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LAB - Audio Binaurale


Ascolto e Registrazione biauricolare e stereofonica


Registrazione e Ascolto Binaurale o Biauricolare - binaural head


Ascolto e Registrazione Binaurale o Biauricolare

testi e immagini a cura di Marco Stefanelli, Ph.D.

con estratti rielaborati da Wikipedia


Binauralità e Stereofonia

La registrazione binaurale viene spesso confusa con quella stereofonica, ma in realtà si tratta di due sistemi molto differenti:

Nella registrazione stereofonica di un concerto, ad esempio, il suono viene tradizionalmente ripreso da numerosi microfoni di prossimità, strumento per strumento, e registrato su altrettante tracce separate, mentre l'acustica dell'ambiente di registrazione viene ripresa (eventualmente, ma non sempre) con una coppia di microfoni supplementari. Il tutto dovrà poi essere miscelato su due sole tracce (destra e sinistra), per consentirne la comune riproduzione acusmatica. In tal modo, nonostante vi sia la possibilità di intervenire sul suono di ogni strumento in fase di post-produzione, gli equilibri naturali tra i suoni degli strumenti e l'ambiente acustico della sala risulteranno compromessi o del tutto perduti, così che il suono registrato sarà inevitabilmente diverso da quello ascoltato direttamente al concerto.

Nella registrazione binaurale, invece, il suono viene ripreso complessivamente (strumenti ed ambiente nel loro corretto equilibrio, in modo analogo alla nostra percezione uditiva) dal microfono a testa artificiale e registrato direttamente su due soli canali, garantendo una elevata somiglianza tra il suono ascoltato al concerto dal vivo e quello registrato.

La registrazione binaurale (a due orecchi) è un metodo di registrazione tridimensionale del suono che ha il fine di ottimizzare la registrazione per il suo ascolto in cuffia, riproducendo il più fedelmente possibile le percezioni acustiche di un ascoltatore situato nell'ambiente originario di ripresa dell'evento sonoro, mantenendone le caratteristiche direzionali a 360° sferici.


testa-piano-binaurale Tecnica di registrazione binaurale



Tecniche di registrazione binaurale

La tecnica di registrazione binaurale più semplice prevede l'utilizzo di due microfoni posti su un sostegno in direzione reciprocamente divergente, a circa 17 cm di distanza l'uno dall'altro. Questo metodo, pur simulando la posizione nello spazio delle orecchie umane, non consente una registrazione binaurale vera e propria, in quanto non tiene conto dell'effetto fisico che la testa dell'ascoltatore ha sulla propagazione del suono.

Una tecnica più elaborata prevede l'utilizzo di una testa di manichino, costruita con dimensioni e materiali atti a riprodurre fedelmente l'assorbimento sonoro di una vera testa umana e soprattutto la sua funzione di separatore naturale tra i due canali uditivi (destro e sinistro). La testa riproduce con particolare fedeltà la forma dei padiglioni auricolari e i canali uditivi, all'interno dei quali vengono posti due microfoni ad alta fedeltà. In tal modo i microfoni captano il suono come risulta equalizzato e modificato in fase dalla testa, e quindi nel modo più simile a come l'avrebbe percepito un ascoltatore reale.


disco Jecklin


Esistono metodi ancora più sofisticati, che usano complessi apparati di equalizzazione, e metodi semplificati, tra cui quello che prevede l'utilizzo di un disco fonoassorbente (disco Jecklin) tra i due microfoni contrapposti, al posto della ben più complessa e costosa testa artificiale.


Riproduzione binaurale

La registrazione binaurale viene riprodotta al meglio mediante l'ascolto in cuffia, in special modo tramite i modelli "in-ear"; l'ascolto tramite casse acustiche tende, infatti, a confondere il senso di spazialità dovuto alla separazione dei canali apportata dalla testa artificiale. Le tecnologie più sofisticate, tuttavia, disponendo di strumenti di equalizzazione psicodinamica e di teste artificiali di particolare precisione anatomica (ad es. il Neumann KU 100), consentono un eccellente ascolto anche tramite altoparlanti stereo.



