3D sound player and HRTF with speakers

Gracias a la labor de la empresa Google y su departamento de Youtube, ahora podemos encontrar grabaciones realizadas con tecnología 3D. Lamentablemente, a excepción del sistema Dolby Surround con múltiples altavoces, en las audiciones de audio 3D 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 en un amplio espacio alrededor del oyente, 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. Describimos, pues, 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 registrada y publicada por Roger Andreu en la "Revista Española de Electrónica" (Barcelona) hace algunos años.
Para realizar con éxito un experimento de este tipo, es imprescindible aplicar ciertos criterios constructivos. 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 en función de la frecuencia, disposición física de los radiadores. Filtros eléctricos y/o 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 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 tal como presentamos en la figura 2.

Eliminar estas señales puede llegar a convertirse en un problema complejo y delicado. Basta observar las diferencias existentes entre las señales I - i o D - d. En primer lugar, aparece una diferencia de amplitud y un retardo de tiempo entre I e 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.

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 nuestra onda piloto:

(I+D)

Consideramos a las señales I y D los valores de presión sonora en un instante y lugar determinado, las cuales, fluctuarán en función del tiempo, creando 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).
Tal como hemos comentado hace un instante, podemos considerar esta señal una especie de onda piloto de referencia, la cual, interactuará con el resto de señales acústicas para conformar el espacio 3D.
Según las condiciones expuestas, ahora 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

Según la figura 3, este proyecto electroacústico 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 = (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 = -(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 con una inversión de fase de 180 grados, es decir: -(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:

Vemos que 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 tal como podemos ver en el siguiente gráfico.