Виртуальная реальность позволяет пользователю погрузиться в виртуальный мир, воспринимаемый как настоящий. При удачной конструкции VR-системы можно совершать путешествия во времени и пространстве, не вставая с дивана. Это открывает возможность побывать в далеком прошлом Земли или исследовать Марс и Луну, оставаясь дома.
Виртуальная реальность получила значительное развитие в игровой индустрии, но разработчики всё ещё сталкиваются с одной главной проблемой. подавлении недоверияДля того, чтобы пользователь неосознанно воспринимал виртуальный мир практически как реальный.
Изучаете ли вы виртуально астероид, приближающийся к Земле, или играете в игру, где расстреливаете его ракетами, чем реалистичнее ваши ощущения, тем лучше. В литературе и кино тоже встречаются подобные проблемы, но у VR есть особенность — требование полного достоверного звукового погружения.
Аудиопогружение с наушниками Valve Index
Известная компания Valve Corporation, занимающаяся разработкой игр, игровых платформ и оборудования, стремится повысить доверие к виртуальной реальности с помощью гарнитуры Valve Index®. Для достижения этой цели инженеру Эмили Риджуэй и ее команде необходимо создать об immersive звуковую среду. иммерсивный означает «погружающий в действие»).
Игроки часто пользуются стереонаушниками для того, чтобы понять, откуда в игре идет звук. Если источник находится слева от персонажа, игрок слышит его через левый динамик, а если справа — через правый. Valve решила отказаться от таких наушников, которые изолируют ухо от внешних звуков, подавляют шумы и передают чистый звук. , Риджуэй считала, что классические наушники могут помешать погружению в игру. Звуковые волны направляются прямо в слуховой канал, звук кажется неестественным, будто исходит из головы самого человека (интернализованный источник). Кроме того, гарнитура может быть неудобной, и дискомфорт от неё может вывести пользователя из игрового опыта.
Часть игроков заменяют наушники на колонки. Это устраняет некоторые трудности, но приводит к новым. Сначала качество звука будет зависеть от формы и акустики комнаты. Потом лучшая звуковая передача достигается только в конкретной зоне, а при использовании VR человек обычно перемещается.
Что предложила Риджуэй в качестве решения? Два наружных, работающих на сверхвысоких частотах, полнодиапазонных наушника ближней зоны действия.
Риджуэй и ее команда изучали различные типы динамиков. Ни один не соответствовал их требованиям до тех пор, пока они не обнаружили динамики компании Tectonic Audio Lab с технологией BMR. Как написала Риджуэй в своем блоге, «сразу заметила ряд преимуществ». «Они снижали уровень искажения при изменении ориентации, почти вписывались в наши требования по весу, имели отличные характеристики на высоких и средних частотах (что важно при бинауральной симуляции) и были намного тоньше, чем традиционные динамики». Valve объединилась с Tectonic Audio Labs для использования этих преимуществ и разработки пользовательских динамиков для своей VR-гарнитуры.
А что такое технология BMR?
В классических динамиках звук создаётся конусовидной диафрагмой, которая совершает поршневые движения. Диафрагма передаёт энергию вдоль оси этих движений, образуя звук. Динамики BMR функционируют иначе:
в них используются как поршневые, так и изгибные колебания диафрагмы. Это обеспечивает равномерное акустическое поле вне оси динамика.
Высокие частоты не теряют свою интенсивность при смещении слушателя от центральной оси звукового луча. Такие динамики не нуждаются в точном расположении для прослушивания и благодаря легкому материалу мембраны обеспечивают высокую скорость реакции, что приводит к натуральному воспроизведению звука. Традиционные динамики испытывают трудности с передачей высоких частот, которые могут вызвать пульсации или деформацию диафрагмы, известные как «слом диффузора». Возникающие при этом колебания качества звучания требуют точной ориентации динамиков. Большинство динамиков стремятся избежать изгибных волн, а BMR эффективно использует их.
Мы применяем изгибные колебания и нуждаемся в их возникновении. Способны управлять точками их появления, именно эти изгибные колебания обеспечивают внеосевой выход сигнала. Резонансный слом служит нам на благо – пояснил Тим Уитвелл, вице-президент по инженерным вопросам в Tectonic Audio. – BMR во многом противоречит представлениям традиционной акустической инженерии.
