La mayoría de la gente asocia el cine en casa con una enorme pared de parlantes y un subwoofer que hace vibrar el piso. Es la experiencia cinematográfica clásica. Pero seamos honestos. No todo el mundo tiene los metros cuadrados necesarios para una configuración 5.1 completa. Muchos inquilinos sólo quieren ver Netflix sin convertir su sala de estar en una jungla plagada de cables. No necesitas una sala multimedia dedicada para conseguir esa sensación de inmersión. Sólo necesitas sonido envolvente virtual.
Esta tecnología imita los efectos espaciales de una matriz de varios altavoces utilizando muchos menos componentes. No estás comprando un nuevo juego de paredes. Estás comprando un tipo específico de procesamiento de audio.
Hay dos versiones principales de esta tecnología. El primero es el sistema envolvente 2.1. Esto suele significar dos altavoces frontales y un subwoofer independiente. Eso es todo. A pesar de que el nombre implica simplicidad, estos sistemas están diseñados para engañar a su cerebro para que escuche la experiencia completa de sonido envolvente de una configuración de cinco altavoces. La segunda variedad es la proyección de sonido digital. Suelen utilizar una sola tira de altavoces pequeños. A menudo carecen de un subwoofer dedicado, y dependen de la propia tira para proyectar el audio en toda la habitación.
Independientemente del hardware, el objetivo es el mismo. El sistema modifica las ondas sonoras para que parezcan originarse en lugares donde no existe ningún altavoz físico. Esto no es magia. Es psicoacústica. Estamos hablando de cómo los humanos perciben el sonido. Al comprender las peculiaridades del oído humano, los ingenieros pueden hacer que dos altavoces suenen como cinco.
Cómo tu cerebro mapea el espacio
Para entender por qué esto funciona, debes observar el hardware de tu propia cabeza. Un altavoz es esencialmente una máquina que convierte impulsos eléctricos en movimiento físico. Utiliza un diafragma. Este cono se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás. Cuando sale, crea compresión. Esta es un área de alta presión en el aire. Cuando retrocede, crea rarefacción. Esta es una presión más baja.
Estas compresiones y rarefacciones viajan por el aire como una onda longitudinal. Son impulsados por el movimiento de partículas de aire. Cuando las partículas chocan entre sí, la presión aumenta. Cuando se separan, la presión cae. Esta onda eventualmente llega a tu oído.
Golpea el pabellón, también conocido como aurícula. Este es el cono externo de tu oído. Luego, el sonido viaja por el canal auditivo. Mueve físicamente su membrana timpánica o tímpano. Esto desencadena una reacción en cadena de pequeñas estructuras en su interior. Finalmente, las vibraciones llegan al nervio coclear. El nervio envía estos impulsos al cerebro. Tu cerebro los interpreta como sonido.
Pero oír no se trata sólo de detectar el volumen o el tono. Su cerebro usa el sonido para localizar su fuente. Esto sucede a través de señales auditivas. Puede que no pienses conscientemente en ello, pero tu cerebro calcula constantemente de dónde proviene un sonido. Es una habilidad de supervivencia evolutiva. Los animales lo utilizan para encontrar comida o evitar a los depredadores. Los humanos lo usan para determinar si alguien llama a su puerta o a la de su vecino. Si puedes localizar la fuente, puedes reaccionar.
Los sistemas envolventes virtuales explotan estas señales. Alteran las ondas sonoras para que su cerebro reciba datos contradictorios o modificados. El resultado es una imagen fantasma. Escuchas un sonido proveniente de detrás de ti, aunque el altavoz esté frente a ti.
El enfoque del algoritmo Dolby
Uno de los métodos más conocidos para crear este entorno es Dolby Virtual Speaker. No es un dispositivo físico. Es un conjunto de reglas y algoritmos. Estas reglas recrean el sonido multicanal para dispositivos que sólo tienen dos altavoces normales.
Encontrará esta tecnología integrada en ciertos televisores, sistemas estéreo y computadoras. Procesa la señal de audio antes de que llegue al conductor. El algoritmo manipula el tiempo y la frecuencia de las ondas sonoras. Engaña las señales de localización del cerebro. El efecto es similar al de Auriculares Dolby. Esa tecnología utiliza algoritmos de procesamiento de sonido para permitir que los auriculares normales imiten una configuración de altavoces de sonido envolvente.
Este enfoque elimina la necesidad de cableado complejo. No es necesario hacer agujeros en las paredes. No es necesario medir distancias entre los altavoces. El procesamiento se realiza de forma digital. El hardware sólo necesita poder emitir una señal estéreo.
