基于多聲源數據采集系統設計及仿真研究

多聲源定位技術(shù)因其在智能機器人以及視頻會(huì )議等的廣泛應用而日益成為研究的熱點(diǎn)?；?strong>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，通過(guò)對采集到的多路信號進(jìn)行分析及處理，并結合麥克風(fēng)的幾何關(guān)系最終得出多個(gè)聲源的坐標。設計了多聲源數據采集系統仿真及實(shí)驗平臺。

計算機編程語(yǔ)言中，VisualBasic 6.0 是Microsoft 公司推出的面向對象的可視化開(kāi)發(fā)編程工具， 具有豐富的數據類(lèi)型和結構化程序結構，開(kāi)發(fā)效率高，界面制作美觀(guān)方便等優(yōu)點(diǎn)，且應用日益廣泛，故Visual Basic 6.0 語(yǔ)言做到了真正的面向對象編程。此外，在數據采集和數據處理的系統中，PC機軟件資源豐富，人際交互方便等優(yōu)點(diǎn)。以PC 機作為實(shí)驗平臺，能實(shí)時(shí)快速的實(shí)現數據的采集及處理等。此外，實(shí)驗平臺能實(shí)現多聲源數據的同時(shí)采集，因此本設計采集到的數據能夠很好的應用于多聲源定位的算法研究中。

1 系統仿真的原理、組成及實(shí)驗平臺搭建

1.1 系統仿真中的麥克風(fēng)陣列結構及信號模型

L 型麥克風(fēng)陣列數學(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(xiàn)的夾角， 為聲源到坐標原點(diǎn)的距離。L型麥克風(fēng)陣列由X 軸和Y 軸上陣元個(gè)數均為M 的均勻線(xiàn)陣X,Y 構成，陣元間的距離為D,均小于信號波長(cháng)的四分之一，陣列輸出的噪聲為均值為零，方差為的統計獨立的高斯白噪聲，和信號源不相關(guān)。

設平面內有K 個(gè)獨立的信號源發(fā)射到此陣列上，以坐標原點(diǎn)處陣元為參考陣元，則陣列X、Y 接收到的信號矢量分別為：

1.2 系統仿真結果

仿真界面主要包括：多個(gè)聲源位置，波形，幅值，相位及頻率的設置;坐標軸的橫、縱坐標范圍均為0-10 米;麥克風(fēng)陣列的幾何位置;采樣頻率;A/D 轉換;采集數據集、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)得到的聲音信號波形如圖4 所示：

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

2 實(shí)驗平臺搭建

多聲源數據采集系統框圖如圖5 所示，主要包括：PC 機、外擴聲卡、麥克風(fēng)陣列。

實(shí)驗平臺搭建目的保證了各麥克風(fēng)陣元是同時(shí)開(kāi)始采集聲源信號，即保證了采集時(shí)間零點(diǎn)的同步，具體搭建過(guò)程如下：①聲源選擇單頻率正弦波信號， 用圓形的揚聲器進(jìn)行播放滿(mǎn)足了點(diǎn)聲源的要求。② PC 機中用VB 編寫(xiě)數據采集的控制界面用來(lái)控制信號采集的開(kāi)始和結束。③一臺PC 機可外擴多個(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。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。

聲源的設計：選用圓形的揚聲器作為實(shí)驗的聲源點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于揚聲器發(fā)出的聲音信號是以圓形向四周傳播開(kāi)來(lái)，保證每個(gè)麥克風(fēng)陣元接收到的聲音信號都是一樣的。麥克風(fēng)陣列的設計：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波長(cháng)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(huà)器。

多聲源數據采集VB 控制界面如圖6 所示，首先檢測PC 機上的聲卡設置，選中所需要用的聲卡設備，設置好采樣頻率和數據的保存路徑，點(diǎn)擊開(kāi)始采集，即可得到真實(shí)環(huán)境中的聲源信號。

麥克風(fēng)1、2、3、4、5 采集到的信號波形如圖7 所示：

3 總結

本文實(shí)現了多聲源數據采集系統仿真及硬件平臺的搭建，系統仿真界面可視化好。硬件中PC 機存儲、處理數據速度快，實(shí)時(shí)性好。這種實(shí)驗設計主要解決了各路信號采集時(shí)間零點(diǎn)同步的問(wèn)題，避免了采集過(guò)程中存在的時(shí)間差對多聲源定位算法的研究。此仿真系統可應用于對數據同時(shí)采集及采樣頻率等要求較高的地方。