La síntesis de campo de ondas ( WFS ) es una técnica de representación de audio espacial , caracterizada por la creación de entornos acústicos virtuales . Produce frentes de ondas artificiales sintetizados por un gran número de altavoces controlados individualmente a partir de ondas elementales. Estos frentes de onda parecen originarse a partir de un punto de partida virtual, la fuente de sonido virtual. A diferencia de las fuentes de sonido fantasma tradicionales, la localización de las fuentes de sonido virtuales establecidas por WFS no depende de la posición del oyente. Como fuente de sonido genuina, la fuente virtual permanece en un punto de partida fijo.
WFS se basa en el principio de Huygens-Fresnel , que establece que cualquier frente de onda puede considerarse como una superposición de ondas elementales esféricas. Por tanto, cualquier frente de onda puede sintetizarse a partir de dichas ondas elementales. En la práctica, una computadora controla una gran variedad de altavoces individuales y acciona cada uno exactamente en el tiempo y el nivel en el que el frente de onda virtual deseado pasaría por su punto. De esta manera, desde una fuente de señal mono se puede restaurar un frente de onda genuino de una fuente de sonido.
El procedimiento básico fue desarrollado en 1988 por el profesor AJ Berkhout de la Universidad Tecnológica de Delft . [1] Su base matemática es la integral de Kirchhoff-Helmholtz . Afirma que la presión sonora está completamente determinada dentro de un volumen libre de fuentes, si la presión y la velocidad del sonido se determinan en todos los puntos de su superficie.
Por lo tanto, cualquier campo sonoro puede reconstruirse si se restablecen la presión sonora y la velocidad acústica en todos los puntos de la superficie de su volumen. Este enfoque es el principio subyacente de la holofonía .
Para la reproducción, toda la superficie del volumen tendría que estar cubierta con altavoces muy próximos entre sí, cada uno de ellos accionado individualmente con su propia señal. Además, la zona de escucha tendría que ser anecoica para evitar reflejos del sonido que violarían la suposición de volumen sin fuente. En la práctica, esto es poco factible. Debido a que nuestra percepción acústica es más exacta en el plano horizontal, los enfoques prácticos generalmente reducen el conjunto a una línea, círculo o rectángulo horizontal de altavoces alrededor del oyente. Por lo tanto, el origen del frente de onda sintetizado se restringe en cualquier punto del plano horizontal de los altavoces. El audio 3D real no es posible con este tipo de filas de altavoces. Para las fuentes detrás de los altavoces, la matriz producirá frentes de onda convexos. Las fuentes frente a los altavoces se pueden representar mediante frentes de onda cóncavos que se enfocan en la fuente virtual dentro del área de reproducción y divergen nuevamente como una onda convexa. Por lo tanto, la reproducción dentro del volumen es incompleta: se estropea si el oyente se encuentra entre los altavoces y la fuente virtual.
Si se supera la restricción del plano horizontal, es posible establecer una copia virtual de un campo sonoro genuino, indistinguible del campo sonoro real. Los cambios de posición del oyente en la zona de interpretación producen la misma impresión que un cambio apropiado de ubicación en la sala de grabación. Los conjuntos bidimensionales pueden establecer frentes de onda paralelos, que son directos a los altavoces y no más fuertes que a un metro de distancia. Los conjuntos horizontales sólo pueden producir ondas cilíndricas, que pierden un nivel de 3 dB al duplicarse la distancia. Pero ya con esa restricción, los oyentes en la síntesis de campo de ondas ya no están relegados a un área óptima dentro de la sala.
El grupo de expertos en imágenes en movimiento estandarizó el estándar de transmisión orientada a objetos MPEG-4 , que permite una transmisión separada de contenido (señal de audio grabada en seco) y forma (la respuesta al impulso o el modelo acústico). Cada fuente acústica virtual necesita su propio canal de audio (mono). El campo sonoro espacial en la sala de grabación consta de la onda directa de la fuente acústica y un patrón espacialmente distribuido de fuentes acústicas especulares causadas por los reflejos de las superficies de la sala. Reducir esa distribución de fuente de espejo espacial en unos pocos canales de transmisión provoca una pérdida significativa de información espacial. Esta distribución espacial se puede sintetizar con mucha más precisión en el lado de la interpretación.
En comparación con los procedimientos convencionales de reproducción orientada a canales, WFS ofrece una clara ventaja: las fuentes acústicas virtuales guiadas por el contenido de la señal de los canales asociados se pueden ubicar mucho más allá del área de reproducción del material convencional. Esto reduce la influencia de la posición del oyente porque los cambios relativos en ángulos y niveles son claramente menores en comparación con los altavoces convencionales ubicados dentro del área de reproducción. Esto amplía considerablemente el punto óptimo; ahora puede cubrir casi toda el área de representación. Por lo tanto, WFS no sólo es compatible con los métodos convencionales orientados a canales, sino que potencialmente los mejora.
