Was ist Audio-Beamforming?

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Tyler Hayes/Review Geek

Audio-Beamforming-Systeme steuern, wie sich Schall durch den Raum bewegt. Beamforming wird häufig in omnidirektionalen Lautsprechern und geräuschreduzierenden Mikrofonen eingesetzt, aber beeindruckendere Anwendungsfälle, einschließlich “unsichtbarer Kopfhörer”, stehen kurz vor dem Horizont.

Dank Audio-Beamforming können Lautsprecher und Mikrofone eine Vielzahl von Problemen überwinden, z B. unerwünschte Geräusche oder schlechte Raumakustik. Aber Beamforming ist mehr als nur ein Trick zur Audioverbesserung, und es wird unsere Vorstellung von Sound komplett revolutionieren.

Inhaltsverzeichnis

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Was ist Audio Beamforming?
Wie funktioniert Audio Beamforming?
Verwenden irgendwelche Produkte Beamforming Audio?
Die Zukunft von Beamforming Audio ist unglaublich

Was ist Audio Beamforming?

Audio Beamforming, auch genannt Acoustic Beamforming ist eine Technik, mit der Sie den Weg einer Schallwelle in einer Umgebung messen und steuern können. Diese Technik kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, obwohl sie in erster Linie ein Werkzeug zur Audioverbesserung ist.

Moderne Mikrofone, insbesondere solche, die in Smartphones, Kopfhörer oder intelligente Lautsprecher integriert sind, verwenden akustisches Beamforming, um Hintergrundgeräusche aus Ihrer Stimme zu entfernen. Der Prozess hier ist ziemlich einfach – ein Mikrofon hört auf Ihre Stimme, während sich ein zusätzliches Mikrofon (oder eine Reihe von Mikrofonen) auf Hintergrundgeräusche konzentriert. Die Hintergrundgeräuschdaten werden in Echtzeit von Ihrer Stimme subtrahiert, wodurch die Sprachverständlichkeit automatisch verbessert wird.

Dieser Audioverbesserungstrick kann auf Lautsprecher ausgedehnt werden. Viele Soundbars, AVRs und intelligente Lautsprecher verwenden Mikrofone, um zu hören, wie Audio mit Ihrem Raum interagiert (normalerweise durch einen einmaligen Einrichtungsprozess). Von dort aus verwendet ein Computer die Mikrofondaten, um die Ausgangseinstellungen anzupassen und Reflexionen, Resonanzen und andere akustische Störfaktoren in Ihrem Raum auszugleichen.

Einige Soundbars verwenden Beamforming für virtuellen Surround-Sound. Justin Duino/Review Geek

In einigen Fällen ist diese Art der Beamforming-Audioverbesserung einfach EQ; Durch das Abschneiden problematischer hoher Frequenzen um einige Dezibel können Audioreflexionen reduziert werden, wodurch Sie ein viel klareres Audiosignal erhalten. Komplexere Systeme können jedoch ein Surround-Sound-Setup imitieren oder Musik ausgeben, die unabhängig von Ihrer Position im Raum konsistent klingt (in Bezug auf Lautstärke und Klarheit).

Aber die fortschrittlichsten Beamforming-Systeme sind wie Magie. “Unsichtbare Kopfhörer” ist das klassische Beispiel: Sie können Audio-Beamforming verwenden, um eine „Blase“ zu senden. von Schall auf einen bestimmten Teil des Raums. Jeder außerhalb dieser Blase wird den Ton nicht hören. In Kombination mit Gesichtsverfolgungskameras kann dieses System eine “sich bewegende Blase” das folgt dem Zuhörer.

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Um es klar zu sagen, das Konzept des akustischen Beamforming existiert seit Jahrzehnten. Aber es erfordert eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung (DSP) und eine Reihe von Mikrofonen – zwei Dinge, die bis vor kurzem nicht in ein Gerät auf Verbraucherebene integriert werden konnten.

Das sollten wir auch beachten Beamforming ist ein langjähriger Bestandteil der Funk-, Mobilfunk- und drahtlosen Internetübertragung, da es mehreren Antennen ermöglicht, ihre Ausgabe zu einem kohärenten Signal zu lenken und zu kombinieren.

Wie funktioniert Audio Beamforming?

Das Noveto N1 , ein ausgefallener “unsichtbarer Kopfhörer” System. Josh Hendrickson/Review Geek

Schall ist eine Druckwelle; eine Schwingung, die durch Luft, Wasser und feste Masse getragen wird. Wenn Sie in die Hände klatschen, bringt der Schalldruck Luftmoleküle dazu, neben benachbarter Materie zu schwingen. Dies erzeugt eine Kaskade oder eine "Welle" wo Moleküle wie Billard aneinanderstoßen und es dem Schalldruck ermöglichen, sich von seiner Quelle weg zu bewegen.

