33 ТЫСЯЧИ ТРУБ: УСТРОЙСТВО ОРГАНА

Главное меню

Технология резонансных выхлопных труб

Автор статьи: Steve Pond. Автор перевода: Владислав Ярополов.

Какая резонансная труба является наилучшей?

Резонансные выхлопные трубы помогают увеличить мощность, улучшают эффективность топлива и уменьшают температуру двигателя. Это очевидно! Многие в целом понимают большинство из этого, но как только энтузиасты становятся более осведомленными в преимуществах резонансных труб, фокус смещается: теперь вопросом является, какая резонансная труба является наилучшей.

ЧТО ТАКОЕ РЕЗОНАНСНАЯ ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА?

Резонансная труба является в действительности частью настроенной выхлопной системы, которая начинается с выхлопного коллектора присоединенного к двигателю. Коллектор обычно является трубкой постоянного диаметра, которая может изгибаться несколько раз для направления выхлопа в резонансную трубу. Это выпускное отверстие для выхлопных газов, и мы надеемся, это слегка ослабит шум двигателя. Коллектор и резонансная труба обычно соединяются коротким участком гибкой трубки и парой нейлоновых стяжек.

ОСНОВЫ

В помощь тем, кто хочет знать, почему резонансная труба помогает в каждом аспекте производительности двухтактного двигателя, опишем некоторые основы.

В двухтактном двигателе впускные, продувочные окна и выхлопное окно открываются приблизительно одновременно. Это означает, что часть топливно-воздушной смеси поступающей в двигатель просто напрямую проходит в выхлопное окно. Легко понять, что вылетевшее топливо потеряно и не может участвовать в производстве мощности. Много лет назад, инженеры поняли, что путем изготовления выхлопной трубы в виде специфической формы, выхлопная труба сама по себе может быть использована для удержания несгоревшего топлива в двигателе, увеличивая таким путем мощность. Теперь, когда выхлопное окно открывается, давление созданное во время процесса сгорания создает волну давления, которая проходит через коллектор в резонансную трубу. Небольшое выхлопное отверстие резонансной трубы выпускает часть выхлопного давления, но значительное количество остается в трубе. Инженеры тщательно «настроили» длину и форму выхлопной трубы для отражения части волны давления назад в трубу для возврата вышедшей топливной смеси обратно в двигатель. На практике конструкция резонансной трубы гораздо больше участвует в работе двигателя, чем здесь описано, именно поэтому использование резонансных труб может быть так выгодно.

image0015

Когда выхлопные газы выпускаются в коллектор, они двигаются дальше к расходящемуся конусу (диффузору). Когда они достигают конуса, вакуум, или волна отрицательного давления, создается расширением выхлопных газов по мере продвижения через него, и этот вакуум возвращается назад в коллектор и высасывает оставшиеся выхлопные газы из выхлопного отверстия. Тем временем волна положительного давления теряет интенсивность по мере продвижения через расширяющийся диффузор. Она затем отражается от сходящегося конуса (конфузора) в конце трубы и вливается обратно через диффузор и коллектор до самого двигателя. Эта волна давления должна достичь двигатель в то время как выхлопное окно закрывается, таким образом, принуждая свежую топливную смесь, которая пытается покинуть выхлопное окно, вернуться обратно в цилиндр двигателя.

ДЕТАЛИ

Итак, вы решили, что хотите резонансную выхлопную трубу, неминуемо ваш следующий вопрос: «Какую трубу мне выбрать?» Это каверзный вопрос!

Ее предназначение определит, как долго вы будете заниматься исследованиями перед приобретением вашей трубы. Если вы хотите улучшить работу вашего автомобиля только для того, чтобы развлекаться в более быстром темпе, тогда вам подойдет любая комбинация «коллектор — резонансная труба». Конечно, выберите ту, которая должным образом подходит к размеру вашего двигателя, но вы почти не можете ошибиться, если переходите с выхлопной трубы на резонансную трубу. Вы можете получить не всю мощность, которую можно ожидать, если вы используете идеальную настройку, но я пытаюсь здесь объяснить, что любой вариант будет лучше, чем глушитель.

Спортивные энтузиасты или те, кто просто хочет получить максимальную производительность, могут захотеть более внимательно рассмотреть то, что будет наилучшим образом работать для их задачи. Далее описываются некоторые факты о наилучшей конфигурации резонансной трубы. Большая часть этой информации была заимствована из разработок резонансных труб для больших двухтактных двигателей, но это по-прежнему служит руководством для многих производителей и настройщиков двигателей в индустрии радиоуправляемых моделей. Двигатели внутреннего сгорания для моделей немного отличаются от двигателей, для которых эти руководства были сформулированы, поэтому это не точное соответствие, но большинство наших резонансных труб сконструировано согласно этим данным.

Коллектор (Header). Идеальный коллектор должен начинаться с площади, которая приблизительно на 10-15% больше, чем поперечное сечение выхлопного отверстия. Идеальный коллектор также должен расширяться наружу под углом примерно 2-4 градуса. Это незначительное расширение, в комбинации с расширением в резонансной трубе, помогает продувке, или высасыванию, выхлопа из двигателя. Однако многие коллекторы, разработанные для автомоделей, не следуют этим руководящим принципам, они обычно слишком велики по диаметру и прямые. Прямые трубы менее дороги в производстве, а прибавка, обеспечиваемая сведенной к конусу трубой, обсуждается в лучшем случае для применения в радиоуправляемых моделях.