Un'ulteriore complicazione è dovuta al fatto che fisiologicamente l'orecchio umano attenua fortemente il suono frontale nelle frequenze attorno a 5 kHz. Per tale motivo molti modelli di cuffie in commercio, sia di gamma medio bassa che elevata, presentano un'attenuazione intorno a tale frequenza. Dato che la registrazione binaurale con l'utilizzo di una testa artificiale attenua naturalmente la frequenza predetta, in quanto si comporta esattamente come un orecchio vero e proprio, l'ascolto di tali registrazioni dovrebbe essere effettuato con una cuffia avente risposta in frequenza lineare (o piatta), da ottenersi tramite apparati elettronici appositamente costruiti, o tramite un'equalizzazione da parte dello stadio di amplificazione.

La stereofonia appare quindi ideale per la registrazione in studio, quando gli strumenti suonano in ambienti insonorizzati, spesso in momenti diversi, e di conseguenza vi è la necessità di un ulteriore lavoro di post-produzione e di mixaggio.

La registrazione binaurale, invece, è ideale per ricreare la sensazione "live" di una sala da concerto, così come per ogni tipo di ripresa ambientale e naturalistica.


Dummyhead Riproduzione binaurale



Come il nostro sistema uditivo localizza la posizione di una sorgente sonora

Il meccanismo fondamentale si basa sul fatto (un po' come nella visione) di possedere due orecchie e non una sola. Tramite l'ascolto binaurale, cioè con entrambe le orecchie, il nostro sistema percettivo è in grado di confrontare le caratteristiche fisiche del suono che perviene alle due orecchie e di ricavare, da tale confronto, informazioni sulla posizione della sorgente che l'ha generato. Vediamo come.

Individuazione della direzione di provenienza del suono

Per chiarire la strategia che il nostro sistema percettivo utilizza per individuare la direzione di provenienza di un suono, immaginiamo di avere un altoparlante che genera un suono e un ascoltatore che ruota la testa in modo da avere il suo orecchio destro più vicino all'altoparlante di quello sinistro.

In tale situazione si verificano due effetti:

1) essendo l'orecchio destro più vicino del sinistro esso raccoglierà, tramite i padiglioni auricolari, il suono in anticipo. La differenza dei tempi di arrivo del suono viene chiamata ITD (acronimo dell'inglese Interaural Time Difference). Una stima di tale grandezza si ottiene dividendo il maggior percorso che deve compiere il suono per arrivare all'orecchio più lontano (la "larghezza della testa") per la velocità del suono in aria. Assumendo come larghezza della testa 0,25 m e come velocità del suono 340 m/s otteniamo come ITD:




cioè circa 0,7 millesimi di secondo. Tale tempo sembra straordinariamente breve tenuto conto anche del fatto che è il massimo ITD possibile (se le due orecchie e l'altoparlante non sono allineati l'ITD è ovviamente minore, visto che diminuisce la differenza dei percorsi). Tuttavia il nostro sistema percettivo è, in condizioni ottimali, capace di cogliere ITD dell'ordine 0,1 milionesimi di secondo e quindi è del tutto in grado di valutare i tempi di ritardo che si presentano nelle situazioni tipiche. Ruotando la testa si può fare in modo che l'ITD si annulli (o comunque scenda al di sotto del minimo valore rilevabile): in questo modo la retta che indica la direzione della sorgente giace in un piano perpendicolare al segmento che unisce le due orecchie e passante per il punto di medio di questo. Tale piano è, ovviamente, il luogo geometrico dei punti dello spazio equidistanti dai due padiglioni auricolari.

2) L'orecchio più lontano si trova nella "zona d'ombra" creata dalla testa e riceve il suono con intensità minore. Tale differenza in intensità viene chiamata IID (acronimo dell'inglese Interaural Intensity Difference). Elaborando l'IID il sistema uditivo riceve ulteriori informazioni sulla direzione di provenienza del suono. Il più piccolo valore di IID che il nostro sistema uditivo può apprezzare è dell'ordine di 1 dB.

