Klasické motory pro elektrokola přenáší hnací sílu do klik pomocí soustavy převodů, hřídelí, řemenů a ozubených koleček. Velký počet vzájemně se dotýkajících a rychle se pohybujících součástek znamená větší pravděpodobnost vzniku nepříjemného pronikavého zvuku.
Válečková harmonická převodovka motoru TQ HPR50 má jen jedno tiché převodové ústrojí, kde je zátěž vždy rozložena na celou řadu zubů.
Jízdu na kole vnímáme téměř všemi smysly. Zvuky, které kolo vydává, se na celkovém dojmu z jízdy podílí až nečekaně velkou měrou. Za pohodlnou jízdu na elektrokole jsme až dosud platili určitou cenu, museli jsme si zvykat na hluk motoru.
S příchodem TQ HPR50 se ale všechno mění.
V tomto článku se budeme věnovat akustice kol a podíváme se na ní vědeckou optikou. Jedná se o zbrusu novou oblast optimalizace vlastností, na nichž vám u kol záleží víc, než si myslíte.
Na konci vám dokážeme, že TQ HPR50 je 1,8krát tišší než jiná oblíbená horská elektrokola a zní 5× příjemněji. Kolo s motorem TQ zní ve skutečnosti spíše jako klasické bezmotorové kolo a přenese vás zpět ke kořenům cyklistiky.
Nevěříte? Přesvědčíme vás. Než se ale pustíme do detailů, poslechněte si krátké ukázky zvuku motoru TQ při jízdě v terénu ve srovnání se dvěma oblíbenými e-MTB. Konečně elektrokolo, jehož zvuk vás při jízdě neruší!
Váš skvělý sluch
Sluch je patrně náš nejvýkonnější smysl. Když jsme pomocí mikrofonů chtěli zvuky snímat tak, jak je ve skutečnosti vnímáme ušima, byl to pěkný vědecký oříšek.
Naše uši jsou schopné rozpoznat zvukové tlakové vlny v rozsahu 20 až víc než 100 000 000 mikropascalů, což je ohromný rozptyl. Můžete si je zkusit představit jako jedno pravítko, kterým byste byli schopni změřit tloušťku papíru i výšku stopatrové budovy. Proto se při měřeních s takovýmto rozptylem hodnot používá logaritmická stupnice v decibelech (dB).
Naše uši jsou schopné vnímat zvukové frekvence v rozsahu 20 až 20 000 Hz, což je ohromné rozpětí. Každá tlaková vlna, která do ucha pronikne, obsahuje spektrum všech těchto frekvencí ze všech zdrojů zvuku kolem. Spirálovitě stočená trubice ve vnitřním uchu, tzv. hlemýžď, tuto složenou tlakovou vlnu rozloží na jednotlivé frekvence, které zakóduje jako nervové signály. Naše uši jsou prostě neuvěřitelně výkonné a fascinující zvukové snímače.
Propracované snímače zvukuPsychoakustika
Nervové signály z uší dále interpretuje náš mozek, což je v podstatě takový superpočítač na akustickou analýzu. Jen si představte ten téměř nadpřirozený výpočetní výkon a dokonalou přesnost, se kterou je schopen rozlišit různé zdroje zvuku v reálném čase v trojrozměrném prostředí a ještě k tomu určit, odkud přicházejí (tzv. lokalizace zdroje zvuku). Poté ještě zanalyzuje vzorce všech navnímaných zvuků a přidělí jim význam, emoce a asociace.
Psychoakustika je vědní obor, který zkoumá vnímání a interpretaci zvuků uchem a mozkem. Za účelem převodu nezpracovaných dat z mikrofonu byly vyvinuty různé psychoakustické metriky, které vyjadřují vnímání zvuku z hlediska jeho kvantity (hlasitosti) i kvality.
Vnímaná hlasitost
Citlivost sluchu se v různých frekvencích značně liší. Jeden příklad za všechny: 75dB zvuková vlna zní při 1 000 Hz mnohem hlasitěji než 75dB vlna při 100 Hz. Tato proměnlivá míra citlivosti se běžně vyjadřuje křivkou A, pomocí níž se decibely (dB) převádí na vážené decibely (dBA). Jednotka dB vyjadřuje intenzitu zvukové vlny a dBA udává přibližnou vnímanou hlasitost téže vlny.
Od zavedení křivky A se vědcům podařilo popsat řadu dalších křivek, které mají stejnou hlasitost a věrně zachycují komplexnost našeho sluchového ústrojí. V uvedeném grafu zní jakékoli dva body na jedné zvukové křivce stejně hlasitě, přičemž každá křivka je přibližně dvakrát hlasitější než ta pod ní. Pokud by naše uši fungovaly stejně jako mikrofony, všechny křivky by v grafu měly podobu vodorovných čar se stejnými rozestupy.