Соединитель (Coupling). Коллектор и резонансная труба обычно скрепляются с помощью гибкого соединителя из термостойкой гибкой трубки. Соединитель имеет мало общего с эффективностью трубы, исключая преждевременное разрушение или неправильную установку. В случае оптимальной установки имеется небольшой зазор между коллектором и трубой. Это обеспечивает плавный поток выхлопных газов и защищает соединитель от воздействия чрезмерно высоких температур. Будьте осторожны и не позволяйте трубе и коллектору касаться друг друга, так как вибрация может вызвать незначительные повреждения обоих деталей. А также вибрация металла по металлу вызывает радиопомехи. По некоторым причинам, когда две металлические детали трутся друг с другом, это может вызвать сбои в работе радиооборудования.

Расходящийся конус (Divergent cone). Первой частью резонансной трубы является расходящийся конус, или диффузор. Эта часть находится сразу за соединителем, и она расширяется наружу. Поскольку волна давления выхлопа проходит через эту расширяющуюся секцию трубы, это создает вакуум позади нее. Это помогает удалять (продувать) остатки выхлопных газов из цилиндра, и это также помогает в поставке свежего топлива. Идеальный угол расходящегося конуса находится в районе 10 градусов, но некоторые трубы, например, поставляемые «Paris Racing» и «Team Associated», имеют намного больший угол.

Угол конуса этой секции трубы определяет длительность и интенсивность отрицательных и положительных волн давления. Более крутой угол расходящегося конуса делает отрицательную волну давления более интенсивной, но более короткой по длительности. Это делает продувку более эффективной, но ограничивает более узким диапазоном оборотов двигателя. Более пологий расходящийся конус снижает интенсивность отрицательной волны, но это длится намного дольше. Это увеличивает диапазон оборотов двигателя, в котором отрицательная волна достигает цилиндра, в то время как выхлопное отверстие еще открыто. Это своего рода балансирование: большая производительность при ограниченном диапазоне оборотов двигателя или меньшая производительность при широком диапазоне оборотов.

Расходящийся конус оказывает то же самое влияние на возвращающуюся волну давления. Положительное давление выхлопа, которое не вышло из трубы, отражается обратно в сторону коллектора. Угол расходящегося конуса оказывает тот же самое действие на обратный ход волны. Более выраженный угол делает положительную волну давления более интенсивной, но более короткой по длительности, а более пологий угол делает ее менее интенсивной при большей продолжительности. Эта волна давления помогает затолкнуть свежее топливо обратно в цилиндр, когда выхлопное отверстие закрывается.

Цилиндрическая часть (Belly). Цилиндрический участок является прямой секцией резонансной трубы, здесь наиболее важным измерением является длина. Если помните, когда волна давления выхлопа входит в расходящийся конус, отрицательная волна посылается назад к двигателю. Положительная волна давления тем временем продолжает движение через цилиндрическую часть трубы, отражается от сходящегося конуса и направляется обратно к двигателю. Длина этой цилиндрической части трубы определяет, сколько времени потребуется волне давления, чтобы достигнуть двигателя. Более короткая цилиндрический участок означает, что волна давления проходит меньшую дистанцию до конца трубы и поэтому быстрее возвращается назад. Более длинный цилиндрический участок увеличивает время, требующееся волне давления для возврата к двигателю. Ключом здесь является относительное согласование во времени между положительной и отрицательной волной. Короткая секция снижает задержку между этими двумя волнами и лучше подходит для того, чтобы развивать максимальную мощность в диапазоне высоких оборотов, а более длинная секция увеличивает задержку между этими двумя волнами и больше походит для увеличения мощности на низких оборотах.

Сходящийся конус (Convergent cone). Сходящийся конус находится в конце цилиндрической секции и отражает волну давления назад к двигателю. Угол конуса влияет на то, сколько времени занимает возврат волны давления по резонансной трубе. И снова, более выраженный конус вызывает более интенсивную волну давления короткой длительности, а плавный конус вызывает более длительную, но менее интенсивную волну. Считается, что будет идеальным угол конуса в диапазоне от 15 до 20 градусов, или примерно удвоенный угол расходящегося конуса.

Выхлопной патрубок (Stinger). Это последняя часть резонансной трубы. Диаметр выхлопного патрубка и его длина являются важными для производительности, но это по большей части не имеет значения при применении в автомоделях. Диаметр и длина выхлопного патрубка регламентируются официальными организациями, поэтому большинство труб разработано в соответствии с этими положениями и существует незначительное разнообразие размеров выхлопных патрубков. Идеальный диаметр выхлопного патрубка составляет примерно 60% от диаметра коллектора, а длина должна составлять от 10 до 12 его диаметров.

