El audio espacial ha transformado la forma en que experimentamos el sonido, lo que lo hace más inmersivo y realista. Desde las bandas sonoras cinematográficas hasta entornos de realidad virtual, la capacidad de colocar sonidos precisamente en el espacio tridimensional se basa en una comprensión profunda de cómo nuestro sistema auditivo interpreta las señales acústicas. relaciones de fase entre señales de audio. Este artículo explora la física de la fase, su papel en la audición espacial, y cómo los ingenieros manipulan la fase para crear paisajes espaciales convincentes.

¿Cuáles son las relaciones de fase?

Las relaciones de fase describen el tiempo compensado entre dos o más ondas periódicas. En audio, una onda sonora es una variación de presión con el tiempo, a menudo aproximada como una onda sine. La fase se mide en grados (°) o radianos, donde un ciclo completo equivale a 360° (2π radians). Cuando dos ondas idénticas comienzan en el mismo punto de su ciclo, se dice que son en fase (0° diferencia). Si una onda se retrasa en medio ciclo, son 180° fuera de la fase.

En términos prácticos, las diferencias de fase surgen naturalmente cuando el sonido llega a dos puntos diferentes en el espacio, por ejemplo, en los oídos izquierdo y derecho. Debido a que los oídos están separados por la cabeza, una fuente de sonido situada a la derecha alcanzará el oído derecho ligeramente antes del oído izquierdo. Esta diferencia de tiempo interaural (ITD) es típicamente sólo una fracción de un milisegundo pero es crucial para localizar sonidos en el plano horizontal.

Las relaciones de fase no se limitan a la audición binaural. En sistemas multi-pastores, la fase relativa entre canales determina cómo las ondas de sonido se combinan en el espacio de escucha. Al controlar estos offsets de fase, los ingenieros de audio pueden dirigir imágenes de sonido, crear centros fantasma, e incluso producir la ilusión del sonido que viene de arriba o detrás del oyente.

Cómo la fase afecta a los audios espaciales

El sistema auditivo humano utiliza múltiples cues para determinar la ubicación sonora: retrasos en el tiempo (ITD), diferencias de nivel (ILD), filtrado espectral por el oído externo (pinna), y cues dinámicas de los movimientos de cabeza. Fase sustenta todas estas. Cuando dos señales se reproducen de diferentes altavoces, la relación de fase en los oídos del oyente determina si el cerebro percibe una imagen fusionada o dos fuentes separadas. resumir la localización o el Efecto de las haas (efecto de precedencia) cuando se introduce un pequeño retraso entre las dos señales.

En una configuración estereotipada, si ambos altavoces emiten exactamente la misma onda en fase, el oyente percibe el sonido como proveniente de un punto exactamente entre los altavoces. Si la señal del altavoz izquierdo se retrasa ligeramente (asegurando un cambio de fase en relación con la derecha), la fuente percibida cambia hacia el altavoz anterior. Este principio se utiliza en el panning; moviendo el control de la sartén cambia efectivamente el nivel relativo y el tiempo entre los canales.

Diferencias interaurales de fase y localización

Las investigaciones muestran que las diferencias interaurales de fase (IPD) son el punto dominante para localizar sonidos de baja frecuencia (abajo alrededor de 1,5 kHz). A 500 Hz, una diferencia de fase de sólo 30° corresponde a un retraso de alrededor de 0.17 ms, con el fin de cambiar la dirección percibida por varios grados. Para frecuencias superiores, la espectro de onda se vuelve más pequeña que el diámetro de la cabeza, causa ambiguidad en fase (el cambio de frecuencias cerebral).

Los sistemas de audio espacial modernos aprovechan estos mecanismos dependientes de frecuencias. Por ejemplo, los auriculares de sonido envolventes virtuales utilizan funciones de transferencia relacionadas con la cabeza (HRTFs) que incluyen modificaciones de fase y amplitud para simular el filtrado del pinna y los ITDs/ILDs apropiados. El componente de fase de HRTFs es especialmente crítico para crear cues de elevación exactas —sonidos procedentes de arriba o debajo del plano horizontal.

Interferencia constructiva y destructiva

Las diferencias de fase conducen a dos interacciones de las olas primarias: injerencia constructiva y interferencia destructiva. Cuando dos ondas de sine idénticas están perfectamente en fase, se unen para producir una onda con doble la amplitud, aumentando el nivel de presión de sonido (SPL) hasta 6 dB. Por el contrario, cuando están exactamente fuera de fase (Diferencia de 180°), se cancelan completamente, dando lugar a silencio. En el audio del mundo real, la cancelación nunca es total porque las señales son raramente idénticas en la amplitud y el contenido de frecuencia, pero las cancelaciones parciales filtrado de peines.

