地鐵廣播音量自動調節系統的設計與研究

賈 濤,趙 磊,陳茂強,時文昌

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣電子事業部,山東 青島 266031)

交通噪聲是環境噪聲污染的主要來源之一[1-2],世界衛生組織出版的《新科學家》周刊發表的報告指出,歐洲因心臟病或中風死亡的人中,有3%的是由于交通噪聲所致[3]。對于地鐵等城市軌道交通列車產生的噪聲,我國發布了相關標準加以限制,國標GB 14982—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》中規定地鐵車輛客室內A計權下等效聲級Leq在地上運行時限值為75 dB,在地下運行時限值為83 dB[4]。

地鐵車內廣播易受背景噪聲影響,同時作為車內聲源之一,直接影響車內的總體噪聲水平,廣播音量自動調節功能可以幫助減少背景噪聲影響,控制車內總體噪聲水平。由于傳統的地鐵廣播音量是固定的,因此在環境嘈雜時,部分乘客無法聽清廣播提示的內容;如果將廣播的音量調整到最大狀態,雖然可以解決乘客聽不清的問題,但在環境相對安靜時,過大的廣播音量會降低乘客的舒適度,造成車廂內的噪聲污染[5-6]。簡而言之,由于背景噪聲的變化,會造成乘客有時聽不清提示音內容,有時因廣播音量過大而降低乘客舒適度的問題。

為解決上述問題,文章提出一種地鐵廣播音量自動調節系統設計方案。該系統可以根據當前環境噪聲的大小來實時匹配廣播的音量。這樣既能保證人耳能清晰地接收廣播內容,提高信息傳播效率,又能改善乘客收聽的舒適度,減少公共廣播對聲環境的污染。

1 系統概述

地鐵廣播音量自動調節系統適用于出站提示音、換乘提示音、到站提示音和多媒體廣播等內容的音量調節。地鐵廣播音量自動調節系統示意圖如圖1所示,列車的每節車廂都裝有1臺客室廣播主機,相鄰車廂的主機之間通過千兆以太網組網,數字音頻信息、控制信息等在以太網中傳輸和交互,實現全列車的信息互通。主機采用中央處理單元對每節車廂的噪聲數據進行處理,并動態控制和管理每列車的廣播音量。每節車廂裝有2臺噪聲監測模塊,噪聲監測模塊之間的通信線和電源線采用級聯的方式進行連接,2臺噪聲監測模塊單獨采集車廂聲環境,并進行模數轉換和加權運算等,將聲壓數據發送到客室廣播主機。揚聲器是車廂內的發聲設備,每節車廂實際分有兩路共配備8個揚聲器,采用級聯方式進行連接,示意圖中受空間所限僅畫2個揚聲器進行示意。

圖1 地鐵廣播音量自動調節系統示意圖

2 系統總體設計方案

系統總體設計方案如圖2所示,客室廣播主機選擇使用標準3U機箱結構,背板采用CPCI總線接口標準,集成電源模塊、解碼模塊、功放模塊及電源接口模塊等,采取模塊化設計,具有更好的互換性和通用性。電源模塊將車載DC 110 V電源轉換為DC 24 V電源和DC 12 V電源,并平衡電源波動濾除干擾為主機所載板卡供電。功放模塊、解碼模塊和電源接口模塊之間的通信接口和供電接口均通過背板引出,通過機箱背板進行數據交互,功放模塊與解碼模塊采用UART總線的形式進行通信。

圖2 地鐵廣播音量自動調節系統總體設計方案

噪聲監測模塊采集環境噪聲聲壓值,采用DC 24 V供電線和RS-485總線通信。客室揚聲器通過音頻線與功放板連接,在功放模塊的驅動下發聲。客室廣播主機的其他模塊功能如下:

(1) 功放模塊。采用效率高、體積小、失真低的后級數字音頻功率放大器,增加輸入信號的功率幅度,驅動客室揚聲器發聲。

(2) 解碼模塊。選用高性能音頻解碼芯片,一方面對噪聲監測模塊采集的數據進行處理和邏輯運算,另一方面將數字音頻信號轉換為模擬信號。

(3) 電源接口模塊。內置濾波模塊,將背板的24 V直流電源引出到前面板,為噪聲監測模塊等設備供電。

3 系統硬件設計

根據上述系統總體設計方案和功能接口分析,進行系統硬件平臺的選型和設計。文章將重點介紹系統中包含芯片及需要邏輯開發的噪聲監測模塊、解碼模塊和功放模塊。

3.1 噪聲監測模塊

噪聲監測模塊主要作用為采集環境噪聲,并進行頻譜分析處理和計權運算等,將模擬量轉化為十六進制的聲壓級,通過RS-485接口輸出數據。該模塊選用某公司HH_07.06數據采集卡,集成專業噪聲處理芯片和高性能運算處理器,核心板卡實物圖如圖3所示。核心板卡采用被動模式協議,所有通信都是從主機發起,設備返回對應數據包,支持設備信息讀取、聲壓值讀取、設備地址設置以及波特率設置等。

圖3 噪聲監測模塊核心板卡

核心板卡具有聲壓級測量范圍大、監測頻率范圍寬以及響應時間快等特點,具體參數如表1所示,可滿足地鐵車廂噪聲測量和工作環境的需求。

表1 噪聲監測模塊核心板卡主要參數

測量范圍/dB

30～130

監測頻率范圍/Hz

31.5～8 000

接口

串行TTL

計權方式

A計權

分辨率/dB

0.1

工作溫度/℃

-20～60

響應時間/ms

<300

核心板卡工作原理如圖4所示,駐極體電容麥克風采集的噪聲數據首先在前端通過數據采集量化,將電信號轉換為聲壓信號,再進行頻譜處理和1/3倍頻程頻帶劃分,以得到噪聲能量的頻率分布,然后進行有效值運算和頻帶的聲壓計算[7],最后根據HJ 453—2018[8]標準中的聲環境影響預測方法加入等效連續A聲壓級計權運算,得到最終的聲壓值。計算公式如下:

(1)

圖4 噪聲監測模塊核心板卡工作原理

式中:LAeq,T為等效聲級,dB;(t2-t1)為規定的時間間隔,s;pA(t)為噪聲瞬時A計權聲壓,Pa;p0為基準聲壓,單位為20 μPa。

3.2 解碼模塊

在地鐵運行過程中,列車上眾多的電子電氣設備對車廂內的電磁環境產生了巨大干擾。模擬音頻傳輸存在電磁干擾、接地干擾及信號損耗等問題,在車內復雜的電磁環境中傳輸極易受到干擾,而數字音頻具有傳輸抗干擾能力強,系統信噪比及失真度與傳輸距離無關,保真度更高等優勢。因此,在乘客信息系統的音頻傳輸網絡中已經廣泛采用數字音頻進行傳輸。解碼模塊在系統中一方面用于解析以太網(Ethernet)網絡中的數字音頻信號,將數字信號轉換為相應的模擬信號,通過Audio Signal接口控制模擬信號的輸出,從而實現列車的廣播功能;另一方面通過RS-485接口接收噪聲監測模塊發送來的數據,并做相應的處理。考慮功放模塊和噪聲監測模塊通信的接口需求、音頻數據處理性能需求等,選用瑞芯微RK3308芯片,由芯片拓展的模塊外圍接口如圖5所示。

圖5 解碼模塊外圍接口示意圖

RK3308芯片是一款高性能四核應用處理器,針對音頻和物聯網(IoT)應用設計,增加了編解碼器(CODEC)以及音頻相關模塊。CPU采用4核心的ARM Cortex-A35內核,最高頻率1.3 GHz,具有8通道模數轉換器(ADC)和2通道數模轉換器(DAC),并且支持8通道模擬MIC陣列和回采,支持語音交互、回聲消噪處理、音頻輸入/輸出處理等數字多媒體應用[9]。音頻接口豐富,如PCM、TDM、PDM等,集成度較高,能滿足不同音頻應用程序的開發,減少硬件開發復雜性和開發成本。

解碼模塊與噪聲監測模塊之間通過RS-485總線進行數據交互。文章選用SIT3485ISO半雙工RS-485收發器,將芯片內部的UART接口轉換為對外的RS-485接口。運用該收發器,總線端口在人體放電模式下的ESD保護能力達到15 kV,可有效預防因人體靜電對內部器件的破壞。此外,該收發器還具備失效安全、過壓保護和過流保護等功能,在電噪聲環境中可實現高于500 kbps的無差錯數據傳輸,使解碼模塊擁有較強的抗干擾能力。