Патрубок отбора давления (Pressure fitting). Небольшое количество давления в трубе выталкивается через этот патрубок, это обеспечивает некоторое обратное давление в топливной системе, содействуя питанию двигателя при увеличении оборотов. При увеличении оборотов двигателя, выхлопное давление увеличивается и выталкивает больше топлива в карбюратор для компенсации увеличивающейся потребности в топливе. В идеале, патрубок должен быть расположен в наиболее толстой части тела трубы, возле места, где сходятся две волны давления.

image0026

Резонансная труба «Paris Racing», показанная здесь, является типичной трубой разработанной для масштаба 1/10 шоссейных или внедорожных гонок. Она подходит для небольших двигателей объема от.10 до.15. Крутой угол расходящегося конуса и длинная цилиндрическая часть показывают, что эта труба лучше всего подходит для производства мощности на низких оборотах. Длина и внутренний диаметр выхлопного патрубка определены официальными организациями.

СЛОЖИМ ВСЕ ЭТО ВМЕСТЕ И …

Выхлопное отверстие открывается, и положительная волна давления выхлопа в камере сгорания высвобождается в коллектор и перемещается через коллектор к расходящемуся конусу. В то время как она перемещается через расходящийся конус, отрицательная волна давления (вакуум) посылается обратно в коллектор. Отрицательное давление помогает вытянуть остатки продуктов сгорания из цилиндра и помогает втянуть свежий заряд топливно-воздушной смеси. Тем временем исходная волна давления пробегает через центральную цилиндрическую часть трубы, отражается от сходящегося конуса (частично выходит через выхлопной патрубок) и возвращается по трубе и коллектору. Эта положительная волна должна достичь двигателя пока выхлопное отверстие остается открытым, так чтобы принудить свежую топливно-воздушную смесь, пытающуюся выскользнуть из цилиндра, вернуться в двигатель до закрытия выхлопного отверстия. Так, в двух словах, должна работать резонансная труба.

image0033

Труба «Form Racing», показанная здесь, была фактически разработана для использования с четырехтактными двигателями. Пологий угол расходящегося конуса и тонкая цилиндрическая часть делают ее мало подходящей для использования с двухтактными двигателями, а ее двойные выхлопные патрубки сделали бы ее незаконной для официальных гонок. Четырехтактные двигатели намного менее чувствительны к конфигурации выхлопа, так как они имеют механические клапаны, а двухтактные двигатели зависят от конфигурации выхлопа для управления течением топлива и выхлопа.

НАСТРОЙКА РЕЗОНАНСНОЙ ВЫХЛОПНОЙ ТРУБЫ

Длина коллектора существенно влияет на производительность. Это похоже на тромбон: вы выдвигаете его дальше, и он резонирует на более низкой частоте. Выдвигаете его меньше, и он резонирует на более высокой частоте — так же и с резонансной трубой. Пробуйте, обрезая 2-3 мм коллектора за раз, и запускайте двигатель после каждого реза. Идея состоит в том, чтобы обрезать до тех пор, пока двигатель не «запоет». Это означает, что двигатель и выхлопная система синхронизированы и звучат гармонично. Это тот момент, когда двигатель производит максимальную мощность. Примерное правило: длинный коллектор лучше для мощности на низких оборотах, а короткий коллектор улучшает работу двигателя на высоких оборотах. Вы можете зайти слишком далеко в обоих направлениях, будьте осторожны, вы нанесете этим больше вреда, чем пользы.

image0044

Труба «Paris Racing» AL110S, показанная сверху, имеет пологий угол расходящегося конуса и короткую цилиндрическую часть. Эта конфигурация расширяет диапазон мощности и увеличивает мощность на высоких оборотах. Стандартная труба «Team Associated», показанная снизу, имеет более радикальный угол расходящегося конуса и очень длинную цилиндрическую часть. Этот тип конуса усиливает волны давления, но укорачивает их длительность. Этот конус и длинная цилиндрическая секция означают, что эта труба хорошо подходит для интенсивного производства мощности на низких скоростях.

Вернуться к списку Обсудить на форуме

Органные трубы*

— Звучащие трубы, употребляющиеся как музыкальные инструменты с самой глубокой древности, делятся на два рода: мундштуковые и язычковые трубы. Звучащее тело в них составляет главным образом воздух. Привести в колебание воздух, при чем в трубе образуются стоячие волны, можно различным образом. В мундштуковой или флейтовой трубе (см. фиг. 1) тон вызывается при вдувании струи воздуха (ртом или мехами) на заостренный край прореза в боковой стенке. Трение воздушной струи об этот край производит свист, который можно слышать, если отделить трубу от ее мундштука (embouchure). Пример — паровой свисток. Труба, служа резонатором, выделяет и усиливает соответствующий ее размерам один из многочисленных тонов, входящих в состав этого сложного свиста. В язычковой трубе стоячие волны образуются вдуванием воздуха через особое отверстие, прикрываемое упругой пластинкой (язычок, anche, Zunge), которая приходит при этом в колебание.

Фиг. 1 (разрез).

Язычковые трубы бывают трех родов: 1) трубы (О.), тон которых прямо обусловливается быстротой колебаний язычка; они служат только для усиления тона, издаваемого язычком (фиг. 2).

Фиг. 2 (разрез).

