Cómo funciona el sonido envolvente virtual

Cuando se trata de cine en casa, mucha gente piensa en grande:una imagen grande y mucho sonido proveniente de un televisor de pantalla ancha y una variedad de altavoces. Pero la configuración típica de cine en casa, con sus parlantes de sonido envolvente y subwoofer, no funcionará para todos los hogares. Algunas personas no tienen suficiente espacio para todo ese equipo. Otros no quieren que sus salas de estar estén abarrotadas de cables, o no quieren la molestia de ajustar la ubicación y la altura de muchos altavoces.

Ahí es donde sonido envolvente virtual entra en juego. Imita el efecto de un sistema de sonido envolvente de múltiples bocinas, pero usa menos bocinas y menos cables. Estos sistemas vienen en dos variedades principales:2.1 surround y proyección de sonido digital . La mayoría de las veces, los sistemas de sonido envolvente 2.1 utilizan dos altavoces colocados frente al oyente y un subwoofer colocado en otro lugar de la habitación. Éstos recrean el efecto de un sistema de sonido envolvente 5.1, que cuenta con cinco altavoces y un subwoofer. Los proyectores de sonido digital, por otro lado, tienden a usar una sola tira de pequeños parlantes para producir sonido. Muchos proyectores de sonido digital no incluyen un subwoofer.

Independientemente de su configuración exacta, estos sistemas funcionan con los mismos principios básicos. Utilizan una serie de técnicas para modificar las ondas de sonido de modo que parezcan provenir de más altavoces de los que realmente hay. Estas técnicas provienen del estudio de la psicoacústica, o la manera en que las personas perciben el sonido. En este artículo, exploraremos las características del oído humano que permiten que dos altavoces suenen como cinco, así como lo que debe tener en cuenta si compra un sistema de sonido envolvente virtual.

1. Percepción del sonido
2. Pistas de sonido y sonido envolvente virtual
3. Estudiando reflejos de sonido
4. Herramientas y técnicas de sonido envolvente virtual

Percepción del sonido

Los sistemas de sonido envolvente virtual aprovechan las propiedades básicas de los altavoces, las ondas sonoras y la audición. Un altavoz es esencialmente un dispositivo que cambia los impulsos eléctricos en sonido. Lo hace mediante un diafragma -- un cono que se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás, empujando y alejándose del aire a su lado. Cuando el diafragma se mueve hacia afuera, crea una compresión , o área de alta presión, en el aire. Cuando retrocede, crea una rarefacción , o área de menor presión. Puede obtener más información sobre los detalles en Cómo funcionan los altavoces.

Las compresiones y rarefacciones son el resultado del movimiento de partículas de aire. Cuando las partículas se empujan entre sí, crean un área de mayor presión. Estas partículas también presionan contra las moléculas a su lado. Cuando las partículas se separan, crean un área de menor presión mientras se alejan de las partículas vecinas. De esta manera, las compresiones y rarefacciones viajan por el aire como una onda longitudinal.

Cuando esta ola de áreas de alta y baja presión llega a tu oído, suceden varias cosas que te permiten percibirla como sonido. La ola se refleja en el pabellón auditivo o cono externo, de tu oído. Esta parte de la oreja también se conoce como aurícula. El sonido también viaja a su canal auditivo, donde mueve físicamente su membrana timpánica, o tímpano. Esto desencadena una reacción en cadena que involucra muchas estructuras diminutas dentro de su oído. Eventualmente, las vibraciones de la onda de presión llegan a su nervio coclear, que los lleva al cerebro (brain.htm) como impulsos nerviosos. Su cerebro interpreta estos impulsos como sonido. Cómo funciona la audición (hearing.htm) tiene mucha más información sobre las estructuras internas de su oído y lo que se necesita para percibir el sonido.

El proceso de interpretación de su cerebro le permite comprender el significado del sonido. Si el sonido es una serie de palabras habladas, puede unirlas en una oración comprensible. Si el sonido es una canción, puede interpretar las palabras, experimentar el tono y el ritmo y decidir si le gusta lo que escucha. También puede recordar si ha escuchado la misma canción o canciones similares antes.

Además de permitirte interpretar el sonido, tu cerebro también usa muchas señales auditivas para ayudarte a averiguar de dónde vino. Esto no siempre es algo en lo que piensas o de lo que eres consciente. Pero ser capaz de localizar la fuente de un sonido es una habilidad importante. Esta habilidad ayuda a los animales a localizar comida, evitar depredadores y encontrar otros de su especie. Ser capaz de saber de dónde viene un sonido también te ayuda a decidir si alguien te está siguiendo y si alguien llama a tu puerta o a la de tu vecino.

Estas señales y las propiedades físicas de las ondas de sonido son fundamentales para el sonido envolvente virtual. Los veremos con más detalle a continuación.

