李煥

（第八中學(xué)，北京，100071）

麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的研究

李煥

（第八中學(xué)，北京，100071）

隨著多媒體技術(shù)的進一步發(fā)展，語音接收和聲音信號處理得到了日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，而聲源的定位和聲源增強是實現(xiàn)語音增強，語音識別的前提和基礎(chǔ)?；邴溈孙L(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)由于其廣泛的應(yīng)用前景得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。單個麥克風(fēng)接收到的信息量較少，缺少聲源定位所需要的信息，而麥克風(fēng)陣列克服了上述的缺點，利用了各麥克風(fēng)信號之間信號的相關(guān)性對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和處理從而實現(xiàn)聲源的定位。文中闡述了麥克風(fēng)陣列聲源定位的原理，推導(dǎo)計算目標(biāo)方位角、俯仰角以及距離的計算公式；闡述了硬件系統(tǒng)的組成以及各個部分的作用并通過實驗進行了系統(tǒng)的測試，通過對測試數(shù)據(jù)的分析得出麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聲源的快速定位。

麥克風(fēng)陣列；聲源定位；測試

0 引言

聲源定位是麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)的應(yīng)用方向之一，在聲源跟蹤、語音接收和信號的目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。靜音環(huán)境下的聲源定位很容易做到，然而在實際的環(huán)境中，麥克風(fēng)陣列采集的語音信號受到噪聲和混音的干擾，本文中研究如何在混響和有噪環(huán)境下提高聲源定位的精度。

1 麥克風(fēng)陣列聲源定位原理

由四個麥克風(fēng)傳感器構(gòu)成的四陣元麥克風(fēng)聲源定位系統(tǒng)的傳感器分布如圖1所示，M1，M2，M3，M4表示四個麥克風(fēng)傳感器。采用直角坐標(biāo)系，則四個麥克風(fēng)陣元的位置坐標(biāo)為，目標(biāo)點位置S的坐標(biāo)為 S ( x, y, z)，目標(biāo)S距原點距離為r , 方位角為?，俯仰角為θ。

在直角坐標(biāo)系中可以得到如下方程組：

圖1 麥克風(fēng)陣列陣元位置

在球坐標(biāo)系中，可以得到方程組：

以上兩個方程組聯(lián)立，可得：

由泰勒展開，并忽略高次項，令：

其中，ijd 表示聲音到第i個陣元和第j個陣元傳播的差程。經(jīng)計算可得：

由（6）（7）（8）三式，即可求得目標(biāo)的方位角，俯仰角以及距麥克風(fēng)陣列的距離。

2 硬件設(shè)計

麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的硬件部分主要由四個電容式麥克風(fēng)傳感器、濾波電路、麥克風(fēng)專用低噪音放大電路、信號采集部分組成。整個系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

其中，電容式麥克風(fēng)傳感器利用電容大小的變化，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，具有體積小，效果好的特點，具有較寬的頻率響應(yīng)和較高的靈敏度。本麥克風(fēng)陣列的四個麥克風(fēng)陣元位于變長為18cm的正方形定點處。

濾波部分主要是保留20KHz以內(nèi)的人耳可聽的音頻信號，濾除高頻干擾，便于后續(xù)的放大電路對音頻信號進行放大。麥克風(fēng)專用低噪音放大器進行音頻信號的放大，采用固定增益20db，經(jīng)過放大以后，音頻信號的輸出就可以滿足信號采集卡的輸入電壓要求。麥克風(fēng)陣列低噪音音頻放大電路如圖3所示。

麥克風(fēng)陣列的信號采集部分采用USB-6216專用信號采集卡，具有16位模擬輸出端，可以同時完成16路-10--+10V電壓的模擬信號的采集，最高采集速度可達400KS/s。經(jīng)過信號采集卡采集回的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，再由上位機利用matlab進行計算，得到聲源的位置角度等信息。

