Was ist ein akustisches Fahrzeugwarnsystem (Acoustic Vehicle Alerting System, AVAS)?

Ein akustisches Fahrzeugwarnsystem (AVAS) ist ein Fahrzeugmodul, das bestimmte Warntöne erzeugt, diese über Lautsprecher an der Fahrzeugkarosserie wiedergibt und anderen Verkehrsteilnehmer*innen Informationen über Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Fahrzeugs liefert. Als Reaktion auf die Forderungen von Sicherheitsexperten und Interessenvertretern für Sehbehinderte hat die Automobilindustrie diese Technologie für Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridfahrzeuge entwickelt, da diese bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht zu hören sind.

Im Allgemeinen kommen die Geräusche bei Kraftfahrzeugen aus drei Quellen:

• Motorgeräusch: Alle mechanischen Systeme, die das Drehmoment für die Räder liefern, erzeugen Geräusche, und der Geräuschpegel kann bei Verbrennungsmotoren sehr hoch sein. Verschiedene Lüfter können ebenfalls Geräusche erzeugen, sind aber nicht immer eingeschaltet. Elektromotoren erzeugen bei höheren Geschwindigkeiten ein Heulen, und Brennstoffzellenmotoren haben Gebläse und Pumpen, die zu den Motorgeräuschen beitragen.
• Abrollgeräusch: Reifen machen Geräusche, wenn sie über die Straßenoberfläche rollen. Der Geräuschpegel hängt von der Reifenart, der Fahrbahnoberfläche und der Fahrzeuggeschwindigkeit ab.
• Aerodynamische Geräusche: Die um das Fahrzeug strömende Luft kann bei höheren Geschwindigkeiten Turbulenzen erzeugen, die Geräusche verursachen, welche Fußgänger*innen als Hinweis dienen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten gibt es jedoch nur sehr wenig aerodynamische Geräusche.

Fußgänger*innen, die am Straßenrand entlanggehen oder die Straße überqueren, sowie Radfahrer*innen oder Kinder in der Nähe von Straßen nutzen solche Fahrzeuggeräusche als akustisches Warnsignal dafür, dass sich ein Fahrzeug nähert. Dies ist besonders wichtig für Menschen mit Sehbehinderung oder für Personen, die beim Gehen durch andere Tätigkeiten abgelenkt sind, beispielsweise durch den Blick auf ihr Handy oder durch Gespräche mit anderen. Seitdem es auch Elektroautos auf unseren Straßen gibt, ist deren geringe Geräuschentwicklung bei niedrigen Geschwindigkeiten zu einem Problem für die Sicherheit von Fußgänger*innen geworden. Eine Studie der National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) aus dem Jahr 2009 ergab, dass Hybrid-Elektrofahrzeuge, die ihren Elektromotor nutzen, doppelt so häufig in Unfälle mit Fußgänger*innen und 1,7-mal häufiger in Unfälle mit Fahrrädern verwickelt waren als konventionelle Fahrzeuge. Bei Geschwindigkeiten um die 20 km/h sind Straßen- und Fahrgeräusche so laut, dass sie deutlich zu hören sind, weshalb keine zusätzlichen Geräusche erzeugt werden müssen. 

Automobilhersteller bauen aus drei Gründen AVAS-Module in ihre Elektro- und Hybridfahrzeuge ein:

• Fußgängersicherheit: Die von AVAS erzeugten Warntöne verringern das Risiko von Zusammenstößen mit ungeschützten Verkehrsteilnehmer*innen wie Fußgänger*innen und Radfahrer*innen. Zu den typischen Situationen, für die das erzeugte Geräusch vorgesehen ist, gehören Personen, die Straßen auf Fußgängerüberwegen oder im Umfeld der Fahrbahn überqueren, das Umgehen geparkter Fahrzeuge sowie das Vorbeigehen hinter einem rückwärtsfahrenden Fahrzeug.
• Sound-Branding: Die Geräuscherzeugung zur Gewährleistung der Sicherheit bei niedrigen Geschwindigkeiten bietet Automobilherstellern zudem eine Chance. Automobilhersteller können für ihre AVAS-Lösungen einen unverwechselbaren Klang entwickeln, um damit einen Standard für ihre Fahrzeuge zu setzen.
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: Viele Länder haben die Verwendung von AVAS in Fahrzeugen vorgeschrieben, die bei niedrigen Geschwindigkeiten keine Motorgeräusche erzeugen. Dazu gehören batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV), Plug-in-Hybride, gaselektrische Hybridfahrzeuge und einige Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge.

Ein akustisches Fahrzeugwarnsystem enthält in der Regel die folgenden Module:

• CAN-Datenbus (Controller Area Network): Das AVAS benötigt Informationen darüber, was das Fahrzeug gerade tut, um die richtigen Geräusche in den vorgegebenen Lautstärke- und Frequenzkombinationen zu erzeugen. Diese Informationen stammen vom CAN-Bus des Fahrzeugs, der mit Sensoren und Geräten verbunden ist, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gangstellung, die Position von Gaspedal und Bremse, Umgebungsgeräusche sowie die Beschleunigung messen oder erfassen.
• Verarbeitung: Dies ist das Gehirn des Systems. Es besteht aus einem elektronischen Steuergerät (ECU), einem Tongeber, einem Verstärker und einer CAN-Bus-Schnittstelle.
• Ausgabe: Das Verarbeitungsmodul nutzt die Sensorinformationen, um über das Ausgabemodul des Systems Töne zu erzeugen. Die Hauptkomponenten eines AVAS-Ausgabemoduls sind Lautsprecher, Verkabelung, Gehäuse und Halterungen. Bei einigen Fahrzeugen wird der Ton durch aktive Schwingungen vorhandener Karosserieteile, wie beispielsweise der Motorhaube, erzeugt.  

Die ersten Vorschriften zum Geräuschpegel bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zielten darauf ab, die Lärmbelastung zu verringern und das Bewusstsein der Fahrer zu schärfen. Mittlerweile haben die zuständigen Behörden Vorschriften erlassen, um sicherzustellen, dass Elektrofahrzeuge und ähnliche Fahrzeuge Geräusche erzeugen, um die Sicherheit zu verbessern. Die daraus resultierenden Regelungen zu Fußgängerwarnsystemen dienen zwei Zwecken:

1. Sie stellen rechtliche Mittel zum Schutz von Verkehrsteilnehmer*innen bereit und liefern Fahrzeugkonstrukteur*innen einheitliche Richtlinien.
2. Die Regelungen enthalten messbare Größen, an denen die Ingenieur*innen ihre Entwürfe ausrichten können.

Auch wenn jedes Land oder jede Region eigene Sicherheitsstandards für AVAS hat, legen fast alle für bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeiten Folgendes fest:

• Hörbarkeit: Die Geräuschpegel bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten sind laut genug, um in realen Situationen wahrgenommen zu werden.
• Erkennbarkeit: Personen in der Nähe können das Geräusch als Hinweis auf den Standort und die Fahrtrichtung des Fahrzeugs erkennen.
• Relevanz: Die erzeugten Geräusche liefern zusätzliche akustische Hinweise, beispielsweise auf Geschwindigkeit, Stillstand oder Rückwärtsfahrt.

Gängige AVAS-Vorschriften

Im Folgenden finden Sie einige der am häufigsten angewandten Vorschriften und Richtlinien, die für akustische Fahrzeugwarnsysteme gelten.

UN-Regelung Nr. 138 (UN r138)

Dieser internationale Standard wird von den meisten Nationen akzeptiert, darunter Japan, die Europäische Union, Australien und Großbritannien. Die UN-Regelung R138 enthält Informationen für Ingenieur*innen zu Lautstärke und Frequenz sowie zu Prüfverfahren. Zu den wesentlichen Anforderungen an die unter diese Regelung fallenden AVAS-Systeme gehören:

• Gibt vom Anfahren bis zu einer Geschwindigkeit von 12 Meilen pro Stunde (20 km/h) Geräusche ab.
• Erzeugt beim Rückwärtsfahren ab einer Mindestlautstärke ein deutlich wahrnehmbares Rückfahrsignal.
• Es ist kein Geräusch zu hören, wenn das Fahrzeug steht.
• Gibt in unterschiedlichen Geschwindigkeitsbereichen einen Signalton mit einer bestimmten Mindestlautstärke ab.
• Erzeugt einen Ton, der mindestens zwei Frequenzen in bestimmten Bereichen umfasst.
• Die Tonhöhe des erzeugten Tons wird variiert, um eine Beschleunigung (Steigerung der Frequenz) oder eine Verzögerung (Abnahme der Frequenz) mit einer Rate von mindestens 0,8 % pro 1 km/h Geschwindigkeitsänderung anzuzeigen.

US Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 141

Hybrid- und Elektrofahrzeuge, die in den USA betrieben werden und ein zulässiges Gesamtgewicht (GVWR) von 10.000 Pfund oder weniger aufweisen, müssen dem FMVSS Nr. 141, "Mindestanforderungen an den Geräuschpegel von Hybrid- und Elektrofahrzeugen" entsprechen.

Zu den wesentlichen Anforderungen an die unter diese Regelung fallenden AVAS-Module gehören:

• Gibt vom Anfahren bis zu einer Geschwindigkeit von 30 km/h ein Geräusch ab.
• Erzeugt beim Rückwärtsfahren ab einer Mindestlautstärke ein deutlich wahrnehmbares Rückfahrsignal.
• Erzeugt ein Geräusch, wenn das Fahrzeug steht und ein Gang eingelegt ist.
• Gibt für unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche und Frequenzbänder einen Ton mit einer festgelegten Mindestlautstärke ab.
• Die Lautstärke wird bei Beschleunigung und Verzögerung um 3 dB pro Geschwindigkeitsänderung von 10 km/h angepasst.
• Erzeugt einen Ton, der mindestens zwei und bis zu vier Frequenzen in speziellen Bereichen erzeugt.
• Erzeugt bei einer bestimmten Marke, einem bestimmten Modell, einem bestimmten Modelljahr, einer bestimmten Karosserieform und einer bestimmten Ausstattungsvariante immer denselben Ton.

China GB/T 37153

Die chinesische Norm entspricht größtenteils der UN r138. Aufgrund des hohen Umgebungslärms in chinesischen Städten schreibt sie jedoch eine Lautstärke vor, die 2 dB über dem UN-Standard liegt. Außerdem können Fahrer das AVAS-Modul über einen Pausenschalter ausschalten.

SAE J2889-1 und ISO 16254

Diese eng verwandten Branchenstandards sind gesetzlich nicht bindend. Darin werden anerkannte Verfahren zur Messung des von akustischen Fahrzeugwarnsystemen erzeugten Geräusches festgelegt. Die Standards enthalten Richtlinien für die Oberflächen von Teststrecken, die Korrektur von Hintergrundgeräuschen und die Platzierung von Mikrofonen. 

Das Designen von AVAS-Tönen vereint technische Aspekte, Ästhetik, Innovation, Effizienz und Anforderungen an die Sicherheit in einem einzigen kreativen Prozess, um ein Produkt zu schaffen, das all diese häufig widersprüchlichen Ziele erfüllt. Aus diesem Grund greifen Automobilhersteller gern auf das Fachwissen von Sounddesignern zurück, wenn es um das Design ihrer AVAS-Töne geht.

Jedes Team geht bei diesem Prozess anders vor, doch alle beginnen mit den Branding-Zielen, den Vorschriften und den zusätzlichen Anforderungen an die Sicherheit und probieren dann unterschiedliche Töne aus. Sie können Sound-Samples, digitale Effekte, Musikinstrumente oder Alltagsgegenstände einsetzen, um einzigartige akustische Kombinationen zu erproben, die die Sicherheit im Verkehr verbessern, die bestimmungsrechtlichen Anforderungen erfüllen und das Markenimage des Unternehmens stärken.

Da Lautstärke und Frequenzanforderungen vorgeschrieben sein können, ist die Stärkung des Markenimages durch den Ton ein iterativer Prozess. Zunächst beginnt man mit der Entwicklung markenspezifischer Symbolik als Grundlage für die Arbeit der Tontechniker*innen. Das kann ein natürliches und organisches Geräusch wie Wind und Wasser sein. Oder es soll ein kraftvoller, filmischer Eindruck entstehen. Manche Marken bevorzugen sogar, dass ihre Elektrofahrzeuge das charakteristische Brummen ihrer bisherigen Verbrennerfahrzeuge übernehmen. 

Sobald das Team diese Markenvision festgelegt hat, besteht der nächste Schritt darin, zu untersuchen, wie die vom AVAS erzeugten Geräusche mit den Betriebsgeräuschen des Fahrzeugs interagieren. Die Geräusche können sich gegenseitig ergänzen oder sich übertönen. Ein weiterer wichtiger Aspekt, den Tontechniker berücksichtigen müssen, ist die Frage, ob die Klangkombinationen harmonisch oder dissonant sind. Sie müssen auch berücksichtigen, wie Menschen Geräusche wahrnehmen. Ein berühmtes Beispiel für eine unerwartete Reaktion von Fußgänger*innen ereignete sich, als Jaguar für sein AVAS-System einen von Raumfahrzeugen inspirierten Ton nutzte, der die Menschen dazu veranlasste, zum Himmel aufzublicken.

Um diesen komplexen Zusammenhängen Rechnung zu tragen, nutzen Sounddesigner Simulationssoftware wie die Nachbearbeitungssoftware Ansys Sound, um unterschiedliche Ideen für das Sounddesign zu erproben, zu testen, zu optimieren und zu validieren. Sie können mit einer Reihe von Grundtönen beginnen und dann Eigenschaften wie Klangfarbe, Tonhöhe und Lautstärke variieren, um neue Klangkompositionen zu gestalten. Anschließend können sie untersuchen, wie sich diese Töne in Abhängigkeit von Fahrparametern wie Motordrehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Drehmoment verändern. Die Software ermöglicht es, Parameter einfach zu ändern und die Töne anschließend in Echtzeit im Labor, in einem Fahrsimulator oder über die AVAS-Hardware des Fahrzeugs zu hören. Durch den Einsatz eines Simulationstools wie Ansys Sound können Ingenieur*innen schneller iterieren und müssen nicht auf Änderungen an physischen Prototypen warten, was Wochen dauern kann. 

Screenshots aus Ansys Sound, die die Soundabstimmung (links) und die Überprüfung der Konformität mit dem AVAS zeigen.

Selbst wenn sich akustische Fahrzeugwarnsysteme in Elektro- und Hybridfahrzeugen als wichtige Sicherheitsfunktion etablieren, wird die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen Herausforderungen mit sich bringen. Am wichtigsten ist dabei die Gefahr einer neuen Art von Lärmbelastung. Da immer mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen der Städte unterwegs sind, könnte das Geräusch all ihrer AVAS-Lautsprecher zur Lärmbelastung beitragen. Wenn zudem verschiedene Marken gleichzeitig sehr unterschiedliche Geräusche erzeugen, könnte diese Kombination Fußgänger verwirren. In bestimmten Fällen könnten die Geräusche von zwei oder mehr Fahrzeugen miteinander kollidieren, sodass sie eher wie eine Schulband für Anfänger*innen als wie ein erfahrenes Symphonieorchester klingen.

Zu den Verbesserungen, an denen die Designteams derzeit arbeiten, gehören unter anderem:

• Adaptive Klanglandschaften, die sich je nach Umgebung ändern, beispielsweise in Schulbereichen, an Krankenhäusern, in Fußgängerzonen oder auf dem Land.
• Integration in Smart-City-Konzepte, bei der AVAS mit städtischen Sensoren oder den Smartphones von Fußgänger*innen interagiert.
• Fahrzeuge, die Geräusche anderer Lärmquellen, einschließlich anderer Fahrzeuge, wahrnehmen und ihre Töne so anpassen, dass sie harmonischer klingen.
• Kombination von AVAS mit visuellen Signalen für laute Umgebungen.

Gleichzeitig eröffnet die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen und die Entwicklung neuer technologischer Megatrends neue Chancen. Autonome Fahrzeuge benötigen zusätzliche Warntöne, da kein Fahrer vorhanden ist, der hupen oder potenzielle Fahrgäste auf ihre Ankunft aufmerksam machen könnte. Künstliche Intelligenz (KI) gibt Sounddesignern zudem die Möglichkeit, noch mehr Klangoptionen zu erkunden und zu synthetisieren sowie diese schneller und präziser zu testen. 

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