INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CABEZA BINAURAL

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CABEZA BINAURAL TESIS PROFESIONAL: QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA PRESENTA: ARMENTA FLORES LORENA ASESORES: ING. JOSE JAVIER MUEDANO MENESES ING. JORGE BECERRA GARCIA MEXICO, D. F. 2011

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3 Diseño y Construcción de una cabeza binaural ARMENTA FLORES LORENA INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Academia de Acústica III

4 Diseño y Construcción de una Cabeza Binaural ARMENTA FLORES LORENA, 2011 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Academia de Acústica IV

5 Agradecimientos: A Dios: Por haberme guiado en el camino de la vida y por poner todos los elementos necesarios para que pudiera seguir adelante y terminar una carrera. A Mi Madre: Por enseñarme el valor de la vida y ser el ejemplo a seguir, por todo lo que me ha dado; los valores, los consejos y el apoyo incondicional a pesar de todo. A Mi Padre: Por ponerme el ejemplo que aunque las cosas sean muy difíciles con esfuerzo y dedicación se pueden lograr grandes metas y por enseñarme el valor del estudio. A Mi Hermano: Por estar a mi lado, hacerme reír y ser la motivación para darle un buen ejemplo y que pueda ser un hombre de bien. V

6 Resumen La acústica es extremadamente amplia, engloba disciplinas tan diversas como la psicoacústica, la acústica musical, la acústica arquitectónica, la acústica ambiental, entre otras. El campo de la acústica es uno de los campos de estudio más antiguos y con distintas ramas de aplicación, en las cuales es inevitable prescindir de grabaciones en las señales acústicas. Dentro de las aplicaciones más avanzadas de la acústica, se encuentran las grabaciones de sonido para obtener un máximo de realismo a la hora de reproducirlas mediante auriculares o altavoces. Estos beneficios nos los ofrece la tecnología binaural. La tecnología binaural se basa en el uso de un maniquí que permite crear el mismo campo acústico interferente, que el cuerpo humano. Logrando así un mejor entendimiento en los ambientes acústicos, permitiendo identificar la dirección del sonido, para así poder proporcionar una mejor calidad del sonido. Por tal motivo y pensando en las necesidades que tienen los alumnos de la especialidad de acústica en la ESIME ZACATENCO para lograr un mejor aprendizaje, se tuvo como propósito realizar un proyecto de tesis que consiste en el desarrollo de un dispositivo diseñado y construido como un prototipo de cabeza binaural. Para poder utilizarlo como material de apoyo para algunas de las asignaturas que se imparten en la academia. El trabajo consiste en la construcción y desarrollo del prototipo de una cabeza binaural al que llamaremos: PCB-01, el cual nos permite tener una idea más amplia de cómo sería el comportamiento de ciertas pruebas hacia el humano. Con el fin de realizar un trabajo de calidad y realismo, se tomaron en cuenta ciertas medidas antropométricas de la cabeza y pabellón auditivo, de un humano promedio para tener como base en todas nuestras aplicaciones una mayor efectividad, ya que se realizan pruebas con medidas reales y sin exponer al ser humano a niveles de presión sonora altos que puedan afectarlo. Finalmente el PCB-01 arrojo interesantes conclusiones y resultados que serían de utilidad como una herramienta de estudio para nuevas generaciones. VI

7 Justificación: Tomando como antecedente que los precursores de las cabezas binaurales tienen en común elevados precios y no se fabrican en México, la propuesta de este prototipo tiene como particularidad medidas antropométricas de un mexicano promedio, ya que no existen cabezas de prueba con estas medidas (cabeza y pabellón auditivo). El propósito de realizar una cabeza artificial dummy head (PCB-01) es con el fin de hacer pruebas y medidas binaurales, para alguna aplicación práctica en la Academia de Acústica en ESIME ZACATENCO. El diseño del PCB-01 pretende tener una respuesta óptima, con el fin de que el prototipo sea un proyecto factible que pueda desarrollarse para uso de los estudiantes de la academia de acústica en ESIME ZACATENCO. En la especialidad de acústica, principalmente en las unidades de aprendizaje de grabación y psicoacústica, se hace necesaria la ejecución de prácticas. Por tal motivo la realización de este trabajo permitirá, experimentar de forma significativa lo aprendido en el desarrollo temático de la especialidad de Acústica. VII

8 Objetivo General: Diseñar y Construir una cabeza binaural, con medidas antropométricas de un mexicano promedio para la Academia de ESIME ZACATENCO como apoyo y utilización en prácticas de laboratorio. Objetivos Específicos: Diseño de una cabeza binaural con medidas antropométricas de un mexicano promedio. Construir un prototipo en bajo costo. Utilizar el prototipo como apoyo a los estudiantes de la academia de una forma significativa y vivencial. VIII

9 Introducción: El presente trabajo de investigación consiste en el desarrollo de un dispositivo, diseñado y construido como un prototipo de cabeza binaural al que se le nombro PCB-01, el cual hace posible tener una idea más amplia de cómo sería el comportamiento de pruebas como: grabaciones binaurales, grabación de diferentes instrumentos, pruebas de psicoacústica, entre otras. Este prototipo permite apreciar la percepción del sonido, y de esta manera evitar arriesgar al ser humano en pruebas que lo exponen a altos decibeles. El trabajo se divide en dos partes: el diseño y la construcción del PCB-01 que a su vez se dividen en cuatro capítulos. En el primer capítulo denominado conceptos teóricos; tenemos todas las generalidades que engloban este trabajo así como los conceptos base para entenderlo. El segundo capítulo presenta las condiciones auditivas de la investigación binaural en el laboratorio de acústica; donde se presenta el problema y las aplicaciones. El tercer capítulo es el estudio técnico del prototipo, donde se presentan todos los detalles de la construcción de este trabajo. En el cuarto capítulo tenemos el estudio económico que presenta los detalles de costos y mano de obra del PCB-01. IX

