Samsung выводит на новый уровень разработку акустических систем с помощью численного моделирования

При упоминании названия Samsung вы, скорее всего, подумаете о смартфонах и телевизорах. Однако компания Samsung всегда стремилась стать и ведущей компанией по производству звукового оборудования и аудиотехники. Именно с этой целью Алан Девантье (Allan Devantier), руководитель отдела акустических исследований Samsung Research America, основал лабораторию Samsung Audio Lab в Калифорнии. Он собрал группу инженеров, специализирующихся на разработке преобразователей, цифровой обработке звука, акустических исследованиях, программировании и многом другом. Но в этом пазле не хватало одного элемента…

«Моно» и «стерео» подход к разработке акустических систем

Предложите меломану выбрать между моно- или стереосистемами — и он "сядет вам на уши" по меньшей мере на полдня. Если не вдаваться в подробности, у моносистемы только один канал, и он ограничивает её возможности, а у стереосистемы — несколько каналов, которые позволяют использовать несколько динамиков для воспроизведения сразу нескольких источников звука одновременно, что приводит в результате к получению звука более высокого качества. Подобную аналогию можно использовать для описания процесса разработки акустических систем.

При разработке в «моно»-режиме создают акустическую систему только с одним «каналом». Под «каналом» подразумевается, что:

• Для испытаний используются только физические прототипы
• Учитывается только основное физическое явление при моделировании сложной системы
• Один выделенный сотрудник выполняет численные расчеты для других участников команды

С другой стороны, разработка акустической системы в «стерео»-режиме подразумевает параллельное использование нескольких взаимосвязанных источников и ресурсов:

• Используется комплексный подход к разработке, включающий несколько циклов моделирования, создания прототипов, их испытания и валидации
• Проводится мультифизическое численное моделирование, учитывающее взаимосвязь акустических, вибрационных и электродинамических явлений
• Разработка ведется совместно группой разноплановых исследователей и инженеров

Команда Samsung Audio Lab перешла с «моно» на стерео» за счет найма инженера по моделированию и интеграции его в общую работу. Андри Беццола (Andri Bezzola) — инженер, специализирующийся на моделировании и численном анализе — присоединился к коллективу в 2014 году. Девантье как руководитель отдела сравнивает позицию инженера по моделированию со "связующим элементом, который объединил все детали пазла".

Мы посетили лабораторию Samsung Audio Lab, чтобы узнать, как её специалисты применяют мультифизические расчеты и технологию приложений для моделирования для разработки акустических систем и аудиоустройств. Обязательно посмотрите наш видеоотчет об этом визите!

Злободневные проблемы разработки громкоговорителей и звуковых панелей

Современные телевизоры становятся всё тоньше, и используемые в них акустические системы должны соответствовать этому тренду. Это противоречит традиционному представлению о том, что для хорошего звука нужны большие динамики. (Ведь превосходная работа важна не меньше, чем компактность.) Как компании Samsung удается сбалансировать эти требования?

Ряд аспектов, возникающих при разработке акустических систем, особенно важны при поиске оптимального качества звука. Т.к. Андри был новичком в обработке звука, то ему пришлось многое узнать о звуковой технике и акустике, чтобы применять свои навыки моделирования для решения этих задач.

Частотный отклик

Было ли такое, что ваши динамики переходили на пронзительный, фонящий или глухой звук (как если бы он исходил от человека, говорящего в свернутый в рулон лист бумаги)? Если да, это значит, что качество звука ухудшилось из-за неоптимальной частотной характеристики динамика.

Хорошая частотная характеристика дает нейтральный, простой и более приятный звук. Чтобы обеспечить нормальную работу звуковой системы, можно изменить частотный отклик программно, к примеру, с помощью устройств цифровой обработки звука, или же "механически" с помощью подстройки конструкции динамика, для чего Беццола и использует численное моделирование.

Неравномерное распространение звука

Если вы когда-нибудь смотрели фильм с друзьями, вы могли заметить, что кто-то из них отлично слышит происходящее на экране, а кто-то едва может разобрать диалог. Так происходит, если звук от динамика телевизора неравномерно распределяется по комнате. Эту связано с диаграммой излучения или пространственным откликом динамика.

Распределение этой характеристики должно быть максимально равномерно, чтобы звук хорошего качества был слышен везде, а не только в «удачных» местах. В отличие от частотного отклика, этим фактором можно управлять, только изменяя конструкцию механических частей динамика, например, волноводных элементов. Моделирование позволяет решить данную проблемы: Беццола проводит в т.ч. расчеты волноводов в реальном окружении для поиска оптимального места расположения акустической системы.

Треск и скрежет

Нелинейные эффекты в динамиках могут привести к резкому звучанию и треску, а голоса казаться хриплыми и "скрипящими". Громкоговорители по своей сути нелинейны.

Звуковая катушка, движущаяся внутри акустической системы, взаимодействует с разным магнитным полем на каждом шаге и в каждом положении. Для изучения этого явления Беццола сначала моделировал эти разные положения акустической системы, проводя для каждого фиксированного положения линейный анализ (он называет его «псевдонелинейным»).

Однако такая тактика не дает полной картины, поскольку движущаяся звуковая катушка вырабатывает собственное магнитное поле, взаимодействующее с полем магнитов. Чтобы учесть это поведение, требуется проводить полностью связанный магнитный расчет. «Такие модели требуют больше времени для решения», — отмечает Беццола, — «однако дают нам более подробное представление о нелинейных эффектах и искажениях».

Все это подразумевает большой объем работы, но зато хорошо сбалансированный динамик обеспечивает отличный, объемный звук с низкими частотами, который приятно слушать.

Разработка аудиосистем как игра в бейсбол

Беццола предпочитает сравнивать процесс разработки акустической системы с игрой в бейсбол. Использование аналитических методик приводит Samsung на бейсбольный стадион. Начало хорошее, но это просто аппроксимации, которые подходят только для идеальных форм. Беццола утверждает: «Численное моделирование выводит нас на поле, и мы начинаем игру», ведь с его помощью можно проводить анализ комплекных элементов и различных сценариев их работы. И наконец, оптимизация помогает Samsung совершить хоум-ран и победить. По словам Беццолы именно «возможность рассмотреть и проанализировать самые мелкие детали и аспекты в рамках численного моделирования позволяет достичь оптимального звучания».

Мультифизическое моделирование как ассистент бэттера

С помощью моделирования Беццола анализирует как отдельные компоненты акустической системы (например, волновод, корпус и преобразователь), так и устройство целиком. Некоторые из его расчетов сконцентрированы на одном физическом явлении, а другие — на исследовании связки разных физических явлений, например, вибраций диафрагмы динамика и волн акустического давления в воздухе.

По словам Беццолы, «акустическая система по определению является мультифизическим устройством. В ней есть электромагниты, создающие магнитное поле, связанные со звуковой катушкой, приводящей в движение мембрану, которая, в свою очередь, возбуждает звуковые волны, распространяющиеся в пространстве». Программный пакет COMSOL Multiphysics® представляет собой идеальный инструмент для мультифизического моделирования и анализа сразу нескольких компонентов и явлений из разных областей физики. «Сопряжение физических эффектов в COMSOL Multiphysics проходит органично и ествественным образом»,– говорит Беццола, — «так что не нужно волноваться о ручном задании взаимосвязей».

Работая с несколькими компонентами и разными областями физики, Беццола часто анализирует различные по своей природе данные: сегодня — акустический отклик, а завтра — вибрационные х-ки твердотельных компонентов. При обработке результатов Беццола особенно ценит то, что в COMSOL Multiphysics доступны для работы и анализа абсолютно все расчетные данные — их не нужно заранее указывать перед запуском расчета, как в некоторых других программах.

