La síntesis de campos de ondas ( WFS ) es una técnica de reproducción de audio espacial que se caracteriza por la creación de entornos acústicos virtuales . Produce frentes de onda artificiales sintetizados por un gran número de altavoces controlados individualmente a partir de ondas elementales . Dichos frentes de onda parecen tener su origen en 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. Al igual que una fuente de sonido genuina, la fuente virtual permanece en un punto de partida fijo.
El 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 lo tanto, cualquier frente de onda puede sintetizarse a partir de dichas ondas elementales. En la práctica, un ordenador controla una gran variedad de altavoces individuales y activa cada uno de ellos exactamente en el tiempo y nivel en el que el frente de onda virtual deseado pasaría por su punto. De esa manera, a partir de 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 en la Universidad Tecnológica de Delft . [1] Su base matemática es la integral de Kirchhoff-Helmholtz . Establece que la presión sonora está completamente determinada dentro de un volumen libre de fuentes, si la presión sonora y la velocidad se determinan en todos los puntos de su superficie.
Por lo tanto, cualquier campo sonoro puede reconstruirse si se restauran 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 espaciados muy cerca, cada uno de ellos accionado individualmente con su propia señal. Además, el área de escucha tendría que ser anecoica , para evitar reflexiones de sonido que violarían el supuesto de volumen libre de fuente. En la práctica, esto es difícilmente 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 de altavoces horizontales alrededor del oyente. De modo que el origen del frente de onda sintetizado se limita a cualquier punto en el plano horizontal de los altavoces. El audio 3D real no es posible con tales filas de altavoces. Para las fuentes detrás de los altavoces, el conjunto producirá frentes de onda convexos. Las fuentes delante de los altavoces pueden ser renderizadas por frentes de onda cóncavos que se centran en la fuente virtual dentro del área de reproducción y divergen nuevamente como onda convexa. Por lo tanto, la reproducción dentro del volumen es incompleta: se rompe si el oyente está situado entre los altavoces y la fuente virtual.
Si se supera la restricción del plano horizontal, se hace posible establecer una copia virtual de un campo sonoro genuino indistinguible del campo sonoro real. Los cambios de la posición del oyente en el área de reproducción producen la misma impresión que un cambio apropiado de ubicación en la sala de grabación. Los arreglos bidimensionales pueden establecer frentes de onda paralelos, que son directos a los altavoces, pero no más fuertes que a una distancia de un metro. Los arreglos horizontales solo pueden producir ondas cilíndricas, que pierden 3 dB de nivel al duplicar la distancia. Pero ya con esa restricción, los oyentes en la síntesis del campo de ondas ya no están relegados a un área de punto óptimo dentro de la sala.
El Moving Picture Expert Group ha estandarizado el estándar de transmisión orientado a objetos MPEG-4 , que permite la transmisión por separado del contenido (señal de audio grabada en seco) y la forma (la respuesta al impulso o el modelo acústico). Cada fuente acústica virtual necesita su propio canal de audio (mono). El campo de sonido espacial en la sala de grabación consta de la onda directa de la fuente acústica y un patrón distribuido espacialmente de fuentes acústicas especulares causado por las reflexiones de las superficies de la sala. Reducir esa distribución espacial especular de la fuente a unos pocos canales de transmisión provoca una pérdida significativa de información espacial. Esta distribución espacial puede sintetizarse con mucha más precisión por parte del lado de la reproducción.
En comparación con los procedimientos de reproducción orientados a canales convencionales, el sistema WFS ofrece una clara ventaja: las fuentes acústicas virtuales guiadas por el contenido de señal de los canales asociados se pueden colocar mucho más allá del área de reproducción de material convencional. Esto reduce la influencia de la posición del oyente, ya que 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 reproducción. Por lo tanto, el sistema WFS no solo es compatible con los métodos orientados a canales convencionales, sino que potencialmente mejora la reproducción de los mismos.
Dado que WFS intenta simular las características acústicas del espacio de grabación, es necesario suprimir la acústica del área de reproducción. Una posible solución es el uso de amortiguación acústica o disponer las paredes de una forma que absorba y no refleje la luz. Una segunda posibilidad es la reproducción en el campo cercano. Para que esto funcione de manera efectiva, los altavoces deben acoplarse muy cerca de la zona de audición o la superficie del diafragma debe ser muy grande.
En algunos casos, la diferencia más perceptible en comparación con el campo sonoro original es la reducción del campo sonoro a dos dimensiones a lo largo de la línea horizontal de los altavoces. Esto es especialmente notable en la reproducción de ambientes. La supresión de la acústica en el área de reproducción no complementa la reproducción de fuentes acústicas ambientales naturales.
Existen distorsiones de aliasing espacial no deseadas causadas por rupturas 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 respecto a la disposición de altavoces:
Para una reproducción sin aliasing en todo el rango de audio sería necesaria una distancia de los emisores individuales por debajo de los 2 cm. Pero afortunadamente, nuestro oído no es particularmente sensible al aliasing espacial. Una distancia de 10 a 15 cm entre los emisores suele ser suficiente. [2]
Otra causa de perturbación del frente de onda esférico es el efecto de truncamiento . Como el frente de onda resultante es una composición de ondas elementales, puede producirse un cambio repentino de presión si no hay más altavoces que emitan ondas elementales en el punto donde termina la fila de altavoces. Esto provoca un efecto de "onda de sombra". En el caso de las fuentes acústicas virtuales situadas delante de la disposición de altavoces, este cambio de presión se produce antes que el frente de onda real, por lo que se vuelve claramente audible.
En términos de procesamiento de señales , se trata de una fuga espectral en el dominio espacial y se produce 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 se va reduciendo en lugar de truncarse.
Otro problema que se deriva de ello es el elevado coste. Es necesario disponer de un gran número de transductores individuales muy próximos entre sí. Reducir el número de transductores aumentando su espaciamiento introduce artefactos de aliasing espacial. Reducir el número de transductores a un espaciamiento determinado reduce el tamaño del campo emisor y limita el rango de representación; fuera de sus límites no se pueden producir fuentes acústicas virtuales.
El desarrollo temprano de WFS comenzó en 1988 en la Universidad de Delft . [ cita requerida ] El trabajo posterior se llevó a cabo desde enero de 2001 a junio de 2003 en el contexto del proyecto CARROUSO de la Unión Europea que incluía diez institutos. [ cita requerida ] El sistema de sonido WFS IOSONO fue desarrollado por el Instituto Fraunhofer de tecnología de medios digitales (IDMT) de 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 la sala de conferencias 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 de ondas incluyen la consideración de la psicoacústica para reducir la cantidad necesaria de altavoces e implementar propiedades de radiación de sonido complicadas para que un piano de cola virtual suene tan bien como en la vida real. [4] [5] [6]
El avance práctico de la tecnología WFS llegó con los módulos X1 de la empresa tecnológica Holoplot, con sede en Berlín. La startup evitó la restricción habitual de 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 emitir sonido de forma muy uniforme en grandes áreas de público 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 muy reflectantes. El proyecto más grande de la empresa hasta la fecha es Sphere en Las Vegas Valley. El sistema de sonido del recinto está formado por 1.586 matrices X1 instaladas de forma permanente que comprenden 167.000 controladores de altavoces y combina ondas elementales en frentes de onda comunes.
