- Innovation
- 10 März, 2023
- Trek
Good sounds. Bad sounds. Die Wissenschaft hinter der Akustik vom neuen Fuel EXe
Wenn wir mit unserem Bike unterwegs sind, fahren wir mit allen Sinnen. Die Art und Weise, wie dein Bike klingt, hat einen überraschenden Einfluss auf das Fahrgefühl. Bislang war elektronische Unterstützung von Bikes mit einem akustischen Nachteil verbunden, mit dem wir alle zu leben gelernt haben.
Bis das Fuel EXe kam.
Mechanical gearbox, cross section. Helical gear Close-up
Typische E-Bike-Motoren übertragen die Kraft über ein Netzwerk von Zahnrädern, Riemen und/oder Riemenscheiben vom Motor zur Kurbel. Viele sich schnell bewegende Teile, die ineinandergreifen, bedeuten auch viele Möglichkeiten für unangenehme Geräusche mit hohem Pegel.
Im Gegensatz dazu hat der harmonische Zahnkranzmotor vom Fuel EXe nur eine einzige Zahnradschnittstelle, bei der die Last jederzeit gleichmäßig auf viele Zähne verteilt wird.
In diesem Beitrag geben wir dir einen Einblick in die Wissenschaft der Fahrradakustik. Wir zeigen dir, dass das Fuel EXe fünfmal angenehmer und 1.8-mal leiser klingt als andere beliebte E-MTBs. Das Geräusch vom Fuel EXe ist viel näher an einem traditionellen Bike ohne Unterstützung und bringt dich dabei zurück zu der Art und Weise, wie Biken eigentlich sein sollte.
Skeptisch? Bevor wir ins Detail gehen, hören wir uns ein paar kurze Hörproben vom Fuel EXe im Vergleich zu zwei anderen beliebten E-Mountainbikes an.
Unser erstaunliches Gehör
Das Gehör ist vielleicht der stärkste Sinn des Menschen. Die Verwendung von Mikrofonen zur Anpassung an das Gehör ist eine ziemlich extreme Wissenschaft.
Ein Beispiel: Unsere Ohren können Schalldruckamplituden von 20 bis 100.000.000+ Mikropascal wahrnehmen. Das ist so, als hätte man ein einziges Lineal, mit dem man alles messen kann, von der Dicke eines Blattes Papier bis zur Höhe eines 100-stöckigen Gebäudes. Um diesem riesigen Bereich Rechnung zu tragen, sprechen wir über Schall normalerweise in der logarithmischen Skala von Dezibel (dB).
Quelle: Getty Images
Deine Ohren können auch Schallfrequenzen von 20 bis 20.000 Hz wahrnehmen. Die einzelne Druckwelle, die dein Ohr erreicht, enthält eine Kombination all dieser Frequenzen von allen Schallquellen um dich herum. Die spiralförmige Cochlea deines Ohrs trennt diese kombinierte Druckwelle wieder in die einzelnen Frequenzen auf und kodiert sie als Nervensignale. Deine Ohren sind wahrhaft leistungsfähige und faszinierende Schallsensoren.
Psychoakustik
Die Nervensignale aus deinen Ohren werden dann von deinem Gehirn interpretiert. Stell dir die fast wundersame Verarbeitungsleistung und Präzision vor, die erforderlich ist, um die dreidimensionale Position mehrerer Schallquellen in Echtzeit zu trennen und genau zu bestimmen. Dein Gehirn analysiert dann die Muster all dieser Klänge und ordnet ihnen Bedeutung, Gefühle und Assoziationen zu.
Die Psychoakustik befasst sich mit der Frage, wie dein Ohr-Gehirn-System Geräusche wahrnimmt und interpretiert. Es wurden verschiedene psychoakustische Metriken entwickelt, um Mikrofonrohdaten in die Wahrnehmung von Klängen in Bezug auf Quantität (Lautstärke) und Qualität umzuwandeln.
