- Innowacje
- 2 marca, 2024
- Trek Performance Research
Dobre dźwięki. Złe dźwięki. Przełomowa akustyka modelu Fuel EXe w ujęciu naukowym
Jeździmy wszystkimi naszymi zmysłami, a sposób, w jaki brzmi Twój rower, ma zaskakujący wpływ na Twoje wrażenia z jazdy. Do tej pory wspomaganie rowerów elektrycznych wiązało się z kompromisami akustycznymi, z którymi wszyscy nauczyliśmy się żyć.
To znaczy, dopóki nie pojawił się Fuel EXe.
Typowa przekładnia z tradycyjnymi kołami zębatymi. Źródło: iStock Images / Nordroden
Typowe silniki do rowerów elektrycznych przenoszą moc z silnika na korbę poprzez sieć kół zębatych, wałów, pasów i/lub kół pasowych. Wiele szybko poruszających się części oznacza wiele punktów w których możliwe jest powstanie nieprzyjemnego hałasu o wysokich tonach.
Z drugiej strony spektrum znajduje się silnik Fuel EXe z przekładnią falową mającą pojedynczy interfejs, w którym obciążenie jest cicho dzielone na wiele zębów przez cały czas jego pracy.
W tym artykule zgłębimy razem świat akustyki rowerowej. To zupełnie nowa kategoria specyfikacji roweru, która prawdopodobnie znaczy dla Ciebie więcej niż Ci się wydaje.
Na koniec pokażemy, że Fuel EXe brzmi 5x przyjemniej i 1,8x ciszej niż inne popularne e-MTB. Fuel EXe brzmi bowiem zdecydowanie bardziej jak tradycyjny rower bez wspomagania, dzięki czemu jazda wraca do swoich źródeł.
Nie wierzysz? Nim przejdziemy do szczegółów, posłuchajmy krótkich próbek z jazdy po szlaku na Fuel EXe i na dwóch innych popularnych e-MTB. Wreszcie rower elektryczny, który jest łatwy w obsłudze!
Twoje niesamowite uszy
Słuch to prawdopodobnie Twój najwrażliwszy zmysł, a dorównanie mu za pomocą mikrofonów wymaga całkiem ekstremalnego wysiłku.
Twoje uszy mogą wykrywać amplitudy ciśnienia akustycznego w zakresie od 20 do 100 000 000+ mikropaskali – to absolutnie ogromny zakres. To tak, jakby mieć jedną linijkę, która może zmierzyć wszystko, od grubości kartki papieru do wysokości 100-piętrowego budynku! Aby uwzględnić ten ogromny zakres, zazwyczaj mówimy o dźwięku w logarytmicznej skali decybeli (dB).
Quelle: Getty Images
Twoje uszy mogą również wykrywać częstotliwości dźwięku od 20 do 20 000 Hz – to kolejny ogromny zakres. Pojedyncza fala ciśnienia, która dociera do twojego ucha, zawiera kombinację wszystkich tych częstotliwości ze wszystkich źródeł dźwięku wokół ciebie. Ślimak Twojego ucha w kształcie spirali rozdziela tę sumaryczną falę ciśnienia z powrotem na poszczególne częstotliwości i koduje je jako sygnały nerwowe. Twoje uszy są naprawdę potężnymi i fascynującymi czujnikami dźwięku!
Psychoakustyka
Sygnały nerwowe z Twoich uszu są poddawane interpretacji przez prawdziwy superkomputer do analizy akustycznej – mózg. Wyobraź sobie magiczną wręcz moc przetwarzania i precyzję niezbędne, by rozróżnić i jednocześnie umiejscowić w trzech wymiarach różne źródła dźwięku w czasie rzeczywistym (co nazywa się lokalizacją dźwięku). Twój mózg wykonuje dalszą analizę wszystkich tych dźwięków, a następnie przypisuje im znaczenia, emocje i konotacje.
Psychoakustyka zajmuje się badaniem percepcji i interpretacji dźwięków przez uszy oraz mózg. Opracowano w jej ramach różne wskaźniki, które służą do konwersji nieobrobionych danych z mikrofonów w ludzką percepcję dźwięków pod względem ilościowym (głośności) i jakościowym.
Zgodnie z normą ISO 226:2003.