10 Antecedentes Se presenta un cuadro explicativo sobre los antecedentes de las últimas décadas con los hechos más importantes respecto a los trabajos hechos de cabezas binaurales. Época - Autor Gottingen Group (Schoeder, Gottlob y Ando) 70 s Hugo Zucarelli 80 s Starkey 90 s Bill Gardner y Keith Martin 90 s Aportaciones Fueron los pioneros de las técnicas binaurales, cuando el filtrado digital era sumamente lento. Posteriormente se desarrollaron múltiples proyectos, en distintas plataformas y con diferentes aplicaciones y capacidades (procesamiento en tiempo real, modelando espacios acústicos, etc.). Hugo Zuccarelli en 1980, descubre cómo se realizan las holografías y se le ocurre que se podría aplicar el mismo principio a las grabaciones de sonido. La tecnólogaía de Starkey data de 1999, y está basada en un DSP que se calibra en base a medidas reales con micrófonos en el interior del canal auditivo del paciente. No es realmente una grabación del sonido binaural, ya que se procesa y emite en tiempo real Los trabajos realizados por Bill Gardner y Keith Martin de los laboratorios MIT, son de vital importancia y su cabeza artificial KEMAR, es tomada como base para trabajos posteriores. X

11 Índice 1. Capitulo I Conceptos Téoricos Percepción del sonido Audición Binaural Localización Binaural Laterarización Mecanismos de Audición Espacial Diferencia Interaural de Tiempo DIT Diferencia de Intensidad Interaural DII Diferencia de Nivel Interaural DLI Función de Transferencia HRTF Efecto Doppler Efecto Hass o precedente Sistema de coordenadas Grabaciones Binaurales Capitulo II Condiciones Auditivas de la Investigación Binaural en el laboratorio de Acústica Presentación del problema Propuesta de solución Estado del arte Aplicaciones Capitulo III Estudio Técnico Desarrollo del Prototipo Estudio antropometrico de cabeza y pabellon auditivodesarrollo Realizacion de Positivo para el PCB Armado de la PCB Circuito Pruebas...53 XI

12 4. Capitulo IV Evaluacion del Prototipo Ventajas y Desventajas Discusion de Resultados Costos de Produccion Materiales Mano de Obra Conclusiones sobre el estudio Economico...60 Conclusiones Generales del Proyecto...61 Bibliografia y referencias...62 Glosario...63 XII

13 1. Conceptos Teóricos 1.1. Percepción del Sonido El sonido es captado a través de determinados receptores sensoriales, en este caso el oído. La onda sonora hace un recorrido por las diferentes partes del oído: el oído externo, formado básicamente por el pabellón auditivo, el cual recoge y dirige la onda hacia el oído medio o conjunto de elementos (tímpano, cadena de huesecillos, canales vestìbulares, etc.) que convierten la onda sonora en movimiento mecánico (vibración) que se transmite hasta la cóclea y el nervio auditivo, que configuran el oído interno. Figura 1: Diagrama del Oído El movimiento de vibración se convierte en un impulso eléctrico y de esta manera llega hasta el cerebro. El sistema para la escucha se compone de un órgano de toma de datos (oído externo y medio), un órgano de conversión analógica digital (oído interno) y un sistema de memorias u ordenador central (Cerebro). Así, las ondas acústicas del entorno inciden sobre el pabellón auditivo penetrando por el canal y poniendo a vibrar el tímpano. 13

14 Posteriormente se convierten esos impulsos mecánicos en excitaciones nerviosas que llegan al cerebro. El oído externo presenta una baja impedancia (poca sensibilidad), el oído interno posee una alta impedancia (gran sensibilidad) y el oído medio se comporta como un igualador de impedancias acústicas. La estructura visible del oído es decir el pabellón de la oreja, juega un papel sumamente importante en la determinación de la dirección de los sonidos. Esto solo sucede a frecuencias arriba de los 5KHz. El canal auditivo que conecta el oído externo con el oído medio, presenta una pequeña resonancia en aproximadamente 4KHz y 13 KHz, lo que hace que el oído sea más sensible a esas frecuencias. El sonido que incide en el oído hace vibrar al tímpano, que es la membrana que sella y separa el oído medio con el interno. Estas vibraciones se transmiten al oído interno mediante tres pequeños huesos; martillo, yunque y estribo, los cuales propagan el sonido a través de los fluidos del oído interno. La trompa de Eustaquio sirve para que nuestra propia voz no se oiga excesivamente fuerte. Este tubo se puede abrir o cerrar involuntariamente cuando tragamos o bostezamos haciéndonos más sensibles a nuestra voz. Una vez que el sonido atraviesa el oído interno, es detectado e interpretado por el cerebro a través de sensores ubicados en el caracol. Esa información ya interpretada, nos proporciona datos físicos como intensidad, frecuencia y ubicación espacial en tres dimensiones. La audición como tal consta de un cierto número de procesos distintos cuyas complicaciones, no permiten encontrar una relación simple y única entre las magnitudes físicas de la onda sonora y su percepción por medio del mecanismo auditivo. Por tanto, para que una onda acústica se transforme en sensación de sonido es necesario que esa variación de presión esté entre una determinada banda y que la amplitud de esas fluctuaciones sea superior a un determinado valor para cada frecuencia. 14

15 En la figura 2 se puede observar el sistema auditivo de una forma mecánica Figura 2: Sistema Auditivo El proceso de escucha en el ser humano depende de varios factores en los que cabe mencionar que un aumento de 10 db provoca el doble de la percepción del sonido, en donde este aumento en db puede provocar daños al oído ya que el menor cambio de tono que puede ser captado por el oído, varía en función del tono y del volumen. Los oídos humanos más sensibles son capaces de detectar cambios en la frecuencia de vibración (tono) que correspondan al 0.03% de la frecuencia original, en el rango comprendido entre 500 y 8000 vibraciones por segundo. El oído es menos sensible a los cambios de frecuencia si se trata de sonidos de frecuencia o de intensidad baja. La sensibilidad del oído a la intensidad del sonido (volumen) también varía con la frecuencia, la sensibilidad a los cambios de volumen es mayor entre los 1000 y los 3000 ciclos, de manera que se pueden detectar cambios de un decibel. Esta sensibilidad es menor cuando se reducen los niveles de intensidad de sonido. Los canales semicirculares y el vestíbulo están relacionados con el sentido del equilibrio. En estos canales hay pelillos similares a los del órgano de Corti, y detectan los cambios de posición de la cabeza. 15