Их можно настраивать в небольших пределах, перемещая пружинку, надавливающую на язычок. 2) Трубы, в которых, напротив, установившиеся в них колебания воздуха определяют собой колебания легко податливого тростникового язычка (кларнет, гобой и фагот). Эта упругая, гибкая пластинка, периодически прерывая вдуваемую струю воздуха, вызывает колебания воздушного столба в трубе; эти же последние колебания регулируют в свою очередь соответственным себе образом колебания и самой пластинки. 3) Трубы с перепончатыми язычками, быстрота колебаний которых по желанию регулируется и изменяется в значительных пределах. В медных духовых инструментах роль такого язычка играют губы; при пении же — голосовые связки. Законы колебания воздуха в трубах с поперечным сечением настолько малым, что все точки сечения колеблются одинаково, установлены Даниилом Бернулли (D. Bernoulli, 1762). В открытых трубах у обоих ее концов образуются пучности, где подвижность воздуха наибольшая, а плотность постоянная. Если между этими двумя пучностями образуется один узел, то длина трубы будет равна половине длины, т. е. L

= λ /
2
; этот случай соответствует самому низкому тону. При двух узлах в трубе поместится целая волна,
L
=
2
λ /
2
= λ; при трех,
L
= 3 λ/2; при
n
узлах,
L
=
n
λ /
2.
Чтобы найти высоту тона, т. е. число
N
колебаний в секунду, припомним, что длина волны (расстояние λ, на которое распространяется колебания в среде в то время
T
, когда одна частица совершает свое полное колебание) равняется произведению скорости ω распространения на период
Т
колебания, или λ =
ω T;
но
T
=
l
/
N
; следовательно, λ = ω /
N.
Отсюда
N
= ω / λ, или, так как из предыдущего λ =
2L
/
n
,
N
=
n
ω /
2L
. Эта формула показывает, что 1) открытая труба, при различной силе вдувания воздуха в нее, может издавать тоны, высоты которых относятся между собой, как 1:2:3:4…; 2) высота тона обратно пропорциональна длине трубы. В закрытой трубе около мундштука по-прежнему должна быть пучность, но на другом, закрытом конце ее, где продольные колебания воздуха невозможны, должен быть узел. Поэтому по длине трубы может поместиться 1/4 стоячей волны, что соответствует самому низкому или основному тону трубы или 3/4 волны, или вообще нечетное число четвертей волны, т. е.
L
= [(
2n
+ 1)/4] λ; откуда
N’
= (
2n
+ 1) ω /4
L
. Итак, в закрытой трубе последовательные тоны, издаваемые ею, или соответствующие им числа колебаний, относятся как ряд нечетных чисел 1:3:5; причем высота каждого из таких тонов обратно пропорциональна длине трубы. Основной тон в закрытой трубе, кроме того, октавой ниже, нежели в открытой трубе (в самом деле, при
n
= 1,
N’:N
= 1:2). Все эти выводы теории легко поверяются на опыте. 1) Если взять длинную и узкую трубку с флейтовой амбушюрой (мундштуком) и вдувать в нее воздух под возрастающим давлением, то получится в открытой трубе ряд гармонических тонов, постепенно возвышающихся (причем не трудно достигнуть до 20 обертона). В трубе же закрытой получаются только нечетные гармонические тоны, причем основной, самый низкий тон октавой ниже, нежели таковой же в открытой трубе. Эти тоны могут существовать в трубе и одновременно, сопровождая основной тон или один из низших. 2) Положение узлов пучностей внутри трубы можно определять различным образом. Так Савар (Savart) для этой цели употребляет тонкую перепонку, натянутую на кольцо. Если насыпать на нее мелкого песка и опустить на нитях в трубу, одна стенка которой стеклянная, то в узловых местах песок останется неподвижным, а в остальных местах и в особенности в пучностях он будет заметно двигаться. Кроме того, так как в пучностях воздух остается при атмосферном давлении, то открыв в этом месте отверстие, сделанное в стенке трубы, мы не изменим тона; отверстие, открытое в другом месте, изменяет высоту звука. В узловых местах, напротив, давление и плотность воздуха меняются, но скорость равна нулю. Поэтому, если вдвинуть заслонку через стенку в том месте, где приходится узел, то высота звука не должна измениться. Опыт это действительно и оправдывает. Опытная проверка законов звучания труб может быть также произведена при посредстве манометрических огоньков Кёнига (см.). Если манометрическая коробка, закрытая со стороны трубы перепонкой, приходится около узла, то колебания газового пламени будут наибольшими; около пучностей пламя будет неподвижно. Наблюдать колебания таких огоньков можно посредством движущихся зеркал. Для этой цели, напр., употребляется зеркальный параллелепипед, приводимый во вращение помощью центробежной машины; в зеркалах при этом будет видна светлая полоса; один край которой будет представляться зазубренным. 3) Закон обратной пропорциональности высоты тона и длины трубы (длинной и узкой) был известен с давних пор и проверяется легко. Опыты показали, однако, что закон этот не вполне точен, в особенности для широких труб. Так Массон (1855) показал, что в длинной бернуллиевой, составной флейте при звуке, соответствующем полудлине волны в 0,138 м., воздушный столб разделяется действительно на такие именно части с длиной в 0,138 м., исключая той, которая прилегает к амбушюре, где длина оказалась всего 0,103 м. Также и Кениг нашел, напр., для одного частного случая расстояния между соответствующими пучностями в трубе (начиная с амбушюры) равными 173, 315, 320, 314, 316, 312, 309, 271. Здесь средние числа почти одинаковы, они мало отступают от среднего значения 314, тогда как 1 -я из них (около амбушюры) отличается от среднего на 141, а последнее (у отверстия трубы) на 43. Причина таких неправильностей или пертурбарций на оконечностях трубы заключается для амбушюры в том, что упругость и плотность, вследствие вдувания воздуха, не остаются вполне постоянными, как это предполагается в теории для пучности, а для свободного отверстия открытой трубы, вследствие той же причины, колеблющийся воздушный столб как бы продолжается или выступает за края стенок наружу; последняя пучность поэтому будет приходиться уже вне трубы. И в закрытой трубе у заслонки, если она поддается сама колебаниям, должны происходить пертурбации. Вертгейм (1849—51) на опыте убедился, что пертурбации у концов трубы не зависят от длины волны. Пуассон (1817) впервые дал теорию таких пертурбаций, приняв, что малые сгущения воздуха пропорциональны скорости. Затем Гопкинс (1838) и Кэ (1855) дали более полные объяснения, приняв в расчет многократные отражения на оконечностях трубы. Общий результат этих исследований таков, что для открытой трубы, вместо равенства
L
=
n λ
/
2,
надо взять
L
+
l
=
n λ
/
2
, a для закрытой трубы
L
+
l’
= (
2n
+
1
)
λ
/
4.
Следовательно, при расчете длина
L
трубы должна быть увеличена на постоянную величину (
l
или
l’
)
.
Самая полная и точная теория звучащих труб дана Гельмгольцем. Из этой теории вытекает, что поправка у отверстия равна 0,82
R
(
R —
радиус сечения трубы) для случая узкой открытой трубы, сообщающейся отверстием с дном очень широкой трубы. По опытам Райлея (lord Rayleigh) такая поправка должна быть 0,6 R, если отверстие узкой трубы сообщается со свободным пространством и если длина волны весьма велика сравнительно с диаметром трубы. Бозанке (1877) нашел, что эта поправка увеличивается вместе с отношением диаметра к длине волны; так напр. она равна 0,64 при
R
/
λ
= 1/12 и 0,54 при
R
/
λ
= 1/20. Других результатов достиг из своих уже упомянутых опытов и Кёниг. Он заметил, именно, что укорочение первой полудлины волны (у амбушюры) становится меньше при высших тонах (т. е. при более коротких волнах); менее же значительное укорочение последней полуволны мало при этом изменяется. Кроме того, многочисленные опыты были произведены с целью исследовать амплитуды колебаний и давление воздуха внутри труб (Кундт — 1868, Теплер и Больцман — 1870, Mach — 1873). Несмотря, однако, на многочисленные опытные исследования, вопрос о звучащих трубах нельзя еще считать окончательно выясненным во всех отношениях. — Для широких труб, как уже сказано было, законы Бернулли совсем не применимы. Так Мерсенн (1636), взяв между прочим две трубы одинаковой длины (16 см.), но различных диаметров, заметил, что в более широкой трубке (
d
= 12 см.) тон был ниже на 7 целых тонов, нежели в трубе с меньшим поперечником (0,7 см.). Мерсенн же открыл закон, касающийся подобных труб. Савар подтвердил для труб самых разнообразных форм справедливость этого закона, который формулирует так: в подобных трубках высоты тонов обратно пропорциональны соответствующим размерам труб. Так напр. две трубы, из которых одна в 1 фт. длины и 22 лин. в диаметр, а другая 1/2 фт. длины и 11 лин. диаметра, дают два тона, составляющих октаву (число колебаний в 1″ второй трубы в два раза более, нежели для 1-ой трубы). Савар (Savart, 1825) кроме того, нашел, что ширина прямоугольной трубы не оказывает влияния на высоту тона, если щель амбушюры идет во всю ширину. Кавалье-Колль (Cavaill é -Coll) дал следующие поправочные эмпирические формулы для открытых труб: 1)
L’
=
L