Postrzegana głośność
Czułość słuchu różni się w zależności od częstotliwości. Na przykład, dźwięk o natężeniu 75 dB i częstotliwości 1.000 Hz wydaje się znacznie głośniejszy niż dźwięk o natężeniu 75 dB i częstotliwości 100 Hz. To zróżnicowanie na poziomie percepcji często uwzględnia się poprzez zastosowanie krzywej korekcyjnej A w celu przeliczenia decybeli (dB) na decybele skorygowane według krzywej A (dbA). Decybele (dB) wskazują na fizyczne natężenie fali dźwiękowej, podczas gdy dbA podaje postrzeganą głośność tego samego dźwięku.
Od czasu opracowania pojedynczej krzywej ważenia A, naukowcy opracowali bardziej kompletną serię „równych konturów głośności”, która pełniej oddaje zawiłości twoich uszu. Na tym wykresie dowolne dwa punkty wzdłuż danej linii brzmią równie głośno, a każda krzywa jest mniej więcej dwa razy głośniejsza niż krzywa pod nią. Gdyby twoje uszy działały tak samo jak mikrofony, wszystkie te krzywe byłyby po prostu równo rozmieszczonymi poziomymi liniami.
Wykres ten wprowadza również metrykę głośności w tonach, która osiąga ten sam cel co dBA, ale jest bardziej wyrafinowana i intuicyjna. Tony skalują się bezpośrednio z postrzeganą głośnością (2x głośność = 2x tony), podczas gdy dBA jest dość nieintuicyjne (2x głośność = dodaj 10 dB).
Jakość dźwięku
Często o tym, czy mózg uznaje dźwięk za dobry lub zły, decyduje jego charakterystyka, nie głośność. Na przykład, wysoki dźwięk komara jest względnie cichy, ale jednocześnie raczej nieprzyjemny i wybija się ponad tło, przyciągając Twoją uwagę. Inżynierowie określają barwę dźwięku, ale nasz mózg potrafi podzielić różne wzorce dźwięku na określone kategorie, na przykład grzechotanie, pisk, skrzypienie, ostry pisk, dudnienie i wiele, wiele innych.
Często tego typu interpretację można obliczyć na podstawie danych z mikrofonów za pomocą różnych wskaźników, na przykład barwy, ostrości, wyrazistości, wydatności, zróżnicowania oraz wskaźnika wyrazistości. Wszystkie te wartości pozwalają przewidzieć stopień zadowolenia z produktu, a także wrażenia z jego konstrukcji oraz osiągów.
Próba akustyczna drzwi samochodu
Interesującym przykładem jakości dźwięku jest znaczny wysiłek inżynieryjny włożony w dźwięk zamykania drzwi samochodu . Dźwięk ten jest drugorzędny w stosunku do podstawowej funkcji samochodu, ale w znacznym stopniu kształtuje twoje początkowe wrażenie solidności i niezawodności samochodu.
Psychoakustyka a rowery elektryczne
Jak to wszystko przekłada się na rowery?! Przez wiele lat pionierskich prac w zakresie psychoakustyki rowerowej Centrum badań osiągów Trek odkryło, że jakość dźwięku roweru ma często nawet większy wpływ na radość z jazdy niż sama jego głośność. W przypadku elektrycznych rowerów górskich skupiliśmy się na dwóch wskaźnikach jakości dźwięku, a mianowicie na tonalności, czyli rozkładzie tonów, i wskaźniku artykulacji.
Obliczenie charakterystyki tonów HMS korzysta z 14 algorytmów w celu wykonania modelowania percepcji Twoich uszu i mózgu w zakresie irytujących tonów (zgodnie z normą ECMA-74:2019)
Tonalność
Silniki elektryczne mają tendencję do wydawania wysokich dźwięków, które mogą być postrzegane jako szczególnie nieprzyjemne [1, 2]. Podobnie jak w przypadku komara, wycie silnika roweru elektrycznego przecina tło, aby przyciągnąć twoją uwagę.
Tonalność (a konkretnie tonalność HMS) to nowoczesny miernik jakości dźwięku, który wykorzystuje szereg zaawansowanych algorytmów do dokładnego modelowania ludzkiej percepcji tego rodzaju nieprzyjemnych dźwięków. Wierzymy, że tonalność jest kluczowym nowym miernikiem tego, czego rowerzyści doświadczają na rowerze elektrycznym.
