La maggior parte delle persone associa l’home theater a un enorme muro di altoparlanti e un subwoofer che fa tremare le assi del pavimento. È la classica esperienza cinematografica. Ma siamo onesti. Non tutti hanno la metratura necessaria per una configurazione 5.1 completa. Molti affittuari vogliono semplicemente guardare Netflix senza trasformare il soggiorno in una giungla disseminata di cavi. Non hai bisogno di una sala multimediale dedicata per ottenere quella sensazione coinvolgente. Hai solo bisogno del suono surround virtuale.
Questa tecnologia imita gli effetti spaziali di un array di più altoparlanti utilizzando un numero significativamente inferiore di componenti. Non stai acquistando una nuova serie di muri. Stai acquistando un tipo specifico di elaborazione audio.
Ci sono due versioni principali di questa tecnologia. Il primo è il sistema surround 2.1. Questo di solito significa due altoparlanti anteriori e un subwoofer separato. Questo è tutto. Nonostante il nome implichi semplicità, questi sistemi sono progettati per indurre il tuo cervello a sentire l’esperienza sonora surround completa di una configurazione a cinque altoparlanti. La seconda varietà è la proiezione del suono digitale. Questi tendono a utilizzare un’unica striscia di piccoli altoparlanti. Spesso mancano di un subwoofer dedicato e fanno affidamento sulla striscia stessa per proiettare l’audio attraverso la stanza.
Indipendentemente dall’hardware, l’obiettivo è lo stesso. Il sistema modifica le onde sonore in modo che sembrino provenire da luoghi in cui non esiste alcun altoparlante fisico. Questa non è magia. È psicoacustica. Stiamo parlando di come gli esseri umani percepiscono il suono. Comprendendo le peculiarità dell’udito umano, gli ingegneri possono far suonare due altoparlanti come cinque.
Come il tuo cervello mappa lo spazio
Per capire perché funziona, devi guardare l’hardware della tua testa. Un altoparlante è essenzialmente una macchina che converte gli impulsi elettrici in movimento fisico. Utilizza un diaframma. Questo cono si muove rapidamente avanti e indietro. Quando spinge fuori, crea compressione. Questa è un’area di alta pressione nell’aria. Quando si ritira, crea rarefazione. Questa è una pressione più bassa.
Queste compressioni e rarefazioni viaggiano attraverso l’aria come un’onda longitudinale. Sono guidati dal movimento delle particelle d’aria. Quando le particelle si spingono l’una contro l’altra, la pressione aumenta. Quando si separano, la pressione diminuisce. Quest’onda alla fine colpisce il tuo orecchio.
Colpisce il pinna, noto anche come padiglione auricolare. Questo è il cono esterno del tuo orecchio. Il suono viaggia quindi lungo il canale uditivo. Muove fisicamente la membrana timpanica o il timpano. Ciò innesca una reazione a catena di minuscole strutture all’interno. Alla fine, le vibrazioni raggiungono il nervo cocleare. Il nervo invia questi impulsi al cervello. Il tuo cervello li interpreta come suoni.
Ma l’udito non consiste solo nel rilevare il volume o il tono. Il tuo cervello usa il suono per individuarne la fonte. Ciò avviene tramite segnali uditivi. Potresti non pensarci consapevolmente, ma il tuo cervello calcola costantemente da dove proviene un suono. È un’abilità di sopravvivenza evolutiva. Gli animali lo usano per trovare cibo o evitare i predatori. Gli esseri umani lo usano per determinare se qualcuno bussa alla loro porta o a quella del vicino. Se riesci a individuare la fonte, puoi reagire.
I sistemi surround virtuali sfruttano questi segnali. Alterano le onde sonore in modo che il tuo cervello riceva dati contrastanti o modificati. Il risultato è un’immagine fantasma. Senti il suono provenire da dietro di te, anche se l’altoparlante è di fronte a te.
