17.02.2022 – Kategorie: Hardware & IT

Akustik-Simulation: So liefert sie detaillierte Erkenntnisse für neue Lautsprecher-Designs

L-Acoustics stellt Beschallungssysteme für Arenen und Konzertsäle her. Um den Fortschritt der Bassreflex-­Lautsprecherentwicklung zu beschleunigen, simulierte das Unternehmen die Auswirkungen von Gehäusen und Öffnungen auf die akustische Leistung und Qualität der Lautsprecher.

Eine Live-Veranstaltung ist dann am unvergesslichsten, wenn sich das Publikum als Teil der Show fühlt. Egal, ob es sich um eine Symphonie, eine Oper, ein Fußballspiel oder ein Musikfestival handelt – die Energie des Publikums sollte mit der Aufführung zu einem eindrucksvollen Erlebnis verschmelzen. Die Verbindung mit dem Publikum ist das Ziel eines jeden Künstlers, aber ganz allein kann er dies oft nicht erreichen.

Was wir an einem Veranstaltungsort sehen und hören, ist das Werk von Vielen, die im Verborgenen arbeiten, von Bühnen­arbeitern bis hin zu Bühnenbildnern. Und selbst wenn unsere Augen die Bühne und Kulissen allein im Blick haben, gibt es eine Menge wichtiger Anlagen, die wir vielleicht nicht sehen – aber sicher hören können.

L-Acoustics ist ein weltweit tätiges Unternehmen, das sein Engagement in die Übertragung der akustischen Kraft von Live-Performances steckt. Der typische Konzertbesucher oder Sportfan hat wahrscheinlich noch nie von L-Acoustics als Marke gehört, wohl aber die Lautsprecher, Verstärker und Signalverarbeitungsgeräte des Unternehmens „erlebt“. Das in Frankreich ansässige Unternehmen hat mehr als 10.000 Veranstaltungsorte in 80 Ländern mit Beschallungssystemen ausgestattet, und die Hälfte der 20 größten Musikfestivals weltweit hat seine Geräte eingesetzt.

Einfluss auf die Klangqualität: Perfektes Klangbild dank Akustik-Simulation

Großartige Aufführungen erwachsen aus unermüdlicher Hingabe an das Handwerk. Auch L-Acoustics muss seine Produkte ständig verbessern und verfeinern, damit sie mit allen unterschiedlichen Veranstaltungsorten im Einklang stehen. So können beispielsweise die Größe und Form von Lautsprechergehäusen einen großen Einfluss auf die Klangqualität haben. Um sicherzustellen, dass das Publikum sich im Klang einer Aufführung verlieren kann, setzen die Ingenieure von L-Acoustics Simulationen ein, um die Auswirkungen des Gehäuse- und Bassreflexdesigns auf die akustische Leistung und Linearität zu ermitteln.

Akustik-Simulation, Bassreflex-Lautsprecher
Schematische Darstellung des Bassreflex-Lautsprechers. Bild: L-Acoustics

Genauso wie Live-Künstler uns die präzisen physischen Bewegungen zeigen, die ihre Musik erzeugen, kann der Hersteller von Beschallungssystemen mit der Multiphysik-Simulation die Kräfte „sehen“, die das Klangbild seiner Bassreflex-Lautsprecher­boxen formen.

Viele Veranstaltungsorte vertrauen auf L-Acoustics, um einen qualitativ hochwertigen Sound zu liefern. Bild: L-Acoustics

Wie ein Laser für Klang

Vielleicht ist es überraschend, dass viele alte und angesehene Veranstaltungs­orte, vom Hollywood Bowl in Kalifornien bis zur Sakura Hall in Japan, mit Beschallungssystemen eines Unternehmens ausgestattet sind, das noch keine 40 Jahre alt ist. Der Physiker Christian Heil gründete L-Acoustics 1984, und 1992 führte das Unternehmen seine V-DOSC-Line-Source-Array-Technologie ein, die schnell zum weltweiten Standard für professionelle Lautsprechersysteme wurde. Ein Line Source Array projiziert den Klang auf bemerkenswert fokussierte und kontrollierte Weise, vergleichbar mit der Art und Weise, wie ein Laser das Licht lenkt. Die potenzielle Leistung eines Lasers ist untrennbar mit seiner Präzision verbunden, was auch auf Lautsprecher zutrifft.

