Herkömmliche E-Bike-Antriebe übertragen die Motorleistung über Zahnräder, Wellen, Riemen und/oder Riemenscheiben zur Kurbel. Eine Vielzahl von Teilen, die sich ineinander verzahnt schnell bewegen, bietet viele Möglichkeiten zur Verursachung von hochfrequenten, unangenehmen Geräuschen.
Dem gegenüber weist der TQ-HPR50 Harmonic Pin-Ring-Motor lediglich eine einzige Zahnradschnittstelle auf, an der die Last stets gleichmäßig und leise auf viele Zähne verteilt wird.
Wir fahren mit allen unseren Sinnen Fahrrad – und wie dein Bike klingt, hat einen erstaunlichen Einfluss auf dein Fahrerlebnis. Bisher kam eine elektrische Antriebsunterstützung an einem Fahrrad immer zu einem akustischen Preis, mit dem wir irgendwie gelernt haben, zu leben.
Mit dem TQ-HPR50 müssen wir das aber nicht mehr!
In diesem Artikel wollen wir die Fahrradakustik von wissenschaftlicher Seite aus beleuchten. Die Fahrradakustik ist eine komplett neue Performance-Kategorie, der beim Fahrerlebnis eine wahrscheinlich wichtigere Rolle zukommt, als du dir vorstellen kannst.
An dieser Stelle erlauben wir uns, die Ergebnisse unserer Testreihe vorwegzunehmen: Der TQ-HPR50 überzeugt mir einem 5-mal angenehmeren und 1,8-mal leiseren Klang als die Motoren anderer beliebter E-Mountainbikes. Tatsächlich klingt ein TQ-Motor viel eher wie ein herkömmliches, nichtunterstütztes Fahrrad und bringt dich damit näher an das ursprüngliche Mountainbiking-Erlebnis heran.
Skeptisch? Bevor wir uns den Details widmen, findest du hier eine kleine Hörprobe eines TQ-Motors im Vergleich zu den Motoren von zwei anderen beliebten E-Mountainbikes auf dem Trail. Endlich ein E-Bike, das sich angenehm anhört!
Beeindruckende Ohren
Der Hörsinn ist wahrscheinlich dein ausgeprägtester Sinn, und der Einsatz von Mikrofonen zur Simulation deines Gehörs erfordert einen hohen wissenschaftlichen Aufwand.
Deine Ohren können Schalldruckamplituden im Bereich von 20 bis 100.000.000 Mikropascal und mehr wahrnehmen – ein gewaltiger Bereich. Das ist so, als könntest du mit einem einzigen Lineal sowohl die Dicke eines Blattes als auch die Höhe eines 100-stöckigen Gebäudes messen. Um diesen riesigen Bereich abzudecken, beschreiben wir Schall üblicherweise in der logarithmischen Dezibel-Skala (dB).
Deine Ohren können außerdem Frequenzen von 20 bis 20.000 Hz wahrnehmen, was ein extrem breites Spektrum ist. Die einzelne Druckwelle, die dein Ohr erreicht, enthält eine Kombination aus all diesen Frequenzen von allen Schallquellen in deiner Umgebung. Das spiralförmige Cochlea-Organ in deinem Ohr trennt diese kombinierte Druckwelle wieder in die einzelnen Frequenzen auf und codiert diese als Nervensignale. Deine Ohren sind extrem leistungsstarke und faszinierende Klangsensoren!
Faszinierende KlangsensorenPsychoakustik
Die Nervensignale deiner Ohren werden dann von dem Supercomputer, den wir Gehirn nennen, analysiert und interpretiert. Stell dir einmal vor, welch außerordentliche Rechenleistung und beispiellose Präzision erforderlich sind, um die dreidimensionale Position mehrerer Schallquellen in Echtzeit zu trennen und zu lokalisieren (auch Schalllokalisation genannt). Dein Hirn verarbeitet die Muster all dieser Töne weiter und weist ihnen Bedeutungen, Gefühle und Assoziationen zu.
