三星放大扬声器设计带模拟的设计

2019年7月29日

当您听到三星的名字时,您可能会想到智能手机和电视。但是,三星也有一个目标是成为第一音频公司。为此,美国三星研究的声学主管Allan Devantier从头开始在加利福尼亚建立了三星音频实验室。他组建了一支专门从事传感器,数字声音处理(DSP),声学,编程等的工程师团队,但难题仍然缺少……

开发扬声器:“单声道”与“立体声”方法

询问发烧友是否喜欢单核细胞增多症或者立体声系统和他们将在一天的大部分时间里弯曲您的耳朵。在不介绍细节的情况下,单声道系统只有一个频道,限制了其功能,而立体声系统具有多个频道,可以通过多个扬声器并行播放多个来源,从而产生更好的声音体验。我们可以使用类似的类比来描述扬声器的开发过程。

“ Mono”开发需要仅使用一个频道设计扬声器,无论该频道是:

  • 原型制作是测试设计的唯一方法
  • 在复杂系统的模拟中查看单个物理
  • 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并行工作的互连源:

  • 重复模拟,原型制作,测试和验证
  • 多物理分析说明声学,电磁学和振动
  • 一个将各种专业知识带入桌面的团队

一个信息图显示了单声道和立体声扬声器开发之间的差异。

三星音频实验室的开发团队从“单声道”到“立体声”的开发团队是将模拟工程师添加到他们的团队中。2014年,安德里·贝佐拉(Andri Bezzola)担任专门研究模拟和数值分析的工程师。Devantier将模拟工程师描述为“将所有人聚集在一起的胶水”。

我们访问了三星音频实验室,以了解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无法登录在此视频中听到(并看到!)

扬声器和音栏提出了许多设计挑战

随着电视越来越薄,电视内部的扬声器需要越来越小,因此设计越来越小。这与传统的智慧形成鲜明对比,即出色的声音需要大型扬声器。(但是,出色的性能与最小尺寸一样重要。)三星如何平衡这些需求?

在开发扬声器设计时,会有一些问题可以使声音质量产生或破坏声音。安德里(Andri)是音频的新手,必须了解音频工程和声学,然后才能将模拟专业知识用于解决这些问题。

频率响应

您的扬声器的声音听起来刺耳,布罗米或笨拙(如果您握住空纸巾卷到嘴里说话并说话,想想听起来如何)?如果是这样,由于扬声器的次优频率响应,声音质量会降低。

良好的频率响应会产生中性,平坦,更有趣的声音。为了确保声音达到标准,可以通过电子设备(例如DSP)和扬声器设计的组合来控制频率响应,Bezzola使用模拟来分析。

声音分布不均匀

您是否曾经和一群朋友一起看电影,并注意到有些人如何听到电视的声音,而其他人几乎无法制作对话?当电视的扬声器发出不均匀的房间时,这种效果就会发生。这称为说话者的辐射模式或空间响应。

图像显示了从扬声器到房间的声音分布。

扬声器应均匀地向房间喷洒声音,这样您是否坐在声学的“最佳点”中都可以体验高质量的声音。与频率响应不同,只能通过设计扬声器的机械零件(例如波导)来控制这个因素。Bezzola通过使用仿真来确定波导的设计来应对这一挑战,而且还应将其放置在哪里以进行最佳声音分布。

严酷效果

扬声器中的非线性会导致声音太刺耳,声音听起来很刺耳。不幸的是,扬声器本质上是非线性的。

当语音线圈在扬声器内部移动时,它在每个步骤和每个位置都与不同的磁场相互作用。为了研究这种非线性效果,Bezzola假设语音线圈固定在该位置并在每个位置运行线性模拟(他称其为“伪 - 非nonlinlinalear-type模拟”)。

但是,这种策略并没有提供完整的图片,因为随着语音线圈的移动,它会生成自己的磁场,该磁场与磁铁与磁场相互作用。为了考虑这种行为,需要进行完全耦合的磁模拟。贝佐拉说:“他们需要更长的时间才能解决,但他们可以更好地了解非线性如何相互发挥作用。”