Un método para crear un entorno de sonido envolvente virtual es . es un conjunto de reglas y algoritmos que recrean sonido multicanal para dispositivos que tienen solo dos altavoces comunes. Es una característica que se encuentra en ciertos televisores, sistemas estéreo y computadoras en lugar de un componente físico separado de un sistema de cine en casa. Una tecnología similar es Dolby Headphone , que utiliza algoritmos de procesamiento de sonido para permitir que unos auriculares normales imiten un conjunto de altavoces de sonido envolvente. Puede obtener más información sobre otras tecnologías Dolby en Cómo funciona el sonido de las películas.

Pistas de sonido y sonido envolvente virtual

La mayoría de las personas han tenido la experiencia de sentarse en una habitación muy silenciosa, como un salón de clases durante un examen, y un ruido inesperado rompe el silencio, como el cambio que cae del bolsillo de alguien. Por lo general, las personas inmediatamente giran la cabeza hacia la fuente del sonido. Girar hacia el sonido parece casi instintivo:en un instante, tu cerebro determina la ubicación del sonido. Esto suele ser cierto incluso si solo puede escuchar con un oído.

La capacidad de una persona para señalar la ubicación de un sonido proviene del análisis del cerebro de los atributos del sonido. Un atributo tiene que ver con la diferencia entre el sonido que escucha su oído derecho y el sonido que escucha su oído izquierdo. Otro tiene que ver con las interacciones entre las ondas sonoras y la cabeza y el cuerpo. Juntas, estas son las señales auditivas que usa el cerebro para descubrir de dónde proviene un sonido.

Imagina que las monedas en nuestro ejemplo de salón de clases silencioso golpean el piso en algún lugar a tu derecha. Debido a que el sonido viaja como ondas físicas a través del aire, un proceso que lleva tiempo, llega a tu oído derecho una fracción de segundo antes de llegar al izquierdo. Además, el sonido es un poco más bajo cuando llega a tu oído izquierdo. Esta reducción de volumen se debe a la disipación natural de la onda de sonido y porque tu cabeza absorbe y refleja un poco del sonido. La diferencia de volumen entre el oído izquierdo y el derecho es la diferencia de nivel interaural (ILD). El retraso es la diferencia de tiempo interaural (ITD).

Las diferencias de tiempo y nivel le dan a tu cerebro una idea clara de si un sonido proviene de tu izquierda o de tu derecha. Sin embargo, estas diferencias contienen menos información acerca de si el sonido proviene de arriba o de abajo. Esto se debe a que cambiar la elevación de un sonido afecta la ruta que toma para llegar a tu oído, pero no afecta la diferencia entre lo que escuchas en tus oídos izquierdo y derecho. Además, puede ser difícil determinar si un sonido proviene de adelante o de atrás si solo se basa en las diferencias de tiempo y nivel. Esto se debe a que, en algunos casos, estos sonidos pueden producir ILD e ITD idénticos. Aunque los sonidos provienen de una ubicación diferente, las diferencias en lo que vuestros oídos oyen siguen siendo los mismos. Las ILD y las ITD son idénticas en un área en forma de cono que se extiende hacia afuera de la oreja conocida como cono de confusión.

Las ILD y las ITD requieren que las personas puedan oír con ambos oídos, pero las personas que no pueden oír con un solo oído aún pueden determinar la fuente del sonido. Esto se debe a que el cerebro puede usar el reflejo del sonido en las superficies de un oído para tratar de localizar la fuente del sonido.

Cuando una onda de sonido llega al cuerpo de una persona, se refleja en la cabeza y los hombros de la persona. También se refleja en la superficie curva del oído externo de la persona. Cada uno de estos reflejos hace cambios sutiles en la onda de sonido. Las ondas reflectantes interfieren entre sí, haciendo que partes de la onda se hagan más grandes o más pequeñas, cambiando el volumen o la calidad del sonido. Estos cambios se conocen como funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF). A diferencia de los ILD y los ITD, la elevación del sonido, o el ángulo en el que llega a los oídos desde arriba o desde abajo, afecta sus reflejos en las superficies del cuerpo. Los reflejos también son diferentes dependiendo de si el sonido proviene de delante o de detrás de tu cuerpo.

Los HRTF tienen un efecto sutil pero complejo en la forma de la ola. El cerebro interpreta estas diferencias en la forma de la onda, usándolas para encontrar el origen del sonido. Veremos cómo los investigadores han estudiado este fenómeno y lo han utilizado para crear sistemas virtuales de sonido envolvente en la siguiente sección.

Estudiando los reflejos del sonido

El maniquí KEMAR es una herramienta utilizada para analizar cómo interactúan las ondas sonoras con el cuerpo humano.

El pabellón auricular del oído de una persona tiene muchas superficies que pueden reflejar las ondas de sonido. La mayoría de estas superficies son curvas. Algunos pueden dirigir el sonido hacia otras superficies del oído, haciendo que la onda rebote más de una vez antes de llegar a la membrana timpánica. Las interacciones con la cara, la cabeza, el cabello y el torso de una persona también son complicadas. Intentar aislar y medir cada uno de estos reflejos a mano sería casi imposible. Por esta razón, los científicos han estudiado las funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF) usando fuentes de sonido, muchos micrófonos y programas de computadora.

