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Grabacin biaural. Introduccin y aplicaciones Jos Liao

lava Ingenieros, S.A. e-mail: jliano@alava-ing.es

Mediante la tecnologa de grabacin biaural se consigue reproducir fielmente un sonido de forma que la percepcin del oyente es tal y como si estuviera en el lugar y en el entorno en el que se grab. Es tal el realismo que se alcanza que todo el que oye una grabacin biaural por primera vez gira la cabeza sorprendido como si realmente hubiera alguien detrs o a su lado. Mis hijos gritan emocionados hay un fantasma cuando oyen a alguien hablar o moverse delante de ellos pero no pueden verlo. Ms all de la curiosidad o la sorpresa, esta tecnologa se utiliza con xito desde hace dcadas en diversos campos de la ingeniera acstica y la investigacin cientfica. El objetivo de este artculo es sintetizar con un lenguaje ni cientfico ni excesivamente tcnico en qu consiste la grabacin biaural, as como enumerar algunos de sus campos de aplicacin.

Grabacin biaural

Entre los cinco sentidos del hombre (y los seis de la mujer) uno de los ms importantes es el de la audicin. Gracias a l podemos hablar unos con otros, escuchar el ltimo disco de nuestro grupo favorito o disfrutar del sonido del mar mientras estamos tumbados al sol. Algo tan sencillo e inconsciente para la mayora de nosotros como or es en realidad un proceso complejo en el que intervienen tanto factores fsicos relacionados con la propagacin de las ondas sonoras como factores psicoacsticos derivados de la forma en que nuestro cerebro procesa los estmulos recibidos en cada odo para crear la percepcin sonora final [1]. Desde sus comienzos, la ingeniera acstica ha desarrollado instrumentos y sistemas para la grabacin y reproduccin del sonido de la forma ms fiel y precisa posible [2].

Una de las caractersticas del sistema auditivo humano es su capacidad de localizacin espacial de las fuentes de ruido tanto en el plano horizontal como en el vertical. En el plano horizontal, esta localizacin se realiza gracias a los retardos y a las diferencias de nivel de la seal sonora en un odo respecto al otro. En el plano vertical, la localizacin espacial se realiza gracias al filtrado realizado por la cabeza, el torso y el pabelln auditivo. El cerebro humano es capaz de interpretar el efecto de estos filtros para inferir la direccin de localizacin de las fuentes. De esta forma, nuestra anatoma es un factor fundamental en la percepcin del sonido [3].

Este ltimo aspecto pasa desapercibido para mtodos como la grabacin estereofnica u otros sistemas de sonido envolvente, que no tienen en cuenta el efecto que nuestro cuerpo, especialmente los hombros, la cabeza y el pabelln auditivo produce en el campo sonoro. El hecho de que la

presin sonora grabada con un micrfono sin presencia del oyente es significativamente diferente a la que existe en el canal auditivo del oyente, hace necesaria la utilizacin de una cabeza, ya sea artificial o natural, para la grabacin de los sonidos si queremos conseguir una reproduccin tal y como si estuviramos inmersos en el campo sonoro original que se produjo durante la grabacin. Existen igualmente otros efectos caractersticos de nuestro sistema auditivo biaural como son la separacin y seleccin de fuentes sonoras o la supresin de ruidos e interferencias. Esto quiere decir que con la grabacin con un solo micrfono, o con dos micrfonos separados una distancia determinada, sin la presencia de la cabeza, hombros y pabelln auditivo, no es posible reproducir los efectos de filtrado en funcin de la direccin de incidencia. Sin la presencia de la cabeza biaural es imposible grabar la seal de presin sonora igual a la existente en el interior del canal auditivo, es decir, es imposible registrar el estmulo real de nuestro sistema nervioso.

Fig. 1. Cabeza biaural

Fuente: HEAD Acoustics GmbH

mailto:jliano@alava-ing.es

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En la prctica se utilizan dos tipos de sistemas para la grabacin biaural. El sistema con el que se consigue una mayor calidad es el compuesto por un sistema de torso y cabeza artificial, llamada cabeza biaural o cabeza acstica (fig. 1). Este maniqu tiene un comportamiento acstico equivalente al promedio de los seres humanos y cuenta con un micrfono en la posicin de cada canal auditivo. Como mtodo alternativo, se utilizan personas a las que se les adaptan micrfonos situados lo ms cerca posible del canal auditivo, ya sea con auriculares o con adaptadores (fig. 2).