„Wir wollen ein Lautsprechergehäuse schaffen, das so linear wie möglich ist“, sagt Yoachim Horyn, Leiter der Akustikforschung bei L-Acoustics. „Energie oberhalb des beabsichtigten Übertragungsbereichs wie höhere Frequenzen oder Oberwellen ist auszuschließen. Egal, wie sehr wir die Eingangsleistung erhöhen, wir wollen, dass der resultierende Klang derselbe ist, nur lauter.“ Verzerrungen sind jedoch nur ein Teil des Problems. Es kann zu Nichtlinearitäten kommen, die zu einem globalen Verlust der Ausgangsleistung bei der abgestrahlten Frequenz führen.

„Es ist sehr wichtig, dass wir die Entlüftungsöffnung so konstruieren, dass sie effizient funktioniert“

Neben der Konstruktion des Lautsprechertreibers selbst spielt auch das Design des Gehäuses eine wichtige Rolle für die Leistung des Lautsprechers. Ein Bassreflex-Gehäuse enthält beispielsweise eine belüftete Öffnung, den so genannten Helmholtz-Resonator. Durch die Verbindung des Innenvolumens des Lautsprechergehäuses mit der Außenluft kann ein Resonator dazu beitragen, einen Teil der im Gehäuse abgegebenen Energie zurückzugewinnen, die andernfalls verloren gehen würde. Dadurch wird zwar die Leistung erhöht, aber es entstehen auch Turbulenzen, die die Lautsprecherleistung verzerren und wiederum zu erheblichen akustischen Verlusten von bis zu mehreren dB führen können. Trotz dieses Risikos machen seine potenziellen Vorteile den Resonator zu einem wichtigen Instrument für L-Acoustics, denn das Ziel ist, große Räume mit Klang zu füllen.

Akustik-Simulation: Schematische Darstellung des belüfteten Versuchsgehäuses mit Öffnung und vier simulierter Belüftungsdesigns für die Prüfung
Schematische Darstellung des belüfteten Versuchsgehäuses mit Öffnung (links) und vier simulierter Belüftungsdesigns für die Prüfung (rechts). Bild: L-Acoustics

„Unsere Lautsprecher müssen eine sehr hohe Leistung erbringen“, sagt Yves Pene, Akustikingenieur im Team von Horyn. „Ein falsch konstruierter Resonator kann aufgrund von Turbulenzen bis zur Hälfte seiner potenziellen Leistung verlieren. Daher ist es sehr wichtig, dass wir die Entlüftungsöffnung so konstruieren, dass sie effizient funktioniert.“

Arbeiten mit Holz, Ton und Rauch

„Mehrere Jahre lang waren die Konstruktion und das Testen von Lüftungsöffnungen eine Herausforderung für die Entwicklungsteams“, erklärt Horyn. „Wir hatten keine Möglichkeit, die Höhe des Verlusts, der durch ein Gehäuse mit hoher Luftverdrängung entsteht, genau vorherzusagen.“ Das bedeutete, dass das Team für jede Designanpassung am Gehäuse oder an der Resonatoröffnung Prototypen aus Holz bauen und testen musste. In einigen Fällen wurde Ton aufgetragen, um die Form der Öffnungen oder der inneren Durchgänge schnell zu ändern. Dies konnte ein langwieriger Prozess sein – wobei selbst ein fertiger physischer Prototyp nicht alle benötigten Daten liefern kann.

„Die Messung von akustischen Verlusten und Verzerrungen ist interessant, aber sie gibt nicht immer Aufschluss darüber, wo die Probleme liegen“, sagt Horyn. „Manchmal entstehen die Probleme durch einen Teil des Gehäuses oder der Bassreflexöffnung. Das würde man eigentlich nicht erwarten. Ein Holzmodell zeigt nicht genau, wo die Probleme liegen.“ Das Team von L-Acoustics hat eine interessante Möglichkeit gefunden, dieses Problem zu umgehen. „In der Vergangenheit haben wir einige der Paneele in der Box transparent gestaltet. Wir haben dann Rauch in den Lautsprecher geblasen, um die Turbulenzen zu sehen“, sagt Horyn.