16 Los tres canales semicirculares se extienden desde el vestíbulo formando ángulos más o menos rectos entre sí, lo cual permite que los órganos sensoriales registren los movimientos que la cabeza realiza en cada uno de los tres planos del espacio: arriba y abajo, hacia adelante y hacia atrás, y hacia la izquierda o hacia la derecha. Sobre las células pilosas del vestíbulo se encuentran unos cristales de carbonato de calcio, conocidos en lenguaje técnico como otolitos y en lenguaje coloquial como arenilla del oído. Cuando la cabeza está inclinada, los otolitos cambian de posición y los pelos que se encuentran debajo responden al cambio de presión. Los ojos y ciertas células sensoriales de la piel y de tejidos internos, también ayudan a mantener el equilibrio; pero cuando el laberinto del oído está dañado, o destruido se producen problemas de equilibrio Audición Binaural El ser humano cuenta con dos oídos por lo cual se le conoce como sistema auditivo binaural, ya que con un oído se puede obtener solo la información de frecuencia e intensidad de eventos acústicos, a diferencia del sistema auditivo binaural (dos oídos) es como se localiza la fuente sonora. La información que el cerebro recibe de los dos oídos es diferente (salvo cuando están equidistantes de la fuente), porque ambos oídos están físicamente separados entre sí por la cabeza. El sonido alcanza primero al oído derecho y después de un tiempo al oído izquierdo. La diferencia de tiempo interaural es teóricamente la misma para todas las frecuencias para una localización particular del estímulo. La diferencia de tiempo entre el oído derecho y el oído izquierdo es de 0.6 ms como se puede observar en la figura 3, llegando la señal primero al oído derecho y posteriormente con un retraso al oído izquierdo. 16

17 Figura 3: Diferencia de Tiempo entre oídos La localización de los sonidos en el espacio se consigue gracias al procesamiento por separado de la información de cada oído y de la posterior comparación de fase y nivel entre ambas señales. Ésta diferencia en la posición de los dos oídos es la que permite al cerebro la localización de la fuente sonora, ya que si la señal llegara al mismo tiempo en ambos canales auditivos no se podría identificar fácilmente la ubicación de la fuente sonora. El sistema auditivo puede conseguir una mejora efectiva de 6 db en la relación señal a ruido si la señal y el ruido están bien separados en el espacio. La información sobre la intensidad de las señales que llegan a los oídos y sus retrasos relativos se utiliza para localizar la fuente de sonido en el plano horizontal. Los cambios pequeños en el contenido en alta frecuencia de un sonido sirven para detectar la fuente en el plano vertical. Ventajas sobre la audición binaural: Mejor entendimiento en los ambientes ruidosos. Permite identificar la dirección del sonido. Proporciona una mejor calidad del sonido Proporciona un tono de calidad más suave. Proporciona un mayor alcance auditivo. Permite poder identificar el mejor tipo de sonido. Ayuda a mantener a sus dos oídos activos. Produce menor cansancio y proporciona una experiencia más placentera Brinda una sensación de balance auditivo. 17

18 El sonido binaural u holofónico se fundamenta en grabar un sonido emulando las condiciones en que escucha el oído humano. Para ello se vale de una Dummy Head que tiene los canales auditivos construidos a semejanza de los del ser humano y donde se alojan los correspondientes micrófonos que llevan a cabo la grabación. Así, se intenta recrear el comportamiento de las ondas sonoras dentro de los oídos y las mismas diferencias en tiempo de llegada y nivel (fase y amplitud) entre oídos que ocurren de forma natural. La holofonia comprende dos parámetros físicos importantes que definen prácticamente todos los fenómenos acústicos que intervienen en él; el tiempo de llegada al oído de un sonido y su intensidad como también la dirección de llegada del sonido y los eventos acústicos producidos por la interferencia de la cabeza en el transcurso de la onda. Dentro de la finalidad de la audición binaural se puede considerar: Mayor inteligibilidad del lenguaje en silencio. Mayor audición en cada lado estimulado. Mayor comprensión en ambientes ruidosos. Localización del sonido Localización binaural La localización define la capacidad del individuo de determinar la ubicación de una fuente sonora en el espacio. Lord Rayleigh fue el primero en determinar parte del proceso de localización de sonidos. El observo que si la fuente de sonido esta a la derecha del espectador, entonces el oído izquierdo se encuentra en el área de sombra provocada por la cabeza como se muestra en la figura 4. Por lo tanto la señal en el oído derecho debería ser más intensa que en el oído izquierdo, que está directamente relacionado con la diferencia de tiempo entre los dos oídos. 18

19 Figura 4: Sombra Acústica La audición binaural es imprescindible para localizar instantáneamente de dónde provienen los sonidos. El cerebro, de forma instintiva, localiza el origen de un sonido midiendo las minúsculas diferencias de duración e intensidad entre los dos oídos. Con un solo oído no es posible localizar fuentes sonoras. El sistema auditivo usa una serie de pistas para determinar la ubicación de las fuentes sonoras en el espacio, estas derivan del hecho de que se tienen dos oídos que poseen pabellones auditivos y que, además, están separados una distancia significativa por un medio acústicamente opaco. Es por ello que la localización de fuentes sonoras sólo es posible a partir de la audición binaural. Para el estudio de la localización es necesario el uso de tres planos característicos (plano frontal, medio y horizontal), que se muestran en la figura 5. Figura 5: Planos característicos 19