2p
, причем
р
глубина прямоугольной трубы. 2)
L’
=
L
— 5/3
d
, где
d
диаметр круглой трубы. В этих формулах
L
=
v’N
есть теоретическая длина, а
L’
действительная длина трубы. Применимость формул Кавалье-Коль в значительных пределах доказана исследованиями Вертгейма. Рассмотренные законы и правила относятся к флейтовым или мундштуковым О. трубам. В
язычковых трубах
узел приходится у отверстия, периодически закрываемого и открываемого упругой пластинкой (язычком), тогда как в флейтовых трубах у отверстия, через которое вдувается струя воздуха, находится всегда пучность. Поэтому язычковая труба соответствует закрытой флейтовой трубе, у которой также на одном конце (хотя и на другом, чем у язычковой) приходится узел. Причина того, что узел находится у самого язычка трубы, заключается в том, что в этом месте происходят наибольшие изменения упругости воздуха, что и соответствует узлу (в пучностях, напротив, упругость постоянна). Итак, цилиндрическая язычковая труба (подобно закрытой флейтовой) может давать последовательный ряд тонов 1, 3, 5, 7…., если длина ее находится в надлежащем соотношении с быстротой колебания упругой пластинки. В широких трубах такое соотношение может и не строго соблюдаться, но за некоторым пределом несоответствия труба перестает звучать. Если язычок составляет металлическая пластинка, как в органной трубе, то высота тона обусловливается почти исключительно его колебаниями, как уже об этом говорилось. Но вообще высота тона зависит как от язычка, так и от самой трубы. В. Вебер (1828—29) подробно изучил эту зависимость. Если на язычок, открывающийся внутрь, как обыкновенно в О. трубах, наставить трубу, то тон вообще понижается. Если, постепенно удлиняя трубу, причем тон понизится на целую октаву (1:2), мы достигнем такой ее длины
L
, которая вполне соответствует колебаниям язычка, то тон сразу повысится до прежнего своего значения. При дальнейшем удлинении трубы до
2L
тон снова станет понижаться до кварты (3:4); при
2L
опять сразу получится первоначальный тон. При новом удлинении до
3L
звук понизится на малую терцию (5:6) и т. д. (если устроить язычки, открывающиеся наружу, подобно голосовым связкам, то наставленная на них труба будет повышать соответствующий им тон). — В деревянных муз. инструментах (кларнете, гобое и фаготе) употребляются язычки; состоящие из одной или двух тонких и гибких тростинок. Эти язычки сами по себе издают гораздо более высокий звук, чем тот, который вызывается ими в трубе. Язычковые трубы надо рассматривать, как трубы закрытые со стороны язычка. Поэтому в цилиндрической трубе, как в кларнете, последовательных тонов при усиленном вдувании должно быть 1, 3, 5, и т. д. Открывание же боковых отверстий соответствует укорочению трубы. В конических трубах, закрытых у вершины, последовательность тонов такая же, как и у открытых цилиндрических труб, т. е. 1, 2, 3, 4 и т. д. (Гельмгольц). Гобой и фагот принадлежат к коническим трубам. Свойства язычков третьего рода, перепончатых, можно изучать, как это делал Гельмгольц, при посредстве простого прибора, состоящего из двух резиновых перепонок, натянутых на срезанные вкось края деревянной трубки, так чтобы между перепонками посреди трубы оставалась узкая щель. Ток воздуха можно направить через щель снаружи внутрь трубки или обратно. В последнем случае получается подобие голосовым связкам или губам при игре на медных духовых инструментах. Высота звука при этом обусловливается, вследствие мягкости и гибкости перепонок, исключительно размерами трубы. Медные инструменты, как охотничий рог, корнет с пистонами, валторна и др. представляют конические трубы, а потому они дают естественный ряд высших гармонических тонов (1, 2, 3, 4 и т. д.). Устройство органа — см. Орган.

