A sonoridade da Fuel EXe vs outras bicicletas elétricas de montanha A ciência por detrás da acústica revolucionária da Fuel EXe.

A sonoridade da Fuel EXe vs outras bicicletas elétricas de montanha A ciência por detrás da acústica revolucionária da Fuel EXe.

Pedalamos com todos os nossos sentidos, e o som da bicicleta tem um impacto surpreendente na experiência de pedalar. No passado, a bicicleta elétrica trazia um custo acústico com o qual todos aprendemos a viver.

Até chegar a Fuel EXe.

Caixa de mudanças de carro convencional com mudanças normais. Fontes: iStock Images / Nordroden

Os motores típicos das bicicletas elétricas transferem a potência do motor para os braços do pedaleiro através de uma rede de engrenagens, eixos, correias e/ou roldanas. Muitas peças em movimento rápido que, em conjunto, significam muitas oportunidades para ruídos desagradáveis ​​de alta frequência.

Em contraste, o motor elétrico “harmonic pin ring” da Fuel EXe tem apenas uma única interface de engrenagem onde a carga é silenciosamente partilhada por muitos dentes o tempo todo.

Neste artigo, vamos levar-te numa jornada científica sobre a acústica das bicicletas. É uma categoria totalmente nova na performance da bicicleta e que, provavelmente, é muito mais importante para ti do que aquilo que pensas.

No final, vamos mostrar que a Fuel EXe tem um som 5 vezes mais agradável e 1,8 vezes mais silencioso do que outras bicicletas de montanha elétricas populares. Na verdade, a Fuel EXe soa muito mais próxima de uma bicicleta tradicional sem assistência, trazendo-te de volta para tipo de experiência que deverias ter.

Ainda cético? Antes de entrarmos em mais detalhes, vamos ouvir a Fuel EXe nos trilhos em comparação com outras duas bicicletas de montanha elétricas. Finalmente uma e-bike que agrada aos ouvidos!

Os ouvidos são incríveis

A audição é talvez o sentido mais poderoso, e usar microfones que correspondam à audição envolve uma ciência bastante extrema.

Os ouvidos podem detectar amplitudes de pressão sonora que variam entre 20 a 100.000.000+ micropascais – uma amplitude absolutamente enorme. É como ter uma régua que pode medir qualquer coisa, desde a espessura de uma folha de papel até a altura de um prédio de 100 andares! Para enquadrar essa enorme amplitude, normalmente falamos do som na escala logarítmica de decibéis (dB).

Fonte: Getty Images / BSIP

Os ouvidos também podem detetar frequências de som entre 20 a 20.000 Hz – outra amplitude enorme. Uma única onda de pressão que chega ao ouvido contém uma combinação de todas as frequências das diferentes fontes sonoras que existem ao seu redor. A cóclea do ouvido, que tem uma forma de espiral, separa essa onda de pressão combinada nas várias frequências individuais e as codifica como sinais nervosos. Os ouvidos são sensores de som verdadeiramente poderosos e fascinantes!

Psicoacústica

Os sinais nervosos dos ouvidos são então interpretados pelo supercomputador de análise acústica que é o cérebro. Imagina o poder de processamento quase milagroso e a precisão necessária para separar e identificar a localização tridimensional de várias fontes de som em tempo real (chamada de localização de som). O cérebro analisa posteriormente os padrões de todos esses sons e atribui significados, emoções e ligações a cada um.

A psicoacústica é o estudo de como o sistema ouvido-cérebro sente e interpreta o som. E várias métricas psicoacústicas foram desenvolvidas para converter os dados brutos do microfone em como percebemos os sons em termos de quantidade (intensidade) e qualidade.

Do IEC 61672 standard.

Sonoridade percebida

A sensibilidade auditiva varia muito em toda a faixa de frequência. Por exemplo, uma onda sonora de 75 dB a 1.000 Hz soa muito mais alta do que uma onda sonora de 75 dB a 100 Hz. Uma maneira comum de contabilizar essa sensibilidade variável é aplicar uma curva de ponderação A para converter decibéis (dB) em decibéis ponderados A (dBA). dB define a magnitude física da onda sonora, enquanto dBA aproxima o volume percebido dessa mesma onda.

Do ISO 226:2003 standard.

Desde o desenvolvimento da curva de ponderação A única, os cientistas mapearam uma série mais completa de “contornos de sonoridade igual” que captura de forma mais completa as complexidades dos ouvidos. Neste gráfico, quaisquer dois pontos ao longo de uma determinada linha soam igualmente altos, e cada curva é aproximadamente duas vezes mais alta que a curva abaixo dela. Se os ouvidos funcionassem como microfones, todas essas curvas seriam apenas linhas horizontais igualmente espaçadas.

Este gráfico apresenta também os sons métricos de volume, que atingem o mesmo objetivo que o dBA, mas são mais sofisticados e intuitivos. A escala Sones trabalha diretamente com o volume percebido (2x volume = 2x sons), enquanto o dBA é pouco intuitivo (2x volume = adiciona 10 dB).

