为家庭娱乐系统开发支持Dolby Atmos®的超薄扬声器技术

三维(3D)环绕声技术为消费者创造了优质且完全沉浸式的音频体验。杜比实验室是总部设在加利福尼亚州旧金山的杜比实验室之一。最近,他们在声学模拟的帮助下开发了用于电视机的创新3D环绕声技术。


雷切尔·凯特利
2021年1月

雨点溅在上面的树叶上。巨嘴鸟在远处啁啾。你的左耳满是树枝的沙沙声。你回头一看,看到一只美洲虎正盯着你。虽然听起来你像是在亚马逊雨林中跋涉,但实际上你正坐在客厅里看电影。3D环绕声通过创造一个最佳的声音场景,让您完全沉浸在屏幕上的故事中,从而增强您体验家庭娱乐的方式。

随着数字世界和现实世界的不断融合,越来越多的消费者期望从他们的家庭娱乐系统中获得这种令人难忘、栩栩如生的音频体验。杜比实验室是创新音频系统和技术的领先开发商,正在通过杜比Atmos将3D多维音频技术带到家中®音频格式。

2014年,杜比实验室引入了杜比大气®为家庭影院系统启用扬声器(DAES)技术,后来将该技术扩展到声条产品。现在,他们正在为电视开发DAES技术,以推动沉浸式家庭音频技术的发展。乐动体育app无法登录

杜比大气科学®启用扬声器

为了再现逼真的头顶声音,DAES技术采用了向上发射扬声器设计,向上辐射声音以反射天花板,如图1所示。感知过滤应用于这些扬声器,以增强其仰角感,允许消费者将声音来源的位置感知为天花板中的反射点,而不是扬声器的物理位置。“如果你有传统的电视扬声器,你会听到扬声器的声音从电视中发射到你的正前方®杜比实验室的高级声学系统和传感器工程师Lakshmikanth Tipparaju说:“打开电视扬声器,你会听到天花板上传来的声音。”。

杜比大气(Dolby Atmos)启用的高度通道扬声器位于坐在沙发上的人前面,标签为listener,声音以蓝色显示,从扬声器顶部到天花板,然后向下反弹到listener。
图1。传统(大尺寸)高声道扬声器的示意图。

超薄电视扬声器的设计挑战

如果您经常阅读最新的消费类电子产品,您可能已经注意到,电视每年都变得更光滑、更薄。纤薄的电视设计限制使得为电视设计DAE变得困难。为什么?随着电视设计变得更紧凑,向上发射的扬声器振膜的形状和面积与一个扬声器振膜紧密耦合边界曲面,变得更受电视厚度的限制,导致频道天花板图像高度较窄。

设计超薄杜比大气®Tipparaju说,能够在听众的典型位置周围提供大范围的甜蜜点覆盖的电视扬声器是一个关键挑战。Tipparaju说:“最佳覆盖区域是指我们能够持续感知天花板上高度通道图像的区域。当我们离开最佳覆盖区域时,天花板图像会受到影响。”。

为了设计一种既薄到可以嵌入现代电视,又能提供大范围覆盖范围的DAE,杜比实验室转向声学模拟。Tipparaju认为,模拟技术的一个关键好处是,它允许他在构建和测试实际物理原型之前评估新扬声器设计的性能,从而节省宝贵的时间和资源。

声学有限元和边界元分析

在COMSOL Multiphysics中使用声学建模®仿真软件Tipparaju探索了几种不同的向上发射扬声器设计概念,以优化最佳覆盖范围。

Tipparaju说:“最初,我们建造了一个2英寸厚的扬声器。”。(一个典型的声条大约有5英寸,或12.7厘米厚。)一般来说,它听起来很逼真,但我们想让设计更具竞争力。”经过更多的市场研究,Tipparaju和他的团队选择开发一个1英寸厚的DAE。为了满足超薄设计限制,他们集成了一个超薄微型传感器(90毫米乘15毫米)。此外,他们在扬声器的设计中添加了一个声学反射器,以有效地将声能重新分配到天花板上,最终改善了扬声器在这个过程中的最佳覆盖区域。

细长扬声器的模型几何图形,带有三个角度的注释:+90、0和-90度。
图2。集成声反射器的超薄扬声器-方向性评估平面。

声学模块中具有声学有限元法(FEM)和边界元法(BEM)功能,是COMSOL Multiphysics的一个附加组件®如图2所示,Tipparaju优化了声学反射器的拓扑结构,以创建不对称的辐射模式,从而使沿天花板方向(0度到+90度)的能量分布最大化,并充分衰减对听者的直接声音(0度到-90度)。

扬声器的不对称辐射模式,带有不同角度的声反射器,从-90度到+90度,在彩虹中以更宽的色带显示。
在不同角度(从-90度到+90度)没有声学反射器的扬声器的不对称辐射模式,在彩虹中以较窄的色带显示。
图3.带集成反射器的超薄扬声器(左)和不带反射器的传统超薄扬声器(右)的模拟垂直面方向性比较。此处显示,带反射器的扬声器具有更大的天花板反射覆盖范围。

基于自由场中的垂直平面方向性,进行了有限元研究以优化声反射器拓扑,同时,考虑到电视面板集成约束和天花板反射,采用边界元分析以数值评估声反射器的方向响应优势。Tipparaju说:“我们希望确保听众的位置周围有统一高度的频道覆盖。”。Tipparaju表示,能够在模拟中评估沿天花板的声压分布非常有价值,因为这有助于确定最佳的左右扬声器模块间距和换能器结构。

黑白二维图形表示杜比产品,彩虹多层图显示周围的声压级(dB)。
图4.描述COMSOL Multiphysics中10 kHz时SPL分布的多层图®.

在他们的模拟中,杜比实验室经常考虑不同的天花板高度边界条件。“在美国,典型的天花板高度约为8到12英尺高,我们确实评估了这些不同条件下的扬声器响应,”Tipparaju说。

使用近场扫描仪验证结果

基于仿真结果,搭建了集成声反射器的细长通道扬声器的物理样机进行测试和验证。

两个真实的原型并排展示:都是黑色和圆柱形的;左侧是超薄型微传感器,右侧是超薄型DAE。
图5。超薄微型传感器的原型(左)和厚度为1英寸的超薄DAE(右)。

FEM研究的自由场声压结果与Klippel近场扫描仪(NFS)测量系统的实验结果进行了验证。“使用近场扫描仪的好处是,我们可以在任何给定空间或任何给定房间进行快速3D消声测量,”Tipparaju说。

总的来说,杜比实验室能够确定集成声反射器可以显著提高超薄通道扬声器的沉浸感。为了进一步增强电视的优质沉浸式音频体验,杜比实验室目前正在致力于将声反射器技术扩展到侧射式surr电视扬声器。

沉浸式音频技术的未来

“我们团队的主要目标是开发不同的声学硬件系统和技术,以便增加杜比大气®Tipparaju说:“在不同的消费电子产品中采用。”。未来,杜比计划开发杜比大气乐动体育app无法登录®为智能扬声器和无线扬声器市场启用扬声器技术。

Tipparaju认为,这将是一次有趣的冒险,因为他需要与更紧凑的外形因素密切合作,包括麦克风阵列和额外的扬声器。在模拟的帮助下,他计划开发硬件解决方案,以提高此类系统的沉浸感。

确认

Lakshmikanth Tipparaju感谢他的经理John Stewart、增强型消费设备创新团队的同事以及杜比公司的Atmos TV产品管理部门对这项工作的支持。


杜比大气是杜比实验室许可公司的注册商标。