三星安培用仿真设计扬声器设计

2019年7月29日

当您听到三星名称时,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一个音频公司。为此,Samsung Research Americal的声学负责人Allan Devantier在加利福尼亚建造了三星音响实验室。他组建了一支专注于传感器,数字声音处理(DSP),声学,编程等的工程师团队 - 但难题仍然缺少一块丢失的部分......

开发扬声器:“单声道”与“立体声”方法

问一个发烧友他们是否更喜欢单核细胞增多症或者立体声系统,它们会在一天的大部分时间里缠着你。在不深入讨论细节的情况下,单声道系统只有一个声道,限制了它的能力,而立体声系统有多个声道,可以通过多个扬声器同时播放多个声源,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”开发需要仅使用一个通道设计扬声器,无论是“频道”是:

  • 原型设计作为测试设计的唯一方法
  • 在一个复杂系统的模拟中观察单个物理
  • 运行其他团队成员的唯一工程师分析

另一方面,“立体声”扬声器的开发过程涉及多个相互连接的声源并行工作:

  • 重复仿真,原型设计,测试和验证
  • MultiphySics分析了声学,电磁和振动的帐户
  • 一个团队给桌子带来各种专业知识

展示了单声道与立体声扬声器开发的差异的信息图表。

三星音频实验室(Samsung Audio Lab)的开发团队从“单声道”转向“立体声”的一种方法是在团队中增加一名模拟工程师。2014年,安德里·贝佐拉(Andri Bezzola)作为一名专门从事模拟和数值分析的工程师加入公司。Devantier将模拟工程师描述为“将所有人凝聚在一起的粘合剂。”

我们访问了三星音响实验室,了解他们如何使用多体仿真,建模和应用来开发扬声器和其他音频产品。乐动体育app无法登录听到(和看!)所有关于它的视频......

扬声器和Soundbars存在许多设计挑战

随着电视变薄和更薄,电视机内的扬声器需要设计较小,更小以适合。这与传统智慧相比直接对比,这些智慧需要大扬声器。(但是,卓越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,有一些问题可以制造或打破音质。在新的音频中,Andri必须在申请模拟专业知识之前了解音频工程和声学,以解决这些问题。

频率响应

有扬声器的声音听起来有尖锐的刺痛,壮大还是傻瓜(想想它是如何听起来,如果你拿着空纸巾卷到你的嘴巴并说话)?如果是这样,由于扬声器的次优频率响应,声音质量降低。

良好的频率响应会产生一种中性的、平缓的、更令人愉快的声音。为了确保声音达到标准,频率响应可以通过数字信号处理器(DSP)等电子设备和扬声器的设计相结合来控制,Bezzola使用模拟来分析扬声器的设计。

不均匀分布

你有没有和一群朋友一起看电影,并注意到有些人能很好地听电视,而其他人几乎听不清对话?当电视机的扬声器将声音不均匀地喷入房间时,就会产生这种效果。这被称为说话者的辐射模式或空间响应。

图像显示从扬声器到房间的声音分布。

扬声器应该均匀地将声音喷入房间,以便您坐在声学“甜蜜点”中是否坐在以体验高质量的声音中并不重要。与频率响应不同,该因子只能通过扬声器的机械部件的设计来控制,如波导。Bezzola通过使用模拟来满足这一挑战,不仅可以确定波导的设计,而且应该放置最佳声音分布。

苛刻和raspy效果

扬声器中的非线性可能导致声音太苛刻,声音声音摇曳。不幸的是,扬声器本质上是非线性的。

当音圈移动在扬声器内部时,它在每个步骤和每个位置时与不同的磁场相互作用。为了调查这种非线性效果,Bezzola模拟扬声器的不同位置,假设音圈固定在该位置并在每个位置运行线性模拟(他称之为“伪非线性型仿真”)。

然而,这种策略没有给出完整的图片,因为随着音圈移动,它产生自己的磁场,其与来自磁体的磁场相互作用。要考虑这种行为,需要完全耦合的磁模拟。“他们需要更长的时间来解决,”Bezzola说,“但他们让我们更好地了解非线性如何互相发挥。”

