Sygnalizacja akustyczna w pojazdach uprzywilejowanych

 

Pojazd uprzywilejowany, czyli pojazd, któremu użytkownicy ruchu drogowego mają bezwzględny obowiązek ustąpienia pierwszeństwa przejazdu, to według kodeksu drogowego „...pojazd wysyłający sygnały świetlne w postaci niebieskich świateł błyskowych i jednocześnie sygnały dźwiękowe o zmiennym tonie, jadący z włączonymi światłami mijania lub drogowymi...”. Dzięki zastosowaniu sygnalizacji dźwiękowej i świetlnej znajdujący się w ruchu pojazd uprzywilejowany może nawet ze znacznej odległości informować innych użytkowników dróg o swoim zbliżaniu się. Te dwa rodzaje sygnalizacji uzupełniają się wzajemnie. Sygnały świetlne pozwalają na precyzyjną lokalizację pojazdu uprzywilejowanego, co jednak może nie być możliwe w warunkach ograniczonej widoczności bądź silnego oświetlenia naturalnego. Sygnały dźwiękowe dzięki zjawiskom odbicia i ugięcia fal akustycznych już ze znacznej odległości informują użytkowników ruchu o obecności pojazdu uprzywilejowanego, nawet jeśli nie jest możliwa lokalizacja wzrokowa tego pojazdu.    
Przepisy kodeksu drogowego nie precyzują, jakie parametry (z wyjątkiem zmienności tonalnej) powinien mieć sygnał dźwiękowy pojazdu uprzywilejowanego. W pozostałych polskich przepisach i normach jedyne bezpośrednie odniesienia do dźwiękowych sygnałów ostrzegawczych dla pojazdów uprzywilejowanych znajdujemy w normie PN-75/S-76006 „Właściwości akustyczne sygnałów dwudźwiękowych pojazdów uprzywilejowanych w ruchu. Wymagania i badania.” Norma ta ogranicza się jedynie do stosowanych przed laty sygnałów dwudźwiękowych i nie obejmuje stosowanych współcześnie złożonych sygnałów wielotonalnych, modulowanym widmie czy płynnie zmieniającej się amplitudzie. W pozostałych uregulowaniach znajdują się jedynie wymagania dotyczące dźwiękowych sygnałów ostrzegawczych („klaksonów”) dla ogółu pojazdów samochodowych (Regulamin nr 28 EKG ONZ „Jednolite przepisy dotyczących homologacji ostrzegawczych sygnałów dźwiękowych i pojazdów samochodowych w zakresie ich sygnalizacji dźwiękowej” oraz dyrektywa 70/388/EEC „Council Directive of 27 July on the approximation of the laws of the Members States relating to audible warning devices for motor vehicles”).    
Szczegółowe regulacje dotyczące dźwiękowych sygnałów ostrzegawczych można znaleźć w normach PN-86 N-08014 „Sygnały dźwiękowe bezpieczeństwa w miejscach pracy. Wymagania akustyczne.” oraz EN-457 „Safety of machinery - Auditory danger signals - General requirements, design and testing”. Normy te dotyczą wprawdzie dźwiękowych sygnałów bezpieczeństwa w miejscach pracy, niemniej jednak informacje dotyczące niektórych ich cech znajdują dobre odniesienie do sygnału ostrzegawczego pojazdu uprzywilejowanego. Normy PN-86 N-08014 i EN-457 definiują pojęcie dźwiękowego sygnału bezpieczeństwa czyli sygnału oznajmującego powstanie, trwanie i ustanie niebezpiecznej sytuacji w miejscach pracy. Obszar odbioru sygnału określa miejsca w których znajdują się osoby mające rozpoznać sygnał i reagować na niego. W obszarze tym zwykle występuje hałas otoczenia emitowany przez inne źródła niż dźwiękowy sygnał bezpieczeństwa. Obie normy wyraźnie podkreślają, że decydującym parametrem jakości dźwiękowego sygnału bezpieczeństwa nie jest jego opis "techniczny" ale jego rozpoznawalność w warunkach rzeczywistych.
W praktyce osiąga się to gdy poziom dźwięku A sygnału przekracza poziom dźwięku hałasu tła o co najmniej 15dB. Należy brać także pod uwagę jakość słuchu odbiorców i fakt ewentualnego stosowania przez nich ochronników słuchu. Dźwiękowy sygnał bezpieczeństwa powinien zawierać się w częstotliwościach w zakresie 300 - 3000Hz i powinien nieść w paśmie powyżej 1500Hz energię na tyle dużą, aby był rozpoznawalny dla osób korzystających ochronników słuchu. Omawiany sygnał musi być jednoznaczny, a sygnały niosące różne informacje nie mogą być podobne. Powinien on wyraźnie różnić się od wszelkich pozostałych sygnałów ostrzegawczych i informacyjnych stosowanych w obszarze jego odbioru. Ponadto powinien on się różnić od hałasu otoczenia przynajmniej dwoma z trzech charakterystycznych parametrów: poziomem dźwięku, widmem i przebiegiem w funkcji czasu. Aby zapewnić wyraźną słyszalność sygnału poziom dźwięku A powinien być nie niższy niż 65dB i przekraczać poziom dźwięku A hałasu tła o co najmniej 15dB.     
W praktyce nawet sygnały o niższym poziomie ciśnienia akustycznego są dobrze rozpoznawalne o ile ich widmo lub przebieg czasowy różnią się dostatecznie od analogicznych wielkości hałasu tła. Norma EN-457 zwraca również uwagę na czas narastania sygnału. Powinno być ono nie szybsze niż 30dB w ciągu 0.5s., w przeciwnym razie sygnał może przestraszyć ostrzegane osoby. Dźwiękowe sygnały bezpieczeństwa powinny mieć charakter pulsacyjny. Częstość pulsacji powinna zawierać się w granicach 0.2 - 5Hz. Ponadto powinna ona być różna od częstości pulsacji hałasu tła. Norma EN-457 zaleca stosowanie sygnału, którego widmo zmienia się w czasie (np. modulowany ton wysokiej częstotliwości o charakterze świergotu lub sekwencja dźwięków o różnych wysokościach tonu). Czas trwania sygnału powinien być uzależniony od rodzaju i czasu trwania niebezpieczeństwa.    
Sygnał ostrzegawczy nadawany przez znajdujący się w ruchu pojazd uprzywilejowany ma za zadanie poinformowanie innych uczestników ruchu o zbliżaniu się tego pojazdu. Rola informacyjna sygnału akustycznego może być spełniona jedynie w przypadku jego prawidłowego percepcji. W warunkach ruchu drogowego na percepcję sygnału akustycznego wpływa szereg różnych i niezależnych czynników, takich jak:

    • hałas wywołany ruchem ulicznym,
    • tłumienie sygnału przenikającego do wnętrz pojazdów przez ich konstrukcję,
    • zagłuszanie sygnału przez muzykę słuchaną przez innych kierowców,
    • sygnały ostrzegawcze generowane przez inne pojazdy (klaksony, autoalarmy),
    • stosowanie ochronników słuchu (np. podczas prac przy drogach).

Pomimo tak wielu różnorodnych czynników wpływających negatywnie na percepcję sygnału ostrzegawczego pojazdu uprzywilejowanego powinna ona być możliwa nawet kilkaset metrów przed poruszającym się pojazdem uprzywilejowanym. Biorąc pod uwagę wymagania stawiane dźwiękowym sygnałom bezpieczeństwa można przyjąć, że sygnał wytwarzany przez akustyczny sygnalizator pojazdu uprzywilejowanego:

    • powinien być jednoznaczny i unikalny,
    • powinien mieć zmienna w czasie częstotliwość zawierająca się w przedziale od 300Hz do 3kHz,
    • sposób w jaki następuje zmiana częstotliwości powinien być różny od sposobu w jaki zmieniają się częstotliwości hałasu tła,
    • powinien mieć odpowiednio duży poziom ciśnienia akustycznego uwzględniający poziomu hałasu tła oraz tłumienie wprowadzane przez elementy mogące znaleźć się na drodze propagacji tego sygnału.