El filtrado de laboratorio ocurre cuando se combina un sonido directo y una copia retardada (por ejemplo, de una reflexión o un segundo altavoz). La respuesta de frecuencia se convierte en una serie de picos y muescas igualmente espaciados, que se parecen a un peine. Esto puede colorear el sonido —haciendo que sea delgado o hueco— si no se maneja correctamente. En el audio espacial, los ingenieros a veces introducen deliberadamente filtros de peine para crear un sentido de profundidad o para el filtro de interconextracción de altavozal.

Gestión de la cancelación en sistemas multicanal

En una configuración de sonido envolvente, la relación de fase entre subwoofers y altavoces principales es crítica. Si el subwoofer se posiciona de tal manera que su salida llega 180° fuera de fase con los principales altavoces en la posición de escucha, la respuesta de bajo puede ser severamente reducida. Muchos receptores de AV incluyen un ajuste de fase o un retraso de subwoofer (distancia) para alinear la llegada del tiempo de frecuencias adyacentes de interferencias.

La interferencia de onda es también la base de ciertas tecnologías de audio espacial. Ambisonics, armónicos esféricos se codifican como coeficientes de fase y amplitud; decodificación implica resumir señales con cambios de fase apropiados para recrear un campo de sonido tridimensional. síntesis binaural, cada fuente virtual se convocó con un par de HRTFs que capturan las diferencias de fase que el oído recibiría naturalmente.

Aplicaciones en Tecnologías de Audio Espaciales

La manipulación de fase es central en casi todos los sistemas de audio espacial modernos, desde auriculares de consumo hasta instalaciones de cine Dolby Atmos. A continuación exploramos las tecnologías más significativas y cómo aprovechan las relaciones de fase.

Audio Binaural y HRTFs

La grabación binaural utiliza un cabezal muñeco con micrófonos colocados en los canales auditivos para capturar las cues naturales de fase y amplitud que experimentaría un oyente humano. Cuando se reproducen de nuevo sobre los auriculares, se conservan las relaciones de fase exacta del campo de sonido grabado (siempre que los auriculares tienen una respuesta plana). Esto crea una impresión espacial increíblemente realista—los lectores suelen informar de sonidos fuera de su cabeza.

En audio binaural sintético (utilizado en juegos y VR), las funciones de transferencia relacionadas con la cabeza se miden de sujetos humanos o simulan usando modelos matemáticos. Cada HRTF es un par de respuestas de impulso que codifican cómo el pinna, la cabeza y el torso modifican el sonido desde una dirección determinada.El componente de fase de estas respuestas de impulso contiene la información ITD y los noches espectrales causados por el oído externo.

Para una lectura más detallada, Artículo de Wikipedia sobre los HRTFs proporciona una visión general accesible, y Documento AES sobre los efectos de la fase de la HRTF ofrece una visión más profunda de cómo impactos de la localización de fase.

Ambisónicos y Ambisónicos de Orden Superior (HOA)

Los ambisónicos son una técnica de sonido envolvente de esfera completa que codifica un campo de sonido mediante descomposición armónica esférica. Las señales B-format básicas (W, X, Y, Z) capturan gradientes de presión y presión a lo largo de tres ejes, estos gradientes son esencialmente diferencias de fase entre puntos opuestos en una esfera. Por ejemplo, el canal X es proporcional a la diferencia entre las fases de micrófonos frontales posteriores.

Ambisonics de mayor orden (HOA) utiliza más canales (típicamente hasta 7o orden, que requieren 64 canales) para aumentar la resolución espacial. El proceso de codificación y decodificación implica matrices de fase que combinan señales con pesos y retrasos específicos.Los decodificadores HOA para arrays de altavoces usan algoritmos de alineación de fases, como el peso “max‐rE” para optimizar el campo de la de la fase estable y reducir el de borrefase.

Para una introducción autorizada, vea Página de Ambisonics de Wikipedia y el libro "Reproducción de sonido" por Floyd Toole, que cubre la fase en sistemas multicanal.

