Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Array “discreti” di microfoni Sono stati proposti svariati standard di posizionamento di 5 microfoni discreti con opportuna caratteristica direttiva 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Array discreti di microfoni In un sistema discreto, il segnale di ogni singolo microfono va ad alimentare un singolo altoparlante Microfoni Altoparlanti 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Array “discreti” di microfoni Williams MMA INA-5 Schema del sistema microfonico Williams MMA C : Cardioide, 0° L, R : Cardioide, ± 40° LS, RS : Cardioide, ± 120° Schema del sistema microfonico INA-5 C : Cardioide, 0° L, R : Cardioide, ± 90° LS, RS : Cardioide, ± 150° 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione ITU 5.1 surround OCT Schematic of the setup C : Cardioid, 0° L, R : Super Cardioid, ± 90° LS, RS : Cardioid, ± 180° 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Array discreti di microfoni Perchè hanno avuto ben poco successo? Perchè consentono poco controllo in fase di registrazione Forniscono un angolo di ripresa fissato, a meno che siano realizzati con una struttura snodata, peraltro difficile da regolare sul campo Non consentono facilmente di mixare i segnali provenienti da tracce mono registrate a breve distanza dalla sorgente (ad esempio voci dei cantanti, strumenti singoli, etc.) I pattern direttivi degli usuali microfoni per riprese stereo (cardioidi, ipercardioidi) non corrispondono all’esigenza di avere una legge di “panning” omogenea rispetto alla geometria non regolare del layout degli altoparlanti di un sistema surround 5.1 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Ambisonics 3D 1st order Reproduction occurs over an array of 8-24 loudspeakers, through an Ambisonics decoder 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

3D extension of the pressure-velocity measurements The Soundfield microphone allows for simultaneous measurements of the omnidirectional pressure and of the three cartesian components of particle velocity (figure-of-8 patterns) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Directivity of transducers Soundfield ST-250 microphone 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

A-format microphone arrays Today several alternatives to Soundfield microphones do exists. All of them are providing “raw” signals from the 4 capsules, and the conversion from these signals (A-format) to the standard Ambisonic signals (B-format) is performed digitally by means of software running on the computer 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Ambisonics encoding Il segnale B-format deriva da un microfono Soundfield… Oppure dalla sintesi dei 4 canali (WXYZ) a partire dalla loro definizione matematica (armoniche sferiche di ordine 0 ed 1) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Algoritmo per decoding Ambisonics Il segnale di ciascun altoparlante è semplicemente un “mix” dei 4 canali di trasmissione (WXYZ) I guadagni dipendono solo dalla posizione di ciascun altoparlante Viene aggiunto un piccolo filtro FIR specifico per ogni altoparlante, per equalizzarne la risposta 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Ambisonics decoding vantaggi: Bi-square Ambisonics array svantaggi: Tridimensionale Buona percezione dei suoni laterali Buona risposta ai bassi “sweet spot” largo, nessuna colorazione uscendo da esso svantaggi: Non isotropico Richiede un decoding avanzato (Y trattato differentemente da X,Z) Bi-square Ambisonics array 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Bi-square Ambisonics array Front-Right Down-Right Up-Right 8 Turbosound Impact 50 loudspeakers: Light, easily fixed and oriented Good frequency response Very little distortion 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Sistema DSP per decoding Ambisonics BSS Soundweb 9088-II (8 ins, 8 outs) SID Futureclient fanless PC (Pentium-III 1 GHz) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Programmazione del decoder sul processore digitale SoundWeb 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Effetto dell’equalizzazione FIR di ciascun altoparlante Funzione di tarsferimento misurata dell’altoparlante Front-left Filtro inverso a fase minima (100 coefficienti) Effetto equalizzante del filtro 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Decoder Ambisonics via software Audiomulch VST host Gerzonic bPlayer Gerzonic Emigrator 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Sale Ambisonics 3D ASK – Reggio Emilia University of Ferrara University of Bologna 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Sistema di gestione audio completo Philips 15” Brilliance LCD display Logitech wireless keyboard & mouse Echo Layla Soundboard (8 ins, 10 outs) BSS Soundweb digital processor 2 Crown K1 amplifiers QSC CX168 8-channels amplifier Signum Data Futureclient fanless PC 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Metodi ibridi (Ambiophonics) Sistema Ambiophonics 3D (10 altoparlanti): 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Ambiophonics In sostanza, vengono impiegati simultaneamente il sistema Ambisonics e gli Stereo-Dipoles 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Virtual high-order microphones (Mark Poletti) One of the two ORTF cardioid is employed, which samples 36 positions along a 110 mm-radius circumference From these 36 impulse responses it is possible to derive the response of cylindrical harmonics microphones (2D Ambisonics) up to 5th order. 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Wave Field Synthesis (WFS) Flow diagram of the process 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