它听起来(双关语)就像很多工作一样,但是一个平衡的扬声器提供了良好的声音,封闭低音 - 这是一个愉快的听力体验。

用于击中家庭运行的产品开发周期

Bezzola喜欢想想扬声器设计工作流程如棒球比赛。分析解决方案将三星进入球场:它们是一个很好的开始,但只是近似,因为它们只适用于完美的形状。Bezzola说:“我们使用数值模拟来获取现场并开始播放游戏,”因为他们可以分析详细的组件和操作场景。最后,优化使三星能够击中家庭运行并击败竞争对手。随着Bezzola说,他能够“淘汰仿真分析的最终细节以获得最佳声音”。

用多体仿真加入蝙蝠

使用模拟,Bezzola分析了扬声器的单个组件(例如波导,外壳和换能器)以及完整的设备。他的一些分析重点关注单个物理现象,而其他分析包括多职业相互作用,例如扬声器的隔膜(结构)和声压(空气)之间的相互作用。

正如贝佐拉所说:“扬声器本质上是一个多物理设备。我们有产生磁场的电磁铁,与移动结构膜的音圈耦合,这反过来导致声波在空间中传播。“COMSOL Multiphysics®软件是一种多物理模拟工具,用于执行多组分和多物理分析。Bezzola说:“在COMSOL Multiphysics中结合物理是无缝的,所以你不必担心耦合问题。”

涉及多个组件和物理,Bezzola通常对多个结果参数感兴趣,看一天声响响应和下一个结构响应。在后处理结果时,Bezzola欣赏整个解决方案在COMSOL Multiphysics中自动提供 - 在运行模拟之前,您不必定义它。

测试和验证,把它送出公园

成功的多物理分析并不是开发过程的结束。三星音频实验室有两个消声室,开发团队用它们来测试原型机。自由场室四面都有泡沫楔子,用于测量扬声器原型,这些扬声器几乎适用于远离墙壁的任何位置,比如放置在书架上的音箱或便携式扬声器。

另一个腔室在一侧具有实心壁,用于模拟壁挂电视的环境。在这些操作场景中,墙体实际上影响了设备的音质,因此在这种环境中测试扬声器的性能很重要。

在一个AneChice室中测试的声栏原型的照片。
一个有固体墙壁的一个aochich腔室的照片。

左:在自由场化学室中测试的声栏。右:具有实心壁的Anechoice室用于测试扬声器,意味着安装在墙壁上。在三星音频实验室拍的照片在加利福尼亚并且发表了与三星的许可。

AneChoic腔室使Bezzola能够验证他的仿真结果,因为两者都试图创造理想化的条件。腔室还用于在原型上进行隔离分析,并确定来自扬声器的效果与房间的影响。

消声测试还可以确定扬声器用声音照亮房间的效果(这是由其波导组件控制的)。如果你认为声音就像光,那么扬声器既可以是灯泡,也可以是手电筒。在低频时,扬声器会将声音传播到各处(就像灯泡的光芒一样,据说是全方位的),而在高频时,扬声器会以窄光束传播声音(就像手电筒一样,据说有高指向性)。消声室测试可以显示扬声器灯泡和手电筒行为之间的过渡。

扬声器的绘图绘制为低频。
扬声器设计SPL的曲线图以高频。

左:低频(灯泡)处的声压级(SPL)。右:在高频(手电筒)处SPL。

综合努力

随着时间的推移,Bezzola认识到他的团队中的传感器工程师反复向他进行模拟分析,并决定做一些事情。他在COMSOL Multiphysics中使用了应用程序构建器,从他的换能器模型中建立专门的仿真应用程序,其他工程师可以使用日常计算,而无需转到Bezzola或等待他的帮助。

使用模拟应用程序的换能器工程师的照片。

在换能器应用中,Bezzola只包含一定数量的按钮和输入。这样,工程师们——他们中的大多数人都没有使用传统仿真软件的经验——只需要点击几个预设的项目就可以得到他们需要的结果。另一个好处吗?贝佐拉有更多的时间用于新项目。

三星用于设计扬声器、soundars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,同时也结合了音频、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

未来声音在三星音响实验室明亮

将模拟引入扬声器设计工作流程帮助三星优化其核心组产品,比单独使用原型化。乐动体育app无法登录“与传统的设计周期相比,我们可以通过使用模拟来真正减少大量的时间和原型,”Bezzola说。从Devantier的角度来看,模拟导致了否则球队不会尝试的新想法:“三星音频实验室看到模拟作为在音频市场前进的一种方式。”


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