揚聲器設計

三星采用仿真技術改善揚聲器設計

2019年 7月 29日

當你聽到三星這個名字時,你可能會想到智能手機和電視機。然而,三星還有一個目標是成為排名第一的音響公司。為此,三星美國研究中心聲學主管 Allan Devantier 在加州建立了三星音頻實驗室。他組建了一個工程技術團隊,他們的專長包括傳感器、數字聲音處理(DSP)、聲學、編程等——但這個難題還有另外一個方面……

開發揚聲器:“單聲道”與“立體聲”方法

如果你問一個音響發燒友喜歡單聲道 還是立體聲?系統,他們會讓你聽一整天。先不談細節,單聲道系統只有一個聲道,這限制了它的功能,而立體聲系統有多個聲道,可以通過多個揚聲器并行播放多個聲源,從而產生更好的聲音體驗。我們可以用類似的類比來描述揚聲器的開發過程。
“單聲道”開發需要設計一個僅使用一個通道的揚聲器,無論該“通道”是否滿足以下條件:

  • 原型制作是測試設計的唯一方法
  • 在復雜系統的仿真中觀察單一物理場
  • 為其他團隊成員運行分析的唯一工程技術人員

另一方面,“立體聲”揚聲器開發過程涉及并行工作的多個互連源:

  • 重復仿真、原型制作、測試和驗證
  • 分析聲學、電磁學和振動的多物理場分析
  • 一個帶來各種專業知識的團隊

顯示單聲道和立體聲揚聲器開發差異的信息圖。
三星音頻實驗室的開發團隊將他們的周期從“單聲道”轉向“立體聲”的一個方法是在他們的團隊中增加一個仿真工程技術人員。2014 年,Andri Bezzola 作為一名專門從事仿真和數值分析的工程技術人員加入進來。Devantier 將仿真工程技術人員描述為“將所有人聚集在一起的粘合劑”。

 

我們參觀了三星音頻實驗室,了解他們如何使用多物理場仿真、建模和 App 來開發揚聲器和其他音頻產品。在這個視頻中聽(并看?。┧邢嚓P內容……

揚聲器和音箱帶來許多設計挑戰

隨著電視機變得越來越薄,電視機內部的揚聲器需要設計得越來越小。這與傳統觀念形成了鮮明對比,傳統觀念認為大音量需要大型揚聲器。(然而,卓越的性能與最小尺寸同樣重要。)三星如何平衡這些需求?

開發揚聲器設計時,有一些問題會影響音質。作為音頻領域的新手,Andri 必須先學習音頻工程和聲學,然后才能運用他的仿真專業知識來解決這些問題。

頻率響應

你的揚聲器聲音有沒有聽起來刺耳、嗡嗡作響或者發鈍(想一想拿著一張空紙巾卷到嘴邊說話會是什么聲音)?如果是這樣,由于揚聲器的次優頻率響應,音質會下降。

良好的頻率響應會產生自然、平坦且更令人愉悅的聲音。為了確保聲音符合標準,我們可以通過電子器件(如 DSP)和揚聲器設計(Bezzola 使用仿真來分析)的組合來控制頻率響應。

聲音分布不均勻

你有沒有在和一群朋友一起看電影時注意到有些人聽得很清楚,而有些人幾乎聽不清對話?當電視機的揚聲器不均勻地將聲音發散到房間時,就會產生這種效果。這被稱為揚聲器的輻射方向圖或空間響應。
顯示從揚聲器傳入房間的聲音分布的圖。
揚聲器應該將聲音均勻地發散到房間,這樣無論你是否坐在聲音“最佳位置”都能體驗高品質聲音。與頻率響應不同,這一因素只能通過揚聲器機械部件(如波導)的設計來控制。Bezzola 通過使用仿真來應對這一挑戰,不僅可以確定波導的設計,還可以確定波導的最佳聲音分布位置。

刺耳的效果

揚聲器的非線性會導致聲音過于刺耳。遺憾的是,揚聲器本質上是非線性的。

當音圈在揚聲器內部移動時,它在每一步和每一個位置都與不同的磁場相互作用。為了研究這種非線性效應,Bezzola 模擬了揚聲器的不同位置,假設音圈固定在那個位置,并對每個位置運行線性仿真(他稱之為“偽非線性仿真”)。

然而,這種策略并未給出完整的分析結果,原因是,隨著音圈的移動,它會產生自己的磁場,該磁場與磁體產生的磁場相互作用。為了考慮這種現象,需要進行全耦合的磁仿真?!斑@需要更長的時間來解決,”Bezzola 說,“但會讓我們更好地了解非線性如何相互影響?!?/p>

