A maioria das pessoas associa o home theater a uma enorme parede de alto-falantes e um subwoofer que sacode o piso. É a experiência cinematográfica clássica. Mas sejamos honestos. Nem todo mundo tem a metragem quadrada para uma configuração 5.1 completa. Muitos locatários querem apenas assistir à Netflix sem transformar sua sala de estar em uma selva repleta de cabos. Você não precisa de uma sala de mídia dedicada para ter aquela sensação envolvente. Você só precisa de som surround virtual.
Esta tecnologia imita os efeitos espaciais de um conjunto de vários alto-falantes usando significativamente menos componentes. Você não está comprando um novo conjunto de paredes. Você está comprando um tipo específico de processamento de áudio.
Existem dois sabores principais desta tecnologia. O primeiro é o sistema 2.1 surround. Isso geralmente significa dois alto-falantes frontais e um subwoofer separado. É isso. Apesar do nome sugerir simplicidade, esses sistemas são projetados para enganar seu cérebro, fazendo-o ouvir a experiência completa de som surround de uma configuração de cinco alto-falantes. A segunda variedade é a projeção de som digital. Eles tendem a usar uma única faixa de alto-falantes pequenos. Muitas vezes eles não possuem um subwoofer dedicado, contando com a própria faixa para projetar o áudio pela sala.
Independentemente do hardware, o objetivo é o mesmo. O sistema modifica as ondas sonoras para que pareçam originar-se de locais onde não existe nenhum alto-falante físico. Isso não é mágica. É psicoacústica. Estamos falando sobre como os humanos percebem o som. Ao compreender as peculiaridades da audição humana, os engenheiros podem fazer com que dois alto-falantes soem como cinco.
Como seu cérebro mapeia o espaço
Para entender por que isso funciona, você precisa observar o hardware da sua própria cabeça. Um alto-falante é essencialmente uma máquina que converte impulsos elétricos em movimento físico. Ele usa um diafragma. Este cone se move rapidamente para frente e para trás. Quando empurra para fora, cria compressão. Esta é uma área de alta pressão no ar. Quando recua, cria rarefação. Esta é uma pressão mais baixa.
Estas compressões e rarefações viajam pelo ar como uma onda longitudinal. Eles são movidos pelo movimento das partículas de ar. Quando as partículas se empurram umas contra as outras, a pressão aumenta. Quando eles se separam, a pressão cai. Essa onda eventualmente atinge seu ouvido.
Atinge o pinna, também conhecido como aurícula. Este é o cone externo da sua orelha. O som então percorre o canal auditivo. Ele move fisicamente sua membrana timpânica ou tímpano. Isso desencadeia uma reação em cadeia de pequenas estruturas internas. Eventualmente, as vibrações atingem o nervo coclear. O nervo envia esses impulsos ao cérebro. Seu cérebro os interpreta como som.
Mas ouvir não se trata apenas de detectar volume ou tom. Seu cérebro usa o som para localizar sua fonte. Isso acontece por meio de pistas auditivas. Você pode não pensar nisso conscientemente, mas seu cérebro está constantemente calculando de onde vem o som. É uma habilidade de sobrevivência evolutiva. Os animais o utilizam para encontrar comida ou evitar predadores. Os humanos usam-no para determinar se alguém bate à sua porta ou à do vizinho. Se você conseguir localizar a fonte, poderá reagir.
Os sistemas surround virtuais exploram essas dicas. Eles alteram as ondas sonoras para que seu cérebro receba dados conflitantes ou modificados. O resultado é uma imagem fantasma. Você ouve um som vindo de trás de você, mesmo que o alto-falante esteja na sua frente.
A abordagem do algoritmo Dolby
Um dos métodos mais conhecidos para criar esse ambiente é Dolby Virtual Speaker. Não é um dispositivo físico. É um conjunto de regras e algoritmos. Essas regras recriam o som multicanal para dispositivos que possuem apenas dois alto-falantes comuns.
Você encontrará essa tecnologia incorporada em certas TVs, sistemas de som e computadores. Ele processa o sinal de áudio antes de atingir o driver. O algoritmo manipula o tempo e a frequência das ondas sonoras. Ele engana as dicas de localização do cérebro. O efeito é semelhante ao Dolby Headphone. Essa tecnologia usa algoritmos de processamento de som para permitir que fones de ouvido normais imitem uma configuração de alto-falante com som surround.
