軌道交通列車音頻環(huán)路乘客助聽系統(tǒng)應(yīng)用研究

尹崇宏 賈 濤 劉 迪 杜志強(qiáng) 霍長(zhǎng)凡 李 志

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266031，青島；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師)

助聽系統(tǒng)作為一種為聽障人士提供聽力輔助的公共系統(tǒng)，已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)于助聽系統(tǒng)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了較為豐富的研究工作。文獻(xiàn)[3]研究了助聽器的基本結(jié)構(gòu)、類型特征和聲學(xué)處理技術(shù)，并對(duì)助聽器的實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]對(duì)目前助聽器涉及的算法進(jìn)行了研究，依據(jù)目前主流數(shù)字助聽器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從響度補(bǔ)償、噪聲抑制和回聲消除等幾個(gè)方面總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)算法的研究和實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[5]研究了一種新的非線性響度補(bǔ)償方法，并分析了該方法對(duì)提高語(yǔ)音響度和改善聽損患者的言語(yǔ)識(shí)別率的效果。不難發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于助聽系統(tǒng)的研究側(cè)重于助聽器本身硬件和相關(guān)算法，對(duì)于助聽系統(tǒng)在空間內(nèi)的布置、助聽效果評(píng)估等問(wèn)題缺乏系統(tǒng)研究。

國(guó)外目前對(duì)于助聽系統(tǒng)的研究基本涵蓋了各類場(chǎng)景和系統(tǒng)的空間交互。文獻(xiàn)[6]基于教室模型研究了音頻感應(yīng)環(huán)路系統(tǒng)、FM調(diào)頻系統(tǒng)和聲場(chǎng)放大系統(tǒng)等3種不同形式的助聽系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)。文獻(xiàn)[7]研究了專門針對(duì)老年人群體的助聽設(shè)備技術(shù)特征。文獻(xiàn)[8]基于信噪比、混響等指標(biāo)研究了通過(guò)FM調(diào)頻、紅外線、感應(yīng)回路和其他無(wú)線傳輸?shù)闹牸夹g(shù)，并就專用射頻傳輸技術(shù)在數(shù)字無(wú)線助聽器中的應(yīng)用做了研究和介紹。

近年來(lái)，助聽系統(tǒng)也開始被嘗試應(yīng)用在軌道交通列車中。目前常見(jiàn)的助聽系統(tǒng)有音頻感應(yīng)環(huán)路助聽系統(tǒng)、調(diào)頻廣播助聽系統(tǒng)和紅外助聽系統(tǒng)。相對(duì)后兩者，音頻感應(yīng)環(huán)路助聽系統(tǒng)憑借優(yōu)秀的助聽效果和對(duì)隱私性的保護(hù)占據(jù)了主流的助聽市場(chǎng)。軌道交通列車的乘客助聽系統(tǒng)主要由音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)線圈兩部分組成。音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器從音頻放大器中接受音頻輸入，將接受到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁信號(hào)，并通過(guò)電磁感應(yīng)線圈覆蓋到客室內(nèi)。佩戴助聽耳機(jī)的聽障乘客，則通過(guò)助聽接收器將輻射到客室內(nèi)的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，收聽到和客室內(nèi)廣播系統(tǒng)同步的音頻信息。

本文將首先概括介紹軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)的基本原理，然后依據(jù)AS 1428.5[1]、IEC 60118-4[2]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)項(xiàng)點(diǎn)和指標(biāo)研究音頻感應(yīng)環(huán)路系統(tǒng)在車內(nèi)的選型與布置方案，并分析不同方案下環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)及相應(yīng)的助聽效果，最后介紹了相關(guān)測(cè)試方法。

1 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)的基本原理

1.1 安培定則與電磁感應(yīng)定律

音頻感應(yīng)環(huán)路系統(tǒng)通過(guò)音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生變化的電流，進(jìn)而在客室空間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)(見(jiàn)圖1)。感應(yīng)環(huán)路系統(tǒng)依據(jù)的基本原理是靜磁學(xué)的基本定律——安培定律，即載流導(dǎo)線所載有的電流與磁場(chǎng)沿著環(huán)繞導(dǎo)線的閉合回路的路徑積分，兩者之間的關(guān)系為：

圖1 音頻感應(yīng)環(huán)路磁場(chǎng)示意圖

∮CB·dl=μ0Ienc

(1)

式中：

C——環(huán)繞著導(dǎo)線的閉合回路；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μ0——磁常數(shù)；

Ienc——閉合回路C所圍住的電流。

環(huán)繞線圈在客室空間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)后，客室內(nèi)佩戴助聽器的乘客通過(guò)切換至助聽器“T檔”(“T”表示磁電感應(yīng)輸入方式)，助聽器內(nèi)部的感應(yīng)線圈切割磁場(chǎng)中的磁力線產(chǎn)生電流，拾取周圍特定頻率的電磁信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該過(guò)程中依據(jù)的基本原理為電磁感應(yīng)定律，其表述為：任何封閉電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，等于穿過(guò)這一電路磁通量的變化率,即