這聽起來(一語雙關)需要大量工作,但是平衡的揚聲器提供良好的聲音和輕薄的低音——這是一種愉悅的聆聽體驗。

打出本壘打的產品開發周期

Bezzola 喜歡把揚聲器設計工作流程想象成棒球比賽。解析解決方案讓三星步入了正軌:這是一個良好的開端,但只是近似值,這是因為它們僅適用于完美的形狀。Bezzola 說:“我們使用數值仿真進入球場并開始比賽,”因為仿真可以分析詳細的組件和操作場景。最后,優化使三星打出本壘打,擊敗競爭對手。正如 Bezzola 所說,他能夠“彌補仿真分析的最終細節,以獲得最佳聲音?!?/p>

通過多物理場仿真獲勝

Bezzola 通過仿真分析揚聲器的各個組件(如波導、外殼和傳感器)以及整個設備。他的一些分析側重于單一物理現象,而另一些分析則包括多物理場相互作用,例如揚聲器的振膜(結構)與聲壓(空氣)之間的相互作用。

正如 Bezzola 所說,“揚聲器本質上是一種多物理場設備。電磁體產生磁場,耦合到音圈,音圈移動結構膜,從而導致聲波在空間中傳播?!癈OMSOL Multiphysics? 軟件是一個多物理場仿真工具,用于執行多組件和多物理場分析?!霸?COMSOL Multiphysics 中結合物理場是無縫集成的,”Bezzola 說,“所以你不必擔心耦合問題?!?/p>

由于涉及多個組件和物理場,Bezzola 經常要關注多個結果參數,一天觀察聲學響應,第二天觀察結構響應。在對結果進行后處理時,Bezzola 意識到整個解決方案是在 COMSOL Multiphysics 中自動提供的——你無需在運行仿真之前對其進行定義。

測試和驗證才意味著開發過程的完結

成功的多物理場分析并不是開發過程的終點。三星音頻實驗室有兩個消聲室,開發團隊用它來測試原型。自由場腔室四周都有泡沫楔,用于測量揚聲器原型,這些原型幾乎適用于任何遠離墻壁位置的揚聲器,比如放在書架上的音箱或便攜式揚聲器。

另一個腔室的一側有堅固的壁,用于模擬壁掛式電視機的環境。在這些操作場景中,墻壁實際上會影響設備的音質,因此測試揚聲器在這種環境中的性能非常重要。

在消聲室內測試的音箱原型圖片。
實心壁消聲室圖片。

左:在自由場消聲室中測試的音箱。右圖:實心壁消聲室用于測試安裝在墻壁上的揚聲器。照片是在加州三星音頻實驗室拍攝的,經三星許可發布。

消聲室使 Bezzola 能夠驗證他的仿真結果,這是因為兩種測試方法都嘗試創造理想化的條件。這些腔室還用于對原型進行獨立分析,并確定房間對揚聲器的影響。

消聲測試還可以確定揚聲器用聲音照亮房間的亮度(由波導元件控制)。如果你認為聲音像光,那么揚聲器可以是燈泡或手電筒。在低頻時,揚聲器將聲音傳播到任何地方(就像燈泡發出的光,被認為是全向的),而在高頻時,揚聲器以窄波束形式傳播聲音(就像手電筒,被認為具有高指向性)。消聲室測試可以表明揚聲器在燈泡和手電筒現象之間的過渡。

低頻下揚聲器的 SPL 圖。
高頻下揚聲器的 SPL 圖。

左:低頻聲壓級(SPL)(燈泡)。右:高頻聲壓級(手電筒)。

共同努力

隨著時間的推移,Bezzola 意識到團隊中的傳感器工程技術人員總是不斷向他尋求仿真分析幫助,他決定做點什么。他使用 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發器”從他的傳感器模型中構建專門的仿真 App,其他工程技術人員可以使用這些 App 來運行日常計算,而無需求助于 Bezzola。
傳感器工程技術人員使用仿真 App 的照片。
在傳感器 App 中,Bezzola 僅設計了一定數量的按鈕和輸入。這樣,工程技術人員(其中大多數人沒有使用傳統仿真軟件的經驗 )只需要點擊幾個預設項即可獲得所需的結果。另一個好處就是 Bezzola 有更多的時間投入新項目。

三星用于設計揚聲器、音箱和其他音頻產品的系統方法結合了建模、優化、原型制作和測試,還結合了音頻、機械和仿真工程技術人員的專業知識和經驗。

三星音頻實驗室的未來聽起來?很光明

將仿真引入揚聲器設計工作流程有助于三星優化其核心產品組,比單獨使用原型制作更快、更具成本效益?!芭c傳統的設計周期相比,我們可以通過仿真減少大量的時間和原型制作次數,”Bezzola 說。從 Devantier 的角度來看,仿真帶來了團隊原本不會嘗試的新想法:“三星音頻實驗室認為仿真是其在音頻市場中發展的一種方式?!?/p>


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