Qualidade do som

Muitas vezes, é a qualidade do som, e não seu volume, que dita a distinção no cérebro entre sons bons e sons maus. Por exemplo, o som agudo de um mosquito é relativamente baixo, mas também é bastante desagradável e distingue-se dos restantes para chamar a atenção. Os engenheiros descrevem esse tipo específico de som como “tonal”, mas o cérebro pode interpretar muitos outros padrões de som como chocalho, guincho, rangido, estridente, estrondo e muito mais.

Muitas dessas interpretações podem ser quantificadas a partir dos dados do microfone usando métricas de qualidade de som, como tonalidade, nitidez, rugosidade, proporção de proeminência, força de flutuação e índice de articulação. Essas métricas podem prever o prazer ao utilizar um produto, em conjunto com a impressão sobre sua qualidade de construção e desempenho.

Um exemplo interessante de qualidade de som é o significativo esforço de engenharia que é colocado no som da porta do carro a fechar. Esse som é secundário à função principal do carro, mas molda muito sua impressão inicial da robustez e fiabilidade do carro.

Psicoacústica da bicicleta elétrica

Como tudo isto se relaciona com as bicicletas? Ao longo dos vários anos como pioneiros da psicoacústica de bicicletas, a Trek Performance Research descobriu que a qualidade do som de uma bicicleta (muitas vezes até mais do que seu volume) tem um grande impacto no prazer de pedalar. Para as bicicletas de montanha elétricas, definimos duas métricas de qualidade de som: a tonalidade e o índice de articulação.

O cálculo da Tonalidade HMS utiliza uma complexa sequência de 14 algoritmos para modelar a perceção do sistema ouvido-cérebro dos tons desagradáveis (do ECMA-74:2019 standard)

Tonalidade

Os motores elétricos tendem a emitir tons agudos que podem ser percebidos como especialmente desagradáveis. Assim como o exemplo do mosquito, o zumbido de um motor de bicicleta elétrica destaca-se para chamar a atenção.

A tonalidade (especificamente a tonalidade HMS) é uma métrica moderna de qualidade de som que utiliza uma série de algoritmos avançados para modelar com precisão a perceção humana desses tipos de tons desagradáveis. Acreditamos que a tonalidade é uma nova métrica-chave para a experiência positiva com uma bicicleta elétrica.

Índice de articulação

Uma parte importante de pedalar com amigos e familiares é a possibilidade de conversar, ensinar novas habilidades uns aos outros e dar a conhecer novos percursos. Mas os vários sons que existem enquanto pedalamos (incluindo o motor da bicicleta elétrica) podem diminuir a capacidade de ouvir quem nos acompanha. O índice de articulação é uma métrica de qualidade de som que prevê a proporção de fala que é audível e é um bom indicador de como os sons podem prejudicar a experiência de pedalar em grupo.

Ferramentas e conhecimento

A psicoacústica é uma nova e desafiadora ciência no ciclismo, mas faz uma grande diferença na experiência de pedalar. O desenvolvimento de ferramentas e conhecimento psicoacústico para as bicicletas pela Trek reflete o nosso compromisso em melhorar a experiência de pedalar através da ciência. E quando juntamos isso com os nossos recursos e experiência na vibração, podemos agora medir, perceber e prever o que se sente e ouve na bicicleta.

Psicoacústica da Fuel EXe

A Fuel EXe revoluciona o quão silenciosa e agradável uma bicicleta elétrica pode soar, algo que podemos demonstrar utilizando técnicas avançadas de teste e análise psicoacústica que foram desenvolvidas durante a fase de protótipo da bicicleta. O culminar desta investigação foi com a realização de um teste final num ambiente de som o mais controlado possível: numa câmara anecóica.

Na câmara anecóica, comparámos a Fuel EXe com uma bicicleta tradicional sem assistência, uma bicicleta de montanha elétrica leve e uma bicicleta de montanha elétrica de alta potência, num amplo conjunto de condições e com um equipamento construído e adaptado para isolar o som. Durante dois dias, recolhemos 225 milhões de pontos de dados utilizando 21 microfones e um sensor de cadência que nos permitiu relacionar a frequência do som à velocidade do motor.

Durante estes testes, analisámos a tonalidade, o volume, a potência sonora e o índice de articulação das bicicletas numa faixa de cadência de 40 a 100 rpm, com uma potência total de 300 W e nos dois modos mais altos de assistência motora. Todos os gráficos são baseados num microfone B&K 4966-H-041, localizado a 1 metro da bicicleta (lateralmente) e 1,7 m de altura do chão (altura da cabeça, identificado com um círculo azul).

Tonalidade da Fuel EXe

De seguida, apresentamos os resultados da tonalidade, a nossa principal métrica para a percepção do ruído do motor da bicicleta elétrica. O gráfico esquerdo mostra a tonalidade na faixa de cadência e o gráfico direito calcula a média desses resultados num único número para cada bicicleta.

