Met simulatie versneld ontwerpen: kleinere luidsprekers zonder in te boeten op kwaliteit

Sonos heeft zijn luidsprekers opnieuw ontworpen zodat ze in een slanke soundbar passen zonder dat dit ten koste gaat van de geluidskwaliteit. Om dit te bereiken, heeft het bedrijf zijn audio-expertise gecombineerd met de innovaties van Mayht, een Nederlands bedrijf dat in 2022 door Sonos werd overgenomen, en simulatiesoftware die het engineeringproces aanzienlijk heeft versneld.

Eind vorig jaar introduceerde Sonos zijn nieuwe Arc Ultra-soundbar, die veertien luidsprekers bevat. Deze ene soundbar produceert de volledige Dolby Atmos-ervaring. Om de luidsprekers klein genoeg te maken om in de soundbar te passen en tegelijkertijd de hoge geluidskwaliteit te behouden, kreeg Sonos ondersteuning van het ervaren engineeringteam van Mayht, in 2022 overgenomen door Sonos, om de technologie te verkleinen.

Om luidsprekers kleiner te maken zonder het geluid te verminderen, werd niet alleen de hardware opnieuw ontworpen, maar ook de ontwerpworkflow. Het gebruik van simulatiesoftware met multifysische mogelijkheden versnelde het ontwerpproces aanzienlijk en verminderde tegelijkertijd het aantal prototypes dat nodig was om het ontwerp te optimaliseren.

Het testen van simulatiesoftware begon in 2019 via een extern bedrijf. Met die regeling moesten de ontwerpers twee weken wachten voordat hun simulaties konden worden uitgevoerd. Ze realiseerden zich al snel de voordelen van de simulatiegegevens, maar twee weken wachten was nogal lang. Ze begonnen te experimenteren met open-source software die specifiek bedoeld was voor magnetische simulaties, waardoor de output toenam tot honderd simulaties per dag.

Terwijl het team verder ging met ontwerpen en overging op structurele en ontwerpsimulaties, gingen ze op zoek naar software die elk onderdeel van hun engineeringproces tegelijkertijd kon ondersteunen. Comsol bood hun deze mogelijkheid. ‘De output van hun software bewees dat hun simulaties zeer dicht bij de output van het daadwerkelijke prototype lagen’, zegt Naphur van Apeldoorn, destijds hoofdwerktuigbouwkundig ingenieur bij Mayht en nu senior manager bij Sonos. ‘Hierdoor konden we een onderdeel verder optimaliseren voordat we een prototype moesten bouwen, wat kosten en tijd bespaarde.’

Omdat de simulaties en het prototype zo vergelijkbaar presteerden, kon Mayht zijn product blijven optimaliseren met simulaties terwijl het een prototype bouwde. Dit had nog steeds waarde, omdat het de gegevenspunten van de simulatie valideerde en correcties aan de software toevoegde om deze op peil te houden. Het was echter niet langer nodig om te wachten tot het prototype was gebouwd voordat de simulaties konden worden voortgezet.

3D-geprinte onderdelen

Geluid bestaat uit drukgolven die onze oren bereiken. Een luidspreker produceert die golven met behulp van een conus met een luchtdicht membraan dat heen en weer beweegt en daarbij de lucht duwt en trekt. Om voldoende lucht te verplaatsen om een rijk, diep geluid te creëren, maken traditionele luidsprekers gebruik van relatief grote conussen en behuizingen. Het verkleinen van de luidspreker betekent vaak dat er luchtverplaatsing moet worden opgeofferd, wat resulteert in verlies van volume, bas of helderheid. Met de kennis van Mayht met betrekking tot het verkleinen van luidsprekers ging het Sonos-team aan de slag om een soundbar te ontwerpen met meerdere luidsprekers – baswoofers, midwoofers en tweeters – om de volledige Dolby Atmos-ervaring te creëren in één slank apparaat.

‘Onze eerste uitdaging was om de hoge en rechthoekige audiotechnologie in de slanke en langwerpige Sonos-soundbar te passen, die aan een update toe was’, legt Sanjit Shankar, senior simulatie-ingenieur bij Sonos, uit. ‘We hebben meer dan 900 CAD-ontwerpen van de luidspreker gemaakt, waarvan we meer dan de helft in een simulatie hebben gestopt. Vervolgens hebben we in de eerste maand ongeveer dertig van die ontwerpen in 3D geprint om te testen.’

Het team had positieve ervaringen met het gebruik van 3D-geprinte onderdelen voor het testen. ‘Hoewel deze niet zo duurzaam waren als de uiteindelijke productieonderdelen’, merkt Van Apeldoorn op, ‘gingen ze net lang genoeg mee om de eerste tests uit te voeren. In combinatie met de onderdelen die niet in 3D konden worden geprint, zoals de magneet en de spoelen, waren hun prestaties goed genoeg om zinvolle resultaten te leveren, bijvoorbeeld op het gebied van motorstabiliteit en output.’ Omdat het printen van onderdelen veel sneller gaat dan traditionele productiemethoden, kon het team snel ontwerpkeuzes en simulatiegegevens valideren, waardoor het testproces werd versneld.

