Несколько лет назад мне стало интересно, смогу ли я сделать на обычном 3D-принтере что-то по-настоящему полезное, а не очередную декоративную деталь.
В возможностях самой 3D-печати я не сомневался — вопрос был скорее в том, справлюсь ли я с задачей.
По основной работе я занимаюсь автомобильной акустикой и системами активного шумоподавления. Бинауральная запись и модели головы — область смежная. В лаборатории стоят несколько манекенов, но в реальных проектах они почти не используются. Сделать собственную версию выглядело естественным продолжением интереса к теме.
Профессиональные бинауральные системы стоят сотни тысяч рублей. Формально это корпус, ушные раковины и два микрофона, размещённые в слуховых каналах.
Возник простой вопрос: можно ли собрать работоспособный вариант своими силами и понять, где проходит граница DIY-подхода?
Так появился проект «Голова Бинго».
Почему вообще бинауральная голова?
Бинауральная запись опирается на то, как человек определяет направление звука.
Слуховая система использует:
разницу времени прихода сигнала в левое и правое ухо (ITD),
разницу уровней (ILD),
частотные искажения, формируемые ушной раковиной, головой и верхней частью тела.
Важно, что пространственная локализация зависит не только от расстояния между ушами. Существенную роль играет форма головы и геометрия ушных раковин. Они создают частотно-зависимые фильтрации, которые мозг использует для определения положения источника в пространстве, включая фронт/тыл и высоту.
Простое разнесение двух микрофонов на межушное расстояние даёт стереоэффект, но не полноценную бинауральную картину. Для приближения к естественному восприятию требуется модель головы и ушных каналов, способная формировать соответствующую HRTF.
В теории это звучит как аккуратное воспроизведение геометрии человека. На практике появляются вопросы материалов, размеров, точности каналов и согласования микрофонов.
Постановка задачи
С самого начала было понятно: я не собираюсь воспроизводить промышленный стандарт HATS и уж тем более конкурировать с лабораторными системами по точности измерений.
Цель была гораздо приземлённее — понять, можно ли в домашних условиях собрать работоспособную бинауральную голову, которая:
повторяет базовую геометрию человеческой головы,
имеет реалистичные ушные раковины и слуховые каналы,
позволяет установить микрофоны в анатомически корректных точках,
совместима с обычными аудиоинтерфейсами и рекордерами,
допускает программную коррекцию каналов.
Ограничения тоже были очевидны:
без безэховой камеры,
без эталонных измерительных микрофонов уровня Brüel&Kjær,
без сертификации по IEC,
без промышленного литья и дорогих материалов.
Проект задумывался как практическая проверка границ.
Хотелось понять, где проходит линия между «моделью для демонстрации» и устройством, которое действительно формирует корректную пространственную сцену.
Отдельным направлением стала программная часть.
Алгоритмы калибровки сами по себе не представляли проблемы — подобные задачи давно решаются в акустике. Интерес заключался в другом: собрать полноценное рабочее приложение под ПК, которое позволяет выполнить запись, анализ и построение корректирующих фильтров без специализированного лабораторного ПО.
Иными словами, цель была предельно приземлённой — довести устройство до состояния, в котором им не стыдно пользоваться.
Конструкция: от готовой модели к собственной версии
Я не начинал проект с нуля. За основу была взята готовая 3D-модель головы среднего размера с усреднённой антропометрией. Дальше началась доработка.
Первым шагом стала переработка конструкции корпуса — голова стала разборной. Это упростило доступ внутрь и позволило аккуратно разместить микрофоны и проводку.
Исходная модель была цельной, включая ушные раковины. Поскольку изначально планировалось изготавливать уши из силикона, их пришлось отделить от корпуса и превратить в самостоятельные детали.
Дальше появились силиконовые версии, отлитые в формах.
Позже я понял, что «родная» форма ушей меня просто не нравится внешне – в результате появилась альтернативная версия раковин: сначала в жёстком варианте, затем и она была переведена в силикон.
В итоге уши стали съёмными и модульными. Это оказалось удобным не только с эстетической точки зрения, но и конструктивно — появилась возможность замены и экспериментов с геометрией.
Параллельно дорабатывались:
посадочные места микрофонов,
внутренние каналы для проводов,
настольная подставка,
возможность установки на штатив.
Проект развивался итеративно. Каждая следующая версия появлялась после критического взгляда на предыдущую.