20 La localización se realiza a partir de la determinación de una dirección y una distancia. Para establecer una dirección es necesario determinar un ángulo lateral y un ángulo de elevación. La principal forma de localizar una fuente de sonido es de acuerdo a su posición angular, la cual involucra la diferencia relativa de la forma de onda entre los dos oídos en el plano horizontal. Desde el punto de vista evolutivo, la posición horizontal de los oídos maximiza las diferencias de los eventos auditivos que ocurren a través del oyente, ya sea hacia arriba o hacia abajo, esto permite la audición de fuentes auditivas fuera del campo visual. La frecuencia depende de la diferencia de tiempo interaural ITD y de la diferencia de intensidad interaural IID, estas ayudan a determinar la sensibilidad relativa de los mecanismos fisiológicos de las señales. Para describir estas señales bajo experimentos psicoacústicos, se recurre al paradigma de lateralización Lateralización El término lateralización se usa para describir la forma y la localización de la fuente, donde: la percepción espacial se escucha dentro de la cabeza sobre todo a lo largo del eje interaural entre los oídos. Los medios de producir la percepción implican la manipulación de las diferencias de tiempo o de intensidad interaural sobre los audífonos. La posición donde se ubica la imagen sonora a lo largo de una línea imaginaria trazada entre los oídos, se denomina lateralización de la imagen. Por el contrario, cuando el estímulo se presenta a través de 20

21 altavoces, el sujeto percibe que el sonido proviene desde algún lugar situado en el espacio externo fuera de la cabeza, esto es, externalización de la imagen sonora. La posición subjetiva o aparente se denomina localización. Un ejemplo es cuando se tienen sonidos idénticos (monoaurales) y son emitidos por audífonos estéreos, la imagen espacializada aparece en una posición virtual en el centro de la cabeza. Aunque la lateralización puede ocurrir con parlantes en ambientes anecoicos, los experimentos de lateralización utilizan casi siempre los audífonos. Un sonido presentado idénticamente a ambos oídos a través de auriculares, llamado estímulo diótico [i], se lateraliza en el centro de la cabeza. Se puede lograr que la imagen se mueva al oído derecho, por ejemplo, introduciendo un retardo de tiempo a la entrada del oído izquierdo o bien haciendo más intensa la señal del oído derecho. La posición horizontal de los oídos maximiza las diferencias de los eventos auditivos que ocurren a través del oyente, ya sea hacia arriba o hacia abajo, esto permite la audición de fuentes auditivas fuera del campo visual. En experimentos psicoacústicos la lateralización juega un papel muy importante ya que está directamente relacionada con el manejo de los mecanismos de audición espacial (DIT, DII) determinando las respuestas sensoriales de estos y su comportamiento fisiológico. Con el paradigma de lateralización, es posible hacer hipótesis limitadas pero demostrables sobre la fisiología del sistema auditivo y de la localización por parámetros simples controlados por algún medio. 21

22 l i Estimulo Diotico: El oyente recibe información, grabada mediante un único micrófono, a través de dos auriculares, uno para cada oído. Nombre dado para distinguirlo del sistema de grabación monoaural, es un sistema de reproducción utilizado sobre todo para ensayos clínicos de audición y obtención de respuestas audio métricas Mecanismos de audición espacial Una persona que tiene condiciones auditivas normales refleja una inmediata apreciación del espacio auditivo en tanto se orienta la mayoría de veces, de manera natural, rápida y exacta hacia el evento acústico. Aunque la precisión espacial es más pobre en el dominio auditivo. El oído humano utiliza una serie de parámetros y se ubica en ciertos planos (Ver figura 6) para localizar a la fuente del sonido, estos dependen de cada individuo, por la forma de la cabeza, pabellones auditivos, y demás miembros. El sistema auditivo es un sofisticado procesador espacial que le permite al organismo detectar y monitorear las posiciones de objetos auditivos en los planos horizontal y vertical y en distancia, facilitándole la identificación de los mismos. Figura 6: Representación esquemática de los planos característicos 22

23 Las características por las que se localiza el sonido, se refieren a la diferencia de tiempos interaurales (Interaural time difference ó ITD), el movimiento de la cabeza y movimiento de la fuente, la respuesta del pabellón auditivo, localización con características HRTF, característica de la distancia (Intensidad, volumen, características espectrales y binaurales para la distancia, reverberación.) DIT Diferencia Interaural de Tiempo La diferencia interaural de tiempo o ITD se define como la diferencia entre el tiempo de llegada de una señal a cada oído. Sin embargo, sufre variaciones de acuerdo a la frecuencia debido a interferencias (difracción de la misma cabeza) y su percepción se ve afectada asimismo en bajas frecuencias, cuando la longitud de onda es lo suficientemente larga como para que la diferencia de fase entre la señal percibida por ambos oídos sea despreciable. Así, la diferencia de tiempo interaural (ITD - Interaural Time Difference) es un parámetro que nos permite explicar nuestra capacidad de localización de fuentes de baja frecuencia. Las DIT pueden calcularse a partir de las diferencias en las distancias que deben recorrer las ondas. Figura 4: Representación esquemática de los ángulos en la cabeza 23

24 Las DIT van de 0 s para fuentes sonoras con un ángulo de 0 (exactamente delante del sujeto), hasta cerca de 0.69 ms para fuentes sonoras con un ángulo de 90 Figura 5: Grafica ITD con respecto al azimut Para sonidos senoidales las diferencias de tiempo son equivalentes a diferencias de fase entre las ondas que arriban a cada uno de los dos oídos. Para sonidos senoidales de bajas frecuencias las diferencias de fase pueden brindar pistas efectivas para la localización lateral de las fuentes sonoras. Para sonidos senoidales con longitudes de onda comparables o menores al diámetro promedio de la cabeza (entre 19 y 23 cm según diferentes autores, promediaremos entonces en 21 cm), las diferencias de fase suministran pistas ambiguas. Estas frecuencias rondan los 1.6 khz. Las diferencias de fase pueden ser tales que haya ciclos enteros de diferencia entre uno y otro oído, y nuestro sistema auditivo no tiene forma de determinar cuál ciclo corresponde a cuál en uno y otro oído. 24