ε=-dΦB/dt

(2)

式中：

ε——電動(dòng)勢(shì)；

ΦB——通過(guò)電路的磁通量。

式(2)中的負(fù)號(hào)表示電動(dòng)勢(shì)的方向，由楞次定律提供。

1.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽是指當(dāng)磁導(dǎo)率不同的兩種介質(zhì)同時(shí)處于磁場(chǎng)中時(shí)，在它們的交界面處，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向都要發(fā)生變化，即引起了磁感線的折射。以常見(jiàn)的空氣、金屬兩種介質(zhì)為例，當(dāng)通電線圈所處的空間內(nèi)有金屬時(shí)，金屬會(huì)導(dǎo)致磁感線對(duì)法線的偏離，并且產(chǎn)生強(qiáng)烈的匯聚作用，從而形成一定程度的磁屏蔽。

具體到軌道交通列車助聽系統(tǒng)，由于音頻感應(yīng)環(huán)路線圈通常布置在車體內(nèi)部，故客室空間內(nèi)的各類金屬材料會(huì)對(duì)車內(nèi)磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的屏蔽影響，從而削弱環(huán)路線圈在客室內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為解決磁場(chǎng)屏蔽問(wèn)題，通常需要在助聽系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初考慮音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器的功率補(bǔ)償。

2 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)方案研究

國(guó)內(nèi)目前已投入運(yùn)營(yíng)的軌道交通列車中，尚無(wú)安裝乘客助聽系統(tǒng)的先例，也暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循。在近年來(lái)國(guó)外的軌道交通項(xiàng)目中，助聽系統(tǒng)已經(jīng)成為PIS(乘客信息系統(tǒng))常見(jiàn)的配置要求。除實(shí)現(xiàn)基本功能外，相關(guān)項(xiàng)目多參考IEC 60118-4、AS 1428.5等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)乘客助聽系統(tǒng)的功能，提出具體的性能指標(biāo)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)條件對(duì)于助聽系統(tǒng)的技術(shù)要求主要集中在與廣播系統(tǒng)的同步性、客室內(nèi)的覆蓋范圍，以及覆蓋區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)、信噪比、頻率響應(yīng)、失真等技術(shù)指標(biāo)。

對(duì)于車載助聽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先需要確定符合技術(shù)要求的助聽覆蓋區(qū)域。依據(jù)IEC 60118-4標(biāo)準(zhǔn)，要求至少覆蓋客室內(nèi)50%以上區(qū)域。由于覆蓋區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)大小直接由環(huán)路電流決定，而感應(yīng)環(huán)路線圈的電流由音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，故車載助聽系統(tǒng)的設(shè)備選型首先要依據(jù)覆蓋區(qū)域的大小、形狀，決定音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器的輸出功率。圖2為不同形狀區(qū)域下助聽驅(qū)動(dòng)電流大小比較。

圖2 不同形狀區(qū)域下助聽驅(qū)動(dòng)電流大小比較

以圖2為例，兩個(gè)區(qū)域的覆蓋面積均為240 m2，但是為實(shí)現(xiàn)同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度覆蓋，正方形區(qū)域即需要更大的輸出電流。這是因?yàn)橄鄬?duì)于方形區(qū)域，正方形區(qū)域的中心位置距環(huán)路線圈較遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減更嚴(yán)重。當(dāng)電流大小確定后，音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓由環(huán)路線圈的長(zhǎng)度和類型決定。對(duì)于軌道交通列車，車內(nèi)區(qū)域更接近于長(zhǎng)方形區(qū)域。

除覆蓋區(qū)域形狀外，車載助聽系統(tǒng)的設(shè)備選型還需要考慮車內(nèi)金屬框架等結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽影響。對(duì)于磁屏蔽影響，通常需要進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算分析，從而折算磁通量的損失比例。以圖3為例，評(píng)估分析了方形助聽環(huán)路線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及車身內(nèi)裝板對(duì)磁場(chǎng)的影響。從圖3中可以看出，由于車身內(nèi)裝板的影響，車內(nèi)乘客空間的磁感線密度較正常開闊空間的小，內(nèi)裝金屬板對(duì)磁場(chǎng)起到了一定的磁屏蔽效果。另外，客室內(nèi)的扶手等金屬材料同樣也會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，金屬周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劇烈的變化，影響助聽收聽效果。

圖3 磁屏蔽下的環(huán)路線圈磁場(chǎng)仿真示意圖(場(chǎng)強(qiáng)參考基準(zhǔn)：-400 mA/m)

音頻環(huán)路線圈需要布置在與客室內(nèi)乘客座椅垂直的方向。如圖4所示：當(dāng)感應(yīng)環(huán)路產(chǎn)生磁場(chǎng)與助聽器接收線圈在垂直面內(nèi)時(shí)，助聽器線圈可以接收100%的磁通量；而當(dāng)感應(yīng)環(huán)路產(chǎn)生磁場(chǎng)與助聽器接收線圈在水平面內(nèi)時(shí)，助聽器線圈則根本無(wú)法接收磁通量。

