Das Funktionsprinzip von Mikrofonen gilt als ausgereift. Doch Mikrofone haben einen Nachteil: Für guten Ton müssen sie sehr genau ausgerichtet werden. Zudem können sie stören, wenn der Aufzunehmende sich bewegt. Das hat den Forscher Tobias Merkel auf die Idee gebracht, ein Mikrofon zu entwickeln, das Schall punktgenau aufnehmen kann und dabei nahezu unsichtbar bleibt. Wenn man so will, ein virtuelles Mikrofon. Der Professor der Berliner Beuth-Hochschule für Technik will für die Umwandlung der akustischen Wellen in elektrische Signale nicht mehr wie bisher eine Membran benutzen, sondern Ultraschall.
"Wir verwenden einfache Ultraschallwandler, wie sie in PKWs bei der Einparkhilfe verwendet werden. Diese senden Ultraschalltöne mit einer Frequenz von 40 Kilohertz aus und sehr hoher Amplitude. Wenn man viele dieser Wandler in einem so genannten Array anordnet, kann man diesen Schall stark gerichtet, stark gebündelt ähnlich wie der Lichtschein einer Taschenlampe durch den Raum schicken. Und wir nehmen diesen Ultraschall nach einer Distanz von mehreren Metern, zum Beispiel fünf Metern, wieder auf mit einem speziellen Ultraschallmikrofon."
Und das funktioniert so: An Decke eines Raums wird der Ultraschall-Strahler und der dazugehörige Empfänger montiert. Der Schall wird stark gebündelt nahezu wie ein Strahl ausgesendet, prallt auf den Boden und kommt zurück zum Empfänger. Trifft er auf Audiosignale wie Sprache verändert sich die Ultraschallkurve minimal.
"Wir können zeigen, dass dieser Ultraschall-Strahl moduliert wird. Das heißt, in seiner Frequenz geringfügig verändert wird. Und aus diesen Modulationen lässt sich das Gesprochene, was dieser Mensch gegen den Ultraschall-Strahl gesprochen hat, wieder rechentechnisch zurückgewinnen."
Man kann sich das in etwa so vorstellen, wie eine Gitarrensaite, die von der Decke zum Boden gespannt wird. Spricht man dagegen, wird die Saite in leichte Schwingung versetzt. Und diese Schwingungen kann man messen. So auch die Veränderungen des Ultraschalls. Merkel:
"Wir untersuchen die Frequenzabhängigkeit dieses so genannten virtuellen Mikrofons, indem wir einen sich verändernden Ton, wir reden von einem Sweep, draufgeben und gucken, welches Signal wir tatsächlich erreichen. Und diese Aufnahmen sind die ersten, sicherlich noch nicht ganz ausgereiften Aufnahmen mit unserem neuen Mikrofon. Das ist jetzt also nicht das Testsignal, was wir auf einen ganz handelsüblichen Lautsprecher gegeben haben, sondern das, was dieses virtuelle Mikrofon tatsächlich dann aufgenommen hat. und das demonstriert, dass das Messprinzip des virtuellen Mikrofons tatsächlich funktioniert. Dass man mittels Ultraschall hörbaren Schall, Audioschall aufnehmen kann."
Die Modulationseffekte, also die Veränderung des Ultraschallsignals, sind so gering, dass die Forscher sie mit analoger Technik nicht nachweisen können. Nur mit digitaler Rechentechnik selektieren sie die Einwirkungen des hörbaren Schalls auf den Ultraschall. Und das funktioniert, wie man hören konnte, schon ganz gut. Das Rauschen am Ende zeigt jedoch, dass die Forscher noch einiges optimieren müssen.
"Das sind noch die technischen Dinge, die noch reifen müssen. Das ist… Technologisch müssen wir noch besser werden. Aber da haben wir noch viele Stellschrauben, an denen wir drehen können."
Neben Aufnahme und Berechnung soll auch das Wirkprinzip des virtuellen Mikrofons noch verbessert werden. Nebenbei hat sich Tobias Merkel auch schon Gedanken über den praktischen Einsatz gemacht. Nicht nur am Rednerpult kann er sich die Technik ganz gut vorstellen.
"Der Traum ist natürlich eine weitflächige Verbreitung dieser Art des Mikrofons, wenn es sich denn dann auf einem Gebiet bewährt hat und man die Technik auch ausgefeilt und ausgereift hat, ist der Traum natürlich, dass die auch vielleicht auf irgendeiner Schauspielbühne oder so etwas auf einem Podium zum Einsatz kommt, gerade wo auch mit Bewegungen, mit Gegenständen hantiert wird, mit Tanz. Wo doch kabelgebundene Mikrofone oder auch am Körper getragene Mikrofone einfach nur stören."
