Механика звука: как устроена новая умная колонка SberBoom и почему
SberDevices выпустила сразу две умные колонки с ассистентами Салют — компактную SberBoom Mini и полноразмерную SberBoom мощностью 40 Вт.
Для нашей команды это не первый опыт в конструировании аудиоустройств — вам хорошо знакомы SberPortal, победитель международных премий за промышленный дизайн, и медиаколонка SberBox Time, о которой мы уже рассказывали.
Забегая вперёд скажем, что SberBoom сильно от них отличается — в первую очередь архитектурой звука. Поэтому в этом посте мы не будем говорить о том, как придумывали внешний вид. Не расскажем, как делали подсветку корпуса. Не будем писать про микрофоны и ассистентов. Про фишечки в упаковке тоже не сегодня.
В первом посте сфокусировались на акустике. Под катом — всё про звуковую архитектуру SberBoom.
И моно, и стерео
Любому, кто сейчас возьмётся проектировать колонку, первым делом придётся ответить на вопрос — какого типа аудиосистему мы делаем?
У нас был соблазн пойти на поводу у трендов и заморочиться со стереоакустикой. Но ещё на старте решили этого не делать. Принять решение помогли UX-исследования.
Мы изучили поведение потенциального пользователя умной колонки. Подтвердилось очевидное — аудиоустройства такого класса слушают «походя», хаотично перемещаясь вокруг источника звука. Под музыку убираются, собираются на работу, танцуют, занимаются спортом.
При таком способе прослушивания «музыкальное» внимание расфокусировано, поэтому реально оценить стереозвучание смогут единицы. Плюс, перемещаясь по комнате, слушатель постоянно находится на разном удалении от правого и левого каналов. Это может неожиданно повлиять на восприятие треков — пользователь услышит композицию не совсем так, как было задумано автором.
Звук 360° одинаково хорошо слышно из любой точки комнаты, с любой стороны колонки
Команда приняла осознанное решение идти в сторону всенаправленного звука 360°. На наш взгляд он лучше подходит для умных колонок при типовых сценариях использования и позволяет достичь нужного качества звучания при относительно доступной цене самого устройства.
При этом от самой идеи стереозвука не отказались — это полезная опция для тех, кто слушает музыку вдумчиво и всерьёз. Поэтому SberBoom и SberBoom Mini поддерживают возможность создания стереопары. Для этого надо объединить две одинаковые колонки. Причём делается это в нашем случае без проводов, а управлять воспроизведением можно с любой колонки в паре.
В стереопаре одна колонка проигрывает левый канал, другая правый. Каждый канал звучит на 360°
Что снаружи
Когда мы решали, с каким продуктовым дизайном пойдём, в шортлисте были два варианта — одинаково интерьерные, но друг на друга абсолютно непохожие. Оба дизайна успешно прошли внутрикомандный отбор и фокус-группы.
Первые прототипы, напечатанные на 3D-принтере
Чтобы выбрать, сделали прототипы с черновыми акустическими сетапами: на 3D-принтере распечатали два варианта прототипов, которые различались архитектурой дизайна акустики, и один с кардинально другим направлением — экспериментальным, от которого мы позже отказались. Установили в прототипы излучатели и подключили внешние платы усилителей.
Архитектура A, варинат слева: один 4-дюймовый вуфер и три 1,5-дюймовых фулрейнджа с ровным пользовательским опытом на 360°.
Архитектура Б, вариант справа: один 4-дюймовый вуфер и один 2-дюймовый твитер с отражателем для ровного пользовательского опыта на 360°
Архитектура В: один 4-дюймовый вуфер и три 1,5-дюймовых фулрейнджа
Основное отличие экспериментальной архитектуры (вариант В на рисунке выше) от других — направленность звучания устройства в одну сторону. Это означало бы фактический отказ от выводов про звук 360°, сформированных после UX-исследований.
Плюс, хотя это и был довольно мощный конфиг, на тестах мы услышали, что вертикально ориентированный корпус субъективно звучит лучше горизонтально ориентированного — это был тот пользовательский опыт, который мы хотели дать нашим клиентам. Поэтому дальше работали с корпусами, как в прототипах А и Б.