Le due "strategie" appena descritte presentano la loro massima efficacia in range diversi di frequenza:

- la prima strategia è molto efficace per onde di bassa frequenza (ed elevata lunghezza d'onda) per le quali l'ostacolo rappresentato dalla testa dell'ascoltatore è facilmente aggirabile (vedi a questo proposito la pagina relativa alla diffrazione del suono);

- la seconda strategia è molto efficace per onde di alta frequenza (e bassa lunghezza d'onda) per le quali l'ostacolo rappresentato dalla testa dell'ascoltatore è quasi insormontabile e determina un significativo decremento dell'energia sonora (intensità) che arriva all'orecchio più lontano dell'ascoltatore.

Un'ultima precisazione: i due effetti appena descritti sono efficaci se l'onda sonora che esce dall'altoparlante ha una direzione ben precisa (così che il suo percorso può essere rappresentato come un segmento di retta). Come spiegato nella pagina diffrazione del suono questa condizione è più difficilmente realizzabile per onde di basse frequenza; la sorgente di tali onde è quindi, in genere, meno facilmente individuabile.


Individuazione della distanza della sorgente

La misura dell' ITD e dell'IID (a meno che la sorgente sonora non sia molto vicino alla testa) non permette di localizzare la distanza della sorgente ma solo la direzione di provenienza del suono. Il nostro sistema uditivo utilizza altri strategie per valutare la distanza della sorgente:

- in ambienti chiusi esso è in grado di valutare quanta dell'energia sonora catturata dai padiglioni auricolari arriva direttamente dalla sorgente e quanta da fenomeni di riflessione con le pareti: dalla proporzione di questi due contributi il sistema uditivo è in grado di stimare la distanza della sorgente;

- in ambienti aperti (se la sorgente è lontana) valutando, per esperienza, le modifiche del timbro del suono al variare della distanza (in questi casi l'esempio classico è quello del tuono che "suona" in un modo ben diverso a seconda della distanza da cui viene percepito).


Individuazione dell'elevazione della sorgente

Tra le informazioni che il nostro sistema uditivo utilizza per localizzare la sorgente vi è anche l'altezza (elevazione) della sorgente rispetto ai padiglioni auricolari. Esperimenti recenti hanno dimostrato che nel "catturare" tale informazione giocano un ruolo decisivo i padiglioni auricolari. Puoi provare a verificare tale ruolo:

- provando a tener, a forza, i padiglioni stesi lungo il cranio. Se incarichi qualcuno di generare un suono davanti a te (chiudi gli occhi) magari tintinnando con un mazzo di chiavi, troverai difficoltà ad individuare l'elevazione della sorgente;

- provando (ma l'esperimento è sconsigliabile anche se è stato effettuato) a riempire di plastilina tutte le pieghe de padiglioni auricolari fino a renderli una superficie piatta; ebbene, anche in questo caso, il sistema uditivo fatica ad individuare l'altezza della sorgente. Quest'ultimo esperimento, in particolare, dimostra che la particolare conformazione dei padiglioni auricolari gioca un ruolo decisivo nella determinazione dell'elevazione della sorgente: evidentemente i piccoli sfasamenti introdotti della riflessione del suono dalle molteplici pieghe presenti nel padiglione possono essere utilizzati a livello centrale, per ricavare informazioni di tipo direzionale.

da fisicaondemusica.unimore.it - Licenza Creative Commons






HRTF (Head Related Transfer Functions)

Funzioni che tengono conto di come l’orecchio umano filtra il suono in arrivo.

La direzione azimutale di provenienza dei suoni è discriminata dal sistema uditivo umano in prima istanza sulla base delle differenze di intensità di arrivo (ILDA) e di tempo di arrivo (ITDA).

Questi meccanismi non sono però in grado di risolvere l’ambiguità avanti-dietro, e di discriminare l’elevazione, operazioni per le quali il nostro sistema uditivo si serve del filtraggio che la testa e i padiglioni auricolari (asimmetrici rispetto ai piani menzionati) operano sui segnali in arrivo.

