开发用于家庭娱乐系统的超薄Dolby Atmos®扬声器技术

三维环绕声技术为消费者创造了一种优质且完全身临其境的音频体验。总部位于美国加利福尼亚州旧金山市的杜比实验室(Dolby Laboratories)是这项技术的领先开发公司之一。最近,他们已经在声学模拟的帮助下为电视开发了创新的3D环绕声技术。


由瑞秋Keatley
2021年1月

雨点溅落在上面的树叶上。巨嘴鸟在远处鸣叫。你的左耳满是树枝的沙沙声。你看过去,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徒步旅行,但实际上你是坐在客厅里看电影。3D环绕声通过创建将您完全包围在屏幕上的故事中的最佳音景,增强了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待从他们的家庭娱乐系统中获得这种难忘和逼真的音频体验。杜比实验室是创新音频系统和技术的领先开发商,正在通过他们的杜比Atmos将3D多维音频技术带入家庭®音频格式。

2014年,杜比实验室推出Dolby Atmos®为家庭影院系统启用扬声器(DAES)技术,后来将该技术扩展到soundbar产品。乐动体育app无法登录现在,他们正在为电视开发DAES技术,以突破沉浸式家庭音频技术的可能边界。

杜比大气的科学®使扬声器

为了再现真实的头顶声音,DAES技术采用了向上发射扬声器的设计,使声音向上辐射,反射到天花板上,如图1所示。感知过滤应用于这些扬声器,以增强他们的高度感,让消费者将声音的发源地视为在天花板上的反射点,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就在你面前从电视发出。与杜比大气压®有了电视扬声器,你就会听到天花板上传来的声音,”杜比实验室的高级音响系统和换能器工程师Lakshmikanth Tipparaju说。

一个Dolby Atmos支持的高度声道扬声器位于一个坐在沙发上的人的前面,标签是听者,声音从扬声器的顶部,到天花板,然后弹回到听者的蓝色说明。 声音向上辐射
图1所示。一个传统的(大形状系数)高度的声道扬声器的草图。

超薄电视扬声器的设计挑战

如果你经常翻阅最新的消费电子产品,你可能已经注意到电视一年比一年轻薄。电视设计的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加紧凑,向上发射扬声器膜片的形状和面积,这是紧密耦合到一个边界表面,变得更受电视的厚度限制,导致狭窄的高度通道天花板图像。

设计超薄杜比Atmos®根据蒂帕拉朱的说法,能够在听众的典型位置上提供大的甜点覆盖的电视扬声器是一个关键的挑战。“最佳覆盖区域是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“甜点覆盖区”时,天花板的形象就会打折扣。”

为了设计既能嵌入现代电视又能提供大的甜点覆盖的DAES,杜比实验室转向了声学模拟。Tipparaju认为,仿真技术的一个关键好处是,它可以让他在建造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

使用COMSOL Multiphysics中的声学建模®仿真软件,Tipparaju探索了几种不同的向上发射扬声器设计理念,以优化甜点覆盖。

蒂帕拉朱说:“最初,我们制造了一个2英寸厚的扬声器。(一个典型的音棒厚度约为5英寸(12.7厘米)。)总的来说,这听起来很有沉浸感,但我们想让设计更具竞争力。”经过更多的市场调查,蒂帕拉朱和他的团队选择开发一种1英寸厚的dae。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传感器(90毫米× 15毫米)。此外,他们还在扬声器的设计中添加了一个声反射器,以有效地将声能重新分配到天花板上,最终在此过程中改善扬声器的“甜点”覆盖区域。

细长高度扬声器的几何模型,在+90度、0度和-90度三个角度标注。 修长高度的扬声器模型几何
图2。带有集成声反射器-指向性评价平面的超薄音箱。

声学模块的声学有限元法(FEM)和边界元法(BEM)功能,COMSOL Multiphysics的一个附加组件®, Tipparaju优化了声反射器拓扑结构,以创建一个不对称的辐射模式,以最大化沿天花板方向(0度到+90度)的能量分布,并充分衰减直接声音(0度到-90度)对听者,如图2所示。

不对称辐射模式的扬声器与声反射器在不同角度,从-90度到+90度,可见彩虹更宽的颜色波段。 集成反射器扬声器声压图
无声反射器的扬声器在-90度到+90度不同角度的不对称辐射模式,呈现出彩虹状的窄色带。 无反射器扬声器声压图
图3。左图为带反射器的超薄音箱与右图为无反射器的超薄音箱的垂直方向模拟比较。在这里,它表明,带有反射器的扬声器有一个更广泛的覆盖天花板反射。

采用有限元法研究了基于自由场垂直平面指向性的声反射面拓扑优化问题,采用边界元法(BEM)计算了考虑电视面板积分约束和天花板反射的声反射面方向响应效益。蒂帕拉朱说:“我们想确保在听众的位置上有统一高度的频道覆盖。”根据Tipparaju的说法,能够在模拟中评估沿天花板的声压分布是非常有价值的,因为它有助于确定最佳的左右扬声器模块间距和传感器结构。

黑白二维图形代表杜比产品,彩虹多切片图显示其周围分贝声压级。 多层螺旋情节
图4。COMSOL Multiphysics中描述10 kHz声压级分布的多层图®

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。蒂帕拉朱说:“在美国,典型的天花板高度大约是8到12英尺,我们会评估说话者在不同情况下的反应。”

用近场扫描仪验证结果

在仿真结果的基础上,建立了带有集成声反射器的超薄声道扬声器的物理样机,进行了测试和验证。

两个真正的原型并排展示:都是黑色的圆柱形;左边是超薄微传感器,右边是超薄DAES。 原型
图5。超薄微传感器原型(左图)和1英寸厚度的超薄DAES(右图)。

用Klippel近场扫描仪(NFS)测量系统的实验结果验证了有限元法研究的自由场声压结果。“使用近场扫描仪的好处是,我们可以在任何给定的空间或任何给定的房间进行快速的3D消声声学测量,”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音箱的沉浸感。为了进一步提高电视的优质沉浸式音频体验,杜比实验室目前正在致力于扩展侧面发射环绕电视扬声器的声反射技术。

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,这样我们就可以增加Dolby Atmos®采用不同的消费电子产品。”蒂帕拉朱说道。乐动体育app无法登录未来,杜比计划开发Dolby Atmos®使扬声器技术适用于智能扬声器和无线扬声器市场。

据蒂帕拉朱说,这将是一次有趣的冒险,因为他将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,以提高这类系统的沉浸性。

确认

Lakshmikanth Tipparaju想要感谢他的经理John Stewart,他在增强消费设备创新团队的同事,以及杜比的Atmos电视产品管理支持这项工作。


Dolby Atmos是杜比实验室许可公司的注册商标。