Mikrofonarray

Beamforming ist eine Methode zur Ortung (als Positionsbestimmung) von Quellen in Wellenfeldern (z. B. Schallfeldern). Entsprechende Vorrichtungen werden auch akustische Kamera oder Mikrofonarray genannt. In der Akustik wird Beamforming meistens dann eingesetzt, wenn Messungen in der Nähe des Messobjektes nicht (oder nur mit großem Aufwand) möglich sind, wie z. B. bei landenden Flugzeugen oder vorbeifahrenden Zügen. Daher wurde in der einschlägigen Literatur auch schon der Begriff "akustisches Teleskop" eingeführt. Die Mikrofonanordnung erfolgt dann meistens auf einer ebenen Fläche. In der Regel werden ringförmige, kreuzförmige, lineare und quasi-zufallsverteilte Arrays eingesetzt.

Der bei Antennen für elektromagnetische Strahlung verwendete Begriff Beamforming network (BFN) steht demgegenüber für eine Schaltung, die das Strahlungsprofil einer Antenne einer beliebig gestalteten geometrischen Kontur anpasst (s. Kapitel Anwendungen).

Mikrofonarray in einem aeroakustischen Windkanal (FKFS, Stuttgart)

Messprinzip

Das Messprinzip soll hier am Beispiel von akustischen Arrays erläutert werden. Es beruht darauf, dass das Mikrofonarray auf die verschiedenen Messpunkte auf dem Messobjekt "fokussiert" wird. Dies erfolgt durch eine der Laufzeit vom Messpunkt zum jeweiligen Mikrofon entsprechenden Zeitverschiebung der von diesem Mikrofon erfassten Signale. Die zeitkorrigierten Signale aller Mikrofone werden summiert, wodurch sich ein dem jeweiligen Messpunkt zugeordnetes Zeitsignal ergibt. Der Schall von Quellen an anderen Positionen wird dabei gedämpft, da deren Signale nicht mehr vollständig zeitkorrigiert sind und sich teilweise destruktiv überlagern. Hingegen wird der vom jeweiligen Messpunkt (Fokuspunkt) abgestrahlte Schall verstärkt. Die Qualität des Beamformer wird oftmals durch die Verwendung aufwendigerer, digitaler Filter gesteigert.

Der Frequenzbereich von Beamforming-Arrays wird nach unten durch die Array-Größe begrenzt: je größer das Array, desto niedriger seine Grenzfrequenz. Die obere Begrenzung des Frequenzbereichs erfolgt durch das zunehmende Auftreten von Schein-Schallquellen (Aliasen). Diese treten besonders bei regelmäßig angeordneten Mikrofonen auf und führen zu Fehlinterpretationen. Die Grenzfrequenz, oberhalb der diese Erscheinungen auftreten, ist umso höher, je kleiner der Abstand der Mikrofone zueinander ist.

Meistens wird die Bedeutung der Schallquellen in einem Farbcode dargestellt und in ein konventionelles Videobild des Messobjektes eingeblendet. Auf diese Weise können die Positionen der Hauptschallquellen einfach erkannt werden. Auch frequenzselektive Darstellungen sind dabei möglich.

Anwendungen

• Schallquellenortung und -bewertung
• Ausblenden von Störquellen

Dieses funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Lokalisation, jedoch werden die Filter dahingehend optimiert, von einem oder mehreren bestimmten Orten abgestrahlten Schall bestmöglich zu unterdrücken, z. B. in Handy-Freisprecheinrichtungen in Fahrzeugen.

• Beamforming bei Radiowellen

Bei Antennen für elektromagnetische Strahlung steht der Begriff Beamforming Network (BFN) für eine Schaltung, die ein Strahlungsprofil einer Antenne einer beliebig gestalteten geometrischen Kontur anpasst. Bei symmetrisch strahlenden Gruppenantennen wie den Yagi- oder Phased-Array-Antennen ist die Bezeichnung dagegen ungebräuchlich (siehe auch MIMO).

Die Antennen moderner Fernsehsatelliten besitzen ein Abstahlungsprofil, das sich an der Kontur der Landfläche orientiert, wo die Signale empfangen werden sollen. Dazu strahlen mehrere Feeds auf einen gemeinsamen Parabolreflektor. Zur Feinanpassung wird ein entsprechend geformter Sekundärreflektor zwischengeschaltet.

Literatur

• J. J. Christensen; J. Hald: Beamforming. Technical Review No. 1/2004, Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S, Nærum, Dänemark, 2004 (s. "Weblinks")
• Michel, U., Barsikow, B., Haverich, B., Schüttpelz, M.: Investigation of airframe and jet noise in high-speed flight with a microphone array. 3rd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference 12-14 May 1997, Atlanta, AIAA-97-1596
• Billingsley, J., Kinns, R.: The acoustic telescope. Journal of Sound and Vibration, 48(4), 1976, pp 485–510
• Soderman, P. T. and Noble, S. C.: A Directional Microphone Array for Acoustic Studies of Wind Tunnel Models. AIAA Paper 74–640, AIAA Aerodynamic Testing Conference, 8th, Bethesda, Md., July 8–10, 1974
• Heinz, G.: Zur Physik bildgebender Rekonstruktion akustischer Bilder und Filme im Zeitbereich. 33. Deutsche Jahrestagung für Akustik, DAGA 2007, Uni Stuttgart, 19. - 22. März 2007

Weblinks

Anbieter von akustischen Beamforming Systemen

• akustik data
• Brüel & Kjær
• CAE - CA Engineering und Service GmbH
• gfai tech GmbH / GFaI (Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V.)
• Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH
• HEAD acoustics GmbH - HEAD VISOR

Veröffentlichungen

• Literaturdownload Brüel & Kjær Technical Review No. 1 - 2004: Beamforming
• Einsatz einer akustischen Kamera zur NVH-Optimierung von Motor und Triebstrang
• Lokalisierung transienter Schallquellen
• Beamforming unter Anwendung von dreidimensionalen Mikrophonarrays