Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pracują nad pocztówkami dźwiękowymi. Nie chodzi jednak o popularne kiedyś płytki z piosenkami, ale pocztówki zupełnie nowego typu, doby internetu i dźwięku przestrzennego. Takie eksperymenty umożliwia uruchomione właśnie w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH laboratorium auralizacji. W tym laboratorium można odtwarzać dźwięk z różnych miejsc czy pomieszczeń, można symulować dźwięk z obiektów, które są jeszcze na etapie projektu.

W pomyśle tworzenia pocztówek dźwiękowych chodzi o to, by obraz kamer internetowych zainstalowanych w popularnych miejscach Krakowa wzbogacić o towarzyszące im dźwiękowe tło, a do programów umożliwiających nam zaglądanie w internecie w różne miejsca, dodać na przykład odgłos zrywających się do lotu gołębi, czy hejnału z Wieży Mariackiej. 

Samo laboratorium auralizacji, najnowocześniejsze tego typu miejsce w Polsce, ma służyć przede wszystkim do kształcenia studentów i badań naukowych, dotyczących akustyki pomieszczeń, w tym między innymi symulacji akustyki w przypadku obiektów dopiero projektowanych. Usuwanie ewentualnych błędów na tym etapie inwestycji może przynieść znaczące oszczędności.

O tym, co to jest auralizacja i do czego może się przydać, a także o tym, jakie są możliwości laboratorium AGH Grzegorz Jasiński rozmawiał z dr inż. Jackiem Wierzbickim i dr inż. Pawłem Małeckim.

Posłuchaj całej rozmowy

Grzegorz Jasiński: Zacznijmy od najprostszego pytania. Dlaczego to laboratorium, które powstało tutaj na krakowskiej AGH, jest w skali Polski tak wyjątkowe?

Jacek Wierzbicki: Wynika to przede wszystkim z zastosowania instalacji wielogłośnikowej i z przeznaczenia specjalnego pomieszczenia do tego celu. Z reguły tego typu laboratoria powstają przy okazji studiów nagraniowych lub chwilowej adaptacji akustycznej rozmieszczenia głośników. My zdecydowaliśmy się przeznaczyć na to pojedyncze pomieszczenie, specjalnie adaptowane akustycznie, w którym to pomieszczeniu możemy stosować różne konfiguracje głośników. Tych konfiguracji w kontekście dźwięku przestrzennego jest wiele. Laboratorium będzie nam służyć w szerokim zakresie zainteresowań: od badań akustyki pomieszczeń, czyli możliwości modelowania i odsłuchiwania pola akustycznego, czy to w projektowanych, czy modyfikowanych pomieszczeniach, do prostej rejestracji dźwięków przestrzennych, czy to na potrzeby dokumentalistyki, czyli archiwizowania stanu akustycznego, czy wreszcie przewidywania rozmieszczenia głośników w swojej instalacji kina domowego.

Czyli mówiąc najprościej, to pomieszczenie, w którym jesteśmy i ten sprzęt, który tu jest, pozwala nam tak naprawdę dźwiękowo przenieść się niemal w dowolne miejsce na świecie, w dowolne pomieszczenie, jeśli tylko oczywiście to pomieszczenie zostanie wcześniej zbadane. W jaki sposób się to robi?

Paweł Małecki: W tym celu należy wykonać pomiary odpowiedzi impulsowej tego pomieszczenia. Jest to technologia znana od dawna. My dodatkowo mierzymy odpowiedzi wielokanałowo. Posługujemy się przede wszystkim techniką ambisoniczną, która wymaga zmierzenia czterech odpowiedzi impulsowych, na podstawie których można wygenerować do takiego wielokanałowego systemu głośnikowego sygnał z dowolnego pomieszczenia.

To rozszyfrujmy to słowo - ambisoniczny. Jak tego typu badania się odbywają. Czy to polega na tym, że emitujemy dźwięk i przechwytujemy go przy pomocy jakiegoś szczególnego mikrofonu, jakiegoś szczególnego zestawu mikrofonów?

Paweł Małecki: Tak, wykonuje się go specjalnym mikrofonem ambisonicznym.

Jacek Wierzbicki: Opatentowano go w 1975 roku. Z uwagi na wygaśniecie praw patentowych ta technologia od początku lat 2000 jest coraz częściej stosowana. Pojawiło się wiele klonów tego wcześniej opatentowanego rozwiązania mikrofonowego, jak i bardzo dużo algorytmów i pomysłów dotyczących wykorzystania go zarówno w akustyce pomieszczeń, jak i w instalacjach typowo domowych, gdy chodzi o to, by zmniejszyć liczbę głośników, a uzyskiwać dźwięk przestrzenny. Nie tylko mamy możliwość słuchania: lewo, prawo, przód, tył, ale także góra, dół. Stąd też mówimy o pewnym nawrocie tej technologii, opatentowanej i opisanej dobrze w latach 70. ubiegłego wieku.

Postęp technologiczny spowodował, że obecnie, zarówno moc obliczeniowa komputerów jak i fakt, że sprzęt wielokanałowy jest znacznie tańszy. Tańsze są kolumny głośnikowe, co umożliwia tego typu rozwiązania. Dobrą instalację można uzyskać już w przypadku 8 głośników. Można oczywiście także tę technologię wykorzystać do typowego domowego układu 5.1. Czym więcej głośników, tym lepsze efekty. W tym laboratorium, w którym jesteśmy, mamy w tej chwili zainstalowanych 16 głośników. To już daję bardzo dobre wrażenia i złudzenie przestrzenności dźwięku. Jest to pierwszy krok do instalacji jeszcze bardziej złożonych, tak zwanych instalacji wave synthesis, które montowane są dopiero w pojedynczych obiektach. To są te wszystkie kina, multipleksy, które chwalą się, że mają instalacje kilkuset głośnikowe. My chcemy zrobić prototyp na razie przy wykorzystaniu około 20 czy 30 głośników. Jeśli to zadziała, wtedy będziemy mogli pokazać dodatkowe efekty, gdy na przykład można słyszeć źródło dźwięku, które znajduję się za nami, pomimo, że stoimy przed głośnikami.