Wskaźnik artykulacji
Dużą częścią jazdy z przyjaciółmi i rodziną jest możliwość rozmowy, uczenia się nowych umiejętności i prowadzenia się nawzajem przez nowe szlaki. Ale różne dźwięki na szlaku – w tym silnik roweru elektrycznego – mogą blokować twoją zdolność słyszenia tego, co mówią inni. Wskaźnik artykulacji to wskaźnik jakości dźwięku, który przewiduje proporcję słyszalnej mowy i jest dobrym wskaźnikiem tego, jak dźwięki mogą wpływać na wrażenia z jazdy w grupie.
Narzędzia & wiedza
Psychoakustyka to nowa, wymagająca dziedzina nauki w kolarstwie, ale ma ogromny wpływ na wrażenia z jazdy. Opracowanie przez firmę Trek narzędzi psychoakustycznych do rowerów odzwierciedla jej zaangażowanie w poprawę wrażeń z jazdy poprzez naukę. Po dodaniu do naszych” dobrze ugruntowanych” możliwości i doświadczenia w zakresie wibracji, Dział Inżynieryjny Treka może teraz mierzyć, rozumieć i projektować wszystko, co czujesz i słyszysz na rowerze.
Psychoakustyka a Fuel EXe
Fuel EXe wprowadza rewolucję w tym, jak cichy i przyjemny potrafi być rower elektryczny. Możemy to udowodnić przy wykorzystaniu zaawansowanych technik realizacji prób i analiz psychoakustycznych opracowanych podczas prototypowania roweru. Zwieńczeniem tego etapu były próby z rowerami w wersjach produkcyjnych wykonane w najbardziej kontrolowanym środowisku możliwym, a mianowicie w komorze bezechowej.
W komorze bezechowej porównaliśmy Fuel EXe z tradycyjnym rowerem bez wspomagania, popularnym lekkim e-MTB ze wspomaganiem i popularnym e-MTB o dużej mocy w szerokim zakresie warunków na niestandardowym, izolowanym akustycznie trenażerze. W ciągu dwóch dni zebraliśmy 225 milionów punktów danych za pomocą 21 mikrofonów i czujnika kadencji, który pozwolił nam powiązać częstotliwość dźwięku z prędkością silnika.
W tych testach przeanalizowaliśmy tonację, głośność, moc dźwięku i wskaźnik artykulacji rowerów w zakresie kadencji 40-100 obr / min, przy całkowitej mocy 300 W i na dwóch najwyższych poziomach wspomagania silnika. Wszystkie wykresy opierają się na mikrofonie B&K 4966-H-041 umieszczonym 1 m z boku od roweru i 1,7 m pionowo od podłogi (na wysokości głowy, zakreślony na niebiesko).
Tony Fuel EXe
Poniżej przedstawiamy wyniki rozkładu głośności w funkcji barwy, co wykorzystujemy jako kluczowy wskaźnik dla postrzegania hałasu z roweru elektrycznego. Lewy wykres wskazuje natężenie dźwięku różnych tonów zależnie od zakresu kadencji, a prawy wykres służy do uśredniania tych wyników dla każdego roweru.
Omawiane wykresy rozkładu tonów wskazują, że Fuel EXe jest porównywalny z rowerem bez wspomagania i 4-5x przyjemniejszy niż inne popularne e-MTB. Dodatkowo, szum tonalny Fuel EXe’jest ledwo wyczuwalny, podczas gdy typowe e-MTB są znacznie powyżej nieprzyjemnego progu.
Linie ciągłe to najwyższy poziom wspomagania, a linie przerywane to drugi najwyższy tryb wspomagania. Charakterystyka tonalna obliczona zgodnie z normą ECMA-74:2019.
“Fuel EXe brzmi 4-5 razy przyjemniej niż inne popularne e-MTB”
Próbki dźwięku
Nie kręcą Cię wykresy? Posłuchaj nagrań z komory bezechowej!
Głośność Fuel EXe
Chociaż charakterystyka tonalna w największym stopniu odpowiada Twoim wrażeniom z jazdy na rowerze elektrycznym, nie zapomnieliśmy o głośności. Przedstawione poniżej wykresy pokazują postrzeganą głośność w dBA i w sonach. Zależnie od wybranej kombinacji roweru i wskaźnika, EXe okazuje się 1,5 do 1,8 razy cichszy niż inne rowery elektryczne i większość z porównywalnych rowerów bez wspomagania.