Н. Гезехус.

Оглавление

Спиральная труба — мощная звуковая колонка

Каталог

Рубрика: Поделки для авто

Закрываем ящик

До недавнего я довольно много читал в интернете о «спиральных рогах», и решил, что мог бы сам проверить это устройство, сделав «доказательство задумки»:

  1. Убедиться, соответствует ли фактический результат симуляциям.
  2. И действительно таки результат стоит того.

Итак, загрузив копию HornResp (приложение, которое, по-видимому, является лучшей утилитой, доступной онлайн для проектирования колонок) и пытаясь выполнить различные настройки, используя запасной динамик, который был под рукой, я пришел к окончательному решению, известному как «спиральная труба».

Сначала, несколько определений, которые помогут немного прояснить ситуацию…

«Спиральный рог» — это, в основном рог, который физически состоит из динамика, установленного в верхней части на выходе, а не в горле, как это обычно бывает. Достоинствами такой конфигурации являются повышенная чувствительность на низах (намного меньшая зависимость от размера рта) и меньшая коробка по сравнению с истинным рогом того же частотного диапазона. Недостатком спирального рупора является более низкая чувствительность и мощность по сравнению с истинным рогом того же частотного диапазона из-за увеличенного дребезга динамика в полосе пропускания.

«Спиральная труба» — это, в основном спиральный рог, у которого поперечное сечение канала остается постоянным от горла до рта. Одним из первых примеров использования трубы является «Jensen Transflex», информацию о которой можно найти в любом месте Интернета. Закрученные трубы немного проще в сборке, чем рога, из-за одинакового поперечного сечения, но возможность «подогнать» отзывчивость за счет изменения поперечного сечения теряется.

Этап проектирования

Поскольку это будет «доказательством задумки» и, скорее всего, пойдет в кучу отходов, я решил использовать один из динамиков, который валялся дома, а не покупать конкретный динамик для проекта. Целью процесса проектирования является приведение в действие спиральной трубы, максимально расширяющей нижний частотный диапазон, при этом максимально возможная верхняя частота должна быть как можно выше 80 Гц. Также учитываются кривизна и размеры ящика — мы не хотим, чтобы у нас в итоге получилась коробка на 340 литров с мощностью в 0.5 Вт!