Empfundene Lautstärke
Die Empfindlichkeit des Gehörs variiert stark über den Frequenzbereich. Zum Beispiel klingt eine 75-dB-Schallwelle bei 1.000 Hz viel lauter als eine 75-dB-Schallwelle bei 100 Hz. Eine gängige Methode, diese unterschiedliche Empfindlichkeit zu berücksichtigen, ist die Anwendung einer A-Bewertungskurve, um Dezibel in A-bewertete Dezibel (dBA) umzuwandeln. dB definiert die physikalische Größe der Schallwelle, während dBA die wahrgenommene Lautstärke derselben Welle angibt.
Seit der Entwicklung der einzelnen A-Bewertungskurve haben Wissenschaftler eine vollständige Reihe von „Konturen gleicher Lautstärke“ erstellt, die den Feinheiten deiner Ohren besser gerecht werden. In diesem Diagramm klingen zwei Punkte entlang einer bestimmten Linie gleicht laut und jede Kurve ist etwa doppelt so laut wie die darunter liegende Kurve. Wenn deine Ohren genauso funktionieren würden wie Mikrofone, wären all diese Kurven einfach nur gleichmäßig verteilte horizontale Linien.
In diesem Diagramm wird auch die Lautheitsmetrik „Sones“ vorgestellt, die den gleichen Zweck wie dBA erfüllt, aber ausgefeilter und intuitiver ist. Sones skaliert direkt mit der wahrgenommenen Lautstärke (2x Lautheit = 2x Sones). Während dBA weniger intuitiv ist (2x Lautheit = 10 dB hinzufügen).
Sound Qualität
Oft ist es nicht die Lautstärke, sondern die Qualität eines Geräusches, die unser Gehirn zwischen guten und schlechten Geräuschen unterscheidet. Der hohe Ton einer Mücke zum Beispiel ist relativ leise, aber auch ziemlich unangenehm und durchdringt den Hintergrund, um unsere Aufmerksamkeit zu erregen. Ingenieure bezeichnen diese besondere Art von Geräuschen als „tonal“, aber unser Gehirn kann viele andere Geräuschmuster in Kategorien wie Rasseln, Quietschen, Knarren, Schrillen, Rumpeln und andere einordnen.
Viele dieser Interpretationen lassen sich anhand von Mikrofondaten quantifizieren, indem man Klangqualitätsmetriken wie Tonalität, Schärfe, Rauheit, Prominenzverhältnis, Schwankungsstärke und Artikulationsindex verwendet. Diese Metriken können an einem Produkt ebenso vorhergesagt werden wie den Eindruck von dessen Verarbeitungsqualität und Leistung.
Medium shot of engineers working in test chamber on a car
Ein interessantes Beispiel für die Klangqualität ist das Geräusch beim Schließen der Autotür, das mit großem technischen Aufwand erzeugt wird. Dieses Geräusch ist im Vergleich zur Hauptfunktion des Fahrzeugs zweitrangig, aber es prägt den ersten Eindruck von der Robustheit und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs in hohem Maße.
E-Bike Psychoakustik
Und was hat das alles mit Bikes zu tun? In mehreren Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet der Fahrrad-Psychoakustik hat Trek Performance Research herausgefunden, dass die Klangqualität des Fahrrads – oft sogar mehr als die Lautstärke – einen großen Einfluss auf den Fahrspaß hat. Bei E-MTBs haben wir uns auf zwei Kriterien für die Klangqualität konzentriert – Tonalität und Artikulationsindex.
Die Tonality HMS-Berechnung verwendet eine komplexe Abfolge von 14 Algorithmen, um die Wahrnehmung von störenden Tönen durch Ihr Ohr-Gehirn-System zu modellieren (aus der Norm ECMA-74:2019).
Tonalität
Elektromotoren neigen dazu, hohe Töne zu erzeugen, die als besonders unangenehm empfunden werden. Genau wie das Beispiel der Mücke, erklingt das Heulen eines E-Bike-Motors durch den Hintergrund, um deine Aufmerksamkeit zu erregen.
