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Equipo de sonido 3D TAV EDF
Roger Andreu (Barcelona)

En este documento vamos a desarrollar un sistema de reproducción de sonido envolvente 3D aplicable, en los equipos electroacústicos convencionales como, también, en algunos sistemas de sonido en Realidad Virtual, PC multimedia, etc. Para ello, en base a la teoría inicial, se presenta un modelo muy sencillo y dos implantaciones de mayor complejidad.
Un estudio detallado de este proyecto fue publicado por el autor hace algunos años en la Revista Española de Electrónica editada en Barcelona.
Es evidente que, tanto las señales I, D como, también, las i, d que enseguida vemos a estudiar, representan funciones de onda que no representaremos aquí puesto que no es, en absoluto, necesario para entender el funcionamiento del sistema y sólo complicaría la comprensión del procedimiento.

También, diremos que para realizar con éxito este proyecto es imprescindible aplicar ciertos criterios constructivos, los cuales, no aparecen en este texto. Por ejemplo, las normas a seguir sobre la respuesta de frecuencia y, sobretodo, de fase de los altavoces y demás elementos, tanto activos como pasivos. Tipo y tamaño de los altavoces, diagramas de directividad, disposición física de los radiadores, filtros eléctricos y mecánicos, etc.
Empezaremos nuestro proyecto observando la figura 1, la cual, representa, de forma gráfica, el mayor inconveniente de la estereofonía convencional, esto es, la mezcla indeseable de las señales de los canales izquierdo y derecho en los sistemas tradicionales estéreo con dos canales. Esta es la razón de que las grabaciones con cabeza artificial fueron pensadas inicialmente para ser escuchadas con auriculares puesto que esta diafonía acústica perturbadora anula el efecto propiamente binaural de la cabeza artificial. De hecho, una grabación realizada de esta manera y reproducida con un sistema convencional perderá gran parte del relieve proporcionado por la cabeza sonando como una simple grabación standard.
Supongamos que en la sala de conciertos situamos la cabeza artificial O1, la cual, nos va a servir para recoger el campo sonoro del lugar lo más fielmente posible, al igual que una cabeza humana. De forma paralela, enviamos dichas señales, en tiempo real, 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). Si, ahora, acercamos los dos altavoces de manera que queden situados en el centro, justo enfrente del oyente, la señal acústica será, en principio, prácticamente igual en ambos oídos. Por lo tanto, en estas condiciones, 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) (El orden de los sumandos es irrelevante).
De hecho, (I+D) representa un campo acústico común a los dos oídos del oyente, el cual, nos será muy útil para obtener las señales I y D de forma independiente, tal como seguidamente veremos.
Se trata, pues, de diseñar un sistema capaz de eliminar de este campo sonoro, la componente D en el oído izquierdo y la componente I en el derecho y lograr que el oyente O2 situado delante de los altavoces reciba las mismas señales que la cabeza artificial para obtener la misma impresión de dirección y espacio que obtendríamos en la sala de conciertos.


El proyecto TAV-EDF


Este proyecto de sonido se compone de una pantalla acústica con tres altavoces que situaremos justamente delante del oyente. El altavoz central radia la señal común ya comentada (I+D). Veamos, la misión 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:

(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 de crear un dipolo acústico cuyo plano de presión mínima coincida con el eje de simetría de la cabeza del oyente. Las señales adicionales +I y +D forman el campo común (I+D) citado anteriormente.
En estas condiciones, la señales resultantes en las inmediaciones de los oídos son:

Oído izquierdo: (I+D)+(I-D)=2I

Oído derecho: (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 justamente enfrente de los altavoces.


