三星Amps Up扬声器设计与仿真

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。然而,三星也有一个目标,即成为第一大音响公司。为了做到这一点,三星美国研究中心的声学主管Allan Devantier在加州从头开始建造了三星音频实验室。他组建了一个工程师团队,专门从事传感器、数字声音处理(DSP)、声学、编程等方面的工作。

开发扬声器:“单声道”与“立体声”方法

询问音响发烧友是否喜欢莫诺立体声系统,它们会让你在一天中的大部分时间里耳朵弯曲。在不深入细节的情况下,单声道系统只有一个声道,限制了其功能,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音源,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发展过程。

“单声道”的开发需要设计一个只使用一个通道的扬声器,无论这个“通道”是:

  • 原型设计是测试设计的唯一方法
  • 在复杂系统的模拟中看单一物理
  • 为其他团队成员运行分析的唯一工程师

另一方面,“立体声”扬声器的开发过程涉及多个相互连接的源并行工作:

  • 重复模拟、原型、测试和验证
  • 解释声学、电磁学和振动的多物理分析
  • 一个能带来各种专业知识的团队

显示单声道和立体声扬声器发展的不同的信息图表。

三星音频实验室的开发团队从“单声道”转向“立体声”的一种方式是在他们的团队中增加一名模拟工程师。2014年,安德里·贝佐拉(Andri Bezzola)作为一名工程师加入公司,专攻模拟和数值分析。Devantier将模拟工程师描述为“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,了解了他们如何使用多物理模拟、建模和应用程序来开发扬声器和其他音频产品。乐动体育app无法登录在这个视频中听到(并看到)关于它的一切……

扬声器和音箱面临许多设计挑战

随着电视的制作越来越薄,电视内部的扬声器也需要设计得越来越小。这与传统观点截然相反,传统观点认为,大的声音需要大的扬声器。(然而,卓越的性能与最小的尺寸同样重要。)三星如何平衡这些需求?

当开发一个扬声器设计时,有一些问题可以决定或破坏音质。作为音频新手,Andri必须学习音频工程和声学,然后才能应用他的模拟专业知识来解决这些问题。

频率响应

你的扬声器是否曾发出尖利、轰鸣或胖乎乎的声音(想想当你把空纸巾卷放到嘴边说话时的声音)?如果是,声音质量下降,由于扬声器的次最佳频率响应。

一个好的频率响应产生一个中性,平坦,更愉快的声音。为了确保声音达到标准,频率响应可以通过电子设备(例如DSP)和扬声器的设计来控制,BeZoLA使用仿真来分析。

声音分布不均匀

你有没有和一群朋友一起看电影,注意到有些人看电视时听得很好,而另一些人几乎听不懂对话?当电视的扬声器不均匀地向室内喷射声音时,就会产生这种效果。这被称为扬声器的辐射模式或空间响应。

一幅显示声音从扬声器传到房间的图像。

扬声器应该均匀地将声音喷洒到房间中,这样无论你是否坐在声学“最佳位置”,都可以体验到高质量的声音。与频率响应不同,这个因素只能通过扬声器的机械部件(如波导)的设计来控制。Bezzola通过模拟来解决这一难题,不仅可以确定波导的设计,还可以确定它应该放置在哪里,以实现最佳的声音分布。

刺耳和刺耳的效果

扬声器的非线性会导致声音过于刺耳,声音听起来刺耳。不幸的是,扬声器本质上是非线性的。

当音圈在扬声器中移动时,它在每一步、每一个位置都会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,并对每个位置进行线性模拟(他称之为“伪非线性型模拟”)。

然而,这一策略并不能提供完整的画面,因为当音圈移动时,它会产生自己的磁场,并与磁铁产生的磁场相互作用。为了解释这种行为,需要一个完全耦合的磁模拟。Bezzola说:“它们需要更长的时间来解决,但它们让我们更好地了解了非线性是如何相互作用的。”