Tonality (insbesondere Tonality HMS) ist eine moderne Metrik für die Klangqualität, die eine Reihe fortschrittlicher Algorithmen verwendet, um die menschliche Wahrnehmung dieser Art von unangenehmen Tönen genau zu modellieren. Wir glauben, dass die Tonalität ein wichtiger neuer Maßstab dafür ist, was Fahrer:innen auf einem E-Bike erleben.
Artikulationsindex
Wenn du mit deinen Freunden oder der Familie mit dem Bike unterwegs bist, besteht ein großer Teil darin, sich zu unterhalten, sich gegenseitig Skills beizubringen und sich gegenseitig durch neue Wege zu führen. Aber verschiedene Geräusche auf dem Weg – einschließlich des E-Bike-Motors – können dazu führen, dass du nicht verstehst, was andere sagen. Der Artikulationsindex ist ein Maß für die Klangqualität, das den Anteil der Sprache, der hörbar ist, vorhersagt und ein guter Indikator dafür ist, wie Geräusche das Gruppenerlebnis beeinträchtigen können.
Werkzeuge und Wissen
Die Psychoakustik ist eine anspruchsvolle neue Wissenschaft im Radsport, aber sie macht einen großen Unterschied im Fahrgefühl. Die Entwicklung von psychoakustischen Werkzeugen und Kenntnissen spiegelt das Engagement von Trek wider, das Fahrgefühl durch Wissenschaft zu verbessern. Zusammen mit unseren bewährten Fähigkeiten und Fachkenntnissen im Bereich Vibration kann Trek Engineering nun alles, was du auf dem Rad fühlst und hörst, messen, verstehen und entsprechend gestalten.
Fuel EXe Psychoakustik
Das Fuel EXe revolutioniert, wie leise und angenehm ein E-Bike klingen kann – eine Tatsache, die wir durch fortschrittliche psychoakustische Test- und Analysetechniken veranschaulichen können, die während der Prototyping-Phase des Bikes entwickelt wurden. Der Höhepunkt dieser Tests war ein abschließendes Shootout des Serienfahrrads in der bestmöglichen kontrollierten Klangumgebung – einer schalltoten Kammer.
In der schalltoten Kammer haben wir das Fuel EXe mit einem herkömmlichen Bike ohne Unterstützung, einem beliebten E-MTB mit leichter Unterstützung und einem beliebten E-MTB mit hoher Leistung unter einer Vielzahl von Bedingungen auf einem speziell angefertigten schallisolierten Trainingsgerät verglichen. Im Laufe von zwei Tagen sammelten wir 225 Millionen Datenpunkte mit 21 Mikrofonen und einem Trittfrequenzsensor, der es uns ermöglichte, die Schallfrequenz mit der Motordrehzahl in Beziehung zu setzen.
Bei diesen Tests analysierten wir die Tonalität, die Lautstärke, die Schallleistung und den Artikulationsindex der Bikes in einem Trittfrequenzbereich von 40-100 U/min, bei einer Gesamtleistung von 300 W und in den beiden höchsten Motorunterstützungsstufen. Alle Diagramme basieren auf einem B&K-Mikrofon 4966-H-041, das 1 Meter seitlich vom Fahrrad und 1,7 Meter vertikal vom Boden entfernt ist (auf Kopfhöhe, blau eingekreist).
Tonalität des Fuel EXe
Unten zeigen wir dir die Ergebnisse für die Tonalität – unsere wichtigste Kennzahl für die Wahrnehmung von E-Bike-Motorgeräuschen. Das linke Diagramm zeigt die Tonalität über den gesamten Trittfrequenzbereich, und das rechte Diagramm bildet den Durchschnitt dieser Ergebnisse zu einem einzigen Wert für jedes Bike.
Diese Diagramme zeigen, dass das Fuel EXe mit einem Bike ohne Unterstützung vergleichbar und 4- bis 5-mal angenehmer ist als andere beliebte E-MTBs. Außerdem sind die Geräusche des Fuel EXe kaum wahrnehmbar, während typische E-MTBs weit über der Schwelle liegen.
Klangbeispiele
Bist du kein großer Fan von Diagrammen? Hör dir die Klagbeispiele aus der schalltoten Kammer an.
