Was ist der Unterschied zwischen Array-Mikrofonen und Beamforming?

Im Interview mit unserem Autor Uwe Agnes erläutert Fachplaner, AV-Spezialist und Dozent Guido Kacher den Unterschied zwischen Beamforming- und Array-Mikrofonen.

Guido Kacher ist seit 1990 Fachplaner für Audio-, Video- und Medientechnik. Darüber hinaus ist er in Fachausschüssen und wissenschaftlichen Vereinigungen des Fachgebiets aktiv, so zum Beispiel bei der Deutschen Gesellschaft für Akustik (DEGA) und dem Deutschen Institut für Normen (DIN). Seit 2007 ist er Dozent an der ARD.ZDF medienakademie, der ehemaligen Schule für Rundfunktechnik (SRT) in Nürnberg. Im folgenden Interview äußert sich Kacher nicht nur zum Unterschied Beamforming – Array, sondern erläutert auch, was in der Praxis beim Einsatz von Array-Mikrofonen zu beachten ist.

Interview

Der Begriff „Beamforming“ wird inzwischen weitgehend gleichbedeutend für Array- Mikrofone verwendet. Sehen Sie hier Bedarf zur Differenzierung?

Guido Kacher: Man muss hier in der Tat differenzieren. Das Beamforming-Verfahren wird allein zur Schall- Lokalisation verwendet. Zwar gibt es hier eine Anordnung, ein „Array“ von zahlreichen Mi rofonen, aber das Verfahren dient, zum Beispiel als „akustische Kamera“ durch Visualisierung, zur Analyse von schalltechnischen Sachverhalten. Dabei sind die Mikrofone räumlich meist deutlich voneinander getrennt, beispielsweise 30 oder 40 Zentimeter. Diese Abstände sind hier nicht etwa störend, da keine hörbare Summe gebildet wird; sie erleichtern vielmehr die mathematische Ermittlung der Schalleinfallsrichtung – meistens über Laufzeitunterschiede zwischen den Mikrofonen. Ein Beamforming- System nutzt also zwar ein Mikrofon- Array, ein Array-Mikrofon muss jedoch nicht dem Beamforming dienen.

Bei Array-Mikrofonen ist es im Gegensatz zu den Beamforming-Arrays wichtig, dass die einzelnen Mikrofonkapseln möglichst nah beieinander liegen, damit es nicht zu unerwünschten und störenden Interferenzeffekten führt. Denn hier werden viele oder auch alle Mikrofonkapseln zu einem akustischen abhörbaren Summensignal zusammengeführt. Dabei werden die Einzelsignale in der Regel durch eine elektronische Matrix oder ein DSP gewichtet und durch Anpassung von Pegel, Phase oder Frequenzspektrum die Hauptachse des Mikrofons verstellbar gestaltet.

Wenn wir uns von der Theorie zur Praxis bewegen – auf dem Papier klingt dieses Prinzip ja, etwas überspitzt formuliert, absolut traumhaft: ich hänge ein Array an die Decke und muss mich danach um nichts mehr kümmern. Ich habe ein System, das gewichtet, wer wo redet und jeder wird gehört und verstanden. Ist das tatsächlich so oder gibt es gewisse Probleme und Einschränkungen, von denen Sie wissen?

Guido Kacher: Array-Mikrofone für Konferenzräume werden meist mit größerem Besprechungsabstand genutzt und besitzen erhöhte Empfindlichkeit. Dadurch sind sie aber im Prinzip auch empfindlich gegenüber Lautsprecher-Interaktionen. Gegenüber einer klassischen Mikrofonierung im Nahbereich kann sich schon schneller eine Rückkopplungsschleife bilden. Das darf man in der direkten Interaktion von Array- Mikrofonen mit Lautsprechern nicht unterschätzen. Bei (Video-)Konferenzen ist es hingegen etwas anders. Mikrofone werden dabei von einem Codec bearbeitet, der über einen entsprechenden Algorithmus zur Unterdrückung der Echobildung über die Rückleitung verfügt. Das ist das Echo-Cancelling-Prinzip, was im Ergebnis zu einer akustisch besseren und „trockenen“ Wiedergabesituation führt.

Gibt es abgesehen von der Empfindlichkeit für Rückkopplungen, die ja offenbar technisch in den Griff zu bekommen ist, weitere Aspekte, die man beachten sollte?

Guido Kacher: Array-Mikrofone haben eine gewisse Richtempfindlichkeit. Das kann zu Nachteilen führen, zum Beispiel in Bezug auf Störschallquellen im Raum, etwa Lüftungsgeräusche von Projektoren oder theoretisch auch Straßenlärm. Wenn ein Array-Mikrofon ein Störgeräusch empfängt, ist es wahrscheinlich, dass dieser Störschall dann auch hörbar verstärkt wird. Gerade wenn ein Mikrofon eine gesteigerte Richtwirkung hat, und wenn, wie bei den Array-Mikrofonen, zusätzlich auch noch die Achse variabel ist, muss man sehr darauf achten, wohin die Empfindlichkeitsachse ausgerichtet wird. Das ist vergleichbar mit der Situation eines Reporters, der ein Richtmikrofon benutzt. Hält er das Mikrofon nur 15 Winkelgrad in die falsche Richtung, hört man nicht mehr den Interviewpartner, sondern vielleicht die drei Leute daneben.

Nur, bei einer Reportage sieht man eine falsche Ausrichtungsachse. Bei einem Array-Mikrofon sieht man dies nicht, da die Achse elektronisch, also unsichtbar, verstellt wird. Deshalb muss man die Lage sowie die Ausrichtung von Array-Mikrofonen besonders werten. Es ist auch sinnvoll, den Raum selbst besser zu bedämpfen, weil gerade Array-Mikrofone meist weiter von den Nutzschallquellen entfernt werden und es hierdurch im Signal zu größerem Raumanteil führt. Selbst ausrichtende Mikrofone haben zudem Beachtenswertes.

Ich habe zum Beispiel bei einer Inbetriebnahme erlebt, dass ein Fenster im Konferenzraum offen stand und sich nebenan eine Schule befand. Als dort die Pause begann und das Geschrei auf dem Hof groß war, hat sich das System auf diese Störschallquelle ausgerichtet. Man musste im Raum dann schon deutlich lauter reden, denn das Mikrofon konnte anhand des einfallenden Pegels nicht zwischen Schulhoflärm und sinnvollem Redebeitrag unterscheiden.

Herr Kacher, wir bedanken uns für das Gespräch.

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