NEXO optimaliseert luidsprekers dankzij multifysische analyse

8 januari 2018

Sinds 2008 is NEXO een strategische bedrijfseenheid van Yamaha Corporation, maar het Franse bedrijf bestaat al sinds 1979. In dat jaar begon de onderneming met het ontwerpen van oplossingen voor geluidsversterking en tegenwoordig worden de producten van NEXO wereldwijd gebruikt voor grote en kleine live-evenementen. CAD-Magazine sprak met elektro-akoestisch engineer Mathieu Pobeda over de uitdagingen die komen kijken bij de ontwikkeling van high-end geluidsystemen.

 

Door Lambert-Jan Koops

De audio-industrie is een industrie die zowel heel jong als heel oud is. Al in 1929 werd er een patent ingediend voor de uitvinding van de speaker en zelfs de modernste apparatuur maakt nog gebruik van de basistechnologie die bijna negentig jaar geleden al werd vastgelegd. Toch bleef er lange tijd een zweem van magie hangen rondom geluidversterking. “Met name in de jaren zeventig van de vorige eeuw werd versterking gezien als een soort magie”, zegt Pobeda met een glimlach. “Er waren mensen die goed geluid wisten te verzorgen, maar als er dan gevraagd werd hoe het precies werkte, was er eigenlijk niemand die daar precies het antwoord op kon geven. Dat is tegenwoordig wel anders, want het bouwen van versterkers is inmiddels een volledig rationeel proces, waar dankzij de hulp van analysesoftware alle vaagheid uit verdwenen is.”
Pobeda is elektro-akoestisch engineer en systeemontwerper, wat inhoudt dat hij niet alleen nadenkt over de verschillende onderdelen van een versterkerset, maar ook over de manier waarop deze onderdelen geconfigureerd kunnen worden. “Elke apparatuuropstelling heeft zijn eigen, specifieke eigenschappen, waardoor het goed mogelijk is om systemen aan te passen aan de locatie en de eisen die de luisteraar stelt aan het geluid. In de jaren negentig van de vorige eeuw werd hiervoor een belangrijk concept doorontwikkeld dat zo’n veertig jaar eerder was bedacht: line arrays. Hierbij worden boxen onder verschillende hoeken op of bij elkaar geplaatst. Door de juiste hoeken te kiezen, kan een optimale spreiding van het geluid worden behaald en krijgt elke luisteraar de beste geluidskwaliteit. Omdat het geluid gefocust wordt op de luisteraars, zorgt deze methode er bovendien voor dat er minder strooigeluid ontstaat en een voorstelling minder overlast geeft voor niet-publiek.”

Randvoorwaarden

De binnenkant van de GEO M10 van NEXO: 531 millimeter breed en een gewicht van slechts 21 kilo.

Het ontwerp- en analysewerk bij NEXO begint voor Pobeda altijd met een opdracht van een klant. Nadat deze heeft aangegeven welke wensen hij heeft, brengt de engineer in kaart welke beperkingen er zijn. “Soms is het makkelijk en zijn er eigenlijk geen randvoorwaarden, zodat we alleen maar hoeven te kijken naar de capaciteit van het systeem, maar meestal gaat het niet zo makkelijk. We leveren bijvoorbeeld regelmatig systemen voor oude theaters, waar geen zware systemen kunnen worden opgehangen. In die gevallen is gewichtsbesparing het belangrijkste uitgangspunt en willen we de luidsprekerkeuze optimaliseren. Bijkomende punten van aandacht zijn daarbij dat een hangende cluster van speakers niet mag gaan trillen als deze in bedrijf is. Niet alleen vermindert dat de geluidskwaliteit, het kan ook nog eens schade veroorzaken in het gebouw of een veiligheidsrisico opleveren voor bezoekers die onder de speakers door lopen. Kortom, in die gevallen zijn we op zoek naar een zo klein mogelijke configuratie die zo weinig mogelijk weegt, niet trilt en perfect te borgen is. Vandaar ook dat we zelf veel structurele analyses uitvoeren om er zeker van te zijn dat ons ontwerp aan al die eisen voldoet. We zijn overigens gecertificeerd voor deze analyses, zodat afnemers verzekerd zijn van de kwaliteit van ons werk.”

Capaciteit

Een line array van meerdere GEO MX10’s.

Bij het ontwerpen van de verschillende onderdelen van de line array, de afzonderlijke speakerkasten, wordt in eerste instantie naar de gewenste capaciteit gekeken. “Waar het om gaat is de driver. Dat is het bewegende deel in de speakerkast, het deel dat de elektrische signalen omzet in geluid. Hoe groter de driver, hoe meer druk deze kan opbouwen en hoe meer geluid er kan worden gegenereerd. Dat wil zeggen, binnen bepaalde grenzen, want hoe groter de driver, hoe minder gevoelig deze wordt en dat gaat weer ten koste van de geluidskwaliteit.”
Nadat de grootte van de driver is vastgesteld, volgen daaruit automatisch afgeleide eigenschappen van het systeem. De grootte van het component bepaalt bijvoorbeeld het elektrische vermogen van de driver en het gewicht van de speakerkast. Voor de werking van de driver is namelijk een magneet nodig en omdat die nu eenmaal van metaal moet zijn, loopt het gewicht snel op. Pobeda en zijn collega’s doen er echter alles aan om het gewicht laag te houden: “Voor de driver gebruiken we lichtgewicht onderdelen. De magneet wordt bijvoorbeeld gemaakt van neodymium, wat behoorlijk scheelt ten opzichte van de standaardmetalen. Daarnaast zijn we ook altijd op zoek naar nieuwe, lichtere materialen voor de behuizing van de componenten. De eis is daarbij natuurlijk wel dat het materiaal niet alleen licht is, maar ook de juiste stijfheid heeft. We willen namelijk voorkomen dat de speakerkast vanzelf gaat vibreren: alle energie die er in gestopt wordt, moet idealiter als geluid de speakerkast verlaten.”
De nieuwe materialen die Pobeda en zijn collega’s onderzoeken op geschiktheid worden geanalyseerd met behulp van Comsol. De analyse blijft echter niet beperkt tot alleen het materiaal. “We gebruiken SolidWorks voor het ontwerpwerk, maar gebruiken de analysemodule van dat pakket niet omdat deze te beperkt is. Omdat er zoveel factoren een rol spelen bij de werking van de versterkers is een multifysische analyse echt vereist: de structuur, akoestiek, warmteontwikkeling, luchtstromen en elektromagnetische velden van een versterker kunnen elkaar allemaal beïnvloeden.”

Simulatie vs test

Met behulp van de analyses heeft NEXO enkele verbeteringen kunnen doorvoeren in zijn producten. Zo werd de Hyperbolic Reflective Waveguide-techniek gepatenteerd door het bedrijf voor het koppelen van luidsprekers in het hoge frequentiebereik. Deze uitvinding maakt een storingvrije akoestische koppeling van luidsprekerkasten mogelijk tot 20 kHz. Pobeda was vooral tevreden over het feit dat de analyse van het digitale ontwerp nagenoeg dezelfde resultaten liet zien als de test van het fysieke model. “Dat was voor ons de bevestiging dat onze analysemethode correct is. We zijn dus op de goede weg en ik denk dan ook dat we onze toekomstige ontwerpen ook relatief makkelijk verder kunnen perfectioneren door gebruik te maken van simulatiesoftware.”

Website NEXO
Website Comsol

 

Comments are closed.