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3D-Surround-Sound bietet den Verbrauchern ein erstklassiges und realitätsnahes Klangerlebnis. Dolby Laboratories mit Hauptsitz in San Francisco, USA, hat mit Hilfe von Akustiksimulationen eine innovative 3D-Surround-Sound-Technologie für Fernsehgeräte entwickelt.

Von Rachel Keatley
Januar 2021

Regentropfen platschen gegen die Blätter der Bäume über Ihnen. In der Ferne zwitschern Tukane. Ein Rascheln von Ästen dringt an Ihr linkes Ohr. Sie blicken hinüber und sehen einen Jaguar, der Sie ansieht. Obwohl es sich anhört, als wären Sie auf einem Trekking im Amazonas-Regenwald, sitzen Sie in Wirklichkeit in Ihrem Wohnzimmer und sehen einen Film. 3D-Surround-Sound verbessert die Art und Weise, wie Sie Home Entertainment erleben, indem er eine optimale Klanglandschaft schafft, die Sie vollständig in die Geschichte auf dem Bildschirm einhüllt.

Da die digitale Welt und die reale Welt immer mehr miteinander verschmelzen, erwarten immer mehr Verbraucher diese Art von unvergesslichem und lebensechtem Audioerlebnis von ihren Home Entertainment Systemen. Dolby Laboratories, ein führender Entwickler innovativer Audiosysteme und -technologien, bringt mit seinem Audioformat Dolby Atmos^® die multidimensionale 3D-Audiotechnologie in die Haushalte.

Im Jahr 2014 führte Dolby Laboratories die Dolby Atmos^® Enabled Speaker (DAES) Technologie für Home-Entertainment-Systeme ein und erweiterte sie später für Soundbar-Produkte. Nun entwickelt es diese Technologie auch direkt für Fernsehgeräte.

Die Wissenschaft hinter dem Klang

Um einen realistischen Klang zu reproduzieren, verwendet die DAES-Technologie ein nach oben gerichtetes Lautsprecherkonzept, das den Klang nach oben abstrahlt und von der Decke reflektiert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese Lautsprecher werden mit einem Wahrnehmungsfilter versehen, um das Gefühl der Höhe zu verstärken, so dass der Verbraucher den Ort der Klangentstehung als den Punkt der Reflexion an der Decke und nicht als den physischen Standort des Lautsprechers wahrnehmen kann. "Wenn Sie herkömmliche TV-Lautsprecher haben, hören Sie den Klang des Lautsprechers, der direkt vor Ihnen aus dem Fernseher kommt. Mit Dolby Atmos^®-fähigen TV-Lautsprechern hören Sie den Klang von oben, der von der Decke kommt", sagte Lakshmikanth Tipparaju, ein leitender Ingenieur für akustische Systeme und Schallwandler bei Dolby Laboratories.

Ein Dolby Atmos Height-Channel-Lautsprecher befindet sich vor einer Person, die auf einer Couch sitzt und als Zuhörer bezeichnet wird. Der Ton wird in Blau dargestellt und geht von der Oberseite des Lautsprechers zur Decke und prallt dann nach unten zum Zuhörer.

Abbildung 1. Skizze eines herkömmlichen Height-Channel-Lautsprechers.

Design-Herausforderungen für ultradünne TV-Lautsprecher

Die Entwicklung eines DAES für moderne Fernsehgeräte ist schwierig, da die Geräte immer kompakter werden, und die Form und der verfügbare Bereich für die nach oben abstrahlende Lautsprechermembran durch die geringe Dicke des Fernsehers immer mehr eingeschränkt wird, was zu einem schmalen Höhenkanal-Deckenbild führt.

Für Lakshmikanth Tipparaju, Senior Acoustic System and Transducer Engineer bei Dolby Laboratories ist es eine große Herausforderung, schlanke Dolby Atmos®-fähige TV-Lautsprecher zu entwickeln, die einen großen Sweet-Spot-Bereich um die typische Zuhörer-Position herum abdecken können. „In diesem Sweet-Spot-Abdeckungsbereich können wir das Bild des Höhenkanals an der Decke konsistent wahrnehmen“, so Tipparaju.

Um einen DAES zu entwickeln, der sowohl dünn genug für moderne Fernsehgeräte ist als auch einen großen Sweet Spot abdeckt, wandte sich Dolby Laboratories der Akustiksimulation zu. Für Tipparaju besteht der Hauptvorteil der Simulation darin, dass er die Leistung neuer Lautsprecherdesigns bewerten kann, bevor er einen physischen Prototyp baut und testet – und so wertvolle Zeit und Ressourcen spart.

Akustische FEM- und BEM-Analysen

Mithilfe der Akustikmodellierung in der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics® untersuchte Tipparaju verschiedene Konzepte für nach oben abstrahlende Lautsprecher, um die Abdeckung des Sweet Spots zu optimieren.

„Ursprünglich haben wir einen Lautsprecher mit einer Dicke von 2 Zoll gebaut," so Tipparaju. (Eine typische Soundbar ist etwa 5 Zoll oder 12,7 Zentimeter dick). Nach weiteren Marktstudien entschied sich das Team, ein DAES mit nur 1 Zoll Dicke zu entwickeln. Um die Anforderungen an das ultradünne Design zu erfüllen, bauten sie einen ultradünnen Mikrotransducer (90 x 15 Millimeter) in das Design des Lautsprechers ein. Dieses erhielt außerdem einen akustischen Reflektor, um die akustische Energie effizient zur Decke hin umzuverteilen und so den Sweet-Spot-Abdeckungsbereich des Lautsprechers zu verbessern.

Die Modellgeometrie eines schlanken, hohen Lautsprechers mit drei Winkeln: +90, 0, und -90 Grad.

Abbildung 2. Schlanker Höhenlautsprecher mit integriertem akustischem Reflektor - Bewertungsebene der Richtwirkung.

Mit der akustischen Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) im Acoustics Module, einem Add-On zur COMSOL Multiphysics® Simulationssoftware, optimierte Tipparaju die Topologie des akustischen Reflektors, um ein asymmetrisches Abstrahlungsmuster zu erzeugen, das die Energieverteilung entlang der Deckenrichtung (0 bis +90 Grad) maximiert und den Direktschall (0 bis -90 Grad) zum Zuhörer hin ausreichend dämpft (siehe Abbildung 2).

Das asymmetrische Abstrahlungsmuster eines Lautsprechers mit einem akustischen Reflektor in verschiedenen Winkeln von -90 bis +90 Grad, visualisiert in Regenbogenfarben mit breiteren Farbbändern.

Das asymmetrische Abstrahlungsmuster eines Lautsprechers ohne akustischen Reflektor unter verschiedenen Winkeln von -90 bis +90 Grad, dargestellt in Regenbogenfarben mit schmaleren Farbbändern.

Abbildung 3. Simulierter Vergleich der vertikalen Richtwirkung eines schlanken Lautsprechers mit integriertem Reflektor (links) und eines herkömmlichen schlanken Lautsprechers ohne Reflektor (rechts).

Eine FEM-Studie wurde durchgeführt, um die Topologie des akustischen Reflektors auf der Grundlage der vertikalen Richtwirkung im Freifeld zu optimieren. In einer BEM-Analyse konnte das Team die Vorteile der Richtwirkung des akustischen Reflektors unter Berücksichtigung der Einschränkungen bei der Integration von TV-Panels und Deckenreflexionen numerisch bewerten.

Eine 2D-Grafik in Schwarz-Weiß stellt ein Dolby-Produkt dar und eine Regenbogen-Multislice-Darstellung zeigt den Schalldruckpegel in dB um dieses Produkt herum.

Abbildung 4. Ein Multislice-Plot in COMSOL Multiphysics^®, der die Schalldruckpegel-Verteilung bei 10 kHz darstellt.

Bei ihren Simulationen berücksichtigen Dolby Laboratories häufig die unterschiedlichen Randbedingungen für die Deckenhöhe. "In den Vereinigten Staaten ist die typische Deckenhöhe etwa 8 bis 12 Fuß hoch, und wir evaluieren die Reaktion der Lautsprecher unter diesen verschiedenen Bedingungen", so Tipparaju.

Validierung der Ergebnisse mit einem Nahfeld-Scanner

Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse wurden physische Prototypen des schlanken Height-Channel-Lautsprechers mit integriertem akustischen Reflektor für Tests und zur Validierung gebaut.

Zwei reale Prototypen nebeneinander: beide sind schwarz und zylindrisch; der linke ist ein ultradünner Mikrotransducer und der rechte ein ultradünner DAES.

Abbildung 5. Prototyp des ultradünnen Mikrotransducers (links) und eines ultradünnen DAES mit einer Dicke von 1 Zoll (rechts).

Die Freifeld-Schalldruckergebnisse der FEM-Studie wurden mit experimentellen Ergebnissen aus einem Klippel-Nahfeld-Scanner (NFS) validiert. Insgesamt kamen Dolby Laboratories zum Ergebnis, dass ein integrierter akustischer Reflektor die immersive Qualität von schlanken Height-Channel-Lautsprechern deutlich steigern kann. Um das erstklassige, immersive Klangerlebnis für Fernsehgeräte weiter zu verbessern, arbeitet Dolby Laboratories derzeit an der Erweiterung der akustischen Reflektortechnologie für seitlich abstrahlende Surround-TV-Lautsprecher.

Die Zukunft der immersiven Audiotechnologie

„Das Hauptziel unseres Teams ist es, mit der Entwicklung von verschiedenen akustischen Hardwaresystemen und Technologien die Verbreitung von Dolby Atmos® in Unterhaltungselektronikprodukten zu steigern“, so Tipparaju. Für die Zukunft plant Dolby die Entwicklung von Dolby Atmos®-fähigen Lautsprechern für den Bereich der Smart Speaker und der drahtlosen Lautsprecher.

Laut Tipparaju wird dies ein interessantes Unterfangen sein, denn er wird eng mit kompakteren Formfaktoren arbeiten müssen, die Mikrofonarrays und zusätzliche Lautsprecher enthalten. Mithilfe von Simulationen will er Hardware-Lösungen entwickeln, um die Immersivität dieser Art von Systemen weiter zu verbessern.

Danksagung

Lakshmikanth Tipparaju dankt seinem Manager John Stewart, seinen Kollegen im Enhanced Consumer Devices Innovation Team und dem Atmos TV Produktmanagement bei Dolby für die Unterstützung dieser Arbeit.

Dolby Atmos ist ein eingetragenes Markenzeichen der Dolby Laboratories Licensing Corporation.