為家庭影院系統開發超薄杜比全景聲揚聲器技術

三維環繞聲技術可以為消費者創造優質且身臨其境的沉浸式音頻體驗??偛课挥诿绹永D醽喼菖f金山的杜比實驗室是這項技術開發的行業領先者。最近,他們在聲學仿真的幫助下開發了極具創新性的電視三維環繞聲技術。


By Rachel Keatley
2021 年 1 月

雨滴濺落在葉面上,巨嘴鳥在遠處嘰喳鳴叫,沙沙作響的聲音充斥在左耳邊,你循聲望去,看見一只美洲虎正緊緊盯著你……

聽起來好像你正在亞馬遜雨林中跋涉,但實際上你只是坐在客廳里看電影。三維環繞聲技術通過創造最佳的音景,可以將觀眾完全融入電視屏幕內的故事中,增強人們體驗家庭娛樂的方式。

隨著數字技術與真實世界的不斷融合,越來越多的消費者期望從家庭影院系統中獲得這種令人難忘又逼真的音頻體驗。杜比實驗室——創新音頻系統和技術的領先開發者,正通過他們的杜比全景聲?音頻格式將 3D 多維度音頻技術帶給家庭娛樂。

2014 年,杜比實驗室推出了用于家庭影院系統的杜比全景聲揚聲器(Dolby Atmos?enabled speaker,DAES)技術,并隨后將這項技術擴展應用于其條形(也稱為回音壁)音響產品?,F在,為了突破沉浸式家庭音頻技術的限制,他們正在開發用于電視的杜比全景聲揚聲器技術。

杜比全景聲揚聲器技術原理

為了再現逼真的高空音效,杜比全景聲揚聲器技術采用向上發射聲場的揚聲器設計,將聲音向上輻射至天花板再反射回來,如圖 1 所示。他們在揚聲器上應用了感知過濾,以增強消費者的高度感知,使其能夠感知到聲音是源自天花板上的反射點,而不是揚聲器的實際位置?!叭绻褂脗鹘y的電視揚聲器,你會聽到從電視揚聲器發出的聲音;而使用杜比全景聲反射式電視揚聲器,你會聽到來自天花板的高空音效?!倍疟葘嶒炇腋呒壱繇懴到y和傳感器工程師 Lakshmikanth Tipparaju 說道。

A Dolby Atmos enabled height channel speaker is located in front of a person sitting on a couch, labeled listener, and the sound is illustrated in blue going from the top of the speaker, to the ceiling, and then bouncing down toward the listener. Sound radiates upward
圖1 常規(大尺寸)高聲道揚聲器示意圖。

設計超薄電視揚聲器的挑戰

如果你經常關注最新的消費類電子產品,你可能已經注意到電視機正逐年變得更加時尚和纖薄。電視機的纖薄設計限制使得其杜比全景聲揚聲器設計變得困難。原因何在?因為電視設計越來越緊湊,對于與邊界表面緊密耦合的、向上發射聲場的揚聲器振膜,其可用的形狀和空間受到電視機厚度的限制越來越多,從而導致狹窄的高聲道頂部信息。

設計能夠提供大范圍最佳聽音點覆蓋區域的纖薄杜比全景聲電視揚聲器是一項關鍵挑戰?!白罴崖犚酎c覆蓋區域是指我們可以始終如一地感知到高聲道頂部信息的位置。當我們離開最佳聽音點覆蓋區域時,頂部信息就會受損?!?Tipparaju 說道。

為了設計足夠薄又可以裝在現代電視中,并能提供較大最佳聽音點覆蓋范圍的杜比全景聲揚聲器,杜比實驗室選擇了聲學仿真。Tipparaju 認為,仿真技術的主要優勢在于,可以在他構建和測試實際的物理原型之前評估新設計揚聲器的性能,從而節省了寶貴的時間和資源。

聲學有限元分析和邊界元分析

為了優化最佳聽音點覆蓋區域,Tipparaju 使用 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件進行了聲學仿真,探索了向上發射聲場揚聲器的幾種不同的設計理念。

Tipparaju 表示:“剛開始,我們制造了一個 2 英寸(5.08 cm)厚的揚聲器?!保藴实臈l形音箱的厚度約為 5 英寸或 12.7 cm。)總體而言,它的視聽效果非常逼真,但我們希望使我們的設計更具競爭力?!?經過進一步的市場研究,Tipparaju團隊決定開發一種厚度為 1 英寸(2.54 cm)的杜比全景聲揚聲器。為了滿足超薄設計的限制,他們在揚聲器的設計中加入了超薄微型換能器(90 mm×15 mm)。此外,他們還在揚聲器的設計中增加了一個聲反射器,將聲能再次傳遞向天花板以提高效用。最終,他們在探索中優化了揚聲器的最佳聽音點覆蓋區域。