Luftmoleküle sind natürlich etwas beabstandet. Wenn also der Schalldruck ein Luftmolekül dazu zwingt, gegen seine Nachbarn zu prallen, steigt der Luftdruck leicht an – die Moleküle werden stärker „komprimiert“; als normal. Aber der Druck bewegt sich schnell vorwärts und zieht Moleküle hinter sich her. Mit anderen Worten, der Bereich, der einst “komprimiert” ist jetzt “verfeinert” und hat einen niedrigeren Luftdruck als normal.

Diese Schwankungen von “komprimierter” und “selten” Druck bildet eine Schallwelle. Wenn Sie sich eine Abbildung einer Sinuswelle ansehen, werden Sie feststellen, dass sie Spitzen und Täler hat. Diese Höhen und Tiefen entsprechen den komprimierten und verdünnten Bereichen der Welle. (Amplitude bezeichnet Lautstärke oder Lautstärke, während Wellenlänge der Tonhöhe eines Tons entspricht.)

Dream01/Shutterstock.com

Zwei Sounds können problemlos im selben Raum koexistieren . Aber wie Sie vielleicht beim Einrichten eines Heimkinos oder Musikstudios erfahren, können Schallwellen miteinander interagieren. Und die bemerkenswerteste Interaktion, zumindest für unsere Zwecke, ist die Phasenauslöschung.

Die Spitzen und Täler einer Schallwelle entsprechen Luftdruckänderungen. Wenn wir also einen Ton auslöschen wollen, müssen wir nur den Luftdruck manipulieren, um jegliche „Kompression“ zu verhindern. oder “Rarität.” Dies scheint schwierig, aber die Phasenauslöschung bietet eine einfache Lösung – erzeugen Sie eine identische Schallwelle, kehren Sie ihre Phase um (tauschen Sie die Spitzen und die Täler) und lassen Sie sie die ursprüngliche Schallwelle abfangen. Dies glättet die Änderungen im Luftdruck und &8220;löscht&8221; sowohl die ursprünglichen als auch die gegenphasigen Schallwellen.

Die Phasenauslöschung ist normalerweise “destruktiv” Dies bedeutet, dass dies ein unerwünschtes und unbeabsichtigtes Ergebnis einer schlechten Raumakustik oder einer falschen Lautsprecherinstallation ist. Aber es ist auch das Schlüsselkonzept hinter Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung. Und wie Sie wahrscheinlich erraten können, verwendet Beamforming-Audio viel Phasenauslöschung. Komplizierte Algorithmen ermöglichen es Beamforming-Lautsprechern, Audio in einem Raum – dies kann verwendet werden, um eine persönliche „Blase“ zu erstellen. von Ton um einen Zuhörer herum, vorausgesetzt, es gibt Kameras (oder andere optische Systeme), die den Kopf des Zuhörers verfolgen können (plus Mikrofone, um Probleme mit dem Audiosignal zu erkennen und zu korrigieren).

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Beamforming wird jedoch normalerweise verwendet, um die Klangbühne eines Lautsprechers zu erweitern (damit jeder Platz der „beste Platz im Haus“ ist) oder um ein Audiosignal zu verbessern (indem problematische Frequenzen entfernt werden, die um den Lautsprecher herumhüpfen). Raum und erzeugen Echos oder Resonanzen).

Verwenden irgendwelche Produkte Beamforming Audio?

Tyler Hayes/Review Geek

Obwohl es wie eine futuristische Technologie klingen mag, ist Audio-Beamforming ziemlich verbreitet. Sie finden es in den meisten geräuschreduzierenden Mikrofonen, obwohl die bemerkenswerteste Verwendung von Beamforming-Audio (zumindest in einem Gerät der Verbraucherklasse) Apples HomePod ist.

Der HomePod enthält vier Mikrofone und fünf Lautsprecher (acht Lautsprecher, wenn Sie das Originalmodell besitzen). Diese Mikrofone und Lautsprecher sind in alle Richtungen ausgerichtet, was zu Problemen führen kann – zwei der Mikrofone haben immer Probleme, Ihre Stimme zu hören (je nachdem, wo Sie stehen), und Gegenstände in Ihrem Raum behindern jeden Lautsprecher ;s Audiosignal, was zu ungleichmäßiger Lautstärke, Resonanzen und Reflexionen im Raum führt.

Apple verwendet Beamforming, um diese beiden Probleme zu lösen. Der HomePod hört auf die Position Ihrer Stimme und passt seine Mikrofoneinstellungen entsprechend an – er „fokussiert“ auf das Mikrofon, das Ihnen zugewandt ist, und es verwendet die beiden verbleibenden Mikrofone, um Daten für die Unterdrückung von Hintergrundgeräuschen zu sammeln, wodurch die Verständlichkeit Ihrer Sprachbefehle verbessert wird.

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Diese Mikrofone bewerten auch, wie die Lautsprecher des HomePods mit einer Umgebung interagieren. Als Ergebnis kann der HomePod jeden seiner Lautsprecher automatisch optimieren, um unabhängig von Ihrer Position im Raum einen konsistenten Klang zu liefern. Wird ein HomePod beispielsweise neben einer Wand aufgestellt, können die der Wand zugewandten Lautsprecher heruntergeregelt oder entzerrt werden, um bestimmte Reflexionen oder Resonanzen zu begrenzen. (Einige Soundbars verwenden akustisches Beamforming für ähnliche Audioverbesserungsfunktionen.)

