Viele Anwendungen in der akustischen Signalverarbeitung, wie z.B. Telekonferenz- und Überwachungssysteme, benötigen eine Abschätzung mehrerer Parameter des beobachteten Wellenfelds. Hierbei sind die wichtigsten Parameter die Anzahl und Position der aktiven Quellen in der akustischen Szene. Traditionell werden diese Parameter unter Zuhilfenahme klassischer Arraysignalverarbeitung mit Mikrofonarrays geschätzt. Die Terminologie 'klassisch' wird hier gewählt, um Algorithmen zu bezeichnen, die auf den Mikrofonsignalen direkt arbeiten. Im Gegensatz dazu basieren die Algorithmen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, nicht ausschließlich auf der klassischen Arraysignalverarbeitung, sondern auch auf Prinzipien, die durch die akustische Wellenausbreitung und Beugung an Objekten im Rahmen der klassischen Akustik gegeben sind. Neuartige, so genannte modale Arraysignalverarbeitungsalgorithmen können nun angegeben werden, die auf den Fundamentallösungen der akustischen Wellengleichung basieren. Viele Algorithmen, die nur auf der klassischen Arraysignalverarbeitung basieren, haben das Problem, dass sie von einer Schmalbandannahme im Rahmen des Signalmodells ausgehen. Diese Tatsache schränkt deren Nutzbarkeit für breitbandige Signale, wie z.B. Sprache, ein. Es wird im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass man unter Berücksichtigung der klassischen Akustik Algorithmen ableiten kann, die inhärent das Auftreten breitbandiger Signale unterstützen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass Parameterschätzung, die auf diesen neuen Prinzipien basiert, die Möglichkeit bietet, mehrere gleichzeitig aktive breitbandige Signalquellen zu detektieren und deren Positionen eindeutig im gesamten Gesichtsfeld des Mikrofonarrays zu bestimmen. Um auch die Vorteile, die die Anwendung der klassischen Akustik bietet auch ausnutzen zu können, werden hier spezielle Arraygeometrien betrachtet. Dies sind insbesondere die zirkulare Geometrie, welche die Analyse zweidimensionaler Wellenfelder ermöglicht, wie auch die sphärische Geometrie zur Analyse dreidimensionaler Wellenfelder. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine ausführliche Ableitung der modalen Arraysignalverarbeitungsalgorithmen zur Bestimmung der wichtigsten Wellenfeldparameter vorgestellt, sowie deren Leistungsfähigkeit durch Simulationen und Messungen mit einem echtzeitfähigen System belegt.
Many applications of acoustic signal processing, such as teleconferencing and surveillance systems, require an estimate of several parameters present in the observed acoustic scene. The most important parameters are the location of the acoustic sources as well as the number of currently active sources. These parameters have been traditionally estimated by means of classical array signal processing using microphone arrays. The term 'classical' is used here to classify algorithms that are derived from the microphone signals directly. In contrast, the algorithms presented in this thesis are not solely based on classical array signal processing but also on the principles of wave propagation and wave scattering offered by the science of classical acoustics. Novel so-called modal array signal processing algorithms can now be derived from the fundamental solutions of the acoustic wave equation. Algorithms for parameter estimation solely based on the paradigm of classical array signal processing, often suffer from the problem that they rely on a narrowband assumption underlying the signal model, which limit their usability when broadband signals, such as speech, are present in the wavefield under observation. It will be shown that by additionally considering the paradigm of classical acoustics, algorithms can be derived that are inherently broadband, hence allowing for ubiquitous application. Moreover, it will be shown that parameter estimation, based on these novel methods, has the potential to unambiguously detect and localize multiple simultaneously active wideband sources in the array's full field-of-view. In order to take advantage of the paradigms that can be found in the field of acoustics, special array geometries are considered here, i.e. circular and spherical geometries for the analysis of wave propagation in two and three spatial dimensions, respectively. A rigorous derivation of modal array signal processing algorithms for parameter estimation as well as performance evaluations by means of simulations and measurements using an actual real-time capable implementation are presented