麦克风阵列声学信号处理仿真工具箱

资 源 简 介

本工具箱是一个专注于麦克风阵列信号处理算法验证与性能评估的综合性仿真平台，旨在为语音交互、智能安防及水声探测等领域提供高精度的声学建模能力。系统支持自定义任意几何构型的麦克风阵列，包括均匀线阵、圆阵、球阵及不规则分布阵列，并集成了基于镜像源法（Image Method）的房间脉冲响应模拟模块，能够精准复现不同房间尺寸、混响时间以及墙面反射系数下的复杂物理声场。在核心处理功能上，工具箱涵盖了高分辨率声源定位技术，包含经典的MUSIC空间谱估计算法、基于到达时间差（TDOA）的GCC-PHAT算法以及在混响环

详 情 说 明

MATLAB 麦克风阵列声学信号处理仿真工具箱

项目介绍

本工具箱是一个基于 MATLAB 开发的综合性声学仿真平台，专注于麦克风阵列信号处理算法的验证与性能评估。系统集成了从声学环境建模、多通道信号采集、空间谱估计（声源定位）到空间滤波（波束成形）的完整处理流程。通过高精度的镜像源法（Image Method）模拟真实房间脉冲响应，该工具箱能够为语音交互和阵列信号处理算法的研究提供逼近真实的实验数据支持。

功能特性

• 环境模拟：支持自定义房间尺寸、声速及混响时间（T60），可精确模拟声源与阵列在三维空间中的几何关系。
• 阵列建模：内置均匀线阵（ULA）构型定义，支持灵活调整阵元数量与波长相关的阵元间距。
• 信号生成：支持多频合成的模拟语音特征信号生成，并可叠加指定信噪比（SNR）的高斯白噪声。
• 声源定位：集成双主流算法，涵盖基于子空间分解的 MUSIC 算法以及在混响环境下具有优异抗噪性能的 SRP-PHAT 算法。
• 空间滤波：提供经典的延迟求和波束成形（DSB）与自适应最小方差无失真响应（MVDR）波束成形技术。
• 可视化分析：提供三维布局图、归一化空间谱对比图、时域波形对比及功率谱密度（PSD）分析等全方位评估维度。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 硬件要求：通用计算机，建议内存 8GB 以上以处理多通道卷积运算。
• 依赖工具箱：MATLAB Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。

关键算法实现逻辑

1. 房间脉冲响应（RIR）模拟

基于镜像源法实现。算法首先根据房间体积和表面积利用经验公式推导出反射系数，随后在三维空间中搜索预设阶数内的所有镜像声源。通过计算每个镜像源到麦克风的欧氏距离，确定传播延迟与衰减因子，最终在时域累加生成对应的冲激响应序列。

2. 空间谱估计算法

• MUSIC 算法：通过计算接收信号的协方差矩阵并进行特征值分解，将其划分为信号子空间与噪声子空间。利用导向矢量与噪声子空间的偏离程度构建空间谱函数，通过峰值检索实现 -90 度到 90 度的精确角度估计。
• SRP-PHAT 算法：采用加权可操纵响应功率技术。通过对每一对麦克风信号进行加权相干变换（PHAT），抑制混响与宽带噪声的影响，并在空间角度扫描过程中寻找最大输出功率点。

3. 波束成形技术

• 延迟求和（DSB）：在频域补偿由于声程差导致的相位延迟，通过对各通道信号进行等权加和，实现对目标方向信号的增强。
• 最小方差无失真响应（MVDR）：这是一种自适应波束成形技术。算法在保持目标方向增益为 1 的约束条件下，通过最小化阵列输出的总功率来抑制干扰和噪声。实现中采用了对角加载（Diagonal Loading）技术以增强协方差矩阵求逆的稳定性。

实现细节说明

系统参数配置

• 默认采样率：16,000 Hz。
• 声速设定：340 m/s。
• 阵列配置：默认 8 阵元均匀线阵，间距 4 厘米。
• 典型场景：在 5mx4mx3m 的房间内，模拟 T60 为 0.3 秒的轻微混响环境。

信号处理全流水线

1. 几何定义：初始化房间、声源和麦克风阵列的三维坐标。
2. 声场仿真：生成多通道脉冲响应并与原始信号卷积，叠加 20dB 的环境噪声。
3. 角度扫描：在空间维度以 1 度为步进进行搜索，对比得出 MUSIC 和 SRP 的定位谱图。
4. 增强处理：基于定位的角度信息，自动计算导向矢量，应用 DSB 和 MVDR 算法提取目标音频。
5. 结果评估：自动生成可视化报表，对比增强前后的信号时序特征与频域分布。

使用方法

1. 打开 MATLAB 并将当前工作目录切换至工具箱根目录。
2. 运行主仿真脚本。
3. 系统将自动执行声场模拟和算法处理过程，并在命令行界面实时反馈 RIR 生成、声源定位及波束成形的处理进度。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出包含四个子图的可视化窗口，用户可直观对比不同算法的定位精度与滤波效果。
5. 如需修改仿真环境（如增加混响或改变阵列位置），请直接编辑主脚本中的参数设置区域。