María José Torres López

Sistema de sonido para la generación de una fuente sonora virtual

María José Torres López

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingeniería

Programa de Ingeniería Electrónica

Santiago de Cali

2017

Sistema de sonido para la generación de una fuente sonora virtual

María José Torres López, [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Director: Vladimir Trujillo, Doctor (PhD) en Ingeniería.


Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Santiago de Cali, Colombia

2017

Director del Proyecto

Profesor: Vladimir Trujillo Olaya. PhD

_________________________________

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] M.J. Torres López “Sistema de sonido para la generación de una fuente virtual.”,

Trabajo de grado Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura Cali,

Facultad de Ingeniería, 2017.

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https://co.creativecommons.org/?page_id=13

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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a mis padres por el apoyo indispensable que me brindo para poder cumplir con

mis metas. Agradezco a Chucho que me colaboró en la mayor parte del desarrollo con sus

conocimientos y su buena actitud para seguir adelante.

Gratitud especial a mi director Vladimir Trujillo, Doctor (PhD), por dar el inicio a este proyecto.

Agradezco por la disponibilidad al dedicar tiempo y experiencia.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN .................................................................................................................................... 12

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 14

1.1. DESCRIPCIÓN, FORMULACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . 14

1.2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 15

1.3. OBJETIVOS ................................................................................................................. 16

1.3.1. General ................................................................................................................... 16

1.3.2. Específicos ............................................................................................................. 16

CAPÍTULO 2: MARCO REFERENCIAL ................................................................................ 17

2.1. Marco Conceptual ........................................................................................................ 17

2.1.1. Sistema de Sonido .................................................................................................. 17

2.1.2. Fuente virtual .......................................................................................................... 17

2.1.3. Psicoacústica .......................................................................................................... 17

2.1.4. Nivel de presión sonora .......................................................................................... 17

2.1.5. Efecto Hass ............................................................................................................. 18

2.1.6. Sistema Binaural y Monoaural ............................................................................... 18

2.1.7. ITD (Diferencia de tiempo interaural) ................................................................... 18

2.1.8. ILD (Diferencia de nivel interaural) ....................................................................... 19

2.1.9. Umbral auditivo ...................................................................................................... 20

2.1.10. Percepción auditiva ................................................................................................ 21

2.1.11. Curvas de ponderación ........................................................................................... 21

a. Ponderación A ............................................................................................................ 23

b. Ponderación C ............................................................................................................ 23

c. Ponderación Z ............................................................................................................ 23

2.1.12. Acondicionamiento acústico .................................................................................. 23

a. Absorción del sonido .................................................................................................. 23

b. Reflexión del sonido ................................................................................................... 24

c. Difusión del sonido .................................................................................................... 24

2.2. Marco Teórico .............................................................................................................. 25

2.2.1. Métodos para la generación de una fuente virtual. ................................................. 25

a. Wave Field Synthesis (WFS) ..................................................................................... 25

b. Multipole Focusing to Generate a Virtual-Source-Inside .......................................... 28

c. Técnica Ambisónica ................................................................................................... 29

d. Diferencias entre los métodos para la generación de una fuente virtual .................... 30

2.3. Estado del arte .............................................................................................................. 30

CAPÍTULO 3: TÉCNICA AMBISÓNICA................................................................................ 35

3.1. Microfonía ..................................................................................................................... 35

3.2. Formato A ..................................................................................................................... 36

3.3. Formato B ..................................................................................................................... 38

3.3.1. Codificación ........................................................................................................... 38

a. Rotación en el eje Z .................................................................................................... 40

b. Rotación en el X ......................................................................................................... 41

c. Rotación en el eje Y ................................................................................................... 41

3.3.2. Decodificación ....................................................................................................... 42

CAPÍTULO 4: IMPLEMENTACIÓN ....................................................................................... 44

4.1. Descripción del equipo para la implementación ambisónica ................................... 44

4.1.1. Interfaz de sonido Motu Ultralite-mk3 ................................................................... 44

4.1.2. Altavoz DSR112 – Yamaha ................................................................................... 45

4.2. Diseño de sistema de sonido......................................................................................... 46

4.3. Conexión y comunicación de interfaz de sonido con Matlab ................................... 47

4.4. Algoritmo de implementación del formato B ............................................................ 50

4.5. Interfaz Gráfica ............................................................................................................ 54

4.5.1. Panel principal ........................................................................................................ 55

4.5.2. Interfaz gráfica para técnica ambisónica en primer orden ........................................... 56

a. Ubicación de la fuente virtual .................................................................................... 57

b. Selección señal de audio para sintetizar ..................................................................... 59

c. Calculo de técnica de ambisónica y reproducción. .................................................... 60

d. Botón regresar y salir ................................................................................................. 62

4.5.3. Interfaz gráfica para técnica ambisónica en segundo orden ......................................... 62

CAPÍTULO 5: PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................... 64

5.1. Calibración del sistema de sonido. .............................................................................. 64

5.1.1. Sonómetro SC260 .................................................................................................. 65

a. Ajustes del sonómetro ................................................................................................ 66

5.2. Mediciones con diferentes tonos .................................................................................. 69

5.2.1. Prueba en tonos bajos ............................................................................................. 69

5.2.2. Prueba en tonos medios .......................................................................................... 71

5.2.3. Prueba en tonos altos .............................................................................................. 73

5.3. Encuesta ........................................................................................................................ 75

CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................... 79

6.1. Conclusiones ................................................................................................................. 79

6.2. Trabajos futuros ........................................................................................................... 80

REFERENCIAS ........................................................................................................................... 81

ANEXOS ....................................................................................................................................... 83

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Características principales de los tres métodos para la generación de una fuente virtual.

[21] ................................................................................................................................................. 30

Tabla 2. Casos para calcular el ángulo C. ..................................................................................... 53

Tabla 3. Nivel de presión sonora de calibración. .......................................................................... 67

Tabla 4. Rango de frecuencias ...................................................................................................... 69

Tabla 5. Mediciones tono de 100Hz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z) .............. 71

Tabla 6. Mediciones sonido del piano (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z) ........... 71

Tabla 7. Mediciones tono de 500Hz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z). ............. 72

Tabla 8. Mediciones sonido del saxofón (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z). ...... 73

Tabla 9. Mediciones tono de 3KHz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z). .............. 74

Tabla 10. Mediciones sonido pajaritos (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z). ......... 75

Tabla 11. Resultados de encuestas ................................................................................................ 76

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1. Modelo para la diferencia de tiempo interaural. [14] ......................................................... 19

Fig. 2. Diferencia de nivel interaural [14]. ..................................................................................... 20

Fig. 3. Umbral de audibilidad. [15] ................................................................................................ 21

Fig. 4. Filtros de ponderación A, C, Z. [17] ................................................................................... 22

Fig. 5. Curvas de ponderación en frecuencia A, C, Z según el estándar internacional IEC 61672-

1:2002. [18] .................................................................................................................................... 22

Fig. 6. Efecto absorción. [19] ......................................................................................................... 24

Fig. 7. Efecto de reflexión. [19] ..................................................................................................... 24

Fig. 8. Efecto de difusión. [19] ...................................................................................................... 25

Fig. 9. Modelo Principio de Huygens. [22].................................................................................... 26

Fig. 10. Proceso para el desarrollo de la WFS. .............................................................................. 27

Fig. 11. Formulación enfoque multipolar. [20] .............................................................................. 28

Fig. 12. Los elementos W, X, Y Z del formato B Ambisónico Indican una componente

omnidireccional. [21] ..................................................................................................................... 29

Fig. 13. Dos sistemas de coordenadas diferentes que se utilizan comúnmente para representar la

ubicación de un sonido en el espacio; (a) Sistema de un solo polo de latitud y longitud, (b) Sistema

doble polo de colatitud y colongitud. [27] ..................................................................................... 33

Fig. 14. Micrófono TetraMic. [31] ................................................................................................. 36

Fig. 15. Referencias Cartesianas. (Negro; tipo I, rojo; tipo II) ...................................................... 37

Fig. 16. a) Ubicación espacial de la fuente real y fuente virtual. b) Sentido de rotación de los

ángulos. .......................................................................................................................................... 40

Fig. 17. Motu Ultralite-mk3. [33] .................................................................................................. 45

Fig. 18. Altavoz DSR 112 Yamaha. [34] ....................................................................................... 45

Fig. 19. Plug TS no balanceado. [35] ............................................................................................. 46

Fig. 20. Distribución altavoces para la implementación ambisónica de orden 1. .......................... 46

Fig. 21. Diagrama general de conexión. ........................................................................................ 47

Fig. 22. Reconocimiento de E/S de la interfaz Motu Ultralite-mk3 en sistema operativo Windows

7. ..................................................................................................................................................... 48

Fig. 23. Comando para reconocimiento de interfaz de sonido en el entorno Matlab©. ................ 49

Fig. 24. Direccionamiento de E/S en el entorno Matlab después del reconocimiento. ................. 50

Fig. 25. Algoritmo Técnica Ambisónica. ....................................................................................... 51

Fig. 26. Casos de las ecuaciones de la circunferencia. .................................................................. 52

Fig. 27. Distribución de la fuente real. ........................................................................................... 53

Fig. 28. Panel principal. ................................................................................................................. 54

Fig. 29. Botón inicio (panel principal). .......................................................................................... 55

Fig. 30. Interfaz de usuario para la técnica ambisónica de primer orden. ..................................... 56

Fig. 31. Barra de herramientas -Técnica ambisónica de primer orden. ......................................... 57

Fig. 32. Ubicación fuente virtual mediante el cursor. (Línea punteada roja activa cursor y línea

punteada amarilla inhabilita ingreso manual del ángulo) ............................................................... 58

Fig. 33.Coordenadas fuente virtual. ............................................................................................... 58

Fig. 34. Ubicación de la fuente ingresando el ángulo. ................................................................... 59

Fig. 35. Menú para seleccionar audio. ........................................................................................... 60

Fig. 36. Botón calcular. .................................................................................................................. 61

Fig. 37. Gráfica señal audio por canales. ....................................................................................... 61

Fig. 38. Botón “Regresar y Salir” .................................................................................................. 62

Fig. 39. Interfaz de usuario para la técnica ambisonica de segundo orden. ................................... 63

Fig. 40. Acondicionamiento del espacio. ....................................................................................... 64

Fig. 41. Sonómetro SC260 ............................................................................................................. 65

Fig. 42. Calibración de sonómetro a 94dB ..................................................................................... 66

Fig. 43. SPL ruido de fondo de la sala. .......................................................................................... 67

Fig. 44. SPL de calibración en canal 1, canal 2, canal 3 y canal 4. ............................................... 68

Fig. 45. SPL general de calibración del sistema de sonido. ........................................................... 69

Fig. 46. Ubicación del sonómetro para prueba de tonos bajos. ..................................................... 70

Fig. 47. Ubicación del sonómetro para prueba de tono medio. ..................................................... 72

Fig. 48. Ubicación del sonómetro para prueba de tono alto. ......................................................... 74

Fig. 49. Test (pag.1 de 3). .............................................................................................................. 77

Fig. 50. Test (pag.2 de 3). .............................................................................................................. 78

SISTEMA DE SONIDO PARA LA GENERACIÓN DE UNA FUENTE SONORA VIRTUAL 12

RESUMEN

Este trabajo de grado presenta el diseño e implementación de un sistema de sonido usando la

técnica ambisónica, la cual mediante un algoritmo de codificación y decodificación genera un

ambiente envolvente o tridimensional para emular una fuente virtual en una circunferencia de un

metro de radio.

