Audición y HRTF
Sonido 3D EDF
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Audio 3D EDF
Sonido 3D por diferencia de fase
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We present in this work a 3D sound system. Actually, it is a simple way to build the 3D sound space. Very good idea for reproducing with speakers, the recordings made with an artificial head..

GRABACIONES EN 3D
Sabemos que en Internet, tanto en Youtube como, también, en otras plataformas, podemos encontrar grabaciones realizadas con tecnología 3D. Lamentablemente, en estas audiciones hemos de utilizar auriculares, puesto que con los tradicionales sistemas estéreo de dos pantallas acústicas, se produce una pérdida de calidad desde el punto de vista espacial debido a la mezcla indeseable entre los canales izquierdo y derecho. No obstante, todo hay que decirlo, si utilizamos auriculares, en la gran mayoría de las grabaciones, por no decir en todas, las fuentes de sonido se localizan en la cabeza del oyente, jamás delante de éste, a pocos metros, tal como ocurre, por ejemplo, cuando acudimos a un pequeño concierto o cualquier otro evento sonoro. La única alternativa es, evidentemente, utilizar altavoces convenientemente preparados de manera que sea posible mantener la independencia entre los sonidos emitidos.


SONIDO 3D CON ALTAVOCES
Con la pantalla experimental que describimos, es posible la audición 3D puesto que hemos eliminado la ínterferencia entre los canales izquierdo y derecho, tal como también sucede en la escucha con auriculares, pero sin presentar ninguno de sus inconvenientes. Los primeros experimentos se realizaron en FRANCIA y USA en los años sesenta aunque, dado los inconvenientes que presentaba, no se llegaron a producir modelos comerciales.
En el presente, superados sus inconvenientes, describimos una nueva variante de este sistema de reproducción de sonido envolvente 3D, aplicable, tanto a los típicos ficheros de audio 3D como, también, en PC multimedia, sistemas de Realidad Virtual, etc.
Una exposición detallada de este proyecto fue publicada por R. Andreu en la "Revista Española de Electrónica" (Barcelona).
Para realizar con éxito este proyecto es imprescindible aplicar ciertos criterios constructivos, los cuales, no aparecen en el texto. Por ejemplo, las normas a seguir sobre la respuesta de frecuencia y fase de los altavoces y elementos activos. Tipo y tamaño de los altavoces. Diagramas de directividad, disposición física de los radiadores. Filtros eléctricos y mecánicos, etc.

Pantalla acústica 3D EDF

EL PROBLEMA A RESOLVER
Empezaremos nuestro proyecto analizando la figura 1, la cual representa, según algunos especialistas en sonido, el mayor inconveniente de la estereofonía convencional, esto es, la mezcla indeseable de las señales de los canales izquierdo y derecho en un sistema tradicional estereofónico.
Imagínemos que en la sala de conciertos situamos, en uno de los palcos cercanos, la cabeza artificial O1, la cual, nos va a servir para recoger el campo sonoro del lugar lo más fielmente posible (Señal I en el oído izquierdo y señal D en el oído derecho). De forma paralela, enviamos dichas señales a sus respectivos altavoces situados en la sala de audición. Con esta disposición podemos observar que el oído izquierdo OI del oyente O2 recibe la señal I más la componente perturbadora d, es decir: (I+d). Lo mismo ocurre con el oído derecho OD, el cual, recibe la señal D más la componente perturbadora i, esto es: (D+i). Se trata, pues, de diseñar un sistema que sea capaz de eliminar de este campo sonoro, la componente d en el oído izquierdo y la componente i en el derecho y lograr, de esta manera, que el oyente O2 situado delante de los altavoces reciba las mismas señales acústicas que recibiría si estuviera en la sala de conciertos.


LAS SEÑALES DE DIAFONÍA i y d
Eliminar estas señales puede llegar a convertirse en un problema complejo y delicado. Basta observar las diferencias existentes entre las señales I y i o D y d. En primer lugar, aparece una diferencia de amplitud y un retardo de tiempo entre I y i (Idem entre D y d). También, a consecuencia de la difracción de la cabeza del oyente, se hace presente una diferencia en el contenido espectral entre estas mismas señales. Todo lo cual, complica mucho el diseño de un circuito electrónico que reduzca, de forma eficiente, esta diafonía.

