开发Ultrathin DolbyAtmos®为家庭娱乐系统的扬声器技术

三维(3D)环绕声技术为消费者创造了高级和全沉浸的音频体验。一家领导此类技术发展的公司是总部位于美国加利福尼亚州旧金山的杜比实验室。最近,他们在声学模拟的帮助下为电视开发了创新的3D环绕声技术。


雷切尔·基特利(Rachel Keatley)
2021年1月

雨滴溅到上面的树叶上。远处的toucans chir。沙沙作响的树枝充满了您的左耳。您看了看,看到美洲虎凝视着您。尽管听起来好像您正在亚马逊雨林中跋涉,但您实际上坐在客厅里看电影。3D环绕声声音通过创建最佳的音景来增强您体验家庭娱乐的方式,从而在屏幕上完全包围您。

随着数字世界和现实世界的继续融合,越来越多的消费者期望他们的家庭娱乐系统中这种令人难忘的栩栩如生的音频体验。创新音频系统和技术的领先开发商Dolby Laboratories正在通过其Dolby Atmos将3D多维音频技术带入家庭®音频格式。

2014年,杜比实验室推出了杜比大气®启用了家庭影院系统的扬声器技术(DAES)技术,后来将该技术扩展到音栏产品。乐动体育app无法登录现在,他们正在开发DAE技术,以供电视推动沉浸式家庭音频技术的可能性。

Dolby Atmos的科学®启用了扬声器

为了重现现实的高架声音,DAE技术采用向上射击的扬声器设计来向上辐射声音以反射天花板,如图1所示。感知过滤被应用于这些扬声器以增强其高程感,使消费者能够感知到这种扬声器的感觉声音起源的位置是天花板上的反射点,而不是物理扬声器位置。“如果您有传统的电视扬声器,您会听到演讲者的声音在电视前面发出的声音。与杜比大气一起®启用了电视扬声器,您会听到天花板发出的高架声音。

一个启用杜比大气阵的高度通道扬声器位于坐在沙发上,标有侦听器的人的前面,蓝色从扬声器的顶部到天花板,然后朝着听众弹跳。
图1.传统(大型)高度通道扬声器的草图。

超薄电视扬声器的设计挑战

如果您经常仔细阅读最新的消费电子产品,您可能会注意到电视每年都会变得更光滑和薄。细长的外形电视设计限制使得很难为电视设计DAE。为什么?随着电视设计变得更加紧凑,紧密耦合到边界表面的向上扬声器的形状和区域被电视的厚度更加限制,从而产生狭窄的高度通道天花板图像。

设计苗条的杜比大气®Tipparaju表示,启用了能够在听众典型位置周围提供大量最高点覆盖的电视扬声器是一个关键挑战。“一个甜点覆盖区域是我们可以在天花板上始终如一地感知高度通道图像的区域。当我们远离甜点覆盖区域时,天花板图像就会损害。” Tipparaju说。

为了设计一个足够薄的DAE,可以内置在现代电视中并提供大量的最佳覆盖范围,杜比实验室转向了声学模拟。Tipparaju认为,模拟技术的一个关键好处是,它使他能够在构建和测试实际的物理原型之前评估新扬声器设计的性能 - 节省了宝贵的时间和资源。

声学FEM和BEM分析

在comsol多物理学中使用声学建模®Tipparaju仿真软件探索了几种不同的向上扬声器设计概念,以优化甜点覆盖。

“最初,我们建造了一个厚度为2英寸的扬声器,” Tipparaju说。(典型的音栏大约是5英寸或12.7厘米,厚。)通常,它听起来很身临其境,但我们希望使设计更具竞争力。为1英寸厚。为了满足超薄设计限制,他们将超薄的微换压器(90毫米乘15毫米)合并到扬声器的设计中。此外,他们还将声学反射器添加到扬声器的设计中,以有效地朝着朝向朝向的声学能量,以有效地朝着朝向朝向的声学能量。ceiling — ultimately improving the speaker’s sweet spot coverage area in the process.

具有三个角度注释的纤细高度扬声器的模型几何形状:+90、0和-90度。
图2.具有集成声反射器的纤细高度扬声器 - 方向性评估平面。

具有声学有限元法(FEM)和边界元素方法(BEM)功能,声音模块中的功能,comsol多物理的附加组件®,Tipparaju优化了声学反射器拓扑,以创建不对称的辐射模式,以最大化沿天花板方向(0度至+90度)的能量分布,并充分衰减直接声音(0度至-90度),如听众,例如如图2所示。

具有不同角度的声音反射器的扬声器的不对称辐射图案,从-90到+90度,在彩虹中可视化,并具有更宽的色带。
扬声器的不对称辐射模式,没有声音反射器的扬声器不同角度,从-90到+90度,在彩虹中可视化,颜色较窄。
图3.模拟垂直平面方向性比较具有集成反射器(左)和无反射器(右)的常规纤细高度扬声器的比较。在这里,可以证明带有反射器的扬声器具有更广泛的覆盖范围,以供天花板反射。

进行了一项FEM研究以根据自由场中的垂直平面方向性优化声学反射器拓扑,而BEM分析被用来数值评估声学反射器的方向响应益处,考虑到电视面板的集成约束和天花板的反射。Tipparaju说:“我们要确保在听众的位置周围有统一的高度频道覆盖范围。”根据Tipparaju的说法,能够在模拟中评估沿天花板的声音分布非常有价值,因为它有助于确定最佳的左右扬声器模块间距和换能器体系结构。

黑色和白色的2D图形代表杜比产品,彩虹多层图显示了周围DB中的声压水平。
图4. comsol多物理学中10 kHz的SPL分布的多层图®

在模拟中,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至12英尺,我们确实在那些不同的条件下评估了说话者的反应,” Tipparaju说。

用近场扫描仪验证结果

根据模拟结果,建立了具有集成声反射器的纤细高度通道扬声器的物理原型用于测试和验证。

并排显示的两个真实原型:均为黑色和圆柱形;左侧是一个超薄的微换灯,右侧是一个超薄daes。
图5. Ultrathin Microtransducer(左)和具有1英寸厚度(右)的超薄DAE的原型。

FEM研究的自由场声压结果通过Klippel近场扫描仪(NFS)测量系统的实验结果进行了验证。Tipparaju说:“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中快速进行3D肛门声学测量。”

总体而言,杜比实验室能够确定综合的声学反射器可以显着改善纤细高度通道扬声器的沉浸式。为了进一步提高高级,电视的身临其境的音频体验,杜比实验室目前正在努力扩展用于侧面发射环绕电视扬声器的声学反射器技术。

沉浸音响技术的未来

“我们团队的主要目标是开发不同的声学硬件系统和技术,以便我们可以增加杜比大气阵®在不同的消费电子产品中采用。” Tipparaju说。乐动体育app无法登录将来,杜比计划开发Dolby Atmos®启用了智能扬声器和无线扬声器市场的扬声器技术。

根据蒂帕拉朱(Tipparaju)的说法,这将是一个有趣的冒险,因为他将需要与更紧凑的形式相紧密合作,这些形式含有麦克风阵列和其他扬声器。在模拟的帮助下,他计划开发硬件解决方案,以改善这种系统中的沉浸液。

致谢

Lakshmikanth Tipparaju要感谢他的经理约翰·斯图尔特(John Stewart),他在增强的消费者设备创新团队中的同事和杜比(Dolby)内的Atmos电视产品管理(Atmos TV Product Management)为这项工作提供了支持。


杜比Atmos是杜比实验室许可公司的注册商标。