Bij de meeste e-bikemotoren wordt het motorvermogen via een netwerk van tandwielen, aandrijfassen, riemen en/of riemschijven overgebracht op de crank. Met veel snel bewegende onderdelen die in elkaar grijpen, is de kans groter dat er onaangename hoge tonen ontstaan.
Ter vergelijking: de Harmonic Ping Ring-motor van de TQ HPR50 heeft slechts een enkelvoudige tandwielconstructie waarbij de belasting op elk moment over een groot aantal tanden is verdeeld.
We gebruiken tijdens het fietsen al onze zintuigen, maar het blijkt dat fietsgeluiden een verbazingwekkend effect hebben op onze fietsbeleving. Tot op heden moesten we voor het rijden op een elektrische fiets een akoestische prijs betalen die we hebben leren accepteren.
Dat wil zeggen: totdat de TQ HPR50 op het toneel verscheen.
In dit artikel nemen we je mee in de wereld van de fietsakoestiek. Dat is een hele nieuwe categorie van fietseigenschappen die veel meer invloed op je heeft dan je denkt.
Aan het einde laten we zien dat de TQ HPR50-motor 5 keer aangenamer klinkt en 1,8 keer stiller is dan andere populaire e-MTB’s. Sterker nog, een TQ-motor klinkt veel meer als een traditionele, niet-ondersteunde fiets en dat geeft je meer het fietsgevoel zoals het bedoeld was.
Sceptisch? Voordat we in details treden, luisteren we eerst naar een paar korte geluidsfragmenten van een TQ-motor en twee andere populaire e-MTB’s buiten op een trail. Eindelijk een e-bike die lekker klinkt!
Je verbazingwekkende oren
Horen is misschien wel je krachtigste zintuig en je gehoor nabootsen met een paar microfoons is behoorlijk lastig en vereist ingewikkelde wetenschap.
Je oren kunnen geluidsdrukamplitudes van 20 tot meer dan 100.000.000 micropascal waarnemen - werkelijk een enorm bereik. Dat is alsof je één liniaal hebt die alles kan meten - van de dikte van een vel papier tot aan een gebouw van 100 verdiepingen hoog! Om dit enorme bereik te kunnen omvatten, praten we over geluid in de vorm van een logaritmische decibel-schaal (dB).
Je oren kunnen ook geluidsfrequenties van 20 tot 20.000 Hertz waarnemen - nog zo’n enorm bereik. De enkelvoudige drukgolf die je oor bereikt, bestaat uit een combinatie van al deze frequenties van alle geluidsbronnen om je heen. Het spiraalvormige slakkenhuis scheidt deze gecombineerde drukgolf weer in de individuele frequenties en codeert ze als zenuwsignalen. Je oren zijn daarom zeer krachtige en fascinerende geluidssensoren!
Fascinerende geluidssensorenPsychoakoestiek
De zenuwsignalen vanuit je oren worden vervolgens geanalyseerd door een akoestische supercomputer, ofwel je hersenen. Bedenk eens hoe ongelofelijk snel de verwerkingscapaciteit en precisie moet zijn om in realtime de driedimensionale locatie van verschillende geluidsbronnen te kunnen scheiden en bepalen (de zogenaamde geluidslokalisatie). Je hersenen analyseren de patronen van al deze geluiden nog verder en kennen er vervolgens betekenis, emotie en associatie aan toe.
Psychoakoestiek is de studie van hoe je oor-breinsysteem geluiden waarneemt en interpreteert. Er zijn diverse psychoakoestische meetwaarden ontwikkeld om ruwe microfoondata om te zetten in hoe jij geluiden waarneemt in termen van kwantiteit (geluidssterkte) en kwaliteit.
Waargenomen geluidssterkte
De gevoeligheid van je gehoor varieert behoorlijk als je kijkt naar het volledige frequentiebereik. Een geluidsgolf van 75 dB op een toonhoogte van 1000 Hertz klinkt bijvoorbeeld veel harder dan een 75 dB geluidsgolf bij 100 Hertz. Het is gebruikelijk om dit verschil in gevoeligheid met een aanpassingscoëfficiënt te corrigeren door een zogenaamde A-gewogen curve te gebruiken om decibellen (dB) om te zetten naar A-gewogen decibellen (dBA). dB is dan de fysieke omvang van de geluidsgolf terwijl dBA de waargenomen geluidssterkte van dezelfde golf voorstelt.
Sinds de ontwikkeling van de enkelvoudige A-gewogen curve hebben wetenschappers een meer complete reeks van ‘gelijke geluidscontouren’ in kaart gebracht die beter de verfijnde eigenschappen van je oren weergeven. In deze grafiek klinken twee punten langs een bepaalde lijn even luid en elke curve is ongeveer twee keer zo luid als de curve eronder. Als je oren hetzelfde zouden werken als een microfoon, zouden al deze curven gewoon horizontale lijnen met een gelijke afstand zijn.
