Para la ubicación lateral de una fuente sonora el sistema auditivo utiliza pistas provenientes principalmente de las diferencias de intensidad (ILD, interaural level difference) y tiempo (ITD, interaural time difference) con que las ondas sonoras llegan a cada uno de nuestros oídos. Unas y otras son más efectivas para distintos rangos de frecuencia.
El hecho de que las pistas de localización estén dadas por las ILD para frecuencias altas y por las DIT para las frecuencias bajas fue denominada "teoría duplex" por Lord Rayleigh en 1907. No obstante, si bien esta teoría es correcta para ondas senoidales no explica claramente lo que sucede en el caso de sonidos complejos.
-Diferencias interaurales de intensidad (DII ó ILD)
Las ILD se dan principalmente a partir de las diferentes distancias que deben recorrer las ondas para llegar a uno y otro oído, pero también por la sombra acústica producida por la cabeza del individuo (difracción de la onda).
Los sonidos de bajas frecuencias tienen longitudes de onda relativamente grandes con respecto a las dimensiones de la cabeza. El estudio de la difracción determina que cuando la longitud de la onda es suficientemente grande con respecto al obstáculo que encuentra la onda, ésta se difracta fácilmente y no se genera una "sombra acústica" (o, al menos, se produce una sombra acústica pequeña). Por el contrario, cuando las longitudes de onda son pequeñas, se produce poca difracción y por lo tanto existe una sombra acústica mayor.
Para frecuencias de 500 Hz la longitud de onda del sonido es de unos 69 cm, unas tres veces el diámetro promedio de una cabeza humana. La difracción es poca. Para frecuencias de 4 kHz (longitud de onda del orden de los 8.5 cm) la sombra acústica es importante.
Las ILD son prácticamente despreciables para frecuencias inferiores a los 500 Hz, pero pueden ser de hasta 20 dB para frecuencias mayores de 5 kHz.
En la figura 2 podemos observar cómo afecta el ángulo acimutal para diferentes bandas frecuenciales.
(Figura 2: B.J.C. Moore: An Introduction to the Psychology of hearing)
-Diferencias interaurales de tiempo (DIT ó ITD)
Lord Rayleigh tenía una explicación sencilla para el ITD. El sonido se propaga a una velocidad c de unos 343 m/s. Si una onda llega a una superficie esférica con un ángulo azimut de tita, lógicamente el sonido llega primero a la oreja derecha que a la izquierda, pues tiene que viajar una distancia superior para llegar a la oreja izquierda.
Las ITD van de 0 s para fuentes sonoras con un ángulo de 0º (exactamente delante o detrás del sujeto), hasta cerca de 0.69 ms para fuentes sonoras con un ángulo de 90º.
Para sonidos senoidales de bajas frecuencias las diferencias de fase pueden brindar pistas efectivas para la localización lateral de las fuentes sonoras. Pero para sonidos senoidales con longitudes de onda comparables o menores al diámetro promedio de la cabeza (entre 19 y 23 cm según diferentes autores, promediemos entonces en 21 cm), las diferencias de fase suministran pistas ambiguas. Estas frecuencias rondan los 1.6 kHz.
Las diferencias de fase pueden ser tales que haya ciclos enteros de diferencia entre uno y otro oído, y nuestro sistema auditivo no tiene forma de determinar cuál ciclo corresponde a cuál en uno y otro oído.
La ambigüedad comienza a ocurrir a partir de frecuencias cuya mitad de longitud de onda sea la dimensión del diámetro de la cabeza (21 cm), es decir para ondas de aproximadamente unos 800 Hz (longitud de onda = 43 cm).
Un sonido senoidal con esa frecuencia exacta (800 Hz) -o múltiplos enteros de ella- produce una sensación ambigua, dado que las ondas en ambos oídos tienen una diferencia de fase de 180º, por lo que el sistema auditivo no puede establecer si uno está adelantado o atrasado medio ciclo con respecto al otro. Pequeños movimientos de la cabeza pueden ayudar a determinar la localización de la fuente sonora.
No obstante las ITD se vuelven totalmente ambiguas para sonidos senoidales con frecuencias superiores a los 1.5 kHz.
La localización define la capacidad del individuo de determinar la ubicación de una fuente sonora en el espacio.
La localización sólo es posible a partir de la audición biaural. Con un solo oído no es posible localizar fuentes sonoras, ya que necesitamos de la comparación del sonido captado por ambos oídos.
Por lo general se establecen tres planos característicos en los experimentos destinados a estudiar la localización por parte del ser humano. (Figura 1)
(Figura 1: B.J.C. Moore: An Introduction to the Psychology of hearing )
La localización de una fuente sonora en el espacio viene determinada por:
-Dirección: posición espacial que podemos definir mediante dos ángulos, el acimutal (plano horizontal), y la elevación (plano medio).
-Distancia. Definida como el camino recorrido desde la fuente al receptor.