圖4 感應(yīng)環(huán)路產(chǎn)生磁場(chǎng)與助聽器接收線圈相對(duì)位置示意圖

如圖5所示，當(dāng)兩根通電導(dǎo)線構(gòu)成環(huán)路時(shí)，在兩根導(dǎo)線中間區(qū)域的磁感線具有相同的方向，即回路中的信號(hào)為兩根導(dǎo)線在此處產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的疊加。在兩根導(dǎo)線所處水平面內(nèi)的區(qū)域，垂直場(chǎng)分量梯度非常大，特別是在靠近導(dǎo)線的位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇增大，從而帶來(lái)助聽器接受信號(hào)的突變。綜合考慮空間內(nèi)的磁場(chǎng)情況，可以確定音頻感應(yīng)環(huán)路最佳聽力面的位置。在此聽力面內(nèi)，垂直聽力面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小基本保持一致，乘客收聽感受良好。由于最佳聽力面的高度是固定的，一般情況下即坐姿人耳高度，因此音頻感應(yīng)環(huán)路線圈的最佳布置位置應(yīng)與最佳聽力面有一定高度差(一般為0.2 m)。由于客室內(nèi)坐立區(qū)測(cè)點(diǎn)高度設(shè)定為1.2 m，站立區(qū)測(cè)點(diǎn)高度設(shè)定為1.7 m，綜合考慮，線圈高度在1.4 m左右高度時(shí)可提供最佳效果。

圖5 音頻感應(yīng)環(huán)路最佳聽力面

3 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)測(cè)試方法

軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)在實(shí)際布線前和最終型式試驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)，通常需要對(duì)音頻感應(yīng)環(huán)路進(jìn)行磁場(chǎng)仿真模擬和實(shí)際測(cè)試。其中，測(cè)試方法主要參考IEC 60118-4標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)示意圖

助聽系統(tǒng)的測(cè)試儀器通常采用校準(zhǔn)后的XL2音頻分析儀和CMR3磁場(chǎng)信號(hào)接收器等。依據(jù)IEC 60118-4標(biāo)準(zhǔn)要求，助聽系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)通常包括信噪比、頻率響應(yīng)、失真等。其中，信噪比是助聽系統(tǒng)最直觀和最重要的性能指標(biāo)。信噪比的計(jì)算需要先后測(cè)量助聽系統(tǒng)關(guān)閉條件下的環(huán)境背景噪聲和系統(tǒng)正常工作條件下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)換算，需參考場(chǎng)強(qiáng)、聲壓級(jí)(CSPL)以及均方根聲壓(CRMS)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表(見(jiàn)表1)。該關(guān)系表滿足插值法。

表1 場(chǎng)強(qiáng)、CRMS、CSPL值對(duì)應(yīng)表

根據(jù)音頻分析儀測(cè)量的CRMS，通過(guò)表1分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的CSPL，然后依據(jù)公式(3)，即可計(jì)算出助聽系統(tǒng)的信噪比。

SSNR=CSPL,正常工作—CSPL,背景噪聲

(3)

式中：

SSNR——助聽系統(tǒng)信噪比；

CSPL,正常工作——助聽系統(tǒng)正常工作時(shí)的聲壓級(jí)；

CSPL,背景噪聲——助聽系統(tǒng)非工作狀態(tài)時(shí)的背景噪聲聲壓級(jí)。

磁場(chǎng)強(qiáng)度參照值相對(duì)于A計(jì)權(quán)背景噪聲值的信噪比，在極端情況下最低容忍值為22 dBu，一般建議大于47 dBu。

4 結(jié)論

1) 相對(duì)于調(diào)頻廣播助聽系統(tǒng)和紅外助聽系統(tǒng)，音頻感應(yīng)環(huán)路助聽系統(tǒng)可以在一定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的助聽效果，同時(shí)保護(hù)聽障人士的隱私，是適用于軌道交通列車的最佳助聽系統(tǒng)方案。

2) 在車載助聽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)覆蓋區(qū)域的大小、形狀，決定音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動(dòng)器的輸出功率；同時(shí)采用電磁仿真手段，評(píng)估空間內(nèi)金屬材料等產(chǎn)生的磁屏蔽現(xiàn)象。

3) 音頻環(huán)路線圈的布置應(yīng)保證產(chǎn)生的磁場(chǎng)與助聽器接收線圈在垂直面內(nèi)，這樣助聽器線圈可以接收100%的磁通量。

4) 音頻感應(yīng)環(huán)路線圈的布置位置應(yīng)與最佳聽力面保持一定高度差。在此聽力面內(nèi)，垂直聽力面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小基本保持一致，乘客收聽感受良好。