25 La ambigüedad comienza a ocurrir a partir de frecuencias cuya mitad de longitud de onda sea la dimensión del diámetro de la cabeza (21 cm), es decir para ondas de aproximadamente unos 800 Hz (longitud de onda = 43 cm). Un sonido senoidal con una frecuencia exacta de (800 Hz) o múltiplos de ella produce una sensación ambigua, dado que las ondas en ambos oídos tienen una diferencia de fase de 180, por lo que el sistema auditivo no puede establecer si uno está adelantado o atrasado medio ciclo con respecto al otro. No obstante las DIT se vuelven totalmente ambiguas para sonidos senoidales con frecuencias superiores a los 1.5 khz. ITD en función del azimut para diferentes elevaciones de la fuente, se tiene que la diferencia de tiempos de llegada es máxima para 90 y mínima para 270, al igual que para el IID, los valores máximo y mínimo son menos pronunciados conforme aumenta la elevación de la fuente DII Diferencia de Intensidad Interaural IID (Interaural Intensity Difference) es la diferencia de intensidad o amplitud que hay entre la señal que llega a un oído y al otro. Como en la ITD también se ve afectada por la cabeza y los pabellones auriculares (oídos), que actúan como filtro reforzando algunas frecuencias y atenuando otras. En los mecanismos de la audición binaural subyacen los procesos de localización del oído humano. Se han propuesto diferentes parámetros para cuantificar diferentes aspectos de la audición binaural. Uno de estos parámetros es la IID. Ésta es la diferencia entre las intensidades que llegan a los oídos izquierdo y derecho. Un evento sonoro situado a la izquierda del oyente provocará una sensación sonora más intensa en su oído izquierdo que en el derecho. IID = I izq. I der. 25

26 El valor del IID normalizado a partir de las respuestas binaurales medidas en función del azimut para las diferentes elevaciones. El valor máximo del IID corresponde a 270 ya que en este caso la fuente está situada a la izquierda del maniquí acústico. Sucede al contrario a 90 ; la fuente está a la derecha del maniquí el valor del IID es negativo y mínimo. No obstante, conforme aumenta la elevación de la fuente respecto del maniquí, la diferencia de nivel es menor. El IID depende mucho de la frecuencia. En la percepción de señales de alta frecuencia, se nota el efecto de sombra de la cabeza y las diferencias de intensidad son mayores. Sin embargo, para la localización de fuentes que emiten bajas frecuencias (f =500Hz) los efectos de la difracción son notables y, por tanto, el nivel de intensidad que percibimos en ambos oídos es similar. Los sonidos de bajas frecuencias tienen longitudes de onda relativamente grandes con respecto a las dimensiones de la cabeza. El estudio de la difracción determina que cuando la longitud de la onda es suficientemente grande con respecto al obstáculo que encuentra la onda, ésta se difracta fácilmente y no se genera una "sombra acústica" (o, al menos, se produce una sombra acústica pequeña). Por el contrario, cuando las longitudes de onda son pequeñas, se produce poca difracción y por lo tanto existe una sombra acústica mayor. Para frecuencias de 500 Hz la longitud de onda del sonido es de unos 69 cm, unas tres veces el diámetro promedio de una cabeza humana concluyendo así que la difracción es poca. Para frecuencias de 4 khz (longitud de onda del orden de los 8.5 cm) la sombra acústica es importante. Las DII son prácticamente despreciables para frecuencias inferiores a los 500 Hz, pero pueden ser de hasta 20 db para frecuencias mayores de 5 khz. En la siguiente figura tenemos una grafica que nos muestra la relación entre la frecuencia y los ángulos del azimut para frecuencias hasta 6 khz. 26

27 Figura 6: Grafica de relación entre frecuencia y ángulo azimut ILD Diferencia de Nivel Interaural La diferencia interaural de nivel ILD se define como la diferencia entre los niveles de las señales que arriban a cada oído. ILD se calcula como la razón entre las energías de la señales. El sonido de una fuente que venga de la izquierda (por ejemplo) llegará primero al odio izquierdo, pero tendrá que viajar hasta el otro lado. Lo que ocurre, es que el sonido es difractado alrededor de la cabeza para llegar al oído derecho y por lo tanto tendrá que viajar más, que abarca tanto el efecto pantalla de la cabeza como el debido a la distancia extra que recorre. Éste tiempo se llama (ILD) Interaural Level Difference, que abarca en cuanto a intensidad tanto el efecto pantalla de la cabeza como el debido a la distancia extra que recorre. El ILD depende fuertemente de la frecuencia. A frecuencias bajas, donde la longitud de onda del sonido es más grande que el diámetro de la cabeza, hay poca diferencia de presión sonora en las dos orejas, sin embargo, a altas frecuencias, donde la longitud de onda es pequeña, puede haber 20dB o más de diferencia. 27

28 Cuando los ITD's y ILD's son prácticamente los mismos, entra en juego otro factor, el HRTF (Head Related Transfer Functions). Esto ocurre cuando el sonido está localizado en el plano medio. De tal modo, que parece que la localización se lleva a cabo con la convolución de la señal y de la forma del torso superior, cabeza, cuello y orejas. La información recogida es útil para determinar tanto la elevación como la localización trasera o delantera Función de Transferencia HRTF El pabellón auditivo actúa como una cavidad de resonancia, donde amplifica algunas frecuencias, y su geometría genera ciertos efectos de interferencia que atenúan otras frecuencias. Dicho de otra forma, su respuesta en frecuencia depende de la dirección. A frecuencias elevadas, la señal directa está en desfase con la señal que llega más tarde. La mayor interferencia ocurre, cuando la diferencia de recorrido d es la mitad de la longitud de onda. Por ejemplo si Como el pabellón auditivo es mucho más efectivo con sonidos que vienen de la parte delantera, este efecto es por lo tanto mucho más pronunciado. Figura 7. Relación de frecuencia en ambos pabellones auditivos 28

29 Las funciones de transferencia HRTF (Head related Transfer Function) matemáticamente describen el efecto combinado del oído, cabeza y torso sobre los sonidos procedentes de una determinada posición como se puede observar en la (Figura 8). Las HRTF captan todas las señales físicas ayudando a la localización de la fuente y son diferentes para cada persona, tomando en cuenta las medidas de pabellón auditivo, cabeza y torso, ya que no todos tenemos las medidas. Figura 8. Expresión Matemática (HRTF) Para encontrar la presión sonora sobre una fuente x (t) que produce en el tímpano, es necesario obtener la respuesta al impulso h(t) desde la fuente a el tímpano. A esta relación le llamamos Relación Cabeza (Head - Related) con respuesta al Impulso (HRIR), y su transformada de Fourier H(f) se llama Head Related Transfer Function (HRTF). Con la información de las medidas HRTF, y con la ecualización pertinente de auriculares, un sonido puede ser procesado y presentado a el individuo, el cual lo percibirá desde la posición del espacio cuya HRTF se haya utilizado, a pesar de que en realidad los sonidos proceden de los auriculares. Esta técnica se denomina externalización o auralización de sonidos. La función HRTF consta de cuatro variables: Intensidad, tono, timbre y frecuencia, características que nos permiten realizar pruebas de audición Binaural, lateralización o auralización. 29

