麦克风阵列声源定位四通道麦克风数据库及TDOA双曲交汇定位算法实验

该文介绍了利用四通道麦克风阵列进行声源定位的方法,基于TDOA相关法求解时延,采用双曲交汇定位算法确定声源坐标。实验通过MATLAB代码展示了原始和预处理信号的xcorr及频谱分析,证实了立方预处理能提高定位精度。后续将针对算法进行优化以提升定位准确性。

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麦克风阵列声源定位四通道麦克风数据库建立

图一 四通道麦克风数据库建立物理模型
四通道麦克风数据库建立物理模型的建立,来源于文献:SLoClas: A DATABASE FOR JOINT SOUND LOCALIZATION AND CLASSIFICATION图二 参考文献1
根据图一,声源处于红色圆形上,且声源距离麦克风阵列中心O点的距离为1.5m,其中
mic1(0,-d)、mic2(d,0)、mic3(0,d)、mic4(-d,0) d为0.03m
声源会沿着红色圆圈按照θ角度旋转,麦克风阵列会依次按照一定的采样率每θ角度采集相同数据长度的声源数据,不同麦克风会因为距离角度而导致采集到的信号的幅度和相位不同。实验数据是按照θ=5°采集完成的,实验部分数据集如下图:
图三 不同角度下的麦克风阵列定位数据集
图四 麦克风阵列定位数据集下的声音文件
图五 麦克风阵列定位数据集下采集的四通道声音时域波形图

TDOA相关法时延求解

TDOA相关法时延求解原理与算法

双曲交汇定位算法

参考文献:运 用 双 曲 线 知 识 测 定 声 源
———研究性学习课题成果

图六 参考文献二双曲交汇算法
结合图一,以mic2、mic4为焦点构建双曲线方程1:
图七 双曲线方程1
以mic1、mic3为焦点构建双曲线方程2:
图七 双曲线方程2
现在定义,T42为声源到mic4的时间与声源到mic2的时间的差,T13为声源到mic1的时间与声源到mic3的时间的差c为声音传播的速度,在这里c=340m/s。
根据双曲线的特性,其中,
图八 双曲线方程1的参数
图九 双曲线方程2的参数
两个双曲线方程联立求解,双曲线的交点就是声源的坐标。根据作者何晓东 郑东风 指导教师 支 静的文献,联立两个双曲线方程组求解得:
图十 声源位置
我们只需要根据T42和T13和0的关系来判定声源的具体位置即可,如下图所示:
图十一 T42和T13和0的关系与声源的具体位置判定

声源位置、角度求解与算法代码验证

matlab的算法代码如下:

clc;
clear;
close all
m=100;
filedir=('E:\***\SoClas_database\Segmented_Sound\class06\class06_360\*.wav');%%
infiledir=('E:\***\SoClas_database\Segmented_Sound\class06\class06_360\');
files = dir(filedir);
for num = 1:m
    infile = [infiledir,files(num).name];
    [y0,Fs]= audioread(infile);
    for j = 1:3
        [c,lags] = xcorr(y0(:,j+1),y0(:,1));
        [Am,Lm] =  max(c);
        d = Lm - (length(c)+1)/2;
        Delay(num,j)=d/Fs;
    end
    for k = 1:2
        [c1,lags1] = xcorr(y0(:,k+2),y0(:,2));
        [Am1,Lm1] =  max(c1);
        d1 = Lm1 - (length(c1)+1)/2;
        Delay(num,k+3)=d1/Fs;   
    end
    [c2,lags2] = xcorr(y0(:,3),y0(:,4));
    [Am2,Lm2] =  max(c2);
    d2 = Lm2 - (length(c2)+1)/2;
    Delay(num,6)=d2/Fs;   
end

Length = length(y0);
T = 1 / Fs;
t = (1 : Length) * T;
t = t';
figure;
 subplot(411);
plot(t,y0(:,1));
title('mic1');
xlabel('(秒)')
ylabel('幅度(V)')
subplot(412);
plot(t,y0(:,2));
title('mic2');
xlabel('(秒)')
ylabel('幅度(V)')
subplot(413);
plot(t,y0(:,3));
title('mic3');
xlabel('(秒)')
ylabel('幅度(V)')
subplot(414);
plot(t,y0(:,4));
title('mic4');
xlabel('(秒)')
ylabel('幅度(V)')
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
c = 340;
ddd = 0.03;
a1 = c*Delay(1,5);
b1 = sqrt(ddd*ddd - a1 * a1);
a2 = c*Delay(1,2);
b2 = sqrt(ddd*ddd - a2 * a2);
kk = b1*b1*b2*b2 - a1*a1*a2*a2;
mm1 = a1*a1*b2*b2;
mm2 = a2*a2*b1*b1;
nn1 = a2*a2+b1*b1;
nn2 = a1*a1+b2*b2;
ppp = sqrt(mm1*nn1/kk);
qqq = sqrt(mm2*nn2/kk);
if a2 > 0
    yyy = -qqq;
else
    yyy = qqq;
end 
if a1 > 0
    xxx = ppp;
else
    xxx = -ppp;
end
angle = atan(xxx / yyy)*180/pi
% if angle <= 0
%     theta = -angle + 180
% else
%     theta = angle
% end