Questo filtraggio (che consiste fondamentalmente nell’introduzione di formanti e antiformanti, ovvero di picchi e valli spettrali) dipende significativamente dall’angolo di incidenza del suono rispetto alla testa, ma senza le simmetrie di cui soffrono ITDA e ILDA.

È possibile misurare le funzioni di trasferimento della testa ponendo appositi microfoni entro i condotti uditivi esterni, e rilevando la funzione di trasferimento a diversi angoli di incidenza.

Le HRTF mostrano ovviamente una variabilità individuale, ma è stato possibile ottenere delle funzioni medie, o per meglio dire tipiche, che rappresentano in astratto la testa umana. Sottoponendo una coppia stereo di segnali audio a un filtraggio mediante HRTF è possibile ottenere una simulazione realistica di direzione di arrivo, tanto più efficace quanto più le funzioni utilizzate sono vicine a quelle specifiche del soggetto ascoltatore.

Questa tecnica di simulazione della collocazione spaziale delle sorgenti va sotto il nome di olofonia, e in forma rudimentale fa ormai parte del corredo dimostrativo delle attuali schede audio per computer personali.

da Enciclopedia della Scienza e della Tecnica Treccani



Tecniche di ripresa stereofonica

1. Tecniche a microfoni coincidenti: I due microfoni vengono posizionati con le capsule vicinissime, o in alcuni casi sovrapposte tra loro. Il grande vantaggio di queste tecniche è l’ottima compatibilità mono, grazie alla vicinanza dei due microfoni. Di contro, l’immagine stereo che si crea è ridotta rispetto ad altre tecniche.

2. Tecniche a microfoni semicoincindenti: I microfoni sono posizionati ad una distanza di circa 17/20 cm, che rappresenta la distanza media tra le orecchie umane. L’immagine è solitamente più ampia rispetto alle tecniche coincidenti, a spese, però, di una ridotta mono-compatibilità.

3. Tecniche a microfoni lontani (spaziata): Sono studiate per riprendere sorgenti ampie e lontane come cori o orchestre. Prevedono una maggiore distanza tra i microfoni che può variare a seconda delle esigenze. Ovviamente, posizionando i microfoni molto distanti tra loro, si può creare un’immagine stereo estremamente ampia, ma aumenta la probabilità di incorrere in problemi di fase.


Tecnica XY

Nella tecnica di microfonazione XY le capsule microfoniche sono disposte in modo da essere vicinissime tra loro.
La tecnica prevede due microfoni a condensatore con figura polare a cardioide rigorosamente identici.
Essi devono essere posizionati con un’angolo che varia da 90° a 135°, e alla stessa distanza dalla sorgente. Più l’angolo sarà maggiore più ampia sarà l’immagine stereo, e maggiore sarà l’ambiente catturato dai microfoni. La stereofonia viene prodotta dalla differenza di volume tra i due segnali catturati dai microfoni.
Utilizzare due microfoni a figura polare cardioide ci permette di registrare gli strumenti posti ai lati con un volume più alto.Mentre quelli posizionati centralmente verrano registrati con lo stesso volume da entrambi i microfoni, e verranno percepiti al centro dell’immagine stereo.




Tecnica Blumlein

La Blumlein è una delle tecniche di microfonaggio stereo più famose. Utilizza due microfoni bidirezionali (figura a otto) posizionati uno sopra l’altro, con le capsule inclinate di 90° fra loro.
Questa tecnica sfrutta le riflessioni dell’ambiente circostante catturate dai lobi posteriori dei microfoni rivolti dalla parte opposta alla sorgente. Bisogna però prestare attenzione alle fasi, in quanto il suono registrato dai lobi posteriori ha la fase invertita rispetto a quelli rivolti verso la sorgente.
L’immagine stereo è più ampia rispetto alla tecnica XY ma questa tecnica ha senso di essere utilizzata solo in quegli ambienti dall’alta resa acustica. Inoltre, per evitare di riprendere eccessivamente l’ambiente e il riverbero della stanza, occorre posizionare i microfoni molto vicini alla sorgente.