В итоге получилась не просто распечатанная голова, а модульная конструкция, которую можно разобрать, обслужить и модифицировать.
Ушные раковины: силикон, формы и немного терпения
Использовать жёсткий пластик для имитации ушной раковины не очень хорошо – мне сразу хотелось сделать уши более естественными, приближенными к реальности. Получилось, правда, не сразу.
Первые версии отливались из силикона с твёрдостью PL 10 — это довольно мягкий материал. Сейчас закуплен BestMold PL 25, более жёсткий, но он пока в работе не использовался — это планы на следующую итерацию.
Формы для отливки изготавливались на 3D-принтере. Конструкция получилась разборной и состоящей из четырёх частей.
Изначально элементы формы соединялись между собой на штифтах. Сама идея работала, но на практике выяснилось, что аккуратно разобрать форму и извлечь готовое ухо, не повредив его, довольно сложно. Кроме того, штифты при разборке часто ломались, и формы фактически становились одноразовыми.
Позже появился отдельный контейнер, который упростил процесс.
Контейнер представляет собой цилиндрический корпус с дном и центральным отверстием. На дно укладывается пластина, сверху размещаются элементы формы. Они плотно фиксируются внутри за счёт геометрии контейнера, без дополнительных штифтов.
Процесс отливки выглядит так: поверхность элементов формы обрабатывается воском, затем форма устанавливается в контейнер и заливается силиконом. После полимеризации вся сборка выдавливается через отверстие в дне — фактически как поршнем из шприца. Далее форму можно спокойно разобрать и извлечь изделие без разрушения деталей.
Полностью избавиться от облоя на стыках частей формы пока не удалось. Даже при аккуратной печати и подгонке остаётся небольшая линия, которую приходится дорабатывать вручную.
Сколько было версий форм — лучше не считать. Итераций оказалось больше, чем планировалось. Каждая следующая версия появлялась после обнаружения очередной «мелочи», которая в итоге оказывалась совсем не мелочью.
Микрофоны и внутренняя компоновка
С эстетикой и механикой можно экспериментировать довольно свободно.
С микрофонами такой роскоши уже нет — здесь начинаются реальные ограничения.
Бинауральная голова — это не только геометрия снаружи, но и аккуратная механика внутри.
В профессиональных манекенах уровня Neumann KU 100 используются специально подобранные измерительные капсюли с высокой стабильностью параметров и минимальным разбросом чувствительности. Это часть того, за что в итоге платят сотни тысяч рублей.
Понятно, что такого бюджета у меня просто нет.
Изначально я рассматривал вариант с относительно доступными измерительными микрофонами вроде Superlux ECM-999. Но как только я увидел их вживую, стало ясно, что они просто не вписываются в геометрию головы — ни по размерам, ни по способу установки в слуховой канал.
В итоге подход получился двухуровневым:
пара измерительных микрофонов используется как условный эталон для тестов и калибровки,
внутри головы установлены компактные петличные микрофоны,
их частотная характеристика корректируется программно.
Это компромисс между геометрией, бюджетом и управляемостью результата.
Микрофоны устанавливаются в глубине слуховых каналов — максимально близко к точке, соответствующей положению барабанной перепонки.
Ключевые требования к механике были довольно прозаичными:
стабильная фиксация капсюля,
повторяемость положения при разборке,
отсутствие паразитных вибраций,
возможность замены без разрушения корпуса.
Для этого внутри предусмотрены стойки для крепления микрофонов и фиксации проводов. Провода выводятся наружу через отдельные каналы в нижней части головы. Вся конструкция полностью разборная — микрофон можно заменить или сместить, не перепечатывая половину головы.
Отдельной задачей стало крепление самой головы.
Сначала появилась простая настольная подставка. Позже добавилась возможность установки на стандартный штатив. И это оказалось важнее, чем казалось в начале.
Устойчивость напрямую влияет на паразитные шумы и микровибрации корпуса. При низкочастотных сигналах разница между «просто стоит» и «жёстко закреплена» слышна гораздо лучше, чем хотелось бы.
Попытка калибровки: программная часть
Механика — это только половина задачи. Вторая половина — согласование микрофонов.
Даже одинаковые капсюли имеют разброс по чувствительности и АЧХ.
Для бинауральной записи это критично: малейшая асимметрия смещает сцену.