Os gráficos de tonalidade demonstram que a Fuel EXe é comparável a uma bicicleta sem assistência e 4 a 5 vezes mais agradável do que outras bicicleta de montanha elétricas. Para além disso, o ruído tonal da Fuel EXe é quase imperceptível, enquanto as ouotras bicicleta de montanha elétricas estão bem acima da linha do desagradável.

As linhas sólidas representam o modo de maior assistência e as linhas tracejadas representam o segundo modo de maior assistência.  Tonalidade calculada de acordo com o ECMA-74:2019 standard.

“O som da Fuel EXe é 4 a 5 vezes mais agradável do que outras bicicletas de montanha elétricas”

Testes de som

Não és um grande fã de gráficos? Ouve então o som dentro da câmara anecóica!

Sonoridade da Fuel EXe

Embora a tonalidade se relacione melhor com a experiência de andar de bicicleta elétrica, não nos esquecemos do volume. Os gráficos seguintes mostram o volume percebido em dBA e sones. Dependendo da combinação de bicicletas e métricas que consideramos, a Fuel EXe é 1,5 a 1,8 vezes mais silenciosa do que as outras bicicletas elétricas e mais comparável a bicicletas sem assistência.

Potência de som da Fuel EXe

O volume é uma métrica acústica fundamental, mas depende da distância de direção escolhida deste o microfone à origem do som. A localização do nosso microfone foi escolhida para captar o som nos ouvidos do ciclista, ou companheiro de passeio, já que esse é o local que mais importa.

Mas, para além disso, demos o próximo passo na medição da potência de som, utilizando uma matriz hemisférica de 12 microfones para quantificar a energia sonora total emitida pela bicicleta em todas as direções. Em outras palavras, a potência de som representa como as bicicletas se comparam aos ouvintes em qualquer local à volta da bicicleta.

Potência de Som em Watts dBA (ISO3744 standard).  De realçar que é expectável que a potência do som seja 15.6 dB mais alta que a sonoridade, dado a posição do nosso microfone de sonoridade a 1,7 m do motor.

Potência de Som em Watts dBA (ISO3744 standard).  De realçar que é expectável que a potência do som seja 15.6 dB mais alta que a sonoridade, dado a posição do nosso microfone de sonoridade a 1,7 m do motor.

Como podemos ver no gráfico, a potência de som é muito semelhante ao volume perto da cabeça do ciclista. Isso valida os nossos resultados de sonoridade e o ponto escolhido para as nossas métricas de microfone único.

Índice de Articulação (ANSI S3.5 standard).

Índice de articulação da Fuel EXe

Tal como apresentado anteriormente, o som da bicicleta pode interferir na capacidade de falarmos com outras pessoas enquanto pedalamos. O Índice de Articulação prevê a quantidade de falas que podem ser ouvidas com um determinado ruído. Mais uma vez, a Fuel EXe está muito mais próxima de uma bicicleta tradicional do que de outras bicicletas elétricas.

Testes no terreno

Apesar deste artigo se concentrar nos testes da câmara anecóica altamente controlada, também levámos nosso equipamento de teste acústico para os trilhos. E os resultados no exterior concordaram, mostrando que a Fuel EXe mede 3 a 5 vezes menos na tonalidade e 1,5 a 1,8 vezes menos no volume do que outras bicicletas de montanha elétricas.

Análise do mapa de cores

Uma técnica de análise muito poderosa é mapear o volume como cores numa escala de cadência e frequência de som. Nos mapas de cores seguintes, cada linha diagonal representa um tom cuja frequência aumenta com a cadência (são os tons que se destingem do contexto e que chamam a atenção como desagradáveis).

Mapas de cores (modo de assistência mais alto).

Cada uma das linhas diagonais corresponde a um componente físico giratório dentro do motor, cuja relação entre as engrenagens e o número de dentes se relacionam com a inclinação da linha. Claramente, as transmissões tradicionais das bicicletas elétricas têm muitos componentes móveis que criam muitos tons, enquanto a engrenagem “harmonic pin ring” da Fuel EXe cria apenas um tom único e muito mais silencioso.

Continuas cético?

Ainda estás cético de que uma diminuição de 5 vezes na tonalidade acústica te vai trazer uma experiência totalmente nova nos trilhos? Visita uma das lojas Trek, conhece a Fuel EXe e confirma o que te dizemos!

 

Sobre o autor

Paul Harder é o engenheiro principal de R&D da Trek Bicycle. Desde que obteve um mestrado em Engenharia Mecânica, pela Universidade de Wisconsin em 2007, se dedica a tornar melhor a experiência de andar de bicicleta através da ciência e da inovação.

A nova Fuel EXe

É o início de uma nova era para a bicicleta de montanha elétrica. A nova Fuel EXe torna possível que faças mais sem alterar a forma sem perturbar a tua experiência na natureza. Tal como o ciclismo de montanha deve ser.
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