Beamforming

Beamforming (engl., wörtlich "Strahl-Formung") ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Quellen in Wellenfeldern (z. B. Schallfeldern). Entsprechende Vorrichtungen werden auch akustische Kamera, Mikrofonarray oder akustische Antenne genannt.

Mikrofonarray
(die schwarzen Kreise im Hintergrund)
in einem aeroakustischen Windkanal
(FKFS, Stuttgart)

Zur Verwendung bei Antennen s. u.

In der Akustik

In der Akustik wird Beamforming meistens dann eingesetzt, wenn Messungen in der Nähe des Messobjektes nicht oder nur mit großem Aufwand möglich sind, z. B. bei landenden Flugzeugen oder vorbeifahrenden Zügen. Daher wurde in der einschlägigen Literatur auch schon der Begriff „akustisches Teleskop“ eingeführt.

Die Mikrofonanordnung erfolgt meistens auf einer ebenen Fläche, in der Regel linien-, kreuz-, ring- oder spiralförmig, z. T. auch quasi-zufallsverteilt.

Messprinzip

Messprinzip des akustischen Beamformings

Das Messprinzip beruht darauf, dass das Mikrofonarray auf die verschiedenen Messpunkte auf dem Messobjekt fokussiert wird. Dies erfolgt durch eine Zeitverschiebung der vom jeweiligen Mikrofon erfassten Schallsignale, die der Laufzeit vom Messpunkt zu diesem Mikrofon entspricht. Schall-Laufzeiten lassen sich durch Multiplikation mit der Schallgeschwindigkeit in Abstände umrechnen.

Die zeitkorrigierten Signale aller Mikrofone werden summiert, wodurch sich ein dem jeweiligen Messpunkt zugeordnetes Zeitsignal (d. h. Signalverlauf über der Zeit) 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 Beamformers wird oft durch die Verwendung aufwendiger 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 (Alias-Effekt). 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

• Lokalisation und Bewertung von Schallquellen
• Ausblenden von Störquellen; dies funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Lokalisation, jedoch werden die Filter dahingehend optimiert, den von einem oder mehreren Orten abgestrahlten Schall bestmöglich zu unterdrücken, z. B. bei Handy-Freisprecheinrichtungen in Fahrzeugen.

Beamforming bei Antennen

Analoges Beamforming

Der bei Antennen für elektromagnetische Strahlung verwendete Begriff Beamforming network (BFN) steht für eine Schaltung, die das Strahlungsprofil einer Antenne einer beliebig gestalteten geometrischen Kontur anpasst. Die Formung des Antennendiagramms geschieht hier meist noch analog, das heißt, eine phasen- und amplitudenrichtige Summe von Einzelstrahlern wird auf der Ebene der Hochfrequenz erzeugt.

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

Digitales Beamforming

→ Hauptartikel: Digitale Strahlformung

Bei digitalem Beamforming wird in einer Phased-Array-Antenne jedem Antennenelement ein Empfänger mit Analog-Digital-Umsetzer zugeordnet. Mit der dann folgenden digitalen Summierung sind virtuell beliebig viele Antennendiagramme erzeugbar. Das ist möglich, weil digitale Signale verlustlos kopiert werden können. In jeder Kopie werden in einem Beamform Prozessor jedem Einzelsignal mathematisch Phasen- und Amplitudenänderungen hinzugerechnet und so ein virtuelles Antennendiagramm mit unterschiedlicher Richtung erzeugt.

Siehe auch

• Langstrecken-Ultraschalluntersuchung mit geführten Wellen

Literatur

• U. Michel, M. Möser: Akustische Antennen. In: Messtechnik der Akustik. Springer, Berlin/Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-68086-4, S. 365–425.
• J. J. Christensen, J. Hald: Beamforming. Technical Review No. 1/2004, Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S, Nærum, Dänemark, 2004 (s. „Weblinks“)
• J. Billingsley, R. Kinns: The acoustic telescope. In: Journal of Sound and Vibration. Band 48, Nr. 4, 1976, S. 485–510.
• P. T. Soderman, S. C. Noble: 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.

Weblinks

• Die Website der Berlin Beamforming Conference mit weiterführender englischsprachiger Literatur
• Einsatz einer akustischen Kamera zur NVH-Optimierung von Motor und Triebstrang (PDF-Datei; 870 kB)
• Lokalisierung transienter Schallquellen (PDF-Datei; 401 kB)
• Beamforming unter Anwendung von dreidimensionalen Mikrophonarrays (PDF; 664 kB)
• Real-time audio signal enhancement for hands-free speech applications (PDF-Datei; 239 kB)
• Identifying Acoustic Bridges By Using Beamforming And Sound Intensity In SITU Measurement Technique (PDF-Datei; 1,2 MB)
• Rot bedeutet „Lärm“ – Akustikkamera spürt Geräuschquellen auf, Beitrag der Sendung nano bei 3sat am Freitag, 5. März 2010 (Video in der Mediathek nicht mehr abrufbar)
• Automatisches Radar-Richtmikrofon für die Sprachsteuerung auf Heise online vom 28. Februar 2017