Поэтому потребовалась калибровка каналов. Процедура достаточно прямолинейная:
воспроизведение тестового сигнала (шум или sweep),
одновременная запись двух каналов,
оценка амплитудно-частотных различий,
построение корректирующего цифрового фильтра.
По сути задача сводится к оценке передаточной функции одного канала относительно другого и последующей компенсации.
Целью не было построение абсолютной HRTF или создание метрологического комплекса. Речь шла о выравнивании каналов до состояния, при котором сцена остаётся симметричной и не требует ручной поправки на слух.
Отдельным шагом стала разработка приложения для ПК — уже не набора расчётов, а самостоятельного инструмента.
В качестве эксперимента я привлёк ИИ к созданию этого приложения.
Задачи формулировались человеком, результаты проверялись и уточнялись на практике, а код генерировался ИИ.
В итоге получился рабочий инструмент — не лабораторный софт, но достаточный для калибровки прототипа.
Первые тесты
Любой такой проект в итоге проверяется просто — надеваешь наушники и слушаешь.
Тестирование было максимально прикладным:
голос, перемещающийся вокруг головы,
запись фонового шума (дождь),
прослушивание в закрытых наушниках.
Результат оказался обнадёживающим. Пространственная картина формируется корректно:
фронт и тыл различимы,
боковые направления ощущаются вне головы,
при движении источника сцена не «схлопывается».
Высотная локализация присутствует, но выражена слабее. Это ожидаемо: используется усреднённая геометрия и отсутствует индивидуальная HRTF слушателя.
Записи шума дождя и уличного фона оказались хорошей проверкой баланса каналов — любые перекосы в таких сценах слышны сразу.
Интересное наблюдение: простая перестановка левого и правого каналов не эквивалентна «перевороту сцены». Нарушается фронт/тыл, появляется ощущение неестественности. Это ещё раз подтверждает, что бинауральная запись — не просто стерео с разнесёнными микрофонами.
Отдельно пришлось учитывать настройки звуковых драйверов. Любая дополнительная обработка должна быть отключена:
пространственные эффекты,
кроссфид,
автоматическое смешивание каналов.
Даже минимальное подмешивание разрушает локализацию. Если об этом забыть, можно долго искать проблему в конструкции.
Лабораторные измерения АЧХ и HRTF не проводились. Задача была практической: получить корректную пространственную запись, а не метрологический инструмент.
Ограничения проекта
Важно честно обозначить границы применимости.
Геометрия головы усреднённая.
Индивидуальная HRTF конкретного слушателя не учитывается.
Сертифицированные измерения не проводились.
Прямого сравнения с промышленными системами уровня Neumann KU 100 или KEMAR не выполнялось.
Используются доступные микрофонные капсюли, а не лабораторные измерительные системы.
Это прототип, доведённый до рабочего состояния, но не промышленный стандарт и не метрологический инструмент.
Проект не претендует на воспроизведение эталонной HRTF или точные акустические измерения. Его задача — формирование корректной пространственной сцены в реальных записях.
Экономика прототипа
Если говорить только о расходных материалах, себестоимость конструкции укладывается в умеренный диапазон и на порядок ниже стоимости профессиональных систем.
Однако в реальности значительная часть затрат — это время на разработку, печать, переделку форм и программную часть.
Проект изначально не задумывался как коммерческий, но после получения рабочего результата возник вопрос: есть ли практический интерес к такому устройству — среди саунд-дизайнеров, энтузиастов, разработчиков VR-контента?
Размещение прототипа в продаже стало способом проверить спрос, а не заранее запланированной коммерциализацией. Иногда реальный фидбек важнее любых теоретических оценок.
Итог
Проект начинался как попытка сделать на 3D-принтере не сувенир, а устройство с реальной задачей.
В процессе он превратился в последовательную доработку конструкции: разборный корпус, съёмные силиконовые уши, внутренняя компоновка, калибровка каналов и собственное программное обеспечение.
В результате получился рабочий прототип бинауральной головы, способный формировать корректную пространственную сцену при прослушивании в наушниках.
Это не лабораторный станда��т и не измерительный эталон.
Но сам факт, что устройство из напечатанного пластика, силикона и доступных микрофонов даёт предсказуемый и повторяемый результат, оказался для меня главным выводом.
Граница между «игрушкой из принтера» и функциональным инструментом проходит не по цене и не по логотипу на корпусе. Она проходит по вниманию к деталям и готовности довести идею до рабочего состояния.