Plantea una pregunta sencilla. ¿Por qué luchar contra la física cuando puedes engañar al cerebro?
La mecánica de la dirección auditiva.
Estás en una sala de examen silenciosa. El aire está en calma. Entonces, cae una moneda.
Tu cabeza se gira hacia el sonido. Sucede tan rápido que no piensas en ello. Es instinto. Tu cerebro calcula la fuente en una fracción de segundo. Es posible que solo escuche en un oído. Todavía funciona. ¿Cómo?
El cerebro es un motor de procesamiento. Toma datos sin procesar de los oídos y ejecuta análisis complejos. Hay dos entradas principales. Una es la diferencia entre lo que oye el oído derecho y el izquierdo. La otra es cómo las ondas sonoras rebotan en la cabeza y el cuerpo. Estas son las señales auditivas. El cerebro los usa para triangular la ubicación.
Piensa en la moneda otra vez. Golpea el suelo a tu derecha.
El sonido viaja como ondas físicas. Se mueve a una velocidad finita. Esto lleva tiempo. La ola golpea primero tu oído derecho. Una fracción de segundo después, llega a tu izquierda.
También hay una caída de volumen. El sonido es más bajo en el oído izquierdo. ¿Por qué? La onda se disipa naturalmente. Tu cabeza absorbe algo de eso. Refleja algunos. Esto crea una brecha.
Esta brecha tiene un nombre. Es la diferencia de nivel interaural (ILD).
La brecha temporal es otro nombre. Es la diferencia horaria interaural (ITD).
Estas dos métricas le dan a tu cerebro una imagen clara. ¿El sonido es de izquierda o de derecha? La respuesta suele ser sí.
¿Pero elevación? Eso es complicado.
Si un sonido está por encima o por debajo de usted, el camino hacia sus oídos cambia. La longitud del camino varía. Pero la diferencia entre el oído izquierdo y el derecho sigue siendo la misma. El ILD y el ITD no cambian con la altura. Entonces tu cerebro lucha.
Delante o detrás es aún más difícil.
Si confías sólo en las diferencias de tiempo y nivel, puedes confundirte. Un sonido detrás de usted puede producir exactamente el mismo ILD e ITD que un sonido frente a usted. Los puntos de datos coinciden. La ubicación no.
Esto crea una zona problemática. Es un área en forma de cono que se extiende hacia afuera desde la oreja. Lo llamamos el cono de confusión.
Dentro de ese cono, los números son idénticos. Su cerebro no puede distinguir el frente de atrás usando solo el tiempo y el volumen.
Esto supone que tienes dos oídos que funcionan. ¿Qué pasa si no lo haces?
Si tienes audición en un solo oído, aún puedes localizar el sonido. El cerebro se adapta. Mira los reflejos. Analiza cómo el sonido rebota en las superficies de ese único oído. No es perfecto. Pero funciona.
Cuando una onda de sonido te golpea, no rebota simplemente en tu tímpano. Te golpea la cabeza. Te golpea los hombros. Se envuelve alrededor de la cubierta curva del oído externo. Cada reflejo altera sutilmente la onda. Estos reflejos se interfieren entre sí. Partes de la ola se hacen más grandes. Las piezas se hacen más pequeñas. Esto cambia el volumen y la calidad.
Estos cambios se conocen como funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF).
A diferencia de las diferencias de nivel interaural (ILD) o las diferencias de tiempo interaural (ITD), los HRTF manejan la elevación. Te indican si un sonido proviene de arriba o de abajo. También distinguen el frente de la espalda. El cerebro lee estas distorsiones de ondas para identificar el origen.
Por qué no podemos medir los HRTF de oído
La aurícula humana es un laberinto. Tiene innumerables superficies. La mayoría son curvas. El sonido rebota en una superficie, golpea otra y vuelve a rebotar antes de llegar a la membrana timpánica.
Añade la cara. La cabeza. El pelo. El torso.
Intentar aislar manualmente estos reflejos es casi imposible. Las interacciones son demasiado complejas. Los científicos necesitaban datos. Mucho.
Utilizaron fuentes de sonido. Usaron conjuntos de micrófonos. Usaron programas de computadora.
El papel de KEMAR en la investigación HRTF
Los investigadores no se limitaron a adivinar. Ellos midieron.
