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 霍長凡 李 志

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266031，青島；2.中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//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)達國家得到廣泛應(yīng)用。

對于助聽系統(tǒng)的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者開展了較為豐富的研究工作。文獻[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)，并對助聽器的實際運用場景進行了分析。文獻[4]對目前助聽器涉及的算法進行了研究，依據(jù)目前主流數(shù)字助聽器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從響度補償、噪聲抑制和回聲消除等幾個方面總結(jié)了近年來國內(nèi)外相關(guān)算法的研究和實現(xiàn)方案。文獻[5]研究了一種新的非線性響度補償方法，并分析了該方法對提高語音響度和改善聽損患者的言語識別率的效果。不難發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對于助聽系統(tǒng)的研究側(cè)重于助聽器本身硬件和相關(guān)算法，對于助聽系統(tǒng)在空間內(nèi)的布置、助聽效果評估等問題缺乏系統(tǒng)研究。

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

近年來，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)秀的助聽效果和對隱私性的保護占據(jù)了主流的助聽市場。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)動器和感應(yīng)線圈兩部分組成。音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器從音頻放大器中接受音頻輸入，將接受到的模擬信號轉(zhuǎn)化為電磁信號，并通過電磁感應(yīng)線圈覆蓋到客室內(nèi)。佩戴助聽耳機的聽障乘客，則通過助聽接收器將輻射到客室內(nèi)的電磁信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，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)準要求的技術(shù)項點和指標(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)生的磁場及相應(yīng)的助聽效果，最后介紹了相關(guān)測試方法。

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)通過音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生變化的電流，進而在客室空間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(見圖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)磁場后，客室內(nèi)佩戴助聽器的乘客通過切換至助聽器“T檔”(“T”表示磁電感應(yīng)輸入方式)，助聽器內(nèi)部的感應(yīng)線圈切割磁場中的磁力線產(chǎn)生電流，拾取周圍特定頻率的電磁信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。該過程中依據(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)電動勢的大小，等于穿過這一電路磁通量的變化率,即

ε=-dΦB/dt

(2)

式中：

ε——電動勢；

ΦB——通過電路的磁通量。

式(2)中的負號表示電動勢的方向，由楞次定律提供。

1.2 磁場屏蔽

磁場屏蔽是指當(dāng)磁導(dǎo)率不同的兩種介質(zhì)同時處于磁場中時，在它們的交界面處，磁感應(yīng)強度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，金屬會導(dǎo)致磁感線對法線的偏離，并且產(chǎn)生強烈的匯聚作用，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)的各類金屬材料會對車內(nèi)磁場產(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)生的磁場強度。為解決磁場屏蔽問題，通常需要在助聽系統(tǒng)設(shè)計之初考慮音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器的功率補償。

2 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)方案研究

國內(nèi)目前已投入運營的軌道交通列車中，尚無安裝乘客助聽系統(tǒng)的先例，也暫無標(biāo)準可循。在近年來國外的軌道交通項目中，助聽系統(tǒng)已經(jīng)成為PIS(乘客信息系統(tǒng))常見的配置要求。除實現(xiàn)基本功能外，相關(guān)項目多參考IEC 60118-4、AS 1428.5等相關(guān)標(biāo)準，針對乘客助聽系統(tǒng)的功能，提出具體的性能指標(biāo)。相關(guān)標(biāo)準以及技術(shù)條件對于助聽系統(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)的場強、信噪比、頻率響應(yīng)、失真等技術(shù)指標(biāo)。

對于車載助聽系統(tǒng)的設(shè)計，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，要求至少覆蓋客室內(nèi)50%以上區(qū)域。由于覆蓋區(qū)域的場強大小直接由環(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)動器驅(qū)動，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)動器的輸出功率。圖2為不同形狀區(qū)域下助聽驅(qū)動電流大小比較。

圖2 不同形狀區(qū)域下助聽驅(qū)動電流大小比較

以圖2為例，兩個區(qū)域的覆蓋面積均為240 m2，但是為實現(xiàn)同樣磁場強度覆蓋，正方形區(qū)域即需要更大的輸出電流。這是因為相對于方形區(qū)域，正方形區(qū)域的中心位置距環(huán)路線圈較遠，磁場強度衰減更嚴重。當(dāng)電流大小確定后，音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器的輸出電壓由環(huán)路線圈的長度和類型決定。對于軌道交通列車，車內(nèi)區(qū)域更接近于長方形區(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)對磁場的屏蔽影響。對于磁屏蔽影響，通常需要進行相應(yīng)的仿真計算分析，從而折算磁通量的損失比例。以圖3為例，評估分析了方形助聽環(huán)路線圈產(chǎn)生的磁場以及車身內(nèi)裝板對磁場的影響。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)裝金屬板對磁場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對磁場產(chǎn)生影響，金屬周圍的磁場強度會發(fā)生劇烈的變化，影響助聽收聽效果。

圖3 磁屏蔽下的環(huán)路線圈磁場仿真示意圖(場強參考基準：-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)生磁場與助聽器接收線圈在垂直面內(nèi)時，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)生磁場與助聽器接收線圈在水平面內(nèi)時，助聽器線圈則根本無法接收磁通量。

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

如圖5所示，當(dāng)兩根通電導(dǎo)線構(gòu)成環(huán)路時，在兩根導(dǎo)線中間區(qū)域的磁感線具有相同的方向，即回路中的信號為兩根導(dǎo)線在此處產(chǎn)生場強的疊加。在兩根導(dǎo)線所處水平面內(nèi)的區(qū)域，垂直場分量梯度非常大，特別是在靠近導(dǎo)線的位置，磁場強度會急劇增大，從而帶來助聽器接受信號的突變。綜合考慮空間內(nèi)的磁場情況，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)，垂直聽力面的磁場強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)測點高度設(shè)定為1.2 m，站立區(qū)測點高度設(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)測試方法

軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)(見圖6)在實際布線前和最終型式試驗驗收時，通常需要對音頻感應(yīng)環(huán)路進行磁場仿真模擬和實際測試。其中，測試方法主要參考IEC 60118-4標(biāo)準。

圖6 軌道交通列車乘客助聽系統(tǒng)示意圖

助聽系統(tǒng)的測試儀器通常采用校準后的XL2音頻分析儀和CMR3磁場信號接收器等。依據(jù)IEC 60118-4標(biāo)準要求，助聽系統(tǒng)的測試項點通常包括信噪比、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)。信噪比的計算需要先后測量助聽系統(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強度。為實現(xiàn)換算，需參考場強、聲壓級(CSPL)以及均方根聲壓(CRMS)值的對應(yīng)關(guān)系表(見表1)。該關(guān)系表滿足插值法。

表1 場強、CRMS、CSPL值對應(yīng)表

根據(jù)音頻分析儀測量的CRMS，通過表1分別計算出對應(yīng)的CSPL，然后依據(jù)公式(3)，即可計算出助聽系統(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)正常工作時的聲壓級；

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

磁場強度參照值相對于A計權(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)實現(xiàn)良好的助聽效果，同時保護聽障人士的隱私，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)計過程中，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)動器的輸出功率；同時采用電磁仿真手段，評估空間內(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)，垂直聽力面的磁場強度大小基本保持一致，乘客收聽感受良好。