三星采用仿真技术改善扬声器设计

Brianne Christopher 2019年 7月 29日

当你听到三星这个名字时,你可能会想到智能手机和电视机。然而,三星还有一个目标是成为排名第一的音响公司。为此,三星美国研究中心声学主管 Allan Devantier 在加州建立了三星音频实验室。他组建了一个工程技术团队,他们的专长包括传感器、数字声音处理(DSP)、声学、编程等——但这个难题还有另外一个方面……

开发扬声器:“单声道”与“立体声”方法

如果你问一个音响发烧友喜欢单声道 还是立体声 系统,他们会让你听一整天。先不谈细节,单声道系统只有一个声道,这限制了它的功能,而立体声系统有多个声道,可以通过多个扬声器并行播放多个声源,从而产生更好的声音体验。我们可以用类似的类比来描述扬声器的开发过程。
“单声道”开发需要设计一个仅使用一个通道的扬声器,无论该“通道”是否满足以下条件:

  • 原型制作是测试设计的唯一方法
  • 在复杂系统的仿真中观察单一物理场
  • 为其他团队成员运行分析的唯一工程技术人员

另一方面,“立体声”扬声器开发过程涉及并行工作的多个互连源:

  • 重复仿真、原型制作、测试和验证
  • 分析声学、电磁学和振动的多物理场分析
  • 一个带来各种专业知识的团队

显示单声道和立体声扬声器开发差异的信息图。
三星音频实验室的开发团队将他们的周期从“单声道”转向“立体声”的一个方法是在他们的团队中增加一个仿真工程技术人员。2014 年,Andri Bezzola 作为一名专门从事仿真和数值分析的工程技术人员加入进来。Devantier 将仿真工程技术人员描述为“将所有人聚集在一起的粘合剂”。

 

我们参观了三星音频实验室,了解他们如何使用多物理场仿真、建模和 App 来开发扬声器和其他音频产品。在这个视频中听(并看!)所有相关内容……

扬声器和音箱带来许多设计挑战

随着电视机变得越来越薄,电视机内部的扬声器需要设计得越来越小。这与传统观念形成了鲜明对比,传统观念认为大音量需要大型扬声器。(然而,卓越的性能与最小尺寸同样重要。)三星如何平衡这些需求?

开发扬声器设计时,有一些问题会影响音质。作为音频领域的新手,Andri 必须先学习音频工程和声学,然后才能运用他的仿真专业知识来解决这些问题。

频率响应

你的扬声器声音有没有听起来刺耳、嗡嗡作响或者发钝(想一想拿着一张空纸巾卷到嘴边说话会是什么声音)?如果是这样,由于扬声器的次优频率响应,音质会下降。

良好的频率响应会产生自然、平坦且更令人愉悦的声音。为了确保声音符合标准,我们可以通过电子器件(如 DSP)和扬声器设计(Bezzola 使用仿真来分析)的组合来控制频率响应。

声音分布不均匀

你有没有在和一群朋友一起看电影时注意到有些人听得很清楚,而有些人几乎听不清对话?当电视机的扬声器不均匀地将声音发散到房间时,就会产生这种效果。这被称为扬声器的辐射方向图或空间响应。
显示从扬声器传入房间的声音分布的图。
扬声器应该将声音均匀地发散到房间,这样无论你是否坐在声音“最佳位置”都能体验高品质声音。与频率响应不同,这一因素只能通过扬声器机械部件(如波导)的设计来控制。Bezzola 通过使用仿真来应对这一挑战,不仅可以确定波导的设计,还可以确定波导的最佳声音分布位置。

刺耳的效果

扬声器的非线性会导致声音过于刺耳。遗憾的是,扬声器本质上是非线性的。

当音圈在扬声器内部移动时,它在每一步和每一个位置都与不同的磁场相互作用。为了研究这种非线性效应,Bezzola 模拟了扬声器的不同位置,假设音圈固定在那个位置,并对每个位置运行线性仿真(他称之为“伪非线性仿真”)。

然而,这种策略并未给出完整的分析结果,原因是,随着音圈的移动,它会产生自己的磁场,该磁场与磁体产生的磁场相互作用。为了考虑这种现象,需要进行全耦合的磁仿真。“这需要更长的时间来解决,”Bezzola 说,“但会让我们更好地了解非线性如何相互影响。”