Las diferencias principales entre ambos sistemas son:

Con la cabeza artificial se consigue la mayor calidad de reproduccin ya que los micrfonos se encuentran en la posicin en la que se produce el estmulo de nuestro sistema nervioso, el canal auditivo. En el caso de algunos auriculares, los micrfonos estn situados en el exterior del odo por lo que no se obtiene exactamente la presin sonora en el punto de excitacin del sistema nervioso.

La grabacin con la cabeza artificial es independiente de las propiedades de ningn ser humano en particular y por tanto la grabacin es completamente repetible. Por otra parte, existen hoy en da cabezas con una descripcin geomtrica matemtica lo que hace al sistema completamente calibrable [4].

Hay ocasiones en las que no es posible utilizar una cabeza artificial. Tal es el caso tpico de la grabacin del sonido en la posicin del conductor de un vehculo. En este caso se utiliza como cabeza biaural al conductor con micrfonos adaptados en la posicin de los odos.

De igual forma, hay situaciones en las que se hace necesario o muy recomendable utilizar cabezas artificiales, por motivos de seguridad o por formar parte la grabacin biaural de un proceso continuo durante largos periodos de tiempo. El caso tpico es en lneas de control de calidad de produccin.

En general, los sistemas que utilizan una persona tienen un menor coste y son ms porttiles y discretos, por lo que se suelen utilizar en aquellas situaciones en las que la rapidez y el coste primen por encima de la calidad.

Reproduccin biaural

Una vez registradas las seales con un sistema de grabacin biaural, la reproduccin se realiza generalmente con auriculares: al haber grabado las seales en el canal auditivo o cerca del mismo, lo ms directo es reproducir estas seales de nuevo en el canal auditivo del oyente. Dado que la seal sonora atravesar dos veces el canal auditivo, una durante la grabacin y otra durante la reproduccin es necesario ecualizar para compensar este efecto. La ecualizacin tambin tiene en cuenta la respuesta en frecuencia de los auriculares. Normalmente con las cabezas artificiales, se utilizan auriculares electrostticos para conseguir la mxima calidad en la reproduccin. Los sistemas que utilizan auriculares para la grabacin utilizan estos mismos auriculares para la reproduccin, realizando automticamente la ecualizacin y compensacin de frecuencia del sistema.

Tambin es posible la reproduccin biaural con altavoces. Es espectacular el efecto producido con dos altavoces enfrente del oyente reproduciendo un sonido que percibimos completamente detrs de nosotros. La desventaja principal de este mtodo es la necesidad de ubicar al oyente en una posicin determinada y de compensar el efecto de la sala para esa posicin. Este inconveniente hace que en general el mtodo habitual de reproduccin sea con auriculares. Aunque para obtener unos resultados de calidad es necesaria la utilizacin de sistemas de reproduccin especficos, incluso con un reproductor MP3 y unos auriculares convencionales se obtienen resultados sorprendentes.

Un error muy comn, cometido incluso por ingenieros de sonido, es pensar que los efectos conseguidos mediante la grabacin biaural pueden alcanzarse grabando con micrfonos, sin cabeza biaural, y procesando las seales posteriormente. Esto es incorrecto ya que para cada punto del espacio existe una funcin de transferencia

Fig. 2. Sistema de grabacin biaural

Fuente: HEAD Acoustics GmbH

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especfica entre la presin sonora en dicho punto y la presin sonora en el interior de cada uno de los dos canales auditivos y, por tanto, sin conocer previamente la distribucin espacial de las fuentes sonoras y sus reflexiones es imposible reproducir la sensacin auditiva original. No hay ms remedio que usar, literalmente, la cabeza.

Ventajas de la tecnologa de grabacin biaural

La grabacin biaural tiene muchas ventajas respecto a otras tcnicas, derivadas todas ellas de la caracterstica fundamental de ser el nico mtodo capaz de reproducir la sensacin sonora tal y como si nos encontrramos inmersos en el campo sonoro en el que se realiz la grabacin. Entre estas ventajas se encuentran las siguientes:

Comparacin de sonidos. El sistema auditivo humano se caracteriza por su altsima sensibilidad y por su escasa memoria. Esto quiere decir que aunque somos capaces de percibir mnimas variaciones de sonido, no poseemos memoria para registrar la percepcin sonora una vez pasado el evento sonoro y por tanto es difcil realizar comparaciones de sonidos. Un ejemplo clsico de esto es intentar comparar los sonidos producidos por el vuelo de una serie de aviones. Al tener necesariamente que esperar un tiempo entre cada paso de avin, nos es muy difcil compararlos. Gracias a la tecnologa biaural se pueden realizar grabaciones y compararlas despus una inmediatamente detrs de la otra. Esto se conoce como comparaciones A/B y es una de las aplicaciones tpicas de la tecnologa biaural.

Evaluacin por jurado (Jury Testing). En la percepcin de un sonido hay siempre factores subjetivos. Varias personas que evalen un mismo sonido en un mismo lugar, lo harn de forma diferente porque la audicin, como todos los sentidos humanos, tienen una componente subjetiva. Por ello es habitual someter la evaluacin de los sonidos a un conjunto de personas que actan como jurado. Esto es complicado y costoso de hacer sin un sistema de grabacin y reproduccin biaural. Por ejemplo, para evaluar veinte personas el sonido en la posicin del conductor de un vehculo en un determinado trazado, tendramos que repetirlo veinte veces y, an as, el sonido evaluado no sera exactamente el mismo, ya que existiran diferencias en la velocidad, aceleracin, trazado, etc. Utilizando una misma grabacin biaural para todos, el proceso de evaluacin por jurado se simplifica.

Posibilidad de comparar el anlisis subjetivo del sonido con las fuentes que lo producen como vibraciones. Por ejemplo, combinando la reproduccin biaural con el anlisis espectral simultneo de una seal de vibracin se puede estudiar qu componentes de frecuencia del sonido son molestas y conviene reducir o por el contrario, agradables, que conviene potenciar y relacionarlas con la vibracin que las produce.

Filtrado y reproduccin biaural. Una vez disponemos de una grabacin biaural, es posible mediante software aplicar filtros en funcin de la frecuencia y reproducir biauralmente el sonido, de manera que podemos predecir la percepcin sonora si atenuramos una u otra fuente o aislar una determinada componente del sonido de las dems para analizarla de forma individual.

Optimizacin acstica de productos industriales

ste es sin duda el campo en el que la grabacin biaural ha tenido un mayor xito. La vertiginosa carrera por diferenciar los productos de la competencia afecta por supuesto a su optimizacin acstica. Sin duda, el sector que ha liderado en las ltimas dcadas el desarrollo de toda una serie de tcnicas y herramientas en ingeniera vibroacstica, que luego se han aplicado a otras industrias, es la del automvil. Todos sabemos que no suena igual un coche de gama premium que uno de gama inferior. Esto es el resultado de la aplicacin de herramientas de clculo y ensayo desde el diseo conceptual del vehculo hasta el control de calidad de la produccin final. En este mbito, la grabacin biaural es una herramienta fundamental muy utilizada por los centros tcnicos de los fabricantes, por la industria auxiliar, as como por las ingenieras y centros tecnolgicos de apoyo a la industria. Los usos abarcan las diferentes fases del diseo del producto: desde el diseo del sonido objetivo (cmo queremos que se perciba el sonido de un determinado vehculo?), a la optimizacin de los prototipos, normalmente en combinacin con la medida de vibraciones, as como a la evaluacin del producto final. La grabacin biaural es por tanto una tcnica necesaria para la evaluacin, desde el punto de vista de la percepcin subjetiva del sonido, del resultado de las modificaciones del producto tanto estructurales, aerodinmicas, por elementos absorbentes, etc.

Tambin se utiliza ampliamente la grabacin biaural en la atencin de quejas por ruido de estos productos una vez llegan al cliente final para registrar y evaluar el sonido y comparar con

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grabaciones de referencia y poder diagnosticar as la causa y tomar decisiones de cara al cliente.

Los sectores industriales que ms utilizan las herramientas para grabacin biaural son aquellos en los que la percepcin subjetiva del sonido es ms importante: automocin, ferrocarril, lnea blanca, ascensores, etc.

Psicoacstica

La psicoacstica es la rama de la ciencia que estudia el sistema auditivo humano teniendo en cuenta los factores fsicos y psicolgicos que intervienen en el proceso complejo de audicin. Uno de los campos de estudio de la psicoacstica es la obtencin de ndices o mtricas que, a partir de magnitudes fsicas objetivas como la presin sonora, representen sensaciones acsticas concretas. Entre ellas, utilizando la terminologa inglesa habitual: loudness, roughness, sharpness, articulation index, etc. Incluso se han llegado a definir ndices que tratan de representar la molestia total producida para fuentes sonoras concretas [1] [2].

Para todos los experimentos que lleva a cabo la psicoacstica, la grabacin biaural supone una ayuda significativa ya que permite reproducir en el laboratorio experimentos con sonidos que de otra forma haran muy costosa o imposible su evaluacin por un panel de oyentes.

Grabacin biaural y ruido ambiental

Desde las ltimas dcadas existe una creciente preocupacin por la contaminacin acstica. La Organizacin Mundial de la Salud ha puesto de manifiesto la gravedad de los efectos producidos por el ruido ambiental tanto desde el punto de vista de la molestia como del dao a la salud [5]. En consecuencia, los mtodos e ndices de evaluacin del ruido ambiental siguen siendo objeto prioritario de estudio por parte de la ingeniera acstica.

Para entender el papel que puede desempear la grabacin biaural en la evaluacin del ruido ambiental es necesario definir con precisin algunos conceptos propios de la terminologa habitual del ruido ambiental.

La exposicin a la contaminacin acstica se define a partir de ndices obtenidos directamente del nivel de presin sonora. La exposicin, al obtenerse directamente de magnitudes fsicas, es algo objetivo, no depende del oyente. Dado que la principal aplicacin de los mtodos de evaluacin del ruido ambiental estn relacionados con la gestin ambiental, mediante licencias de apertura y

procedimientos sancionadores de actividades ruidosas, es necesario contar con ndices objetivos y sencillos de medir. En este sentido la legislacin [6] regula los mtodos e ndices de medida a utilizar, conforme a las normas internacionales [7]. As, se definen los ndices de evaluacin de la exposicin derivados del nivel de presin sonora como el LAeq (dBA), Lden, Ld, Le, Ln. Estos ndices se miden mediante instrumentos sencillos como son los sonmetros.

Por otra parte, en este mbito se denomina ruido al sonido ambiental que se percibe como molestia. Al ser la molestia una respuesta subjetiva, es algo mucho ms difcil de evaluar, no siendo los ndices de evaluacin de la exposicin, como los derivados del LAeq (dBA), indicadores vlidos de la molestia producida. La relacin entre la exposicin y la molestia es compleja de evaluar por el carcter subjetivo de la molestia.

En estas condiciones, qu papel juega una tecnologa como la grabacin biaural en la evaluacin de la contaminacin acstica?

En primer lugar, en el campo de la investigacin, se siguen buscando ndices con un mayor grado de relacin con la molestia producida. Tal es el caso del proyecto CITIHUSH [8]. La grabacin biaural permite la comparacin en laboratorio de los sonidos y la sensacin parecida por un jurado de oyentes y compararla as con las mtricas psicoacsticas.

Por otra parte, del mismo modo que la legislacin regula la gestin medioambiental, tambin obliga a que los resultados de la evaluacin ambiental recogida en los mapas estratgicos de ruido se utilice para la planificacin medioambiental mediante la elaboracin de los planes de accin. Estos planes recogen actuaciones concretas que deben ir orientadas a la disminucin de la molestia producida. En situaciones de ruido ambiental complejas, como son la mayora de las urbanas, con diferentes fuentes de ruido simultneas, cada vez cobra mayor importancia el concepto de paisaje sonoro (soundscape). Esta aproximacin incide en que se tengan en cuenta los efectos psicoacsticos a la hora de la evaluacin de la molestia [9]. De esta forma, la planificacin de las actuaciones en escenarios urbanos complejos deberan ir dirigidas no slo a la reduccin de los niveles de exposicin sino a la creacin de un espacio lo menos molesto posible. A este respecto, la grabacin biaural es una tcnica muy til para poder grabar, reproducir y comparar las percepciones sonoras producidas en diferentes escenarios, as como eliminar o reducir la contribucin a la percepcin sonora de diferentes fuentes mediante filtrado y reproduccin biaural

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para conocer a priori el efecto que tendra una u otra actuacin.

Msica, cine, TV, radio, videojuegos.

Uno de los primeros usos de las cabezas biaurales fue la realizacin de grabaciones musicales. La extremada calidad de las reproducciones, muy superiores a las grabaciones estereofnicas y ms sencillas en su concepto, ya que requieren menos procesamiento de la seal, hicieron pensar en la grabacin biaural como una tcnica que tendra xito en la industria musical. No obstante, salvo algunas grabaciones comercializadas hace dcadas con tcnicas biaurales, esta tcnica no ha tenido xito como difusin masiva. El primer motivo es que la grabacin biaural tiene su principal ventaja en aquellas situaciones en las que la localizacin espacial sea importante. ste no es el caso de la msica de estudio. S lo sera por ejemplo en la msica sinfnica, donde la disposicin de los instrumentos es muy importante para la percepcin final. En cualquier caso, el motivo fundamental es otro: la reproduccin biaural se realiza generalmente mediante auriculares ya que el uso con altavoces requiere una posicin fija y precisa del oyente. Aunque con unos auriculares convencionales se obtienen unos resultados aceptables, la reproduccin biaural de calidad requiere unos auriculares especiales de los que se conozca su respuesta en frecuencia y compensarla mediante ecualizacin.

Sin embargo, la aparicin del cine y la televisin en 3D hace muy interesante la grabacin biaural para obtener un sonido en 3D real, especialmente en aquellas situaciones en las que se pretende situar al oyente dentro de un campo sonoro con diferentes fuentes localizadas espacialmente. El ejemplo tpico sera el de situar al oyente en medio de una batalla con disparos y gritos a su alrededor. Los resultados que se consiguen con la grabacin biaural en este tipo de situaciones son de una calidad espectacular comparadas con las tcnicas de sonido envolvente utilizadas en la actualidad. Bien es cierto que habra que adoptar mtodos para poder utilizar la cabeza o los auriculares biaurales en el proceso de grabacin simultneamente a la grabacin de vdeo.

Una aplicacin reciente de la grabacin biaural es en la utilizacin de videojuegos. Ya se estn utilizando en dispositivos mviles de gran consumo. Aqu las ventajas son claras: no es ningn problema normalmente la reproduccin con auriculares, la grabacin puede realizarse con una cabeza y luego superponerla al vdeo e incluso mezclarla con sonidos sintetizados. El realismo est asegurado.

Otras aplicaciones

Entre otras aplicaciones adicionales de la grabacin biaural se pueden destacar:

Telefonometra. Con cabezas biaurales especficas dotadas de boca artificial , se realizan medidas para el diseo y control de calidad de telfonos y sus accesorios inalmbricos.

Acstica arquitectnica. Tambin se utiliza la grabacin biaural, principalmente en proyectos de investigacin, en aquellas aplicaciones avanzadas en las que las medidas normalizadas como el tiempo de reverberacin, aislamiento y ruido de fondo no son suficientes y se busca optimizar la percepcin sonora de una sala.

Simuladores. En simuladores de vuelo, de vehculo, de ascensores, etc. se utiliza la tecnologa biaural para la reproduccin de la percepcin sonora de la manera ms fiel posible. En este caso, se suele combinar con la reproduccin de vibraciones lo que mejora considerablemente la calidad de la simulacin.

Referencias

[1] Zwicker E., Fastl, H. Psychoacoustics. Facts and Models, Springer-Verlag, Berln, 1999.

[2] Liao J. Mtodos avanzados de Evaluacin y Anlisis en Ingeniera Acstica, ETSI Telecomunicacin, Universidad Politcnica de Madrid, 2001.

[3] Head Acousitcs, GmbH, Binaural Measurement, Analysis and Playback, HEAD Application Note.

[4] Genuit K. Artificial Head with Simplified Mathematical Describable Geometry.

[5] Organizacin Mundial de la Salud (OMS), Guidelines for Community Noise, 1999.

[6] Directiva 2002/49/CE del Parlamento Europeo, de 25 de junio, sobre Evaluacin y Gestin del ruido ambiental.

[7] ISO 1996-2:2009, Caracterizacin y medicin del ruido ambiental, 2009.

[8] Salomons E., Janssen A., CITYHUSH. Acoustically Green Road Vehicles and City Areas. 2.2. Refined noise score rating model for residents, 2011.

[9] Genuit K., Fiebig A. Psychoacoustics and its Benefit for the Soundscape Approach, Acta Acustica united with Acustica, vol. 92, 2006.