Beamforming mit Mikrofonarrays Markus Kasemann

Beamforming was ist das? Beamforming Der Begriff Strahl : räumliche Selektivität ein Ziel kann genau anvisiert werden es wird etwas generiert, dass an den Zielort transportiert wird Formung : die Zielortverteilung kann genau bestimmt werden Copyright 2015 by InfoComm International

Beamforming was ist das? Beamforming Wortgebrauch Von Beamforming wird gesprochen, wenn durch Verschaltung mehrerer Sensoren (Antennen, Mikrofone, etc ) oder Aktoren (Antennen, Lautsprecher) das räumliche Abstrahl- oder Aufnahmeverhalten der Anordnung beeinflusst wird. BSP: Radarantenne, Lautsprecher-Line-Array, Revoluto Copyright 2015 by InfoComm International

Beamforming was ist das? Beamforming Wortgebrauch Für Mikrofonarrays ist der Begriff irreführend, da gar kein Strahl erzeugt wird. (Analogie: Kamera kann auch nicht schießen) Der Begriff hat sich aber durchgesetzt und ist ja auch schön griffig. Copyright 2015 by InfoComm International

Beamforming was ist das? Beamforming vs. Beamsteering Beamforming bezeichnet alle Arten der Strahlformung fest oder adaptiv. Beamsteering bedeutet Veränderliches Beamforming ERGO: Beamsteering ist immer Beamforming, Beamforming aber nicht immer Beamsteering. Copyright 2015 by InfoComm International

Beamforming mit Mikrofonarrays Beamforming - Was ist das? - Wie funktioniert das? - Was kann man damit machen?

Wir konzentrieren uns auf Mikrofonarrays Prinzipien meist invertierbar Mikrofone einfacher, da annähernd punktförmig Technische Grundbausteine Additive Arrays Subtractive Arrays

Additive Arrays Das Signal zweier Mikrofonkapseln wird addiert

Additive Arrays Signale aus der Nutzrichtung werden verstärkt. Frequenzunabhängiges Verhalten Verdopplung der Mikrofonanzahl: 3dB SNR Gewinn

Additive Arrays Signale aus der Rückwärtsrichtung werden ebenfalls verstärkt. Kugelkapseln vorausgesetzt

Additive Arrays Seitlich einfallende Signale werden ebenfalls verstärkt

Additive Arrays Seitlich einfallende Signale werden ebenfalls verstärkt oder auch nicht.

Additive Arrays Dito für schräg einfallende Signale

Additive Arrays Aus Nutzrichtung: linearer Frequenzgang SNR Gewinn Rückwärtsunterdrückung Keine Verbesserung durch Arraybildung Seitenunterdrückung: Abhängig von Frequenz und Mikrofonabstand

Additive Arrays - Ein Beispiel: Abstand der Mikrofone: 10cm Frequenz: 100Hz Wellenlänge: 343cm 10 cm

Additive Arrays - Kompromisse: Gute Richtwirkung für tiefe Frequenzen: Mikrofone so weit wie möglich auseinander Keine Sidelobes bei höheren Frequenzen: Mikrofone so nah wie möglich zusammen

Additive Arrays - Nahbesprechung: Nutzrichtung: unverändert Seiteinfall: näheres Mikrofon lauter als andere Arraywirkung nimmt ab

Additive Arrays - Zusammenfassung: SNR Gewinn Frequenzabhängige Richtwirkung Off-Axis Verfärbung Richtwirkung bei tiefen Frequenzen nur mit großen Arrays Richtwirkung nur 2D Kein ausgeprägter Nahbesprechungseffekt

Subtractive Arrays (Superdirective / Dipol) Das Signal zweier Mikrofonkapseln wird subtrahiert

Superdirective Arrays Signale aus der Nutzrichtung: Tiefe Frequenzen werden gedämpft. Hohe Frequenzen werden verstärkt Zu Hohe Frequenzen werden wieder gedämpft Usw.

Superdirective Arrays Signale aus der Nutzrichtung: D = 2cm

Superdirective Arrays Signale aus der Nutzrichtung: D = 10cm

Superdirective Arrays Signale von der Seite: werden frequenzunabhängig unterdrückt Signale von Hinten: Gleich wie vorne jedoch Phasenverkehrt

Superdirective Arrays Aus Nutzrichtung: Tiefenabfall SNR Verlust Rückwärtsunterdrückung Keine Verbesserung durch Arraybildung Seitenunterdrückung: Frequenzunabhängig