LA SOLUCIÓN MÁS SIMPLE
Supongamos, ahora, que acercamos los dos altavoces de manera que queden situados en el centro, justo enfrente del oyente. Con esta disposición la señal acústica será, en principio, prácticamente igual en ambos oídos. Por consiguiente, tanto la señal (I+d). en las inmediaciones del oído izquierdo como la señal (D+i) en las inmediaciones del derecho pasan a convertirse en:

(I+D)

Ahora, (I+D) representa un campo acústico común a los dos oídos del oyente que nos será muy útil para obtener las señales I y D de forma independiente en cada oído. De hecho, en la práctica, los dos altavoces quedan sustitidos por uno solo, colocado justo enfrente del oyente radiando la señal monofónica (I+D).
Ahora, en estas condiciones, podemos diseñar un circuito bastante simple, el cual, será capaz de eliminar de este campo sonoro, la componente d en el oído izquierdo y la componente i en el derecho para lograr, de esta manera, que el oyente O2 situado delante de los altavoces reciba las mismas señales acústicas que la cabeza artificial obteniéndose la misma impresión de dirección y espacio sonoro que en la sala de conciertos.

EL PROYECTO EN LA PRÁCTICA
Tal como podemos ver en la figura 2, Este proyecto electro acústico se compone de una una pantalla acústica con tres altavoces de posición situados justamente delante del oyente más el radiador de graves omnidireccional, no representado en el esquema. El altavoz central radia la señal común ya comentada (I+D).
Veamos, ahora, el funcionamiento de los altavoces adyacentes. Para eliminar la componente perturbadora D en las inmediaciones del oído izquierdo necesitamos la siguiente composición de señales:

(I+D)-D equivalente a: (I-D)+D

De igual forma, para eliminar la componente I en las inmediaciones del oído derecho necesitamos la siguiente composición de señales:

(I+D)-I equivalente a: -(I-D)+I

Observamos que el oído izquierdo OI ha de recibir la diferencia de las señales (I-D) y el derecho esta misma diferencia pero invertida de fase: -(I-D). Es decir, hemos configurado un dipolo acústico cuyo plano de presión mínima coincide, de forma aproximada, con el plano de simetría de la cabeza del oyente. Las señales adicionales +I y +D forman el campo común (I+D) citado anteriormente. En estas condiciones, las señales resultantes en las inmediaciones del oído izquierdo y derecho son, respectivamente:

OI= (I+D)+(I-D)=2I  
OD= (I+D)+(-(I-D))=2D

Con esta disposición hemos eliminado la diafonía del sistema electroacústico puesto que el oído izquierdo del oyente en la sala de audición, recibe únicamente la señal del oído izquierdo de la cabeza artificial situada en la sala de conciertos, Con el oído derecho ocurre exactamente lo mismo siempre y cuando el oyente se situe enfrente de los altavoces.

PRIMER MODELO
En la figura 3 podemos ver el esquema del primer modelo, el cual, puede ser llavado a la práctica con dispositivos operacionales. No obstante, esta disposición es más bien teórica que práctica, puesto que podemos simplificar el circuito, tal como veremos posteriormente.
En esta primera alternativa encontramos las siguientes partes funcionales:

Despiece fig. 3.

1. Amplificador de línea.
2. Amplificador de línea.
3. Mezclador (I+D).
4. Inversor. (-D).
5. Mezclador (I-D).
6. Filtro pasa-altos y ecualizador dipolo.
7. Filtro pasa-bajos.
8. Filtro pasa-altos.
9. Inversor (D-I).
10. Salida (I+D) f < 150Hz.
11. Salida (I+D) f > 150Hz.
12. Salida (I-D) f > 150Hz.
13. Salida (D-I) f > 150Hz.

Observamos que en el diagrama aparece un cuarto canal destinado a reproducir las frecuencias menores de 150Hz que el dipolo, por su propia naturaleza, es incapaz de reproducir satisfactoriamente. Esta sería la frecuencia de transición de los filtros pasa-altos y pasa-bajos. Analizando en cámara anecoica la respuesta de frecuencia de los altavoces generadores del dipolo trabajando conjuntamente, extraeremos la suficiente información para diseñar el ecualizador. También es muy importante añadir en el sistema algún dispositivo de medida para igualar la salida de los canales.