Gut zweieinhalb Jahre hat Tobias Merkel nun Zeit, den Versuchsaufbau zu einem praxistaugliches Produkt weiterzuentwickeln. Bis Ende 2012 hat er dazu die finanziellen Mittel bewilligt bekommen. Dann wird sich zeigen, ob sein Traum vom virtuellen Mikrofon Wirklichkeit wird.
"Wir verwenden einfache Ultraschallwandler, wie sie in PKWs bei der Einparkhilfe verwendet werden. Diese senden Ultraschalltöne mit einer Frequenz von 40 Kilohertz aus und sehr hoher Amplitude. Wenn man viele dieser Wandler in einem so genannten Array anordnet, kann man diesen Schall stark gerichtet, stark gebündelt ähnlich wie der Lichtschein einer Taschenlampe durch den Raum schicken. Und wir nehmen diesen Ultraschall nach einer Distanz von mehreren Metern, zum Beispiel fünf Metern, wieder auf mit einem speziellen Ultraschallmikrofon."
Und das funktioniert so: An Decke eines Raums wird der Ultraschall-Strahler und der dazugehörige Empfänger montiert. Der Schall wird stark gebündelt nahezu wie ein Strahl ausgesendet, prallt auf den Boden und kommt zurück zum Empfänger. Trifft er auf Audiosignale wie Sprache verändert sich die Ultraschallkurve minimal.
"Wir können zeigen, dass dieser Ultraschall-Strahl moduliert wird. Das heißt, in seiner Frequenz geringfügig verändert wird. Und aus diesen Modulationen lässt sich das Gesprochene, was dieser Mensch gegen den Ultraschall-Strahl gesprochen hat, wieder rechentechnisch zurückgewinnen."
Man kann sich das in etwa so vorstellen, wie eine Gitarrensaite, die von der Decke zum Boden gespannt wird. Spricht man dagegen, wird die Saite in leichte Schwingung versetzt. Und diese Schwingungen kann man messen. So auch die Veränderungen des Ultraschalls. Merkel:
"Wir untersuchen die Frequenzabhängigkeit dieses so genannten virtuellen Mikrofons, indem wir einen sich verändernden Ton, wir reden von einem Sweep, draufgeben und gucken, welches Signal wir tatsächlich erreichen. Und diese Aufnahmen sind die ersten, sicherlich noch nicht ganz ausgereiften Aufnahmen mit unserem neuen Mikrofon. Das ist jetzt also nicht das Testsignal, was wir auf einen ganz handelsüblichen Lautsprecher gegeben haben, sondern das, was dieses virtuelle Mikrofon tatsächlich dann aufgenommen hat. und das demonstriert, dass das Messprinzip des virtuellen Mikrofons tatsächlich funktioniert. Dass man mittels Ultraschall hörbaren Schall, Audioschall aufnehmen kann."
Die Modulationseffekte, also die Veränderung des Ultraschallsignals, sind so gering, dass die Forscher sie mit analoger Technik nicht nachweisen können. Nur mit digitaler Rechentechnik selektieren sie die Einwirkungen des hörbaren Schalls auf den Ultraschall. Und das funktioniert, wie man hören konnte, schon ganz gut. Das Rauschen am Ende zeigt jedoch, dass die Forscher noch einiges optimieren müssen.
"Das sind noch die technischen Dinge, die noch reifen müssen. Das ist… Technologisch müssen wir noch besser werden. Aber da haben wir noch viele Stellschrauben, an denen wir drehen können."
Neben Aufnahme und Berechnung soll auch das Wirkprinzip des virtuellen Mikrofons noch verbessert werden. Nebenbei hat sich Tobias Merkel auch schon Gedanken über den praktischen Einsatz gemacht. Nicht nur am Rednerpult kann er sich die Technik ganz gut vorstellen.
"Der Traum ist natürlich eine weitflächige Verbreitung dieser Art des Mikrofons, wenn es sich denn dann auf einem Gebiet bewährt hat und man die Technik auch ausgefeilt und ausgereift hat, ist der Traum natürlich, dass die auch vielleicht auf irgendeiner Schauspielbühne oder so etwas auf einem Podium zum Einsatz kommt, gerade wo auch mit Bewegungen, mit Gegenständen hantiert wird, mit Tanz. Wo doch kabelgebundene Mikrofone oder auch am Körper getragene Mikrofone einfach nur stören."
Gut zweieinhalb Jahre hat Tobias Merkel nun Zeit, den Versuchsaufbau zu einem praxistaugliches Produkt weiterzuentwickeln. Bis Ende 2012 hat er dazu die finanziellen Mittel bewilligt bekommen. Dann wird sich zeigen, ob sein Traum vom virtuellen Mikrofon Wirklichkeit wird.