Es el Comb Filtering parte de la naturaleza de nuestra audición?

En mis cursos de Mezcla, uno de los temas que tratamos con sumo detalle es la Fase, su medición en base a la posición angular, su relación con diferencias temporales establecidas por una gran variedad de situaciones, y por supuesto, el famoso efecto generalmente indeseado, conocido como filtro peine, o comb filter.

Algo que siempre me llamó la atención, es que las reflexiones acústicas que solemos evitar al posicionar micrófonos, así como en otras instancias de la producción musical en aquellos casos en los que a causa de las ínfimas diferencias temporales se podría generar un efecto de peine, sean a su vez una pieza clave de nuestra propia estructura auditiva, e incluso formen parte de nuestra anatomía. Y es que en nuestro sistema auditivo estas reflexiones lejos de ser un problema le permiten al cerebro localizar sonidos en el espacio con una precisión asombrosa. En este artículo, vamos a explorar cómo la estructura de nuestras orejas transforma las ondas sonoras, generando llegadas directas y reflejadas que enriquecen nuestra percepción auditiva.

El Rol de los Pliegues del Pabellón Auricular (La Oreja) en la Percepción del Sonido:

Reflexiones y Diferencias Temporales

Además de cumplir con la función de captar el sonido, el oído también es capaz de interpretar su procedencia con una precisión asombrosa. En tal sentido, nuestras orejas (la parte externa del oído) juegan un rol fundamental, no sólo por encargarse de redirigir el sonido hacia el canal auditivo, sino que además, mediante sus pliegues, actúan como un sofisticado colector acústico que modifica las ondas sonoras antes de que lleguen al propio canal.
En este artículo vamos a explorar cómo estos pliegues del Pabellón generan reflexiones de las ondas sonoras, permitiendo que determinadas frecuencias lleguen al canal auditivo tanto de forma directa como retardada (¿alguien de la tribuna dijo filtro peine?), y cómo esto contribuye a la localización espacial del sonido.

Hablemos primero un poco acerca de la anatomía del Pabellón (Oreja, para los amigos):

Sus medidas aproximadas rondan entre 6 y 7 cm de longitud y 3 a 4 cm de ancho en un adulto.
Y como habrás notado, su superficie no es lisa, sino que está conformada por una serie de pliegues y cavidades que interactúan con las ondas sonoras.
Entre los componentes clave se encuentran:

- La Hélice: El borde externo enrollado, que actúa como una barrera inicial para las ondas.

- La Antihélice: Un pliegue interno en forma de "Y" que dirige el sonido hacia el interior.

- La Concha: Cavidad cóncava central, que funciona como un embudo, y concentra las ondas hacia la entrada al canal auditivo.

- El Trago y Antitragus: Pequeños salientes opuestos que modulan la entrada del sonido.

- El Tubérculo auricular: Una protuberancia variable en la Hélice, presente en algunas personas, que podría influir en reflexiones específicas.

Estos pliegues no son aleatorios; su morfología, única en cada persona, filtra las ondas sonoras de manera espacial y frecuencial, y nos ayudan a percibir e interpretar el entorno acústico que nos rodea. De hecho, nuestras orejas transforman el sonido entrante mediante reflexiones, difracciones y atenuaciones, lo que es crucial para la localización auditiva.

Física de las Ondas Sonoras y su Interacción con la Pinna

Para entender cómo opera esta interacción, recordemos algunos conceptos básicos básicos de la acústica. Las ondas sonoras se propagan en el aire a una velocidad aproximada de 343 m/s (a temperatura ambiente). En tanto que la longitud de onda (λ) de una determinada frecuencia se calcula con la fórmula:

λ=v/f

Donde “v” es la velocidad del sonido (en este caso en el aire), y “f” la frecuencia.

En el rango audible humano, aproximadamente establecido entre 20 Hz y 20 kHz, las longitudes de onda varían de unos 17 metros (para bajas frecuencias) a 1.7 cm (para altas frecuencias).

Ocurre entonces que las frecuencias cuyas longitudes de onda son comparables al tamaño de la pinna -pabellón, u oreja- (aproximadamente 3-10 cm, correspondientes a 3-17 kHz) interactúan de manera más significativa con sus pliegues.

