Synteza pola falowego

Synteza pola falowego (WFS, ang. Wave Field Synthesis) – zaawansowana technika przestrzennego renderowania dźwięku, która umożliwia tworzenie wirtualnych środowisk akustycznych poprzez wytwarzanie sztucznych frontów falowych. Proces ten polega na generowaniu fal, które są syntetyzowane przez dużą liczbę indywidualnie sterowanych głośników. Fronty falowe wytwarzane w tej metodzie wydają się pochodzić z wirtualnego punktu początkowego, wirtualnego źródła dźwięku lub hipotetycznego źródła.

W odróżnieniu od tradycyjnych technik renderowania przestrzennego, takich jak dźwięk stereo czy dźwięk przestrzenny, w metodzie WFS lokalizacja wirtualnych źródeł dźwięku nie zależy od pozycji słuchacza. Dzięki temu dźwięk jest renderowany w sposób bardziej naturalny, niezależnie od zmiany miejsca, z którego słuchacz odbiera dźwięk.

Technologię tę opracował profesor Berkhout w 1988 roku na Uniwersytecie Technicznym w Delfcie w Holandii. Pierwszy system demonstracyjny, oparty na WFS, składał się z 160 głośników. Znaczący postęp w badaniach nad tą techniką miał miejsce w ramach unijnego projektu badawczego CARROUSO (w latach 2001–2003), realizowanego w ramach szóstego programu ramowego UE, który znacząco rozszerzył i uściślił te badania.

Podstawą teoretyczną WFS jest zasada Huygensa, zgodnie z którą każdy punkt, do którego dociera fala płaska, staje się źródłem elementarnej fali sferycznej. Fale te następnie interferują ze sobą, tworząc nowe czoło fali. W kontekście WFS fala wydobywająca się z głośnika jest traktowana jako fala elementarna, która dociera do punktu, w którym znajduje się głośnik. Matematyczną podstawą tej zasady jest całka dyfrakcyjna Kirchhoffa-Helmholtza, która stanowi opis zjawiska dyfrakcji.

Koncepcja WFS ma zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak systemy audio 3D, kina domowe, instalacje artystyczne, a także w zastosowaniach naukowych, takich jak akustyka architektoniczna czy badania przestrzennego oddziaływania fal.

Istnieją trzy podstawowe techniki dźwięku przestrzennego

1. Stereofonia – obejmująca systemy dwukanałowe, w tym również systemy surround, które tworzą efekt przestrzenny poprzez rozmieszczenie dźwięku w dwóch lub więcej kanałach, zazwyczaj lewy i prawy, a także różne konfiguracje głośników wokół słuchacza.
2. System binauralny – technika dźwiękowa, w której obraz dźwiękowy kształtuje się we wnętrzu naszej głowy. Polega na użyciu specjalnych mikrofonów umieszczonych na głowie człowieka, aby uchwycić sposób, w jaki dźwięki docierają do uszu. Wymaga to użycia słuchawek, aby wiernie odtworzyć naturalne wrażenie lokalizacji dźwięku w przestrzeni.
3. Holofonia – metoda transmisji pola akustycznego, która wykorzystuje specjalne techniki rejestracji i odtwarzania, aby tworzyć dźwięk, który otacza słuchacza z każdej strony, dając wrażenie pełnej przestrzenności. Jest to bardziej zaawansowane podejście w porównaniu do stereofonii i binauralności.

• Istnieją dwa podstawowe systemy realistycznej symulacji obrazu dźwiękowego:
  1. Systemy binauralne – dzięki użyciu mikrofonów ustawionych w sposób przypominający ludzki układ słuchowy, pozwalają na uzyskanie bardzo realistycznego wrażenia przestrzenności dźwięku, szczególnie przy użyciu słuchawek. Umożliwiają odtwarzanie lokalizacji dźwięków w pełnej przestrzeni 3D.
  2. Holofonia – stanowi jeszcze bardziej zaawansowaną metodę, pozwalającą na stworzenie pełnej iluzji otaczającego dźwięku, obejmującą całą przestrzeń akustyczną wokół słuchacza. Dzięki odpowiedniemu odwzorowaniu fal akustycznych, holofonia pozwala na bardzo realistyczną symulację źródeł dźwięku w różnych miejscach przestrzeni.

• współczynnik opóźnienia: ${\displaystyle {\frac {r_{0}}{c}}}$
• współczynnik amplitudy: ${\displaystyle {\frac {{\sqrt {\frac {1}{2\pi }}}\cdot {\sqrt {\frac {\Delta r}{\Delta r+r}}}\cdot \cos(\phi )}{r}}}$
• współczynnik filtracji: ${\displaystyle {\sqrt {jk}}}$

Dzięki WFS możliwe są do uzyskania:

• synteza źródeł dźwięku w jakimkolwiek miejscu w obrazie,
• synteza poruszających źródeł dźwięku w obrazie,
• symulowanie akustyki pomieszczenia, poprzez syntezę odbić.

Nie uzyskuje się żadnego obszaru aktywnego (ang. sweet spot), lecz jednorodny obszar odsłuchowy.

• Berkhout A.J.: A Holographic Approach to Acoustic Control, J.Audio Eng.Soc., vol. 36, Dezember 1988, s. 977–995.
• Berkhout A.J., De Vries D., Vogel P.: Acoustic Control by Wave Field Synthesis, J.Acoust.Soc.Am., vol. 93, Mai 1993, s. 2764–2778.

• Strona na temat Wave field synthesis Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg. www-nt.e-technik.uni-erlangen.de. [zarchiwizowane z tego adresu (2008-12-04)].
• Podstrona na temat WFS i bliskiego pola akustycznego
• artykul WFS – obiecująca koncepcja dźwięku przestrzennego opublikowana w Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2007
• Slajdy z prezentacji podczas targów Tonmeistertagungz roku 2006 pod tytułem Principles and Applications of Stereophony, Binaural Techniques and Wave Field Synthesis
• Artykuły niemieckich badaczy z zakładu systemów audio, Instytutu Rundfunktechnik
• Artykuły i prezentacje na temat projektów WFS w Komunikacji Multimedialnej i Przetwarzania Sygnału, Uniwersytetu w Nurembergu. lnt.de. [zarchiwizowane z tego adresu (2005-08-24)].
• Strona poświęcona opisowi WFS w Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique (IRCAM) w Paryżu
• Strona z prezentacjami z warsztatów na temat technologii WFS, które odbyły się na Uniwersytecie Technicznym w Ilmenau w Niemczech