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Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2021

Langue

Français

Résumé

L’utilisation d’alarmes de recul est obligatoire sur une majorité de véhicules lourds et reste un moyen largement utilisé pour prévenir et alerter les personnes œuvrant à proximité de ces véhicules. Des études antérieures, réalisées par l’IRSST, ont montré les limites d’efficacité des alarmes utilisées en milieu de travail pour minimiser le risque à la sécurité des travailleurs. De plus, les alarmes de recul, par le son de niveau élevé et très typé qu’elles produisent, sont régulièrement une source de nuisance importante pour les travailleurs, et aussi pour les riverains. Ces problèmes de gêne et de perception sonore pour les travailleurs sont amplifiés lorsque ceux-ci œuvrent dans des milieux semi-ouverts ou complètement fermés (entrepôts, etc.). Dans ces environnements, de nombreuses réflexions sonores sur les murs, les planchers et les plafonds font augmenter le niveau de bruit de façon conséquente, et créent des réflexions parasites gênant la perception. Or, il n’existe pas de solutions éprouvées permettant de s’attaquer à tous ces problèmes.

L’étude proposée vise à explorer l’utilisation de la technologie du haut-parleur paramétrique pour la conception d’une alarme de recul directionnelle. Cette technologie existe depuis de nombreuses années pour des applications audio. Elle est récemment devenue plus accessible par sa miniaturisation et une baisse des coûts. Ce type de haut-parleur a la particularité de produire un champ sonore focalisé, pouvant être dirigé et concentré dans des directions ou des zones spécifiques. En dehors de ces zones, le son produit n’est pas ou peu perceptible, ce qui pourrait constituer une solution aux problèmes évoqués précédemment. Le travail présenté ici vise une preuve de concept pour laquelle le cas du chariot élévateur est considéré. L’utilisation de ces engins est courante dans des zones de chantier, et est très répandue dans des zones closes et réverbérantes (chargement de remorques, hangars).

En parallèle de l’étude de l’applicabilité de cette nouvelle technologie aux alarmes de recul, une comparaison étendue des deux types d’alarmes de recul commerciales, actuellement disponibles, est effectuée. En effet, l’alarme tonale, bien décrite par l’onomatopée « bip-bip », est source d’une gêne environnementale importante et souffre de plusieurs limitations comme des variations importantes de niveaux acoustiques en fonction de la distance. Un modèle d’alarme de type large bande, maintenant disponible sur le marché, peut être décrit par l’onomatopée « pschit-pschit ». Ce nouveau type d’alarme montre a priori des caractéristiques intéressantes en termes de directivité, d’homogénéité du champ de pression généré et de réduction de la gêne environnementale. Néanmoins, très peu d’études ont comparé les performances de ces deux types d’alarmes sur le terrain, et aucune étude comparative de laboratoire n’a été réalisée à ce jour.

Dans cette étude, les deux types d’alarmes commerciales et deux modèles de haut-parleurs paramétriques commerciaux de dimensions différentes sont d’abord testés de manière approfondie en laboratoire (mesure de directivité et d’atténuation en fonction de la distance). Des mesures tridimensionnelles du champ de pression acoustique rayonnée sont effectuées en fonction du type de signal de l’alarme (tonale ou large bande) et de l’environnement (semi-anéchoïque ou réverbérant). Les effets des conditions au sol et du montage sur une surface rigide sont également étudiés.

À la fin du projet, un prototype simplifié utilisant un haut-parleur paramétrique ainsi que les deux alarmes commerciales sont testés sur un chariot élévateur effectuant une manœuvre de recul dans un couloir industriel (milieu réfléchissant).

L’ensemble des résultats obtenus montrent que l’utilisation de haut-parleurs paramétriques est une voie prometteuse pour développer des alarmes de recul avec des avantages notables. Un premier avantage concerne la directivité très marquée qui n’est pas atteignable avec les alarmes commerciales actuelles et qui permet de circonscrire la diffusion d’un signal sonore à une zone précise. D’autres avantages découlent naturellement de cette directivité très importante, comme la limitation de l’exposition au bruit pour les conducteurs d’engins et les travailleurs environnants, ainsi qu’une gêne environnementale réduite.

Néanmoins, plusieurs limitations subsistent quant à une application immédiate. Une première limitation est le niveau acoustique peu élevé qui peut être atteint comparativement aux alarmes commerciales, qui est lié au fait que les haut-parleurs paramétriques utilisés ont été développés pour des applications audio et des signaux d’alimentation de faible tension (de l’ordre du volt). Ce point est facilement contournable par le développement d’un haut-parleur paramétrique dédié à l’application des alarmes de recul avec une alimentation de 5 à 10 volts. Une seconde limitation est la possible apparition d’une source sonore fictive par réflexion du faisceau directionnel sur une surface proche. L’étude a permis de suggérer une solution simple à ce problème, par la mise en place d’une grille perforée face au haut-parleur, qui résulte en une diffusion du signal émis et une réduction importante de cet effet adverse. La grille a de plus pour avantage de procurer une protection mécanique utile dans un contexte industriel.

