スピーカーは, サウンドバーやテレビ, ヘッドフォンや補聴器など, さまざまな製品に組み込まれています. 音質に妥協することなく, また一般的には音質を向上させることなく, 新しいデザインや改良されたデザインに適合するスピーカーを開発するためには, テストが必要です. シミュレーションソフトウェアは, 研究開発チームがプロトタイピングだけよりも安価かつ迅速に設計とテストを行うのに役立ちますが, この高度に連関した問題では, 現実世界を正確に表現するためにマルチフィジックスシミュレーションが必要となります. ここでは, マルチフィジックスシミュレーションの助けを借りてラウドスピーカーが開発されている6つの分野を紹介します.
1. ホームエンタテインメントシステム
イマーシブオーディオ搭載テレビ
Dolby Laboratoriesは, 2014年にDolby Atmos® enabled speaker（DAES）技術を市場に投入しました. もともとホームシアターやサウンドバーに実装されていたDAESを, テレビにも直接実装することを目指したのです. その目的は？それは薄型テレビに収まるDAESスピーカーを設計し, かつ消費者に最高の”スイートスポット”カバーを提供することです.
Dolby Atmos®対応スピーカーテレビを設置した部屋での音圧レベル（SPL）のプロット. 画像提供: Dolby Laboratories.
Dolby 社のシミュレーションエンジニアは，ハイブリッド FEM–BEM アプローチを使用して，スピーカーの音響反射板のトポロジを最適化し (FEM），その指向性応答を解析しました (BEM）．シミュレーションの結果をもとにプロトタイプを製作し, 近接場スキャナーでテストしました. ドルビーチームは, 統合された音響リフレクターが薄型テレビ用のDAES技術を大幅に改善できると判断することができました.
全文を読む: ホームエンタテインメントシステム向け超薄型Dolby Atmos®対応スピーカー技術を開発.
サウンドバー
Samsung Research Americaは, カリフォルニアにオーディオ専門のラボを持ち, オーディオ製品の設計, 開発, テストを行っています. テレビとサウンドバー用に最適化されたラウドスピーカーを設計するために, チームは3つの主要な品質に対処する必要がありました:
- 周波数特性
- 音響分布
- 非線形性
ホームエンターテイメントシステムのラウドスピーカーの放射パターン（空間応答）をプロットしたリビングルーム. 画像提供：Samsung Research America
Samsung 社のチームは，導波管，エンクロージャー，トランスデューサーなど，ラウドスピーカーを構成する個々の部品と，ラウドスピーカー装置全体をシミュレーションで解析しました．そして, プロトタイプを開発し, 無響室でテストして結果を検証しました. さらに開発プロセスを効率化するために, ランスデューサーの設計者向けにアプリを作成し, 配布しました.
全文を読む（関連動画も閲覧できます）: Samsung , シミュレーションでスピーカーの設計を強化.
2. ヘッドフォン
VRゲーミング
ビデオゲーム技術のリーディングカンパニーであるValve Corporationは, Tectonic Audio Labsに, エンドユーザーに不信感を抱かせないバーチャルリアリティ (VR）ヘッドセットの開発支援を依頼しました. そこでTectonic社は, バランスドモードラジエーター(BMR）技術に基づく最先端のラウドスピーカーを設計しました.
BMRスピーカーは, 従来のスピーカーとは異なり, スピーカー振動板の曲げ波を回避するのではなく, 受け入れることができます. また, 高音域にも対応できるため, 音の伝わり方が均一であることが望まれます.
BMR スピーカーの完全結合モデル. 画像提供：Tectonic Audio Labs.
Tectonic 社のチームは, BMR スピーカーの内部で起こる電磁気学, 力学, 音響学的現象のマルチフィジックスシミュレーションを使用して, モデルの曲げ挙動, ボイスコイル, およびサスペンション形状を最適化することができました. その後, BMR スピーカーは VR ヘッドセットに実装され, 市場に投入され, 現在ではVRゲームの主要製品となっています.
全文を読む: バーチャルリアリティゲームのための没入型オーディオの金字塔をデザインする.
静電気
Warwick Audio Technologies 社（WAT）と COMSOL 認定コンサルタントの Xi Engineering 社は, ヘッドフォン用の静電トランスデューサー設計を開発しました. 静電トランスデューサーは, 従来ハイエンドのヘッドフォンにしか搭載されていなかった, 明瞭度の向上, 歪みの低減, 広い帯域幅を実現する点で有益です.
WAT 社と Xi 社のチームは，音響シミュレーショ ンによって静電トランスデューサー部品の個々の材料 と設計パラメーターを調べ，そのモデルからシミュレー ションアプリを構築して，パラメーターの変更が設計 に与える影響を調査しました．その結果, 超薄型の振動板と1枚の導電性プレート (2枚1組ではない）に基づく特許技術である高精度静電ラミネート (HPEL）トランスデューサーが完成し, 静電ヘッドフォンに完全に適合するようになりました.
WAT 社とXi 社のチームが設計した HPEL トランスデューサー. 画像提供：Warwick Audio Technologies.
COMSOL News 2017: 静電型ヘッドフォンに新たな振動子を搭載し, “Music to Your Ears”を実現. から全文をお読みください.
3. 補聴器
Knowles Corporation は, 補聴器用トランスデューサーを提供するリーディングカンパニーです. 同社が一貫して求解に取り組んでいる問題の1つが, 補聴器のハウリングです. ハウリングは, エンドユーザーに甲高い鳴き声を与え, デバイスが提供できる利得の量を制限してしまいます. 設計の最適化と試作のスピードアップを図るため, Knowles 社のチームは補聴器用トランスデューサーの振動音響モデルを開発しました. このモデルは, 補聴器の音響, 機械, 電磁気の挙動を完全に表現することができます. そして、このモデルを物理的な測定で検証し、その結果を補聴器業界の他の企業と共有しました.
これまで, 補聴器のデザインの検証や最適化は, 科学と同じくらい芸術でした. これらのモデルの恩恵を受けた新しい補聴器の設計を見ることができれば, 私たちはとても嬉しく思います.”
– Brenno Varanda, シニア電気音響エンジニア, Knowles Corp.
COMSOL News 2017: 補聴器研究の最先端を行くから全文をお読みください.
4. 車
Samsung Electronics の子会社である HARMAN International は, 高級車のオーディオシステムを開発しています. 自動車にはインフォテインメントシステムが搭載されることが多く, エンドユーザーにパーソナライズされたリスニング体験を提供することができます. これらのシステムが最高のオーディオを提供できるよう, HARMAN のチームは, 設計プロセスの早い段階から, さまざまなコンポーネント, 音響特性, 車種固有の構成を考慮したシミュレーションを実施しています. 例えば, 車のドアの剛性が車の音響にどのように影響するか, スピーカーの配置によって車室内の音圧レベル (SPL) がどのように変化するかなどです.
拡張された車内環境の後部座席の音響音場. 画像提供：HARMAN International.
さらに, HARMAN 社のチームは検証済みのシミュレーションアプリのライブラリを開発公開しており, 社内のエンジニアはそれらを使って, さまざまな車種構成やリスニング条件におけるラウドスピーカーの性能を簡単に予測することができます.
全文を読む: カーオーディオシステムの設計を支えるシミュレーションアプリケーション.
5. ポータブルスピーカー
Sonos, Inc.は, 消費者向けのポータブルスピーカーを設計しています. これらのスピーカーに求められる重要な要件がひとつあります. それは, 箱から出してすぐに使えることです. Sonos 社のチームは，ラウドスピーカーの設計において，3つの主要な側面を考慮するためにシミュレーションを使用しました:
- 疲労度
- 環境条件
- ユーザー対応
その結果, スピーカーの耐久性を確保することができたのです.
全文を読み, 基調講演の動画を見る: シミュレーションによる高信頼性オーディオトランスデューサーの開発.
6. 一般製造業
B&C Speakers 社は, ラウドスピーカードライバーの設計を行っています. マルチフィジックスシミュレーションを使用することで, これらのデバイスの設計に固有の電磁気学, 力学, 音響学, 熱力学を解析することができるのです. B&C Speakers社のラウドスピーカードライバーは, さまざまなオーディオ製品に使用されています.
基調講演の動画を見る: マルチフィジックスシミュレーションによるスピーカードライバー解析.
あなたの番です！
アプリケーションギャラリには, ラウドスピーカーとラウドスピーカーコンポーネントを扱った 20 以上のチュートリアルモデルがあります. チュートリアルを参考に, COMSOL Multiphysics® を使用してラウドスピーカーをモデリングしてみてください. すべてのファイルはオープンアクセスです.
ハッピーモデリング！
Dolby Atmos は, Dolby Laboratories Licensing Corporation の登録商標です.
コメント (0)