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Developing Ultrathin Dolby Atmos® Enabled Speaker Technology for Home Entertainment Systems

3次元 (3D) サラウンドサウンドテクノロジーは, 消費者にプレミアムで完全に没入型のオーディオ体験を提供します. このような技術の開発を主導している会社の1つとして, 米国カリフォルニア州サンフランシスコに本社を置く Dolby Laboratories があります. 近年, 彼らは音響シミュレーションの助けを借りて, テレビ用の革新的な3Dサラウンドサウンド技術を開発しています.

Rachel Keatley 著
2021 1月

雨滴が頭上の木の葉に落ちます. 遠くでオオハシが鳴き, 枝のざわめきが左耳に響きます. 横を見ると, ジャガーがあなたを見つめていることに気づきます. アマゾンの熱帯雨林をトレッキングしているように聞こえるかもしれませんが, 実際にはあなたはリビングルームに座って映画を見ているのです. 3Dサラウンドサウンドは, 画面上のストーリーにユーザーを完全に包み込む最適なサウンドスケープを作成することにより, ホームエンターテインメントの体験を強化します.

デジタルの世界と現実の世界が融合し続けるにつれて, より多くの消費者が, ホームエンターテインメントシステムにこの種の印象的でリアルなオーディオ体験を期待しています. 革新的なオーディオシステムとテクノロジーの大手開発者である Dolby Laboratories は, Dolby Atmos® オーディオフォーマットを通じて, 3D多次元オーディオテクノロジーを家庭へと導入し始めています.

2014年, Dolby Laboratories はホームシアターシステム向けに Dolby Atmos® 対応スピーカー(DAES)テクノロジーを導入し, 後にこのテクノロジーをサウンドバー製品向けに拡張しました. 現在, 彼らはテレビ用のDAESテクノロジーを開発して, 没入型ホームオーディオテクノロジーの可能性の限界を押し広げています.

Dolby Atmos® 対応スピーカー科学

図1で示しているように, リアルな頭上の音を再現するために, DAESテクノロジーは上向きに発射するスピーカー設計を採用して音を上向きに放射し, 天井で反射します. これらのスピーカーには知覚フィルタリングが適用され, 仰角感が増幅されます. これにより, 消費者は, スピーカーの物理的な位置ではなく, 天井の反射点として音の発生位置を認識できます. 「従来のテレビスピーカーをお持ちの場合は, テレビから目の前でスピーカーの音が聞こえます. Dolby Atmos® 対応のテレビスピーカーを使用すると, 天井から頭上の音が聞こえます」と, Dolby Laboratories の上級音響システムおよびトランスデューサーエンジニアである Lakshmikanth Tipparaju氏は述べています.

A Dolby Atmos enabled height channel speaker is located in front of a person sitting on a couch, labeled listener, and the sound is illustrated in blue going from the top of the speaker, to the ceiling, and then bouncing down toward the listener. Sound radiates upward
図1. 従来の (大きなフォームファクターの) ハイトチャンネルスピーカーのスケッチ.

超薄型TVスピーカーの設計上の課題

最新の家電製品を頻繁に閲覧していると, テレビが年々滑らかで薄くなっていることにお気づきになったかもしれません. スリムなフォームファクターのTV設計の制約により, TV用のDAESを設計することは困難です. なぜでしょう? それは, テレビのデザインがよりコンパクトになるにつれて, 境界面に密接に結合されている上向きに発射するスピーカーの振動板に利用できる形状と領域が, テレビの厚さによってより制限され, 狭いハイトチャンネル天井画像を作成するからです.

Tipparaj氏によると, リスナーの典型的な位置の周りに大きなスイートスポットカバレッジを提供できるスリムな Dolby Atmos® 対応のテレビスピーカーを設計することが重要な課題となります. 「スイートスポットカバレッジエリアとは, 天井のハイトチャンネル画像を一貫して知覚できる領域のことです. スイートスポットのカバレッジエリアから離れると, 天井の画像が損なわれます」とTipparaju氏は説明します.

現代のテレビに組み込むのに十分な薄さであり, 広いスイートスポットカバレッジを提供するDAESを設計するために, Dolby Laboratories は音響シミュレーションに目を向けました. Tipparaju氏は, シミュレーションテクノロジーの主な利点は, 実際の物理プロトタイプを作成してテストする前に, 新しいスピーカーデザインのパフォーマンスを評価できることであり, 貴重な時間とリソースを節約できると考えています.

音響FEMおよびBEM解析

Tipparaju氏は, COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアの音響モデリングを使用して, スイートスポットカバレッジを最適化するためのいくつかの異なる上向きに発射するスピーカーのデザインコンセプトを検討しました.