圖3 麥克風(fēng)陣列低噪音音頻放大電路

系統(tǒng)的上位部分主要是利用labview控制信號采集卡進行數(shù)據(jù)采集、matlab進行互相關(guān)函數(shù)的運算，得到聲音到達兩兩麥克風(fēng)之間的時延差，進而計算得到聲源的位置角度等信息。

在實際實驗時，兩個麥克風(fēng)接收到的聲音時間差可以通過求兩個麥克風(fēng)接受到的信號之間的互相關(guān)求得，可以由互相關(guān)函數(shù)的最大值對應(yīng)的橫坐標(biāo)得到時延進而求得方向角、俯仰角、距離。在室內(nèi)由于受到混響等因素影響，實驗結(jié)果可能出現(xiàn)較大誤差，在室外空曠處實驗可以得到相對較好的結(jié)果。

3 測試數(shù)據(jù)分析

考慮到室內(nèi)混響回聲等因素的影響，本實驗選擇在室外較為空曠的地方進行，受聲源音量大小的限制以及麥克風(fēng)靈敏度的影響，本實驗選擇了相對較近的三處聲源進行實驗。實驗得到的測試如表1-表3所示。

表1 實驗一測試結(jié)果

表2 實驗二測試結(jié)果

表3 實驗三測試結(jié)果

經(jīng)過對實驗測試數(shù)據(jù)的分析和研究，麥克風(fēng)陣列聲源定位的功能基本可以實現(xiàn)，但仍有一些誤差，誤差的大小主要受到快拍數(shù)的影響，同時，地面的回聲等多徑效應(yīng)也能造成一定的干擾，實驗條件和場地對測得的結(jié)果也有一定影響。在后續(xù)matlab數(shù)據(jù)處理求兩個信號的互相關(guān)函數(shù)時，可以加上一定的限制條件，防止相關(guān)函數(shù)峰值位置受回聲等影響。

4 結(jié)束語

本文中介紹了麥克風(fēng)陣列聲源定位原理和麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，并進行了實驗進行了數(shù)據(jù)的測量，對測量數(shù)據(jù)的分析研究得出系統(tǒng)定位的精確度較高，獲得較好的定位結(jié)果。

[1]李楊,基于小型麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2014.

[2]彭奎, 一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)[D].安徽大學(xué).2014.

[3]宗志亞,基于麥克風(fēng)陣列的室內(nèi)聲源定位方法研究[D].重慶大學(xué).2012.

[4]張芳,基于STM32的麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的研究[D].燕山大學(xué).2013.

[5] 趙秀粉,基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué).2013.

[6] 李志金;喬杰,基于SMT320DM642麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)[J].測控技術(shù). 2011.

[7] 張雷岳;張興敢;劉超, 麥克風(fēng)陣列聲源定位中時延估計的改進[D].南京大學(xué)學(xué)報.2015.

[8] 張艷娜,基于麥克風(fēng)陣列的多聲源定位算法研究[D].沈陽航空航天大學(xué).2013.

[9] 姚培洋,基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法研究及裝置實現(xiàn)[D].東北大學(xué).2013.

[10] 王勇;劉穎;劉建平, 一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法研究[D].現(xiàn)代電子技術(shù).2011.

Research on Microphone Array Sound Source Location System

LI huan
（BEIJING No.8 HIGH SCHOOL,Beijing,100071）

With the further development of multimedia technology，Voice reception and voice signal processing has been increasingly widespread attention and application，The sound source location and sound source enhancement is the premise and foundation of the achieve voice enhancement, voice recognition. Based on the microphone array of sound source positioning technology has been concerned by many scholars because of Its widely application. A single microphone receives less information, Missing information required for sound source location, While the microphone array overcomes these shortcomings, Using the correlation between the signals of the microphone signals to analyze and deal with the data in order to achieve the positioning of the sound source. This paper describes the principle of microphone array sound source location, Derive the calculated target azimuth、Pitch angle and distance of the calculation formula; The composition of the hardware system and the role of each part is described, And the system was tested by experiment, Through the analysis of test data, it is concluded that the microphone array sound localization system can realize the rapid localization of sound source.

Microphone Array;Sound Source Location;Test