Beamforming

Beamforming heißt, aus mehreren einzelnen Wandlern eine gerichtete Abstrahlung oder Aufnahme zu rechnen. Jeder Wandler bekommt dafür eine eigene Verzögerung und einen eigenen Pegel; in der gewünschten Richtung addieren sich die Anteile, in den übrigen löschen sie sich weitgehend aus. Weil die Richtung aus Rechenwerten folgt und nicht aus der Bauform, lässt sie sich im Betrieb ändern.

Ausführliche Erklärung

Wie aus Laufzeiten eine Richtung wird

Der Ausgangspunkt ist eine Anordnung mehrerer Wandler in bekanntem Abstand, ein Array. Bekommen alle dasselbe Signal zur selben Zeit, addieren sich ihre Beiträge dort am stärksten, wo alle Wege gleich lang sind: senkrecht vor der Anordnung. Verzögert man jeden Wandler um einen kleinen, gleichmäßig anwachsenden Betrag, wandert diese Stelle gleicher Weglängen zur Seite — die Hauptkeule schwenkt. Der nötige Betrag folgt direkt aus Geometrie und Schallgeschwindigkeit: Wandler im Abstand von 5 Zentimetern und ein Schwenk um 30 Grad verlangen zwischen benachbarten Wandlern rund 73 Mikrosekunden Unterschied.

Neben der Verzögerung gibt es einen zweiten Stellwert, den Pegel je Wandler. Er entscheidet über die Form der Keule: Werden die äußeren Wandler leiser betrieben als die mittleren, wird die Hauptkeule etwas breiter, dafür fallen die Nebenkeulen daneben deutlich schwächer aus. Zwischen Schärfe der Hauptkeule und Ruhe daneben lässt sich also abwägen, und diese Abwägung ist eine Einstellung und keine Eigenschaft des Geräts. Wie stark ein Array insgesamt bündelt, wird mit demselben Maß beschrieben wie bei jedem anderen Lautsprecher, dem Bündelungsmaß.

Auf der Empfangsseite läuft dasselbe Verfahren rückwärts. Ein Mikrofon-Array verzögert die Signale seiner Kapseln so, dass ein aus der gewählten Richtung einfallendes Ereignis in allen Kanälen zeitgleich liegt, und summiert dann. Schall aus anderen Richtungen kommt versetzt an und wird bei der Summierung geschwächt. Shure gibt für sein Deckenarray MXA920 an, dass acht solcher Aufnahmekeulen mit je eigenem Ausgang ausgerichtet werden können, wahlweise von Hand oder über eine Automatik, die Sprecher in vorher festgelegten Bereichen selbst findet.

Die beiden Grenzen: Baulänge unten, Wandlerabstand oben

Beamforming ist an dieselben zwei Grenzen gebunden wie jede Anordnung aus Einzelquellen, und beide sind Physik und keine Frage der Rechenkraft.

Nach unten begrenzt die Baulänge. Richtungssteuerung verlangt eine Ausdehnung, die im Verhältnis zur Wellenlänge steht. Ein 1,10 Meter langes Gerät misst bei 3 Kilohertz rund zehn Wellenlängen und kann dort scharf steuern; bei 300 Hertz entspricht seine Länge etwa einer Wellenlänge, und darunter strahlt es praktisch rundum ab, gleichgültig was der Prozessor rechnet. Deshalb ist der Bass eines beamformenden Geräts nie gerichtet, und deshalb bleibt die räumliche Wirkung solcher Systeme auf die oberen Oktaven beschränkt.

Nach oben begrenzt der Abstand der Wandler. Ist dieser Abstand größer als die halbe Wellenlänge, entstehen zusätzliche Hauptkeulen in falsche Richtungen — dasselbe Aliasing wie bei einer zu grob abgetasteten Zeitfunktion, nur im Raum statt in der Zeit. Anselm Goertz und Kollegen formulieren das Kriterium für Lautsprecheranordnungen so, dass der Abstand benachbarter Quellen in jeder Richtung die halbe Wellenlänge der höchsten angestrebten Frequenz nicht überschreiten darf. Bei 343 Metern je Sekunde heißt das: 5 Zentimeter Wandlerabstand funktionieren sauber bis rund 3,4 Kilohertz, 2 Zentimeter bis rund 8,5 Kilohertz. Wer höher hinauf steuern will, braucht kleinere Wandler in engerem Raster — und für dieselbe Baulänge entsprechend mehr davon. Aus diesen beiden Grenzen zusammen folgt die Bauform, die man bei solchen Geräten sieht: viele kleine Treiber dicht an dicht über eine möglichst große Breite. Yamaha nennt für den YSP-5600 vierundvierzig Beam-Treiber, jeden mit eigener Verzögerungszeit und eigener Verstärkerschaltung, dazu zwei separate Tieftöner.