Essa abordagem elimina a necessidade de fiação complexa. Você não precisa fazer furos nas paredes. Você não precisa medir distâncias entre alto-falantes. O processamento acontece digitalmente. O hardware só precisa ser capaz de emitir um sinal estéreo.
Isso levanta uma questão simples. Por que lutar contra a física quando você pode simplesmente enganar o cérebro?
A mecânica da direção auditiva
Você está em uma sala de exames silenciosa. O ar está parado. Então, uma moeda cai.
Sua cabeça se volta em direção ao som. Acontece tão rápido que você nem pensa nisso. É instinto. Seu cérebro calcula a fonte em uma fração de segundo. Você pode ter audição apenas em um ouvido. Ainda funciona. Como?
O cérebro é um mecanismo de processamento. Ele retira dados brutos dos ouvidos e executa análises complexas. Existem duas entradas principais. Uma é a diferença entre o que o ouvido direito ouve e o esquerdo. A outra é como as ondas sonoras ricocheteiam na sua cabeça e no seu corpo. Estas são as pistas auditivas. O cérebro os usa para triangular a localização.
Pense na moeda novamente. Ele atinge o chão à sua direita.
O som viaja como ondas físicas. Ele se move a uma velocidade finita. Isso leva tempo. A onda atinge primeiro sua orelha direita. Uma fração de segundo depois, ele atinge a sua esquerda.
Há também uma queda de volume. O som é mais baixo no ouvido esquerdo. Por que? A onda se dissipa naturalmente. Sua cabeça absorve um pouco disso. Isso reflete alguns. Isso cria uma lacuna.
Essa lacuna tem nome. É a diferença de nível interaural (DPI).
O intervalo de tempo é outro nome. É a diferença de tempo interaural (ITD).
Essas duas métricas dão ao seu cérebro uma imagem clara. O som é esquerdo ou direito? A resposta geralmente é sim.
Mas elevação? Isso é complicado.
Se um som estiver acima ou abaixo de você, o caminho até seus ouvidos muda. O comprimento do caminho varia. Mas a diferença entre as orelhas esquerda e direita permanece a mesma. O ILD e o ITD não mudam com a altura. Então seu cérebro luta.
Na frente ou atrás é ainda mais difícil.
Se você confiar apenas nas diferenças de tempo e nível, poderá ficar confuso. Um som atrás de você pode produzir exatamente o mesmo ILD e ITD que um som à sua frente. Os pontos de dados correspondem. A localização não.
Isso cria uma zona problemática. É uma área em forma de cone que se estende para fora da orelha. Chamamos isso de cone de confusão.
Dentro desse cone, os números são idênticos. Seu cérebro não consegue distinguir a frente da parte de trás usando apenas o tempo e o volume.
Isso pressupõe que você tenha dois ouvidos funcionais. E se você não fizer isso?
Se você tiver audição em apenas um ouvido, ainda poderá localizar o som. O cérebro se adapta. Ele olha para os reflexos. Ele analisa como o som reflete nas superfícies daquele único ouvido. Não é perfeito. Mas funciona.
Quando uma onda sonora atinge você, ela não ricocheteia apenas no seu tímpano. Isso bate na sua cabeça. Atinge seus ombros. Ele envolve a concha curva da orelha externa. Cada reflexão altera sutilmente a onda. Essas reflexões interferem umas nas outras. Partes da onda ficam maiores. As peças ficam menores. Isso altera o volume e a qualidade.
Essas alterações são conhecidas como funções de transferência relacionadas à cabeça (HRTFs).
Ao contrário das diferenças de nível interaural (ILDs) ou das diferenças de tempo interaural (ITDs), os HRTFs controlam a elevação. Eles informam se um som vem de cima ou de baixo. Eles também distinguem a frente da parte traseira. O cérebro lê essas distorções de onda para identificar a origem.
Por que não podemos medir HRTFs de ouvido
A aurícula humana é um labirinto. Possui inúmeras superfícies. A maioria é curva. O som ricocheteia em uma superfície, atinge outra e salta novamente antes de atingir a membrana timpânica.
Adicione o rosto. A cabeça. O cabelo. O torso.
Tentar isolar manualmente essas reflexões é quase impossível. As interações são muito complexas. Os cientistas precisavam de dados. Muito disso.
Eles usaram fontes sonoras. Eles usaram conjuntos de microfones. Eles usaram programas de computador.