En algunos estudios, colocaron pequeños micrófonos directamente en los cuerpos de los participantes humanos. En otros, utilizaron maniquíes realistas. Estos maniquíes imitan la piel, los cartílagos y las proporciones humanas.
El más famoso es el Maniquí electrónico Knowles para la investigación acústica (KEMAR). Ha sido un elemento básico en laboratorios como el MIT Media Lab.
¿Por qué maniquíes? Porque cada cabeza es diferente. Cada forma de oreja es única. Para crear un modelo universal, se necesita estandarización. KEMAR proporciona esa base.
Los HRTF son esencialmente una huella digital de cómo su cuerpo filtra el sonido. Sin ellos, el audio carece de profundidad.
De la medición al algoritmo
Los micrófonos tienen una función: capturar el sonido.
Luego, las computadoras analizan las diferencias. Observan cómo un solo sonido interactúa con diferentes partes del cuerpo. Rastrean sonidos desde diferentes puntos de origen.
Estos datos conducen a un algoritmo.
Un algoritmo aquí es solo un conjunto de reglas. Describe cómo los HRTF y otros factores cambiaron la forma de la onda sonora. Si aplica este algoritmo a una nueva onda de sonido, cambia la forma de esa onda. Le confiere las mismas propiedades que tenía la onda original después de interactuar con un cuerpo.
Este es el motor detrás del sonido envolvente virtual.
Cómo funciona el sonido envolvente virtual
Esto es lo que sucede cuando te pones unos auriculares que pretenden imitar un sistema envolvente 5.1.
- Captura: Los investigadores utilizan micrófonos para grabar el sonido de una configuración física de altavoces 5.1. Graban desde orejas y cuerpos de diversas formas y tamaños. Esto explica las diferencias de percepción individual.
- Modelo: Usando computadoras, desarrollan un algoritmo. Este algoritmo replica las características espaciales de ese campo sonoro del mundo real.
- Aplicar: El algoritmo se aplica a un sistema (estéreo) de dos altavoces. Cambia la forma del audio. El resultado es un campo sonoro que imita la forma de una configuración real de 5.1 canales.
Estás escuchando una simulación. Su cerebro procesa el audio alterado por HRTF como si los sonidos vinieran de direcciones específicas en el espacio.
No es magia. Son matemáticas. Y es por eso que una película resulta inmersiva incluso cuando estás solo en una habitación.
Herramientas y técnicas de sonido envolvente virtual
Es un truco. Un sofisticado juego de manos digital. El procesador toma su señal estéreo estándar y la deforma con señales auditivas. Cambios de fase. Amortiguación de frecuencia. Líneas de retardo. Obliga a tu cerebro a aceptar una mentira: que el audio explota desde cinco puntos distintos en el espacio en lugar de solo dos parlantes a izquierda y derecha. No estás escuchando más. Estás convencido de que lo eres.
Ésta es la promesa principal de las herramientas de sonido envolvente virtual. No agregan hardware. Añaden engaño.
El enfoque DSP: dar forma a la señal
La mayoría de las configuraciones de consumo dependen del procesamiento de señales digitales (DSP). Esto no es magia; son matemáticas aplicadas a las ondas sonoras. El software analiza la pista estéreo entrante y aplica funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF). Estas funciones modelan cómo sus oídos y su cabeza filtran el sonido desde diferentes direcciones.
Al alterar artificialmente la sincronización y la intensidad de las frecuencias entre los canales izquierdo y derecho, el sistema crea “imágenes fantasma”. Su corteza auditiva llena los vacíos. Coloca un sonido detrás de usted o a su lado basándose en señales sutiles en las que su cerebro ha evolucionado para confiar.
Soluciones de hardware frente a software
Tienes opciones. Se diferencian en eficacia y costo.
- Virtualización basada en software: Se ejecuta en su PC, consola o teléfono inteligente. Aplicaciones como Dolby Atmos para auriculares o 360 Reality Audio de Sony toman una mezcla 5.1 o 7.1 y la convierten. Es conveniente. Pero a menudo suena débil. Los perfiles HRTF son genéricos. Asumen una forma de cabeza promedio. Si tu cabeza no es normal, la ilusión se rompe.
- Mezcla basada en hardware: Algunos receptores AV y barras de sonido de alta gama lo hacen internamente. Procesan la señal antes de que llegue a los altavoces. Una configuración 5.1 puede simular una experiencia 7.1 o incluso 9.1 utilizando los altavoces traseros y los canales de altura para llenar el vacío. Depende menos de la precisión de HRTF ya que se utilizan altavoces físicos reales.