Para la generación de la fuente virtual, se realizó un estudio de las ecuaciones que involucran la

técnica ambisónica, las cuales se implementaron en el software Matlab mediante una interfaz de

usuario, donde es posible ubicar el punto donde se desea la fuente virtual. Para verificar la

implementación, se realizaron pruebas cuantitativas y cualitativas. Para las pruebas cuantitativas,

se implementó una metodología de medición de nivel de presión sonora en cada uno de los

altavoces y las pruebas cualitativas se realizaron mediante una encuesta.

Finalmente se obtiene como resultado un sistema de sonido que genera una fuente virtual, el cual

puede ser empleado para entrenamiento auditivo en personas que tienen alguna discapacidad o

déficit auditivo.

Palabras clave: Ambisonic, hipoacusia, sonido 3D, fuente virtual, sistema de sonido

ABSTRACT

This undergraduate Project presents the design and implementation of a sound system by using the

ambisonic technique, which performs a coding and decoding algorithm generating a tridimensional

environment to emulate a virtual sound source in a one meter circumference.

In order to generate de virtual sound source, it were studied the equations for the ambisonic

technique, which were implemented using the Matlab software by using a user interface. In the

user interface, it is possible to allocate the point for the virtual sound. To verify the implementation,

two types of tests were performed, one quantitative and the other one qualitative. For the

quantitative test, a methodology was implemented by using measurements on sound pressure level

on each speaker and for the qualitative test, some survey were performed.

Finally, according to the results, it was implemented a system to generate a virtual sound, which

can be useful for auditory training in people who have a disability or auditory deficit.


Keywords: Ambisonic, hearing loss, 3D sound, virtual source, sound system


CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1. DESCRIPCIÓN, FORMULACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Cuando las señales de audio son reproducidas usando un proceso estéreo normal, el sonido

percibido contiene información direccional y de distancia, desde las cuales se puede localizar la

posición de una fuente de sonido. [1]

Por lo tanto, todos los organismos que poseen sistema auditivo pueden localizar sonidos en el

espacio [2]. Para el desarrollo de la localización auditiva espacial se ha utilizado fundamentalmente

las técnicas de giro de la cabeza y la mirada, sin embargo no se posee una localización plenamente

desarrollada [3].La localización sonora hace referencia a la percepción de la posición de una fuente

sonora en el plano horizontal o azimut, en el vertical o elevación y la percepción de la distancia

relativa entre participante y fuente. [2]

En este aspecto, el oído humano es binaural, es decir, que utilizamos los dos oídos para percibir las

señales de presión acústica. En este caso, las claves más relevantes para la localización del sonido

en el plano horizontal son las diferencias interaurales, es decir, las diferencias de tiempo, de

intensidad, de fase o espectrales entre un oído y otro. [3]

Además, debido a diferentes características que se relacionan con la forma de la cabeza y la

anatomía del oído, se presentan dificultades en la capacidad para percibir si el sonido que se

escucha proviene desde la izquierda o derecha, arriba o abajo, detrás o adelante y qué tan cerca o

lejos se encuentra la fuente sonora. [4]

Teniendo en cuenta que la percepción de la dirección del sonido es una de las ramas de

investigación dentro de la psicoacústica, y por lo expuesto anteriormente, se plantea la siguiente

pregunta, ¿Cómo diseñar e implementar un sistema de sonido para la generación de una fuente

sonora virtual?


1.2. JUSTIFICACIÓN

La pérdida de audición o hipoacusia, es la disminución de la sensibilidad auditiva, que puede

presentarse de diferentes formas; cuando afecta un solo oído o ambos. Existen diferentes tipos de

pérdida auditiva que pueden ser corregidas de diferentes formas como medicación, cirugía o

dispositivos denominados “Implantes Cocleares”, que permitirán nuevamente o por primera vez la

audición a las personas que presentan tal discapacidad. Por esta razón, este tipo de personas deben

familiarizarse con tal dispositivo para poder desarrollar una habilidad muy importante que es la de

percibir la dirección del sonido o también denominada “localización del sonido” [5] [6] [7].

Además de las personas con déficit auditivo que utilizan estos tipos de implantes, las personas que

no presentan ninguna discapacidad podrán hacer uso de este sistema que permitirá entrenamiento

auditivo, para así obtener una mejor percepción auditiva y una localización más precisa de la fuente

de sonido, si su actividad laboral así lo requiere.

Además, este proyecto de grado aportaría en la rama de psicoacústica al grupo de investigación de

Laboratorio de Electrónica Aplicada (LEA) en el área de investigación de diseño de sistemas de

sonido.


1.3. OBJETIVOS

1.3.1. General

▪ Diseñar e implementar un sistema de sonido para la generación de una fuente sonora virtual.

1.3.2. Específicos

▪ Investigar el estado del arte en fuentes sonoras virtuales.

▪ Implementar el método adecuado para la generación de la fuente sonora virtual.

▪ Diseñar el sistema de sonido en un ambiente controlado.

▪ Realizar pruebas del sistema de sonido.

▪ Presentar los resultados en un artículo y documentar el trabajo de grado.


CAPÍTULO 2: MARCO REFERENCIAL

2.1. Marco Conceptual

A continuación se presentan las definiciones relacionadas con el tema de fuentes de sonido virtual.

2.1.1. Sistema de Sonido

Es un arreglo de componentes destinados a capturar y amplificar el sonido en algún área o

transmitirlo en una ubicación precisa. [8]

2.1.2. Fuente virtual

Una fuente virtual es un entorno intangible o un entorno artificial, el cual permite simular o crear

señales fantasmas, es decir, generar fuentes sonoras en diferentes posiciones en el espacio a través

de un conjunto de altavoces.

2.1.3. Psicoacústica

Es el estudio del comportamiento físico sonoro, donde el cerebro analiza las diferentes

características del sonido y lo transforma en un mensaje que incluyen reacciones físicas mentales

o físicas corporales. También estudia la localización auditiva, permitiendo determinar el

movimiento de una fuente en cualquier lugar del plano. [9]

2.1.4. Nivel de presión sonora

El nivel de presión sonora (SPL o NPS) es el que establece la intensidad del sonido, su unidad de

medida es el decibel (dB) y se calcula según la Ecuación 1

𝑆𝑃𝐿 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑝

𝑝𝑟𝑒𝑓 𝑑𝐵 (1)


Ecuación 1. Para el cálculo del nivel de presión sonora. [10]

Donde P es la que determina el valor de la presión acústica a cierta distancia de la fuente.

Existen dos valores de presión de referencia pref que son:

i) pref = 0,0002 microbar (2x10-5 newton/m2)

ii) pref = 1 microbar (0,1 newton/m2)

Donde i) es utilizado para mediciones relacionadas con el oído, mediciones de nivel sonoro, entre

otras.

Y ii) ha sido empleada para calibración de transductores. Importante resaltar que tipo de referencia

se utilizara de acuerdo la aplicación ya que entre estos dos tipos existe una diferencia de 74 dB

aproximadamente. [10] En este caso se emplea la primera referencia de presión y P es la que

determina el valor de la presión acústica a cierta distancia de la fuente.

2.1.5. Efecto Hass

Es un efecto psicoacústico descrito por Helmut Hass como la capacidad de nuestros oídos para

localizar los sonidos procedentes de cualquier lugar que nos rodea. [11]

2.1.6. Sistema Binaural y Monoaural

Un Sistema Monoaural consiste en uno o más micrófonos que captan el sonido, conectados a un

solo canal de un amplificador y un Sistema Binaural consiste en dos micrófonos utilizados para

captar el sonido los cuales son conectados independientemente a un amplificador. [12]

2.1.7. ITD (Diferencia de tiempo interaural)

Es la diferencia en el tiempo que le toma a una onda de sonido para llegar a ambos oídos. Cuando

la fuente de sonido se encuentra en el lado derecho de la cabeza, esta alcanzará el oído derecho

antes que el izquierdo, pero si el sonido viene de manera frontal o posterior este es igual para los

dos oídos. [13] [14]. (Ver Fig. 1)


Fig. 1. Modelo para la diferencia de tiempo interaural. [14]

2.1.8. ILD (Diferencia de nivel interaural)

Se denota como una diferencia de amplitud entre el oído izquierdo y derecho por el frente de onda

del sonido (Ver Fig. 2).El órgano de audición es capaz de percibir las diferencias de nivel en todo

el rango de frecuencia audible para detectar una dirección de una onda de sonido [13]. El nivel de

presión es menor en el oído que está más lejos de la fuente, en experimentos realizados parece

indicar que la relación de intensidad o nivel entre los dos oídos varía sinusoidalmente dependiendo

de la frecuencia y desde 0 dB hasta 20 dB según el sonido reproducido. [14]


Fig. 2. Diferencia de nivel interaural [14].

2.1.9. Umbral auditivo

Hace referencia a la mínima presión sonora que debe tener una señal para poder ser percibida y la

máxima presión que puede soportar el oído [10]. El umbral audible depende del rango frecuencias,

cuando son frecuencias bajas, se requiere de mayor SPL para poder ser percibidas y cuando son

frecuencias altas no se requiere que su SPL sea mayor.

De acuerdo a Fig. 3, se observan tres curvas las cuales están clasificadas de la siguiente manera:

curva 1; la señal monoaural es reproducida por medio de un auricular, es decir, que corresponde al

sonido percibido por un solo oído, adicionalmente indica que a 40dB percibe frecuencias bajas de

80-100Hz, entre 60-80 dB frecuencias bajas de 20-40Hz y entre 10-30dB frecuencias altas 1000-

15000Hz, curva 2; es una señal percibida por los dos oídos y es una fuente puntual al frente al

oyente con una particularidad de que las frecuencias altas pueden ser percibidas 10 dB entre 800-

1000Hz y entre 5000-8000Hz y curva 3; referencia que la fuente está conformada por varios

altavoces y es percibida por los dos oídos permitiendo percibir hasta un rango de frecuencias de

20-800Hz.


Fig. 3. Umbral de audibilidad. [15]

En términos generales se puede decir que un oído en condiciones normales puede percibir tonos

hasta de 20KHz y para un oído en condiciones no tan buenas puede percibir tonos entre 12KHz-

15KHz. [15]

2.1.10. Percepción auditiva

Es descifrar la información captada mediante las frecuencias de las ondas emitidas, la percepción

en general esta entrelazada con los procesos cognitivos y conocimientos previos.

Para poder percibir los sonidos, existen unos procesos como lo son la recepción de la información,

la transmisión de la información y la interpretación o análisis de la información recibida. [16]

2.1.11. Curvas de ponderación

Realizan una compensación de amplitud en función de la frecuencia, es una atenuación en

frecuencias bajas y altas, existen 3 curvas de ponderación A, C, Z. (Ver Fig. 4)


Fig. 4. Filtros de ponderación A, C, Z. [17]

En Fig. 5, se pueden observar el factor de corrección que hace cada una de las curvas en función

de la frecuencia.