Deze grafiek introduceert ook de geluidssterkte-toets (sones) die hetzelfde doel heeft als dBA, maar geavanceerder en intuïtiever is. De geluidstoets komt rechtstreeks overeen met de waargenomen geluidssterkte (2x geluidssterkte = 2x geluidstoets), terwijl dBA minder intuïtief is (2x geluidssterkte =10 dB extra).
Geluidskwaliteit
Vaak is het de geluidskwaliteit en niet de geluidssterkte die bepaalt dat je brein onderscheid maakt tussen goed geluid en slecht geluid. De hoge toon van een zoemende mug heeft bijvoorbeeld een relatief lage geluidssterkte, maar het is ook behoorlijk irritant. Het snijdt door het achtergrondgeluid en schreeuwt om je aandacht. Ingenieurs omschrijven dit specifieke geluid als ’tonaal’, maar onze hersenen kunnen nog veel meer geluidspatronen onderscheiden en opdelen in categorieën zoals ratelen, piepen, kraken, snerpen, dreunen en nog veel meer.
Veel van deze interpretaties kunnen via microfoondata worden gekwantificeerd met behulp van geluidskwaliteit-waarden zoals tonaliteit, geluidsscherpte, geluidsruwheid, prominentieverhouding, fluctuatiesterkte en articulatie-index. Deze meetwaarden kunnen voorspellen hoeveel plezier je beleeft aan een product, naast je indruk van de bouwkwaliteit en prestaties.
Een interessant voorbeeld van geluidskwaliteit is de flinke technische inspanningen die worden gestoken in het sluiten van je autodeur. Dit geluid is ondergeschikt aan de kernfunctie van je auto, maar het bepaalt in grote mate je eerste indruk van de stevigheid en betrouwbaarheid van de auto.
Psychoakoestiek van e-bikes
Hoe verhoudt het bovenstaande zich nu tot fietsen?! Na enkele jaren de psychoakoestiek van fietsen te hebben bestudeerd, heeft Trek Performance Research ontdekt dat de geluidskwaliteit (vaak veel meer dan de geluidssterkte) van je fiets een grote invloed heeft op het rijplezier tijdens je rit. Voor e-MTB’s hebben we onze aandacht gericht op twee belangrijke meetwaarden voor geluidskwaliteit: tonaliteit en articulatie-index.
Tonaliteit
Elektromotoren hebben de neiging om hoge tonen te produceren die als bijzonder onaangenaam kunnen worden ervaren. Net als het voorbeeld van de mug, snijdt het jankende geluid van een e-bike door het achtergrondgeluid heen en trekt daarom je aandacht.
Tonaliteit (meer specifiek: tonaliteit HMS) is een moderne meeteenheid voor geluidskwaliteit die gebruikmaakt van een reeks geavanceerde algoritmes om de menselijke perceptie van deze onaangename tonen nauwkeurig te modelleren. Wij zijn van mening dat tonaliteit een belangrijke nieuwe meetwaarde is voor wat rijders ervaren op een e-bike.
Bij de tonaliteit HMS-calculatie wordt gebruikgemaakt van een complexe serie van 14 algoritmes om de waarneming van irritante tonen door je oor-breinsysteem te modelleren (uit de ECMA-74:2019 standaard)
Articulatie-index
Een belangrijk deel van het rijden met vrienden en familie is de mogelijkheid om te kletsen, elkaar nieuwe vaardigheden te leren en samen nieuwe paden te verkennen. Maar de verschillende geluiden op de trails - waaronder de motor van je e-bike - kunnen ervoor zorgen dat je niet hoort wat anderen zeggen. De articulatie-index is een meetwaarde van de geluidskwaliteit die voorspelt welk deel van de spraak hoorbaar is. Dat is een goede indicator van hoe geluiden de beleving van een groepsrit kunnen verstoren.
Alles over de articulatie-indexHulpmiddelen en kennis
Psychoakoestiek is een uitdagende nieuwe wetenschap in de fietswereld, en het heeft veel invloed op je rijbeleving. De ontwikkeling van hulpmiddelen en kennis over psychoakoestiek geeft aan dat Trek het verbeteren van de rijbeleving met behulp van wetenschap uiterst serieus neemt. Als we dat toevoegen aan onze uitgebreide kennis over trillingsdemping, dan kan de ontwikkelingsafdeling van Trek nu alles wat je hoort en voelt op de fiets op een wetenschappelijke manier meten, begrijpen en ontwerpen.
In het lab met de Madone IsoSpeedTQ HPR50 psychoakoestiek
De TQ HPR50 is een revolutionaire stap voorwaarts in hoe stil en aangenaam een e-bike kan klinken. Dat feit kunnen we illustreren met geavanceerde psychoakoestische test- en analysetechnieken die werden ontwikkeld tijdens de prototype-fase van deze fiets. Het hoogtepunt van deze testperiode was een test met een definitief productiemodel in de meest gecontroleerde geluidsomgeving die er mogelijk is: in een echovrije geluidskamer.