Die Psychoakustik untersucht, wie dein Ohr/Gehirn-System Töne erfasst und interpretiert. Verschiedene psychoakustische Metriken, die rohe Mikrofondaten umwandeln, helfen zu verstehen, wie Töne hinsichtlich ihrer Quantität (Lautheit) und Qualität wahrgenommen werden.
Empfundene Lautheit
Unsere Hörempfindlichkeit variiert erheblich über den Frequenzbereich hinweg. So klingt eine Schallwelle mit 75 dB und 1.000 Hz deutlich lauter als eine mit 75 dB und 100 Hz. Ein übliches Verfahren zur Berücksichtigung dieser variierenden Empfindlichkeit ist die Anwendung einer A-gewichteten Kurve zur Umwandlung von Dezibel (dB) zu A-gewichteten Dezibel (dBA). dB definiert die physikalische Größe der Schallwelle, während dBA die empfundene Lautheit derselben Welle als angenäherte Größe beschreibt.
Seit der Entwicklung der einzelnen A-gewichteten Kurve haben Wissenschaftler eine vollständigere Serie von „Kurven gleicher Lautheit“ entwickelt, welche die Eigenheiten unseres Gehörs vollständiger erfassen. In dieser Darstellung klingen zwei Punkte auf einer gegebenen Linie gleich laut und jede Kurve ist ungefähr doppelt so laut wie die Kurve darunter. Wenn deine Ohren so wie Mikrofone funktionieren würden, wären alle Kurven einfach nur horizontale Linien in gleichen Abständen.
Dieses Diagramm führt auch die Lautheitseinheit Sone ein, die den gleichen Zweck erfüllt wie dBA, aber anspruchsvoller und zugleich intuitiver ist. Die Sone-Werte sind direkt mit der empfundenen Lautheit verknüpft (Lautheit x 2 entspricht Sones x 2), während dBA weniger intuitiv ist (Lautheit x 2 entspricht 10 dB mehr).
Klangqualität
Oftmals ist es die Qualität und weniger die Lautheit eines Klangs, welche die Unterscheidung deines Gehirns zwischen gutem und schlechtem Klang bestimmt. Ein Beispiel gefälligst? Der hohe Ton einer Mücke mag zwar relativ leise sein, ist aber ziemlich unangenehm und drängt sich aus dem Hintergrund in den Vordergrund. Ingenieure beschreiben diesen Schalltyp als „tonal“, das Gehirn aber kann auch andere Schallmuster wie Rasseln, Quieken, Knarzen, Kreischen, Knurren und viele mehr interpretieren.
Viele dieser Interpretationen können mithilfe von Schallqualitätsmetriken wie Tonhaltigkeit, Schärfe, Rauhigkeit, Prominenz, Fluktuationsstärke und Sprachverständlichkeitsindex aus Mikrofondaten quantifiziert werden. Diese Metriken lassen Aussagen zum Hörgenuss eines bestimmten Produkts zu und ergänzen Eindrücke wie etwa seine Verarbeitungsqualität und Leistung.
Ein interessantes Beispiel im Bereich der Klangqualität ist der hohe Entwicklungsaufwand, der für das Schließgeräusch von Autotüren betrieben wird. Dieser Klang ist für die Hauptfunktionen des Autos nebensächlich, wirkt sich aber erheblich auf den ersten Eindruck der Robustheit und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs aus.
Psychoakustik von E-Bikes
Was hat all dies mit E-Bikes zu tun? Als Vorreiter auf dem Gebiet der Fahrradpsychoakustik hat Trek Performance Research herausgefunden, dass die Schallqualität eines Fahrrads – oftmals mehr noch als seine Lautheit – das Fahrerlebnis in großem Maße beeinflusst. In der Kategorie der E-Mountainbikes haben wir uns auf zwei Schallqualitätsmetriken konzentriert: die Tonhaltigkeit und den Artikulationsindex.
Tonhaltigkeit
Elektromotoren neigen dazu, hochfrequente Töne zu erzeugen, die als besonders unangenehm wahrgenommen werden können. Wie beim Beispiel der Mücke sticht das Heulen des Motors eines E-Bikes aus den Umgebungsgeräuschen heraus und beansprucht deine Aufmerksamkeit.