Fig. 5. Curvas de ponderación en frecuencia A, C, Z según el estándar internacional IEC 61672-1:2002. [18]


a. Ponderación A

Es un filtro diseñado para atenuar las frecuencias bajas, entre más baja sea la frecuencia el factor

de corrección es mayor y si es una frecuencia alta su corrección es mínima. Este tipo de

ponderación es comúnmente utilizada para mediciones de ruidos de fondo que están conformados

por valores de frecuencias muy bajas. (Ver Fig. 5)

b. Ponderación C

En este filtro el factor de corrección es mínimo para frecuencias bajas, este tipo de ponderación es

utilizada para mediciones en lugares que manejen un alto nivel de presión sonora, como lo son

aeropuertos, plantas de reproducción, entre otros. (Ver Fig. 5)

c. Ponderación Z

La ponderación Z es una curva que no aplica correcciones en ninguna frecuencia, se puede decir

que es una respuesta lineal con una atenuación de 0dB para todas las frecuencias. (Ver Fig. 5)

2.1.12. Acondicionamiento acústico

Es un aspecto fundamental para el diseño de sistema de sonido, puesto que abarca cualquier tipo

de técnica con el fin de adecuar el campo sonoro en un recinto y contempla los diferentes tipos de

materiales que pueden conformar una sala, ya que estos pueden generar diferentes efectos en la

energía como lo son: [19]

a. Absorción del sonido

Es la reducción de la energía asociada a las ondas sonoras, debido a la presencia de objetos o

personas dentro de un recinto. En Fig. 6 se puede observar que la energía reflejada es mínima

cuando el material es absorbente.


Fig. 6. Efecto absorción. [19]

b. Reflexión del sonido

Se debe a la presencia de elementos reflectores utilizados para el direccionamiento de la señal hacia

el público, estos elementos se caracterizan por ser materiales lisos, no porosos y rígidos. En Fig. 7

se puede observar como la energía se refleja según la dirección.

Fig. 7. Efecto de reflexión. [19]

c. Difusión del sonido

Mediante elementos difusores se puede presenciar la difusión del sonido ya que estos tienen como

fin extender o transmitir la señal de manera uniforme. En Fig. 8 se observa como la energía es

reflejada de forma uniforme e independiente de la dirección de incidencia del sonido.


Fig. 8. Efecto de difusión. [19]

2.2. Marco Teórico

2.2.1. Métodos para la generación de una fuente virtual.

Para la reproducción o generación de fuentes de sonido virtual existen distintas técnicas; las cuales

podemos comparar y encontrar diferencias desde solucionar dicho problema hasta la

implementación, pero todas con el mismo objetivo de generar un audio 3D. [20]

Entre los distintos métodos que existen, está la técnica HRTF que es una función de respuesta en

frecuencia, que describe como una señal acústica se filtra por medio de las propiedades de la

reflexión de la cabeza, hombros y sobre todo alrededor de la oreja antes de que el sonido llegue al

oído [13], la técnica de WFS, técnica ambisónica y multipole focusing to generate a virtual-source-

inside

a. Wave Field Synthesis (WFS)

A medida que la tecnología ha ido evolucionando ha ofrecido posibilidades para mejorar o crear

otra percepción en el momento de la reproducción de audio, por esta razón se llega a una técnica

para la reproducción del audio en 3D que sería “Síntesis de Campo de onda” más conocida como

WFS.


La técnica WFS fue una idea propuesta por Berkhout a finales de los 80, también se conoce como

Holofonía, es decir, que en el momento de la reproducción del sonido se usan múltiples ángulos,

dando una sensación de un audio 3D. [21]

La idea de la reproducción de audio 3D por medio de altavoces, viene dada por conseguir que el

oyente tenga una impresión del sonido, como si se estuviese reproduciendo por medio de

audífonos; debido que la condición de aislamiento en los audífonos ayuda a proporcionar una mejor

captación del sonido.

La técnica WFS se basa en el principio de Huygens; que consiste en que “cada punto de un frente

de ondas puede considerarse un foco de ondas secundarias que se propagan en la misma dirección

de la perturbación”. [22]

Fig. 9. Modelo Principio de Huygens. [22]

En la propagación de una onda plana (Ver Fig. 9) se forma un frente de onda (S1), que cualquier

punto que se tome de ese plano se comportará como una fuente de ondas secundarias, que serán

propagadas en la dirección en la que avancen las ondas (Línea roja); según el principio de Huygens

si se considera que la velocidad de la propagación de la onda es constante y la diferencia de tiempo

es la propagación de un frente de ondas al siguiente, entonces el radio de las ondas secundarias


equivaldrá a 𝑣 ∗ ∆𝑡 y el nuevo frente de onda será la superficie tangente a todas ellas, que a su

vez, se comportará como foco emisor para los nuevos frentes de onda. [22]

Por lo tanto, un sistema WFS dependerá físicamente de un arreglo de altavoces ubicados en forma

lineal, para la creación de los frentes de onda. Así mismo, para generar un audio 3D, se debe tener

en cuenta la longitud del arreglo, la distancia entre cada uno de los altavoces y las reflexiones que

se producirán en el recinto.

Además, la técnica WFS (Ver Fig. 10) debe calcular el tiempo que demora en llegar la señal a cada

uno de los altavoces del arreglo, seguido a esto se debe realizar una atenuación a la señal para luego

pasarla por medio de la tarjeta de sonido que permitirá reproducir la señal por la cantidad de salidas

y/o altavoces que estén conectados en el sistema.

Calcular el tiempo de

retardo

Atenuación de la señal

Tarjeta de sonido

Altavoces

Fig. 10. Proceso para el desarrollo de la WFS.


b. Multipole Focusing to Generate a Virtual-Source-Inside

Este método consiste en controlar la orientación en la que se está propagando la fuente virtual

dentro de un recinto; donde la fuente virtual está compuesta por un grupo de fuentes puntuales,

estas fuentes puntuales manejan diferentes fases y por esta razón se pueden manipular o controlar

haciendo combinaciones con cada una de ellas.

Cuando se habla de manipular o controlar hace referencia a la emisión o propagación de la fuente

de sonido virtual, por lo tanto en el momento en que dichas señales se reproduzcan al tiempo, no

se cancelaran debido a que manejan diferentes fases.

La técnica del multipolo en esencia define un campo de destino alternativo por medio de la fuente

virtual multipolo con directividad deseada, en lugar de un campo monopolo deseado. En Fig. 11

V: Región de control rodeada por la superficie ∂V, XV: Posición de la fuente virtual en el interior,

XL: Posición del oyente, XS: Posición de la fuente de control en ∂V, n: Vector normal de superficie

apuntando hacia el interior, NL: Vector direccional utiliza para definir el área de escucha XV, XL

[20]

La diferencia que hay en este método respecto al WFS la fuente de sonido virtual se encuentra

acomodada estando todos los altavoces juntos en un punto y no de manera lineal como lo hace la

técnica del WFS.

Fig. 11. Formulación enfoque multipolar. [20]


c. Técnica Ambisónica

La técnica Ambisónica consiste en generar un ambiente muy similar a la reproducción de sonido

direccional, realizando diferentes configuraciones de sistema de sonido, que dependiendo de la

distribución de los parlantes se podrá obtener la posición o el rango en el que el sonido se está

reproduciendo en los diferentes planos; como lo son el de elevación y azimut [21] (Ver Fig. 12).

Para el desarrollo de esta técnica se utilizan micrófonos omnidireccionales que puedan captar todo

tipo de señal que se esté reproduciendo en el espacio, para así luego poder reproducirla y generar

la percepción de dicho ambiente donde el sonido es direccional.

Fig. 12. Los elementos W, X, Y Z del formato B Ambisónico Indican una componente omnidireccional. [21]

En el sistema ambisónico existen diferentes formatos de señal que se pueden utilizar dependiendo

la necesidad que se presente, es decir, se trabajará con una señal monofónica o una señal capturada

por medio de micrófonos especiales para esta técnica como lo es el TetraMic [21].


d. Diferencias entre los métodos para la generación de una fuente virtual

De acuerdo a cada una de las técnicas o métodos expuestos, se puede decir que todos tienen el

mismo objetivo de generar un entorno envolvente, de generar una fuente desde algún lugar del

espacio, sin embargo cada método es diferente.

Tabla 1. Características principales de los tres métodos para la generación de una fuente virtual. [21]

WFS Ambisónico Multipolo

Configuración lineal de altavoces. Configuración esférica o circular de

altavoces.

Configuración de fuente puntual con

varios altavoces desfasados.

Genera una fuente virtual fuera del

arreglo de altavoces.

Genera una fuente virtual dentro

sobre el contorno de los altavoces.

Genera la fuente virtual desde el

interior.

Su cálculo no tiene mucha

complejidad

El cálculo de sus ecuaciones

depende de la cantidad de altavoces.

Cálculo sencillo relacionado al

campo de destino de reproducción.

2.3. Estado del arte

En estudios realizados en Colombia por el DANE en el 2005 el 6,3% de la población tiene

discapacidad y de este porcentaje el 17,3% presentan discapacidad auditiva. Del cual el 66%

corresponde a personas que tienen 45 a 60 años o más edad, el 22% corresponde a personas entre

los 15 a 44 años de edad y el 12% en personas que nacen con dicho problema [23]. Para ello es

necesario poder definir cuando una persona está teniendo una deficiencia auditiva, para así realizar

un sistema que logre mejorar o ejercitar su oído.

En la mayoría de los casos vinculados con la pérdida de audición o también llamada hipoacusia se

enfocan en realizar implantes cocleares que permitirán a las personas mejorar su nivel de escucha,

que con nuevas tecnologías; como un sistema envolvente de sonido, puede llegar a optimizar este

tipo de soluciones, en personas que hagan uso de ello, personas que requieran entrenar su sistema

auditivo para así tener una mejor percepción auditiva.

La pérdida de audición puede afectar tanto el equilibrio de la persona como la habilidad de percibir

la dirección también denominado como localización del sonido [7], lo cual se ha tratado desde el

siglo XVI, cuando desde aquella época se han realizado diferentes pruebas para así definir que la

localización auditiva depende de los dos oídos y de la velocidad en la que se propaga la onda hacia

al oído [24]; teniendo en cuenta factores como lo son la diferencia de tiempo y la diferencia de

nivel en la que la señal llega al oído.


En [24] demuestran que cuando se genera un sonido en ambos oídos al mismo tiempo el nivel de

intensidad puede determinar que la fuente proviene del medio, pero si se genera un sonido primero

que el otro por una diferencia mínima de tiempo, automáticamente se localizará la fuente en donde

llega primero el sonido.

La espacialización de sonido es un tema que se ha tratado hace más de un siglo, pues fue en estos

tiempos donde se registró el primer uso de múltiples canales de audio para dar un efecto espacial.

En la década de 1920, Harvey Fletcher y Bell Telephone Laboratories desarrollan un sistema

biaural que se basó en auriculares, sin embargo el desarrollo de este sistema no era apto para una

presentación por medio de altavoces ya que se buscaba generar un ambiente real para más de un

oyente. [25]

Profundizando un poco más en la espacialización del sonido existen investigaciones basadas en los

posibles métodos1 para la localización auditiva, para la generación de fuentes virtuales y la manera

en la que el oído puede captar el sonido, permitiendo identificar una fuente puntual. En [13], se

presenta el diseño de un sistema de sonido; que se basa en las funciones de transferencia vinculadas

con la cabeza (HRTF), donde se pueden lograr diferentes diseños, para mejorar la reproducción de

las señales de audio que permitirán al oyente sentirse en un entorno más vivo que de lo común.

Principalmente aclara que cada ser humano tiene su HRTF individual, que depende de su forma

física y su oído externo, debido a la difracción y la interferencia del oído externo se produce un

proceso de filtrado direccionalmente dependiente de las ondas sonoras entrantes, a esto se le

describe como HRTF, esta es una respuesta de frecuencia dependiente de la dirección de la oreja y

la transformada de Fourier de la respuesta al impulso relacionada con la cabeza. El oído externo

tiene propiedades direccionales y no direccionales de alteraciones espectrales en un determinado

rango de frecuencia.

Teniendo en cuenta esta definición, es importante determinar la función de transferencia que está

dada por el torso y la cabeza, de esta manera precisar que componentes son más predominantes en

cuanto a la escucha dependiendo de la estructura del oído.