Głośniki, które tu widzimy, są ułożone w odpowiedni sposób, to znaczy w zasadzie ułożone w sferę.

Paweł Małecki: Praktykowanych jest kilka rozwiązań. Najbardziej pierwotnym było umieszczenie głośników w narożach pomieszczenia. My oparliśmy się o rozwiązanie na planie sfery. Mamy 3 warstwy. Warstwa na poziomie uszu słuchacza to jest 8 głośników rozłożonych równomiernie w okręgu. Warstwa dolna, poniżej poziomu słuchacza i warstwa górna, właściwie pod sufitem. W dolnej i górnej warstwie mamy po 4 głośniki.

Jeżeli chcemy, aby w tym pomieszczeniu, w którym jesteśmy, zasymulować jakieś otoczenie - np. pomieszczenie, miejsce w mieście czy rynek - to co musimy zrobić? Musimy wyjść do tego miejsca z odpowiednim mikrofonem i nagrać dźwięk? Przy użyciu jakiego sprzętu?

Paweł Małecki: Na dowolny sprzęt, który zarejestruje nam minimum 4 kanały. W tym momencie mamy dostęp do mikrofonu ambisonicznego 1 rzędu, który wymaga czterech kanałów do rejestracji. Jeżeli chcemy odtworzyć jakieś zjawiska dźwiękowe występujące w naturalnym środowisku, bądź w pomieszczeniu, to najpierw wprost dokonujemy rejestracji. Następnie poprzez proste operacje algebraiczne generujemy sygnał do tych szesnastu głośników. Drugą opcją jest rejestracja odpowiedzi impulsowej, wielokanałowej. Czyli takiego filtru, który później posłuży do symulacji dowolnego dźwięku zarejestrowanego w warunkach pola swobodnego, na przykład w komorze bezechowej, do odtworzenia go w danym pomieszczeniu. W dowolnej geometrii, dowolnej wielkości i rozmiarów.

Panowie już prezentowali mi taki materiał. Mieliśmy do czynienia z brzmieniem chóru, który śpiewał w komorze bezechowej. Następnie ten dźwięk można było umieścić w niemalże dowolnej katedrze świata i zobaczyć jak będzie brzmiał.

Paweł Małecki: Tak, to był temat mojego doktoratu, w którym zbadałem 16 różnych pod względem wielkości i wykończenia stylu architektonicznego obiektów sakralnych. Następnie słuchacz był przenoszony z jednego do drugiego pomieszczenia w jednym momencie, porównując te obiekty między sobą.

Największe zainteresowanie i wysiłek dla wyobraźni budzi ta możliwość, która może być jednym z podstawowych elementów państwa pracy. Chodzi o symulowanie na etapie samego projektu pola dźwiękowego sali, budynku, pomieszczenia, który jeszcze nie został wybudowany. Czy spodziewacie się, ze architekci będą się do państwa zwracać, przynosić projekt, po czym państwo będziecie im pokazywać, gdzie zrobili błąd i dlaczego to nie będzie działało?

Jacek Wierzbicki: Chcielibyśmy, żeby była taka droga postępowania. Może nawet chcielibyśmy wymusić tego typu drogę postępowania. Dotychczasowe doświadczenie sugeruje, że z reguły zgłaszają się do nas już architekci czy inwestorzy po wybudowaniu obiektu. Proszą nas wtedy o poprawę akustyki. Jest coraz lepiej, z roku na rok, natomiast nie jest to jeszcze taka sytuacja, że akustyk jest obecny od podjęcia decyzji o inwestycji. Ciągle decydują przede wszystkim wrażenia optyczne, architektoniczne, nawet w budynkach o kwalifikowanej akustyce. My wyszliśmy z założenia, że jakakolwiek ocena akustyki, czy to instalacji domowej kina domowego, instalacji nagłośnieniowej, czy obiektów o akustyce kwalifikowanej typu filharmonie, sale, opery powinny opierać się na możliwości odsłuchania. Inną sprawą jest kwestia, na ile ten dźwięk odsłuchiwany jest zgodny z rzeczywistym. To są przedmioty naszych dalszych badań. Co ciekawe, pierwsze zainteresowanie, które się pojawiło, było od dewelopera. Chciał on móc zademonstrować potencjalnym klientom, jak będzie słychać w mieszkaniach przebiegającą niedaleko drogę czy tory kolejowe. Więc tego typu zastosowania jak najbardziej są możliwe. Nie tylko piękna wizualizacja lokalizacji obiektu, ale także możliwość odbycia wirtualnej wycieczki po kupowanym mieszkaniu także z warstwą dźwiękową. Czyli jak słuchać w tym pomieszczeniu otoczenie, lub nawet sąsiadów, czy windę.

Paweł Małecki: Jest to właściwie definicja auralizacji, czyli tutaj dochodzimy do wytłumaczenia nazwy laboratorium. Laboratorium auralizacji jest odpowiednikiem wizualizacji, lecz dla dźwięku.