ScanBeam

Schallkartierung per Continuous Scan Beamforming

Zielstellung des Projektes

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Implementierung von Verfahren und Algorithmen zur Reduzierung der in Arrays eingesetzten Mikrofonanzahl bei gleichzeitig deutlicher Verbesserung der Ortsauflösung und der Dynamik der resultierenden Schallkartierung. Die Grundidee dieses Multi-Reference Continuous-Scan Beamforming (MRCSBF) Verfahrens besteht darin, während einer Messung das Mikrofonarray kontinuierlich zu bewegen und somit bei jedem Abtastpunkt neue Koordinaten für die Mikrofone zu erhalten. Ändert sich das zu messende Signal nicht wesentlich, dann können diese neuen Positionen als Koordinaten virtueller Mikrofone in einem sehr großen Mikrofonarray betrachtet werden. Dadurch kann die Dynamik und vor allem die Auflösung bei tieferen Frequenzen auch mit kleinen und niederkanaligen Arrays erhöht werden. Um die Phasenkorrelation weiterhin konsistent zu halten, wird das Signal einer bestimmten Anzahl von nicht beweglichen Referenzmikrofonen zeitsynchron aufgezeichnet. Man erhält somit einen kontinuierlichen Scan des akustischen Signals, das dann mit entsprechenden, schon existierenden Beamforming-Verfahren ausgewertet werden kann. Zur Koordinatenermittlung der Mikrofone während des Scans wurde die in der GFaI entwickelte Lösung „Dynabeam“ verwendet.

Versuchsaufbau mit festem Array (oberhalb) für die Referenzmikrofone und handgeführtem kleinem Array.
Rechts: 2 Schallquellen (Terz 1 kHz) mit dem Dynabeam-Verfahren ohne Referenzmikrofone. Links: mit dem ScanBeam-Verfahren werden diese beiden Quellen trennbar. Arraydurchmesser nur 30 cm.

Projektergebnisse

Im Vergleich zu bereits existierenden Lösungen, bei denen z.B. ein rotierender Mikrofonarm genutzt wird und dadurch die resultierende Arrayapertur begrenzt bleibt, konnte im Projekt eine flexiblere Lösung mit einem frei bewegbaren Array umgesetzt werden. Ein Kernproblem bildete die notwendige Reduzierung des immensen Rechenaufwandes, der sich aus der Dimension der für das virtuelle Mikrofonarray resultierenden, erweiterten Kreuzspektralmatrix ergibt. Die Anzahl M der Sensoren im Array multipliziert sich mit der Anzahl  der Mess-Segmente S entlang der aufgezeichneten Arraytrajektorie. Damit ergibt sich sehr schnell eine zu verarbeitende Datenmenge von ca. 10 GByte für eine typische Messung.  

Im Ergebnis konnte dennoch gegenüber dem bisherigen Dynabeam-Verfahren eine deutliche Verbesserung der 3D-Quellentrennung erreicht werden. Bild 1 zeigt einen Versuchsaufbau, Bild 2 die mit ScanBeam-Verfahren erzielte Quellentrennung im Terzband von 1kHz.