Superdirective Arrays Richtwirkung: D = 2cm @ 100Hz

Superdirective Arrays - Kompromisse Gutes SNR für tiefe Frequenzen: Mikrofone so weit wie möglich auseinander Nutzbarkeit bei hohen Frequenzen: Mikrofone so nah wie möglich zusammen

Superdirective Arrays - Nahbesprechung Nutzrichtung: näheres Mikrofon lauter Kein Dipol mehr -> mehr Bässe als Dipol Nahbesprechungseffekt Seiteinfall: Keine Veränderung

Superdirective Arrays 3D Richtwirkung

Superdirective Arrays Zusammenfassung Frequenzunabhängige Richtwirkung Keine Off-Axis Verfärbung Gute Richtwirkung bei tiefen Frequenzen 3D Richtwirkung SNR Verlust bei tiefen Frequenzen Nahbesprechungseffekt Starke Änderung des Frequenzgangs bei Nahbesprechung

Superdirective Arrays Sonderfälle Mechanische Umsetzung: Membranresonanz führt zu rauschfreier Verstärkung! =

Superdirective Arrays Sonderfälle Niere Signale verzögern und abziehen:

Superdirective Arrays Sonderfälle Niere Signale verzögern und abziehen ΔT ist die Schalllaufzeit zwischen den Mikrofonen ΔT =

Superdirective Arrays Sonderfälle - Niere Nutzrichtung: Delay verdoppelt Mikrofonabstand Mehr Pegel (6dB) Niedrigere Grenzfrequenz Seite: Keine Auslöschung, sondern -6dB Hinten: Mikros sind durch Delay am gleichen Ort Auslöschung ΔT =

Superdirective Arrays Sonderfälle - Niere Signale aus der Nutzrichtung: D = 2cm Acht vs Niere ΔT =

Superdirective Arrays Sonderfälle - Niere Signale aus der Nutzrichtung: D = 2cm 1000Hz ΔT =

Superdirective Arrays Sonderfälle - Niere ΔT ungleich Schalllaufzeit ergibt andere Richtwirkungen.

Grundbausteine - Gegenüberstellung Additive Superdirective Richtwirkung Frequenzabhängig Frequenzunabhängig SNR Verbesserung Verschlechterung Nahbesprechung Richtwirkung anders Frequenzgang anders Großer Mikroabstand Kleiner Mikroabstand Starke Richtwirkung, aber Sidelobes Schwache Richtwirkung, keine Sidelobes Gutes SNR, aber Frontlobes Schlechtes SNR, aber hohe Grenzfrequenz

Grundbausteine Prinzipielles Gute Richtwirkung für tiefe Frequenzen geht durch Größe oder Rauschen Vielleicht haben sie Beamforming schon öfter als relativ einfache straight-forward Technik gehört. Grund vielleicht: Bei HF ist die Theorie viel einfacher, dafür die praktische Umsetzung schwieriger. (WLAN 12-12,5cm) Audio 50Hz-12,8kHz: 8 Oktaven (6,8m 2,7cm)

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln, Beamsteering, etc

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Beispiel: 5 Nieren 14cm linear verteilt

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Beispiel: 5 Nieren 14cm linear verteilt 1000, 2000, 4000, 8000Hz

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Beispiel: 5 Nieren 14cm linear verteilt 1000, 2000, 4000, 8000Hz Gesamtbreite bestimmt Seitenunterdrückung Keiner Mikroabstand innen dämpft Sidelobes

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Beispiel: 5 Nieren 14cm linear verteilt 1000, 2000, 4000, 8000Hz VORSICHT: Hohe Frequenzen zu stark gebündelt! Extreme Färbung

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Wie müsste es sein? Beispiel: 5 Kapseln 12cm Array 2300Hz 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Wie müsste es sein? Beispiel: 5 Kapseln 12cm Array 500Hz Superdirective - Rauschen 13.9-7.2-8.7-7.2 13.9

Erweiterungsmöglichkeiten Mehr Kapseln Wie müsste es sein? Beispiel: 5 Kapseln 12cm Array 8200Hz Array verkleinert etwas mehr Rauschen 0.0 1.3 2.4 1.3 0.0

Erweiterungsmöglichkeiten Beamsteering Idee: Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen Dadurch entsteht ein neuer 0 Winkel

Erweiterungsmöglichkeiten Beamsteering Idee: Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen Dadurch entsteht ein neuer 0 Winkel 1s 1s+d1

Erweiterungsmöglichkeiten Beamsteering Idee: Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen Dadurch entsteht ein neuer 0 Winkel VORSICHT: Delays stimmen nur für EINEN Winkel! 1s 1s+d1

Erweiterungsmöglichkeiten Beamsteering

Erweiterungsmöglichkeiten Beamsteering ERGO: Bei Beamsteering ist Vorsicht geboten Es funktioniert, aber nur in Grenzen Symmetrische Anordnungen bevorzugt

Ein konkretes Mikrofonarray Beyerdynamic RM31Q Design: 5 Nierenkapseln gleichmäßiger Frequenzgang im vorderen Einsprechbereich. niedriges Rauschen im gut hörbaren Frequenzbereich.

Beamforming was kann das? Beamforming was kann man damit machen? Prinzipiell alles, also nähern wir uns der Frage nach einzelnen Teilaspekten. SNR Richtwirkung

Beamforming was kann das? SNR Kann ich jetzt weiter weggehen?

Beamforming was kann das? SNR Kann ich jetzt weiter weggehen? Ja und Nein Ist ein Array additiv und ordentlich gemacht, dann hat es gegenüber einer einzelnen Mikrokapsel ein besseres SNR.

Beamforming was kann das? SNR Kann ich jetzt weiter weggehen? Ja und Nein Ist ein Array additiv und ordentlich gemacht, dann hat es gegenüber einer einzelnen Mikrokapsel ein besseres SNR. Faustregel: Kapselzahl vervierfacht -> SNR 6dB besser -> doppelter Abstand möglich ABER: Nicht immer alle Kapseln aktiv

Beamforming was kann das? SNR Kann ich jetzt weiter weggehen? Ja aber keine Wunder erwarten! Technikersicht: Wenn ein Kunde das Mikrofon gerne weit weg stellen möchte, dann ist das mit einem Array weniger schlimm.

Beamforming was kann das? SNR Kann ich jetzt weiter weggehen? VORSICHT: Das gilt für additive Arrays Subtraktive Arrays sind im SNR eher schlechter als eine Einzelkapsel.

Beamforming was kann das? Richtwirkung Wie eng geht das denn jetzt?

Beamforming was kann das? Richtwirkung Wie eng geht das denn jetzt? Akustische Kamera mit 1-2m Ausmaß und schlechter Audioqualität kann sehr sehr eng (Auflösung im cm Bereich) aber: Riesig und darf ein bisschen rauschen Wie eng ist gut? Zu enge Mikrofonie schränkt eher ein als zu helfen.

Beamforming was kann das? Richtwirkung Wie eng geht das denn jetzt? Generell: Breitbandige Richtwirkung braucht eine gewisse Größe hier ca. 18cm

Beamforming was kann das? Richtwirkung Wie eng geht das denn jetzt? Generell: Halbierung der Größe: Effekt setzt eine Oktave höher ein Kleines Array kann also sehr Effektvoll klingen, weil die Höhen auch hier sehr stark gerichtet werden können

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich jetzt weiter weg? Diffus- und Direktschallverhältnis Feedback

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich jetzt weiter weg? Ja: Durch Verengung der Richtcharakteristik wird weniger Raumanteil aufgenommen Feedbackgefahr wird verringert

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich jetzt weiter weg? ABER: Bei RM31Q Richtwirkung nur vertikal, horizontal Niere Vorteil:» Seitlich ist mehr Bewegungsfreiheit» Zwei Sprecher, ein Mikrofon Reflexionen/Feedback von Decke und Boden minimiert Seitlich aber nicht.

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich jetzt weiter weg? Technikersicht: Wenn ein Kunde das Mikrofon gerne weit weg stellen möchte, dann ist das mit einem Array weniger schlimm.

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich den Beam schwenken?

Beamforming was kann das? Richtwirkung Kann ich den Beam schwenken? Hängt natürlich vom konkreten Array ab Die Technologie erlaubt es Faustregel: Die Geometrie des Arrays gibt die Schwenkbarkeit vor Rotationssymmetrisch (Kreis o.ä.): Gut schwenkbar Stark gerichtet (Linie o.ä.): Gering schwenkbar

Beamforming mit Mikrofonarrays Beamforming Fazit

Beamforming mit Mikrofonarrays Beamforming Fazit In einer Welt von Technikern bekommt jeder Redner sein eigenes Mikrofon dass er mit den Lippen berührt um dann laut und deutlich hineinzusprechen Das ergibt ein rauscharmes, trockenes, feedbackfreies Signal Herrlich!

Beamforming mit Mikrofonarrays Beamforming Fazit In der Welt der Kunden wollen aber manche nicht durch das Mikrofon eingeschränkt werden das Mikrofon aus dem Sichtfeld haben die Hände frei haben

Beamforming mit Mikrofonarrays Beamforming Fazit Mikrofonarrays können dabei helfen! Mit Verstand eingesetzt minimieren sie die dabei entstehenden Probleme.