Бенчмарки vs «марки»
Мы знали, что хотим получить потрясающий звук 360°. Чтобы конкретизировать эту цель, нужны были примеры. В кандидаты на эталонный для нас звук попали Apple HomePod, Sonos One, BOSE 500, BOSE 300, Bang & Olufsen Beosound 1 и другие колонки.
Вот так тестировали один из первых конфигов SberBoom, архитектуру А — сравнивали с монстрами индустрии
Чтобы остаться в экономике, пришлось искать компромисс между акустическим перфомансом и стоимостью комплектующих. Так утвердили окончательный эталон и финальную архитектуру колонки: о ней как раз дальше.
Что внутри
В SberPortal, нашем прошлом акустическом флагмане, мы использовали full range драйвер для воспроизведения широкого диапазона частот и пассивный излучатель, также известный как passive radiator или пиар, чтобы повысить отдачу аудиосистемы на басах. В SberBox Time также широкополосники, уже два. В SberBoom всё иначе.
Как мы уже писали выше, нужно было остаться в экономике. Поэтому команда разработки и предложила решение Б. Архитектура Б подразумевает использование двух драйверов (не учитывая пассивные радиаторы) вместо четырёх в решении А. Расскажем подробнее, почему остановились именно на этой архитектуре.
Нижний драйвер: мидрейндж/вуфер
Вуфер вместе с отражателем имеют серьёзный вес, что явно влияет на механический баланс системы. При размещении вуфера в верхней части конструкции существовал риск не пройти Gravity-тесты: девайс мог качаться при нажатии на кнопки, ходить по поверхности при проигрывании музыки и т. д.
А ещё при размещении вуфера наверху был риск влияния на метрики VQE-блока (улучшение качества голоса): сэндвич из платы микрофонов/LED-подсветки и механики кнопок потенциально генерил бы больший дисторшн (искажение). От этого можно было избавиться двумя способами. Первый — проклейка дребезжащих частей прокладками из пены. Это помогает, но явно влияет на стоимость устройства. Второй — увеличение допусков между механическими частями. Это не влияет на стоимость, но влияет на восприятие промышленного дизайна устройства. По описанным выше причинам команда приняла решение разместить низкочастотный драйвер в нижней части колонки.
Верхний драйвер: фулрейндж или твитер?
Фулрейндж в сравнении с высокочастотником (твитером) имеет более широкий диапазон излучения, но требует большего внимания для получения максимальной эффективности. Идеальное использование широкополосника подразумевает закрытую камеру, в которую размещается юнит. Конфигурация «широкополосник + закрытая камера» влияла бы и на стоимость, и на дизайн колонки. Стоимость устройства: вырастает стоимость из-за самой механики закрытой камеры, плюс появляются дополнительные затраты на производство — герметизация, время монтажа и т. д. Промышленный дизайн: пропорции устройства необходимо было менять. Колонка вытягивалась в высоту, и филигранно отточенный промышленный дизайн трансформировался из премиальной интерьерной формы в неприглядную торпеду. Чтобы не терять в дизайне и не увеличивать стоимость, выбрали самодостаточный твитер с фокусом на высокие частоты и частичным покрытием средних частот.
Вот так мы пришли к финальной архитектуре — твитер с отражателем наверху, а внизу вуфер с отражателем и двумя пассивными излучателями. Кстати, Bang & Olufsen поступают похожим образом — используют два разных драйвера.
SberBoom в разрезе
Можно позалипать — тут вся начинка колонки, до винтика
Команда выбрала известную на рынке звуковых устройств и проверенную временем конфигурацию. Относительно просто. Но задача сделать из этого по-настоящему производительный акустический девайс стала инженерным челленджем.
Как мы с вуфером договаривались
Чтобы получить прогнозируемое качество, все акустические компоненты для SberBoom мы заказывали у надёжного, известного на рынке производителя акустических решений, с которым работают премиальные акустические бренды.