- Formatos ambisónicos: Aquí es donde la cosa se pone técnica. Ambisonics captura el sonido como una esfera. Registra la información direccional directamente. Cuando se reproduce a través de herramientas de sonido envolvente virtual, la panorámica es más precisa. Se utiliza principalmente en cascos de realidad virtual. Si simplemente estás viendo una película en un sofá, probablemente no notes la diferencia.
Por qué es importante para los usuarios cotidianos
No necesitas un teatro. Necesitas inmersión.
El problema del estéreo es que es plano. Todo sucede frente a ti. Las películas de acción pierden su profundidad espacial. La música pierde su amplitud. El sonido envolvente virtual soluciona este problema ampliando el escenario sonoro. No es un verdadero entorno. Es una aproximación convincente.
Para los jugadores, es fundamental. El audio direccional puede marcar la diferencia entre detectar a un enemigo detrás de una pared y ser flanqueado. Las señales deben ser precisas. Un HRTF mal ajustado puede enmascarar los pasos por completo.
Donde falla
La ilusión es frágil.
- Movimiento de la cabeza: Si giras la cabeza, el sonido permanece fijo en los altavoces. No gira contigo. Esto rompe instantáneamente la ilusión espacial.
- Forma de la oreja: Los pabellones auriculares de cada persona son diferentes. Los filtros utilizados en la mayoría del software son promedios. Si tus oídos captan las frecuencias altas de manera diferente,
La mecánica del sonido envolvente falso
Los sistemas envolventes virtuales no se basan sólo en la física; Hackean tu cerebro. Mientras que las configuraciones 5.1 reales utilizan parlantes reales para hacer rebotar ondas en una habitación, los sistemas de procesamiento de sonido digital intentan engañarlo para que escuche. Reflejan ondas sonoras en las paredes. Si una onda rebota en la pared detrás de tu cabeza, tu cerebro la registra como si viniera de detrás de ti.
Esto requiere precisión. Debes proporcionar las dimensiones de la sala o utilizar un micrófono de calibración. ¿Perdiste el ángulo? La ilusión se rompe.
Cancelación e interferencia
Muchas configuraciones de dos altavoces utilizan cancelación de diafonía. Esta es una aplicación creativa de interferencia destructiva. El objetivo es simple: evitar que tu oído izquierdo escuche el audio del canal derecho.
Si sus oídos captan las señales de los demás, la imagen estéreo colapsa. El sistema utiliza algoritmos para eliminar ese sangrado no deseado. No es magia. Es procesamiento de señales.
El poder de procesamiento detrás del sonido
Estos algoritmos necesitan fuerza. Un procesador de computadora, generalmente dentro de un receptor o amplificador, se encarga del trabajo pesado. Este chip procesa ondas sonoras en tiempo real. Toma información de un reproductor de DVD o de un receptor de satélite. Aplica las matemáticas. Ajusta el volumen. Luego envía la señal limpia a los altavoces. Algunos sistemas ocultan este hardware dentro de los propios altavoces.
El problema del punto óptimo
Aquí está el truco. La inmersión es una ilusión. Sólo funciona si te sientas en el lugar correcto. Debes mirar directamente a la pantalla.
Muévase hacia la izquierda o hacia la derecha del punto óptimo y el efecto desaparecerá. Quedas fuera del campo sonoro dirigido. Los sonidos que se desplazan por la habitación pueden tartamudear o sonar poco naturales. Estás escuchando a dos oradores que se hacen pasar por cinco. El resultado carece de la potencia física de una matriz envolvente completa.
Consideraciones de compra
Antes de comprar, verifique estos factores.
- Tamaño y forma de la habitación: La proyección de sonido digital se basa en reflejos. Falla en espacios grandes y abiertos o en habitaciones con paredes irregulares.
- Efecto deseado: ¿Quieres un audio que llene la habitación? Un sistema de dos altavoces podría decepcionar.
- Subwoofer: Los sistemas 2.1 incluyen uno. Muchos sistemas de proyección digital no lo hacen. Puedes agregar uno para el bajo, pero tiene un costo adicional.
- Requisitos de configuración: Algunos sistemas son plug-and-play. Otros exigen que midas la habitación y ejecutes una rutina de calibración.
- Precio: Existen sistemas 2.1 asequibles. Las unidades de proyección digital de alta gama pueden superar los 1.500 dólares.
La tecnología es impresionante hasta que te pones de pie. Entonces son sólo ecos.
Dónde profundizar en la ciencia del audio
Si desea ir más allá de lo básico y ver exactamente cómo las ondas sonoras rebotan en las paredes, o cómo los auriculares engañan a su cerebro para que escuche una sala de cine, el camino está lleno de recursos. Comience con las guías fundamentales. Cómo funciona el cine en casa prepara el escenario. Entonces necesitas entender el hardware. Cómo funcionan los parlantes explica la mecánica. Cómo funciona Movie Sound se sumerge en la mezcla.
También hay ventajas extrañas y maravillosas en este campo. Cómo funciona LRAD cubre dispositivos acústicos de largo alcance. Cómo funciona la levitación acústica suena a ciencia ficción, pero es física real. Y para la pantalla, Cómo funcionan los televisores es solo el comienzo. Tienes que mirar los paneles. Cómo funcionan los conjuntos DLP. Cómo funcionan las pantallas de plasma. Cómo funciona la pantalla LCD. Y si siente nostalgia o simplemente siente curiosidad por la tecnología muerta, Cómo funciona SED-TV es un desvío fascinante. Luego está Cómo funciona HDTV para vincularlo todo a la alta definición.
Pero la verdadera carne está en las comparaciones. Popular Mechanics tiene una pieza sólida sobre Multi-Speaker vs. Virtual Surround. Atraviesa el bombo publicitario. ¿Quieres los datos concretos? Vaya al Instituto de Investigación del Sonido y la Vibración. No venden nada. Simplemente estudian la vibración. El estado de Michigan tiene un fuerte enfoque en la Acústica/Psicoacústica. Es donde la psicología se encuentra con la física. Y para los nerds que quieren matemáticas, busque Localización de sonido mediante funciones de transferencia de cabeza.
La investigación detrás de la ilusión
Esto no es sólo una opinión. Está medido.
“El cerebro no escucha a los hablantes. Oye una escena”.
La ciencia se basa en mediciones específicas. Las Medidas de Maniquí de Burkhead de Industrial Research Products, Inc. proporcionan los datos sin procesar. Todavía puedes encontrar el PDF. Muestra cómo el sonido golpea la cabeza de un muñeco. Es preciso.
Luego está el lado cognitivo. El trabajo de Coppin en la Universidad de Rice sobre Localización de sonido mediante funciones de transferencia de cabeza demuestra que nuestro cerebro utiliza sutiles diferencias de sincronización para colocar el sonido en el espacio 3D. No es magia. Es geometría y retraso.
Dolby ha estado jugando con esto durante años. Su tecnología Dolby Headphone está diseñada específicamente para auriculares estéreo. Simula envolvente. Crea ancho. Su Dolby Virtual Speaker hace algo similar pero para configuraciones de cine en casa sin altavoces traseros. Es un compromiso.
Ivo Eames de Sound on Sound analizó Cómo funciona el sonido envolvente virtual en 2004. No se anduvo con rodeos. Explicó los bancos de filtros. El enmascaramiento psicoacústico. Es complejo.
John Falcone de Cnet hizo la pregunta del consumidor: ¿Vale la pena Virtual Surround?. La respuesta nunca es un simple sí. Depende del material de origen.
Las Funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTF) son la clave. La Universidad de Miami mantiene una buena base. Esto explica por qué algunas personas escuchan sonido envolvente y otras simplemente escuchan “amortiguado”. Tus orejas son únicas. La forma de tu cabeza importa.
El Instituto de Investigación del Sonido y las Vibraciones de Southampton tiene archivos que se remontan a décadas atrás. Si quieres entender por qué una película se siente “grande”, mira allí.
Christian Koebel de GotFrag Hardware cubrió el tema Virtual Surround Sound en 2006. Examinó las implementaciones de hardware. Los baratos. Los caros. La diferencia está en la potencia de procesamiento.
Jack M. Loomis definió Psicoacústica para AccessScience. Es el estudio de la percepción. No sólo el oído. El cerebro.
La página del Estado de Michigan sobre Localización de fuentes de sonido es de lectura rápida. Está vacío. Es exacto.
SRS Labs impulsó la Tecnología TruSound XT. Afirmaron convertir el estéreo en sonido envolvente. Fue controvertido. Funcionó, pero coloreó el sonido.
Eric Taub en el New York Times escribió El dulce engaño del sonido virtual. Lo llamó un truco. Tenía razón. Pero es un truco útil.
Vann’s ofreció una guía sobre cómo Obtener sonido envolvente 5.1 con dos altavoces. Se trata de colocación.