Испытания и валидация как флайбол за пределы поля

Процесс разработки не заканчивается на этапе успешного мультифизического расчета. В Samsung Audio Lab есть две безэховых камеры, в которых команда разработчиков тестируют прототипы. В одной из камер (т.н. free-field chamber, т.е. камера со свободным полем) со всех сторон стоят пенопластовые клинья-поглотители, и она используется для измерения параметров акустических систем, предназначенных для установки практически в любом месте вдали от стен, например, звуковой панели, которая ставится на книжную полку, или для портативных динамиков.

В другой камере имеется с одной стороны твердотельная стенка, которая повторяет рабочие условия для настенных телевизоров. В таких рабочих условиях стена нсерьезно влияет на качество звука, воспроизводимого устройством, поэтому очень важно протестировать работу акустической системы именно в таких условиях.

Слева: звуковая панель, испытываемая в безэховой камере свободного поля. Справа: специальная безэховая камера для испытания акустических систем, устанавливаемых на стену. Фотографии сделаны в Samsung Audio Lab (в Калифорнии) и опубликованы с разрешения Samsung.

С помощью данных безэховых камер Беццола может проверить результаты своих численных расчетов, поскольку в обеик методиках измерения воссоздаются идеальные условия. Камеры также используются для анализа отдельных прототипов с целью определения того, какие явления вызваны самим динамиком, а какие — помещением.

Испытания в безэховых камерах позволяют выяснить, насколько хорошо акустическая система наполняет комнату звуком (это зависит от волноводных элементов системы). Если сравнить звук со светом, то акустическая система при одних условиях выступает лампочкой, а при других — фонариком. На низких частотах звук динамика распространяется повсюду (как свет от электрической лампы, т.е. равномерно во всех направлениях), а на высоких частотах от динамика звук идет в виде узкого пучка (как от направленного в одну сторону фонарика). Испытания в безэховой камере демонстрируют переход из одного режима динамика в другой.

Слева: уровень звукового давления (SPL) на низкой частоте (режим лампочки). Справа: уровень звукового давления (SPL) на высокой частоте (режим фонарика).

Командная работа

Со временем Беццола заметил, что специалисты по преобразователям всё чаще обращаются к нему за помощью в проведении численного моделирования, и решил, что пора что-то менять. С помощью Среды разработки приложений в COMSOL Multiphysics он создал специальные приложения для моделирования преобразователей, которые инженеры могут использовать для повседневных расчетов, не обращаясь к Беццоле за помощью.

В приложения для моделирования преобразователей Беццола включил лишь несколько кнопок и полей для ввода входных данных. Таким образом, для получения необходимых результатов инженерам, у большинства из которых нет опыта работы с традиционным программным обеспечением для численного моделирования, достаточно просто выбрать несколько предустановленных опций. И это не единственное преимущество данной технологии! У Беццолы теперь появилось больше времени, которое можно посвятить новым перспективным проектам.

Системный подход в компании Samsung к разработке громкоговорителей, звуковых панелей и других акустических систем сочетает в себе численное моделирование, оптимизацию, разработку прототипов и тестирование — а также собирает воедино знания и опыт инженеров, специализирующихся на акустике, механике и моделировании.

В Samsung Audio Lab будущее звучит насыщенно.

Внедрение методов численного моделирования в процесс разработки акустических систем помогло Samsung оптимизировать основную линейку продуктов быстрее и с меньшими затратами, чем при использовании исключительно физических прототипов. «По сравнению с традиционным циклом разработки, с помощью моделирования мы действительно можем сэкономить много времени и сил, которые уходили на создание прототипов», — поясняет Беццола. По мнению Девантье, моделирование служит источником вдохновения и новых идей, которые группа в ином случае даже не стала бы пробовать: «Для Samsung Audio Lab моделирование — это способ продвинуться вперед на рынке аудиосистем».