Warum der Raum mitentscheidet

Ein Lautsprecher-Array im Wohnzimmer sendet seinen Strahl nicht ins Freie. Soll aus einer Leiste unter dem Fernseher ein Ton von hinten links werden, muss der Strahl an der Seitenwand und meist noch an einer zweiten Fläche reflektiert werden, bevor er den Hörplatz erreicht. Yamaha beschreibt genau das als Wirkungsweise: Die Strahlen werden auf Wände und Decke gerichtet und von dort zum Hörplatz zurückgeworfen.

Damit hängt das Ergebnis an Dingen, die nicht im Gerät stecken. Die Fläche muss vorhanden, hinreichend groß, glatt und reflektierend sein; ein offener Durchgang zur Küche, ein schwerer Vorhang oder eine Dachschräge auf einer Seite nimmt dem Verfahren die Grundlage. Zwei Wohnzimmer mit demselben Gerät können deshalb hörbar verschieden klingen, ohne dass eines davon falsch eingerichtet wäre. Aus demselben Grund arbeiten diese Geräte mit einer Einmessung: Yamaha legt dem YSP-5600 ein Mikrofon bei, mit dem die Strahlführung auf den konkreten Raum eingestellt wird.

Für die Aufnahmeseite gilt der Spiegelfall. Eine Keule, die auf den Sprecher zeigt, unterdrückt Störschall aus anderen Richtungen — aber nur den direkten Anteil. Was der Raum als Nachhall zurückwirft, kommt aus allen Richtungen und damit auch aus der Keule. Deshalb verbessert ein Mikrofon-Array die Sprachverständlichkeit in einem halligen Raum weit weniger, als der Blick auf das Richtdiagramm vermuten lässt.

Ob eine beamformende Leiste reale Surround-Lautsprecher ersetzen kann, entscheidet sich an drei Größen: an den Flächen links und rechts des Hörplatzes, an deren Symmetrie und am Anspruch — Atmosphäre oder ortbare Effekte. Stehen auf beiden Seiten große, glatte Flächen und geht es um Atmosphäre, kommt das Verfahren dem Ziel nahe, ohne dass Kabel in die Seitenwände müssen. Fehlt eine Seite oder unterscheiden sich beide deutlich, wird die Asymmetrie hörbar, und reale Lautsprecher sind der ehrlichere Weg. Eine Raumbedingung, unter der der Ersatz allgemein gilt, gibt es nicht — je genauer Grundriss, Oberflächen und Anspruch bekannt sind, desto klarer fällt die Wahl.

Feste und mitlaufende Steuerung

Zwei Betriebsarten sind zu unterscheiden. Bei der festen Steuerung werden Verzögerungen und Pegel einmal berechnet und bleiben stehen; das Gerät strahlt dann dauerhaft in die eingerichtete Richtung. So arbeiten Soundbars, deren Strahlführung bei der Einmessung festgelegt wird.

Bei der mitlaufenden Steuerung rechnet der Prozessor die Belegung laufend neu, weil sich das Ziel bewegt — der Sprecher steht auf, ein anderer übernimmt. Aufnahmeseitig ist das der Normalfall, und Shure beschreibt für sein Deckenarray genau diesen Betrieb: Sprecher werden in festgelegten Bereichen selbsttätig erfasst, ohne dass jemand eine Keule ausrichtet. Der Preis dafür ist Rechenzeit im Signalweg, die zur Latenz der Kette hinzukommt, und ein Verhalten, das sich nicht mehr aus dem Datenblatt vorhersagen lässt.

Häufiges Missverständnis

„Beamforming erzeugt echte Surround-Kanäle aus einem Gerät." Das ist die Erzählung der Produktbeschreibungen, und sie überspringt die Voraussetzung. Der Strahl erzeugt keinen Lautsprecher an der Seitenwand, er nutzt die Seitenwand als Spiegel. Fehlt die Fläche oder schluckt sie den Schall, fehlt der Kanal — bei einem realen Rücklautsprecher wäre er da. Was ein gut eingerichtetes Array in einem passenden Raum leistet, ist beachtlich; was es leistet, hängt aber vom Raum ab und nicht vom Preis des Geräts.

Der zweite Kurzschluss betrifft die Zahl der Wandler. „Mehr Treiber, schärfere Strahlen" gilt so nicht. Für die Schärfe zählt die Länge der Anordnung, für die obere Arbeitsgrenze der Abstand zwischen den Wandlern. Vierzig eng gesetzte Treiber auf 40 Zentimetern steuern nach oben hin sauber, aber wegen der kurzen Baulänge nur unscharf; vier Treiber auf 1,20 Metern haben die Länge, strahlen bei 40 Zentimetern Abstand aber schon oberhalb von rund 430 Hertz in falsche Richtungen ab. Beide Größen müssen zusammenpassen.