Тест-драйв

Свободный динамик, который я использовал для своего исследования, является одним из фирменных устройств Pyramid W61, что остался после использования в моем 4-полосном низкочастотном сабвуфере «El Uglito». Я измерил параметры с помощью своего WT3 и пришел к следующему:

Vas 24.6 литров(0.87 кв. фунта)
Qes 0.64
Qts 0.51
Fs 53.5 Hz
Le 0.19 mH
Re 3.55 Ohms
Sd 129.84 см2
Cms 1.02*10^-3
Mmd 7.82 g
BL 4.02 Tm
Xmax 3 mm (почти)

Поиграв в HornResp какое-то время, я дошел до спиральной трубы со следующими характеристиками:

S1 = S2 = S3 = S4 = 290 см2 (поперечное сечение трубы)

L12 = L34 = 11 см (расстояние от динамика до рта рога/горла)

L23 = 177 см (длина рога, без учета L12 и L34)

Общая длина трубы составляет 177 + 11 + 11 = 199 см. Чтобы преобразовать все в реальный ящик, я разделил общую длину на четыре, затем решил, какие размеры будут иметь поперечное сечение 290 см2 для каждого отделения (здесь я сделал свою первую ошибку — этот подход фактически приводит к постройке трубы, длина которой будет меньше проектной, поскольку не учитывается влияние соединений в 180 градусов в конце каждого отдела).

В HornResp предполагается, что частотная характеристика такой спиральной трубы будет выглядеть следующим образом:

1-2

График дает предположение, что частотная характеристика будет по существу неизменной между 43 Гц (длина трубы равна 1/43 длины волны этой частоты) и чуть выше 100 Гц. Небольшой пик на частоте 135 Гц сопровождается огромным провалом, но все это происходит значительно выше 80 Гц — обычно верхней частотной границе для бас-динамика или сабвуфера. «Мусор» свыше 200 Гц в принципе может быть проигнорирован — я уверен, что стыки спиральной трубы окажут радикальное влияние на частотную характеристику до этого момента.

После сборки размер коробки достигает примерно 68 литров, что довольно много для одного 6,5-дюймового динамика. С другой стороны, в этом ящике должно быть много места для установки динамика без чрезмерного уменьшения поперечного сечения трубы.

Сборка

Следующие фотографии отображают этапы строительства моего «доказательства задумки».

2-23

  1. Все панели вырезаны и готовы к сборке. Для изготовления этих панелей потребовалось около половины листа 1200 x 2400 мм, толщиной 19 мм.

3-25

  1. Складываем первые две панели вместе. Я начал с лицевой панели (лежит лицом вниз, а сверху одна из внутренних панелей).

4-22

  1. Прикрепляем третью панель. Это та самая, которая в конечном итоге будет держать динамик.

5-2

  1. Прикрепляем четвертую панель (которая идентична второй панели). Путь, который воздух проделывает за стенкой, должен быть идентичен наружному, что ясно из этих двух фотографий.

6-1

  1. Прикрепляем нижнюю часть.

7-1

  1. Крепим заднюю панель.

8-1

  1. Крепим одну из боковых панелей и верхнюю часть. Теперь внутренняя структура трубы просматривается довольно четко.

9-1

  1. Закрываем ящик. Вместо того, чтобы на всегда запечатать коробку, я решил применить соединение саморезами и проложил тонкую полоску уплотнительной ленты для обеспечения герметичности уплотнения. Что позволит разобрать ящик в будущем, если я захочу добавить какую-либо начинку или иным образом изменить параметры колонки.

Эта фотография должна дать хорошее представление о размере готовой коробки. Здесь спиральная труба находиться рядом с моим сабвуфером ACI SV10. Довольно большая коробка для 6.5-дюймового динамика. По сравнению с колонкой прямого действия, размер, безусловно, не является одним из преимуществ спиральной трубы. В наши дни большой динамик и дешевый усилитель, возможно, легче и лучше поставить в колонку прямого сглаживания для домашнего кинотеатра, если нет особых причин, из-за которых вы захотите попробовать одну из высокоэффективных колонок, например, спиральную трубу, а также есть свободное пространство (или одобрение вашего супруга на его использование).

Результаты

Ниже приведены измеренные результаты, при этом труба не зашумлена.

11-1

Выше приведен измеренный частотный отклик неотлаженной системы без обивки демпфирующим материалом. Поскольку я управляю спиральной трубой, используя канал сабвуфера на моем усилителе, звуковое давление также включает эффекты активного фильтра низких частот 12 дБ, 100 Гц. Зеленым цветом представлено теоретическое звуковое давление, предсказанное HornResp. Поскольку я получил трубу неправильной длины, есть удар при 53 Гц, которого нет в расчетах HornResp. Позже я обнаружил небольшой пропуск вокруг динамика, который мог объяснить странный провал и скачок чуть ниже 20 Гц. В противоположность этому, имеется довольно хорошая корреляция свыше 100 Гц, особенно учитывая влияние фильтра низких частот 100 Гц. Из измеренных результатов видно, что HornResp дал неплохое предсказание частотной характеристики системы с хорошей корреляцией до ~ 300 Гц.