The “Casa del Suono” project Presidenza del Consiglio dei Ministri It was born thanks to the cooperation of University of Parma, Comune of Parma, and with funds (approximately 2 million Euros) provided by Casa della Musica, Italian Governement and Cariparma Foundation The institutional goal is to display the famous Patanè’s Collection of vintage grammophones and radios, made available by CNIT (National Italian Consortium for Telecommunications) It is also a research lab about electroacoustics, equipped with the latest technologie for sound recording and reproduction employing a large number of channels 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Tecnologia WFS La Wave Field Synthesis è una tecnica di riproduzione che utilizza array lineari di altoparlanti disposti orizzontalmente all’altezza delle orecchie degli ascoltatori, che consentono di creare sorgenti sonore virtuali in qualunque posizione, esterna o interna al locale Concetto: campionamento spaziale del fronte d’onda: 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Teoria della WFS La WFS può generare sorgenti virtuali planari o puntiformi, ed anche sorgenti che sembrano trovarsi dentro il locale, in mezzo al pubblico 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Tecnologia WFS @ IRCAM, IRT 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Sintesi di un ambiente virtuale con WFS 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Sound focalization by WFS 09/13/2003 Sound focalization by WFS Array convex focus concave Sensible parameters: r Set the beam width.. Spatial aliasing, secondary lobes.. I would like to spend some word on the focalization technique by WFS. The array here represented may be the line one or a section of the disc, non differences since the plotted field is a vertical section od the 3D field. The array cuses some concave wave fronts, which implode in a focus and then explodes in normal convex wave fronts centered on the focus. So from the point of view of listeners placed below the focus, the focus is a virtual sound source. The front curvature is achieved with a set of gains and delays, in particular each speaker has an advance in time equal to the fly time which seaparate it from the focus, that is: each speaker signal get to the focus at the same time. This is the formula for the speaker signals, coming from the Rayleigh integral, (for line array) Sensible parameters of such kind of applicaton are: The ratio array width on wavelength, which mainly governs the beam and focus width: with wl comparable with the array length the focus will be very wide and the curvature of the fronts will be lost. For wl even greater, the array may loose completely is deirectivity. The ratio speaker spacing to wl, which rules the phenomenon of spatial alising. Spatial aliasing arises at high frequencies, and in the particular case of focalization can leads to strong side lobes.. It is a good peculiarity of focalization to have the spacial aliasing effect far away from the focus. Hence the phenomenon is bad for the pourpose of spatially limiting the sound, but is not perceived by listeners staying beneath the array. Let’s see the phenomenon alittle it closer in a new slide... The front curvature is obtained by means of a gain-delay set .. Delays Common filter Gains 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione AES 115th Convention - New York, NY 30

The spatial aliasing problem 09/13/2003 The spatial Nyquist theorem: Sampling condition: antialiasing sampling filter Use a loudspeaker array to reproduced a desired wave field can be seen as a space sampling of the field itself. Just as the time sampling, the space sampling is governed by the Nyquist theorem, which in this case is only a litle more difficult. Imagine a plane wave inpinging on a discrete speakes array: the speaker spacing is fundamental for a correct sampling; Nyquist says in this case tht the projection of the wavelength on the array must at least be twice the speaker spacing. So this is the formula coming out. Above a certain frequency, the wave must be limited within a certain incidence angle. Just like in the time domain case, besides a sampling contitions, a reconstruction condition must be respected. It imposes a specific directivity on secondary sources. In pratice if for a given frequency I see a maximum incidence angle, that frequency must not be delivered by secondary sources at angle wider than the limit one. Take for example the limit case of a plane waves frontally impacting the array: phi is zero so the sampling condition is always verified. But i still need a reconstruction filter, because the secondary fronts are circular, and only in a suffuciently far field their envelope will be flat, whilst in the near field i will experience the spatial aliasing. It’s intuitive to understand that rigid pistons instead of point sources con solve the problem, since the front is flat from the beginning. But we know that a rigid pistons is nothing else than a directional sources, with beamwidth that decreases with frequency. It is not exacly the directivity requested by the formula, because we have lobes for example, but qualitativly it is according with it. Reconstruction condition: Omnidirectional Rigid pistons 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione AES 115th Convention - New York, NY 31