O papel da KEMAR na pesquisa HRTF
Os pesquisadores não apenas adivinharam. Eles mediram.
Em alguns estudos, eles anexaram minúsculos microfones diretamente aos corpos dos participantes humanos. Em outros, usaram manequins realistas. Esses manequins imitam a pele, a cartilagem e as proporções humanas.
O mais famoso é o Knowles Electronic Manikin for Acoustic Research (KEMAR). Tem sido um elemento básico em laboratórios como o MIT Media Lab.
Por que manequins? Porque cada cabeça é diferente. Cada formato de orelha é único. Para criar um modelo universal, você precisa de padronização. A KEMAR fornece essa linha de base.
HRTFs são essencialmente uma impressão digital de como seu corpo filtra o som. Sem eles, o áudio carece de profundidade.
Da medição ao algoritmo
Os microfones têm uma função: capturar som.
Os computadores então analisam as diferenças. Eles observam como um único som interage com diferentes partes do corpo. Eles rastreiam sons de diferentes pontos de origem.
Esses dados levam a um algoritmo.
Um algoritmo aqui é apenas um conjunto de regras. Descreve como os HRTFs e outros fatores mudaram a forma da onda sonora. Se você aplicar esse algoritmo a uma nova onda sonora, ele mudará a forma dessa onda. Dá-lhe as mesmas propriedades que a onda original tinha após interagir com um corpo.
Este é o motor por trás do som surround virtual.
Como funciona o Virtual Surround
Aqui está o que acontece quando você coloca fones de ouvido que afirmam imitar um sistema surround 5.1.
- Captura: Os pesquisadores usam microfones para gravar som de uma configuração física de alto-falantes 5.1. Eles gravam a partir de orelhas e corpos de vários formatos e tamanhos. Isso explica as diferenças de percepção individual.
- Modelo: Usando computadores, eles desenvolvem um algoritmo. Este algoritmo replica as características espaciais desse campo sonoro do mundo real.
- Aplicar: O algoritmo é aplicado a um sistema de dois alto-falantes (estéreo). Ele remodela o áudio. O resultado é um campo sonoro que imita o formato de uma configuração real de 5.1 canais.
Você está ouvindo uma simulação. Seu cérebro processa o áudio alterado pelo HRTF como se os sons viessem de direções específicas no espaço.
Não é mágica. É matemática. E é por isso que um filme parece envolvente mesmo quando você está sozinho em uma sala.
Ferramentas e técnicas de som surround virtual
É um truque. Um truque digital sofisticado. O processador pega seu sinal estéreo padrão e o distorce com sinais auditivos. Mudanças de fase. Amortecimento de frequência. Linhas de atraso. Isso força seu cérebro a aceitar uma mentira: que o áudio está explodindo de cinco pontos distintos no espaço, em vez de apenas dois alto-falantes à esquerda e à direita. Você não está ouvindo mais. Você está convencido de que está.
Esta é a principal promessa das ferramentas de som surround virtual. Eles não adicionam hardware. Eles adicionam engano.
A abordagem DSP: moldando o sinal
A maioria das configurações de consumo depende do Processamento Digital de Sinais (DSP). Isso não é mágica; é matemática aplicada às ondas sonoras. O software analisa a trilha estéreo de entrada e aplica funções de transferência relacionadas à cabeça (HRTFs). Essas funções modelam como seus ouvidos e sua cabeça filtram o som de diferentes direções.
Ao alterar artificialmente o tempo e a intensidade das frequências entre os canais esquerdo e direito, o sistema cria “imagens fantasmas”. Seu córtex auditivo preenche as lacunas. Ele emite um som atrás de você ou ao seu lado com base em sinais sutis em que seu cérebro evoluiu para confiar.
Soluções de hardware versus software
Você tem opções. Eles diferem em eficácia e custo.
- Virtualização baseada em software: Funciona em seu PC, console ou smartphone. Aplicativos como Dolby Atmos para fones de ouvido ou 360 Reality Audio da Sony pegam uma mixagem 5.1 ou 7.1 e convertem-na para baixo. É conveniente. Mas muitas vezes parece fraco. Os perfis HRTF são genéricos. Eles assumem um formato de cabeça médio. Se sua cabeça não estiver na média, a ilusão se desfaz.
- Upmixing baseado em hardware: Alguns receptores AV e barras de som de última geração fazem isso internamente. Eles processam o sinal antes que ele chegue aos alto-falantes. Uma configuração 5.1 pode simular uma experiência 7.1 ou até 9.1 usando os alto-falantes traseiros e canais de altura para preencher o vazio. Depende menos da precisão do HRTF, pois você usa alto-falantes físicos reais.
- Formatos ambisônicos: É aqui que a coisa fica técnica. Ambisonics captura o som como uma esfera. Ele registra as informações direcionais diretamente. Quando reproduzido através de ferramentas surround virtuais, o movimento panorâmico é mais preciso. É usado principalmente em fones de ouvido VR. Se você estiver apenas assistindo a um filme no sofá, provavelmente não notará a diferença.
Por que é importante para usuários comuns
Você não precisa de um teatro. Você precisa de imersão.
O problema com o estéreo é que ele é plano. Tudo acontece na sua frente. Os filmes de ação perdem a profundidade espacial. A música perde sua largura. O som surround virtual corrige isso expandindo o palco sonoro. Não é um verdadeiro surround. É uma aproximação convincente.
Para os jogadores, é fundamental. O áudio direcional pode significar a diferença entre localizar um inimigo atrás de uma parede e ser flanqueado. As dicas devem ser precisas. Um HRTF mal ajustado pode mascarar totalmente os passos.
Onde falha
A ilusão é frágil.
- Movimento da cabeça: Se você virar a cabeça, o som permanecerá fixo nos alto-falantes. Não gira com você. Isso quebra a ilusão espacial instantaneamente.
- Formato da orelha: As orelhas de cada pessoa são diferentes. Os filtros usados na maioria dos softwares são médias. Se seus ouvidos captam altas frequências de maneira diferente,
A mecânica do som surround falso
Os sistemas surround virtuais não dependem apenas da física; eles hackeiam seu cérebro. Embora as configurações 5.1 reais usem alto-falantes reais para refletir as ondas em uma sala, os sistemas de processamento de som digital tentam enganá-lo para que você possa ouvir o espaço. Eles refletem as ondas sonoras em suas paredes. Se uma onda ricocheteia na parede atrás de sua cabeça, seu cérebro a registra como vindo de trás de você.
Isso requer precisão. Você deve fornecer as dimensões da sala ou usar um microfone de calibração. Perdeu o ângulo? A ilusão se quebra.
Cancelamento e Interferência
Muitas configurações de dois alto-falantes usam cancelamento de diafonia. Esta é uma aplicação criativa de interferência destrutiva. O objetivo é simples: impedir que seu ouvido esquerdo ouça o áudio do canal direito.
Se seus ouvidos captarem as dicas um do outro, a imagem estéreo entrará em colapso. O sistema usa algoritmos para eliminar aquele sangramento indesejado. Não é mágica. É processamento de sinal.
O poder de processamento por trás do som
Esses algoritmos precisam de músculos. Um processador de computador, geralmente dentro de um receptor ou amplificador, cuida do trabalho pesado. Este chip processa ondas sonoras em tempo real. Recebe entrada de um DVD player ou receptor de satélite. Aplica a matemática. Ele ajusta o volume. Em seguida, ele envia o sinal limpo para os alto-falantes. Alguns sistemas ocultam esse hardware dentro das próprias unidades de alto-falantes.
O problema do ponto ideal
Aqui está o problema. A imersão é uma ilusão. Só funciona se você sentar no lugar certo. Você deve olhar diretamente para a tela.
Mova para a esquerda ou direita do ponto ideal e o efeito desaparece. Você sai do campo sonoro direcionado. Os sons panorâmicos pela sala podem falhar ou parecer pouco naturais. Você está ouvindo dois oradores fingindo ter cinco anos. O resultado não possui a potência física de um array surround completo.
Considerações sobre compras
Antes de comprar, verifique esses fatores.
- Tamanho e formato da sala: A projeção de som digital depende de reflexos. Falha em espaços enormes e abertos ou em salas com paredes irregulares.
- Efeito desejado: Quer um áudio que preencha o ambiente? Um sistema de dois alto-falantes pode decepcionar.
Subwoofer: Os sistemas 2.1 incluem um. Muitos sistemas de projeção digital não. Você pode adicionar um para baixo, mas tem um custo extra. - Requisitos de configuração: Alguns sistemas são plug-and-play. Outros exigem que você meça a sala e execute uma rotina de calibração.
- Preço: Existem sistemas 2.1 acessíveis. Unidades de projeção digital de última geração podem exceder US$ 1.500.
