Quand vous entendez le nom de Samsung, vous pensez sans doute aux smartphones et aux téléviseurs. Pourtant, Samsung s’est également fixé pour objectif de devenir le numéro un dans le domaine de l’audio. Pour y parvenir, Allan Devantier, responsable de l’acoustique chez Samsung Research America, a mis sur pied le Samsung Audio Lab en Californie. Il a réuni une équipe d’ingénieurs spécialisés dans les transducteurs, le traitement numérique du son (DSP, pour Digital Signal Processing), l’acoustique, la programmation et bien d’autres domaines encore… mais il manquait encore une pièce au puzzle…
Concevoir un haut-parleur : approche “mono” ou “stéréo”
Demandez à un audiophile s’il préfère les systèmes mono ou stéréo, et il vous en parlera pendant des heures. Sans entrer dans les détails, un système mono ne dispose que d’un seul canal, ce qui limite ses capacités, tandis qu’un système stéréo comporte plusieurs canaux capables de diffuser simultanément plusieurs sources via plusieurs haut-parleurs, offrant ainsi une meilleure expérience sonore. On peut utiliser une analogie similaire pour décrire le processus de développement des haut-parleurs.
Le développement “mono” consiste à concevoir un haut-parleur en utilisant un seul canal, que ce “canal” soit:
- Le prototypage comme seul moyen de tester un design
- L’étude d’un seul phénomène physique dans la simulation d’un système complexe
- Un seul ingénieur effectuant des analyses pour les autres membres de l’équipe
À l’inverse, le processus de développement “stéréo” d’un haut-parleur implique plusieurs sources interconnectées travaillant en parallèle:
- Des cycles répétés de simulation, de prototypage, de test et de validation
- Des analyses multiphysiques tenant compte de l’acoustique, de l’électromagnétisme et des vibrations
- Une équipe réunissant des compétences variées
L’équipe du Samsung Audio Lab a notamment réussi à faire passer son cycle de développement de « mono » à « stéréo » en intégrant dans ses rangs un ingénieur en simulation. En 2014, Andri Bezzola a rejoint l’équipe en tant qu’ingénieur spécialisé dans la simulation et l’analyse numérique. Devantier décrit l’ingénieur en simulation comme “le ciment qui lie tout le monde”.
Nous avons visité le Samsung Audio Lab pour découvrir comment ils utilisent la simulation multiphysique, la modélisation et les applications pour développer des haut-parleurs et d’autres produits audio. Découvrez tout cela (en images et en son) dans cette vidéo…
Haut-parleurs et barres de son: de nombreux défis de conception
À mesure que les téléviseurs deviennent de plus en plus fins, les haut-parleurs intégrés doivent être de plus en plus petits pour s’y adapter. Cela va à l’encontre de l’idée reçue selon laquelle un son de qualité nécessite de grands haut-parleurs. (Cependant, des performances exceptionnelles sont tout aussi importantes qu’un encombrement réduit.) Comment Samsung parvient-il à concilier ces exigences?
Quand on développe un haut-parleur, certains aspects peuvent faire toute la différence en matière de qualité sonore. N’étant pas un expert en audio, Andri a dû se former à l’ingénierie audio et à l’acoustique avant de pouvoir mettre à profit son expertise en simulation pour répondre à ces enjeux.
Réponse fréquentielle
Avez-vous déjà remarqué que le son de votre haut-parleur était strident, grave ou sourd (pensez au son que l’on obtient en plaçant un rouleau de papier essuie-tout vide devant sa bouche pour parler)? Si c’est le cas, la qualité sonore était altérée en raison d’une réponse fréquentielle insuffisante du haut-parleur.
Une bonne réponse en fréquence permet d’obtenir un son neutre, linéaire et plus agréable. Pour s’assurer que le son est à la hauteur, la réponse en fréquence peut être contrôlée grâce à une combinaison de composants électroniques, tels que le DSP, et à la conception du haut-parleur, que M. Bezzola analyse à l’aide de simulations.
Répartition inégale du son
Vous est-il déjà arrivé de regarder un film avec un groupe d’amis et de remarquer que certaines personnes entendent très bien la télévision tandis que d’autres ont du mal à distinguer les dialogues? Ce phénomène se produit lorsque le haut-parleur du téléviseur diffuse le son de manière inégale dans la pièce. C’est ce qu’on appelle le diagramme de rayonnement ou la réponse spatiale du haut-parleur.