30 En coordenadas esféricas, para distancias de un metro o mayores se dice que la energía sonora se encuentra en el campo lejano. En HRTF la mayoría de las mediciones se realizan en el campo lejano que reduce el HRTF a una función de azimut. Si consideramos el efecto del cuerpo en la señal que llega desde una dirección determinada y con una cabeza de rotación como un filtro, entonces podemos medir la función de transferencia de ese filtro. La función de un filtro que genera señales de elevación, está dada por: H(ω, φ) = 1 + αae-jωτa(θ) + αvejωτv(φ) El cuerpo físico crea diferentes efectos de filtro para las diferentes relaciones entre la ubicación de la fuente de sonido y sus pabellones auditivos. Tomando en cuenta que, a menos que la fuente de sonido se encuentre en el plano medio entonces las señales que llegan a los oídos serán diferentes Efecto Doppler El efecto Doppler establece el cambio de frecuencia de un sonido de acuerdo al movimiento relativo entre la fuente del sonido y el observador. Este movimiento puede ser de la fuente del observador o de los dos. Asume la frecuencia de la fuente como una constante pero lo escuchado depende de las velocidades de la fuente y del observador. El efecto Doppler se origina cuando hay un movimiento relativo entre la fuente sonora y el oyente; cuando cualquiera de los dos se mueve con respecto al medio en el que las ondas se propagan. Como resultado del efecto Doppler podemos decir que es la aparente variación de la altura del sonido. Sin embargo existe una variación en la frecuencia que se percibe con respecto a la frecuencia que la fuente que lo origina. Ver (Figura 9). 30

31 Figura 9. Representación del Efecto Doppler Fuente móvil: Receptor en movimiento: Ambos en movimiento: Frecuencia aparente c = Velocidad del sonido v = Velocidad del observador u = Velocidad de la fuente = Frecuencia de la fuente 1.7. Efecto precedente o Efecto Hass Este efecto es una estrategia utilizada de manera inconsciente por el individuo para enfrentar la información sonora conflictiva de los ambientes reverberantes. Esta habilidad denominada también como Ley del primer frente de onda, ha sido definida como el fenómeno de audición espacial que ocurre cuando dos sonidos similares se presentan desde diferentes lugares separados por un breve retardo de tiempo. 31

32 El sujeto escucha sólo un sonido que localiza en la dirección del sonido que le llegó primero, llamado líder o directo. Aunque la persona se da cuenta de la presencia del segundo sonido, i.e., el sonido reflejado o retardado, le resulta difícil y hasta imposible localizarlo en algunas condiciones. El efecto precedente es un mecanismo que le ayuda al individuo a localizar con precisión la fuente sonora primaria que es la que tiene mayor significado. El sistema auditivo le atribuye un gran peso al sonido directo reduciendo, de esta manera, la influencia de la información direccional contenida en los sonidos retardados. Para entender mejor este comportamiento, se cita el siguiente ejemplo: En un campo libre se emplean dos altavoces separados entre sí y equidistantes del sujeto (Ver figura 10). Figura 10. Representación del Efecto precedente 32

33 Un altavoz emite el primer sonido (el líder), el segundo altavoz emite, desde un lugar distinto y después de un breve retardo variable (t), una réplica del primer sonido a manera de reflexión simulada es decir, el sonido retardado. Cuando ambos sonidos se presentan simultáneamente (t=0 ms), el sujeto percibe una única imagen fusionada fantasma ubicada en la mitad del trayecto entre ambos altavoces. A medida que el retardo se incrementa de 0 a 1 ms, la imagen fantasma migra hacia el sonido líder. Para retardos entre 1 ms y 30 ms, la fuente sonora se localiza en la posición del sonido líder y la información direccional contenida en el sonido retardado es prácticamente descartada. Para retardos que exceden los ms la imagen se parte en dos y el sujeto puede localizar separadamente ambos eventos según la posición de los respectivos altavoces. El retardo para el cual la imagen fusionada se parte en dos se llama umbral del eco y depende fuertemente del tipo de estímulo empleado. La fusión, localización y supresión del sonido retardado son parámetros de vital importancia en el Efecto Hass. La fusión de los dos sonidos en uno solo e imagen auditiva, resulta útil para evitar imágenes sonoras múltiples. La presencia del sonido retardado se detecta claramente: si se apaga el altavoz que emite el sonido retardado la imagen percibida cambia notablemente en sonoridad, espacialidad y timbre. Es interesante destacar que este mecanismo dinámico se libera cuando ocurren cambios repentinos en la configuración del estímulo o cuando aparece información nueva, proceso que se denomina rompimiento de los fenómenos de precedencia o liberación de la supresión. 33

34 1.8. Sistema de Coordenadas Para poder especificar la localización de un sonido, necesitamos un sistema de coordenadas. Los tres ejes coordenados definen tres planos estándar x-y el plano horizontal, x-z el plano frontal, y el y-z el plano medio. Definiendo, arriba/abajo, delante/atrás y derecha/izquierda respectivamente. Como se ve en la figura 11. Existen dos sistemas de coordenadas para definir estos parámetros (azimut, elevación y radio). Figura 11. Coordenadas esféricas "Sistema de coordenadas vertical-polar : En este sistema primero se mide el azimut como el ángulo desde el plano medio al plano vertical que contiene la fuente y el plano z, y luego se mide la elevación, que parte desde el plano horizontal. Las superficies con azimut constante son planos que pasan a través del eje z, y las superficies con elevación constante, son conos concéntricos alrededor del eje z. "Sistema de coordenadas interaural-polar ": Se mide la elevación como el ángulo que va desde el plano horizontal hasta un plano que contiene el eje (x y), la fuente. Con esta elección las superficies 34