Разработка железа акустики фактически заняла 4 этапа разработки и 3 гейта испытаний. В результате нам удалось повысить чувствительность вуфера, выровнять его амплитудно-частотные характеристики и снизить общий уровень гармонических искажений. Вот какие этапы мы прошли.
Релиз 1
Отчёт о проблемах первого релиза акустики содержал:
проблему Walking issue — когда колонка «ходит» во время воспроизведения басистых треков;
проблему Rub and Buzz — когда появляются нежелательные шумы;
проблему с паразитным треском;
плохой бас;
проблему с чувствительностью твитера;
проблему с прохождением стресс-тестов.
Релиз 2
Отчёт проверки второго релиза включал:
всё ещё плохой бас;
всё ещё недостаточную чувствительность твитера;
всё ещё проблему с прохождением стресс-тестов.
Релиз 3
Отчёт проверки третьего релиза включал:
Релиз 4
Четвёртый релиз был подтверждён командами разработки — нам удалось избавить хардверный дизайн от детских болезней. Весь дальнейший акустический тюнинг фокусировался на проработке звука эквалайзингом.
Ниже расскажем подробнее, как проявлялась каждая из описанных проблем и как мы их решили.
Проблема Walking issue
В частотном диапазоне 40–50 Гц стенка пассивного радиатора билась об стенку акустической камеры. Такой дисбаланс в дизайне вызывал не только паразитный звук, влияющий на пользовательский опыт при прослушивании, но и движение самого устройства при проигрывании треков на высокой громкости. Выход был простым — скорректировать конструктив камеры. Было необходимо срезать край стенки камеры, которую задевала резина радиатора.
Релиз 1 и Релиз 2
Список треков, которыми проверяли проблему
Релиз 1 и Релиз 2
Вот так проверяли Walking issue
Проблема R&B (Rub and Buzz)
R&B — типичная проблема всех акустических устройств, которая не обошла стороной и наш дизайн. Не путать с Rhythm & Blues, хотя максимально очевидно проблема проявляется именно на этой категории музыки.
Rub and Buzz — это трение и гул, которые генерит динамик, например, при недостаточном уплотнении камеры. Раньше для SberPortal мы использовали уплотнитель EVA (этиленвинилацетат). В случае со SberBoom он не подходил, необходимо было заменить EVA на более плотный PORON — запатентованный материал, представляющий из себя плотную полиуретановую пену. Причина, по которой не подошел EVA — 4-дюймовый 2-омный вуфер мощностью 50 Вт с частотным диапазоном от 20 до 4000 Гц (в SberBoom) прокачивал камеру сильнее, чем 30-ваттный фулрейндж с диапазоном 65–20000 Гц (в SberPortal).
Места размещения уплотнителя
Проверили решение — посмотрели, как зависит THD (Total Harmonic Distortion, коэффициент нелинейных искажений аудиосистемы при звучании) от частотного диапазона.
Красный график — результат применения более плотного материала
Почему нельзя было использовать PORON сразу? Этот материал определённо дороже. Цель команды технических проджектов SberDevices — стремиться не только к высоким результатам перформанса устройства во всех функциональных блоках. Нам также важно стремиться к оптимальному соотношению стоимости устройства и пользовательского опыта.
Проблема с паразитным треском
Один из прототипов во время испытаний и тестов
В дизайне самого вуфера была найдена проблема в спайдере — гибкой части системы подвески диффузора динамика, которая резонировала на частоте в 120 Гц, катастрофически увеличивая уровень THD. Конструктив спайдера перерабатывался в четыре этапа. Основной целью было достичь номинальных значений резонансной частоты, с которыми не проявлялся треск — как при тестировании первых вручную собранных образцов.
Команде разработки вендора динамика необходимо было переработать форму спайдера для снижения параметра резонансной частоты. Финальное решение осталось за конструкцией, увеличенной по высоте с 1,74 мм до 2,07 мм, за счёт чего 90,6 Гц снизились до 82,2 Гц.
