6 Beispiele für die simulationsbasierte Entwicklung von Lautsprechern

Lautsprecher werden in verschiedene Arten von Produkten eingebaut, von Soundbars und Fernsehern bis hin zu Kopfhörern und Hörgeräten. Die Entwicklung von Lautsprechern, die in neue und verbesserte Designs hineinpassen, ohne Kompromisse bei der Klangqualität einzugehen und diese in der Regel sogar zu verbessern, erfordert Tests. Simulationssoftware hilft F&E-Teams, kostengünstiger und schneller zu entwerfen und zu testen als nur mit Prototypen, aber dieses hochgradig gekoppelte Problem erfordert die Multiphysik-Simulation für eine realitätsnahe Darstellung der Welt. Hier finden Sie sechs Gebiete, auf denen Lautsprecher mit Hilfe von Multiphysik-Simulationen entwickelt werden.

1. Home-Entertainment-Systeme

TVs mit immersivem Audio

Dolby Laboratories hat 2014 die Technologie Dolby Atmos® Enabled Speaker (DAES) auf den Markt gebracht. Die ursprünglich in Heimkinos und Soundbars implementierte Technologie sollte nun auch direkt in Fernsehgeräte eingebaut werden. Das Ziel? Einen DAES-Lautsprecher zu entwickeln, der in einen dünnen Fernseher passt und dennoch die optimale Abdeckung des “Sweet Spot” für den Verbraucher bietet.

Ein Plot des Schalldruckpegels in einem Raum mit einem Dolby Atmos® TV-Lautsprecher. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dolby Laboratories.

Die Simulationsingenieure bei Dolby verwendeten einen hybriden FEM-BEM-Ansatz zur Topologieoptimierung des akustischen Reflektors des Lautsprechers (FEM) und zur Analyse seiner Richtcharakteristik (BEM). Die Simulationsergebnisse wurden für den Bau eines Prototyps genutzt, der daraufhin mit einem Nahfeldscanner getestet wurde. Das Dolby-Team konnte feststellen, dass der integrierte akustische Reflektor die DAES-Technologie für dünne Fernsehgeräte deutlich verbessern kann.

Hier können Sie die ganze Geschichte lesen: Entwicklung einer ultradünnen Dolby Atmos® Lautsprechertechnologie für Home-Entertainment-Systeme.

Soundbars

Samsung Research America verfügt über ein eigenes Audiolabor in Kalifornien, in dem Audioprodukte designt, entwickelt und getestet werden. Um optimierte Lautsprecher für Fernseher und Soundbars zu entwickeln, musste das Team drei wichtige Eigenschaften berücksichtigen:

1. Frequenzgang
2. Schallverteilung
3. Nichtlinearitäten

Ein Wohnzimmer mit einem Plot des Abstrahlungsmusters (oder der räumlichen Antwort) eines Lautsprechers in einem Home-Entertainment-System. Bild mit freundlicher Genehmigung von Samsung Research America.

Das Samsung-Team wandte sich der Simulation zu, um einzelne Komponenten des Lautsprechers, wie den Wellenleiter, das Gehäuse und den Schallwandler, sowie das gesamte Lautsprechersystem zu untersuchen. Anschließend entwickelten sie Prototypen und testeten sie in Absorberkammern, um die Ergebnisse zu bestätigen. Zur weiteren Rationalisierung des Entwicklungsprozesses entwickelte und verteilte das Samsung-Team Apps für die Konstrukteure der Schallwandler.

Hier können Sie die ganze Geschichte lesen und ein dazugehöriges Video ansehen: Samsung verbessert das Design von Lautsprechern mit Simulation.

2. Kopfhörer

VR-Spiele

Die Valve Corporation, ein führender Entwickler von Videospieltechnologien, beauftragte Tectonic Audio Labs mit der Entwicklung eines Virtual-Reality-Headsets (VR) mit der Fähigkeit, den Endverbrauchern die willentliche Aussetzung der Ungläubigkeit zu ermöglichen. Als Antwort darauf entwarf das Tectonic-Team einen hochmodernen Lautsprecher auf Basis der BMR-Technologie (Balanced Mode Radiator).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lautsprechern nutzen BMR-Lautsprecher die Biegewellen in der Lautsprechermembran, anstatt sie zu vermeiden. Sie können außerdem hohe Frequenzen verarbeiten, was für eine gleichmäßige Schallausbreitung wünschenswert ist.

Das vollständig gekoppelte Modell eines BMR-Lautsprechers. Bild mit freundlicher Genehmigung von Tectonic Audio Labs.

Mithilfe der Multiphysik-Simulation der elektromagnetischen, mechanischen und akustischen Phänomene im Inneren des BMR-Lautsprechers konnte das Tectonic-Team das Biegeverhalten, die Schwingspule und die Aufhängungsgeometrie des Modells optimieren. Daraufhin wurde der BMR-Lautsprecher in das VR-Headset integriert, auf den Markt gebracht und ist heute ein führendes Produkt für VR-Spiele.

Hier können Sie die ganze Geschichte lesen: Entwicklung des Gold-Standards für immersives Audio in Virtual-Reality-Spielen.

Elektrostatik

Warwick Audio Technologies (WAT) und Xi Engineering, ein COMSOL Certified Consultant, haben ein Design für einen elektrostatischen Wandler zur Verwendung in Kopfhörern entwickelt. Elektrostatische Wandler sind vorteilhaft, weil sie eine verbesserte Klarheit, weniger Verzerrungen und eine größere Bandbreite bieten – Eigenschaften, die traditionell nur bei High-End-Kopfhörern verfügbar sind.

Die Teams von WAT und Xi nutzten Akustiksimulationen, um die einzelnen Materialien und Designparameter ihrer elektrostatischen Wandlerkomponente zu untersuchen, und erstellten Simulations-Apps aus ihren Modellen zur Untersuchung der Auswirkungen von Parameteränderungen auf ihre Designs. Das Ergebnis war ihr HPEL-Wandler (High Precision Electrostatic Laminate), dessen patentierte Technologie auf einer ultradünnen Membran und einer einzigen leitfähigen Platte (anstelle eines Paares) basiert und sich perfekt für elektrostatische Kopfhörer eignet.

Der von den Teams von WAT und Xi entwickelte HPEL-Wandler. Bild mit freundlicher Genehmigung von Warwick Audio Technologies.

Lesen Sie die ganze Geschichte in der COMSOL News 2017: Music to Your Ears: New Transducers Meet Electrostatic Headphones.

3. Hörgeräte

Die Knowles Corporation ist ein führender Anbieter von Schallwandlern für Hörgeräte. Ein Problem, an dessen Lösung das Unternehmen ständig arbeitet, ist die Rückkopplung bei Hörgeräten, die bei den Endbenutzern ein hochfrequentes Quietschen verursacht und die Verstärkungsleistung des Geräts einschränkt. Um ihre Designs zu optimieren und den Prototyping-Prozess zu beschleunigen, entwickelte das Knowles-Team vibroakustische Modelle des Hörgerätwandlers, die eine vollständige Darstellung des akustischen, mechanischen und elektromagnetischen Verhaltens des Hörgeräts bieten. Anschließend überprüften sie ihre Modelle mit physikalischen Messungen und teilten ihre Ergebnisse mit anderen Unternehmen der Hörgeräteindustrie.

“Bis jetzt war die Prüfung und Optimierung von Designs für Hörgeräte gleichermaßen eine Kunst wie eine Wissenschaft. Wir freuen uns sehr darauf, neue Designs für Hörgeräte zu sehen, die von diesen Modellen profitiert haben.”
– Brenno Varanda, Senior Electroacoustic Engineer bei Knowles Corp.

Lesen Sie die ganze Geschichte in der COMSOL News 2017: On the Cutting Edge of Hearing Aid Research.

4. Autos

HARMAN International, eine Tochtergesellschaft der Samsung Electronics Co. Ltd, entwickelt Audiosysteme für Luxusfahrzeuge. Diese Fahrzeuge enthalten oft Infotainment-Systeme, die dem Endbenutzer ein individuelles Hörerlebnis bieten. Um den bestmöglichen Klang dieser Systeme zu gewährleisten, setzt das HARMAN-Team Simulationen ein und kann so bereits früh im Designprozess die verschiedenen Komponenten, die Akustik und die speziellen Fahrzeugkonfigurationen berücksichtigen. Beispiele hierfür sind die Auswirkungen der Steifheit von Autotüren auf die Akustik des Fahrzeugs sowie die Veränderung des Schalldruckpegels im Fahrzeuginnenraum in Abhängigkeit von der Platzierung der Lautsprecher.

Das akustische Schallfeld der Rückbank eines Autos mit erweiterter Umgebung. Bild mit freundlicher Genehmigung von HARMAN International.

Darüber hinaus entwickelt und betreibt das Team von HARMAN eine Bibliothek mit geprüften Simulations-Apps, die von Ingenieuren im gesamten Unternehmen genutzt werden können, um die Leistung von Lautsprechern in vielen verschiedenen Fahrzeugkonfigurationen und unter verschiedenen Hörbedingungen vorherzusagen.

Hier können Sie die ganze Geschichte lesen: Simulation Applications Help Shape the Design of Car Audio Systems.

5. Tragbare Lautsprecher

Sonos, Inc. entwickelt tragbare Lautsprecher für den privaten Gebrauch. Eine wichtige Anforderung an diese Lautsprecher: Sie müssen sofort nach dem Auspacken funktionieren. Das Team von Sonos nutzte die Simulation, um beim Design seiner Lautsprecher drei wichtige Aspekte zu berücksichtigen:

1. Ermüdung
2. Umgebungsbedingungen
3. Handhabung durch den Benutzer

Sie konnten sicherstellen, dass ihre Lautsprecher robust genug sind, um bestimmten Belastungen standzuhalten.

Hier können Sie die ganze Geschichte lesen und das Keynote-Video ansehen: Using Simulation to Develop Reliable Audio Transducers.

6. Allgemeine Fertigung

B&C Speakers entwickelt Lautsprechertreiber. Durch den Einsatz von Multiphysik-Simulation sind sie in der Lage, Elektromagnetik, Mechanik, Akustik und Thermodynamik zu analysieren, die mit dem Design dieser Geräte zusammenhängen. Die Lautsprechertreiber von B&C Speakers werden in einer Vielzahl von Audioprodukten eingesetzt.

Hier können Sie sich das Keynote-Video ansehen: Multiphysics Simulation Analysis Loudspeaker Drivers.

Sie sind dran!

Die Application Gallery enthält mehr als 20 Tutorial-Modelle mit Lautsprechern und Lautsprecherkomponenten. Stöbern Sie in der Auswahl und suchen Sie sich ein Tutorial-Modell aus, um die Modellierung eines Lautsprechers in der COMSOL Multiphysics® Software selbst auszuprobieren. Alle Dateien sind frei zugänglich.

Viel Spaß beim Modellieren!

 
Dolby Atmos ist eine eingetragene Marke der Dolby Laboratories Licensing Corporation.