35 de elevación constante son planos alrededor del plano interaural (x) y superficies con azimut constante son conos concéntricos con el eje Interaural. Figura 11. Sistema de Coordenadas esféricas En la figura anterior (Ver Figura 11). Podemos concluir que el sistema de coordenadas esféricas se basa en la misma idea que las coordenadas polares y se utiliza para determinar la posición espacial de un punto mediante una distancia y dos ángulos. En consecuencia, en el centro de la cabeza que tomamos como punto de referencia queda representado por un conjunto de tres magnitudes: el radio r, el ángulo polar o colatitud θ y el azimut φ. 35

36 1.9. Grabaciones Binaurales. Esta tecnología se basa en el uso de una cabeza binaural que permite crear el mismo campo acústico interferente, que el cuerpo humano. Uno de los principales inconvenientes, radica en que la función HRTF, es cambiante con cada individuo, de manera que las sensaciones que se pueden percibir, con una grabación que introduce una HRTF distinta a la de cada individuo, pueden ser confusas. La imagen sonora, la realiza el cerebro a partir de las informaciones binaurales percibidas. Durante la fase de aprendizaje (infancia) se sabe localizar fuentes sonoras, así como analizar sus características, familiaridad de un sonido, mensaje acústico, etc. Es en ésta fase del aprendizaje, donde nuestra fisiología del oído externo, y nuestro cuerpo, nos determinan una función HRTF propia. Las diferencias de niveles y de tiempos entre los mensajes recibidos por nuestros oídos. (Los ITD y Los ILD) permiten identificar la procedencia del sonido en el espacio 3D. La técnica binaural se basa en el uso de una cabeza binaural más o menos realista en formas, que incorpora dos micrófonos situados en los puntos donde estaría la entrada del pabellón auditivo. Figura 12. Grabaciones Binaurales 36

37 Básicamente la técnica de grabación binaural hace uso de dos micrófonos omnidirecionales que se colocan en los oídos de un maniquí creando una imagen estéreo. Estos sistemas de doble canal emulan la percepción del sonido, y proveen a la grabación de una importante información aural sobre la distancia y la dirección de las fuentes sonoras. Cuando estas grabaciones se reproducen con auriculares, la audiencia experimenta una imagen sonora esférica, donde todas las fuentes de sonido son reproducidas con la dirección espacial correcta. Las grabaciones binaurales se usan a menudo para sonido ambiente o en aplicaciones de realidad virtual. En una mezcla, nunca está de más contar con una o varias pistas capturadas en "estéreo real", mediante el uso de esta técnica. De este modo, obtendremos una referencia espacial realista que nos permita situar el resto de las pistas a partir de una "anchura" estéreo ya dada. 37

38 2. Condiciones auditivas de la investigación binaural en el laboratorio de acústica Presentación del problema Tomando como referencia que en el laboratorio de Acústica no se cuenta con una cabeza binaural para atacar los ejemplos prácticos de las unidades de aprendizaje de la especialidad de acústica, surge la necesidad de presentar un prototipo de una cabeza binaural, para poder ser utilizada en la academia de Acústica con fines prácticos y para ayudar al estudiante a que el aprendizaje sea llevado de una forma significativa y vivencial Propuesta de solución Dado que el fenómeno acústico es un fenómeno universal, surge la posibilidad de simularlo una vez caracterizado por una cabeza binaural que nos pueda dar un criterio amplio del entorno acústico de un humano, sin someter a un ser humano a pruebas que puedan dañar gravemente su salud. Una técnica relativamente nueva utilizada en la especialización y en la reconstrucción de las características temporales y espaciales del campo sonoro en una sala, consiste en aplicar un filtrado a señales monofónicas anecoicas obteniendo señales binaurales. Esta técnica es conocida como grabación binaural. La idea principal es tener un diseño de una cabeza binaural que se pueda someter a pruebas utilizando la técnica de auralizacion, se utilizaran las señales anecoicas para las pruebas que son señales de audio que no tienen contenido de espacio, es decir que se registra solo el sonido directo que proviene del instrumento o sonido que se vaya a ser grabado. 38

39 En la reconstrucción de espacios acústicos mediante auralización se pretende reproducir en el oyente la sensación psicoacústica en cuanto a la reverberación, sonido binaural, impresión espacial; y en cuanto a la respuesta del obstáculo compuesto por el torso, cabeza y pabellones auditivos. En la especialización o simulación de 3D mediante auralización, se pretende recrear la imagen acústica del sonido ubicando artificialmente la fuente en un lugar deseado del espacio, para lo cual se utiliza la respuesta de una "cabeza binaural" excitada desde distintos puntos. Como propuesta inmediata de solución, se desarrollo un Dummy head o cabeza binaural que para nuestra conveniencia lo identificaremos con el nombre de PCB-01. La idea principal de utilizar este instrumento es ayudar al alumno en su desarrollo facilitándole esta herramienta que le será útil para ejercer los conocimientos y poner en práctica lo visto en el salón de clases. Cabe mencionar que el PCB-01 es el primer prototipo para este fin; por lo que puede tomarse como base para mejoras en un futuro Estado del arte En investigaciones sobre los pioneros de las cabezas binaurales se encontró que: Hugo Zuccarelli ideo una cabeza que llamó Ringo y en la que situó dos micrófonos en el lugar natural que ocupan los oídos, replicando los mismos en la cabeza. Básicamente la idea era la misma que la de la Kunstkpof, pero mejorada. La mejora radica en la aportación que Zuccarelli hizo sobre el concepto de la grabación binaural. En 1983 Zuccarelli grabó en el Reino Unido con la CBS un disco llamado "Zuccarelli Holophonics (The Matchbox Shaker)" en el que se incluían una serie de muestras de sonido de la caja de cerillas, el corte de pelo, abejas, globos, bolsas de plástico, pájaros, aviones, fuegos artificiales, truenos, coches de carreras, etc. 39