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Als fortgeschritteneres Beispiel gibt es immer das Razer Leviathan V2 Pro. Es verwendet Beamforming-Technologie, um „unsichtbare Kopfhörer“ zu schaffen. um den Zuhörer herum. Im Wesentlichen verfolgt ein optisches System die Position Ihres Kopfes. Ein Algorithmus verwendet diese Daten, um ein Audiosignal digital zu verarbeiten, wodurch das Beamforming-Signal entsteht, das nur Sie als Benutzer hören können.

Ich sollte wiederholen, dass Acoustic Beamforming eine Signalverarbeitungstechnik ist. Es erfordert Software und ist kein vollständig mechanischer Prozess. Allerdings ist die Idee der kontrollierten Audioverbreitung nichts Neues. Große Lautsprecher haben oft eine trapezförmige Vertiefung um ihren Hochtöner, die den Ton nach vorne leitet und Leckagen nach links und rechts reduziert. Und damals verkaufte Polk Lautsprecher mit seiner patentierten Stereo Dimensional Array (SDA)-Technologie, die Dutzende von Tricks (einschließlich Phasenauslöschung) nutzte, um einen „Wraparound“ zu schaffen. Stereoklangbühne.

Die Zukunft von Beamforming-Audio ist unglaublich

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Acoustic Beamforming ist eine komplizierte Technologie, die a viel Platz zum Wachsen. Produkte wie der HomePod sind beeindruckend und praktisch, aber sie können nicht mit der Klangqualität eines typischen Lautsprecherpaars mithalten. Dies ist teilweise auf das Lautsprecherdesign zurückzuführen (ein Lautsprecher, der auf Ihr Ohr gerichtet ist, klingt besser als einer, der in eine beliebige Richtung zeigt), obwohl es auch ein Zeichen dafür ist, dass unsere digitale Signalverarbeitungstechnologie dies nicht tut Schnupftabak.

Nachdem Sie einige Wachstumsschmerzen durchgemacht haben, wird Audio Beamforming nützlicher und effektiver sein. Zylinderförmige Lautsprecher wie der HomePod liefern eine verbesserte Audioqualität, ohne ihr omnidirektionales Design zu opfern (infolgedessen werden viele Menschen solche Lautsprecher bevorzugen). Und Soundbars werden viel besser darin sein, ein richtiges Surround-Sound-Setup nachzuahmen, besonders in großen Räumen.

Beamforming wird auch zu einem wichtigeren Bestandteil typischer Lautsprecher-Setups. Die meisten in den letzten 15 Jahren hergestellten AVRs bieten eine Art automatische Optimierungseinstellung, die ein Mikrofon verwendet, um die Klangleistung in Ihrem Raum zu messen. Große Mikrofonarrays und optische Systeme könnten diese Technologie auf die nächste Stufe heben oder sogar ein adaptives Erlebnis bieten, das sich automatisch an Umgebungsänderungen anpasst (z. B. Ihre Sitzposition oder die Anzahl der Personen, die aktiv auf Ihren Fernseher schauen).

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Aber Audio-Beamforming wird am besten für seine Verwendung in „unsichtbaren Kopfhörern“ bekannt sein. Die Fähigkeit, Ton an eine bestimmte Person im Raum zu übertragen, ist wirklich unglaublich und öffnet die Tür zu einer Vielzahl von Szenarien. Offensichtlich könnten Sie diese Technologie verwenden, um das Tragen echter Kopfhörer zu vermeiden. Aber was wäre, wenn "unsichtbare Kopfhörer" wurden in Ihren Fernseher oder Ihr Auto integriert? Sie können fernsehen, Musik hören oder Anrufe entgegennehmen, ohne andere Menschen zu stören oder Ihre Privatsphäre zu gefährden.

Allerdings können große Veranstaltungsorte am meisten von Beamforming profitieren. Auditorien und Stadien sind darauf ausgelegt, qualitativ hochwertiges Audio zu bieten, aber diese Veranstaltungsorte sind nicht immun gegen Probleme – es gibt immer einen besten Platz im Haus, und Audio wird immer in Flure oder Verkaufsbereiche verschüttet. Moderne Signalverarbeitung und Beamforming-Audio könnten diese Probleme entschärfen.

Themenparks könnten ähnliche Vorteile genießen. Und natürlich könnte Beamforming für kreative Zwecke eingesetzt werden. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Ihnen würde während der Fahrt in Disneys Haunted Mansion ein Geist ins Ohr flüstern.

Wenn Sie sich intensiv für Acoustic Beamforming interessieren, sollten Sie eine Messe besuchen. Redner mit modernster Beamforming-Technologie treten regelmäßig auf der CES und anderen Veranstaltungen auf. Sie könnten sogar auf einige Konzeptdesigns stoßen, die aufgrund ihrer Unzuverlässigkeit oder extremen Kosten möglicherweise nie veröffentlicht werden.