Ponieważ w warunkach ruchu drogowego nie jest możliwe przewidzenie i określenie poziomów ciśnienia akustycznego wszelkich dźwięków składających się na hałas tła oraz ich zmienności w czasie jak również tłumienia sygnału ostrzegawczego na drodze jego propagacji, zapewnienie prawidłowej percepcji sygnału ostrzegawczego w każdym przypadku jest możliwe głównie poprzez zastosowanie wysokiego poziomu ciśnienia akustycznego sygnału ostrzegawczego. W praktyce oznacza to, że poziom dźwięku A sygnału ostrzegawczego na zewnątrz pojazdu uprzywilejowanego przekracza 110dB, a we wnętrzu tego pojazdu poziom dźwięku A sygnału ostrzegawczego przekracza niekiedy 90dB.
Tak wysoki poziom dźwięku A hałasu jaki stanowi dla załogi pojazdu uprzywilejowanego sygnał jej własnego sygnalizatora ma szereg negatywnych skutków. Należy zatem dążyć do ograniczania tego hałasu i skutków nim wywołanych, co może być zrealizowane na kilka sposobów.
Pierwszym sposobem jest zastosowanie sygnalizatora akustycznego, który dostosowywałby poziom generowanego sygnału ostrzegawczego do warunków akustycznych otoczenia (na podstawie pomiarów). Jest to jednak sposób ryzykowny, gdyż pomiary nie zawsze pozwalały by na określenie warunków akustycznych w dalszej odległości od pojazdu uprzywilejowanego a ponadto w ten sposób nie dało by się przewidzieć ograniczeń na drodze propagacji sygnału ostrzegawczego, co mogło by powodować nieprawidłową percepcję sygnału ostrzegawczego lub jej brak.
Drugim sposobem może być zwiększenie izolacyjności akustycznej kabiny poprzez zastosowanie materiałów dźwiękochłonno-izolacyjnych i właściwej konstrukcji elementów kabiny. Sposób ten pozwalał by na znaczne zredukowanie hałasu sygnalizatora we wnętrzu kabiny ale jednocześnie miałby również negatywne skutki. Uzyskanie dużej izolacyjności wymagało by stosowania odpowiednio grubych i złożonych warstw materiałów lub ustrojów izolacyjnych. To z kolei pociągało by za sobą zwiększenie kosztów produkcji pojazdu, zwiększenie jego masy (a zatem pogorszenie właściwości jezdnych lub konieczność modyfikacji układu napędowego i hamulcowego) i ograniczenie przestrzeni we wnętrzu pojazdu (mniej miejsca dla załogi i sprzętu medycznego). Nadmierna izolacyjność kabiny oznaczała by również nadmierne odizolowanie kierowcy od sygnałów i dźwięków pochodzących od innych użytkowników ruchu co w konsekwencji skutkowało by zwiększeniem ryzyka powstawania wypadku drogowego. Z tych właśnie powodów ograniczanie we wnętrzu kabiny pojazdu uprzywilejowanego hałasu pochodzącego od sygnalizatora akustycznego poprzez zwiększanie izolacyjności akustycznej tej kabiny jest odpowiednim sposobem tylko do pewnego poziomu.
Aby we wnętrzu pojazdu uprzywilejowanego hałas pochodzący od sygnalizatora i jego skutki ograniczyć w jeszcze większym stopniu konieczne jest zastosowanie trzeciego sposoby, czyli aktywnych metod redukcji.
Zastosowanie aktywnych metod redukcji we wnętrzu pojazdu uprzywilejowanego będzie pozwalało na:

    • ograniczenie hałasu pochodzącego od sygnalizatora ostrzegawczego i dochodzącego do uszu kierowcy lub innego członka załogi,
    • ograniczenie hałasu pochodzącego od sygnalizatora ostrzegawczego i dochodzącego do toru komunikacji radiowej.

Do ograniczania hałasu oddziałującego na kierowcę lub innego członka załogi pojazdu uprzywilejowanego zostaną wykorzystane lekkie słuchawki aktywne. Będą one redukowały jedynie dźwięki pochodzące od sygnalizatora akustycznego – pozostałe dźwięki będą swobodnie docierały do uszu użytkujących je osób. Tym samym, obok ograniczenia szkodliwego i uciążliwego wpływu hałasu sygnalizatora ostrzegawczego na załogę pojazdu, zostanie poprawiona zrozumiałość mowy w komunikacji słownej wewnątrz pojazdu. Alternatywnym do słuchawek aktywnych rozwiązaniem mogło by być zastosowanie zagłówka aktywnego tworzącego strefę ciszy wokół głowy kierowcy, jednak ze względu na wysokie częstotliwości redukowanego hałasu sygnalizatora (do 2kHz) strefa ta miała by tak niewielkie rozmiary (kilka centymetrów), że praktyczne zastosowanie takiego rozwiązania w tym przypadku pozbawione jest sensu.
Eliminacja hałasu sygnalizatora z toru komunikacji radiowej będzie odbywała się z zastosowaniem zaawansowanych metod aktywnej filtracji sygnałów w torze elektroakustycznym. Zastosowanie takiego rozwiązania powinno wydatnie poprawić zrozumiałość mowy w torze komunikacji z koordynatorem akcji ratunkowej i wyeliminować konieczność wielokrotnego powtarzania przesyłanych informacji, dzięki czemu kierowca pojazdu będzie mógł efektywnie skoncentrować się na innych stawianych mu zadaniach.
Jednym z ważniejszych elementów mających wpływ na skuteczność aktywnej redukcji są złożoność i właściwości samego sygnału ostrzegawczego. Obecnie w pojazdach uprzywilejowanych stosowane są powszechnie trzy różne rodzaje sygnału ostrzegawczego, nazywane „Le-On”, „Wilk” i „Pies”. 
Sygnał „Le-On” (nazywany również po angielsku „HI-LO”) to najstarszy, najpowszechniej używany i najmniej złożony z tych sygnałów. Jest to sygnał złożony z dwu naprzemiennie generowanych tonów. Na Rys. 1 pokazany został przebieg czasowy tego sygnału a na Rys. 2 i Rys. 3 widma 3D tego sygnału uzyskane z wykorzystaniem programu SpectraPLUS.


