вищеописаних, проте він грає у досить вузькому спектрі низьких частот.

Це основні типи корпусів, які ви можете зібрати для свого авто (або дому). Є й інші: гібридні чи різновиди описаних вище, але вони знаачно менш популярні, тому я їх тут не розглядаю. От, наприклад, різні варіації оформлення bandpass 4 порядку для 1 та 2 динаміків:

Глобальну пораду про те, який вибрати саме вам, важко сформувати. Занадто багато чинників потрібно врахувати: вільне місце, бюджет, наявний підсилювач і т.д.
Можна звісно орієнтуватися на жанр музики, що слухаєте: якщо це хіп-хоп, реп, електронна, то конструюйте ФІ або смуговий - у них буде більше басу. Якщо у вашій бібліотеці переважають рок та метал, то ЗЯ - більше панчу, і сам бас рівномірний.

А тепер ще трохи уваги мешканцям вашого майбутнього корпусу.

Можна обрати декілька варіантів розподілу динаміків. 
Перший - за їх призначенням. Про це трохи згадував вище: free air і ті, які грають у об'єм ящика. Новачкам все ж порекомендую другі, як би free air не заманювали своєю простотою (вкрутив у полицю задню і бум бум бум) - там досить багато нюансів і реалізувати хороший, а головне - якісний, проект буде нелегко.
Другий - за розміром. Тут все максимально просто. Є 8, 10, 12, 15, 18 дюймові НЧ динаміки. Дуже рідко можна зустріти більші.

Більший діаметер дає можливість сабу брати нижчі частоти, але у жертву приноситься швидкість басу. То ж, знову таки: для року/металу ідеально брати 8 або 10, у крайньому випадку 12 дюймовий динамік. Очевидно, що більший динамік потребує більший ящик (ваш кеп🖐).

І якщо з вищеописаним розібратися легко, то от не заплутатися та зрозуміти основні електромеханічні параметри динаміків значно складніше. Їх дуже багато, а вони необхідні для правильного прорахунку вашого майбутнього корпусу. Але нам пощастило, що на Землі народилися двоє таких крутих та розумних хлопаки: австралієць Альберт Невіл Тіль (Albert Neville Thiele) та американець Річард Смолл (Richard H. Small). Разом вони дали нам так звані параметри Тіля-Смолла (T/S або TSP), які сильно спрощують розрахнуки. За ними достатньо знати лише кілька основних параметрів динаміка, аби зробити правильне оформлення його корпусу.

• Резонансна частота (Fs) - це частота, на якій динамік природно має максимальну амплітуду коливань без прикладеної зовнішньої сили. На цій частоті динамік здатен створювати найбільшу звукову потужність при найменших зусиллях, оскільки його механічна система (дифузор, підвіска та інші елементи) вступає в резонанс. Іншими словами - це частота резонансу динаміка без будь-якого оформлення. Грубо кажучи, чим менший цей параметр, тим краще (хоч і не завжди так). Важливо, що Fs не є точкою, де динамік перестає працювати, а лише показником того, де його ефективність починає значно знижуватися.
• Загальний коефіцієнт добротності (Qts) - цей параметр визначає, наскільки динамік здатний коливатися після того, як зовнішня сила перестає діяти. Враховуються, як електричні, так і механічні втрати. Qts є безрозмірною величиною і може мати значення від близько 0.2 до 1.0 або вище. Чим нижче значення Qts, тим швидше коливання затухають, і навпаки. Динаміки з низьким значенням Qts (орієнтовно менше 0.4) зазвичай підходять для ЗЯ, які забезпечують жорстке демпфування, тоді як динаміки з високим Qts (більше 0.7) часто використовуються для ФІ.
• Еквівалентний об'єм повітря(Vas) - це об’єм повітря, який має таку ж пружність, як і підвіска динаміка при заданій частоті. Vas вимірюється в літрах (л) або кубічних метрах (м³). Вищий Vas означає, що для оптимальної роботи динаміка потрібно більше повітряного об’єму. Динаміки з високим Vas зазвичай потребують більших корпусів для досягнення хорошої звукової віддачі, особливо на низьких частотах.

Ці три параметри є ключовими при проектуванні та виборі НЧ динаміків, оскільки вони визначають основні аспекти роботи акустичної системи (сабвуфера). Якщо ж розбиратися у цьому не хочеться навіть мінімально, то виробник майже завжди вказує в інструкції рекомендовані об'єми для оформлення ЗЯ та ФІ, як під SQ, так і під SPL варіанти.

Ще хотілося б сказати про внутрішню частину корпусу ЗЯ. Якщо ви зробите занадто тонкі стінки для свого потужного динаміку, то весь ящик швидко увійде у резонанс, почне гудіти і результат вам сильно не сподобається. Це можна частково вирішити шляхом розклеювання віброізоляції всередині ящика. Проте все ж краще переробити такий корпус, зробивши стінки більш товстішими, аби вібри не додавати туди взагалі або якусь мінімальну кількість. 

Головне пам'ятати, що резонувати буде будь-яка стінка будь-якого ящику, хоч з мармуру його робіть😅. Але при застосуванні міцного товстого матеріалу сама амплітуда коливань стінок знизиться максимально і нею легко можна знехтувати. Також дуже сильно допоможуть розпорки всередині ящика, які будуть тримати стінки між собою. При активній роботі динаміку він намагається розвалити ваш ящик. Розпорки можуть бути у вигляді бруса дерева чи металевих штирів. Ще вони розіб'ють резонуючі стінки на менші ділянки з великим шансом, що їх резонуюча частота вийде за діапазон саба і тоді уже точно усе буде гуд. 

Якщо ж ящику треба додати трохи об'єму, то можна застосувати фокус з наповнювачем. Динамік у ЗЯ працює як поршень, стискаючи повітря всередині. Додаємо туди якогось матеріалу: вата, синтепон чи поролон, густина яких відрізняється від повітря і стиснути які важче. Таким чином динамік почне "думати", що загальний об'єм ящика трохи збільшився. Очевидно, що фізично нічого не змінилося, крім того - наповнювач сповільнить і зменшить чутливість вашого динаміку, то ж фанатично додавати наповнювач точно не варто.

Є ще одна цікава штука, про яку, певно навіть не кожна студія інсталяції буде розповідати чи хоча б знати, а тим більше застосовувати правильно. Називається воно
"Передавальна функція (англ. Vehicle Transfer Function)". В автомобільному салоні визначає, як акустичні хвилі (особливо на низьких частотах) відбиваються та взаємодіють у замкнутому просторі. Крива передавальної функції змінюється в залежності від розміру та форми салону автомобіля, впливаючи на звучання сабвуфера. Щоб отримати рівний бас, треба врахувати цей ефект, налаштовуючи частоти сабвуфера для компенсації змін у частотній характеристиці салону​. Тобто, якщо я зараз візьму свій же саб і просто перенесу в якесь інше авто, навіть того ж класу, наприклад, у Audi Q5, то грати він буде уже зовсім інакше. Не краще чи гірше, а просто - інакше. Ба більше, навіть, розташування саба у моєму ж авто буде змінювати його звучання. 
Як пов'язана ця функція і як саме впливає на звук у НЧ діапазоні? Розбираємо детальніше.

Звук поширюється хвилями. Чим менша частота, тим довжина хвилі більша. Наприклад, звукова хвиля частотою 100 Гц має довжину 3.43м. Хвиля має синусоїдальний характер, на її верхньому піку звуковий тиск буде максимальний, у нижньому ж - мінімальний. А від сабвуфера саме тиск нам і потрібен. Якщо коротко описати, то підйом тиску за допомогою передавальної функції починається, коли у салон перестає вміщуватися половина довжини хвилі. Відповідна формула передавальної функції: ПФ = 343/L*2, де L - найдовша відстань у салоні авто. Тепер візуалізуємо останні кілька речень і подивимося на прикладах. Ось зображення середньостатистичного авто з найдовшою відстанню у салоні ~2.5м та накладених на нього хвиль:

Червоним квадратом тут показаний салон. Звук на частоті 140 Гц (помаранчевий) має довжину хвилі 2.45м. Така хвиля спокійно може повністю розмістися у салоні авто з рисунка. Ви зможете відчути, як найбільший тиск цієї частоти, так і найменший. Зелена ж з частотою 70 Гц уже подовше, 4.9м. У цьому ж салоні буде тільки половина хвилі, знову ж таки відчуєте найбільший тиск, його спад до початкового значення, але не зменшення. Такий собі постійний тиск. Ось тут і вступає у силу наша передавальна функція. Усі частоти, що менше 70 Гц даний автомобіль, точніше його салон, буде підсилювати. Круто ж, авто саме хоче, аби низів побільше було, а усі сусіди чули, де їде альфа-сомець😂 І, нарешті, дивимося на 34 Гц. Довжина - 10м. Тут у вашому салоні лише буде лише її четвертина, яка включає у себе пік з найбільшим тиском. Тобто, починаючи з цієї частоти і нижче саб лише тисне на повітря у салоні, не даючи взагалі можливості йому розріджуватися. Тому і локалізувати, де саме знаходиться саб, на таких частотах неможливо, бас просто скрізь, навколо слухача.
Усе так класно лише на папері, де передавальна функція допомагає підсилити тиск(гучність) вашого саба, вирівнюючи його АЧХ: коли саб грає нижче своєї резонансної частоти, (пам'ятаєте той Fs, що згадував у параметрах Тіля-Смолла?), його гучність падає. У реальному житті на розповсюдження хвилі впливає багато чинників. Тому передавальну функції для кожного авто треба заміряти. Для цього записуємо свіп-тон всередині авто, потім виносимо саб на вулицю, пишемо цей же свіп-тон там. Зі значення, які отримали всередині авто, віднімаємо значення вуличні і таким чином отримаємо натуральну передавальну функцію.
  

Кому хочеться більше про передавальну функцію самого авто (не лише його салону), можете подивитися цю нотатку(посилання) з Matlab. Не забудьте тільки відмітитися у психіатра далі по коридору🤣

Хух, наче про основні штуки розповів і у вас виникло ще більше питань - це нормально, ахахах. Головне пам'ятайте, що більшість порад у автозвуці не треба сприймати, як писану істину, навіть якщо вам їх дає 1000-разовий чемпіон усіх змагань у Всесвіті. Це, скорше, вектор направлення знань та інформації, які самому доведеться опанувати. Іноді достатньо буде лише теорії, але у більшості випадків без практики ніяк не обійтися. То ж пробуйте нове, експериментуйте, не бійтесь критики (не помиляється лише той, хто нічого не робить) та насолоджуйтесь результатом у ваших автозвукостудіях😉

Ми ж зустрінемося у наступній частині, де покажу, розкажу усі етапи процесу виготовлення свого нового корпусу.

А критику, зауваження, питання чи просто ваші думки, досвід по матеріалу вище, чекаю у коментарях. 

P.S. Ще момент: усе, що пов'язано з підсилювачем під саб, я спеціально пропустив. Там хоч і не сильно широкий простір для теорії та обговорень, але прямо таки непахане поле для суперечок. Як підключати, яку фірму, D чи AB клас, а скіки Ват, високий чи низький рівень - будь-яке з цих питань може бути причиною для срачу дискусій😜

P.S.S. Окрема подяка @SerhiiVolvo , який направляв мене у багатьох теоретичних темах та питаннях!

----------------------------------------------------------------------
Дякую, що дочитали! Підписуйтесь, коментуйте, поширюйте