基于多聲源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

多聲源定位技術(shù)因其在智能機(jī)器人以及視頻會(huì)議等的廣泛應(yīng)用而日益成為研究的熱點(diǎn)。基于麥克風(fēng)陣列的多聲源定位是指采用麥克風(fēng)陣列接收聲音信號(hào)，通過對(duì)采集到的多路信號(hào)進(jìn)行分析及處理，并結(jié)合麥克風(fēng)的幾何關(guān)系最終得出多個(gè)聲源的坐標(biāo)。設(shè)計(jì)了多聲源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

計(jì)算機(jī)編程語言中，VisualBasic 6.0 是Microsoft 公司推出的面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)編程工具， 具有豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)化程序結(jié)構(gòu)，開發(fā)效率高，界面制作美觀方便等優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用日益廣泛，故Visual Basic 6.0 語言做到了真正的面向?qū)ο缶幊?。此外，在?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)中，PC機(jī)軟件資源豐富，人際交互方便等優(yōu)點(diǎn)。以PC 機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能實(shí)時(shí)快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理等。此外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)多聲源數(shù)據(jù)的同時(shí)采集，因此本設(shè)計(jì)采集到的數(shù)據(jù)能夠很好的應(yīng)用于多聲源定位的算法研究中。

1 系統(tǒng)仿真的原理、組成及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

1.1 系統(tǒng)仿真中的麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)及信號(hào)模型

L 型麥克風(fēng)陣列數(shù)學(xué)模型如圖1 所示：

上圖中的為聲源的位置， 為聲源的中心頻率，為聲源與軸連線的夾角， 為聲源到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。L型麥克風(fēng)陣列由X 軸和Y 軸上陣元個(gè)數(shù)均為M 的均勻線陣X,Y 構(gòu)成，陣元間的距離為D,均小于信號(hào)波長的四分之一，陣列輸出的噪聲為均值為零，方差為的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的高斯白噪聲，和信號(hào)源不相關(guān)。

設(shè)平面內(nèi)有K 個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源發(fā)射到此陣列上，以坐標(biāo)原點(diǎn)處陣元為參考陣元，則陣列X、Y 接收到的信號(hào)矢量分別為：

1.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

仿真界面主要包括：多個(gè)聲源位置，波形，幅值，相位及頻率的設(shè)置;坐標(biāo)軸的橫、縱坐標(biāo)范圍均為0-10 米;麥克風(fēng)陣列的幾何位置;采樣頻率;A/D 轉(zhuǎn)換;采集數(shù)據(jù)集、聲源及麥克風(fēng)添加信息的保存路徑等。

圖3 顯示添加的聲源及麥克風(fēng)的信息，各麥克風(fēng)得到的聲音信號(hào)波形如圖4 所示：

仿真最終要應(yīng)用在實(shí)際中，仿真中采用的信號(hào)頻率范圍為聲源信號(hào)的范圍[20,20000]Hz,幅度范圍為[0,1]V,采樣頻率取值分別設(shè)置為8000Hz、90000Hz,A/D 轉(zhuǎn)換等。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

多聲源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖5 所示，主要包括：PC 機(jī)、外擴(kuò)聲卡、麥克風(fēng)陣列。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建目的保證了各麥克風(fēng)陣元是同時(shí)開始采集聲源信號(hào)，即保證了采集時(shí)間零點(diǎn)的同步，具體搭建過程如下：①聲源選擇單頻率正弦波信號(hào)， 用圓形的揚(yáng)聲器進(jìn)行播放滿足了點(diǎn)聲源的要求。② PC 機(jī)中用VB 編寫數(shù)據(jù)采集的控制界面用來控制信號(hào)采集的開始和結(jié)束。③一臺(tái)PC 機(jī)可外擴(kuò)多個(gè)聲卡，每個(gè)聲卡的左右聲道分別接兩個(gè)麥克風(fēng)，即每個(gè)聲卡可同時(shí)采集兩路信號(hào)。④麥克風(fēng)放置成L 型，相鄰兩陣元之間的距離為5cm,安裝時(shí)保證陣列和聲源在同一個(gè)水平面上。

聲源的設(shè)計(jì)：選用圓形的揚(yáng)聲器作為實(shí)驗(yàn)的聲源點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音信號(hào)是以圓形向四周傳播開來，保證每個(gè)麥克風(fēng)陣元接收到的聲音信號(hào)都是一樣的。麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)：為提高陣列的分辨率，相鄰兩陣元距離不大于接收聲源信號(hào)波長的四分之一。選用具有高靈敏度、全指向性、低阻抗的駐極體受話器。

多聲源數(shù)據(jù)采集VB 控制界面如圖6 所示，首先檢測(cè)PC 機(jī)上的聲卡設(shè)置，選中所需要用的聲卡設(shè)備，設(shè)置好采樣頻率和數(shù)據(jù)的保存路徑，點(diǎn)擊開始采集，即可得到真實(shí)環(huán)境中的聲源信號(hào)。

麥克風(fēng)1、2、3、4、5 采集到的信號(hào)波形如圖7 所示：

3 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了多聲源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真及硬件平臺(tái)的搭建，系統(tǒng)仿真界面可視化好。硬件中PC 機(jī)存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)速度快，實(shí)時(shí)性好。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要解決了各路信號(hào)采集時(shí)間零點(diǎn)同步的問題，避免了采集過程中存在的時(shí)間差對(duì)多聲源定位算法的研究。此仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)同時(shí)采集及采樣頻率等要求較高的地方。