Dans le cas des deux alarmes commerciales, l’étude permet également de mettre en lumière les performances généralement supérieures de l’alarme large bande par rapport à l’alarme tonale. En effet, l’ensemble des résultats collectés démontre que, comparativement à l’alarme tonale, l’alarme large bande est globalement moins sensible aux effets de sol, aux effets liés au local ou aux effets liés à la diffraction acoustique. Cette conclusion s’applique aussi bien au cas de mesures en laboratoire que lors des tests réalisés en conditions réalistes.

Abstract

The use of backup alarms is mandatory on most heavy vehicles and remains a widely used means of alerting people working in their vicinity. Previous studies conducted by the IRSST have shown the limitations of the effectiveness of alarms used in the workplace to minimize risks to workers’ safety. Because of the loud and very distinctive sound they produce, workers and people living nearby often regard backup alarms as annoying. These nuisance and sound perception problems are amplified when workers work in semi-open or completely enclosed environments, such as warehouses, where sound bounces off walls, floors and ceilings, increasing the noise level and creating parasitic reflections that interfere with perception. Yet, there are no proven solutions to address all these problems.

The proposed study explores the use of parametric speaker technology for the design of a directional backup alarm. The technology has existed for many years for audio applications, and has recently become more accessible through miniaturization and lower costs. This type of loudspeaker produces a focused sound field that can be aimed toward and concentrated on specific directions or areas. Outside these areas, the sound produced is not or only slightly perceptible, which could be a solution to the problems mentioned previously. The work presented here is intended to be a proof of concept in which the case of forklifts is considered. The use of these vehicles is common on construction sites and widespread in enclosed and reverberant spaces (where trailers are loaded, warehouses).

In parallel with the study of the applicability of this new backup alarm technology, an in-depth comparison of the two types of commercial backup alarms currently available was carried out. Tonal alarms, with their characteristic “beep-beep,” are a significant source of environmental nuisance and have several limitations, such as large variations in sound levels depending on the distance. The broadband type of alarm, now available on the market, makes a “psht-psht” sound. A priori, this new type of alarm shows interesting characteristics in terms of directivity, homogeneity of the pressure field generated and reduction in environmental nuisance. However, few studies have compared the performances of these two types of alarms in the field, and no comparative laboratory study has been conducted to date.

In this study, two types of commercial alarms and two models of commercial parametric loudspeakers of different dimensions were first tested extensively in the laboratory (directivity and attenuation measurements according to distance). Three-dimensional measurements of the radiated sound pressure field were taken according to the type of alarm signal (tonal or broadband) and the environment (semi-anechoic or reverberant). The effects of ground conditions and mounting on a rigid surface were also investigated.

At the end of the project, a simplified prototype using a parametric speaker and two commercial alarms was tested on a forklift performing a backup manoeuvre in an industrial corridor (reflective environment).

The results show that the use of parametric speakers is a promising avenue for developing backup alarms, with notable advantages. One advantage is the very high degree of directivity, which is not achievable with currently available commercial alarms and which enables a sound signal’s diffusion to be limited to a specific area. Other advantages naturally follow from this high degree of directivity, such as limiting noise exposure for machine operators and workers nearby, and reducing environmental nuisance.

However, immediate application still faces a number of hurdles. The first hurdle is the low volume level compared to commercial alarms, which is due to the fact that the parametric speakers used were developed for audio applications and low voltage power signals. This problem could easily be overcome by developing a parametric speaker made specifically for backup alarms, with a five to ten volt power supply. A second hurdle is the possible appearance of a phantom sound source caused by reflection of the directional beam on a nearby surface. The study suggested a simple solution to this problem, by placing a perforated grille in front of the loudspeaker, which would diffuse the signal emitted and thus significantly reduce this adverse effect. The grille has the added advantage of providing mechanical protection, which is useful in an industrial context.

In the case of the two commercial alarms, the study also highlighted the generally superior performance of the broadband alarm compared to the tonal alarm. Indeed, all of the results show that, generally, compared to the tonal alarm, the broadband alarm is less sensitive to ground effects, effects related to the space, or effects related to sound wave diffraction. This conclusion applies both to laboratory measurements and to tests conducted under realistic conditions.

ISBN

9782897971403

Mots-clés

Alarme de recul, Back-up alarm, Amplificateur acoustique paramétrique, Acoustic parametric amplifier, Haut-parleur, Loudspeaker, Niveau de bruit perçu, Perceived noise level, Propagation du son, Sound propagation, Entrepôt, Warehouse, Chariot automoteur, Industrial truck, Marche arrière, Reversing, Audibilité, Audibility, Essai du matériel, Equipment testing, Détermination expérimentale, Experimental determination, Alarme tonale, Alarme à large bande

Numéro de projet IRSST

2017-0010

Numéro de publication IRSST

R-1117

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