Akustiksimulation Perfekter Sound im Heimkino dank FEM

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3D-Sourround-Sound schafft realitätsnahe Klangerlebnisse – doch die Entwicklung entsprechender Lautsprecher für Fernsehgeräte ist kein Pappenstiel. Dolby Laboratories setzt deshalb auf Akustiksimulation.

Es scheint, als würde der Hubschrauber tatsächlich über den eigenen Kopf im eigenen Wohnzimmer hinweg donnern: Die 3D-Surround-Sound-Technologie erweitert das Klangerlebnis im Heimkino im Vergleich zu herkömmlichem Surround-Sound um eine Höhenebene und lässt uns so noch tiefer eintauchen. Es entsteht eine optimale Klanglandschaft, die die Geschichte auf dem Bildschirm unmittelbar erlebbar macht – weil die Geräuschkulisse auch über den Köpfen hörbar wird. Damit werden Klänge räumlich differenzierter wiedergegeben und sich bewegende Soundquellen wie etwa Hubschrauber lassen sich präzise orten.

Dolby Laboratories, Entwickler innovativer Audiosysteme und -technologien, bringt mit seinem Audioformat Dolby Atmos, eine eingetragene Marke der Dolby Laboratories Licensing Corporation, die multidimensionale 3D-Audiotechnologie auch in die Haushalte. 2014 führte das Unternehmen die Dolby Atmos-fähige-Lautsprechertechnologie (DAES, Dolby Atmos enabled speaker) für Heimkinosysteme ein und erweiterte die Technologie später für Soundbar-Produkte. Nun entwickelt Dolby Laboratories diese Technologie direkt für Fernseher.

Herausforderung: Lautsprechermembran in kompakte Fernsehgeräte integrieren

Um einen realistischen Overhead-Sound zu erzeugen, verwendet die DAES-Technologie ein Lautsprecherkonzept, das den Schall nach oben abstrahlt und von der Decke reflektiert. Diese Lautsprecher werden mit einer Wahrnehmungsfilterung versehen, um das Gefühl der Höhe zu verstärken, so dass für den Hörer der Klang von der Decke und nicht aus dem Lautsprecher zu kommen scheint. Doch 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.

Mit akustischen FEM- und BEM-Analysen zum optimalen Abstrahlungsmuster

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 12,7 cm dick. Nach weiteren Marktstudien entschied sich das Team aber, ein DAES mit nur 1 Zoll Dicke zu entwickeln. Um die Anforderungen an das ultradünne Design zu erfüllen, bauten sie einen ultradünnen Mikrotransducer (90 mm × 15 mm) in das Design des Lautsprechers ein. Dieser erhielt darüber hinaus einen akustischen Reflektor, um die akustische Energie effizient zur Decke hin umzuverteilen und so den Sweet-Spot-Abdeckungsbereich des Lautsprechers zu verbessern.

Mit der akustischen Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) im Acoustics Module, einem Add-On der Simulationssoftware Comsol Multiphysics, 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.

Anschließend wurde eine FEM-Studie 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 analysieren und bewerten. Zudem wurden die unterschiedlichen Randbedingungen für die Deckenhöhe in der Simulation berücksichtigt.

Validierung der Ergebnisse mithilfe eines Lautsprecher-Prototyps

Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse wurden physische Prototypen des schlanken Height-Channel-Lautsprechers mit integriertem akustischen Reflektor für Tests und zur Validierung gebaut. Die Freifeld-Schalldruckergebnisse der FEM-Studie wurden mit experimentellen Ergebnissen aus einem Klippel-Nahfeld-Scanner (NFS) validiert. Insgesamt kamen die Dolby Laboratories zum Ergebnis, dass ein integrierter akustischer Reflektor die immersive Qualität von schlanken Height-Channel-Lautsprechern deutlich steigern kann.

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Herausforderungen clever meistern

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. „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.

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