A tecnologia é impressionante até você se levantar. Então são apenas ecos.
Onde se aprofundar na ciência do áudio
Se você quiser ir além do básico e ver exatamente como as ondas sonoras ricocheteiam nas paredes ou como os fones de ouvido enganam seu cérebro para que ele ouça um cinema, o caminho está repleto de recursos. Comece com os guias básicos. Como funciona o home theater prepara o cenário. Então você precisa entender o hardware. Como funcionam os alto-falantes explica a mecânica. Como funciona o som do filme mergulha na mixagem.
Existem arestas estranhas e maravilhosas neste campo também. Como funciona o LRAD abrange dispositivos acústicos de longo alcance. Como funciona a levitação acústica parece ficção científica, mas é física real. E para a tela, Como funcionam as televisões é apenas o começo. Você tem que olhar para os painéis. Como funcionam os conjuntos DLP. Como funcionam os monitores de plasma. Como funciona o LCD. E se você está se sentindo nostálgico ou apenas curioso sobre tecnologia morta, Como funciona a SED-TV é um desvio fascinante. Depois, há Como funciona a HDTV para vincular tudo à alta definição.
Mas a verdadeira carne está nas comparações. Popular Mechanics tem uma peça sólida em Multi-Speaker vs. Virtual Surround. Isso elimina o hype do marketing. Você quer os dados concretos? Acesse o Instituto de Pesquisa de Som e Vibração. Eles não vendem nada. Eles apenas estudam vibração. Estado de Michigan tem um forte foco em Acústica/Psicoacústica. É onde a psicologia encontra a física. E para os nerds que querem matemática, procure Localização de som usando funções de transferência de cabeça.
A pesquisa por trás da ilusão
Isto não é apenas opinião. É medido.
“O cérebro não ouve alto-falantes. Ele ouve uma cena.”
A ciência depende de medições específicas. As Medições de Manequim de Burkhead da Industrial Research Products, Inc. fornecem os dados brutos. Você ainda pode encontrar o PDF. Mostra como o som atinge a cabeça de um manequim. É preciso.
Depois, há o lado cognitivo. O trabalho de Coppin na Rice University sobre Localização de som usando funções de transferência de cabeça prova que nosso cérebro usa diferenças sutis de tempo para posicionar o som no espaço 3D. Não é mágica. É geometria e atraso.
Dolby vem brincando com isso há anos. Sua tecnologia Dolby Headphone foi projetada especificamente para fones de ouvido estéreo. Simula o surround. Isso cria largura. Seu Dolby Virtual Speaker faz algo semelhante, mas para configurações de home theater sem os alto-falantes traseiros. É um compromisso.
Ivo Eames, do Sound on Sound, explicou Como funciona o Virtual Surround em 2004. Ele não mediu palavras. Ele explicou os bancos de filtros. O mascaramento psicoacústico. É complexo.
John Falcone da Cnet fez a pergunta ao consumidor: O Virtual Surround vale a pena?. A resposta nunca é um simples sim. Depende do material de origem.
Funções de transferência relacionadas à cabeça (HRTFs) são a chave. A Universidade de Miami mantém uma boa cartilha. Isso explica por que algumas pessoas ouvem surround e outras apenas ouvem “abafado”. Seus ouvidos são únicos. O formato da sua cabeça é importante.
O Instituto de Pesquisa de Som e Vibração em Southampton possui arquivos que remontam a décadas. Se você quiser entender por que um filme parece “grande”, dê uma olhada.
Christian Koebel, da GotFrag Hardware, fez a cobertura do Virtual Surround Sound em 2006. Ele analisou as implementações de hardware. Os baratos. Os caros. A diferença está no poder de processamento.
Jack M. Loomis definiu Psicoacústica para AccessScience. É o estudo da percepção. Não apenas a orelha. O cérebro.
A página do Estado de Michigan sobre Localização de fontes sonoras é uma leitura rápida. Está claro. É preciso.
SRS Labs promoveu a Tecnologia TruSound XT. Eles alegaram transformar estéreo em surround. Foi controverso. Funcionou, mas coloriu o som.
Eric Taub no New York Times escreveu The Sweet Deception of Virtual Sound. Ele chamou isso de truque. Ele estava certo. Mas é um truque útil.
Vann’s ofereceu um guia sobre Como obter surround 5.1 com dois alto-falantes. É uma questão de posicionamento.