Die Tonhaltigkeit (insbesondere die Tonhaltigkeit nach dem Hörmodell von Sottek) ist eine moderne Kennzahl zur Messung der Klangqualität, die anhand einer Reihe fortschrittlicher Algorithmen die menschliche Wahrnehmung dieser Art von unangenehmen Tönen genau modelliert. Wir glauben, dass die Tonhaltigkeit eine entscheidende neue Kennzahl für das ist, was Fahrer auf einem E-Bike erleben.
Die Berechnung der Tonhaltigkeit basiert auf einer komplexen Sequenz von 14 Algorithmen zur Modellierung, wie das Ohr/Gehirn-System lästige Töne wahrnimmt (aus ECMA-74:2019).
Artikulationsindex
Sich zu unterhalten, sich neue Tricks zu zeigen und gemeinsam neue Trails zu entdecken – das macht den Reiz daran aus, sich mit Freunden und Familie auf den Sattel zu schwingen. Die unterschiedlichsten Geräusche auf dem Trail – auch die deines Motors – können dich jedoch daran hindern zu hören, was andere sagen. Der Artikulationsindex ist ein Maß für die Klangqualität, der den hörbaren Anteil der Sprache prognostiziert und ein guter Indikator dafür ist, wie Geräusche das Fahrerlebnis in der Gruppe beeinträchtigen können.
Mehr über den ArtikulationsindexTools und Know-how
Die Psychoakustik, die innerhalb des Radsports und der Fahrtradindustrie ein recht neues Fachgebiet ist, hat einen enormen Einfluss auf das Fahrgefühl. Die Entwicklung von fahrradspezifischen psychoakustischen Tools und Kenntnissen spiegelt das Engagement von Trek wider, das Fahrerlebnis durch wissenschaftliche Erkenntnisse zu verbessern. Zusammen mit unseren bewährten Fähigkeiten und Fachkenntnissen im Bereich der Vibrationen ist Trek Engineering jetzt in der Lage alles zu messen, verstehen und entwickeln, was du beim Radfahren fühlst und hörst.
Im Labor mit dem Madone IsoSpeedPsychoakustik des TQ-HPR50
Der TQ-HPR50 revolutioniert, wie leise und angenehm ein E-Bike klingen kann – eine Tatsache, die wir mithilfe innovativer psychoakustischer Test- und Analysetechniken veranschaulichen können, die im Prototypenstadium des Bikes entwickelt wurden. Den Höhepunkt unserer Testreihe bildete die Analyse des fertigen Serienbikes in einem schalltoten Raum, und damit in der bestkontrollierten Klangumgebung überhaupt.
In der schalltoten Kammer haben wir den TQ-HPR50 mit einem konventionellen, nichtunterstützten Fahrrad, einem beliebten E-Mountainbike mit leichter Unterstützung und einem beliebten E-Mountainbike mit hoher Leistung unter einer Vielzahl von Bedingungen auf einem speziellen schallisolierten Rollentrainer verglichen. Über einen Zeitraum von zwei Tagen haben wir mit insgesamt 21 Mikrofonen 225 Millionen Datenpunkte gesammelt, während ein Trittfrequenzsensor dabei half, die Schallfrequenz mit der Motordrehzahl in Beziehung zu setzen.
Bei diesen Tests haben wir die Tonhaltigkeit, Lautstärke, Schallleistung und den Artikulationsindex der Fahrräder in einem Trittfrequenzbereich von 40 bis 100 U/min analysiert, und zwar bei einer Gesamtleistung von 300 W und in den beiden höchsten Motorunterstützungsstufen. Alle Diagramme wurden mithilfe eines Mikrofons B&K 4966-H-041 erstellt, das im Abstand von 1 m seitlich zum Fahrrad und mit 1,76 m Abstand zum Boden (auf Kopfhöhe, blau umkreist) positioniert wurde.
„Das vom HPR50 angetriebene Bike klingt 4 bis 5 Mal angenehmer als andere gängige E-Mountainbikes.“
Diagramme sind nicht so deins? Dann hör doch mal ins Innere der schalltoten Kammer rein.