12-1

Выше приведен отклик импеданса системы. Зеленая полоса — это отклик, предсказанный HornResp. Опять же, подозреваю, что оно немного отличается, потому что я неправильно понял расчет длины трубы, а ещё небольшой пропуск мог привести к тому, что пики низких частот являются немного меньшими, чем ожидалось. Интересно отметить, что, не смотря на отклонение первой волны, пики остальной части импедансного отклика очень близки по частоте, хотя амплитуда заметно занижена (вероятно, из-за потерь).

Ниже приведены результаты измерений, на этот раз первые два участка трубы частично набиты полиэстерным волокном.

13-1

Выше приведенный измеренный частотный отклик системы, как сказано выше, является зашумленным. Хотя поведение самых низких частот осталось приблизительно таким же, верхняя часть характеристики существенно изменилась. Пика и провал между 120 и 200 Гц полностью исчезли. Опять же, поскольку я управляю подключенной трубой, используя канал сабвуфера моего усилителя, отклик также учитывает эффекты активного фильтра низких частот 12 дБ, 100 Гц. Тем не менее, звуковое давление свыше 100 Гц более плавное судя по характеристике, чем отклик незашумленной трубы. Звучит лучше!

1410

Выше представлена частотная характеристика зашумленной системы по сравнению с пустой трубой. Сглаживание верхней части характеристики легко прослеживается здесь. И похоже, что на этот раз я правильно посадил динамик — реакция на нижнем крае заметно улучшилась.

154

Выше приведен отклик импеданса зашумленной системы. Пики и провалы теперь немного ниже, чем предположения HornResp (зеленая линия), а их величины значительно отличаются — этого следовало ожидать, поскольку набивка вызывает затухание.

165

На приведенном выше графике сравнивается импедансный отклик зашумленной системы (красная линия) и пустой трубы (синяя линия). Пики и провалы как видно сместились немного вниз. Это говорит о том, что резонансные частоты системы были смещены вниз после добавления набивки.

Выводы
  1. Нужно быть более осторожным при вычислении общей длины трубы в следующий раз. Похоже, я отклонился на несколько сантиметров, основываясь на импедансной и частотной характеристике незашумленной системы, которая показывает рельеф возле 50 Гц, а не гладкую и плоскую полосу пропускания от 40 Гц. Импедансный отклик также кажется сдвинутым немного вверх на самых низких частотах.
  1. Даже не думайте делать что-то подобное, если вы собираетесь использовать фильтр низких частот 24 дБ в полосе пропускания или планируете повлиять на звуковое давление вне диапазона другим способом. Внеполосной «хеш» действительно украшает звук этого сабвуфера.
  1. Набивку следует рассматривать как обязательную часть этого проекта. Набивка оказывает существенное влияние на частотах свыше 100 Гц, сглаживая звуковое давление. Уплотнения только половины трубы достаточно, чтобы ощутить значительную разницу.
  1. При использовании колонки такого типа наблюдается заметное увеличение выходной мощности на низких частотах. Звуковое давление изо рта спиральной трубы ощущается рукой, чего сам по себе маленький 6.5-дюймовый динамик сделать не может. Это впечатляет, но выходная мощность ограничена возможностями динамика.
  2. Похоже, HornResp неплохо предсказывает частотную характеристику трубы, особенно в полосе пропускания. За полосой пропускания отклик начинает отличаться, но это, скорее всего, связано с эффектом смятия при работе системы.
  1. Из некоторых импровизированных тестов прослушивания, зашумленная труба, после набивки, имеет легкий и неограниченный звук, вплоть до пределов динамика. Кроме того, бывает не просто определить пределы динамика.
  1. Хотя размеры трубы малы по сравнению с рогом аналогичного частотного диапазона, но она по-прежнему является большой в сравнении с простой герметичной или вентилируемой колонкой с тем же динамиком. Внутренний объем моей коробки «доказательства задумки» составляет около 68 литров — чего достаточно для установки 10-дюймового динамика с хорошей вентиляцией, обеспечивающей лучшую производительность и более низкую отсечку. Этот 10-дюймовый динамик, скорее всего, потребует намного большей мощности и успокоения, так что, вряд ли будет способен на 92 dB / 1W / 1M при 50 Гц.

Из проведенной работы и результатов видно, что лучшим динамиком для спиральной трубы может быть один со следующими характеристиками:

  • Fs = 45-55 Гц: для спиральной трубы или рога характеристика Fc, определяющая длину канала, склонна быть где-то около 0.7 * Fs. Если вы выберете динамик с низким Fs, то длинный рог может оказаться непрактичным.
  • Qts = 0,45 ~ 0,55: Q динамика определяет ширину частот, но, похоже, трудно получить гладкую полосу пропускания, когда Q намного больше 0,5.
  • Средний Vas: если Vas слишком низкий, поперечное сечение трубы становится слишком маленьким, остается мало места для установки динамика. Конечно, если Vas слишком высокий, коробка получится очень большой.
Окончательное решение

Динамик Dayton 8-дюймовый II серии является точно не лучшей заменой тестового динамика с точки зрения параметров, влияющих на частотные характеристики спиральной трубы, но он теоретически способен значительно увеличить уровень звукового давления (SPL) за счет больших Sd и Xmax.

Автор: Виталий Петрович, Украина Лисичанск.

Рекомендуем:

Читайте также:  Мои первые сутки с музыкой в формате MQA
Оцените статью
Добавить комментарий