Dado que WFS intenta simular las características acústicas del espacio de grabación, se debe suprimir la acústica del área de interpretación. Una posible solución es el uso de amortiguación acústica o disponer las paredes en una configuración absorbente y no reflectante. Una segunda posibilidad es la reproducción en el campo cercano. Para que esto funcione eficazmente, los altavoces deben acoplarse muy estrechamente en la zona de audición o la superficie del diafragma debe ser muy grande.
En algunos casos, la diferencia más perceptible con respecto al campo sonoro original es la reducción del campo sonoro a dos dimensiones a lo largo de la horizontal de las líneas del altavoz. Esto es especialmente notable en la reproducción del ambiente. La supresión de la acústica en el área de reproducción no complementa la reproducción de fuentes ambientales acústicas naturales.
Se producen distorsiones de aliasing espaciales indeseables causadas por fallas de banda estrecha dependientes de la posición en la respuesta de frecuencia dentro del rango de reproducción. Su frecuencia depende del ángulo de la fuente acústica virtual y del ángulo del oyente con respecto a la disposición de los altavoces:
Para una reproducción sin aliasing en todo el rango de audio sería necesaria una distancia de los emisores individuales inferior a 2 cm. Pero, afortunadamente, nuestro oído no es particularmente sensible al aliasing espacial. Generalmente es suficiente una distancia entre emisores de 10 a 15 cm. [2]
Otra causa de perturbación del frente de onda esférico es el efecto de truncamiento . Debido a que el frente de onda resultante es un compuesto de ondas elementales, puede ocurrir un cambio repentino de presión si no hay más altavoces que emitan ondas elementales donde termina la fila de altavoces. Esto provoca un efecto de "onda de sombra". En el caso de fuentes acústicas virtuales colocadas delante del sistema de altavoces, este cambio de presión se adelanta al frente de onda real, por lo que se vuelve claramente audible.
En términos de procesamiento de señales , esto es una fuga espectral en el dominio espacial y es causada por la aplicación de una función rectangular como función de ventana en lo que de otro modo sería una matriz infinita de altavoces. La onda de sombra se puede reducir si se reduce el volumen de los altavoces exteriores; esto corresponde al uso de una función de ventana diferente que disminuye en lugar de truncarse.
Otro problema resultante es el alto coste. Un gran número de transductores individuales deben estar muy juntos. Reducir el número de transductores aumentando su espaciado introduce artefactos de aliasing espacial. Reducir el número de transductores a un espaciado determinado reduce el tamaño del campo emisor y limita el rango de representación; fuera de sus fronteras no se pueden producir fuentes acústicas virtuales.
El desarrollo inicial de WFS comenzó en 1988 en la Universidad de Delft . [ cita necesaria ] Se llevaron a cabo trabajos adicionales desde enero de 2001 hasta junio de 2003 en el contexto del proyecto CARROUSO de la Unión Europea, que incluía diez institutos. [ cita necesaria ] El sistema de sonido WFS IOSONO fue desarrollado por el Instituto Fraunhofer de tecnología de medios digitales (IDMT) por la Technische Universität Ilmenau en 2004.
La primera transmisión en vivo de WFS tuvo lugar en julio de 2008, recreando un recital de órgano en la Catedral de Colonia en el aula 104 de la Universidad Técnica de Berlín . [3] La sala contiene el sistema de altavoces más grande del mundo con 2700 altavoces en 832 canales independientes.
Las tendencias de investigación en la síntesis de campos ondulatorios incluyen la consideración de la psicoacústica para reducir el número necesario de altavoces y la implementación de complicadas propiedades de radiación sonora para que un piano de cola virtual suene tan grandioso como en la vida real. [4] [5] [6]
Un avance práctico de la tecnología WFS sólo se produjo con los módulos X1 de la empresa tecnológica Holoplot, con sede en Berlín. La startup evitó la restricción habitual a un plano horizontal e instaló 96 controladores de altavoces controlados individualmente en un sistema modular. Optimizados según los principios WFS, los haces son capaces de entregar sonido de manera muy uniforme a áreas de audiencia grandes y de formas arbitrarias, incluso simultáneamente con haces de diferente contenido. Como las superficies reflectantes no se golpean involuntariamente, apenas se produce reverberación incluso en entornos altamente reflectantes. El proyecto más grande de la compañía hasta la fecha es Sphere en el Valle de Las Vegas. El sistema de sonido del lugar está compuesto por 1.586 X1 Matrix Arrays instalados permanentemente que comprenden 167.000 controladores de altavoces y combinará ondas elementales en frentes de ondas comunes.