听起来(双关语)就像很多工作一样,但是均衡的扬声器提供了带有低音的好声音 - 一种令人愉快的聆听体验。

击打本垒打的产品开发周期

Bezzola喜欢将扬声器设计工作流如棒球游戏一样。分析解决方案使三星进入球场:它们是一个很好的开始,但仅是近似值,因为它们仅适用于完美的形状。Bezzola说:“我们使用数值模拟进入现场并开始玩游戏”,因为他们可以分析详细的组件和操作场景。最后,优化使三星能够进行本垒打并击败比赛。正如Bezzola所说,他能够“消除模拟分析的最终细节,以获得最佳的声音。”

使用多物理模拟加强蝙蝠

Bezzola使用仿真分析了扬声器的单个组件(例如波导,外壳和传感器)以及完整的设备。他的一些分析集中在单一的物理现象上,而另一些分析包括多物理相互作用,例如说话者的隔膜(结构)和声压(空气)之间的相互作用。

正如Bezzola所说:“扬声器本质上是多物理设备。我们有电磁场产生一个磁场,并耦合到移动结构膜的语音线圈,进而导致声波通过太空传播。”ComsolMultiphysics®软件是用于执行多组件和多物理分析的多物理模拟工具。Bezzola说:“将Comsol多物理学中的物理学结合在一起是无缝的,因此您不必担心耦合。”

由于涉及多个组件和物理,Bezzola通常对多个结果参数感兴趣,其中有一天要查看声学响应以及下一个结构响应。在处理结果后,贝佐拉(Bezzola)欣赏整个解决方案会自动提供在Comsol Multiphysics中 - 您不必在运行模拟之前对其进行定义。

测试和验证将其发送出公园

成功的多物理分析并不是开发过程的终结。三星音频实验室有两个开发团队用于测试原型的肛门室。自由场室的各个侧面都有泡沫楔子,用于测量扬声器原型,这些原型几乎适用于远离墙壁的任何位置,例如放置在书架上或便携式扬声器上的音栏。

另一侧的一侧有坚固的墙,用于模仿壁挂电视的环境。在这些操作场景中,墙实际上会影响设备的声音质量,因此在这种环境下测试扬声器的性能很重要。

在室内室中测试的音栏原型的照片。
带有坚固墙的室内室的照片。

左:在自由场式室内测试的音栏。右:带有实心墙壁的无声室用于测试扬声器,该扬声器旨在安装在墙壁上。在加利福尼亚的三星音频实验室拍摄的照片,并在三星许可后出版。

消除室使Bezzola能够验证他的仿真结果,因为两种测试方法都试图创建理想的条件。室还用于对原型进行孤立的分析,并确定扬声器与房间的效果。

AneChoic测试还决定了扬声器的声音(由其波导组件控制)的房间。如果您认为听起来像光,那么扬声器可以是灯泡或手电筒。在低频时,扬声器会在各处传播声音(就像灯泡的光芒一样,据说是全向的),而在高频时,扬声器将声音传播在狭窄的光束中(就像手电筒一样,据说它据说它具有很高的方向性)。室内室测试可以显示扬声器的灯泡和手电筒行为之间的过渡。

低频的扬声器的SPL图。
扬声器设计SPL的图以高频设计。

左:低频(灯泡)的音压水平(SPL)。右:高频(手电筒)的SPL。

一项综合努力

随着时间的流逝,贝佐拉(Bezzola)认识到,他团队中的换能工程师反复去他进行模拟分析,并决定对此做些事情。他使用Comsol Multiphysics中的应用程序构建器从其传感器模型中构建了专门的仿真应用程序,其他工程师可以用来运行日常计算,而无需去Bezzola或等待他的帮助。

使用模拟应用程序的传感器工程师的照片。

在传感器应用中,Bezzola仅包含一定数量的按钮和输入。这样,工程师(大多数人都没有使用传统仿真软件的经验)只需要单击一些预设项目即可获得所需的结果。另一个好处?Bezzola有更多时间专门用于新项目。

三星用于设计扬声器,音符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明亮

将模拟引入扬声器设计工作流程中,与单独的原型制作相比,三星可以更快,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,我们确实可以通过使用模拟来减少大量时间和原型。”从Devantier的角度来看,模拟导致了该团队不会尝试的新想法:“三星音频实验室将模拟视为在音频市场中前进的一种方式。”


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