El HRTF se utiliza para sintetizar un sonido monoaural en binaural que sonará como si se tratara

de la ubicación deseada. Todas las características lineales de la transmisión de sonido están

1 Ver Métodos para la generación de una fuente virtual.pg.24


contenidas en la HRTF, señales de localización tales como ITD (Diferencia de tiempo interaural)

e ILD (Diferencia de nivel interaural) [13].

Adicionalmente, en [26] se presentó la investigación en la cual se usa una señal de alarma para

aviones de combate. Esta investigación expone diferentes estrategias para identificar la diferencia

entre lo que se escucha y lo que se desea escuchar, para así percibir el error de cuando se

implementa una fuente de sonido virtual en la posición deseada o en la percibida. En ese trabajo de

investigación se presentó la idea de un sistema de audio 3D que funciona de manera adecuada para

localizar una fuente de sonido y así evaluar el rendimiento proporcionado por un audio 3D en

relación con el uso de sistemas de misión crítica. La aplicación en ese trabajo de investigación fue

en aviones de combate que incluyen sistemas de audio 3D que les permite mejorar el conocimiento

sobre cualquier peligro al que puedan estar expuestos, los cuales evalúan una señal de audio que

será vista como una señal de alerta, la cual indicará en qué dirección del espacio se encuentra el

objeto que requiere atención.

El sistema de audio 3D incluye sistema de reproducción de auriculares, rastreador de cabeza y un

procesador de señal digital. La mayoría de los sistemas de audio 3D están implementando una

aproximación a un campo de sonido real, lo que significa que si la eficiencia de la localización del

sistema de audio 3D es aproximadamente el mismo que para las fuentes de sonido real, entonces

la eficiencia de localización del sistema de audio 3D es óptima. El experimento se centró más que

todo en el rendimiento de la localización en relación a la dirección. [26]

Considerando la técnica para la evaluación del rendimiento de localización, esta podría ser

contemplada para la realizar la detección de fuentes de sonido virtual en espacios, donde la persona

no tenga la posibilidad de observar de que dirección proviene el sonido.

Teniendo en cuenta el trabajo en [26], en la que una dirección dada respecto a la cabeza del oyente

se caracteriza por dos ángulos: azimut y elevación (ver Fig. 13). Donde azimut define una rotación

alrededor del eje z donde el origen es el centro de la cabeza del oyente, eje z apuntando hacia arriba

y el eje y apuntando directamente hacia el lado derecho, es decir, el eje x apuntando hacia el frente.

La elevación es una rotación alrededor del eje y donde un ángulo positivo significa hacia arriba y

un ángulo negativo significa hacia abajo con relación al plano horizontal para la cabeza.


Fig. 13. Dos sistemas de coordenadas diferentes que se utilizan comúnmente para representar la ubicación de un

sonido en el espacio; (a) Sistema de un solo polo de latitud y longitud, (b) Sistema doble polo de colatitud y

colongitud. [27]

El aporte que realiza [26], se basa en la incertidumbre que hay para la localización de una fuente

de sonido virtual para los respectivos ángulos, el experimento abarca todas las direcciones posibles,

como lo son azimut y elevación.

En [28] se describe una técnica con la que se puede desarrollar una fuente de sonido virtual teniendo

presente varios factores que influirían notablemente en los resultados.

Para experimentar un entorno virtual de una manera audible, se asume que la persona será

reemplazada por un objeto virtual. La fuente de sonido producirá el sonido que variara el

movimiento entre la fuente y el objeto que se presente, es decir, la persona que participa o en este

caso el objeto logra oír el sonido correspondiente emitido por la fuente virtual sonora. Esto sería

posible mediante la implementación de una serie de altavoces, donde una o varias señales puedan

ser reproducidas. [28]

Para obtener una localización más precisa, es de vital importancia la manera en la cual se ubican

los altavoces, pues deben ser ubicados en función del oyente, es decir de acuerdo a la posición del

oyente, siendo este un punto de partida los altavoces deben ser distribuidos equidistantemente para

lograr una mejor localización espacial, con el fin de que los altavoces cubran el mayor área posible


o determinada para la reproducción del sonido. En [28] se afirma que no existe un enfoque universal

que garantice la localización espacial precisa con altavoces fijos.


CAPÍTULO 3: TÉCNICA AMBISÓNICA

En este trabajo de grado se realizá la implementación de un sistema de sonido usando la técnica

ambisónica en la cual se propusieron dos métodos para validar la técnica; cuantitativa, para

confirmar la percepción que se puede obtener con la técnica y cualitativa para diferenciar los

parámetros que se requiere en la implementación.

La técnica ambisónica es una solución tecnológica a los problemas de codificación de direcciones

de sonido y reproducirlos por medio de un sistema de altavoces, ya que permite engañar o crear

una imagen auditiva al oyente referente a la posición de la fuente [29]. El sistema ambisónico

maneja diferentes técnicas de grabación o formatos para la implementación, en este capítulo se

habla de algunas de ellas y se expone el formato a utilizar.

3.1. Microfonía

La microfonía se basa en la técnica Blumlein que consiste en usar dos micrófonos bidireccionales

ubicados a un ángulo de 45º formando un ángulo entre ellos de 90º, proporcionando una

reverberación uniforme. En este caso se cambia un micrófono bidireccional por un omnidireccional

y se ubicaran a 90º entre sí, paralelos al suelo [30].

El principal objetivo que se tiene con la selección y ubicación de estos micrófonos es poder capturar

la información suficiente que se obtiene en el espacio tridimensional, con el fin de codificar y

permitir una asignación a una n cantidad de canales en diversas configuraciones de los altavoces.

Para esta técnica es indispensable que los micrófonos que se empleen sean exactamente iguales,

puesto que afectará directamente el resultado final. Existen dos técnicas de microfonía para lograr

una codificación ambisónica. [30].

▪ Técnica clásica: La particularidad de esta técnica es que está conformada por 4 micrófonos

con las mismas características, los actuales tres de ellos son bidireccionales, orientados cada


uno en los ejes de las coordenadas y un micrófono omnidireccional para captar el ambiente.

[30]

▪ Técnica ambisónica: Utiliza exclusivamente micrófonos especialmente creados para el

desarrollo de la técnica ambisónica como lo son: TetraMic [30]. (Ver Fig. 14)

Fig. 14. Micrófono TetraMic. [31]

Al utilizarse cualquiera de las dos técnicas para la implementación de un sistema ambisónico es

necesario tener en cuenta qué tipo de formato se deberá emplear.

Los formatos se presentan a continuación.

3.2.Formato A

Teniendo en cuenta las técnicas de microfonía, el formato A trabaja con base a la técnica

ambisónica, el formato A es el término usado para las señales capturadas desde las cuatro capsulas

de un micrófono en un campo de sonido en forma de tetraedro. Debido a las características de esas

càpsulas, puede variar el campo de sonido dependiendo de la configuración de los micrófonos. Esta

técnica emplea micrófonos especiales para la captura de la información, y en el momento de

realizar este proceso de captura, se debe considerar el orden de las señales y la dirección de cada

uno de los micrófonos.

Debido al estilo de micrófono empleado en este formato, el cual es de 4 capsulas (Ver Fig. 14) se

define un cubo imaginario que sirve como referencia cartesiana para poder identificar cada una de

las cápsulas. (Ver Fig. 15)


El cubo está compuesto por 8 vértices y cada uno de ellos es definido por la intersección de 3

capsulas, para la referencia e identificación de la capsula, existe una connotación, por ejemplo, para

un micrófono ubicado adelante, derecha, arriba la connotación es (FRU) por sus siglas en inglés, a

continuación se presentan las connotaciones: [30]

▪ Front-Right-Up (FRU); adelante-derecha-arriba

▪ Front-Left-Up (FLU); adelante-izquierda-arriba

▪ Front-Right-Down (FRD); adelante-derecha-abajo

▪ Front-Left-Down (FLD);adelante-izquierda-abajo

▪ Back-Right-Up (BRU); atrás-derecha-arriba

▪ Back-Left-Up (BLU); atrás-izquierda-arriba

▪ Back-Right-Down (BRD); atrás-derecha-abajo

▪ Back-Left-Down (BLD); atrás-izquierda-abajo

Si se tiene en cuenta un plano esférico el tipo de señales que se obtendría serían las siguientes:

▪ Señal formato A tipo I: FLU,FRD,BLD,BRU

▪ Señal formato A tipo II: FLD,FRU,BLU,BRD

Y si se visualizara un plano horizontal las señales serian:

▪ Front-Right (FR)

▪ Front-Left (FL)

Fig. 15. Referencias Cartesianas. (Negro; tipo I, rojo; tipo II)


▪ Back-Right (BR)

▪ Back-Left (BL)

Después de identificar las señales que se obtienen del formato A, estas se transforman en el Formato

B, por medio de operaciones matriciales entre ellas mismas, es decir, que se definen cuatro señales

diferentes para cada uno de los ejes y a cada uno se le deben aplicar operaciones de filtrado para

mantener una ganancia y modificar la fase de las señales.

3.3. Formato B

El formato B es usado para almacenar y manipular las señales, utiliza la técnica clásica de

microfonía que emplea cuatro micrófonos , lo cual indica que contiene tres canales para sistemas

pantofónico y un canal que captura el sonido ambiente y también para manejar sistemas perifónico.

En un sistema ambisónico se requiere como mínimo cuatro altavoces si se maneja el plano azimut

y ocho si se maneja el plano de elevación.

Para una técnica ambisonica de orden 0, hay una señal conocida como W, y tres señales de orden

1 conocidas como X, Y y Z, las cuales corresponden a las salidas de un micrófono omnidireccional

y tres ortogonales lo cual se refleja en una organización de 8 micrófonos ubicados en el mismo

punto. El conjunto de señales permite la manipulación requerida para generar las señales de cada

altavoz.

3.3.1. Codificación

Esta etapa se desarrolla con base al campo de sonido utilizando armónicos, es decir que hace

relación al entorno 2D y esféricos que hace referencia al entorno 3D.

Existen dos formas de realizar la codificación una de ellas es cuando la señal es capturada en un

campo sonoro por medio de micrófonos, donde los datos que se tienen en cuenta son los armónicos

de primer orden y el otro caso es cuando no se hace captura de información sino que se utiliza una

señal monofónica la cual se codifica utilizando las siguientes ecuaciones: [32]

𝑥 = cos 𝐴 ∗ cos 𝐸 (2)

𝑦 = sin 𝐴 ∗ cos 𝐸 (3)


𝑧 = sin 𝐸 (4)

Ecuaciones obtenidas [25]

Donde:

x: Relaciona frente – atrás.

y: Relaciona izquierda – derecha.

z: Relaciona arriba – abajo.

Para el proceso de codificación es importante tener presente que si la fuente virtual se ubica por

fuera del círculo o esfera, la decodificación no funcionara adecuadamente y se escuchara por el

altavoz más cercano; por lo tanto la ubicación de la fuente debe cumplir la siguiente condición:

𝑥2 + 𝑦2 + 𝑧2 ≤ 1 (5)

Como se trabaja en el plano horizontal, las ecuaciones 2,3 y 4 se utilizan para crear los cuatro

canales partiendo de una señal monofónica, dado por las siguientes ecuaciones:

𝑋 = 𝒔𝒆ñ𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒏𝒐 ∗ 𝑥 (6)

𝑌 = 𝒔𝒆ñ𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒏𝒐 ∗ 𝑦 (7)

𝑍 = 𝒔𝒆ñ𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒏𝒐 ∗ 𝑧 (8)

𝑊 = 𝒔𝒆ñ𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒏𝒐 ∗ 0.707 (9)

La señal W es multiplicada por una constante 0.707, denominada la señal de ingeniería ya que tiene

como propósito contrarrestar el nivel de presión sonora en cada uno de las señales.