Zwar war ein physisches Modell mit einem durchsichtigen Paneel vorteilhafter, doch der Prototyping-Prozess war ein großer Zeitfresser. „Wenn wir ein Modell entwerfen und bauen, liegen zwischen dem Konstruieren und dem tatsächlichen Testen mehrere Wochen“, erklärt Horyn. „Und oft brauchten wir mehrere Wiederholungen, um zum finalen Design zu gelangen.“

Größe der Geschwindigkeit bei Resonanz für ein Entlüftungsdesign über einen bestimmten Zeitraum
Größe der Geschwindigkeit bei Resonanz für ein Entlüftungsdesign über einen bestimmten Zeitraum. Bild: L-Acoustics

Akustik-Simulation für aktuelle und zukünftige Projekte

Um den Fokus der Entwicklung auf akustisches Design und nicht die Holzverarbeitung zu legen, wandte sich Yves Pene der Multiphysik-Simulation zu. Sein Ziel war es, wie in einem 2020 der Audio Engineering Society (1) vorgestellten Forschungspapier erläutert, den nichtlinearen akustischen Verlust in Systemen mit belüfteten Öffnungen für einen bestimmten Lautsprecher, ein bestimmtes Gehäusevolumen und eine bestimmte Öffnungskonstruktion zu modellieren und vorherzusagen. Die Akustik-Simulation berücksichtigt die gekoppelten Effekte der Bewegung des Lautsprechertreibers und der daraus resultierenden Strömungsbewegung, einschließlich Turbulenzen und verwandter Phänomene. Pene hat das Modell entwickelt, um die Auswirkungen von vier verschiedenen Lautsprecheröffnungen auf einen bestimmten Lautsprecher und ein bestimmtes Gehäuse zu testen.

Akustik-Simulation: Vergleich der simulierten Vorhersagen der akustischen Verluste für ein Gehäuse, das mit einer Anschlusskonstruk­tion montiert ist, mit den gemessenen Testergebnissen des Prototyps
Vergleich der simulierten Vorhersagen der akustischen Verluste für ein Gehäuse, das mit einer Anschlusskonstruk­tion montiert ist, mit den gemessenen Testergebnissen des Prototyps. Bild: L-Acoustics

Um die Simulationsergebnisse zu bestätigen, führten die Entwickler anschließend experimentelle Tests an einem Lautsprechergehäuse mit abnehmbaren Bassreflexöffnungen durch. Diese Tests erreichten Ergebnisse, die bemerkenswert gut mit den Vorhersagen der Akustik-Simulation übereinstimmten: Die vorhergesagten akustischen Verluste wichen weniger als ein dB von den tatsächlich gemessenen Werten der Live-Tests ab. „Wir waren mit den Ergebnissen sehr zufrieden“, sagt Pene.

Mehr Erkenntnisse durch Akustik-Simulation

Penes erfolgreiches Simulationsprojekt hat Erkenntnisse zutage gefördert, die sich mit physikalischem Prototypenbau allein nicht erzielen lassen. Die Einführung der Akustik-Simulation in den F&E-Arbeitsablauf von L-Acoustics verspricht auch in Zukunft weitere Vorteile. Wie im Forschungsbericht des Teams erläutert, lieferte die Simula­tion detaillierte Geschwindigkeits- und Wirbelabbildungen für die modellierten Gehäuse- und Lüftungsdesigns. Dies lieferte Daten darüber, wie genau jeder Teil der modellierten Oberflächen Turbulenzen erzeugen und die Gesamtklangqualität beeinflussen kann. Diese granulare Perspektive deckte Quellen von Verzerrungen auf, die das Team zuvor nicht berücksichtigen konnte.