Moc akustyczna Fuel EXe
Głośność jest kluczową miarą akustyczną, ale zależy od wybranego kierunku odległości mikrofonu od źródła dźwięku. Nasza lokalizacja mikrofonu została wybrana tak, aby reprezentować dźwięk w uszach kierowcy’lub jego partnera’, ponieważ jest to lokalizacja, która ma największe znaczenie.
Podjęliśmy się jednak jednego dodatkowego kroku, w którym zmierzyliśmy moc akustyczną za pomocą zespołu 12 mikrofonów ułożonych w półkolistej konfiguracji. Chcieliśmy w ten sposób poznać całkowitą moc akustyczną roweru ze wszystkich kierunków. Innymi słowy, moc akustyczna pozwala na określenie brzmienia rowerów dla osób słyszących go z dowolnej pozycji.
Moc akustyczna w W dBA (norma ISO3744). Należy zaznaczyć, że przewiduje się moc akustyczna wyższą o 15,6 dB niż głośność, jako że mikrofon mierzący głośność znajduje się 1,7 m od silnika.
Moc akustyczna w W dBA (norma ISO3744). Należy zaznaczyć, że moc akustyczna przewidywana jest jako 15,6 dB wyższa niż głośność, z zastrzeżeniem, że mikrofon mierzący głośność znajduje się 1,7 m od silnika.
Jak widzimy na wykresie, moc dźwięku jest bardzo podobna do głośności w pobliżu głowy kierowcy. Potwierdza to zarówno nasze wyniki dotyczące głośności, jak i wybraną lokalizację dla naszych wskaźników pojedynczego mikrofonu.
Wskaźnik artykulacji (norma ANSI S3.5).
Wskaźnik artykulacji Fuel EXe
Jak wspomniano wcześniej, dźwięk roweru może zakłócać twoją zdolność do rozmowy z innymi podczas jazdy. Wskaźnik artykulacji przewiduje, ile sygnałów mowy można usłyszeć w danym hałasie. Ponownie, EXe jest znacznie bliższy tradycyjnemu rowerowi niż innym rowerom elektrycznym i nie przeszkadza Ci w rozmowach na szlaku.
Próby terenowe
Chociaż artykuł skupia się na próbach w ściśle kontrolowanym środowisku komory bezechowej, zabraliśmy również nasz sprzęt na szlak, aby potwierdzić wyniki. Pomiary ze szlaku potwierdziły wcześniejsze ustalenia – Fuel EXe uzyskał wynik o 3-5x niższy w zakresie nieprzyjemnych tonów i 1,5x do 1,8x niższy pod względem głośności niż inne e-MTB.
Analiza odwzorowania za pomocą kolorów
Wyjątkowo użyteczną techniką analityczną jest wykonanie mapy głośności w funkcji kadencji i częstotliwości. Na przedstawionych poniżej mapach z odwzorowaniem za pomocą kolorów każda skośna linia przedstawia ton, którego częstotliwość (wysokość) rośnie wraz z kadencją. To właśnie takie tony wybijają się ponad tło i odpowiadają za nieprzyjemne wrażenia.
Mapy kolorystyczne (najwyższy poziom wspomagania)
Każda z tych linii odpowiada elementowi obrotowemu w silniku, którego przełożenie i liczba zębów/magnesów odpowiada nachyleniu linii. Jak łatwo zauważyć, tradycyjne przekładnie w rowerach elektrycznych mają mnóstwo ruchomych części, które generują mnóstwo dźwięków o różnych tonach, podczas gdy przekładnia falowa zastosowana we Fuel EXe generuje jedynie jeden, znacznie cichszy ton.
Dalej nie wierzysz?
Wciąż masz wątpliwości, że pięciokrotne ograniczenie irytujących tonów da Ci kompletny spokój na szlakach? Kliknij odnośnik poniżej, aby dowiedzieć się, gdzie możesz zobaczyć Fuel EXe na żywo!
O autorze
Paul Harder jest głównym inżynierem ds. BiR w Trek Bicycle. Od kiedy uzyskał tytuł magistra w inżynierii mechanicznej z Uniwersytetu Stanu Wisconsin w 2007 roku, rzucił się w wir pracy, by poprawić Twoje wrażenia z jazdy poprzez stosowanie nauki i innowacji.
Fuel EXe – nie ma drugiego takiego roweru
About the Author: Trek Performance Research
Trek may have been born in a barn, but it was raised on rocket science. Trek Performance Research is the driving R&D force behind developing the industry’s most innovative products.