Assemblagelevel

Een luidspreker bevat een spreekspoel, een kleine elektromagneet die aan de conus is bevestigd en deze laat bewegen om drukgolven te creëren die door het oor als geluid worden waargenomen. Om de conus nauwkeurig te laten trillen, moet deze stevig op zijn plaats worden gehouden. Het ophangingssysteem dat hiervoor wordt gebruikt, is een combinatie van een flexibele rubberen rand en een veerkrachtig onderdeel dat de spider wordt genoemd, een geweven schijf die de spreekspoel gecentreerd houdt en tegelijkertijd soepel heen en weer laat bewegen.

Al deze verschillende onderdelen hebben een natuurlijke trillingsfrequentie. In een luidspreker kan deze trilling vervorming en andere problemen veroorzaken. ‘Neem bijvoorbeeld de spider in een luidspreker’, legt Shankar uit. ‘Als die spider begint te trillen, stopt de conus met bewegen en wordt er geen geluid geproduceerd. Om de luidspreker in een veel kleinere soundbar te kunnen plaatsen met behoud van de kwaliteit van de output, moesten we de spider bijna helemaal opnieuw ontwerpen.’

De nieuw ontworpen spider moest stevig genoeg zijn om het geluid niet te vervormen, duurzaam genoeg om de belasting van een conus die meer dan honderd keer per seconde trilt te weerstaan en licht genoeg om vermoeidheidstests te doorstaan. Het team voerde honderden CAD-ontwerpen door de simulatiesoftware en printte er verschillende in 3D. Uiteindelijk kwamen ze met een geheel nieuw spiderontwerp dat geschikt was voor de veel kleinere ruimte.

Dit ontwerp was slechts een onderdeel dat voor dit project werd aangepast. De nieuwe transducer in de soundbar werkt met twee conussen in plaats van één, wat de luchtverplaatsing verbetert en een hoogwaardig geluid oplevert. Vier motoren zijn aan de zijkant geplaatst om een dunner ontwerp mogelijk te maken. Elke motor is opgehangen aan een spider en via een brug verbonden met een andere motor. De motoren zijn geoptimaliseerd met behulp van 3D-magnetische simulaties en de brug is topologisch geoptimaliseerd om de massa te verminderen.

Een ander belangrijk aspect van luidsprekertechnologie is de keuze van materialen. ‘Het wisselen van materialen was vrij eenvoudig in de Comsol-software’, zegt Van Apeldoorn. ‘We konden simulaties uitvoeren van hetzelfde ontwerp met verschillende materialen, zoals koolstof en aluminium, om te zien welke het beste zouden werken. De software is gebruiksvriendelijk en ook hier bleek de simulatie-output zeer vergelijkbaar met de prototype-output toen we de verschillende materialen testten.’

De Arc Ultra bestaat uit meerdere luidsprekers, elk met veel bewegende onderdelen. Om het ontwerp te versnellen, liet Sonos verschillende teams parallel werken aan verschillende onderdelen van de luidsprekers en de uiteindelijke soundbar. In eerste instantie werkten deze teams grotendeels afzonderlijk en optimaliseerden ze hun deel van het ontwerp, maar op een gegeven moment moest alles worden geassembleerd. De simulatiesoftware van Comsol kon ook dit proces ondersteunen, waardoor optimalisatie op assemblagelevel mogelijk was.

AI

Volgens Van Apeldoorn zou het ontwerpen van deze luidspreker zonder simulatiesoftware vrijwel onmogelijk zijn geweest. ‘De simulaties hielpen ons niet alleen om de optimale ontwerpen voor de afzonderlijke onderdelen en de assemblage te bereiken, omdat we konden aantonen dat de simulaties overeenkwamen met de output van de daadwerkelijke prototypes, maar onze teamleiders waren ook veel gemakkelijker te overtuigen om ons minder conventionele ontwerpen en materialen te laten testen zodra de simulaties de haalbaarheid aantoonden.’

Zo hielpen gesimuleerde stresstests de ontwerpers om betrouwbare nieuwe spiderontwerpen te maken, in plaats van te wachten op de uitkomst van langdurige duurzaamheidstests. Dankzij deze waardevolle gegevens konden ze het ontwerp veel efficiënter aanpassen dan wanneer ze alleen prototypes hadden gebruikt. Shankar: ‘Simulaties veranderen het ontwerpproces van gissen naar weten wat je moet doen.’

Shankar ziet hier een duidelijke rol voor AI in de toekomst. ‘Nu rekenkracht goedkoper wordt, en AI steeds beter in staat is om slimme beslissingen te nemen, wordt het misschien mogelijk om je ontwerpsuggesties door een AI-model te halen en op die manier het antwoord te krijgen.’ Het is ook denkbaar dat AI in de toekomst het proces van het aanpassen van het ontwerp naar het optimale resultaat kan automatiseren, in plaats van dat ontwerpers elke wijziging met de hand in hun CAD-software moeten aanbrengen.

Tot slot voegt Van Apeldoorn toe: ‘Op dit moment optimaliseren we vaak één onderdeel voordat we assemblagesimulaties uitvoeren omdat assemblagesimulaties meer tijd kosten. AI kan echter zeer snel en nauwkeurig inschatten hoe honderd verschillende onderdelen zich zullen gedragen. Dit is al beschikbaar in Comsol-surrogaatmodellen en we zijn aan het testen wat dit voor ons bij Sonos zal betekenen. Het zal de noodzaak van simulaties niet vervangen, maar zodra het model met voldoende gegevens is getraind, zal dat het totale proces veel sneller maken.’

Dit artikel is geschreven in nauwe samenwerking met Comsol.