Rys. 1. Przebieg czasowy sygnału „Le-On”.

 


Rys. 2. Widmo 3D sygnału „Le-On” (zakres 30dB).

 


Rys. 3. Widmo 3D sygnału „Le-On” (zakres 60dB).

 

Przedstawione na rysunkach wyniki pomiarów pokazują, że dwa podstawowe tony tworzące sygnał mają częstotliwość 950 i 1150 Hz a okres sygnału wynosi 1s (tony przełączane są co 0,5s). Przebieg czasowy sygnału pokazuje wyraźne różnice amplitud tonów składowych oraz gwałtowne skoki amplitudy sygnału podczas zmiany częstotliwości generowanej składowej tonalnej. Takie zachowanie się sygnału będzie miało negatywny wpływ na skuteczność i stabilność układu aktywnej redukcji. Widmo 3D sygnału zmierzone dla zakresu 60dB pokazuje również występowanie w tym sygnale dość silnych składowych częstotliwościowych będących harmonicznymi tonów podstawowych, co również w pewien sposób może wpływać na działanie układu aktywnej redukcji.
Na Rys. 4 pokazany został zmierzony przebieg czasowy sygnału „Wilk” a na Rys. 5 widmo 3D tego sygnału. Widmo 3D pokazuje, że jest to sygnał w postaci tonu, którego częstotliwość naprzemiennie i stopniowo rosnącej i opadającej częstotliwości w zakresie od 500Hz do 2kHz. Pełny okres zmian częstotliwości sygnału (przemiatania) wynosi 8s. Przebieg czasowy sygnału pokazuje bardzo duże wahania amplitudy sygnału w trakcie jednego okresu trwania sygnału.


Rys. 4. Przebieg czasowy sygnału „Wilk”.

 


Rys. 5. Widmo 3D sygnału „Wilk”.

 

Sygnał typu „Pies” to sygnał tonalny o bardzo szybko zmieniającej się częstotliwości z zakresu od 600Hz do 1,8kHz. Okres zmian częstotliwości sygnału (czas przemiatania częstotliwości) wynosi 0,25s. Na Rys. 6 pokazany jest zmierzony przebieg czasowy sygnału „Pies” a na Rys. 7 jego widmo 3D. Podobnie jak w poprzednich przypadkach widać znaczące zmiany amplitudy sygnału wraz ze zmianą jego częstotliwości. Z powodu bardzo krótkiego okresu zmian częstotliwości sygnału na podstawie samego widma 3D nie było możliwe określenie dokładnego sposobu w jaki ta zmiana następuje. Z tego powodu wykonany został również spektrogram sygnału „Pies” przedstawiony na Rys. 8.


Rys. 6. Przebieg czasowy sygnału „Pies”.

 


Rys. 7. Widmo 3D sygnału „Pies”.

 


Rys. 8. Spektrogram sygnału „Pies”.

 

Spektrogram sygnału „Pies” pokazuje, że przez jeden okres sygnału jego częstotliwość stopniowo zmniejsza się z 1,8kHz do 600Hz aby następnie skokowo przyjąć ponownie wartość 1,8kHz. Skokowe zmiany częstotliwości sygnału ostrzegawczego i związane z tym dodatkowe składowe harmoniczne pojawiające się w tym sygnale będą wpływały negatywnie na działanie układu aktywnej redukcji.

Jak pokazują przedstawione powyżej wyniki pomiarów powszechnie używane trzy rodzaje sygnału ostrzegawczego poprzez swoją złożoność i parametry powodują, że w ich przypadku trudno będzie uzyskać odpowiednio dużą skuteczność i stabilność układu aktywnej redukcji. Celowe są zatem badania nad opracowaniem nowego sygnału akustycznego, który w zadowalający sposób spełniałby swoją rolę informacyjną a jednocześnie byłby przystosowany do redukcji z zastosowaniem metod aktywnych. 

 
01 Portal wiedzy o BHP - Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy