Cos'è un sistema AVAS (Acoustic Vehicle Alerting System)?

Un sistema AVAS (Acoustic Vehicle Alerting System) è un modulo automobilistico che genera suoni di avviso distintivi e li riproduce tramite altoparlanti montati nella carrozzeria del veicolo, fornendo agli altri utenti della strada informazioni sulla posizione, sulla velocità e sulla direzione di marcia del veicolo. In seguito alle preoccupazioni espresse dagli esperti di sicurezza e dai sostenitori delle persone ipovedenti , l'industria automobilistica ha sviluppato questa tecnologia per iveicoli elettrici (EV) e ibridi, poiché a basse velocità risultano quasi impercettibili all'udito.

In generale, le automobili generano suoni da tre fonti principali:

• Rumore del motore: i sistemi meccanici che forniscono coppia alle ruote producono tutti un certo livello di rumore, che può essere molto elevato nei motori a combustione interna. Anche diverse ventole di raffreddamento possono generare suoni, ma non sono sempre in funzione. I motori elettrici producono un sibilo a velocità più elevate, mentre i sistemi a celle a combustibile presentano ventilatori e pompe che contribuiscono al rumore del motore.
• Rumore di rotolamento: gli pneumatici generano un suono quando rotolano sulla superficie stradale. Il livello di rumore dipende dal design dello pneumatico, dal tipo di superficie e dalla velocità del veicolo.
• Rumore aerodinamico: l'aria che scorre attorno al veicolo può generare turbolenze alle alte velocità, producendo suono e fornendo un indizio ai pedoni. Tuttavia, a basse velocità il rumore aerodinamico è minimo.

Pedoni che camminano o attraversano la strada, ciclisti o bambini nelle vicinanze, utilizzano questi suoni come segnale acustico dell'avvicinarsi di un veicolo. Ciò è particolarmente importante per le persone con disabilità visiva o distratte da altre attività, come l'uso del telefono o una conversazione, mentre camminano. Con la diffusione delle auto elettriche accanto ai veicoli tradizionali più rumorosi, la mancanza di suono a basse velocità è diventata un problema di sicurezza per i pedoni. Uno studio del 2009 condotto dalla National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) ha rilevato che i veicoli ibridi in modalità elettrica avevano il doppio delle probabilità di essere coinvolti in incidenti con pedoni e 1,7 volte più probabilità di essere coinvolti in incidenti con ciclisti. A una velocità di circa 20 km/h, il rumore di rotolamento e quello aerodinamico diventano sufficientemente udibili, non rendendo più necessario il suono generato artificialmente. 

I produttori automobilistici integrano i moduli AVAS nei loro veicoli elettrici e ibridi per tre motivi principali:

• Sicurezza dei pedoni: i suoni di avviso generati dai sistemi AVAS riducono il rischio di collisioni con gli utenti della strada più vulnerabili, come pedoni e ciclisti. Le situazioni più comuni in cui questi segnali risultano utili includono casi di pedoni che attraversano la strada, dentro o fuori dalle strisce pedonali, pedoni che camminano tra auto parcheggiate o pedoni che passano dietro un veicolo in retromarcia.
• Marchio sonoro: la generazione di suoni per la sicurezza a basse velocità rappresenta anche un'opportunità per i produttori automobilistici. Questi hanno infatti la possibilità di creare un suono distintivo per le loro soluzioni AVAS, contribuendo a definire un'identità sonora riconoscibile per i loro veicoli.
• Conformità alle normative: molti Paesi hanno reso obbligatorio l'uso dei sistemi AVAS per i veicoli che non producono rumore del motore a basse velocità. Questo include veicoli elettrici a batteria (BEV - battery electric vehicles), ibridi plug-in, veicoli ibridi elettrico-termici e alcune auto a celle a combustibile a idrogeno.

Un sistema di allarme acustico per veicoli è generalmente composto dai seguenti moduli:

• CAN Bus (Controller Area Network): il sistema AVAS necessita di informazioni sul funzionamento del veicolo per generare i suoni corretti, con le combinazioni specifiche di volume e frequenza. Questi dati provengono dal CAN Bus del veicolo, collegato a sensori e dispositivi che misurano o rilevano la velocità del veicolo, la posizione della marcia, la posizione dell'acceleratore e del freno, il rumore ambientale e l'accelerazione.
• Elaborazione: è il "cervello" del sistema. è costituita dall'unità di controllo elettronico (ECU), dal motore sonoro, dall'amplificatore e dall'interfaccia CAN Bus.
• Output: il modulo di elaborazione utilizza i dati dei sensori per generare il suono tramite il modulo di uscita del sistema. I principali componenti di un modulo di uscita AVAS sono gli altoparlanti, i cablaggi, gli alloggiamenti e gli elementi di fissaggio. Alcuni veicoli utilizzano anche la vibrazione attiva di pannelli della carrozzeria già esistenti, come il cofano anteriore, per generare il suono.  

Le prime normative sul rumore dei veicoli con motore a combustione interna erano focalizzate sulla riduzione dell'inquinamento acustico e sul miglioramento della percezione del veicolo da parte del conducente. Ora, gli enti governativi hanno introdotto degli standard per garantire che i veicoli elettrici e affini producano suoni in grado di aumentare la sicurezza. Le normative relative ai sistemi di avviso per i pedoni hanno due obiettivi principali:

1. Fornire strumenti legali per proteggere gli utenti della strada e offrire linee guida coerenti agli ingegneri automobilistici.
2. Le normative devono includere parametri misurabili su cui gli ingegneri possono basare la progettazione.

Sebbene ogni stato o regione disponga di un proprio standard di sicurezza per i sistemi AVAS, quasi tutti prevedono i seguenti requisiti a specifiche velocità del veicolo:

• Udibile: il volume del rumore a diverse velocità deve essere sufficientemente elevato da essere percepito in condizioni reali.
• Riconoscibile: le persone in prossimità dell'auto devono poter identificare il suono come indicazione della posizione e della direzione del veicolo nel tempo.
• Rilevante: i suoni generati devono fornire informazioni utili su aspetti come la velocità, lo stato di fermo o la retromarcia.

Normative AVAS più diffuse

Di seguito sono riportate alcune delle normative e linee guida più comunemente applicate ai sistema di allarme acustico per veicoli.

Regolamento ONU n. 138 (UN R138)

Questo standard internazionale è adottato dalla maggior parte dei Paesi, tra cui Giappone, Unione Europea, Australia e Regno Unito. Il regolamento UN R138 è molto completo e include indicazioni per gli ingegneri su volume, frequenze e metodi di prova. I requisiti principali per i sistemi AVAS coperti includono:

• Emissione del suono dall'avvio fino a 12 mph (20 km/h).
• Generazione di un suono di retromarcia riconoscibile a un livello minimo di volume.
• Nessun suono quando il veicolo è fermo.
• Emissione a livelli minimi di volume specifici per diverse velocità.
• Produzione di un segnale composto da almeno due frequenze in specifici intervalli.
• Variazione del tono del suono generato per indicare l'accelerazione (aumento della frequenza) e la decelerazione (diminuzione della frequenza) con un tasso di almeno lo 0,8% per ogni variazione di 1 km/h della velocità.

FMVSS 141 (Federal Motor Vehicle Safety Standard)

I veicoli ibridi ed elettrici negli Stati Uniti con massa totale a pieno carico (GVWR) fino a 10.000 libbre devono rispettare il regolamento FMVSS n. 141, "Standard minimi acustici per veicoli ibridi e elettrici".

I requisiti principali per i moduli AVAS coperti includono:

• Emissione del suono dall'avvio fino a 18,64 mph (30 km/h).
• Generazione di un suono di retromarcia riconoscibile a un livello minimo di volume.
• Produzione di suono anche quando il veicolo è fermo ma con marcia inserita.
• Emissione a livelli minimi di volume specifici per diverse velocità e bande di frequenza.
• Variazione del volume di 3 dB ogni 10 km/h in accelerazione e decelerazione.
• Produzione di un segnale composto da almeno due e fino a quattro frequenze in specifici intervalli.
• Uniformità del suono per stesso marchio, modello, anno, carrozzeria e allestimento.

Regolamento cinese GB/T 37153

Lo standard in Cina segue in gran parte il regolamento UN R138. Tuttavia, richiede un livello sonoro superiore di 2 dB rispetto allo standard ONU, a causa degli elevati livelli di rumore ambientale nelle città cinesi. Consente inoltre agli utenti di disattivare temporaneamente il modulo AVAS tramite un apposito interruttore.

SAE J2889-1 e ISO 16254

Questi standard industriali non sono obbligatori per legge, ma sono ampiamente utilizzati. Definiscono metodi riconosciuti per la misurazione del suono generato dai sistemi di allarme acustico per veicoli (AVAS). Gli standard includono linee guida relative alle superfici delle piste di prova, alla correzione del rumore di fondo e al posizionamento dei microfoni. 

La creazione dei suoni dei sistemi AVAS combina ingegneria, estetica, innovazione, efficienza ed esigenze di sicurezza in un unico processo creativo, con l'obiettivo di realizzare un prodotto che soddisfi tutti questi requisiti, spesso in contrasto tra loro. Per questo motivo, i produttori automobilistici si affidano all'esperienza dei sound designer per guidare la progettazione dei suoni dei sistemi AVAS.

Ogni team adotta un approccio diverso, ma il processo parte sempre da obiettivi di branding, normative e requisiti di sicurezza aggiuntivi. Successivamente, si sperimentano diverse soluzioni sonore. Possono essere utilizzati suoni campionati, effetti digitali, strumenti musicali e oggetti di uso quotidiano. L'obiettivo è esplorare combinazioni acustiche originali che migliorino la sicurezza stradale, rispettino le normative e rafforzino l'identità del marchio.

Sebbene volume e frequenze siano definiti dalle normative, la costruzione dell'identità sonora è un processo iterativo. Si parte con una fase di brainstorming per individuare elementi simbolici del marchio che possano guidare il lavoro degli ingegneri del suono. Questi elementi possono evocare suoni naturali e organici (come vento o acqua). Oppure potrebbero evocare atmosfere forti e cinematografiche. O ancora, alcuni marchi preferiscono mantenere una continuità con il "rombo" caratteristico dei loro modelli a combustione. 

Una volta definita la visione del marchio, si analizza come i suoni dei sistemi AVAS interagiscono con i suoni operativi del veicolo. I suoni possono completarsi a vicenda o mascherarsi. Un altro aspetto fondamentale è valutare se le combinazioni sonore sono armoniche oppure dissonanti. È inoltre essenziale considerare la percezione umana dei suoni. Un esempio noto di risposta inaspettata da parte dei pedoni si è verificato quando Jaguar ha utilizzato per il proprio sistema AVAS un suono ispirato alle astronavi, inducendo le persone a guardare verso il cielo.

Per gestire queste complessità, i sound designer utilizzano software di simulazione, come Ansys Sound (software di post-processing per la progettazione sonora), per sperimentare, testare, ottimizzare e validare diverse idee progettuali. Possono partire da un set di suoni di base e poi modificarne caratteristiche come timbro, tono e volume per creare nuove soluzioni sonore. Successivamente, analizzano come questi suoni variano in funzione dei parametri di guida, come regime del motore (RPM), velocità, accelerazione e coppia. Il software consente di modificare facilmente i parametri e ascoltare i risultati in tempo reale in laboratorio, in un simulatore di guida oppure direttamente tramite l'hardware AVAS del veicolo. L'uso di strumenti di simulazione come Ansys Sound permette agli ingegneri di iterare rapidamente, senza dover attendere settimane per modifiche su prototipi fisici. 

Screenshot di Ansys Sound che mostrano la regolazione del suono (a sinistra) e le verifiche di conformità dei sistemi AVAS.

Sebbene i sistemi di allarme acustico per veicoli siano ormai una funzione di sicurezza consolidata nei veicoli elettrici e ibridi, la crescente diffusione dei veicoli elettrici comporta nuove sfide. La sfida più significativa è il potenziale sviluppo di una nuova forma di inquinamento acustico. Con l'aumento dei veicoli elettrici nelle strade urbane, il suono emesso dai loro altoparlanti AVAS potrebbe contribuire al rumore cittadino. Inoltre, poiché i diversi marchi generano suoni molto differenti tra loro, la loro combinazione simultanea può risultare fonte di distrazione per i pedoni. In alcuni casi, i suoni di due o più veicoli possono sovrapporsi in modo sgradevole, ricordando una banda scolastica alle prime armi piuttosto che un'orchestra armoniosa.

Alcuni dei miglioramenti a cui i team di progettazione hanno lavorato includono:

• Paesaggi sonori adattivi ovvero suoni che si modificano in base all'ambiente, come zone scolastiche, ospedali, aree pedonali o zone rurali.
• Integrazione all'interno delle smart city, dove i sistemi AVAS interagiscono con sensori urbani o smartphone dei pedoni.
• Armonizzazione intelligente dei suoni per veicoli in grado di rilevare altre sorgenti sonore (inclusi altri veicoli).
• Integrazione audio-visiva nei sistemi AVAS soprattutto in ambienti molto rumorosi.

Allo stesso tempo, la crescente diffusione dei veicoli elettrici e lo sviluppo di altri macrotendenze tecnologiche offrono nuove opportunità. I veicoli autonomi avranno bisogno di suoni di avviso aggiuntivi, poiché non sarà presente un conducente a suonare il clacson o segnalare l'arrivo ai potenziali passeggeri. Anche l'intelligenza artificiale (AI) permetterà ai sound designer di esplorare e sintetizzare un numero ancora maggiore di soluzioni sonore, testandole con maggiore rapidità e precisione. 

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