Słuchawki 3D „Sfera”: modelowanie wielokanałowego dźwięku przestrzennego w kompaktowej formie
Słuchawki z systemem 3D „Sfera” emulują pozycjonowanie źródeł dźwięku w formatach surround sound i immersive audio. System wykorzystuje kilka przetworników rozmieszczonych w układzie sferycznym wokół ucha, aby przekazywać efekty binauralne ILD i ITD bez cyfrowego przetwarzania. Dzięki temu można odtwarzać treści Dolby Digital, DTS 5.1/7.1, Atmos i DTS:X bezpośrednio, zachowując naturalną lokalizację.
Zasady binauralnego postrzegania dźwięku przestrzennego
Dźwięk przestrzenny powstaje dzięki trzem czynnikom: środowisku propagacji, kierunkowi fal i efektom binauralnym. Binauralne słyszenie opiera się na:
- Interaural Level Differences (ILD): spektralne różnice spowodowane dyfrakcją na głowie i uszach.
- Interaural Time Differences (ITD): opóźnienia czasowe między uszami.
Lokalizacja odbywa się w płaszczyznach poziomej, czołowej i pionowej. Charakterystyka częstotliwościowa niskich tonów (>200 Hz) mało zmienia się w zależności od kierunku, średnie i wysokie częstotliwości określają pozycję. Cień akustyczny wzmacnia ILD dla kanałów tylnych, gdzie średnie częstotliwości są tłumione.
HRTF (Head-Related Transfer Function) opisuje te efekty. W systemach wielokanałowych HRTF jest rejestrowane w bezechowej komorze z modelami manekinów głowy, takimi jak KEMAR czy B1-E, gdzie mikrofony umieszczono przy wejściu przewodu słuchowego.
Formaty systemów wielokanałowych
Systemy akustyczne wielokanałowe dzielą się na dwie klasy:
- Surround sound (Dolby Digital, DTS 5.1/7.1): przetworniki w płaszczyźnie poziomej — para stereo czołowa (0°/30°), kanał centralny (0°), boczne (90°/270°), tylne (110°/250°), subwoofer.
- Immersive audio (Dolby Atmos, DTS:X): dodaje górną półsferę (wysokość 30°–45°). „Sfera” rozszerza to na dolną półsferę dla pełnego pokrycia.
| Format | Kanały | Półsfery |
|--------|--------|----------|
| 5.1 | 6 | Pozioma |
| 7.1 | 8 | Pozioma |
| Atmos | Do 128| Góra + pozioma |
| „Sfera” | 12+ | Pełna sfera |
Cyfrowy model HRTF do konwersji
Do przekształcenia sygnału wielokanałowego w binauralny stosuje się matryce fazowo-amplitudowe i filtry FIR/IIR modelujące HRTF każdego kanału. Pomiarów dokonuje się w wolnym polu: monitor symuluje źródło, manekin głowy rejestruje charakterystykę częstotliwościową sygnału bezpośredniego i zacienionego.
Krzywa Fletchera-Mansona pokazuje zależność percepcji od poziomu SPL, co wpływa na HRTF przy różnych głośnościach. Uzyskane współczynniki ładuje się do procesora DSP. Jednak „Sfera” omija to, umieszczając fizyczne przetworniki według schematów zewnętrznych kolumn.
Budowa słuchawek 3D „Sfera”
System składa się z komór akustycznych wokół ucha z otwartymi ścianami i tłumieniem filcowym do tłumienia rezonansów. Przetworniki (głośniki 40–50 mm z dużym skokiem) rozmieszczono sferycznie:
- Przód/centrum: 0°–30°.
- Boczne: ±90°.
- Tylne: ±110°–250°.
- Góra/dół: ±45° pionowo.
Nauszniki z silikonu całkowicie zanurzają ucho w komorze. Dla formatów immersive komora jest rozszerzana, zachowując ergonomię. Prototyp wykorzystuje przetworniki JBL Quantum 100, zoptymalizowane odległością od ucha.
Rysunek komory dla surround (7.1):
Rysunek dla immersive:
Porównanie słuchawek wieloprzetwornikowych i stereo
Stereo w słuchawkach daje efekt „wewnątrzgłowy” z powodu braku ILD/ITD. Wieloprzetworniki „Sfery”:
- Zapewniają fizyczną dyfrakcję fal na geometrii ucha.
- Obsługują natywne strumienie wielokanałowe bez dekodowania.
- Zwiększają lokalizację we wszystkich płaszczyznach.
Testy charakterystyki częstotliwościowej prototypu pokazują płaską krzywą bez szczytów, zbliżoną do zewnętrznych kolumn.
Co jest ważne
- „Sfera” emuluje pełną sferę przetworników, w tym dolną półsferę, dla prawdziwego 3D.
- Brak zależności od DSP: dźwięk formowany akustycznie, minimalizując opóźnienia.
- Kompatybilna z 5.1/7.1/Atmos bez rekodowania.
- Zależność HRTF od SPL wymaga kalibracji pod głośność.
- Prototyp używa standardowych przetworników 40 mm, skalowalność wysoka.
— Editorial Team
Brak komentarzy.