上述代码可以通过c语言移植到具备算力的开发板中,根据数据集中的按照不同θ角度的麦克风阵列数据,分别进行角度验证,锁定声源的坐标,根据求得的角度在代入R即可求出声源的实际距离。测试结果如下:
360度声源的测试结果
45度声源的测试结果
90度声源的测试结果
120度声源的测试结果
135度声源的测试结果
180度声源的测试结果
225度声源的测试结果
270度声源的测试结果
315度声源的测试结果
可以看出,双曲交汇定位算法是有一定效果的。良好的定位效果和声源距离麦克风阵列的距离、声源所发声信号的类型频率、背景噪声等有关,下一步将继续优化定位算法,使定位结果更加精准。

上述结构四通道麦克风定位数据集下载

链接:https://pan.baidu.com/s/1t63N73ZDFx9Ih6aeBISrRA
提取码:esnp

定位精度时延改进——时域预处理

为了提高数据精度,需要对时域信号进行预处理——立方处理。就是对时域信号的每个点做三次幂处理。

未预处理实验

close all;
clear;
clc;
[time_txt,Fs] = audioread('E:\***\SoClas_database\Segmented_Sound\class06\class06_270\class06_270_001.wav');
LEN = 7361;
x1 = time_txt(:,1);
x2 = time_txt(:,2);
% xxx1 = x1.*x1.*x1;
% xxx2 = x2.*x2.*x2;
xxx1 = x1;
xxx2 = x2;
X1=(fft(xxx1));
X2=(fft(xxx2));
Sxy=X1.*conj(X2);
Bxy=fftshift(abs(ifft(Sxy)));
figure;
subplot(211);
Xxy=xcorr(xxx1,xxx2);
plot(Xxy);
title('DSP hxg')
subplot(212);
plot((Bxy));
title('MATLAB hxg')

在这里插入图片描述

预处理实验

close all;
clear;
clc;
[time_txt,Fs] = audioread('E:\***\SoClas_database\Segmented_Sound\class06\class06_270\class06_270_001.wav');
LEN = 7361;
x1 = time_txt(:,1);
x2 = time_txt(:,2);
xxx1 = x1.*x1.*x1;
xxx2 = x2.*x2.*x2;
X1=(fft(xxx1));
X2=(fft(xxx2));
Sxy=X1.*conj(X2);
Bxy=fftshift(abs(ifft(Sxy)));
figure;
subplot(211);
Xxy=xcorr(xxx1,xxx2);
plot(Xxy);
title('DSP hxg')
subplot(212);
plot((Bxy));
title('MATLAB hxg')

在这里插入图片描述

### 回答1: 阵列麦克风语音定位算法是一种通过利用麦克风阵列中多个麦克风的声音信号来定位声源方向的技术。在实现该算法的C语言代码中,需要考虑以下几个关键步骤: 1. 初始化:首先需要初始化麦克风阵列,包括设置每个麦克风的位置和方向,并确定麦克风之间的间距。 2. 采集声音信号:通过C语言的音频输入接口,获取阵列中每个麦克风采集到的声音信号。 3. 信号预处理:对采集到的声音信号进行预处理,包括滤波、降噪和放大等处理,以提高定位算法的准确性。 4. 交叉相关计算:通过计算阵列中不同麦克风之间的交叉相关,可以得到声源到达时间的差异。这一步骤可以使用C语言中的相关函数来实现。 5. 波束形成:利用交叉相关的结果,通过计算得出最佳的波束形成权重,以增强声源方向的能量。这一步骤需要使用矩阵运算,可以借助C语言中的线性代数库来实现。 6. 定位计算:通过计算出的波束形成权重,以及麦克风阵列的位置和方向信息,可以确定声源的方向。这一步骤可以通过向量运算来实现,C语言中的数学库可以提供相应的函数。 7. 输出结果:将定位计算得到的声源方向输出,以实现对声源的定位。 以上是阵列麦克风语音定位算法的C语言代码中的关键步骤。需要注意的是,该算法的具体实现可能会因应用场景的不同而有所差异,以上所述仅为一个基本框架,实际的代码实现还需要根据具体需求进行适当的调整和优化。 ### 回答2: 阵列麦克风语音定位算法是一种用于确定听音源位置的方法。算法的实现可以用C语言编写。 阵列麦克风语音定位算法的主要步骤如下: 1. 数据采集:使用阵列麦克风同时采集多个声音信号。 2. 预处理:对采集到的声音信号进行预处理处理,包括滤波、去噪等。 3. 特征提取:从预处理后的信号中提取出一些特征参数,如时域特征和频域特征等。 4. 特征匹配:将提取的特征参数与事先存储的参考信号特征进行匹配,确定信号源的位置。 5. 定位算法:利用特征匹配的结果,计算出声音源的坐标,可以使用三角定位法或最小二乘法等。 以下是一个简单的阵列麦克风语音定位算法示例的C语言代码: ``` #include <stdio.h> int main() { // 音频数据采集与预处理 // ... // 特征提取 // ... // 特征匹配 // ... // 定位算法 // ... // 输出结果 printf("声音源的坐标为:(x, y)\n"); return 0; } ``` 这只是一个示例代码,实际的阵列麦克风语音定位算法需要根据具体的要求和数据进行进一步的开发和优化。
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