L’approccio dell’algoritmo Dolby
Uno dei metodi più conosciuti per creare questo ambiente è Dolby Virtual Speaker. Non è un dispositivo fisico. È un insieme di regole e algoritmi. Queste regole ricreano l’audio multicanale per i dispositivi che dispongono solo di due altoparlanti normali.
Troverai questa tecnologia integrata in alcuni televisori, impianti stereo e computer. Elabora il segnale audio prima che raggiunga il conducente. L’algoritmo manipola i tempi e la frequenza delle onde sonore. Inganna i segnali di localizzazione del cervello. L’effetto è simile a Cuffie Dolby. Questa tecnologia utilizza algoritmi di elaborazione del suono per consentire alle normali cuffie di imitare una configurazione di altoparlanti con audio surround.
Questo approccio elimina la necessità di cablaggi complessi. Non è necessario praticare fori nei muri. Non è necessario misurare le distanze tra gli altoparlanti. L’elaborazione avviene in modo digitale. L’hardware deve solo essere in grado di emettere un segnale stereo.
Solleva una semplice domanda. Perché combattere la fisica quando puoi semplicemente ingannare il cervello?
I meccanismi della direzione dell’udito
Ti trovi in un’aula d’esame silenziosa. L’aria è ferma. Quindi cade una moneta.
La tua testa scatta verso il suono. Succede così in fretta che non ci pensi. È istinto. Il tuo cervello calcola la fonte in una frazione di secondo. Potresti avere l’udito solo da un orecchio. Funziona ancora. Come?
Il cervello è un motore di elaborazione. Prende dati grezzi dalle orecchie ed esegue analisi complesse. Ci sono due input principali. Uno è la differenza tra ciò che sente l’orecchio destro rispetto a quello sinistro. L’altro è il modo in cui le onde sonore rimbalzano sulla testa e sul corpo. Questi sono i segnali uditivi. Il cervello li usa per triangolare la posizione.
Pensa di nuovo alla moneta. Colpisce il pavimento alla tua destra.
Il suono viaggia come onde fisiche. Si muove a una velocità finita. Questo richiede tempo. L’onda colpisce prima l’orecchio destro. Una frazione di secondo dopo, colpisce la tua sinistra.
C’è anche un calo di volume. Il suono è più debole nell’orecchio sinistro. Perché? L’onda si dissipa naturalmente. La tua testa ne assorbe una parte. Ne riflette alcuni. Questo crea un divario.
Questo divario ha un nome. È la differenza di livello interaurale (ILD).
Il divario temporale è un altro nome. È la differenza temporale interaurale (ITD).
Questi due parametri danno al tuo cervello un’immagine chiara. Il suono è a sinistra o a destra? La risposta è solitamente sì.
Ma elevazione? Questo è complicato.
Se un suono è sopra o sotto di te, il percorso verso le tue orecchie cambia. La lunghezza del percorso varia. Ma la differenza tra l’orecchio sinistro e quello destro rimane la stessa. L’ILD e l’ITD non cambiano con l’altezza. Quindi il tuo cervello fatica.
Davanti o dietro è ancora più difficile.
Se ti affidi solo alle differenze di tempo e livello, potresti confonderti. Un suono dietro di te può produrre esattamente gli stessi ILD e ITD di un suono davanti a te. I punti dati corrispondono. La posizione no.
Questo crea una zona problematica. È un’area a forma di cono che si estende verso l’esterno dall’orecchio. Lo chiamiamo cono di confusione.
All’interno di quel cono, i numeri sono identici. Il tuo cervello non è in grado di distinguere la parte anteriore da quella posteriore utilizzando solo il tempo e il volume.
Ciò presuppone che tu abbia due orecchie funzionanti. E se non lo fai?
Se senti solo da un orecchio, puoi comunque localizzare il suono. Il cervello si adatta. Guarda i riflessi. Analizza il modo in cui il suono rimbalza sulle superfici in quel singolo orecchio. Non è perfetto. Ma funziona.