40 Algunos trabajos similares: Binaural. La Revolución del Sonido BGAT 01 Datasheet KEMAR Manikin Type 45BA. Product data Head and Torso Simulator 4128C. Brüel & Kjaer En los últimos años ha incrementado el interés por el estudio de estas técnicas de grabación nuevas como lo es la binauralidad y el desarrollo de la mejora en las Dummy head por lo que podemos citar, las mejoras han sido en gran medida y con la tecnología de materiales nuevos Aplicaciones Las aplicaciones de estas técnicas son muy variadas a continuación se citan algunas: La gran cantidad de aplicaciones en prácticas que para el alumno de ESIME en la Especialidad de Acústica le será bastante útil en las materias impartidas que le ayuden a un aprendizaje de forma significativa. Las técnicas de auralización permiten contar con una herramienta de simulación (cabeza binaural) capaz de reproducir la sensación psicoacústica del oyente. Esto nos permite utilizar el prototipo como instrumento complementario de ayuda en otras pruebas en donde el ser humano no pueda ser expuesto. Una aplicación interesante es la reconstrucción de espacios acústicos. Es posible recrear las características acústicas de espacios distantes geográficamente del oyente, o de espacios que ya no existen. La realidad virtual es un vasto campo de aplicaciones para la auralización. Desde presenciar conciertos multimedia como si estuviéramos en determinada butaca de un teatro en particular, hasta todo lo relacionado con aplicaciones interactivas como viajes, juegos, eventos, etc. 40

41 Otra aplicación que me parece importante es la posibilidad de obtener grabaciones en las que la especialización (la ubicación de los instrumentos) esté dada por técnicas de auralización. La mezcla de una grabación podría tratar las señales de diferentes instrumentos de forma de obtener un panorama más definido de la localización de los sonidos (en especial para frecuencias graves). Algunos ejemplos de discos que fueron grabados con técnicas de binauralidad usando una cabeza binaural son: Aqua de Edgar Froese (Tangerine Dream) 1975 Flow Motion de Can The final cut de Pink Floyd The pros and cons of hitchhicking de Roger Waters Finn de Finn Brothers 1995 Fire Garden de Steve Vai 1996 Binaural de Pearl Jam Nothing as it seems.ogg Radiohead

42 3. Estudio Técnico 3.1. Desarrollo del prototipo Para el desarrollo del PCB-01 se llevaron a cabo los siguientes pasos: Se realizó un estudio antropométrico con una muestra de 25 personas para tomar las medidas de cabeza y pabellón auditivo Se hizo un sondeo de los materiales factibles para realizar la construcción de la cabeza binaural Se propuso un circuito de un preamplificador para conectarlo hacia los canales auditivos Tomando en cuenta los puntos anteriores se llevo a cabo el armado de la cabeza artificial PCB Estudio antropométrico de cabeza y pabellón auditivo: Para la realización del estudio antropométrico, se tomo una muestra de 25 personas del sexo femenino entre 18 y 25 años de edad, en donde se les tomo medidas del margen inferior de la órbita ocular, el pabellón auditivo verticalmente, la medida de lo largo de la cabeza, y el diámetro de la cabeza, las mediciones se realizaron con una cinta métrica para obtener 4 mediciones por cada persona y poder sacar un promedio de todas las medidas tomadas y así la medida que más se acerque a la promedio, tomarla como base para la realización del producto. 42

43 Muestras tomadas: PERSONA Medida O-T Medida Oi Medida x Medida v Persona 1 8 cm 6 cm 17 cm 54 cm Persona cm 5.5 cm 14 cm 52 cm Persona 3 7 cm 6 cm 17 cm 50 cm Persona cm 7 cm 14 cm 51 cm Persona 5 6 cm 6.8 cm 15 cm 53 cm Persona cm 5.7 cm 15 cm 53 cm Persona 7 7 cm 6 cm 16 cm 50 cm Persona 8 8 cm 4 cm 17 cm 54 cm Persona 9 8 cm 5 cm 16 cm 52.4 cm Persona cm 6 cm 15 cm 50.8 cm Persona cm 5.8 cm 14 cm 54 cm Persona 12 7 cm 4.5 cm 18 cm 52.6 cm Persona cm 7 cm 15 cm 50.5 cm Persona 14 7 cm 6 cm 15 cm 54 cm Persona 15 6 cm 7 cm 16 cm 52 cm Persona 16 8 cm 5 cm 17 cm 50 cm Persona 17 7 cm 6 cm 14 cm 54.6 cm Persona cm 4.8 cm 14 cm 52 cm Persona cm 6.2 cm 17 cm 52 cm Persona cm 5.5 cm 16 cm 52 cm Persona cm 4.3 cm 16 cm 50.4 cm Persona 22 7 cm 6.2 cm 12 cm 52.5 cm Persona cm 5.7 cm 15 cm 51.7 cm Persona cm 4.8 cm 13 cm 54 cm Persona cm 5.2 cm 18 cm 53.8 cm Tabla 1. Muestra de medidas antropométricas para cabeza binaural. En la tabla anterior tenemos un machote de las medidas obtenidas a un grupo de 25 personas del sexo femenino para su estudio, cabe mencionar que estas medidas únicamente son tomadas de una población mexicana promedio, por lo que para el estudio en otras identidades las medidas pueden cambiar ya que la fisiología es diferente en cada nacionalidad, aunque para fines de estudio académico el PCB-01 es muy útil en la práctica. 43

44 Figura 13. Esquema base de parámetros de medición O-T = Margen inferior de la órbita ocular. Oi = Medida de pabellón auditivo verticalmente. X = Medida vertical del largo de la cabeza. V = diámetro de la cabeza. En base a las muestras tomadas, se utilizó una muestra de la persona que más se acerco a un promedio, que en este caso fue la muestra de la persona Medidas utilizadas en el PCB-01 CABEZA BINAURAL Medida O-T Medida Oi Medida x Medida v Persona 14 7 cm 6 cm 15 cm 54 cm Tabla 2. Medidas utilizadas en el PCB-01 Se utilizaron las medidas de la persona 14 como positivo para obtener el molde de lo que sería el PCB