En algunos casos, los investigadores han colocado pequeños micrófonos en las superficies de los cuerpos de los participantes humanos. En otros, han utilizado maniquíes realistas diseñados para representar con precisión la piel, los cartílagos y las proporciones corporales de una persona. Uno de estos maniquíes es el Knowles Electronic Manikin for Acoustic Research, o KEMAR, que se ha utilizado en la investigación de HRTF en laboratorios como el MIT Media Lab.

Estos micrófonos tienen un trabajo:capturar el sonido. Luego, las computadoras pueden analizar diferencias sutiles en los sonidos con diferentes puntos de origen o en la forma en que un solo sonido interactúa con diferentes partes del cuerpo. Eventualmente, esta información conduce a un algoritmo o conjunto de algoritmos. El algoritmo es esencialmente un grupo de reglas que describe la forma en que los HRTF y otros factores cambiaron la forma de la onda de sonido. Aplicar el algoritmo a otra onda de sonido también cambia su forma, dándole las mismas propiedades que tenía la primera onda después de interactuar con el cuerpo de la persona.

Algoritmos como estos están en el corazón de los sistemas virtuales de sonido envolvente. Esto es lo que sucede:

1. Los investigadores usan micrófonos para capturar y estudiar el sonido de una configuración de altavoces de sonido envolvente 5.1. A menudo, la investigación incluye oídos y cuerpos con muchas formas y tamaños diferentes para ayudar a determinar cómo diferentes personas perciben el mismo sonido.
2. Con la ayuda de una computadora, los investigadores desarrollan un algoritmo que puede recrear este sonido.
3. Los investigadores aplican este algoritmo de 5.1 canales a un sistema de dos altavoces, recreando un campo de sonido con la forma que emitiría un sistema real de altavoces de 5.1 canales.

Un SurroundBar de sonido envolvente Polk 5.1

En otras palabras, el proceso aplica señales auditivas a la onda de sonido, engañando a su cerebro para que interprete el sonido como si viniera de cinco fuentes en lugar de dos.

Herramientas y técnicas de sonido envolvente virtual

Un sistema de sonido envolvente Sony 2.1 con subwoofer y receptor/amplificador

Además de las interacciones de las ondas sonoras con el cuerpo humano, los altavoces virtuales de sonido envolvente utilizan una serie de herramientas y técnicas para crear la ilusión de un sonido de 5.1 canales. Algunos sistemas, particularmente los sistemas de procesamiento de sonido digital, reflejan físicamente las ondas de sonido en las paredes de la habitación. En este caso, parte del sonido parece provenir de detrás de usted porque rebota en la pared detrás de su cabeza. Los sistemas como estos a menudo requieren que proporcione las dimensiones de su habitación o que calibre los altavoces con un micrófono. De lo contrario, los reflejos pueden ocurrir en los ángulos incorrectos o en los lugares incorrectos.

Muchos sistemas de dos altavoces también incorporan cancelación de diafonía . Este es básicamente el uso creativo de la interferencia destructiva para eliminar la interferencia no deseada entre el sonido que debe escuchar con el oído izquierdo y el sonido que debe escuchar con el derecho. Esto hace que sea menos probable que sus oídos capten las señales de los demás, arruinando la ilusión del sonido de cinco bocinas.

Los algoritmos y los protocolos de cancelación de diafonía requieren la ayuda de un procesador de computadora, que generalmente se encuentra en un receptor/amplificador. Este dispositivo incluye un chip de procesamiento de sonido que puede aplicar los algoritmos a las ondas de sonido en tiempo real. Al igual que con otros amplificadores, recibe la información de sonido de una fuente, como una caja de satélite o un reproductor de DVD. Aplica los algoritmos y realiza otros ajustes en el volumen o la calidad del sonido antes de enviar la señal a los altavoces. En algunos sistemas, este receptor/amplificador está integrado en las unidades de altavoz.

El mayor inconveniente de los sistemas de sonido envolvente virtual es que su efecto de inmersión es una ilusión y no el producto de varios altavoces. Mantener esta ilusión requiere que te sientes en el lugar correcto y mires directamente a la pantalla del televisor. Moverse demasiado a la izquierda o a la derecha del punto óptimo puede interrumpir la sensación de sonido envolvente real, colocándolo fuera del campo de sonido dirigido. A veces, los sonidos que se mueven de un lado a otro de la habitación o de adelante hacia atrás parecen estar interrumpidos o no suenan naturales. Dado que las ondas de sonido en sí solo provienen de dos altavoces, el campo de sonido a menudo tiene menos potencia e impacto que uno de un conjunto completo de altavoces.

Además, hay algunos puntos a tener en cuenta si está comprando un sistema de sonido envolvente virtual:

Para obtener más información sobre el sonido envolvente virtual y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.