这听起来(一语双关)需要大量工作,但是平衡的扬声器提供良好的声音和轻薄的低音——这是一种愉悦的聆听体验。

打出本垒打的产品开发周期

Bezzola 喜欢把扬声器设计工作流程想象成棒球比赛。解析解决方案让三星步入了正轨:这是一个良好的开端,但只是近似值,这是因为它们仅适用于完美的形状。Bezzola 说:“我们使用数值仿真进入球场并开始比赛,”因为仿真可以分析详细的组件和操作场景。最后,优化使三星打出本垒打,击败竞争对手。正如 Bezzola 所说,他能够“弥补仿真分析的最终细节,以获得最佳声音。”

通过多物理场仿真获胜

Bezzola 通过仿真分析扬声器的各个组件(如波导、外壳和传感器)以及整个设备。他的一些分析侧重于单一物理现象,而另一些分析则包括多物理场相互作用,例如扬声器的振膜(结构)与声压(空气)之间的相互作用。

正如 Bezzola 所说,“扬声器本质上是一种多物理场设备。电磁体产生磁场,耦合到音圈,音圈移动结构膜,从而导致声波在空间中传播。“COMSOL Multiphysics® 软件是一个多物理场仿真工具,用于执行多组件和多物理场分析。“在 COMSOL Multiphysics 中结合物理场是无缝集成的,”Bezzola 说,“所以你不必担心耦合问题。”

由于涉及多个组件和物理场,Bezzola 经常要关注多个结果参数,一天观察声学响应,第二天观察结构响应。在对结果进行后处理时,Bezzola 意识到整个解决方案是在 COMSOL Multiphysics 中自动提供的——你无需在运行仿真之前对其进行定义。

测试和验证才意味着开发过程的完结

成功的多物理场分析并不是开发过程的终点。三星音频实验室有两个消声室,开发团队用它来测试原型。自由场腔室四周都有泡沫楔,用于测量扬声器原型,这些原型几乎适用于任何远离墙壁位置的扬声器,比如放在书架上的音箱或便携式扬声器。

另一个腔室的一侧有坚固的壁,用于模拟壁挂式电视机的环境。在这些操作场景中,墙壁实际上会影响设备的音质,因此测试扬声器在这种环境中的性能非常重要。

在消声室内测试的音箱原型图片。
实心壁消声室图片。

左:在自由场消声室中测试的音箱。右图:实心壁消声室用于测试安装在墙壁上的扬声器。照片是在加州三星音频实验室拍摄的,经三星许可发布。

消声室使 Bezzola 能够验证他的仿真结果,这是因为两种测试方法都尝试创造理想化的条件。这些腔室还用于对原型进行独立分析,并确定房间对扬声器的影响。

消声测试还可以确定扬声器用声音照亮房间的亮度(由波导元件控制)。如果你认为声音像光,那么扬声器可以是灯泡或手电筒。在低频时,扬声器将声音传播到任何地方(就像灯泡发出的光,被认为是全向的),而在高频时,扬声器以窄波束形式传播声音(就像手电筒,被认为具有高指向性)。消声室测试可以表明扬声器在灯泡和手电筒现象之间的过渡。

低频下扬声器的 SPL 图。
高频下扬声器的 SPL 图。

左:低频声压级(SPL)(灯泡)。右:高频声压级(手电筒)。

共同努力

随着时间的推移,Bezzola 意识到团队中的传感器工程技术人员总是不断向他寻求仿真分析帮助,他决定做点什么。他使用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”从他的传感器模型中构建专门的仿真 App,其他工程技术人员可以使用这些 App 来运行日常计算,而无需求助于 Bezzola。
传感器工程技术人员使用仿真 App 的照片。
在传感器 App 中,Bezzola 仅设计了一定数量的按钮和输入。这样,工程技术人员(其中大多数人没有使用传统仿真软件的经验 )只需要点击几个预设项即可获得所需的结果。另一个好处就是 Bezzola 有更多的时间投入新项目。

三星用于设计扬声器、音箱和其他音频产品的系统方法结合了建模、优化、原型制作和测试,还结合了音频、机械和仿真工程技术人员的专业知识和经验。

三星音频实验室的未来听起来 很光明

将仿真引入扬声器设计工作流程有助于三星优化其核心产品组,比单独使用原型制作更快、更具成本效益。“与传统的设计周期相比,我们可以通过仿真减少大量的时间和原型制作次数,”Bezzola 说。从 Devantier 的角度来看,仿真带来了团队原本不会尝试的新想法:“三星音频实验室认为仿真是其在音频市场中发展的一种方式。”


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