【基于波束成形算法的声源定位GUI界面设计分析案例2200字】

基于波束成形算法的声源定位GUI界面设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2713基于波束成形算法的声源定位GUI界面设计分析案例 1286521.1引言 1326981.2GUI简介 2319151.3GUI设计与仿真 5321861.4实验和结果分析 8235791.4.1实验描述 81881.4.2实验结果 8261711.4.3结果分析 18引言MATLAB是在数值计算领域有着其他软件无可比拟的优势，我们在用MATLAB软件时可以很方便的将数值可视化，功能十分强大图形用户界面（GUI）是使用者与计算机信息交流窗口。考虑到为了能够更加直观的观察到波束成形算法下声源定位的作用和性能，本章节将介绍如何利用MATLAB软件方便的开发GUI界面。GUI简介图形用户界面GUI是电脑与窗口前的使用者之间进行信息交互的一种常用工具和方法，由各种图形模块共同组合而成。通常在这样的界面下，使用者所发出的指令以及对程序的各种控制的实现主要是通过输入设备来选择各种各样的图形模块和输入各种参数，并且还可以针对GUI界面上各个图形模块进行算法编写图5-1GUI图5-1GUI设计的程序编写及控件功能设计界面在上图5-1的GUI功能设计中。可以实现GUI界面中各个控件的功能反馈以及主程序的设计，以及实现波形图显示和运行中的数据的输入和输出等功能。图5-2控件格式的设定界面图5-2控件格式的设定界面在上图5-2控件格式设定界面中，可以设定字体的大小、格式、颜色等一些细节的部分。GUI设计与仿真本人通过MATLAB的GUI模块设计了一个可视化界面。所需参数包含阵元个数，期望角度，阵元间距，声源频率，噪声添加等。此次所设计的GUI界面提供的显示部分包括在对相应参数的修改上，实现不同的变化结果。具体的设计界面如下面图5-3所示：图5-3GUI图5-3GUI设计界面仿真界面如图5-4：图5-4根据算法所设计的GUI仿真界面图5-4根据算法所设计的GUI仿真界面经过上图5-3已经设计好的GUI界面进行测试，显示如上图5-4所示。由图可知，输入对应的参数如阵元个数、阵元间距、声源频率，噪声添加等。可直接显示信号的时域波形。最后通过设计好了的用户交互界面（GUI）将结果直观显现。实验和结果分析实验描述此次设计主要通过在采用波束形成算法下，对声源定位的准确精度的观察，对于修改硬件参数如麦克风数量，阵元间距，声源频率大小，有无噪声以及在采用线性麦克风阵列的情况下，对比不同参数带来的不同结果。实验结果在实验开始前要设置好本次实验有关声音信号的基本参数，声音带宽设为500Hz，声速设为340m/s，然后就是GUI界面的其他参数修改。（1）首先设置在4个麦克风，期望声源角度来自30度，阵元间距0.1米，声源频率设为1500Hz（对于正常人来说，正常人的声音频率处在300-3.4KHz之间,正常人所能感知到的最高频率是1500赫兹）。图5-54个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-54个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图通过观察上图可以清楚的看见，在无噪声的情况下，声源角度处于在0到50度中间偏向50度一点，已经十分接近我们所设置声源方向30度这个角度位置。同时可以明确的看到，在本次形成的波束形成图中有多个非常明显的尖峰，即N-1个，这是由于四个麦克风产生三段间距，而且这个主波束宽度特别宽。（2）接下来观察通过修改麦克风数量分别为八个，十六个以及在其他相关参数没有变化的情况下，波束输出图的变化。图5-68个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-68个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-716个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-716个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图通过麦克风数量的修改，清楚的看到主波束宽度改变，主波束宽度与数量成反比，与指向性成正比，对于图中的尖峰数也满足麦克风的数量减去一个的规则。图5-88个麦克风阵元间距0.05米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-88个麦克风阵元间距0.05米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-98个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-98个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-108个麦克风阵元间距0.13米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图通过上述三幅图可以明显的看出麦克风之间的距离越远，主波束宽度就会越来越窄，其指向性也就越来越好，其他尖峰的指向性也非常明显。当然，在无噪声的情况下，对于这些参数的修改，产生的影响是微乎其微的，它的指向性还是非常好的。图5-108个麦克风阵元间距0.13米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图（3）下面观察在添加正态分布随机数的normrnd函数，通过产生高斯随机矩阵的方式实现加噪的原理，来对比加噪前后的不同之处。图5-118个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz加噪条件下的测试结果图图5-118个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz加噪条件下的测试结果图通过上图发现，加过随机噪声的信号与SNR=0dB时波束输出图没什么差别，都是在声源角度为30度时幅值最大，主瓣宽度相比除它本身以外的其他几个尖峰较宽，可发现而且添加噪声前后它的输出增益最小值变大了普遍在-30dB波动，而无噪声的输出增益值在-50dB上下波动。输出增益上下最大最小值的不同，会对接下来的结论分析产生不利因素，从而不利于本次设计的具体实现，对以后的阵列设计的选取都会造成很大影响。（4）接下来通过修改声源频率，观察在麦克风阵列不同参数下的波束形成图有何变化。首先设置在麦克风阵列的基本参数，5厘米的阵元间距，其他阵列参数不变的情况下，声源频率现分别设为600Hz、1000Hz、2000Hz（考虑到其他物体发出的声音频率），环境无干扰，无噪音的情况下，对比他们的波束区别。图5-128个麦克风阵元间距0.05米、声源频率600Hz无噪条件下的测试结果图图5-128个麦克风阵元间距0.05米、声源频率600Hz无噪条件下的测试结果图图5-138个麦克风阵元间距0.05米、声源频率1000Hz无噪条件下的测试结果图图5-138个麦克风阵元间距0.05米、声源频率1000Hz无噪条件下的测试结果图图5-148个麦克风阵元间距0.05米、声源频率2000Hz无噪条件下的测试结果图图5-148个麦克风阵元间距0.05米、声源频率2000Hz无噪条件下的测试结果图通过上面几幅图我们可以清楚的看见在阵列的阵元个数为8个，阵元间距为5厘米的情况下，随着声源频率增大，波束形成图中的主瓣宽度也变得越来越窄，主瓣的指向性也越来越好。接下来我们修改阵元间距，观察变化。图5-158个麦克风阵元间距0.1米、声源频率600Hz无噪条件下的测试结果图图5-158个麦克风阵元间距0.1米、声源频率600Hz无噪条件下的测试结果图（5）接下来，修改其他的参数。本次实验将阵元间距从5厘米改10厘米，声源频率从低到高逐渐增加，还是从600Hz开始，800Hz、1000Hz、到最后的1500Hz，通过对比在阵元间距拉大，声源频率逐渐增加的情况下，有何变化。图5-168个麦克风阵元间距0.1米、声源频率800Hz无噪条件下的测试结果图图5-168个麦克风阵元间距0.1米、声源频率800Hz无噪条件下的测试结果图图5-178个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1000Hz无噪条件下的测试结果图图5-178个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1000Hz无噪条件下的测试结果图图5-188个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-198个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-188个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图图5-198个麦克风阵元间距0.1米、声源频率1500Hz无噪条件下的测试结果图首先我们对比声源频率在600Hz时，阵元间距不同时的差异，可以发现距离的增加，波束形成的指向性效果也随之增加，主瓣的宽度变窄。对比其他声源频率也是一样的结果，因此可得到如下结论：相同频率下，阵元间距10厘米的效果比阵元间距为5厘米的指向性好，主瓣波束的宽度也越窄。结果分析通过上面的多次实验对比可以得出这样的结论：添上随