Realizaciones prácticas


Primera opción:
Veamos, ahora, la primera realización practica. Tal como podemos ver en la figura 3, la pantalla acústica se compone de tres altavoces de banda ancha, responsables de recrear la imagen acústica espacial de la sala de conciertos.
El altavoz de la izquierda radia la señal (I-D). El derecho se encuentra en oposición de fase respecto del primero y, por lo tanto, la señal radiada será: -(I-D). Es decir, estos dos altavoces, tal como se ha comentado en el anterior apartado, conforman un dipolo acústico donde el plano de presión nula coincide aproximadamente con el eje de simetría de la cabeza del oyente. El altavoz central, como sabemos, radia la señal común (I+D). Es el campo sonoro común a los dos oídos del oyente del que ya hemos hablado más arriba.
La primera forma de llevar a la práctica el proyecto es muy sencilla. Es cierto que presenta algunos inconvenientes que después repasaremos 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. También contruiremos una pantalla acústica para ubicarlos. A pesar de su simplicidad, el impacto psico-acústico sobre el oyente es realmente muy bueno, (siempre mejor a cualquier equipo estereo) si utilizamos, como mínimo, grabaciones estereofónicas de calidad y respetamos los criterios constructivos. El más importante es utilizar tres altavoces idénticos, tanto en tamaño (lo que redundará en un índice de directividad igual para los tres) como, también, en la respuesta de frecuencia y fase.

Los inconvenientes de esta realización son:
  1. Bajo rendimiento. (Baja sensibilidad de entrada).
  2. Si bien la respuesta de frecuencia del altavoz central tiende a ser plana en la parte del espectro donde el elemento preponderante de la impedancia mecánica es la reactancia de masa, no ocurre los mismo con los altavoces laterales pues, al conformar un dipolo acústico, presentan una respuesta de frecuencia, cuyo nivel de salida aumenta con la frecuencia hasta llegar a igualar la salida del altavoz central. Este comportamiento requiere una ecualización efectiva.
  3. En el circuito descrito no es posible variar la salida de los altavoces laterales de forma independiente. Podríamos intentar añadir potenciómetros adicionales, pero esta disposición reduciría aún más el rendimiento y podría perjudicar, además, la mezcla correcta de las señales.
  4. Como el rendimiento global en el extremo bajo del espectro de audio es pobre, opcionalmente puede incluirse un cuarto canal para reproducir las frecuencias más bajas. (< 150 Hz)

Segunda opción:
Se trata de utilizar un circuito electrónico para realizar las operaciones de suma, resta y ecualización de las señales. Aunque es posible realizar estas operaciones con componentes activos discretos, el mejor modo, por su rendimiento y simplicidad, es utilizar amplificadores operaciones integrados. Veamos distintos bloques de este primer circuito:
  1. Amplificador de línea.
  2. Amplificador de línea.
  3. Mezclador (I+D).
  4. Inversor (-D).
  5. Mezclador (I-D).
  6. Ecualizador dipolo.
  7. Amplificador de línea.
  8. Amplificador de línea.

Tercera opción:
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. Esta sería la frecuencia "ft" de transición de los filtros pasa-altos y pasa-bajos. Es el modelo más elaborado y se compone de las siguientes partes:
  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. Amplif. de salida (I+D) f < 150Hz.
  11. Amplif. de salida (I+D) f > 150Hz.
  12. Amplif. de salida (I-D) f > 150Hz.
  13. Amplif. de salida (D-I) f > 150Hz.

Analizando en una 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 al sistema algún dispositivo de medida para igualar la salida de los canales.

Conclusiones

Si se cumplen todos los requisitos exigidos por el sistema, se obtendrá una pantalla acústica muy eficaz en la reproducción espacial de cualquier programa sonoro, debido a que si bien existe una sola pantalla acústica en la sala de audición, los focos sonoros virtuales se encuentran distribuidos en un amplio espacio alrededor del oyente. (Suponemos que la reverberación de la sala tiende a cero y el oyente se encuentra justamante enfrente de la pantalla acústica).
Queda claro que 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 posiciones 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. En nuestro caso, si la amplitud es la misma en los dos canales, la fuente sonora virtual y nuestra pantalla acústica 3D se encontrarán en la misma posición. Variando esta relación de amplitudes, 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, sustituir dicha cabeza por un modelo electrónico, es decir, un circuito que permitiera realizar las mismas transformaciones del frente de ondas producidas por aquella, es decir, añadiendo a las diferencias de amplitud clásica de una grabación estereo convencional, las correspondientes diferencias de timbre y tiempo. 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 en el espacio, le corresponden determinada relación de amplitud timbre y tiempo en los oídos del oyente. Este sería, pues, el modelo a seguir.
El tema "La percepción objetiva de la profundidad del espacio sonoro" lo tratamos adecuadamente en nuestro tutorial de Sonido 3D

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