De acuerdo a las señales obtenidas cabe aclarar que varían con base a las diferentes posiciones que

pueden ocupar en algún lugar de la circunferencia de radio 1, esta variación es debida al ángulo

que se forma entre la fuente virtual y el oyente. En este orden de ideas como el objetivo es mantener

una percepción clara y sin confusiones, se desarrollan las ecuaciones en cada eje de rotación como

está representado en Fig. 16, estas ecuaciones ayudan a mantener una percepción del sonido más

acertada y principalmente minimizan las confusiones que se puedan presentar de un movimiento a

otro. [25]


Fig. 16. a) Ubicación espacial de la fuente real y fuente virtual. b) Sentido de rotación de los ángulos.

a. Rotación en el eje Z

El ángulo azimutal A es aquel que se realiza alrededor del eje Z; es decir, un giro a la izquierda en

contra de las manecillas del reloj, formado desde el eje x hacia la fuente real (Ver Fig. 16), donde

x y y vienen dadas por (1) y (2), y r es el radio.

𝑥 = 𝑟 ∗ cos 𝐴 (10)

𝑦 = 𝑟 ∗ sin 𝐴 (11)

El ángulo C se forma desde el eje x hasta la fuente virtual (Ver Fig. 16 a), entonces:

𝑋𝑝 = 𝑟 ∗ cos 𝐶 (12)

𝑌𝑝 = 𝑟 ∗ sin 𝐶 (13)

De (12) y (13) tenemos que:

𝑋𝑝 = 𝑟 ∗ cos(𝐴 + 𝐷) (14)

𝑌𝑝 = 𝑟 ∗ sin(𝐴 + 𝐷) (15)

Donde D, es el ángulo que se forma entre la fuente real y la fuente virtual (Ver Fig. 16)


Por identidad trigonométrica y reemplazando (2) y (3) se puede decir:

cos(𝐴 + 𝐷) = 𝑋 ∗ cos 𝐷 − 𝑌 ∗ sin 𝐷 (16)

sin(𝐴 + 𝐷) = 𝑌 ∗ cos 𝐷 + 𝑋 ∗ sin 𝐷 (17)

Entonces reemplazando (16) en (14) y (17) en (15) se obtiene:

𝑋𝑝 = 𝑋 ∗ cos 𝐷 − 𝑌 ∗ sin 𝐷 (18)

𝑌𝑝 = 𝑌 ∗ cos 𝐷 + 𝑋 ∗ sin 𝐷 (19)

b. Rotación en el X

Cuando la variación se presenta entre los ejes Y y Z las ecuaciones características son las

siguientes:

𝑋𝑝 = 𝑋 (20)

𝑊𝑝 = 𝑌 (21)

𝑌𝑝 = 𝑌 ∗ cos 𝐸 − 𝑍 ∗ sin 𝐸 (22)

𝑍𝑝 = 𝑌 ∗ sin 𝐸 + 𝑍 ∗ cos 𝐸 (23)


Donde E es el ángulo de elevación (Ver Fig. 16 b)

c. Rotación en el eje Y

La rotación se da en el eje Y cuando la variación esta entre X y Z, donde sus ecuaciones

características están dadas de la siguiente manera:

𝑊𝑝 = 𝑊 (24)

𝑌𝑝 = 𝑌 (25)

𝑋𝑝 = 𝑋 ∗ cos 𝐹 − 𝑍 ∗ sin 𝐹 (26)

𝑍𝑝 = 𝑋 ∗ sin 𝐹 + 𝑍 ∗ cos 𝐹 (27)



3.3.2. Decodificación

Teniendo en cuenta cada una de las señales codificadas, el paso a seguir es realizar la

decodificación que consiste en generar las señales que deberán emitirse por cada uno de los

altavoces, con el fin de lograr una distribución equilibrada de energía, también es importante la

ubicación de los altavoces en el área donde se quiere generar el ambiente envolvente. Las

configuraciones más reconocidas son cuadrados y hexágonos si se trabaja en el plano horizontal y

debe formarse un cubo con los altavoces si se desea manejar el plano de elevación.

Las señales asignadas a cada uno de los canales corresponden a la combinación de señales en

formato B respecto a la posición de la fuente. Para un sistema ambisónico de primer orden donde

se desea trabajar el plano horizontal las ecuaciones de salida del formato B están dadas de la

siguiente forma:

𝐹𝐿 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 + 𝑌𝑝) (28)

𝐹𝑅 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 − 𝑌𝑝) (29)

𝐵𝐿 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 + 𝑌𝑝) (30)

𝐵𝑅 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 − 𝑌𝑝) (31)


Si se quiere trabajar con ambos planos horizontal y de elevación se deberá tener ocho señales, esto

es comúnmente conocido como técnica ambisónica de segundo orden, la cual está dada de la

siguiente forma:

𝐹𝐿𝑈 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 + 𝑌𝑝 + 𝑍𝑝) (32)

𝐹𝑅𝑈 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 − 𝑌𝑝 + 𝑍𝑝) (33)

𝐵𝐿𝑈 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 + 𝑌𝑝 + 𝑍𝑝) (34)

𝐵𝑅𝑈 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 − 𝑌𝑝 + 𝑍𝑝) (35)

𝐹𝐿𝐷 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 + 𝑌𝑝 − 𝑍𝑝) (36)


𝐹𝑅𝐷 = 𝑊 + 0.707(𝑋𝑝 − 𝑌𝑝 − 𝑍𝑝) (37)

𝐵𝐿𝐷 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 + 𝑌𝑝 − 𝑍𝑝) (38)

𝐵𝑅𝐷 = 𝑊 + 0.707(−𝑋𝑝 − 𝑌𝑝 − 𝑍𝑝) (39)



CAPÍTULO 4: IMPLEMENTACIÓN

Con el fin de percibir la ubicación en cualquier parte del espacio, de una fuente virtual se diseña e

implementa la técnica Ambisónica, en la cual se realiza:

▪ Un sistema de sonido conformado por cuatro altavoces, que permitirá manejar el plano

horizontal (2D).

▪ Un software desarrollado en el entorno Matlab que será donde el usuario interactúe con el

sistema.

4.1. Descripción del equipo para la implementación ambisónica

Para la implementación de la técnica ambisónica es necesario el uso de una interfaz de sonido que

permita obtener las cuatro o más salidas de forma independiente, por lo cual se emplea la interfaz

Motu Ultralite-mk3 y claramente se requiere altavoces ya sean activos o pasivos, pero en este caso

se utilizaran altavoces activos DSR112 de Yamaha.

4.1.1. Interfaz de sonido Motu Ultralite-mk3

Interfaz de audio profesional con 10 entradas y 14 salidas, todos los canales son manejados por

separado, opera de manera flexible por FireWire o conexión USB, tiene compatibilidad con

diferentes entornos como MAC y Windows, su calidad de audio es de 24 bits con una velocidad

de muestreo de 192KHz. [33]. (Ver Fig. 17)


Fig. 17. Motu Ultralite-mk3. [33]

4.1.2. Altavoz DSR112 – Yamaha

Es un sistema de altavoces de dos vías, es decir, que está conformado por dos altavoces, lo cual

permite que sea un poco más versátil en el momento de su funcionamiento, tiene dos entradas (1

XLR y 1 línea), 1 salida XLR balanceada. (Ver Fig. 18) [34]

Fig. 18. Altavoz DSR 112 Yamaha. [34]


Se realiza la conexión plug-plug entre la interfaz de sonido y los altavoces, empleando un conector

TS comúnmente utilizado para conexiones monofónicas. (Ver Fig. 19)

Fig. 19. Plug TS no balanceado. [35]

4.2. Diseño de sistema de sonido

Partiendo del capítulo 3 se establece un círculo de 2m de diámetro, los altavoces se posicionan a

1m de distancia del oyente quien se encuentra en el centro del círculo. Los altavoces se distribuyen

de manera uniforme a una distancia aproximada entre ellos mismos de 1.45m (Ver Fig. 20).

Fig. 20. Distribución altavoces para la implementación ambisónica de orden 1.


En el momento de la distribución de los altavoces no solo se busca que estos queden separados por

la misma distancia, sino que también se ubiquen a la misma distancia del oído del oyente, con el

objetivo de ubicar los altavoces a la misma altura del oído del oyente, se instala una tarima de 43cm

sobre el nivel del suelo, es decir que se asume que la zona de audiencia esta sobre una tarima, con

el fin de ajustar la posición del oyente respecto a los altavoces ya ubicados.

Dado que se emplea un altavoz de dos vías, la altura del parlante se define de acuerdo a los

componentes frecuenciales de las señales a reproducir, es decir, que si la señal está compuesta por

frecuencias altas , el altavoz deberá ubicarse de tal manera que la bocina que reproduce los tonos

altos quede a la misma altura del oído del oyente; de igual forma si la señal está compuesta por

frecuencias bajas o media se deberá ubicar el parlante de cierta forma que la señal reproducida

quede a la misma altura del oído del oyente.

4.3. Conexión y comunicación de interfaz de sonido con Matlab

Fig. 21. Diagrama general de conexión.

El diagrama general de conexión se presenta en Fig. 21. Para la conexión y comunicación de la

interfaz hay varios aspectos que se debe tener en cuenta:


1. La interfaz que se escoge no solo deberá cumplir con los requisitos físicos, sino que también

deberá permitir establecer una conexión mediante el entorno de Matlab.

2. Descargar e instalar driver2 necesario para el reconocimiento y funcionamiento de la

interfaz de sonido.

3. Asegurar que al realizar la conexión de la interfaz con el computador, este pueda reconocer

de manera individual cada una de las salidas. (Ver Fig. 22)

Fig. 22. Reconocimiento de E/S de la interfaz Motu Ultralite-mk3 en sistema operativo Windows 7.

4. Cuando el sistema operativo del computador es Windows en ocasiones se puede generar

problemas como no reconocer la interfaz y no diferencia de manera individual cada una de

sus salidas, para este caso es necesario instalar un driver que se llama ASIO (Audio Stream

Input/Output), que permite el direccionamiento individual de E/S que se encuentren

conectadas al computador y manejar varias tarjetas de sonido. Pero si el sistema operativo es

2 Enlace para descargar driver Motu Ultralite-mk3: http://motu.com/download


MAC este no presenta ningún tipo de inconvenientes ya que maneja otro tipo de tarjeta de

sonidos y es más flexible en cuanto a conexiones de equipos externos.

5. Finalizando ya el proceso de conexión y configuración de la interfaz con el sistema operativo,

el paso a seguir es verificar que la versión del software Matlab, reconozca y diferencie cada

una de las entradas de la interfaz gráfica por medio del comando audiodevinfo (Ver Fig.

23);el cual nos brinda la dirección de cada uno de los canales de la interfaz, pero este

comando solo funciona en la versión de Matlab 2016a, puesto que las versiones pasadas no

tienen esta función disponible y no permite visualizar cada uno de los canales por separado.

(Ver Fig. 24)

Fig. 23. Comando para reconocimiento de interfaz de sonido en el entorno Matlab©.


Fig. 24. Direccionamiento de E/S en el entorno Matlab después del reconocimiento.

4.4. Algoritmo de implementación del formato B

En esta sección, se presenta el algoritmo propuesto para implementar el sistema ambisónico de

orden 1. Este algoritmo (Ver Fig. 25 ) se divide en cinco procesos importantes:

1. Ubicación de la fuente virtual en el plano horizontal con un radio igual a 1.

2. Realizar el cálculo del ángulo correspondiente de acuerdo a su posición.

3. La codificación (Ver apartado 3.3.1) donde se involucra la señal la cual tendrá interacción

con la posición de la fuente virtual por medio del cálculo de los ángulos usando la Tabla 2.