这听起来(双关语)像很多工作,但一个平衡良好的扬声器提供了一个良好的声音包围低音-一个愉快的聆听体验。

一个产品开发周期

Bezzola喜欢把扬声器设计工作流程想象成棒球游戏。分析解决方案让三星进入了一个大致范围:它们是一个良好的开始,但只是近似值,因为它们只适用于完美的形状。Bezzola说:“我们使用数值模拟进入场地并开始玩游戏,”因为他们可以分析详细的组件和操作场景。最后,优化使三星击中本垒打,击败了竞争对手。正如Bezzola所说,他能够“勉强完成模拟分析的最后细节,以获得最佳声音。”

step Up to Bat with Multiphysics Simulation

通过仿真,Bezzola分析了扬声器的各个部件(如波导、外壳和换能器)以及整个设备。他的一些分析集中在一个单一的物理现象上,而另一些则包括多物理的相互作用,如扬声器的隔膜(结构)和声压(空气)之间的相互作用。

正如贝佐拉所说,“扬声器本质上是一种多物理装置。我们有产生磁场的电磁铁,与移动结构膜的音圈相耦合,从而使声波在空间中传播。”COMSOL Multiphysics®软件是一种用于执行多组分和多物理分析的多物理模拟工具。“在COMSOL Multiphysics中结合物理是无缝的,”Bezzola说,“所以你不必担心耦合。”

由于涉及到多个部件和物理,Bezzola通常对多个结果参数感兴趣,今天看声响应,明天看结构响应。当对结果进行后处理时,Bezzola很欣赏COMSOL Multiphysics中自动提供的整个解决方案——你不需要在运行模拟之前定义它。

测试和验证将其送出公园

成功的多物理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,开发团队使用它们来测试原型。自由场室四面都有泡沫楔块,用于测量扬声器原型,几乎适用于远离墙壁的任何位置,如书架上的声条或便携式扬声器。

另一个房间有一面实心墙,用来模拟壁挂式电视的环境。在这些操作场景中,墙壁实际上会影响设备的音质,所以测试扬声器在这种环境下的性能是很重要的。

在消声室中测试的音棒原型的照片。
一张带有实心墙的消声室的照片。

左:正在自由场消声室中测试的音条。右图:实心墙的消声室用来测试要安装在墙上的扬声器。照片拍摄于美国加州的三星音频实验室,并得到了三星的许可。

消声室使Bezzola能够验证他的模拟结果,因为两种测试方法都试图创造理想的条件。这些腔室也被用来对一个原型进行独立分析,并确定说话人对房间的影响。

消声测试还可以确定扬声器用声音(由其波导元件控制)照亮房间的效果。如果你认为声音像光,那么扬声器可以是灯泡或手电筒。低频时,扬声器会将声音传播到任何地方(如灯泡的辉光,据说是全向的),而高频时,扬声器会将声音传播到窄波束(如手电筒,据说是高方向性的)。消声室测试可以显示扬声器灯泡和手电筒行为之间的转换。

低频时扬声器的声压级图。
一幅高音喇叭设计声压级图。

左:低频(灯泡)的声压级(SPL)。右图:高频声压级(手电筒)。

一个共同努力

随着时间的推移,Bezzola意识到他的团队中的换能器工程师不断地去找他进行模拟分析,并决定对此做些什么。他使用COMSOL Multiphysics中的Application Builder从他的传感器模型构建了专门的仿真应用程序,其他工程师可以使用它进行日常计算,而不必去Bezzola或等待他的帮助。

一张传感器工程师使用仿真应用程序的照片。

在传感器应用中,Bezzola仅包括一定数量的按钮和输入。这样一来,工程师们——大多数人没有使用传统模拟软件的经验——只需单击几个预设项即可获得所需的结果。还有什么好处?贝佐拉有更多的时间致力于新项目。

三星用于设计扬声器、声条和其他音频产品的系统方法结合了建模、优化、原型设计和测试,还结合了音频、机械和模拟工程师的专业知识和经验。乐动体育app无法登录

未来听起来三星音频实验室的布莱特

在扬声器设计工作流程中引入仿真技术,有助于三星更快、更便宜地优化其核心产品组。乐动体育app无法登录Bezzola说:“与传统的设计周期相比,我们可以通过模拟减少大量的时间和原型。”从Devantier的角度来看,模拟创造出了团队从未尝试过的新理念:“三星音频实验室将模拟视为推动音频市场发展的一种方式。”


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