Wie kann Rauschen im Frequenzbereich unterdrückt werden?

Ziel der Rauschunterdrückung ist es, die in Beamforming-Ergebnissen auftretenden Effekte von externem Rauschen zu reduzieren und damit die Qualität (Dynamik) der akustischen Karten zu verbessern. Dafür gibt es sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich entsprechende Auswertemethoden. Im Folgenden wird eine im Frequenzbereich angewandte Methode vorgestellt.

Führt man Beamforming im Frequenzbereich mit der Kreuzspektralmatrix (KSM) durch, gibt es die Möglichkeit, das Rauschen rechnerisch zu isolieren. Der Ansatz beruht auf der Annahme, dass das Störrauschen zwischen den unterschiedlichen Mikrofonen des Arrays unkorreliert ist. In diesem Fall findet sich das Rauschen nur in den Auto-Leistungsspektren <XX*> der Mikrofone und damit auf der Hauptdiagonalen der KSM wieder. Unter dem Einfluss verschiedener Rauschursachen können die Auto-Leistungsspektren betragsmäßig sehr viel größer als die Kreuz-Leistungsspektren sein und so die eigentliche Quellinformation maskieren.

Um also den Einfluss des Rauschens zu minimieren, kann man die Diagonalelemente der Kreuzspektralmatrix auf Null setzen. Dies führt in der Regel zu einer signifikanten Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands und reduziert die Häufigkeit des Auftretens von Scheinquellen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist, dass mit dem Entfernen der Hauptdiagonale auch die akustischen Karten bezüglich ihres Pegels bzw. ihrer Leistung verfälscht werden.

Anwendungsbeispiel: Messungen im Windkanal

Das folgende Beispiel zeigt eine Windkanalmessung bei 140 km/h Anströmgeschwindigkeit. Die Messdaten wurden uns freundlicherweise von China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd. zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse wurden mit dem Standard-Beamforming im Frequenzbereich mit und ohne Diagonale der KSM berechnet. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich von 1,775 kHz bis 11,221 kHz.

Vergleicht man die Abbildungen 1 und 2, so wird deutlich, dass bei gleich eingestellter Dynamik (15 dB) der Signal-Rausch-Abstand bei der Berechnung ohne Diagonale deutlich erhöht wird. So wird die Lokalisierung der Schallquellen verbessert und der Dynamikbereich des Bildes erhöht.

In Abbildung 3 wird der Nachteil dieser Methode deutlich. Bildet man die räumlich gemittelten Spektren der beiden ersten Abbildungen und vergleicht diese miteinander, ist der Leistungsverlust und damit die Pegeländerung klar erkennbar. Auch in den Maximalpegeln der Abbildungen 1 und 2 findet sich dieser Einfluss wieder.

Literatur

R. P. Dougherty, “Beamforming in Acoustic Testing” Aeroacoustic Measurements, Edited by T.J.Mueller, Springer, Berlin, 2002, pp. 93-96.

R. P. Dougherty, “Cross Spectral Matrix Diagonal Optimization”, Berlin Beamforming Conference, Berlin, 2016.

Besuchen Sie auch die Website der von der GFaI e. V. veranstalteten Berliner Beamforming-Konferenz http://www.bebec.eu.