Частотный график. Красный — до доработки, зелёный — после
Недостаточная чувствительность твитера
В выбранном акустическом конфиге, как вы уже знаете, небольшое количество юнитов. А амбиции большие — команда хотела получить лучший звук на рынке умных колонок. Поэтому внимание к качеству и перформансу каждого из динамиков было крайне высоким. Одновременно с вуфером твитер требовал экспериментов и доработок. Глухой звук при проигрывании и как следствие плохой опыт при прослушивании мы исправляли за счёт проработки конструктива и спецификаций каждого из драйверов. В случае с твитером решили переработать (пусть и незначительно) корпус самого твитера с целью разместить в нём магнит большего диаметра.
Слева — жёлтый график ниже, справа — зелёный график ниже 
Частотная характеристика, где красный — твитер, вручную собранный на первым этапе, жёлтый — предмет нашего внимания до доработки, зелёный — финал
Проблема с прохождением стресс-тестов
Напоследок отдельным челленджем для команды разработки стали серии экспериментов, связанных с клеевым слоем конструкции вуфера. В требованиях к продукту была в том числе способность умной колонки работать на кухне. Это наложило на нас обязательство проверять все хардверные элементы SberBoom на поведение при высокой влажности, чтобы пользователи могли готовить свою любимую пасту, одновременно слушая музыку и общаясь с ассистентом. И клей нас подвёл! Если варить, например, холодец или пасту 6 часов к ряду, при высокой температуре и влажности конструкция вуфера буквально растаяла бы.
Фотография «до»
В итоге мы подобрали другой клей, который выдерживает такие экстремальные нагрузки.
Стационарный — от слова «неподвижный»
Один из видов штатных испытаний нового акустического устройства во время и после отладки акустического хардверного дизайна — это проверка на Walking issue или другими словами тест на подвижность. После исправления багов и поднастройки эквалайзера, с учётом сценариев, описанных в брифе от команды продактов, команде разработки необходимо декомпозировать юзкейсы в тест-план и провести серию тестов на разных покрытиях — стекло, пластик, дерево, металл и пр. В рамках испытаний нужно было убедиться, что колонка уверенно стоит и качественно звучит на любой горизонтальной поверхности даже при воспроизведении басистых треков.
Тесты показали, что эффект walking issue проявляется снова даже с учётом исправленной ранее проблемы с дисбалансом пассивных радиаторов, — SberBoom «ходил». Причина в том, что доработки в эквалайзере улучшили басы, которые в свою очередь начали раскачивать девайс. От эквалайзинга мы отказаться не могли. Поэтому решали проблему за счёт изменения механического дизайна резинового основания колонки — дорабатывали этот демпферный слой для компенсации низкочастотных звуковых колебаний.
Для лучшей стабилизации устройства команда прошла несколько итераций с выбором материала. В итоге выбрали наиболее подходящую мягкость силикона (по аналогии с решением SberPortal), совместно с инженерами и дизайнерами проработали серию DOE (design of experiments) для проверки инженерных гипотез. Как результат — увеличили количество ножек на основании с трёх до пяти.
Отдельной классической задачей при создании любого аудиоустройства — проработать его механику так, чтобы снизить THD и резонанс. Команда последовательно на протяжении всех релизов (механики, акустики, электроники, софтовых решений эквалайзера) проверила и локализовала все дребезжащие механические элементы — провода, кнопки и т. д.
Какой звук мы получили
Слепые прослушивания (100 часов!) показали, что людям нравится звучание SberBoom. Колонка звучит чисто и сбалансированно, даже на высокой громкости.
Один из финальных графиков АЧХ
Результатом мы обязаны не только акустическому дизайну колонки, но и программной части звука. При работе с софтом было два ключевых момента.
Первый — сведение звучания биампинг-системы с раздельными усилителями на полосы низких-средних и высоких частот.
Второй, ещё более амбициозный — настройка всей системы в звучании 360°. Ведь практики работы с традиционными колонками известны, а тут всё немного отличается. В такой современной системе возможности не ограничиваются настройкой кроссоверов. В SberBoom мы реализовали гибридную схему обработки звука при помощи цифровых фильтров на усилителях и подготовки звука на уровне ЦПУ. Но подробнее об этом в следующих постах.
Сегодня историю рассказали:
