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2025-02-04T17:58:21Z

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[[Datei:Mikrofonarray in einem aeroakustischen Windkanal.jpg|miniatur|Mikrofonarray<br />(die schwarzen Kreise im Hintergrund)<br />in einem [[Aeroakustik-Windkanal|aeroakustischen Windkanal]]<br />([[FKFS]], Stuttgart)]]
'''Beamforming''' (engl., wörtlich "Strahl-Formung") ist ein Verfahren zur [[Lokalisation (Akustik)|Positionsbestimmung]] von Quellen in [[Wellenfeld]]ern (z. B. [[Schallfeld]]ern). Entsprechende Vorrichtungen werden auch '''akustische Kamera''', '''Mikrofonarray''' oder '''akustische Antenne''' genannt.

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 ===
[[Datei:Beamforming.svg|miniatur|Messprinzip des akustischen Beamformings]]
Das [[Messprinzip]] beruht darauf, dass das [[Mikrofon]]<nowiki/>array auf die verschiedenen [[Messpunkt]]e auf dem Messobjekt fokussiert wird. Dies erfolgt durch eine Zeitverschiebung der vom jeweiligen Mikrofon erfassten [[Schall]]<nowiki/>signale, die der [[Laufzeitmessung|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 [[Dämpfung|gedämpft]], da deren Signale nicht mehr vollständig zeitkorrigiert sind und sich teilweise [[Interferenz (Physik) #Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude, aber unterschiedlicher Phase|destruktiv überlagern]]; hingegen wird der vom jeweiligen Messpunkt (Fokuspunkt) abgestrahlte Schall verstärkt.

Die Qualität des Beamformers wird oft durch die Verwendung aufwendiger [[Digitales Filter|digitaler Filter]] gesteigert.

[[Datei:Funktion mikrofonarray.jpg|500px|Funktionsprinzip eines Mikrofonarrays]]

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 [[Kennfarbe #Farbkennzeichnung in Diagrammen und anderen Abbildungen|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 [[Schallquelle]]n
* Ausblenden von [[Störschall|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 [[Mobiltelefon|Handy]]-[[Freisprecheinrichtung]]en in Fahrzeugen.

== Beamforming bei Antennen ==
=== Analoges Beamforming ===
Der bei [[Antennentechnik|Antennen für elektromagnetische Strahlung]] verwendete Begriff '''Beamforming network''' (BFN) steht für eine [[Elektronische Schaltung|Schaltung]], die das [[Richtcharakteristik|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.<ref>{{Internetquelle|autor=Christian Wolff|url=https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Digital%20Beamforming.de.html |titel=Digital Beamforming|werk=Radartutorial|datum=1998-11|abruf=2024-04-01}}</ref>

Die Antennen moderner [[Fernsehsatellit]]en besitzen ein Abstrahlungsprofil, das sich an der Kontur der Landfläche orientiert, auf der die Signale empfangen werden sollen. Dazu strahlen mehrere [[Rauscharmer Signalumsetzer|Feeds]] auf einen gemeinsamen [[Parabolantenne|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 ''{{Lang|EN|Beamform Prozessor}}'' jedem Einzelsignal mathematisch Phasen- und Amplitudenänderungen hinzugerechnet und so ein virtuelles [[Antennendiagramm]] mit unterschiedlicher Richtung erzeugt.<ref>{{Internetquelle|autor=C. Wolff|url=https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Digital%20Beamforming.de.html|titel=Digital Beamforming|werk=Radartutorial|sprache=de|abruf=2020-12-29}}</ref><ref>{{Internetquelle|autor=Annapolis Micro Systems, Inc.|url=https://www.annapmicro.com/solutions/digital-beamforming/|titel=Digital Beamforming|abruf=2024-04-01}}</ref>

== 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 [http://bebec.eu/ Berlin Beamforming Conference] mit weiterführender [http://www.bebec.eu/literature englischsprachiger Literatur]
* [http://www.gfai.de/~heinz/publications/papers/2005_Wien.pdf Einsatz einer akustischen Kamera zur NVH-Optimierung von Motor und Triebstrang] (PDF-Datei; 870 kB)
* [https://www.gfaitech.com/fileadmin/gfaitech/documents/publications/english/ac/transient-noise_source-localization-heilmann-jaeckel-2006.pdf Lokalisierung transienter Schallquellen] (PDF-Datei; 401 kB)
* [https://www.gfaitech.com/fileadmin/gfaitech/documents/publications/english/ac/time-domain-beamforming-3d-micarray-doebler-heilmann-meyer-2008-bebec.pdf Beamforming unter Anwendung von dreidimensionalen Mikrophonarrays] (PDF; 664 kB)
* [http://www.voiceinterconnect.de/tl_files/Veroeffentlichungen/vic_interspeech_2015_beamformer.pdf Real-time audio signal enhancement for hands-free speech applications] (PDF-Datei; 239 kB)
* [http://www.alava-ing.es/repositorio/7355/pdf/2854/2/identifying-acoustic-bridges-by-using-beamforming-and-sound-intensity-in-situ-measurement-technique.pdf?d=1 Identifying Acoustic Bridges By Using Beamforming And Sound Intensity In SITU Measurement Technique] (PDF-Datei; 1,2 MB)
* [http://www.3sat.de/page/?source=/nano/technik/142433/index.html 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)
* [https://heise.de/-3638859 Automatisches Radar-Richtmikrofon für die Sprachsteuerung] auf Heise online vom 28. Februar 2017

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Mikrofontechnik]]
[[Kategorie:Akustische Messtechnik]]
[[Kategorie:Akustisches Messgerät]]

Beamforming - Versionsgeschichte

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