Tecnica Mid-Side

La tecnica Mid-Side (MS) prevede l’utilizzo di due microfoni: uno con figura polare cardioide e uno bidirezionale.
Il primo, rivolto verso la sorgente, catturerà tutti i dettagli del suono e sarà la componente mono (Mid). Il secondo invece sarà il Side, che, posto con la capsula inclinata a 90° verso la sorgente, ci permetterà di creare l’immagine stereo.
Per fare ciò, ti basterà sdoppiare il segnale Side, pannare i due segnali a destra e sinistra, e invertire uno dei due di fase (il segnale Mid rimane al centro).
La compatibilità mono è assicurata in quanto i due segnali che creano il Side, essendo identici, andranno in controfase e si annulleranno se ascoltati in mono.Con la tecnica Mid-Side possono essere utilizzati due microfoni totalmente diversi, il che la
rende facilmente applicabile.





Tecnica ORTF

Questa tecnica prevede l’utilizzo di due microfoni a condesatore cardioidi identici con le capsule distanti 17 cm, e un’angolo che varia dai 90° ai 110°.
Lo scopo di questa tecnica, è quello di ricreare la percezione dei suoni del nostro apparato uditivo.
La compatibilità mono non è eccellente, ed è probabile incorrere in problemi di fase.



Tecnica NOS

La tecnica di microfonaggio NOS utilizza due microfoni posti ad una distanza di 30 cm, con un’angolo di 90° gradi.
La principale caratteristica di questa tecnica è la distribuzione quasi uniforme delle sorgenti sul fronte stereo, creando un’eàetto molto realistico. La compatibilità mono è buona.
NOS è l’acronimo di Nederlandse Omroep Stichting (Fondazione Radio Televisiva Olandese).



Tecnica OSS

Nata in Svizzera, la OSS sfrutta l’uso di due microfoni a condensatore omnidirezionali posizionati anch’essi ad una distanza di 17 cm, ma con un’angolo di 90°.
Tra i due microfoni viene posto un disco di schiuma di 28 cm, detto Jacklin Disc, che simula la testa umana.
La compatibilità mono è migliore rispetto alla NOS, ma inferiore rispetto alla tecnica ORTF.








Strumenti e attrezzatura per registrazione Binaurale


Testa microfono stereo/binaurale professionale Newmann KU 100 (costo circa 7400 euro)
Testa microfono stereo/binaurale professionale - Neumann KU 100 (costo circa 8000 euro)



Microfono stereo/binaurale professionale - 3Dio Free Space (costo circa 400 euro)
3Dio Free Space XLR (costo circa 650 euro)
3Dio Free Space Pro II (costo circa 2000 euro)



Microfono stereo/binaurale professionale - Headrec BINAL 2 Binaural (costo circa 600 euro)



Microfono stereo/ORTF professionale Schoeps MSTC 64 U (costo circa 3100 euro)
Microfono stereo/ORTF professionale - Schoeps MSTC 64 U (costo circa 3200 euro)


Microfono stereo/ORTF professionale - Superlux S502 (costo circa 130 euro)
Superlux S502 MKII (costo circa 150 euro)



Microfono stereo/binaurale professionale Soundman OKM II Classic (costo circa 150 euro)
Microfono stereo/binaurale indossabile - Soundman OKM II Classic (costo circa 150 euro)



Testa in legno per Microfono stereo/binaurale Soundman OKM (costo circa 350 euro)
Testa in legno per Microfono stereo/binaurale - Soundman OKM (costo circa 350 euro)



Microfono auricolare stereo/binaurale Roland CS 10 EM (costo circa 120 euro)
Microfono auricolare stereo/binaurale - Roland CS 10 EM (costo circa 120 euro)


Testa per Microfono stereo/binaurale - Binaural Enthusiastic B1-E dummy head
Testa per Microfono stereo/binaurale - Binaural Enthusiastic B1-E (costo circa 500 euro)