Fuel EXe Lautstärke
Obwohl die Tonalität am besten zu deinem E-Bike-Fahrerlebnis passt, haben wir auch die Lautstärke nicht vergessen. Die folgenden Diagramme zeigen die wahrgenommene Lautstärke in dBA und in Sone. Je nachdem, welche Kombination von Bikes und Messwerten wir betrachten, ist das Fuel EXe 1,5- bis 1,8-mal leiser als die anderen E-Bikes und am ehesten mit Fahrrädern ohne Unterstützung vergleichbar.
Fuel EXe Schallleistung
Die Lautstärke ist eine wichtige akustische Messgröße, die jedoch von der gewählten Abstandsrichtung des Mikrofons zur Schallquelle abhängt. Die Position des Mikrofons wurde so gewählt, dass sie den Schall an den Ohren des Testfahrers oder seines Partners wiedergibt, da dies der Ort ist, der am wichtigsten ist.
In einem weiteren Schritt haben wir die Schallleistung gemessen, die mit Hilfe einer halbkugelförmigen Anordnung von 12 Mikrofonen die gesamte Schallenergie misst, die vom Bike in alle Richtungen abgestrahlt wird. Mit anderen Worten, die Schallleistung gibt an, wie die Bikes im Vergleich zu den Zuhörer:innen an jedem beliebigen Ort um das Fahrrad herum klingen.
Schallleistung in Watt dBA (ISO3744-Norm). Beachte, dass die Schallleistung um 15,6 dB höher sein dürfte als die Lautstärke, da unser Mikrofon 1,7 Meter vom Motor entfernt ist.
Bestätigung der Schallleistung
Wie wir in der Grafik sehen, ist die Schallleistung in der Nähe des Kopfes des Fahrers sehr ähnlich wie die Lautstärke. Dies bestätigt sowohl unsere Ergebnisse zur Lautstärke als auch den gewählten Standort für unsere Einzelmikrofon-Messungen.
Fuel EXe-Gelenkindex
Wie bereits erwähnt, kann das Geräusch deines Bikes deine Fähigkeit beeinträchtigen, dich während der Fahrt mit anderen zu unterhalten. Der Artikulationsindex gibt an, wie viele Sprachhinweise bei einem bestimmten Geräusch gehört werden können. Auch hier ist das EXe viel näher an einem herkömmlichen Fahrrad als an anderen E-Bikes und stört deine Unterhaltungen auf dem Trail nicht.
Outdoortests
Während sich dieser Artikel auf die Tests im hochkontrollierten schalltoten Raum konzentriert, haben wir unsere akustische Testausrüstung auch zur Validierung auf die Trails mitgenommen. Die Testergebnisse stimmten überein: Das Fuel EXe war 3- bis 5-mal leiser und 1,5- bis 1,8-mal lauter als die anderen E-MTBs.
Farbkarten-Analyse
Eine sehr leistungsfähige Analysetechnik besteht darin, die Lautstärke als Farben auf einer Skala von Kadenz und Tonfrequenz abzubilden. In den nachstehenden Farbkarten steht jede diagonale Linie für einen Ton, dessen Frequenz (Tonhöhe) mit der Kadenz zunimmt – dies sind die Töne, die den Hintergrund durchschneiden und als unangenehm auffallen.
Jede dieser diagonalen Linien entspricht einem sich drehenden Bauteil im Motor, dessen Übersetzungsverhältnis und Anzahl der Zähne/Magnete mit der Steigung der Linie zusammenhängt. Es wird deutlich, dass herkömmliche E-Bike-Getriebe viele bewegliche Teile haben, die viele Töne erzeugen, während das harmonische Zahnkranzgetriebe des Fuel EXe nur einen einzigen, viel leiseren Ton erzeugt.
Über den Autor:
Dieser Beitrag wurde von Paul Harder verfasst. Er ist leitender F&E-Ingenieur bei Trek Bicycle. Seit seinem Abschluss in Maschinenbau an der University of Wisconsin im Jahr 2007 widmet er seine Karriere dem Ziel, deine Rides durch Wissenschaft und Innovation zu verbessern.
Das brandneue Fuel EXe
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