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Tutorial Sonido 3D
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Sonido 3D TAV  EDF
Registro de la Propiedad Industrial
Solicitud: 8701968. Publicación: S2 007 364



SISTEMA DE SONIDO 3D
En este documento se expone un sistema de reproducción de sonido envolvente 3D aplicable, tanto a los equipos electroacústicos convencionales como, también, en sistemas de Realidad Virtual, PC multimedia, etc. Una exposición detallada de este proyecto fue realizada por el autor, tanto para su presentación en el Registro de la Propieda Industrial como, también, para su publicación en la REVISTA ESPAÑOLA DE ELECTRONICA.
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 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.



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 circuito 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 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.

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, los dos altavoces quedan sustitidos por uno solo, colocado justo enfrente del oyente. Ahora podemos diseñar un circuito, mucho más simple que el modelo anterior, el cual, será 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 que la cabeza artificial obteniendo 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 situada justamente delante del oyente. 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, la señal resultante en las inmediaciones del oído izquierdo es:

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

Y, en las inmediaciones del oído derecho, la señal es:

(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.

DESGLOSE DE COMPONENTES
En la figura 3 podemos ver un esquema práctico de todo lo dicho hasta el momento. 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.

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 de transición de los filtros pasa-altos y pasa-bajos. 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 tipo estéreo, en especial, grabaciones realizadas con cabeza artificial 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.
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 en el espacio, le corresponden determinada relación de amplitud timbre y tiempo en los oídos del oyente. Este sería, pues, el modelo a seguir.


Registro de la Propiedad Industrial. Roger Andreu. Solicitud: 8701968. Publicación: S2 007 364. Barcelona. España.


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