Технология BMR применяет высокочастотные колебания для совершенствования свойств, например, материалов динамиков и массы воздушной нагрузки.
Создание золотого стандарта
Команда Tectonic Audio Labs начала разработку динамиков для гарнитуры Valve Index® VR. Уитвелл рассказывает: «Мы начали с анализа собственных модификаций диафрагмы. Для технологии BMR особенно важно, чтобы изгибной режим активировался в тот момент, когда на диаграмме направленности область распространения поршневых волн начинает сужаться». Когда сужение вот-вот произойдет, изгибные волны должны начать «заполнять» зоны по сторонам от центральной оси, куда сузившийся пучок не сможет проникнуть.
Команде Tectonic для оптимизации процесса необходимо было определить, где на мембране возникают резонансные изгибные колебания и сколько таких режимов существует в диапазоне пропускания. Для численного анализа собственных частот и режимов работы конструкции динамика использовали программное обеспечение. COMSOL Multiphysics®Команда обрела возможность управлять изгибными режимами посредством оптимизации материала и толщины мембраны. Благодаря этому Tectonic Audio может гарантировать широкую направленность выходного сигнала на протяжении всего диапазона, если рабочие моды активируются в нужном месте и в нужный момент.
Компания Tectonic выполнила численный анализ магнитной системы для её улучшения. «Можно увеличить количество витков проволоки в катушке, чтобы усилить преобразование электромагнитной энергии в механическую, но это приведёт к увеличению веса, поэтому существуют определённые ограничения. Оптимизацию проводим с помощью COMSOL®», — говорит Уитвелл.
Механическую и электромагнитную модели изучили и оптимизировали по отдельности. Затем Tectonic Audio Lab объединила их для совместного анализа. Объединенная модель практически полностью симметрична относительно оси, поэтому инженеры представили ее в осесимметричном 2D-пространстве для экономии вычислительных ресурсов. Исключением стала только диафрагма.
Материал диафрагмы обладает разной жесткостью в разных направлениях, отмечает Уитвелл. Интерфейс Solid Mechanics в COMSOL Multiphysics® позволяет моделировать такую ортотропную природу материала в двумерном осесимметричном пространстве, что просто удивительно.
Разработчики добавили к объединенной модели элементы, например спайдер-крепление для центрирования катушки и контроля её движения. Оптимизация модели продолжалась с целью обеспечения сбалансированного режима диафрагмы, что важно для технологии BMR: позволяет ей корректно функционировать в гарнитуре Valve Index® VR и дарит захватывающие впечатления всем пользователям.
После настройки динамиков настало время заняться крепежом и провести нелинейный анализ его геометрии. «Мы деформируем подвеску и наблюдаем, как меняется её жесткость при смещении,— говорит Уитвелл.— Есть большой простор для оптимизации». Он подчеркивает, что такая оптимизация особенно важна в этом проекте: «Все шумы в динамиках и все искажения будут очень отчетливо слышны пользователю». После оптимизации подвеску вновь помещают в объединенную модель.
Уитвелл замечает: «Начнём с того, чтобы удостовериться, что все важные свойства сохранены, а затем перейдём к разработке прототипа».
Королева VR-гарнитур
После завершения оптимизации и прототипирования продукта компанией Tectonic Audio Lab Valve Corporation выпустила свою гарнитуру на рынок и получила много положительных отзывов. Один из таких отзывов принадлежит популярному YouTube-каналу Linus Tech Tips, который ведет Линус Себастьян.
Его выпуски охватывают широкий спектр тем: от объяснений зависимости скорости работы компьютера от объема оперативной памяти до обзоров новейших беспроводных клавиатур и советов по сборке корпуса PC Tower из картона. Конечно же, в его программах есть тесты VR-гарнитур.
В выпуске канала Linus под названием «Может, VR и не мертва…» рассмотрели гарнитуру Valve Index®. Сначала Линус Себастьян относился к наушникам с недоверием, но после их использования в течение дня был впечатлен. «Надо отдать должное этим динамикам, — сказал он. — Они действительно звучат потрясающе!» Остальное время видео Linus посвятил изучению характеристик гарнитуры.
В заключение, Линус, с гарнитурой Valve Index® в руках и взглядом на камеру, заявляет: «Это настоящая королева среди VR-гарнитур!».
*Valve Index — зарегистрированный товарный знак Valve Corporation.