Die Kartierung der Strömungsbewegung zeigte zum Beispiel, dass die Position einer Bassreflexöffnung im Gehäuse einen unerwartet großen Einfluss auf die Gesamtströmung hatte. Dies legte nahe, dass das Team der Platzierung einer Entlüftungsöffnung und ihrer Form mehr Aufmerksamkeit schenken sollte. Die Akustik-Simulation half den Entwicklern, diese neuen Erkenntnisse für zukünftige Forschungsprojekte zu berücksichtigen und zu verfeinern.

Vor der Simulation mussten die Ingenieure von L-Acoustics in der Regel Wochen warten, bis sie die Testergebnisse eines physischen Modells sehen konnten. Das bedeutete, dass man viel Zeit mit der Modellierung von Entwürfen verbracht hat, die letztendlich nicht zum Einsatz kamen. Horyn erklärt: „Die Simulation wird von unserem Entwicklungsteam genutzt, um Ideen Tag für Tag zu überprüfen, so dass wir die Effizienz eines neuen Designs vorhersagen können, bevor wir einen Prototyp bauen.“ Pene fügt hinzu: „Jetzt können wir Prototypen bauen und sicher sein, dass sie auf Anhieb richtig funktionieren.“

Das F&E-Team von L-Acoustics nutzt eine Simulations-App
Das F&E-Team von L-Acoustics nutzt eine Simulations-App. Bild: L-Acoustics

Mehr Ingenieure mit Zugriff auf Simulation

Yves Penes Einsatz von Simulationen für das Bassreflexdesign bringt über dieses eine Projekt hinaus teamweite Vorteile. Ein Teil der Aufgabe der Akustik-Forschung besteht darin, dafür zu sorgen, dass die von ihnen entwickelten Werkzeuge anschließend vom Entwicklungsteam effizient genutzt werden können. Der Appli­cation Builder in COMSOL Multiphysics ermöglicht es, spezielle Benutzeroberflächen für alle am Projekt beteiligten Ingenieure zu erstellen. „Wir verwenden den Application Builder immer häufiger“, sagt Horyn. „Am Ende dieses Projekts hat das Team von Acoustical Engineering eine einfache App auf der Grundlage des Multiphysikmodells von Yves erstellt. Die Benutzer müssen nur die spezifischen Parameter definieren, die sie für ihr Projekt benötigen, da die anderen erforderlichen Werte bereits vorhanden sind.“

Die Applikation wird über das COMSOL Server Bereitstellungsprodukt an andere Teammitglieder verteilt, so dass die Benutzer selbst auf die Simulationen zugreifen und sie ausführen können. Horyn meint: „Die Möglichkeit, eine App zu erstellen, ist sehr praktisch, da sie es uns ermöglicht, dass mehr Leute die Akustik-Simulation zu vernünftigen Kosten nutzen können.

Yoachim Horyn und Yves Pene
Yoachim Horyn (links), Leiter der Akustikforschung bei L-Acoustics, und Yves Pene, Akustikingenieur. Bild: L-Acoustics

Das unendliche Streben nach Leistung

Die beste professionelle Beschallungsanlage kann man hören, aber nicht sehen. Das Gefühl, ganz von Live-Musik umgeben zu sein, als ob die Zuhörer und die Interpreten eins sind, lässt sich jedoch durch die Anstrengungen vieler im Verborgenen wirkenden Menschen und ihrer spezialisierten Werkzeuge erreichen – von Mikrofonen und Verstärkern bis hin zu Signalprozessoren und Lautsprechern, die das Publikum mit Klang umhüllen. Die Akustik­ingenieure von L-Acoustics wissen – genau wie die Musiker –, dass eine großartige Performance auf ständiger Übung beruht; es gibt immer mehr, was man tun kann. Yoachim Horyn und Yves Pene haben die Akustik-Simulation für die Analyse ihrer Entwürfe eingesetzt und nutzen sie nun, um weitere Verbesserungen zu erforschen: „Große Dinge werden kommen.“

Der Autor Alan Petrillo ist Content Writer bei COMSOL.

Literatur: Pene, Y. Horyn, and C. Combet, “Non-linear acoustic losses prediction in vented loudspeaker using computational fluid dynamic simulation”, Audio Engineering Society, Paper 10359, 2020. https://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20776


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