为家庭影院系统开发超薄杜比全景声扬声器技术

三维环绕声技术可以为消费者创造优质且身临其境的沉浸式音频体验。总部位于美国加利福尼亚州旧金山的杜比实验室是这项技术开发的行业领先者。最近,他们在声学仿真的帮助下开发了极具创新性的电视三维环绕声技术。


By Rachel Keatley
2021 年 1 月

雨滴溅落在叶面上,巨嘴鸟在远处叽喳鸣叫,沙沙作响的声音充斥在左耳边,你循声望去,看见一只美洲虎正紧紧盯着你……

听起来好像你正在亚马逊雨林中跋涉,但实际上你只是坐在客厅里看电影。三维环绕声技术通过创造最佳的音景,可以将观众完全融入电视屏幕内的故事中,增强人们体验家庭娱乐的方式。

随着数字技术与真实世界的不断融合,越来越多的消费者期望从家庭影院系统中获得这种令人难忘又逼真的音频体验。杜比实验室——创新音频系统和技术的领先开发者,正通过他们的杜比全景声®音频格式将 3D 多维度音频技术带给家庭娱乐。

2014 年,杜比实验室推出了用于家庭影院系统的杜比全景声扬声器(Dolby Atmos®enabled speaker,DAES)技术,并随后将这项技术扩展应用于其条形(也称为回音壁)音响产品。现在,为了突破沉浸式家庭音频技术的限制,他们正在开发用于电视的杜比全景声扬声器技术。

杜比全景声扬声器技术原理

为了再现逼真的高空音效,杜比全景声扬声器技术采用向上发射声场的扬声器设计,将声音向上辐射至天花板再反射回来,如图 1 所示。他们在扬声器上应用了感知过滤,以增强消费者的高度感知,使其能够感知到声音是源自天花板上的反射点,而不是扬声器的实际位置。“如果使用传统的电视扬声器,你会听到从电视扬声器发出的声音;而使用杜比全景声反射式电视扬声器,你会听到来自天花板的高空音效。”杜比实验室高级音响系统和传感器工程师 Lakshmikanth Tipparaju 说道。

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
图1 常规(大尺寸)高声道扬声器示意图。

设计超薄电视扬声器的挑战

如果你经常关注最新的消费类电子产品,你可能已经注意到电视机正逐年变得更加时尚和纤薄。电视机的纤薄设计限制使得其杜比全景声扬声器设计变得困难。原因何在?因为电视设计越来越紧凑,对于与边界表面紧密耦合的、向上发射声场的扬声器振膜,其可用的形状和空间受到电视机厚度的限制越来越多,从而导致狭窄的高声道顶部信息。

设计能够提供大范围最佳听音点覆盖区域的纤薄杜比全景声电视扬声器是一项关键挑战。“最佳听音点覆盖区域是指我们可以始终如一地感知到高声道顶部信息的位置。当我们离开最佳听音点覆盖区域时,顶部信息就会受损。” Tipparaju 说道。

为了设计足够薄又可以装在现代电视中,并能提供较大最佳听音点覆盖范围的杜比全景声扬声器,杜比实验室选择了声学仿真。Tipparaju 认为,仿真技术的主要优势在于,可以在他构建和测试实际的物理原型之前评估新设计扬声器的性能,从而节省了宝贵的时间和资源。

声学有限元分析和边界元分析

为了优化最佳听音点覆盖区域,Tipparaju 使用 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件进行了声学仿真,探索了向上发射声场扬声器的几种不同的设计理念。

Tipparaju 表示:“刚开始,我们制造了一个 2 英寸(5.08 cm)厚的扬声器。”(标准的条形音箱的厚度约为 5 英寸或 12.7 cm。)总体而言,它的视听效果非常逼真,但我们希望使我们的设计更具竞争力。” 经过进一步的市场研究,Tipparaju团队决定开发一种厚度为 1 英寸(2.54 cm)的杜比全景声扬声器。为了满足超薄设计的限制,他们在扬声器的设计中加入了超薄微型换能器(90 mm×15 mm)。此外,他们还在扬声器的设计中增加了一个声反射器,将声能再次传递向天花板以提高效用。最终,他们在探索中优化了扬声器的最佳听音点覆盖区域。

The model geometry of a slim height speaker with annotations at three angles: +90, 0, and -90 degrees. Slim height speaker model geometry
图2 具有集成声反射器的超薄扬声器,指向性评估平面。

借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场软件的附加产品——声学模块的声学有限元法(FEM)和边界元法(BEM)功能,Tipparaju 团队对声反射器的结构进行了拓扑优化,创建了非对称辐射模式,以使沿着天花板方向(0° 到 +90°)的能量分布最大化,并充分减弱直接到达听众方向(0° 到 -90°)的声能,如图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
图3 带有集成反射器的超薄扬声器(左)和不带反射器的常规超薄扬声器(右)的垂直平面指向性仿真比较。图中显示出带有反射器的扬声器对天花板反射具有更大的覆盖范围。

团队通过有限元研究,基于自由场中的垂直平面指向性对声反射器的拓扑结构进行了优化;同时,他们在考虑了电视面板的集成限制和天花板反射的情况下,通过边界元分析对声反射器的定向响应优势进行数值评估。“我们要确保在听众位置周围有统一的高声道范围覆盖,” Tipparaju 表示,“通过仿真评估沿天花板方向的声压分布非常重要,因为这有助于确定最佳的左右扬声器模块间距和换能器架构。”

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
图4 使用 COMSOL Multiphysics® 软件的多切面绘图功能绘制在 10kHz 的声压级(SPL)分布。

在建模过程中,杜比实验室还考虑了不同天花板高度的边界条件。Tipparaju 说:“美国典型的天花板高度大约为 8-12 英尺(12-30 cm),我们实际评估了不同高度条件下的扬声器响应。”

使用近场扫描仪验证结果

基于仿真结果,Tipparaju 团队创建了带有集成声反射器的超薄高声道扬声器的物理原型,用于测试和验证结果。

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
图5 超薄微型换能器的原型(左)和厚度为1英寸(2.54 cm)的超薄杜比全景声扬声器(右)。

经 Klippel 近场扫描仪(NFS)测量系统得到的实验结果,验证了有限元研究获得的自由场声压结果。Tipparaju 说:“使用近场扫描仪的好处是,我们可以在任意给定的空间或房间中进行快速 3D 消声声学测量。”

总体而言,杜比实验室最终确定集成声反射器可以显著改善超薄高声道扬声器的沉浸感。为了进一步改善电视的优质沉浸式音频体验,杜比实验室目前正致力于将声反射器技术扩展应用到侧发射环绕电视扬声器中。

沉浸式音频技术的未来

“我们团队的主要目标是开发出不同的声学硬件系统和技术,用于增加杜比全景声技术在不同消费类电子产品的应用。” Tipparaju 说道。未来,杜比计划开发用于智能音箱和无线音箱的杜比全景声扬声器技术。

Tipparaju 表示,这将是一次有趣的冒险,因为他将需要与更紧凑的外形紧密合作,这些外形包括麦克风阵列和其他扬声器。他计划借助多物理场仿真来开发硬件解决方案,用于改善此类系统的沉浸式体验。

致谢

感谢 John Stewart 经理,消费者设备优化创新团队的同事以及杜比全景声电视产品管理部对这项工作的支持。

——Lakshmikanth Tipparaju


注:杜比全景声(Dolby Atmos)是杜比实验室许可公司(Dolby Laboratories Licensing Corporation)的注册商标。