In de echovrije ruimte hebben we de TQ HPR50-motor vergeleken met een traditionele fiets zonder ondersteuning, een populaire e-MTB met lichte ondersteuning en een populaire e-MTB met hoog vermogen. We hebben de testen uitgevoerd onder uiteenlopende omstandigheden op een speciaal aangepaste fietstrainer met geluidsisolatie. Na twee dagen testen hadden we 225 miljoen datapunten verzameld met behulp van 21 microfoons en een cadanssensor waarmee we de geluidsfrequentie konden koppelen aan de motorsnelheid.
Tijdens deze testen hebben we de tonaliteit, geluidssterkte, geluidskracht en de articulatie-index geanalyseerd in het cadansbereik van 40 - 100 omwentelingen per minuut, bij een totaal vermogen van 300 watt en in de twee hoogste ondersteuningsstanden. Alle grafieken zijn gebaseerd op een B&K 4966-H-041 microfoon die 1 meter zijdelings van de fiets en op 1,7 meter hoogte ten opzichte van de vloer geplaatst was (op hoofdhoogte, blauwe cirkel).
“De fiets met HPR50-motor klinkt 4 tot 5 keer aangenamer dan andere populaire e-MTBs”
Geen fan van grafieken? Luister dan naar het geluid vanuit de echovrije geluidskamer!
LuisterDikke lijnen geven de hoogste ondersteuningsstand weer, terwijl de gestreepte lijnen de één-na-hoogste ondersteuningsstand weergeven. Tonaliteit berekend volgens de ECMA-74:2019 standaard.
Geluidssterkte TQ HPR50
Ondanks dat tonaliteit de meeste invloed heeft op je fietsbeleving op een e-bike, zijn we ook de geluidssterkte niet vergeten. De onderstaande grafieken tonen de waargenomen geluidssterkte in dBa en geluidstoets (sones). Afhankelijk van de combinatie van fietsen en meetwaarden die we in beschouwing nemen, is de HPR50-motor 1,5 tot 1,8 keer stiller dan andere e-bikes en het meest vergelijkbaar met niet-ondersteunde fietsen.
TQ HPR50 geluidskracht
Geluidssterkte is een belangrijke akoestische meetwaarde, maar het hangt sterk af van de gekozen afstand en richting van de microfoon ten opzichte van de geluidsbron. Onze plaatsing van de microfoon werd zodanig gekozen dat het een afspiegeling was van het geluid dat de oren van de rijder (of medefietsers) bereikt, want dat is het belangrijkst.
Maar we hebben daarnaast ook de ’geluidskracht’ gemeten door middel van een halve cirkel met twaalf microfoons om de totale geluidsenergie te kwantificeren die in alle richtingen werd ’uitgestoten’ door de fiets. Anders gezegd, met de factor geluidskracht kunnen de fietsen met elkaar worden vergeleken door luisteraars die op elke mogelijke plek rondom de fiets staan.
Zoals we in de grafiek zien, is de geluidskracht vergelijkbaar met de geluidssterkte in de buurt van het hoofd van de rijder. Dit valideert zowel onze resultaten voor geluidssterkte als de gekozen locatie voor onze metingen met één microfoon.
TQ HPR50 articulatie-index
Zoals al eerder besproken, kan het geluid van je fiets invloed hebben op je mogelijkheden om met anderen te praten tijdens het fietsen. De articulatie-index voorspelt de hoeveelheid spraaksignalen die je kunt horen bij een bepaald geluid. Nogmaals, de HPR50 lijkt veel meer op een traditionele fiets dan op andere e-bikes en hindert je niet tijdens gesprekken op de trails.
Praktijktesten
Hoewel dit artikel de nadruk legt op testen vanuit de volledig gecontroleerde omgeving van een echovrije geluidskamer, hebben we ook akoestische testapparatuur meegenomen naar de trail om onze bevindingen te valideren. De trail-resultaten gaven dezelfde uitkomsten waarbij de HPR50 een 3 tot 5 keer lagere tonaliteit had en de geluidssterkte 1,5 tot 1,8 keer lager was dan andere e-MTB’s.
Kleurenkaart-analyse
Een zeer krachtige analysetechniek is om de geluidssterkte weer te geven als kleuren op een kaart waarbij de cadans is afgezet tegen de geluidsfrequentie. In de onderstaande kleurenkaarten staat elke diagonale lijn voor een toon waarvan de frequentie (toonhoogte) toeneemt bij een hogere cadans. Dit zijn de tonen die door het achtergrondgeluid breken en die je aandacht afleiden omdat ze irritant zijn.
Elke diagonale lijn correspondeert met het fysiek ronddraaien van een onderdeel in de motor, waarbij de overbrengingsverhouding en het aantal tanden/magneten de richting van de lijn aangeven. Het is duidelijk dat de traditionele e-biketransmissies veel bewegende delen hebben die veel tonen produceren, terwijl de Harmonic Pin Ring-transmissie van de Fuel EXe slechts een enkelvoudige, veel zachtere toon creëert.