4. La decodificación usando las ecuaciones (28) (29) (30) (31)

5. La reproducción de la señal ya convertida en Formato B.


Fig. 25. Algoritmo Técnica Ambisónica.


a. Ubicación y cálculo de los ángulos

En el proceso de ubicar la fuente virtual en un lugar de la circunferencia de radio 1, es importante

resaltar los cuatro casos que se tienen en la circunferencia, siendo el eje x la referencia de frente-

atrás y el eje y. izquierda-derecha. (Ver Fig. 26)

Fig. 26. Casos de las ecuaciones de la circunferencia.

Las coordenadas de fuente la virtual deberán ser validadas con las ecuaciones de la circunferencia.

(Ver Tabla 2) con el fin de realizar el cálculo correspondiente del ángulo según el caso que cumpla.

Cabe resaltar que en Matlab todas las operaciones que se realizan en la codificación y

decodificación el valor del ángulo esta en radianes, sin embargo, para poder visualizar el valor del

ángulo en grados, se realiza la conversión de radianes a grados.

Según la Tabla 2 el ángulo en radianes es el valor calculado por el software Matlab que es un ángulo

entre 0 y π/2, por lo tanto según el caso se realiza la respectiva suma, y de esta forma se calcula el


ángulo C. El ángulo C que se calcula según las coordenadas es el que se forma desde el eje x en

sentido anti horario hacia la fuente virtual.

Tabla 2. Casos para calcular el ángulo C.

Caso I

𝟎 ≤ 𝒙 ≤ 𝟏

𝟎 ≤ 𝒚 ≤ 𝟏

Ángulo radianes

Caso II

−1 ≤ 𝑥 ≤ 0

0 ≤ 𝑦 ≤ 1

Ángulo radianes + π

Caso III

−1 ≤ 𝑥 ≤ 0

−1 ≤ 𝑦 ≤ 0

Ángulo radianes + π

Caso IV

0 ≤ 𝑥 ≤ 1

−1 ≤ 𝑦 ≤ 0

Ángulo radianes + 2π

El ángulo D que se forma entre la fuente real y la fuente virtual que es la diferencia entre el ángulo

A y C (Ver Fig. 16); el ángulo A es el que se forma con la fuente real partiendo desde el eje x en

contra de las manecillas del reloj. (Ver Fig. 27)

Fig. 27. Distribución de la fuente real.


4.5. Interfaz Gráfica

El desarrollo de la interfaz gráfica de usuario (GUI) se realiza mediante el comando GUIDE el cual

es un entorno de programación visual de Matlab©, y contiene herramientas para la creación de

interfaz de usuario y sobre este poder ejercer algún tipo de control o programación de su

funcionamiento.

Teniendo en cuenta los requerimientos y el algoritmo de la técnica, se procede con el diseño y

desarrollo de la interfaz gráfica.

Fig. 28. Panel principal.


4.5.1. Panel principal

En primera instancia el funcionamiento del sistema de sonido parte de que todos los altavoces

deben tener un mismo nivel de presión sonora, para ello se desarrolla un panel principal donde el

usuario podrá reproducir por medio del botón “Calibrar”;(ver Fig. 28) cuya función es reproducir

un ruido blanco durante 10 segundos con el fin de realizar la calibración mediante la ayuda de un

sonómetro a cada uno de los altavoces para luego poder proceder con la prueba.

Como se puede observar en Fig. 28, se presenta la ventana principal donde se encuentra el botón

de “Inicio” (ver Fig. 29) en la parte superior izquierda cuyo botón contiene las siguientes opciones

el manual de instrucciones (ctr+1), el test que se realiza a las personas (ctr+2) y la opción salir

(ctr+4).

Fig. 29. Botón inicio (panel principal).

En la parte inferior del panel principal se encuentra dos imágenes que representan el tipo de prueba

que se va a realizar que son botones, los cuales al activarlos cada uno mediante un clic del mouse

abrirá una ventana independiente con la información de la prueba seleccionada; sea primer orden

o segundo orden, para este trabajo se desarrolló solo la interfaz gráfica para segundo orden y la

programación y diseño de la interfaz para la técnica ambisonica en primer orden.


4.5.2. Interfaz gráfica para técnica ambisónica en primer orden

Cuando el sistema de sonido esta calibrado se procede a la ejecución de la técnica ambisónica para

la cual el usuario deberá indicar el ángulo o la posición en la que ubicará la fuente virtual. Para que

esto sea posible se desarrolla una interfaz en la que el usuario pueda ingresar dicho valor de

coordenadas o ubicarla en la circunferencia. (ver Fig. 30)

Fig. 30. Interfaz de usuario para la técnica ambisónica de primer orden.

En la parte superior se diseña una barra de herramientas (Ver Fig. 31 a) que permite al usuario,

iniciar una nueva prueba ( ), cuando desee acercar o alejar la gráfica puede hacerlo mediante

los comandos de zoom ( ) y por medio del cursor verificar los valores de la ubicación

( ). Un botón de Inicio que al activarse despliega dos opciones (Ver Fig. 31 b) una de ellas es


“Automático” que reproducirá una señal de audio previamente determinada por el programa y se

reproducirá con el efecto de la fuente en movimiento y la otra es para “Salir” de la aplicación.

Fig. 31. Barra de herramientas -Técnica ambisónica de primer orden.

a. Ubicación de la fuente virtual

Para que el usuario pueda ubicar la fuente virtual en cualquier posición se implementa una gráfica

de una circunferencia y un botón, medio; por el cual se le permitirá al usuario ubicar la fuente, esto

es posible mediante el comando ginput (n)3, que habilitara un cursor en forma de cruz como se ve

en Fig. 32 el cual devuelve un valor de dos posiciones las cuales serían (x, y) en este caso las

coordenadas de la fuente virtual, que se muestran en los recuadros denominados como X y Y (Ver

Fig. 33).

Al presionar el botón “Clic” suceden dos acciones una de ellas es que automáticamente este

inhabilitara el recuadro del ingreso del ángulo de forma manual y la segunda; estando la fuente

ubicada inhabilita el mismo botón con el fin de permitir hacer clic nuevamente y ubicar otro punto.

3 Donde n es la cantidad de posiciones que se desea marcar.


Fig. 32. Ubicación fuente virtual mediante el cursor. (Línea punteada roja activa cursor y línea punteada amarilla

inhabilita ingreso manual del ángulo)

Fig. 33.Coordenadas fuente virtual.


Por otra parte la fuente virtual también puede ser ubicada ingresando el valor del ángulo si el ángulo

es ingresado de forma manual ejecutara dos acciones al igual que en el anterior caso primero

inhabilita automáticamente el botón “Clic” y seguido a ingresar el ángulo de forma manual

bloquea este recuadro con el fin de que no se pueda modificar el dato ingresado. (Ver Fig. 34).

Fig. 34. Ubicación de la fuente ingresando el ángulo.

Es necesario aclarar que cuando se ingresa el valor del ángulo que está en grados, este valor debe

ser convertido en radianes para poder realizar las ecuaciones correspondientes para la codificación

y decodificación de la técnica ambisónica. Para realizar la conversión del valor ingresado, en

primer lugar se obtiene el valor por medio de la función get (handles.ang,’string’); donde ang es

el recuadro en el que se ingresó el numero digitado por el usuario y string es el carácter.

b. Selección señal de audio para sintetizar

En la técnica ambisónica se requiere de una señal de audio monofónica, esto es posible utilizando

la herramienta popmenu; que permite desplegar un listado de las diferentes opciones de audios que

se quiere dejar a disposición del usuario (Ver Fig. 35). La señal de audio que se carga debe estar en

formato .wav, pues es el tipo de dato que acepta Matlab para señales de audio.


Fig. 35. Menú para seleccionar audio.

Cuando la señal de audio se selecciona, el programa internamente lee la señal de audio mediante

la función audioread y el valor de la señal es guardada dentro de una variable definida como

audioWav

Si se desea cambiar de señal de audio y realizar el cálculo en la misma posición se debe pausar la

señal que se está reproduciendo, seleccionar la nueva señal, volver a calcular y nuevamente

reproducir.

c. Cálculo de técnica de ambisónica y reproducción.

Ahora bien ya después de haber obtenido los parámetros necesarios para realizar el cálculo

correspondiente de la técnica ambisónica, se dispone un botón “Calcular” (Ver Fig. 36); el cual

realizará todo el proceso de decodificación y cálculo de las señales que van a ser reproducidas en

cada altavoz, el proceso fue descrito en el apartado 3.3.2


Fig. 36. Botón calcular.

Al calcular la técnica ambisónica, se obtiene el valor del ángulo en caso de que la fuente haya sido

ubicada por medio del cursor y para poder ser mostrado se utiliza el comando

set(handles.ang,’string’,angC);donde angC es el ángulo que va desde el eje x hacia la fuente virtual

quien aparecerá en el recuadro denominado ángulo(º) (Ver Fig. 34) y la variable audio quien

contiene las señales correspondientes de cada altavoz, que será reproducida presionando el botón

, y al mismo tiempo se mostrará la señal en las gráficas ubicadas al costado derecho (Ver Fig.

37)

Fig. 37. Gráfica señal audio por canales.


d. Botón regresar y salir

Para finalizar en la interfaz se encuentran dos botones (Ver Fig. 38) de “Regresar”; que no solo

abrirá el panel principal sino que cerrará la ventana actual y el botón “Salir” para el proceso que

se encuentre en ejecución y cierra la ventana.

Fig. 38. Botón “Regresar y Salir”

4.5.3. Interfaz gráfica para técnica ambisónica en segundo orden

Dicho lo anterior en el apartado 0, se desarrolla una interfaz gráfica para la técnica ambisónica en

segundo orden que básicamente tiene un funcionamiento similar a la interfaz de primer orden. (Ver

Fig. 39)


Fig. 39. Interfaz de usuario para la técnica ambisonica de segundo orden.

A diferencia de Fig. 30, la interfaz de segundo orden tiene dos gráficas para ubicar la fuente virtual.

La primera es mostrada en la parte izquierda y en la que se determinara el valor para x,y (frente-

atrás) sus valores serán representados en coordenadas plano horizontal y la segunda grafica del

costado derecho se determinara los valores para y z (arriba-abajo).

Los comandos de ubicación de fuente funcionan de la misma forma que la de primer orden solo

que en esta se deberá indicar un ángulo más, que es el de elevación con el que se manejaría las

ubicaciones de arriba o abajo, los demás procesos como lo son seleccionar el archivo de audio,

calcular técnica ambisonica y reproducir se ejecutaran de la misma forma.


CAPÍTULO 5: PRUEBAS Y RESULTADOS

En este capítulo se presenta la verificación de funcionamiento cuantitativo del sistema ambisónico

mediante una propuesta cuantitativa usando el sonómetro y una prueba cualitativa mediante la

realización de una encuesta.

5.1. Calibración del sistema de sonido.

Para la calibración del sistema se necesita de un sonómetro para efectuar la medición y los cuatro

altavoces deben tener aproximadamente el mismo nivel de presión sonora. Aspectos que se tienen

en cuenta al momento de realizar la medición:

▪ Descripción del espacio: Se acondiciona un espacio no mayor a 1,50 m, el cual está

conformado por cuatro absortores que están elaborados en un material absorbente como lo

es la lana de vidrio. (Ver Fig. 40)

Fig. 40. Acondicionamiento del espacio.