3.3 功放模塊

功放模塊選用支持D類音頻功率放大器的TPA3118D2芯片,頻率響應曲線較好,具有較高的能量使用轉換率和較低的失真率。采用單電源供電,減少了組件數量,集成自保護電路,包括過壓、欠壓、過熱、直流檢測和短路保護等功能,并且具有自檢功能,故障可報告給處理器,從而避免過載情況下對器件造成的損壞。

在DC 24 V電壓、8 Ω的BTL負載條件下,支持2路30 W的揚聲器功率輸出,足夠驅動單車廂內的8個額定功率為5 W的揚聲器。芯片支持可編程功率限制功能,通過UART總線與解碼模塊進行通信,接收解碼模塊發來的級位控制信息,實現不同功放功率的輸出。

4 系統軟件設計

4.1 數據傳輸程序設計

系統的數據網絡傳輸程序主要應用RS-485通信協議和UART通信協議。在本系統中,噪聲監測模塊和解碼模塊之間采用RS-485通信協議,解碼模塊和功放模塊之間采用UART通信協議,傳輸示意圖如圖6所示。

圖6 數據傳輸示意圖

RS-485總線作為一種常見的串行總線標準,采用平衡發送和差分接收,具有良好的抗干擾能力,總線收發器靈敏度較高,能檢測低于200 mV的電壓[10]。再加上結構簡單、可靠性高、設計成本低等優點,在工業控制中應用廣泛[11]。數據包格式為:地址+命令+數據+CRC16校驗,整個數據包長度為8字節。

噪聲監測模塊采用被動模式協議,因此要獲取其對應的聲壓數據,需要解碼模塊先向噪聲監測模塊發送對應的指令數據包,如表2所示。

表2 解碼模塊發送的數據包格式

噪聲監測模塊收到解碼模塊的發送指令,以表3形式返回對應數據包。

表3 噪聲監測模塊發送的數據包格式

UART總線只需要2根通信線就可以在設備之間傳輸數據,兩個UART總線終端必須配置為發送和接收相同的數據包結構[12],在本系統中所用的UART協議數據包格式如表4所示。

表4 UART協議數據包格式

4.2 系統軟件處理邏輯設計

噪聲監測模塊將采集的噪聲數據進行實時處理后傳輸至解碼模塊板卡,在車廂內音頻廣播時,解碼模塊的軟件處理邏輯將依據車廂內噪聲值進行邏輯運算,控制音頻功放輸出,以達到自動調節音量的目的。為了防止自激造成功放模塊輸出增益的無限增大,更好地區分背景噪聲和廣播聲音,系統僅在廣播沒有工作時進行噪聲采集及增益調節,軟件邏輯通過系統廣播狀態反饋指令Brd_stt判斷,當Brd_stt = 0時,表示揚聲器沒有工作。軟件設計應首先將廣播音量控制在合理的區間內,例如設置廣播音量最低65 dB,最高85 dB,則音量調節區間為65～85 dB。解碼模塊收到噪聲監測器的聲壓數據后,進行邏輯數據處理。將功放模塊輸出的功率劃分為6個級位,從0～5級的功率值遞增,根據地鐵實際的運行環境,保證廣播清晰度和傳播效率,以60 dB為分界線,當檢測到環境噪聲小于60 dB時,解碼模塊發送第0級位指令給功放模塊,驅動揚聲器發聲;當檢測到環境噪聲大于60 dB時,系統開始進行動態調節,驅動揚聲器以對應級位發聲。具體的系統軟件處理邏輯如圖7所示。

圖7 地鐵廣播音量自動調節系統軟件處理邏輯

5 系統聯調測試

搭建測試環境如圖8所示,使用音箱播放1 kHz、0 dB的音頻模擬環境噪聲,通過噪聲監測模塊采集噪聲。

圖8 廣播音量自動調節系統功能測試

手動調節音箱的音量大小來模擬環境噪聲的變化,借助聲級計在A計權模式下采集當前的聲壓值,經過反復試驗,確定表5所示的廣播音量輸出級位調節關系。當環境噪聲變化時,系統的廣播音量的大小可以快速進行動態調節。

表5 廣播音量輸出級位調節關系

6 總結

本文提出的廣播音量自動調節系統設計方案,系統采用適于工程實際的模塊化設計,音量調節響應快速準確,可以實現廣播音量伴隨環境噪聲的動態調節,能有效提高廣播信息的傳遞質量和乘客的乘坐舒適度。