Quando un’onda sonora ti colpisce, non rimbalza semplicemente sul timpano. Ti colpisce la testa. Ti colpisce le spalle. Si avvolge attorno al guscio curvo dell’orecchio esterno. Ogni riflessione altera sottilmente l’onda. Queste riflessioni interferiscono tra loro. Parti dell’onda diventano più grandi. Le parti diventano più piccole. Questo cambia volume e qualità.
Questi cambiamenti sono noti come funzioni di trasferimento relative alla testa (HRTF).
A differenza delle differenze di livello interaurale (ILD) o delle differenze di tempo interaurale (ITD), gli HRTF gestiscono l’elevazione. Ti dicono se un suono proviene dall’alto o dal basso. Distinguono anche la parte anteriore da quella posteriore. Il cervello legge queste distorsioni delle onde per individuare l’origine.
Perché non possiamo misurare gli HRTF a orecchio
Il padiglione auricolare umano è un labirinto. Ha innumerevoli superfici. La maggior parte sono curvi. Il suono rimbalza su una superficie, ne colpisce un’altra e rimbalza nuovamente prima di raggiungere la membrana timpanica.
Aggiungi la faccia. La testa. I capelli. Il busto.
Cercare di isolare manualmente questi riflessi è quasi impossibile. Le interazioni sono troppo complesse. Gli scienziati avevano bisogno di dati. Moltissimo.
Hanno utilizzato fonti sonore. Hanno usato array di microfoni. Usavano programmi informatici.
Il ruolo di KEMAR nella ricerca HRTF
I ricercatori non si sono limitati a indovinare. Hanno misurato.
In alcuni studi, hanno collegato minuscoli microfoni direttamente ai corpi dei partecipanti umani. In altri, hanno usato manichini realistici. Questi manichini imitano la pelle, la cartilagine e le proporzioni umane.
Il più famoso è il Manichino elettronico Knowles per la ricerca acustica (KEMAR). È stato un punto fermo in laboratori come il MIT Media Lab.
Perché i manichini? Perché ogni testa è diversa. Ogni forma dell’orecchio è unica. Per creare un modello universale è necessaria la standardizzazione. KEMAR fornisce questo riferimento.
Gli HRTF sono essenzialmente un’impronta digitale di come il tuo corpo filtra il suono. Senza di loro, l’audio manca di profondità.
Dalla misurazione all’algoritmo
I microfoni hanno un compito: catturare il suono.
I computer quindi analizzano le differenze. Osservano come un singolo suono interagisce con diverse parti del corpo. Tracciano i suoni da diversi punti di origine.
Questi dati portano a un algoritmo.
Un algoritmo qui è solo un insieme di regole. Descrive come gli HRTF e altri fattori hanno modificato la forma dell’onda sonora. Se applichi questo algoritmo a una nuova onda sonora, la forma dell’onda cambia. Gli conferisce le stesse proprietà che aveva l’onda originale dopo aver interagito con un corpo.
Questo è il motore dietro il suono surround virtuale.
Come funziona il Surround virtuale
Ecco cosa succede quando indossi delle cuffie che pretendono di imitare un sistema surround 5.1.
- Cattura: i ricercatori utilizzano i microfoni per registrare l’audio da una configurazione fisica di altoparlanti 5.1. Registrano da orecchie e corpi di varie forme e dimensioni. Ciò spiega le differenze di percezione individuali.
- Modello: Utilizzando i computer, sviluppano un algoritmo. Questo algoritmo replica le caratteristiche spaziali del campo sonoro del mondo reale.
- Applica: l’algoritmo viene applicato a un sistema a due altoparlanti (stereo). Rimodella l’audio. Il risultato è un campo sonoro che imita la forma di un vero setup a 5.1 canali.