▪ Posición del sonómetro: Este se ubica a un metro de distancia del altavoz, a una altura de

1,17 m esta medida es tomada a partir de la tarima hasta la punta del micrófono, cuyo valor

varía de acuerdo al tipo de señal que se vaya a reproducir, con el propósito de que quede

ubicado perpendicular al altavoz.

▪ Filtro de ponderación: Para este caso se tendrá en cuenta el filtro de ponderación Z, el

cual no aplica ninguna corrección en el rango de frecuencias.

5.1.1. Sonómetro SC260

Es un instrumento de medición (Ver Fig. 41) acústica que permite realizar mediciones acústicas, se

caracteriza por tener una escala de medición sin necesidad de configurar, en el momento de iniciar

la medición esta tiene en cuenta todas las frecuencias de ponderación (A, C, Z).

Fig. 41. Sonómetro SC260

Tiene un micrófono de condensador referencia P-05 marca Cesva, adicionalmente cuenta con una

interfaz de comunicación (Capture Studio)4 que permite la interacción entre el sonómetro y un

ordenador con el fin de almacenar la información de las mediciones directamente en el PC.

4 Enlace para descargar software - https://www.cesva.com/es/productos/pc-software/studio-editor/


a. Ajustes del sonómetro

▪ Calibración del sonómetro: El objetivo de calibrar el sonómetro es verificar la

sensibilidad, esto es posible utilizando un calibrador donde se introduce el micrófono, donde este

emitirá un tono de 94dB a 1Khz y finalmente comprobar en la pantalla del sonómetro el nivel de

presión sonora que debe ser 94dB ± 0,3dB. (Ver Fig. 42)

Fig. 42. Calibración de sonómetro a 94dB

Retomando el apartado 5.1, para llevar acabo la calibración del sistema se realizó lo siguiente:

1. Se midió el ruido de fondo en condiciones normales (aire acondicionado apagado), durante

14s, se obtuvo un nivel de presión sonora de 44,9dB (Ver Fig. 43).

2. Para establecer el SPL de un altavoz este deberá estar 25dB por encima del ruido de fondo

en cualquier entorno; por tal motivo en esta ocasión se define que el sistema de sonido en

general tenga un nivel de presión sonora de 73.9dB.


3. Para realizar la calibración del sistema se reproduce un ruido blanco ya que este maneja

toda la banda frecuencias y su densidad espectral de potencia es plana. Ahora bien para

lograr un SPL de 73.9dB, se realizara una medición a cada uno de los canales (Ver Fig. 44)

donde se obtiene un valor aproximado de 67dB ±1. (Ver Tabla 3).

Fig. 43. SPL ruido de fondo de la sala.

Tabla 3. Nivel de presión sonora de calibración.

Ruido de fondo 44,9 dB

CH 1 -LF 67,1 dB

CH 2 -RF 67 dB

CH 3 -LB 68,6 dB

CH 4 -RB 67,7 dB

TODOS 73,9 dB


Fig. 44. SPL de calibración en canal 1, canal 2, canal 3 y canal 4.


Fig. 45. SPL general de calibración del sistema de sonido.

5.2. Mediciones con diferentes tonos

Debido a que el rango audible de una persona puede estar entre los 20Hz – 20Khz, y teniendo el

sistema calibrado, se proceden a realizar 3 tipos de pruebas para el comportamiento del sistema

para diferentes tonos en el rango de frecuencias. (Ver Tabla 4).

Tabla 4. Rango de frecuencias

Frecuencias bajas 20Hz – 250Hz

Frecuencias medias 250Hz – 2KHz

Frecuencias altas 2KHz – 16KHz

Las pruebas consisten en medir el nivel de presión sonora en cada uno de los altavoces; justo en el

mismo punto donde deberá ir la cabeza del oyente, en diferentes posiciones.

5.2.1. Prueba en tonos bajos

De acuerdo a la tabla 3, se escoge un tono grave de 100Hz y el sonido de un instrumento en donde

sus frecuencias sean bajas, en este caso se escoge un piano. Retomando del apartado 4.2 la altura

del sonómetro debe estar a 99cm perpendicular al altavoz, el cual en este caso está a una altura de

1.42m. (Ver Fig. 46)


Fig. 46. Ubicación del sonómetro para prueba de tonos bajos.

Las posiciones sombreadas en gris en la Tabla 5 y Tabla 6 hacen referencia de que en dicho canal es

donde hay un mayor nivel de presión sonora de acuerdo a su posición. En la posición de 90º de la

tabla 4 idealmente debe existir un balance SPL entre el canal LF - LB, al igual que en 270º a

diferencia que su balance seria entre los canales RF – LB, pero como se observa en la tabla; en la

posición de LB a 90º y RB a 270º, presentan una variación aproximadas ±2dB cuyos valores

pueden ser significativos para el oyente.


Tabla 5. Mediciones tono de 100Hz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z)

TONO 100Hz

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 79 79,6 78,9 72,9 0 65 0 72,7

RF 79,2 72,8 0 65,4 0 73,5 79,4 80,3

LB 0 74,6 80,5 81,5 80,2 74 0 66,6

RB 0 67,5 0 75,2 81,5 82,4 81,4 63,1

TODOS 84,7 84,7 85,7 85,7 86,8 86,2 86,6 84,1

Tabla 6. Mediciones sonido del piano (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z)

PIANO

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 50,3 51,8 50,5 45,8 0 44,6 0 46

RF 50,7 46 0 44,3 0 45,6 50 51,4

LB 0 42,9 42,8 43,7 49,6 45,8 0 41,9

RB 0 43 0 43,1 49,5 51,2 49,7 42,7

TODOS 56,9 54,3 50 46,2 55 53,2 51,1 54,3

5.2.2. Prueba en tonos medios

Para la prueba de frecuencias medias, se escoge un tono de 500Hz y un instrumento en el que se

pueda percibir aproximadamente el rango de frecuencias según la Tabla 4. Adicionalmente se tiene

en cuenta que para la zona de audiencia definida sobre una tarima, los altavoces; se ubican a una

altura de 1.60 m respecto al suelo y el sonómetro; 1.17m sobre la tarima. (Ver Fig. 47)


Fig. 47. Ubicación del sonómetro para prueba de tono medio.

En la Tabla 7 y Tabla 8, se evidencia los resultados de las mediciones obtenidas a través del

sonómetro en las diferentes posiciones

Tabla 7. Mediciones tono de 500Hz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z).

TONO 500Hz

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 71,3 75,8 75,5 70,6 0 60,8 0 68,2

RF 71,6 70,5 0 63 0 68,3 72,5 73

LB 0 66,7 71,1 71,7 73 68,1 0 60,7

RB 0 59 0 66 73,1 73,7 73,2 68,2

TODOS 77,3 80,5 77,9 77,4 78,7 78,2 78,8 77,7


Tabla 8. Mediciones sonido del saxofón (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z).

SAXOFÓN

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 71 72,3 70,9 65,1 0 57,5 0 64,9

RF 71,6 65,4 0 58,3 0 65,8 71,7 72,8

LB 0 64,2 70 71,6 70 64 0 56,7

RB 0 57,3 0 64,5 70,6 72,2 70,7 64,7

TODOS 77 75,4 73,4 74,8 76 75,1 74,3 75,7

5.2.3. Prueba en tonos altos

Así mismo como en los anteriores casos, la altura del sonómetro se ajusta a 1.27m y el altavoz está

ubicado a 1.70m respecto al suelo, se escoge un tono puro de 3KHz; este tono se caracteriza por

ser direccional por sus componentes frecuenciales y el cantar de unos pájaros. (Ver Fig. 48)

En esta prueba tres casos particulares se evidencian en la Tabla 9, el primero; en el canal RB a 180º

su SPL tienes una diferencia de 4dB, la cual puede ser significativa para el oyente generando

confusión en el momento de ubicar la fuente y el segundo; es en el SPL general de la posición 0º y

135º cuyo valor es menor respecto al SPL de cada uno de los canales, esto es debido que en el

momento de la reproducción de las cuatro señales existan cancelaciones.


Fig. 48. Ubicación del sonómetro para prueba de tono alto.

Sin embargo, el tono es percibido de forma direccional, en la Tabla 10 se encuentran los resultados

de la prueba con el sonido del cantar de los pájaros y se evidencia que a pesar de ser un sonido con

componentes frecuenciales quizás no tan altos como de 3KHz, sus niveles de presión sonora son

uniformes.

Tabla 9. Mediciones tono de 3KHz (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z).

TONO 3KHz

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 76,8 77,3 76,6 71 0 63,3 0 70,9

RF 76 70,4 0 62,9 0 70,4 76 76,7

LB 0 66,3 72 72,4 71,5 66,2 0 58,7

RB 0 63 0 70,9 76,2 77 76,8 71

TODOS 73,1 77,2 80,1 69,2 77,5 81,6 82,3 75,7


Tabla 10. Mediciones sonido pajaritos (Unidad de medida dB – filtro de ponderación Z).

PÁJAROS

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

LF 53,1 54,5 52,9 48,2 0 43,9 0 48,2

RF 53,3 48,4 0 43,6 0 48,3 53,9 54,4

LB 0 48,7 53,2 55,1 53,2 48,4 0 44

RB 0 44,3 0 48 53 54,7 53,1 47,7

TODOS 51,5 54,4 56,4 54,5 50,2 53,7 56 51,6

5.3. Encuesta

Con el objetivo de comprobar el funcionamiento de la implementación de la técnica se realiza un

test sobre la percepción de la fuente virtual en varias posiciones a diferentes personas. (Ver Fig. 49

- Fig. 50). El test consta de tres preguntas, la primera; se pregunta si tiene algún tipo de problema

en el oído, la segunda; que si cree posible reproducir un sonido por medio de una fuente virtual, y

tercera; es donde el usuario deberá indicar con un punto en la gráfica en qué lugar percibe el sonido.

Para el análisis de la información obtenida se debe tener en cuenta factores como; tener alguna

deficiencia auditiva y padecer de agudeza auditiva, que hace referencia a la dificultad de ubicar la

procedencia del sonido, entre otros. El test se realiza a 14 personas en un rango de 19-25 años de

edad, la mayoría estudiantes que aparentemente con audición normal y sus oídos no están expuestos

a altos niveles de presión sonora. El 28,5% de las personas acertaron como mínimo en 3 a 4

ubicaciones, el 50% acertaron en 5 posiciones y el 21,5% acertaron más de cinco, para un total de

67 fuentes virtuales ubicadas satisfactoriamente. (ver Tabla 11)


Tabla 11. Resultados de encuestas

Persona

Edad

Respuesta

Preg 1

Respuesta

Preg 2

Cantidad de

aciertos en test

1 36 NO SI 5

2 23 NO SI 5

3 21 NO SI 5

4 21 NO SI 6

5 23 NO SI 5

6 18 NO SI 6

7 40 NO SI 5

8 20 NO NO 4

9 25 NO SI 5

10 27 NO ESTÁ SEGURO SI 3

11 20 NO SI 3

12 22 NO NO 4

13 21 NO SI 6

14 20 NO SI 5


Fig. 49. Test (pag.1 de 3).


Fig. 50. Test (pag.2 de 3).


CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

6.1. Conclusiones

▪ En este trabajo de grado se realizó un sistema de sonido, para la generación de fuente virtual

y una interfaz gráfica que permite la interacción entre el usuario y el controlador. Además

se elaboró una propuesta de encuesta y una metodología experimental para la prueba

cualitativa y cuantitativa del sistema, respectivamente.

▪ Este trabajo de grado presenta un aporte en cuanto a la realización de una modificación de

las ecuaciones presentadas en [25], las cuales no correspondían con el análisis realizado

respecto al plano en el que se desea generar la fuente virtual.