Nicht zu verwechseln mit

• Line Source und Zeilenstrahler: eine Zeile aus Einzelquellen, die alle dasselbe Signal zur selben Zeit bekommen. Ihre Richtwirkung steckt in der Geometrie und ist im Betrieb unveränderlich. Ein beamformendes Array kann dieselbe Zeile sein — mit dem Unterschied, dass jeder Wandler seinen eigenen Verstärkerkanal und seine eigene Verzögerung hat.
• Horn und Waveguide: mechanische Richtungssteuerung an einem einzelnen Wandler. Sie kostet keine Rechenzeit und keine Endstufenkanäle, lässt sich dafür nach dem Bau nicht mehr ändern.
• Virtualisierung über Übersprechkompensation: ein Verfahren, das die Signale so aufbereitet, dass an den beiden Ohren die gewünschten Druckverläufe entstehen. Es rechnet am Ohrsignal und braucht keine gerichtete Abstrahlung; Beamforming rechnet an der Abstrahlrichtung. In Soundbars kommen beide Verfahren vor, oft nebeneinander.
• Raumkorrektur: korrigiert den Frequenzgang am Hörplatz. Ein Abstrahlverhalten lässt sich damit nicht herstellen, und ein gerichteter Strahl ersetzt keine Korrektur.
• Richtmikrofon mit Interferenzrohr: erzeugt Richtwirkung akustisch in einem einzigen Wandler. Die Richtung liegt in der Achse des Rohrs und wird durch Drehen geändert, nicht durch Rechnen.

In der Planung

Ein Wohnzimmer mit offener Küche auf der linken Seite, rechts eine durchgehende Wand, dahinter eine Sitzgruppe. Gewünscht ist Filmton mit räumlicher Wirkung, ohne Lautsprecher an den Seitenwänden.

Zuerst zu klären ist der Anspruch: Soll die Umgebung als Atmosphäre wahrnehmbar sein, oder sollen einzelne Effekte hörbar von hinten kommen? Für Atmosphäre reicht ein Verfahren, das den Klang breiter macht. Für ortbare Effekte braucht es eine Schallquelle an der Stelle, real oder gespiegelt — und damit auf beiden Seiten eine brauchbare Fläche.

Erst danach kommt die Verfahrenswahl, und hier entscheidet der Raum selbst. Links fehlt die Wand; ein Strahl in diese Richtung geht in die Küche und kommt nicht zurück. Ein beamformendes Gerät würde also rechts einen ortbaren Effekt liefern und links keinen, was schlechter ist als beidseitig keiner, weil die Asymmetrie hörbar wird. Bleibt die Entscheidung zwischen zwei realen Rücklautsprechern und dem Verzicht auf ortbare Effekte. Welches Gerät es wird, klärt sich zuletzt, und die Frage lautet dann enger als „welche Soundbar": Bei einem realen Rücklautsprecherpaar geht es um Anschluss und Aufstellung, beim Verzicht um ein Gerät, das seine Breitenwirkung ohne Reflexionsannahmen erzeugt.

Für die Aufnahmeseite verläuft dieselbe Kette anders herum: Zuerst die Frage, welche Bereiche eines Raums abgedeckt sein müssen, dann die Entscheidung zwischen fest ausgerichteten und mitlaufenden Keulen, und zuletzt die Frage nach der Nachhallzeit — denn ohne akustische Behandlung des Raums bleibt der Gewinn eines Arrays klein.

Verknüpfte Inhalte

Die geometrische Verwandte ohne Steuerung ist die Zeile aus Einzelquellen; ihre beiden Grenzen stehen bei Line Source und Zeilenstrahler. Wie Richtwirkung gemessen wird, erklärt der Eintrag zu Richtwirkung und Bündelungsmaß, und was gleichbleibende Richtwirkung über der Frequenz bedeutet, der Eintrag zur Richtwirkungskonstanz. Die mechanische Alternative behandeln Horn und Waveguide. Warum Laufzeitunterschiede überhaupt zu Auslöschung und Verstärkung führen, steht beim Eintrag zur Phase; wo die Rechenleistung dafür sitzt, beim Eintrag zum DSP. Für die Gerätegattung, in der Beamforming im Wohnraum am häufigsten vorkommt, gibt es den Eintrag zur Soundbar, und wie Kanäle benannt werden, klärt die Kanal-Notation.

Quellen

Das Abtastkriterium für den Wandlerabstand — halbe Wellenlänge der höchsten angestrebten Frequenz — stammt von Anselm Goertz und Kollegen aus einer Arbeit zu Tieftonanordnungen und ist über das interne AVITECT-Recherchebriefing zur Grenzfrequenzregel für Bassarrays belegt, das die Arbeit am Objekt gelesen hat; dasselbe Briefing ordnet es ausdrücklich dem allgemeinen Kriterium der Arraytheorie zu. Die Beschreibung eines beamformenden Lautsprecher-Arrays mit eigener Verzögerung und eigener Verstärkerschaltung je Treiber sowie die Reflexion der Strahlen an Wänden und Decke sind Herstellerangaben von Yamaha zum YSP-5600, ebenso die Einmessung mit beiliegendem Mikrofon. Die Angaben zur Aufnahmeseite — acht ausrichtbare Keulen mit eigenem Ausgang, automatische Erfassung von Sprechern in festgelegten Bereichen — gibt Shure für sein Deckenarray MXA920 an. Die Umrechnungen des Abstandskriteriums in Frequenzen und die Abschätzung der unteren Steuerungsgrenze über die Baulänge sind eigene Rechnungen.