The model geometry of a slim height speaker with annotations at three angles: +90, 0, and -90 degrees. Slim height speaker model geometry
圖2 具有集成聲反射器的超薄揚聲器,指向性評估平面。

借助 COMSOL Multiphysics? 多物理場軟件的附加產品——聲學模塊的聲學有限元法(FEM)和邊界元法(BEM)功能,Tipparaju 團隊對聲反射器的結構進行了拓撲優化,創建了非對稱輻射模式,以使沿著天花板方向(0° 到 +90°)的能量分布最大化,并充分減弱直接到達聽眾方向(0° 到 -90°)的聲能,如圖2所示。

The asymmetric radiation pattern for a speaker with an acoustic reflector at different angles, from -90 to +90 degrees, visualized in rainbow with wider bands of color. SPL plot for speaker with integrated reflector
The asymmetric radiation pattern for a speaker without acoustic reflector at different angles, from -90 to +90 degrees, visualized in rainbow with narrower bands of color. SPL plot for speaker without reflector
圖3 帶有集成反射器的超薄揚聲器(左)和不帶反射器的常規超薄揚聲器(右)的垂直平面指向性仿真比較。圖中顯示出帶有反射器的揚聲器對天花板反射具有更大的覆蓋范圍。

團隊通過有限元研究,基于自由場中的垂直平面指向性對聲反射器的拓撲結構進行了優化;同時,他們在考慮了電視面板的集成限制和天花板反射的情況下,通過邊界元分析對聲反射器的定向響應優勢進行數值評估?!拔覀円_保在聽眾位置周圍有統一的高聲道范圍覆蓋,” Tipparaju 表示,“通過仿真評估沿天花板方向的聲壓分布非常重要,因為這有助于確定最佳的左右揚聲器模塊間距和換能器架構?!?/p>

A 2D graphic in black and white represents a Dolby product and a rainbow multislice plot shows the sound pressure level in dB around it. Multislice plot
圖4 使用 COMSOL Multiphysics® 軟件的多切面繪圖功能繪制在 10kHz 的聲壓級(SPL)分布。

在建模過程中,杜比實驗室還考慮了不同天花板高度的邊界條件。Tipparaju 說:“美國典型的天花板高度大約為 8-12 英尺(12-30 cm),我們實際評估了不同高度條件下的揚聲器響應?!?/p>

使用近場掃描儀驗證結果

基于仿真結果,Tipparaju 團隊創建了帶有集成聲反射器的超薄高聲道揚聲器的物理原型,用于測試和驗證結果。

Two real prototypes shown side-by-side: both are black and cylindrical; the left one is an ultrathin microtransducer and the right one is an ultrathin DAES. Prototypes
圖5 超薄微型換能器的原型(左)和厚度為1英寸(2.54 cm)的超薄杜比全景聲揚聲器(右)。

經 Klippel 近場掃描儀(NFS)測量系統得到的實驗結果,驗證了有限元研究獲得的自由場聲壓結果。Tipparaju 說:“使用近場掃描儀的好處是,我們可以在任意給定的空間或房間中進行快速 3D 消聲聲學測量?!?/p>

總體而言,杜比實驗室最終確定集成聲反射器可以顯著改善超薄高聲道揚聲器的沉浸感。為了進一步改善電視的優質沉浸式音頻體驗,杜比實驗室目前正致力于將聲反射器技術擴展應用到側發射環繞電視揚聲器中。

沉浸式音頻技術的未來

“我們團隊的主要目標是開發出不同的聲學硬件系統和技術,用于增加杜比全景聲技術在不同消費類電子產品的應用?!?Tipparaju 說道。未來,杜比計劃開發用于智能音箱和無線音箱的杜比全景聲揚聲器技術。

Tipparaju 表示,這將是一次有趣的冒險,因為他將需要與更緊湊的外形緊密合作,這些外形包括麥克風陣列和其他揚聲器。他計劃借助多物理場仿真來開發硬件解決方案,用于改善此類系統的沉浸式體驗。

致謝

感謝 John Stewart 經理,消費者設備優化創新團隊的同事以及杜比全景聲電視產品管理部對這項工作的支持。

——Lakshmikanth Tipparaju


注:杜比全景聲(Dolby Atmos)是杜比實驗室許可公司(Dolby Laboratories Licensing Corporation)的注冊商標。