▪ Se presenta una metodología, la cual no ha sido presentada en ningún trabajo previo, para

poder realizar pruebas de medición a este tipo de sistemas, que consiste en utilizar un

sonómetro con el fin de calibrar y evidenciar el funcionamiento correcto del sistema como

se explica en el apartado 5.1 y 5.2.

▪ Se puede evidenciar que la técnica ambisónica es útil para la generación de fuentes

virtuales, mediante la realización de dos tipos de pruebas una de ellas con instrumentos de

medición y la segunda una encuesta, la cual, aunque no tiene una muestra representativa se

obtiene un buen resultado.

▪ Como resultado de las encuestas realizadas se puede decir que el 40% de las pruebas, las

personas presentan dificultad en ubicar la fuente en puntos tales como 90º,180º,270º y 360º,

esto puede ser por las siguientes razones; primero que las personas están sugestionadas a

que un sonido solo puede ser reproducido por medio de un altavoz razón por la cual tienden

a indicar el sonido al altavoz más cercano o que se encuentra dentro de su línea visible,

segundo, que el sistema aun es poco preciso por lo que el orden ambisónico no es mayor.


6.2. Trabajos futuros

▪ Mejorar la interfaz en cuanto a que tenga ordenes ambisónicos mayores y adecuar las

ecuaciones necesarias para la codificación y decodificación del formato B.

▪ Modificar el sistema de sonido teniendo en cuenta el orden ambisónico, y que los altavoces

sean de fácil manipulación.

▪ Involucrar médicos especialistas para que puedan aportar sus conocimientos en el proyecto.

▪ Hacer pruebas con personas con discapacidad visual y auditiva para realizar

comparaciones.

▪ Hacer un estudio estadístico más profundo usando las encuestas y si es necesario mejorar

el tipo de encuesta.


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[22] «FISICALAB,» [En línea]. Available: https://www.fisicalab.com/apartado/principio-

huygens#contenidos. [Último acceso: 9 Agosto 2016].

[23] P. Rivera Cabal, «Oir Audiologia - Situación de discapacidad auditiva en Colombia,» 19

Marzo 2014. [En línea]. Available: http://oiraudiologia.blogspot.com.co/2014/03/situacion-

de-discapacidad-auditiva-en.html. [Último acceso: 03 Noviembre 2016].

[24] D. H. G. Piñero, «Numero 3: Percepción y sensación auditva,» de Cuadernos de Taller Museo

Dr. Horacio G. Piñero, Argentina.

[25] D. G. Malham y A. Myatt, «3-D Sound Spatialization using Ambisonic Techniques,» de

Computer Music Journal, Massachusetts, Massachusetts Institute of Technology, 1995, pp.

58-70.

[26] J. A. Pederson y T. Jorgensen, «Localization Performance of Real and Virtual Sound

Sources,» de Localization Performance of Real and Virtual Sound Sources, 2005.

[27] S. Carlile, Ed., Virtual Auditory Space:Generation and Applications., Sydney: Springer-

Verlag Heidelberg, 1996, pp. 22-77.

[28] Z. Zhang y J. D. Johnston, «Virtual Sound Source Positioning.». Patente US

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[29] D. Malham y R. Orton, Progress in the application of 3-Dimensional Ambisonic Sound

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[30] M. Ledo Hernansanz, «Tecnología de registro y reproducción sonora para entornos de

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[31] O. Communcations, «Core Sound,» 1990. [En línea]. Available: http://www.core-

sound.com/TetraMic/1.php. [Último acceso: 17 Septiembre 2017].

[32] D. Moore y J. Wakefield, «The Design of Ambisonic Decoders for the ITU 5.1 Layout with

Even Performance Characteristics,» AES 124th Convention, 17-20 Mayo 2008.

[33] «MOTU,» Copyright, 2008. [En línea]. Available:

http://motu.com/products/motuaudio/ultralite-mk3/i-o.html. [Último acceso: 1 Octubre

2017].

[34] Yamaha, «Powered Speakers DSR series».

[35] C. M. Betancourt, «Introducción a la Electroacustica,» p. 138.


ANEXOS

Anexo. 1: Código para calcular la técnica ambisonica

global coordenadas_fuente bandera_uf audioWav bandera_cargar global audio LF RF LB RB angCing_rad bandera_ang bandera_act1 c ta

bandera_act1=(bandera_uf & bandera_cargar);

if bandera_act1==1 if bandera_uf==1

%%%%%%%%%%%%%%%%%% CALCULO ANGULOS PARA CODIFICACIÓN %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %angA es el angulo de x hacia fuente real (radianes) %angD es el angulo de fuente real hacia fuente virtual(radianes) %angC_rad es el angulo de x hacia la fuente virtual (radianes) %angC es el angulo de x hacia la fuente virtual (grados)

%%%% CASO 1: 0<=x<=1 ; 0<=y<=1

if (((0<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<= 1)) &&

((0<= coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<= 1))) a=coordenadas_fuente(2)/coordenadas_fuente(1); angC_rad=atan(a); angC=floor(angC_rad*(180/pi)); set(handles.ang,'string',angC); %Mostrar angulo en grados angA=45*(pi/180); angD=angC_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=X.*sin(angD)+Y.*cos(angD); fb1='caso_1'

%%%% CASO 2: -1<=x<=0 ; 0<=y<=1 elseif (((-1<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<=

0)) && ((0<= coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<= 1))) a=coordenadas_fuente(2)/coordenadas_fuente(1); angC_rad=atan(a); angC=angC_rad*(180/pi);


angC=floor(angC+180); set(handles.ang,'string',angC); %Mostrar angulo en grados angA=135*(pi/180); angD=angC_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=-Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb2='caso_2'

%%%% CASO 3: -1<=x<=0 ; -1<=y<=0

elseif (((-1<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<

0)) && ((-1<= coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<=

0))) a=coordenadas_fuente(2)/coordenadas_fuente(1); angC_rad=atan(a); angC=angC_rad*(180/pi); angC=floor(angC+180); set(handles.ang,'string',angC); angA=225*(pi/180); angD=angC_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=X.*sin(angD)+Y.*cos(angD); fb3='caso_3'

%%%% CASO 4: 0<=x<=1 ; -1<=y<=0

elseif (((0<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<=

1)) && ((-1<= coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)< 0))) a=coordenadas_fuente(2)/coordenadas_fuente(1); angC_rad=atan(a); angC=angC_rad*(180/pi); angC=floor(angC+360); set(handles.ang,'string',angC); angA=315*(pi/180); angD=angC_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=-Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb4='caso_4' end


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% DECODIFICACIÓN %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

LF=(W+((0.707).*(Xp+Yp))); RF=(W+((0.707).*(Xp-Yp))); LB=(W+((0.707).*(-Xp+Yp))); RB=(W+((0.707).*(-Xp-Yp))); % a=audioWav d='decodificado' audio=[LF,RF,LB,RB]; set(handles.ambisonic,'value',0);

end %%% Cuando el ángulo es ingresado por medio del teclado elseif ((bandera_act1==0)&(bandera_ang==0))

%%%% CASO 1: 0<=x<=1 ; 0<=y<=1 if (((0<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<= 1)) && ((0<=

coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<= 1))) angA=45*(pi/180) angCing_rad angD=angCing_rad-angA %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb1='caso_1ing'

%%%% CASO 2: -1<=x<=0 ; 0<=y<=1 elseif (((-1<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<= 0)) && ((0<=

coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<= 1))) angA=135*(pi/180); angD=angCing_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb2='caso_2ing'

%%%% CASO 3: -1<=x<=0 ; -1<=y<=0 elseif (((-1<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)< 0)) && ((-1<=

coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)<= 0))) angA=225*(pi/180); angD=angCing_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA);


Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb3='caso_3ing'

%%%% CASO 4: 0<=x<=1 ; -1<=y<=0 elseif (((0<= coordenadas_fuente(1))&& (coordenadas_fuente(1)<= 1)) && ((-1<=

coordenadas_fuente(2))&&(coordenadas_fuente(2)< 0))) angA=315*(pi/180); angD=angCing_rad-angA; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Multiplica señal mono por angulo de fuente real %%%%%%%% X=audioWav.*cos(angA); Y=audioWav.*sin(angA); Z=audioWav.*sin(0); W=audioWav.*0.707; %%%%%%%%%%%%%%%%%% Operación señal con angulo de fuente real %%%%%%%%%%%%%% Xp=X.*cos(angD)-Y.*sin(angD); Yp=Y.*cos(angD)+X.*sin(angD); fb4='caso_4ing' end LF=(W+((0.707).*(Xp+Yp))); RF=(W+((0.707).*(Xp-Yp))); LB=(W+((0.707).*(-Xp+Yp))); RB=(W+((0.707).*(-Xp-Yp))); d='decodificadoing' audio=[LF,RF,LB,RB]; set(handles.ambisonic,'value',0); else warndlg('Cargue una señal y Ubique la fuente','Error al Reproducir') return end

Anexo. 2: Código para la reproducción

global fs audio channel_12 channel_34 LF RF LB RB ta global bandera_lf bandera_rf bandera_lb bandera_rb c

if isempty(audio)==1 warndlg('Cargue una señal','Error al Reproducir') return end

%%%%%%% Inicializa las variables channel_12 y channel_34 indicando la %%%%%%% direccion de salida channel_12=audioplayer(audio(:,1:2),fs,24,-1); %1-LF y 2-RF channel_34=audioplayer(audio(:,3:4),fs,24,-1); %3-LB y 4-RB

%%%%% Grafica cada una de las señales %%%%% x=(0:ta-1)/fs; axes(handles.axes6); plot(x,LF,'b') grid minor ylim([-1 1]);


title('Canal 1: Señal LF') xlabel('Tiempo(s)') ylabel('Amplitud')

axes(handles.axes8) plot(x,RF,'Y') grid minor ylim([-1 1]); title('Canal 2: Señal RF') xlabel('Tiempo(s)') ylabel('Amplitud')

axes(handles.axes7); plot(x,LB,'R') grid minor ylim([-1 1]); title('Canal 3: Señal LB') xlabel('Tiempo(s)') ylabel('Amplitud')

axes(handles.axes9); plot(x,RB,'G') grid minor ylim([-1 1]); title('Canal 4: Señal RB') xlabel('Tiempo(s)') ylabel('Amplitud')

estado=get(handles.play,'value');

%%%%%% Reproduce la señal %%%%%%%% if estado==1 parar=imread('imagenes\stopp.jpg'); set(handles.play,'CData',parar); resume(channel_12); resume(channel_34); end if estado==0 player=imread('imagenes\play.jpg'); set(handles.play,'CData',player); stop(channel_12); stop(channel_34);

end


Anexo. 3: Código para la ubicar la fuente

global coordenadas_fuente bandera_uf

bandera_uf=1 set(handles.ang,'enable','off');

if (get(handles.UF,'value'))==1 m=(get(handles.UF,'Value')) [x,y]=ginput(1) coordenadas_fuente= [x,y]; rade=(coordenadas_fuente).^2; radio_1=sqrt(rade(1)+rade(2)); if ((x>1)&(y>1))&(radio_1>1) warndlg('Ubicación fuera del perimetro','Error al Ubicar Fuente') return elseif radio_1>1 warndlg('Ubicación fuera del perimetro','Error al Ubicar Fuente') return else grid minor plot([x,0],[y,0]); hold on plot(x,y,'o'); grid minor set(handles.coor_x,'string',x); set(handles.coor_y,'string',y); set(handles.UF,'enable','off'); end end

María José Torres López

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