Une enceinte doit diffuser le son de manière homogène dans une pièce, de sorte qu’il ne soit pas nécessaire de se trouver dans une « zone d’écoute idéale » pour profiter d’un son de haute qualité. Contrairement à la réponse fréquentielle, ce facteur peut être contrôlé uniquement par la conception des composants mécaniques de l’enceinte, tels que les guides d’ondes. Andri Bezzola relève ce défi en recourant à la simulation non seulement pour concevoir un guide d’ondes, mais aussi pour déterminer son emplacement idéal afin d’assurer une diffusion optimale du son.
Effets rauques et éraillés
La non-linéarité d’un haut-parleur peut rendre le son trop agressif et donner aux voix un timbre rauque. Hélas, les haut-parleurs sont intrinsèquement non linéaires.
Lorsque la bobine mobile se déplace à l’intérieur d’un haut-parleur, elle interagit avec un champ magnétique différent à chaque étape et à chaque position. Pour étudier cet effet non linéaire, M. Bezzola simule différentes positions du haut-parleur, en supposant que la bobine mobile est fixe dans cette position, puis effectue une simulation linéaire pour chacune d’entre elles (il appelle cela une “simulation de type pseudo-non linéaire “).
Cette approche ne rend toutefois pas compte pleinement de la réalité, car lorsque la bobine mobile se déplace, elle génère son propre champ magnétique qui interagit avec celui des aimants. Pour tenir compte de ce phénomène, il faut recourir à une simulation magnétique entièrement couplée. “Ces simulations prennent beaucoup plus de temps à résoudre”, explique M. Bezzola, “mais elles nous donnent une meilleure idée de la manière dont les non-linéarités s’influencent mutuellement.”
Cela peut sembler être beaucoup de travail, mais une enceinte bien équilibrée offre un son de qualité avec des basses enveloppantes — pour une expérience d’écoute des plus agréables.
Un cycle de développement de produit pour marquer des points
Andri Bezzola aime comparer le processus de conception des haut-parleurs à un match de baseball. Les solutions analytiques permettent à Samsung d’accéder au stade: c’est un bon début, mais il ne s’agit que d’approximations, car elles ne s’appliquent qu’à des formes idéales. M. Bezzola explique: “Nous utilisons des simulations numériques pour entrer sur le terrain et commencer à jouer”, car elles permettent d’analyser en détail les composants et les scénarios de fonctionnement. Enfin, l’optimisation permet à Samsung de frapper un home run et de battre la concurrence. Comme le dit M. Bezzola, il est capable de “tirer le maximum de chaque détail des analyses de simulation pour obtenir un son optimal”.
Relever le challenge grâce à la simulation multiphysique
À l’aide de la simulation, M. Bezzola analyse les différents composants d’un haut-parleur (tels que le guide d’ondes, le boîtier et le transducteur) ainsi que le dispositif complet. Certaines de ses analyses se concentrent sur un seul phénomène physique, tandis que d’autres prennent en compte des interactions multiphysiques, telles que celles entre la membrane du haut-parleur (structure) et la pression acoustique (air).
Comme l’explique M. Bezzola, “un haut-parleur est, par nature, un dispositif multiphysique. Nous avons des électroaimants qui génèrent un champ magnétique, couplés à une bobine mobile qui fait vibrer une membrane structurelle, ce qui provoque à son tour la propagation d’ondes acoustiques dans l’espace.” Le logiciel COMSOL Multiphysics® est un outil de simulation multiphysique permettant de réaliser des analyses multicomposants et multiphysiques. “La combinaison des différentes physiques dans COMSOL Multiphysics s’effectue de manière transparente”, explique M. Bezzola, “vous n’avez donc pas à vous soucier du couplage.”
Compte tenu de la multiplicité des composants et des phénomènes physiques en jeu, M. Bezzola s’intéresse souvent à différents types de résultats: il peut se pencher un jour sur la réponse acoustique et le lendemain sur la réponse structurelle. Lors de l’exploitation des résultats, M. Bezzola apprécie que la solution complète soit automatiquement disponible dans COMSOL Multiphysics — il n’est pas nécessaire de la définir avant de lancer la simulation.
Essais et validation: frapper un grand coup
Une analyse multiphysique réussie ne marque pas la fin du processus de développement. Le Samsung Audio Lab dispose de deux chambres anéchoïques que l’équipe de développement utilise pour tester les prototypes. La chambre en champ libre est équipée de cônes en mousse sur toute sa surface et sert à mesurer les prototypes de haut-parleurs destinés à être placés pratiquement n’importe où, loin des murs, comme une barre de son posée sur une étagère ou des haut-parleurs portables.
L’autre chambre est dotée d’une paroi solide sur un côté, ce qui permet de reproduire les conditions d’installation d’un téléviseur fixé au mur. Dans ce type de situation, le mur a en effet une incidence sur la qualité sonore de l’appareil ; il est donc important de tester les performances du haut-parleur dans cet environnement.
À gauche: une barre de son en cours de test dans la chambre anéchoïque en champ libre. À droite: la chambre anéchoïque dotée d’une paroi solide est utilisée pour tester les haut-parleurs destinés à être fixés au mur. Photos prises au Samsung Audio Lab en Californie et publiées avec l’autorisation de Samsung.
Les chambres anéchoïques permettent à M. Bezzola de valider les résultats de ses simulations, car ces deux types d’essais visent à recréer des conditions idéales. Elles servent également à effectuer des analyses isolées sur un prototype et à identifier les effets provenant du haut-parleur et ceux dus à la pièce.
Les essais en chambre anéchoïque permettent également de déterminer dans quelle mesure un haut-parleur “illumine” une pièce avec le son (ce qui dépend de son guide d’ondes). Si l’on compare le son à la lumière, un haut-parleur peut alors s’apparenter à une ampoule ou à une lampe torche. Aux basses fréquences, un haut-parleur diffuse le son dans toutes les directions (à l’instar de la lueur d’une ampoule, on dit qu’il est omnidirectionnel), tandis qu’aux hautes fréquences, il diffuse le son sous la forme d’un faisceau étroit (à l’instar d’une lampe torche, on dit qu’il présente une forte directivité). Les tests en chambre anéchoïque permettent de mettre en évidence la transition du comportement omnidirectionnel à directionnel du haut-parleur.
À gauche: le niveau de pression acoustique (SPL) à basse fréquence (ampoule). À droite: le niveau de pression acoustique (SPL) à haute fréquence (lampe torche).
Un effort collectif
Au fil du temps, M. Bezzola s’est rendu compte que les ingénieurs de son équipe spécialisés dans les transducteurs faisaient sans cesse appel à lui pour des analyses de simulation, et il a décidé qu’il fallait remédier à cette situation. Il a utilisé le Constructeur d’applications de COMSOL Multiphysics pour créer, à partir de ses modèles de transducteurs, des applications de simulation spécialisées que les autres ingénieurs peuvent utiliser pour effectuer leurs calculs quotidiens sans avoir à le solliciter ou à attendre son aide.
Dans les applications de transducteurs, M. Bezzola n’a intégré qu’un certain nombre de boutons et d’entrées. Ainsi, les ingénieurs — dont la plupart n’ont pas l’habitude d’utiliser des logiciels de simulation traditionnels — n’ont qu’à cliquer sur quelques éléments prédéfinis pour obtenir les résultats dont ils ont besoin. Un autre avantage? M. Bezzola dispose de plus de temps à consacrer à de nouveaux projets.
L’approche systématique adoptée par Samsung pour concevoir des haut-parleurs, des barres de son et d’autres produits audio associe la modélisation, l’optimisation, le prototypage et les essais, tout en s’appuyant sur l’expertise et l’expérience des ingénieurs spécialisés dans l’audio, la mécanique et la simulation.
L’avenir s’annonce prometteur au Samsung Audio Lab
L’intégration de la simulation dans le processus de conception des haut-parleurs a permis à Samsung d’optimiser sa gamme de produits phares plus rapidement et à moindre coût qu’avec le prototypage seul. “Comparé au cycle de conception traditionnel, nous pouvons vraiment gagner beaucoup de temps et réduire le nombre de prototypes grâce à la simulation”, explique Andri Bezzola. Du point de vue de M. Devantier, la simulation donne naissance à de nouvelles idées que l’équipe n’aurait pas explorées autrement: “Samsung Audio Lab considère la simulation comme un moyen d’aller de l’avant sur le marché de l’audio.”
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