SEGUNDO MODELO
En la figura 4 observamos que el circuito sólo nos ofrece las señales: (I+D), (I-D). Podemos obtener -(I-D) simplemente invirtiendo la conexión al altavoz correspondiente. En este esquema, no existe la salida para bajas frecuencias, aunque, también es posible obtenerla facilmente de la señal (I+D) previo filtrado de altas y medias frecuencias.

Despiece fig. 4.

1. Amplificador de línea.
2. Amplificador de línea.
3. Mezclador (I+D).
4. Inversor (-D).
5. Mezclador (I-D).
6. Ecualizador dipolo.
7. Salida (I+D).
8. Salida (I-D).

Igual que en el modelo anterior, analizaremos en cámara anecoica la respuesta de frecuencia de los altavoces generadores del dipolo trabajando conjuntamente para extraer la información necesaria para diseñar el ecualizador. También es muy importante añadir en el sistema algún dispositivo de medida para igualar la salida de los canales, tal como hemos visto.


TERCER MODELO
En la fig.5 observamos que esta forma de llevar a la práctica el proyecto es muy sencilla, a pesar de ello el resultado es muy satisfactorio. Es cierto que este modelo experimental presenta algunos inconvenientes pero su extrema simplicidad lo hacen muy atractivo para cualquier persona que desee realizar un experimento de este tipo y no quiera complicarse la vida con circuitos a base de amplificadores operacionales o transistores. En la figura podemos observar el conexionado de los tres altavoces unidos a la salida de un amplicador estereo convencional. El potenciómetro P nos servirá para ajustar la anchura del campo sonoro.
Digamos, finalmente, que las tres alternativas son compatibles con las grabaciones realizadas con el sistema Dolby Surround, todo lo cual, es una gran ventaja.



Conclusiones

Si se cumplen los requisitos exigidos por el sistema, se obtiene una pantalla acústica muy eficaz en la reproducción espacial de cualquier programa sonoro tipo estéreo, cuadrafónico o, también, binaural, es decir grabaciones realizadas con cabeza artificial o procesamiento digital equivalente.
En definitiva, con este sistema de sonido, las señales de los canales izquierdo y derecho son totalmente independientes en la gama de frecuencias utilizada por los oídos del oyente para discernir, en la escucha real, las diferentes direcciones de cada una de las fuentes sonoras. Tal como sucede en la estereofonía convencional, podemos asignar a cada uno de los instrumentos implicados en la grabación, determinada relación de amplitudes en las señales correspondientes enviadas a los canales izquierdo y derecho. (O de tiempo en sistemas más sofisticados) En nuestro caso, si las variaciones de amplitud/tiempo son nulas, la fuente sonora virtual y nuestra pantalla acústica 3D se encontrarán en la misma posición. Variando esta relación de amplitudes/tiempo, podremos situar a cada una de las fuentes sonoras virtuales en cualquier lugar fuera de la pantalla, aunque, desde un punto de vista objetivo, todas ellas se encuentran aún en línea. Es decir, lo que estamos haciendo en este momento es reproducir un programa estereofónico convencional con una pantalla acústica espacial consiguiendo, eso es cierto, un efecto envolvente adicional al haber eliminado la diafonía en el punto de audición. Sin embargo, la verdadera ventaja de este sistema respecto a uno convencional es que, ahora, debido a la independencia de las señales (I,D) en toda la cadena grabación/reproducción, es posible utilizar una cabeza artificial en la grabación aprovechando sus ventajas desde el punto de vista espacial o, mucho mejor aún, sustituir dicha cabeza por un modelo electrónico, es decir, un circuito que permitiera realizar las mismas transformaciones del frente de ondas producidas por aquella. Esto implica un tratamiento independiente de cada canal en la sala de grabación, siguiendo un modelo preestablecido y copiado, además, de nuestra experiencia acústica cotidiana: a cada nueva posición de la fuente sonora o el oyente en el espacio circundante, le corresponden determinada relación de amplitud timbre y tiempo en sus oídos. Este sería, pues, el modelo a seguir.

(Link) Registro de la Propiedad Industrial. nº 8701968. Roger Andreu.
Publicación nº 428/429. de La Revista Española de Electrónica Barcelona.


Rivel. Acústica Musical. Música. Barcelona
Sonido 3D, envolvente, binaural, Proceso HTRF.