El audio 3D viene a ser el conjunto de técnicas desarrolladas, las cuales permiten transformar un sonido a fin de ubicarlo en el espacio. Su utilización puede verse reflejada en el cine con sistemas como el DTS, en el hogar como Dolby Surround, o incluso en videojuegos, y permiten crear una mayor sensación de realidad sonora en el oyente.
Las técnicas de sonido envolvente o 3D pueden dividirse en dos grandes grupos con una gran diferencia entre ambos, la manera de generar el efecto 3D.
El primero está basado en la utilización de varios altavoces, cada uno de ellos reproduciendo un sonido totalmente independiente del resto. Esto permite ubicar fuentes en diversos puntos del espacio eligiendo adecuadamente el altavoz que debe de emitir un sonido en un determinado momento.
Este sistema es el más utilizado a día de hoy en base a su relativa facilidad de creación. La industria del cine hace uso de ella en multitud de formatos. Veamos algunos de ellos.
-DTS (Digital Theater System / Sound / Surround) es un sistema digital de codificación de sonido que permite la existencia de 6 canales independientes de audio en una sola señal comprimida. Además de usarse para el cine, DTS también se utiliza en otros ámbitos como parques temáticos o simuladores virtuales, caso en que puede albergar hasta 8 canales independientes en una sola señal, pudiendo sincronizar varias señales para conseguir un número ilimitado de canales totalmente independientes.
-Dolby Digital ó como Dolby 5.1. Apareció por primera vez en los cines en el año 1992. A diferencia de lo que ocurre con otros sistemas, el formato Dolby Digital posee sonido digital comprimido, con hasta 6 canales reales de audio: 5 de rango completo (20Hz a 20 KHz) y un canal adicional para efectos de baja frecuencia (3 Hz a 120Hz) El formato es óptico, como el analógico, y su señal se ubica en el espacio entre las perforaciones de la cinta, en el caso del cine en celulosa.
-Dolby EX (Dolby Extended Sound). Básicamente este sistema es igual al Dolby Digital, con el agregado de un canal Surround en la parte trasera de las salas. A diferencia del sistema Dolby Digital, que posee 6 canales reales, el sistema EX utiliza una forma de codificación para sumar un canal de efectos trasero, dentro de los dos canales de efectos derecho e izquierdo.
-SDDS (Sony Dynamic Digital Sound). Este sistema ofrece 8 canales completos (20Hz a 20KHz) ubicados de manera singular. SDDS utiliza como los otros sistemas, dos canales traseros de Surround, el L izquierdo y R derecho. La gran diferencia es que este sistema coloca 6 altavoces reproduciendo diferentes sonidos detrás de la pantalla de cine, logrando un sonido mucho más integrado con la imagen y una serie de efectos muy particulares. La disposición de los altavoces es: L, R y C (como el sistema analógico, DTS o Dolby Digital), un altavoz para Sub Woofer, y dos canales adicionales de efectos ubicados entre L y C y entre R y C. De esta manera tras la pantalla hay un subwoofer y 5 altavoces alineados perfectamente de izquierda a derecha.
El segundo tipo está basado en transformar un sonido mono mediante la utilización de funciones HRTF, para después reproducirlo con auriculares. Estas funciones representan como el ser humano es capaz de ubicar una fuente en el espacio mediante dos señales captadas, las de ambos oídos. Son funciones complejas que recogen el efecto del sonido al encontrarse con obstáculos como el torso, la cabeza, o el pabellón auditivo. Esta técnica se utiliza básicamente en video juegos y audio profesional, aunque se prevé que en un futuro, cuando haya sido perfeccionada, podrá verse en sistemas Home-Cinema. Veamos algunos ejemplos.
- DirectSound3D (DS3D). Es una adición al sistema de DirectX de Microsoft el cual intentó estandarizar el audio 3D bajo el Microsoft Windows, introducido con el DirectX 3 en 1996. DirectSound3D tiene la capacidad de tener tarjetas de sonido que usen algoritmos aceleradores de audio DirectSound3D de terceros correctamente, hasta los métodos aprobados-Microsoft. Esto elimina la necesidad de bibliotecas separadas de audio 3D.
- Amphiotik synthesys. Mezclador de audio que consigue efectos 3D con la utilización de las funciones HRTF comentadas en anteriores líneas. También posee simulación de ambientes completos mediante reverberaciones y reflexiones.
- Amphiotik Enhancer. Es un potente sistema de Audio 3D que procesa audio estéreo estándar y lo convierte en una salida más rica y mejorada de estéreo 3D, aumentando drásticamente la experiencia de escuchar. Se puede colocar los canales de sus pistas en un totalmente personalizable Auditorio 3D Virtual, simulando desplazar las fuentes en el espacio.
-Librería Fmod. Es todo un referente en el mundo de los videojuegos, su única aplicación. Permite también ubicar fuentes en el espacio ya sea 3D o2D.
-OpenAL. Es una API (interfaz de programación de aplicaciones) de audio multiplataforma desarrollada por Creative Labs, para el renderizado de audio posicional y multicanal en tres dimensiones. Está ideada para su uso en videojuegos.