Stai ascoltando una simulazione. Il tuo cervello elabora l’audio alterato dall’HRTF come se i suoni provenissero da direzioni specifiche nello spazio.
Non è magia. È matematica. Ed è per questo che un film sembra coinvolgente anche quando sei solo in una stanza.
Strumenti e tecniche per il suono surround virtuale
È un trucco. Un sofisticato gioco di prestigio digitale. Il processore prende il segnale stereo standard e lo deforma con segnali sonori. Spostamenti di fase. Smorzamento della frequenza. Linee di ritardo. Costringe il tuo cervello ad accettare una bugia: che l’audio esploda da cinque punti distinti nello spazio anziché solo da due altoparlanti sinistro e destro. Non sentirai altro. Sei convinto di esserlo.
Questa è la promessa principale degli strumenti audio surround virtuali. Non aggiungono hardware. Aggiungono l’inganno.
L’approccio DSP: modellare il segnale
La maggior parte delle configurazioni di livello consumer si basa sull’elaborazione del segnale digitale (DSP). Questa non è magia; è matematica applicata alle onde sonore. Il software analizza la traccia stereo in ingresso e applica le funzioni di trasferimento relative alla testa (HRTF). Queste funzioni modellano il modo in cui le orecchie e la testa filtrano il suono da diverse direzioni.
Alterando artificialmente i tempi e l’intensità delle frequenze tra i canali sinistro e destro, il sistema crea “immagini fantasma”. La tua corteccia uditiva riempie le lacune. Posiziona un suono dietro di te o al tuo fianco in base a segnali sottili di cui il tuo cervello si è evoluto per fidarsi.
Soluzioni hardware e software
Hai delle opzioni. Differiscono in efficacia e costi.
- Virtualizzazione basata su software: funziona sul tuo PC, console o smartphone. App come Dolby Atmos for Headphones o 360 Reality Audio di Sony prendono un mix 5.1 o 7.1 e lo convertono. È conveniente. Ma spesso sembra sottile. I profili HRTF sono generici. Assumono una forma della testa media. Se la tua testa non è nella media, l’illusione si spezza.
- Upmixing basato su hardware: alcuni sintoamplificatori AV e soundbar di fascia alta eseguono questa operazione internamente. Elaborano il segnale prima che raggiunga gli altoparlanti. Una configurazione 5.1 può simulare un’esperienza 7.1 o addirittura 9.1 utilizzando gli altoparlanti posteriori e i canali alti per riempire il vuoto. Dipende meno dalla precisione dell’HRTF poiché stai utilizzando altoparlanti fisici reali.
- Formati Ambisonic: È qui che la questione diventa tecnica. L’ambisonics cattura il suono come una sfera. Registra direttamente le informazioni direzionali. Quando riprodotto tramite strumenti surround virtuali, il panning è più accurato. Viene utilizzato principalmente nei visori VR. Se stai semplicemente guardando un film su un divano, probabilmente non noterai la differenza.
Perché è importante per gli utenti quotidiani
Non hai bisogno di un teatro. Hai bisogno di immersione.
Il problema con lo stereo è che è piatto. Tutto accade davanti a te. I film d’azione perdono la loro profondità spaziale. La musica perde la sua larghezza. Il suono surround virtuale risolve questo problema espandendo il palcoscenico. Non è vero surround. È un’approssimazione convincente.
Per i giocatori, è fondamentale. L’audio direzionale può fare la differenza tra individuare un nemico dietro un muro ed essere fiancheggiato. Gli spunti devono essere precisi. Un HRTF mal regolato può mascherare completamente i passi.
Dove fallisce
L’illusione è fragile.
- Movimento della testa: Se giri la testa, il suono rimane fisso negli altoparlanti. Non ruota con te. Ciò rompe immediatamente l’illusione spaziale.