So klingt’s in der schalltoten KammerDie durchgehenden Linien stellen den höchsten Unterstützungsmodus und die gestrichelten Linien den zweithöchsten Unterstützungsmodus dar. Tonhaltigkeit berechnet nach ECMA-74:2019.
Lautheit des TQ-HPR50
Auch wenn die Tonhaltigkeit für das Fahrerlebnis eines E-Bikes die größere Rolle spielt, wollten wir den Einfluss der Lautheit nicht unbeachtet lassen. Das unten stehende Diagramm zeigt die empfundene Lautheit in sowohl dBA als auch Sone. Je nachdem, welche Kombination aus Bikes und Metriken zugrunde liegt, ist der HPR50 1,5- bis 1,8-mal leiser als die anderen getesteten E-Bikes und am ehesten mit nichtunterstützten Fahrrädern vergleichbar.
Schallleistung des TQ-HPR50
Lautheit ist ein wichtiger akustischer Parameter, der allerdings von der Ausrichtung und der Entfernung des Mikrofons von der Schallquelle abhängt. Wir entschieden uns für eine Mikrofonposition, die den Schall am Ohr von Fahrern oder deren Begleitung simuliert, da diese am aussagekräftigsten ist.
Und wir sind sogar noch einen Schritt weiter gegangen: Wir haben die Schallleistung mithilfe von 12 Mikrofonen in halbkugelförmiger Anordnung gemessen, um die vom Bike in alle Richtungen abgegebene Schallenergie zu quantifizieren. Das ermöglicht, die Schallleistung der Bikes auf Umstehende an jeder Stelle um das Bike herum zu vergleichen.
Wie im Diagramm zu sehen, ist die Schallleistung in der Nähe des Kopfes sehr ähnlich wie die Lautheit. Dies bestätigt sowohl unsere Lautheitsergebnisse als auch diesen gewählten Ort für die Einzelmikrofonmessungen.
Artikulationsindex des TQ-HPR50
Wie bereits erwähnt, kann das Fahrgeräusch deines E-Bikes deine Fähigkeit, dich während der Fahrt mit anderen zu unterhalten, beeinträchtigen. Der Artikulationsindex prognostiziert den Anteil von Sprachsignalen, die bei einem gegebenen Geräuschniveau gehört werden können. Auch hier liegt der HPR50 viel näher an einem konventionellen Bike als andere E-Bikes – und sorgt dafür, dass du dich ungestört mit deiner Trailbegleitung unterhalten kannst.
Feldtests
Auch wenn es in diesem Artikel hauptsächlich um die Tests in einer hochkontrollierten schalltoten Umgebung geht, haben wir uns zu Zwecken der Validierung dafür entschieden, die Akustik der Bikes auch auf dem Trail zu analysieren. Die Ergebnisse vom Trail bestätigen die aus der schalltoten Kammer: Der HPR50 weist eine 3- bis 5-fach niedrigere Tonhaltigkeit und eine 1,5- bis 1,8-fach niedrigere Lautheit als die Motoren anderer E-Mountainbikes auf.
Colormap-Analyse
Eine äußerst aussagekräftige Analysetechnik ist die farbige Darstellung der Lautheit über einen bestimmten Kadenz- und Schallfrequenzbereich hinweg. In den oben stehenden farbcodierten Karten steht jede diagonale Linie für einen Ton, dessen Frequenz (Tonhöhe) mit steigender Kadenz ansteigt. Das sind die Töne, die sich aus dem Hintergrund in den Vordergrund drängen und als unangenehm wahrgenommen werden.
Jede dieser diagonalen Linien entspricht einer sich drehenden Komponente im Motor, dessen Übersetzungsverhältnis und Zahn- bzw. Magnetanzahl im Zusammenhang mit der Steigung der Linie steht. In dem Diagramm wird deutlich, dass die vielen beweglichen Teile in herkömmlichen E-Bike-Getrieben jede Menge Töne erzeugen, während das Harmonic Pin-Ring-Getriebe des TQ-HPR50 nur einen einzigen, erheblich leiseren Ton erzeugt.