「当初, 私たちは2インチの厚さのスピーカーを作りました」とTipparaju氏は言います. (一般的なサウンドバーの厚さは約5インチ, つまり12.7センチメートルです.) 「全体的にはかなり没入感がありますが, さらにデザインの競争力を高めたいと考えました.」さらなる市場調査を行った後, Tipparaju氏と彼のチームは, 厚さ1インチのDAESを開発することを決定しました. 極薄の設計上の制約を満たすために, 彼らは極薄のマイクロトランスデューサー(90ミリメートル×15ミリメートル)をスピーカーの設計に組み込みました. さらに, 音響リフレクターをスピーカーの設計に追加して, 音響エネルギーを天井に向かって効率的に再分配することで, 同時にスピーカーのスイートスポットカバレッジエリアを改善することにも成功しました.

The model geometry of a slim height speaker with annotations at three angles: +90, 0, and -90 degrees. Slim height speaker model geometry
図2. 音響反射板が組み込まれたスリムな高さのスピーカー - 指向性評価面.

COMSOL Multiphysics® のアドオンである「音響モジュール」の音響有限要素法(FEM)および境界要素法(BEM)機能を使い, Tipparaju氏は音響反射器のトポロジーを最適化して非対称放射パターンを作成し, 天井方向(0度から+90度)に沿ったエネルギー分布を最大化し, 図2に示してあるように, リスナーへの直接音(0度から-90度)を十分に減衰させました.

The asymmetric radiation pattern for a speaker with an acoustic reflector at different angles, from -90 to +90 degrees, visualized in rainbow with wider bands of color. SPL plot for speaker with integrated reflector
The asymmetric radiation pattern for a speaker without acoustic reflector at different angles, from -90 to +90 degrees, visualized in rainbow with narrower bands of color. SPL plot for speaker without reflector
図3. リフレクターが統合されたスリムハイトスピーカー(左)とリフレクターなしの従来のスリムハイトスピーカー(右)のシミュレートされた垂直面指向性の比較. ここで, リフレクター付きのスピーカーの方が天井反射のカバレッジが広いことがわかります.

自由音場の垂直面の指向性に基づいて音響反射器トポロジーを最適化するために, FEM研究が実行されました. さらに, BEM分析により, TVパネルの統合制約と天井反射を考慮して, 音響反射器の指向性応答の利点が数値的に評価されました. 「リスナーの位置の周りに均一な高さのチャネルカバレッジがあることを確認したかったのです」とTipparaju氏は述べます. Tipparaju氏によると, シミュレーションで天井に沿った音圧分布を評価できることは, 最適な左右のスピーカーモジュールの間隔とトランスデューサーのアーキテクチャを決定するのに役立つため, 非常に価値があります.

A 2D graphic in black and white represents a Dolby product and a rainbow multislice plot shows the sound pressure level in dB around it. Multislice plot
図4. COMSOL Multiphysics® の10kHzでのSPL分布を示すマルチスライスプロット.

シミュレーションで, Dolby Laboratories はさまざまな天井高の境界条件を考慮に入れることがよくあります. 「米国では, 通常の天井の高さは約8~12フィートであり, これらのさまざまな条件でのスピーカーの応答を評価します」とTipparaju氏は説明します.

近接場スキャナーによる結果の検証

シミュレーション結果に基づいて, 音響反射器が統合されたスリムハイトチャンネルスピーカーの物理的なプロトタイプがテストと検証のために作成されました.

Two real prototypes shown side-by-side: both are black and cylindrical; the left one is an ultrathin microtransducer and the right one is an ultrathin DAES. Prototypes
図5. 極薄マイクロトランスデューサー(左)と厚さ1インチの極薄DAES(右)のプロトタイプ.

FEM研究の自由音圧の結果は, Klippel近接場スキャナー(NFS)測定システムの実験結果で検証されました. 「近接場スキャナーを使用する利点は, 任意の空間または任意の部屋で高速3D無響音響測定を実行できることです」とTipparaju氏は言います.

全体として, Dolby Laboratories は, 統合された音響リフレクターがスリムハイトチャンネルスピーカーの没入感を大幅に向上させることができると判断できました. Dolby Laboratories は, テレビのプレミアムで没入型のオーディオエクスペリエンスをさらに強化するために, 現在, サイドファイアリングサラウンドテレビスピーカーの音響反射器技術の拡張に取り組んでいます.

没入型オーディオテクノロジーの未来

「私たちのチームの主な目標は, さまざまな音響ハードウェアシステムとテクノロジーを開発することです. これにより, さまざまな家電製品での Dolby Atmos® の採用を増やすことができます」とTipparaju氏は述べています. 将来的には, Dolby はスマートスピーカーおよびワイヤレススピーカー市場向けに Dolby Atmos® 対応スピーカー技術を開発する予定です.

Tipparaju氏によると, これは興味深いベンチャーになります. マイクアレイと追加のスピーカーを含むよりコンパクトなフォームファクターを綿密に使用していく必要があるからです. 彼はシミュレーションの助けを借りて, このタイプのシステムへの没入感を向上させるハードウェアソリューションを開発することを計画しています.

謝辞

Lakshmikanth Tipparaju は, このプロジェクトを支援してくださったマネージャーの John Stewart, Enhanced Consumer Devices Innovation チーム内の同僚, および Dolby 内の Atmos TV 製品幹部の方々に感謝いたします.


Dolby Atmos は, Dolby Laboratories Licensing Corporation の登録商標です.