- Forma dell’orecchio: il padiglione auricolare di ognuno è diverso. I filtri utilizzati nella maggior parte dei software sono medi. Se le tue orecchie captano le alte frequenze in modo diverso,
I meccanismi del falso suono surround
I sistemi surround virtuali non si basano solo sulla fisica; ti hackerano il cervello. Mentre le vere configurazioni 5.1 utilizzano altoparlanti reali per far rimbalzare le onde in una stanza, i sistemi di elaborazione del suono digitale cercano di ingannarti nello spazio uditivo. Riflettono le onde sonore dalle pareti. Se un’onda rimbalza sul muro dietro la tua testa, il tuo cervello la registra come proveniente da dietro di te.
Ciò richiede precisione. È necessario fornire le dimensioni della stanza o utilizzare un microfono di calibrazione. Ti manca l’angolo? L’illusione si spezza.
Cancellazione e interferenza
Molte configurazioni a due altoparlanti utilizzano la cancellazione del crosstalk. Questa è un’applicazione creativa di interferenza distruttiva. L’obiettivo è semplice: impedire all’orecchio sinistro di sentire l’audio del canale destro.
Se le vostre orecchie captano i segnali degli altri, l’immagine stereo crolla. Il sistema utilizza algoritmi per eliminare quell’emorragia indesiderata. Non è magia. È l’elaborazione del segnale.
La potenza di elaborazione dietro il suono
Questi algoritmi hanno bisogno di muscoli. Un processore per computer, solitamente all’interno di un ricevitore o amplificatore, gestisce il lavoro pesante. Questo chip elabora le onde sonore in tempo reale. Riceve l’input da un lettore DVD o da un ricevitore satellitare. Applica la matematica. Regola il volume. Quindi invia il segnale pulito agli altoparlanti. Alcuni sistemi nascondono questo hardware all’interno degli altoparlanti stessi.
Il problema del punto debole
Ecco il problema. L’immersione è un’illusione. Funziona solo se ti siedi nel posto giusto. Devi guardare direttamente lo schermo.
Muovi a sinistra o a destra del punto debole e l’effetto svanisce. Si cade fuori dal campo sonoro diretto. I suoni che attraversano la stanza potrebbero balbettare o sembrare innaturali. Stai ascoltando due oratori che fingono di essere cinque. Il risultato non ha la potenza fisica di un array surround completo.
Considerazioni sull’acquisto
Prima di acquistare, controlla questi fattori.
- Dimensioni e forma della stanza: La proiezione del suono digitale si basa sui riflessi. Fallisce in spazi ampi e aperti o in stanze con pareti irregolari.
- Effetto desiderato: Vuoi un audio che riempia la stanza? Un sistema a due altoparlanti potrebbe deludere.
- Subwoofer: i sistemi 2.1 ne includono uno. Molti sistemi di proiezione digitale no. Puoi aggiungerne uno per i bassi, ma costa di più.
- Requisiti di configurazione: Alcuni sistemi sono plug-and-play. Altri ti chiedono di misurare la stanza ed eseguire una routine di calibrazione.
- Prezzo: Esistono sistemi 2.1 convenienti. Le unità di proiezione digitale di fascia alta possono superare i $ 1500.
La tecnologia è impressionante finché non ti alzi. Allora sono solo echi.
Dove approfondire la scienza dell’audio
Se vuoi andare oltre le nozioni di base e vedere esattamente come le onde sonore rimbalzano sui muri o come le cuffie ingannano il tuo cervello inducendoti ad ascoltare un cinema, il percorso è pieno di risorse. Inizia con le guide fondamentali. Come funziona l’Home Theatre pone le basi. Quindi è necessario comprendere l’hardware. Come funzionano gli altoparlanti spiega i meccanismi. Come funziona l’audio nei film si tuffa nel mix.
Ci sono anche lati strani e meravigliosi in questo campo. Come funziona LRAD copre i dispositivi acustici a lungo raggio. Come funziona la levitazione acustica sembra fantascienza ma è fisica reale. E per lo schermo, Come funzionano i televisori è solo l’inizio. Devi guardare i pannelli. Come funzionano i set DLP. Come funzionano gli schermi al plasma. Come funziona il display LCD. E se ti senti nostalgico o semplicemente curioso riguardo alla tecnologia morta, How SED-TV Works è una deviazione affascinante. Poi c’è Come funziona l’HDTV per collegare il tutto all’alta definizione.
Ma il vero nocciolo della questione sta nei confronti. Popular Mechanics ha un articolo approfondito su Multi-speaker vs. Virtual Surround. Taglia il clamore del marketing. Vuoi i dati concreti? Vai all’Istituto di ricerca sul suono e sulle vibrazioni. Non vendono nulla. Studiano solo le vibrazioni. Lo Stato del Michigan è fortemente focalizzato sull’Acustica/Psicoacustica. È dove la psicologia incontra la fisica. E per i nerd che vogliono fare i conti, cerca Localizzazione del suono utilizzando le funzioni di trasferimento della testa.
La ricerca dietro l’illusione
Questa non è solo opinione. È misurato.
“Il cervello non sente gli altoparlanti. Ascolta una scena.”
La scienza si basa su misurazioni specifiche. Le Misurazioni sui manichini di Burkhead di Industrial Research Products, Inc. forniscono i dati grezzi. È ancora possibile trovare il PDF. Mostra come il suono colpisce una testa fittizia. È preciso.
Poi c’è il lato cognitivo. Il lavoro di Coppin presso la Rice University sulla Localizzazione del suono utilizzando le funzioni di trasferimento della testa dimostra che il nostro cervello utilizza sottili differenze temporali per posizionare il suono nello spazio 3D. Non è magia. È geometria e ritardo.
Dolby ci gioca da anni. La loro tecnologia Dolby Headphone è progettata specificamente per le cuffie stereo. Simula il surround. Crea larghezza. Il loro Dolby Virtual Speaker fa qualcosa di simile ma per configurazioni home theater senza altoparlanti posteriori. È un compromesso.
Ivo Eames di Sound on Sound ha analizzato How Does Virtual Surround Work nel 2004. Non ha usato mezzi termini. Ha spiegato i banchi di filtri. Il mascheramento psicoacustico. È complesso.
John Falcone di Cnet ha posto al consumatore la domanda: Vale la pena il Virtual Surround?. La risposta non è mai un semplice sì. Dipende dal materiale di partenza.
Le Funzioni di trasferimento relative alla testa (HRTF) sono la chiave. L’Università di Miami mantiene un buon manuale. Ciò spiega perché alcune persone sentono il suono surround e altre sentono semplicemente “smorzato”. Le tue orecchie sono uniche. La forma della tua testa è importante.
L’Institute of Sound and Vibration Research di Southampton possiede archivi che risalgono a decenni fa. Se vuoi capire perché un film sembra “grande”, guarda lì.
Christian Koebel di GotFrag Hardware ha parlato del Virtual Surround Sound nel 2006. Ha esaminato le implementazioni hardware. Quelli economici. Quelli costosi. La differenza sta nella potenza di elaborazione.
Jack M. Loomis ha definito la Psicoacustica per AccessScience. È lo studio della percezione. Non solo l’orecchio. Il cervello.
La pagina dello Stato del Michigan sulla Localizzazione delle sorgenti sonore è una lettura veloce. È chiaro. È accurato.
SRS Labs ha promosso la tecnologia TruSound XT. Sostenevano di trasformare lo stereo in surround. È stato controverso. Ha funzionato, ma ha colorato il suono.
Eric Taub sul New York Times ha scritto Il dolce inganno del suono virtuale. Lo chiamava un trucco. Aveva ragione. Ma è un trucco utile.
Vann ha offerto una guida su Ottenere il Surround 5.1 da due altoparlanti. Riguarda il posizionamento.