Sintesis de campo de onda (WFS)

Wave Field Synthesis es una técnica de audio espacial basada físicamente que utiliza una gran variedad de altavoces muy espaciados —a menudo cientos— para recrear el frente de onda exacto de una fuente virtual. El principio se deriva del principio de Huygens: cada punto en un frente de onda puede considerarse una fuente secundaria de ondas esféricas. Al conducir cada orador con la fase y amplitud adecuadas (calculado de la posición de fuente virtual deseada), WFS puede producir correctamente un sonido local

La precisión de fase en WFS es primordial. La señal de cada altavoz debe retrasarse por una fracción precisa del período de muestreo para simular el tiempo correcto de llegada. Los sistemas de procesamiento de señales digitales (DSP) utilizan retrasos de muestra enteros más filtros de retraso fraccional (todo paso o interpolación de intervalo) para lograr la precisión de onda de submuestra. En la práctica, los sistemas WFS se limitan a las manipulaciones de frecuencias espaciales

Virtual Surround and Object-Based Audio

Dolby Atmos, DTS:X, y Auro‐3D son formatos basados en objetos donde los objetos de audio (por ejemplo, un helicóptero) se canalizan a posiciones arbitrarias utilizando metadatos. El motor renderizado utiliza algoritmos de panificación de fase y amplitud, a menudo una combinación de panificación de amplitud basada en vectores (VBAP) y retrasos basados en distancia. Las relaciones de fase se gestionan para evitar filtrar la alineación de comb entre los sub altavocesores.

En los auriculares, la decodificación virtual envolvente (por ejemplo, Dolby Atmos for Headphones) aplica HRTFs a cada objeto, incorporando las diferencias de fase que se producirían en un conjunto de altavoces real. Estos HRTFs están premeditados para múltiples posiciones de altavoz (típicamente 7.1.4 o 9.1.6) y luego mezclados a dos canales. La precisión de fase de estos renderizaciones binaurales afecta directamente a la amplia percepción externa.

Consideraciones prácticas para los ingenieros de audio

La fase de comprensión no es sólo teórica, sino que tiene implicaciones directas para la grabación, mezcla y masterización. Aquí están varios puntos prácticos donde las relaciones de fase importan:

  • Técnica de micrófono: Al utilizar múltiples micrófonos en una sola fuente (por ejemplo, grabar un gabinete de guitarra con dos micrófonos), la alineación de fase evita el filtrado de peine. Los ingenieros a menudo cambian la fase de un micrófono (una inversión de 180°) o ajustan su posición para minimizar las cancelaciones. Herramientas como medidores de correlación de fase (por ejemplo, el medidor de correlación en su DAW) indican si dos señales están dentro o fuera de fase; un valor perfecto de -pha significa hacia fuera de la salida.
  • Mezcla: Los efectos de panificación a menudo dependen de una combinación de nivel y fase. Un truco común para ampliar una mezcla estéreo es retrasar un canal ligeramente (20–50 ms) para producir un aumento de efecto Haas. Sin embargo, el retraso excesivo puede difuminar la imagen central. El procesamiento de lado medio también utiliza la fase aislar centro e información de lado: el centro es L+R (en fase), el lado es L‐R (fuera de fase).
  • Mastering: Los plugins de ampliación de Stereo utilizan a menudo la manipulación de fase (todos filtros de paso) para crear un sentido de ancho sin aumentar la correlación entre canales. Debe tomarse cuidado de no crear un cambio de fase excesivo que causa problemas de compatibilidad mono. Una mezcla monocompatible debe tener una cancelación mínima de fase cuando se resume a mono.
  • Live Sound: Los arrays de subwoofer (por ejemplo, cardioide o end‐fire) están diseñados mediante la cancelación de fase para dirigir bajas frecuencias hacia el público y reducir la radiación trasera. Al colocar subwoofers con una inversión específica de espaciamiento y polaridad, los ingenieros pueden lograr un control de baja frecuencia direccional.

Para una inmersión más profunda en los problemas prácticos de fase, Sound on Sound Magazine tiene un excelente artículo: "Phase Made Easy" lo que explica tanto la teoría como los enfoques comunes de solución de problemas.

Conclusión

Las relaciones de fase son una piedra angular del audio espacial, definen cómo los sonidos se combinan, cancelan y crean las ilusiones de dirección, distancia y envelopment. Desde las diferencias de tiempo interaural que nuestros cerebros utilizan para localizar sonidos, hasta los retrasos digitales precisos en la síntesis de campo de onda, la fase de control es esencial para cualquier ingeniero que trabaje con audio inmerso.