Para frecuencias bajas (longitudes de onda largas), las ondas tienden a difractarse alrededor de la cabeza, con una mínima influencia del Pabellón. En cambio, las altas frecuencias, al ser más direccionales, se ven afectadas por las reflexiones generadas en las crestas de la Pinna, como la Hélice o la Antihélice.

Estas reflexiones generan interferencias, ya que las ondas directas llegan al canal auditivo sin obstáculos, mientras que las reflejadas recorren una distancia adicional al rebotar en los pliegues. Por ejemplo, un rebote en la Hélice (a unos 2-3 cm del meato -vaya nombre para la entrada del canal auditivo!-) implica una trayectoria extra de 4-6 cm, resultando en un retraso temporal de:

t= d/v

Donde “t” equivale al tiempo; “d” a la distancia, y “v” a la velocidad.

Por lo que

t= 0,06m/343(m/s)

t= 0,175ms

Este retraso, aunque resulte ser mínimo, es detectable por nuestro sistema auditivo, y por ende por nuestro cerebro.

Para la Pinna, estos retrasos crean patrones de interferencia constructiva y destructiva, que no se perciben como ecos separados (ya que el umbral para ecos es de aproximadamente 10-50 ms), sino como modificaciones espectrales en el sonido.

Reflexiones Directas vs. Reflejadas: La Hipótesis

La hipótesis central de este artículo es que una onda sonora de una frecuencia específica puede llegar al canal auditivo de dos maneras: directamente y a través de reflexiones en los pliegues de la Pinna, con una determinada diferencia temporal. Esto es particularmente evidente en frecuencias altas, donde las longitudes de onda coinciden con las dimensiones de la Pinna.

Esto me lleva a la conclusión de que la Pinna introduce "rutas de retraso" mediante reflexiones, transformando la señal entrante, y por ende, su timbre.

Entonces, una onda que rebota en la Concha o la Antihélice genera una copia retardada que interfiere con la onda directa, creando picos y valles en el espectro de frecuencia.
Partiendo de la base de que las distancias entre los pliegues de la oreja varían a lo largo de sus recorridos, estas interferencias son dependientes del ángulo de incidencia en los planos vertical y horizontal, por lo que sonidos que arriben desde arriba involucran reflexiones diferentes a los que arriban desde abajo, lo que el cerebro utiliza para determinar la elevación de la fuente sonora.

En términos matemáticos, esto se modela mediante la Función de Transferencia Relacionada con la Cabeza (HRTF, por sus siglas en inglés), que describe cómo la Pinna, la cabeza y el torso filtran el sonido según su dirección de procedencia. La HRTF incorpora tanto diferencias interaurales de tiempo (ITD) e intensidad (ILD) como señales monoaurales de la Pinna, donde las reflexiones generan variaciones espectrales únicas.  De este modo, estas reflexiones, combinadas con difracciones, explican los notches en la HRTF humana.

Implicaciones en la Localización Espacial del Sonido

La localización del sonido se divide en horizontal (izquierda-derecha, basada en ITD e ILD) y vertical (arriba-abajo, dependiente de la Pinna).  Las reflexiones en la Pinna nos dan indicios espectrales, que nos permiten percibir la elevación: por ejemplo, un sonido frontal alto atenuará ciertas frecuencias, mientras que uno bajo generará reflexiones distintas.

Podrías experimentar esto ahora mismo, alterando la forma natural de las orejas, moldeándolas o tapándolas en diferentes sectores, y vas a notar cómo se degrada la localización vertical, confirmando de este modo su rol en las reflexiones.
Además, la individualidad de la HRTF explica por qué cada persona "escucha" el mundo de manera única, básicamente, porque no hay dos personas con las orejas exactamente iguales!

Entonces, y como siempre digo en mis clases cuando abordamos este tema, el hecho de que la propia naturaleza de nuestra audición incluya una serie de filtrados y comb filtering, esto, per se, no nos da licencia para que generemos esta situación deliberadamente, ya sea a través de una técnica incorrecta en el posicionamiento de los micrófonos al grabar, o al momento de utilizar efectos en señales estéreo, cuya suma en mono converja en un filtro en peine, pues terminan siendo dos causas y efectos totalmente diferentes!

Pablo Rabinovich