Software per WFS gratuito! Il programma Wonder per Linux consente di muovere a piacimento le sorgenti virtuali 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

La Chiesa di S.Elisabetta Il corpo principale è caratterizzato da un alta cupola decorata e molto luminosa grazie alle numerose finestre, al centro della quale è stato collocato il LAMPADARIO SONORO 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Allestimento espositivo 6 nicchie circolari realizzate con teche in metallo-vetro, collocate nelle 6 cappelle della chiesa, contengono la maggior parte dei “pezzi” esposti 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Allestimento espositivo Nella stanza posteriore trovano posto le due sale d’ascolto 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Impianto sonoro nicchie 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Impianto sonoro nicchie Vengono impiegati line-arrays verticali, con controllo DSP per focalizzare il suono verso il basso, ove sono collocate apposite “trappole acustiche” fonoassorbenti 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Controllo DSP dei line arrays QSC 8-channels amplifier + BASIS DSP controller / Cobranet interface 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Controllo DSP dei line arrays 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Le nicchie espositive Nicchia n. 1 - FONOGRAFI E GRAMMOFONI - 1897-1923 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Il “Lampadario Sonoro” convex focus concave Absorption 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Progetto e realizzazione 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Progetto e realizzazione Special 32 Ohm model by Ciare 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Installazione 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Hardware di pilotaggio 64 output channels 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Hardware di pilotaggio Computer Linux multiprocessore Interfaccia PCI->MADI (RME) Interfaccia MADI->ADAT (RME) 8 x convertitori ADAT 8ch. (Behringer) 8 x amplificatori 8ch. (QSC mod. 1608) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Software di pilotaggio Software structure on Linux PC “WFS Focus” Software (runtime controlled multichannel processor) to the feeding system... Audio Application + WFS plug-in 64 ch (MADI bus) Mono 1 OSC WFS GUI MIDI or controller External Audio Mono 2 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Software di pilotaggio “WFS Focus” structure MIDI or OSC 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Le sale di ascolto 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione Le sale di ascolto La sala bianca ospita sino a 30 ascoltatori, ed è dotata di un sistema surround planare tipo WFS (192 altoparlanti) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione La sala da 30 posti Gli altoparlanti sono in casse chiuse separate, incorporati dentro la struttura fonoassorbente delle pareti 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Hardware low-cost per WFS La soluzione più economica prevede l’uso di un PC con scheda audio MADI (64 ch.), collegato a rack di convertitori low-cost (Behringer) 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione La sala monoposto La sala è dotata di un totale di 26 altoparlanti 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione La sala monoposto L’involucro multistrato a secco garantisce ottimo isolamento e bassa riverberazione interna 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Registrazione e Riproduzione La sala monoposto La stanza è foderata da pannelli modulari di legno e fibra di poliestere, coperti da tela scura. Il trattamento, qui simulato con il software Ramsete, permette un Tempo di Riverbero pari a 0.40s nella banda dei 125 Hz e un valore più basso salendo in frequenza. 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione

Hardware low-cost per HOA Si impiega un PC con sottosistema audio MADI Multicore PC RME MADI interface Ambisonics 2D / 3D 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione Stereo-Dipoles Binaural

Disposizione degli altoparlanti Stereo Dipolo Superiore Cubo Ambisonics 3D Casse Stereo standard Stereo-Dipolo Frontale Stereo Dipolo Posteriore Ottagono Ambisonics orizzontale 9/12/2010 Registrazione e Riproduzione