V grafu se také objevuje jednotka hlasitosti son, která slouží ke stejnému účelu jako dBA. Je jen o něco intuitivnější a propracovanější. Sony vyjadřují vnímanou hlasitost na principu přímé úměrnosti (2× hlasitější = 2× víc sonů), princip výpočtu dBA oproti tomu moc intuitivní není (2× hlasitější = +10 dB).
Kvalita zvuku
Často je to právě kvalita zvuku (a nikoli jeho hlasitost), podle níž mozek rozlišuje zvuky příjemné a nepříjemné. Třeba pronikavé pištění komára je relativně tiché, ale vnímáme ho jako velmi nepříjemné; klestí si cestu přes ostatní zvuky a upoutává naši pozornost. Odborníci tento typ zvuku označují jako tonální. Mozek je ale schopný rozlišovat celou řadu dalších zvukových vzorců a třídit je do různých kategorií, jako je například chrastění, pištění, skřípání, ječení, hučení a jiné.
Velké množství těchto interpretací lze kvantifikovat na základě dat z mikrofonu pomocí metrik charakterizujících kvalitu zvuku, jako jsou tonalita, ostrost, drsnost, poměr prominence, síla fluktuace a artikulační index. Pomocí těchto metrik můžeme odhadnout, do jaké míry budete s nějakým produktem spokojeni, přičemž do hry vstupuje i dojem z kvality provedení a funkcí daného produktu.
Zajímavé například je, kolik času a péče věnují konstruktéři kvalitě zvuku při zavírání dveří auta. Tento zvuk sice není pro funkčnost auta zásadní, ale má výrazný vliv na první dojem, který si o spolehlivosti a odolnosti daného modelu uděláte.
Psychoakustika elektrokol
Jak tohle všechno souvisí s koly? V rámci několikaletého průkopnického výzkumu psychoakustiky kol jsme v laboratoři Trek Performance Research zjistili, že kvalita zvuku kola má velký dopad na zážitek z jízdy a je častokrát důležitější než samotná hlasitost. U horských elektrokol jsme se zaměřili na dvě metriky kvality zvuku: tonalitu a artikulační index.
Tonalita
Elektromotory obvykle vydávají pronikavé tóny, které mohou být velmi nepříjemné. Představte si třeba komára. Jeho bzučení se vám zarývá do uší stejně jako pískání motoru elektrokola.
Tonalita (konkrétně tedy HMS tonalita) se řadí mezi moderní metriky používané při měření kvality zvuku. Využívá pokročilých algoritmů, které dokáží věrně zachytit, jak nepříjemné zvuky vnímá lidské ucho. Myslíme si, že tonalita je klíčovou metrikou pro zážitek z jízdy na elektrokole.
Při výpočtu HMS tonality využíváme soustavu 14 složitých algoritmů, s jejichž pomocí modelujeme, jak naše uši a mozek vnímají nepříjemné tóny (dle normy ECMA-74:2019).
Artikulační index
Při ježdění s rodinou a přáteli se na celkovém zážitku z jízdy výraznou měrou podílí také možnost si popovídat, vzájemně se něco nového naučit a sdílet informace o projížděných trailech. Komunikaci v terénu ale ztěžují a někdy i znemožňují různé zvuky. Patří mezi ně i hluk elektromotoru. Artikulační index je zvuková metrika, která udává, kolik toho správně uslyšíme. Můžeme díky ní snadno zjistit, jak hluk kazí zážitek ze společného ježdění.
Další informace o artikulačním indexuKnow-how a speciální pomůcky
Psychoakustika je v cyklistickém odvětví novinkou, ale svými poznatky může výrazně přispět k lepším zážitkům z jízdy. Proto jsme také vyvinuli zařízení a vědeckou metodiku na měření psychoakustických veličin u kol. Chceme totiž zážitek z jízdy na kolech Trek neustále vylepšovat. V kombinaci s naším osvědčeným know-how v oblasti vibrací teď můžeme kola navrhovat i podle toho, jak se na nich jezdec bude cítit a jak je bude slyšet.
V laboratoři s Madone IsoSpeedPsychoakustika TQ HPR50
Motor TQ HPR50 nastavuje úplně novou laťku pro to, jak tiše a příjemně může elektrokolo znít. Tuto skutečnost lze doložit propracovanými metodami testování psychoakustiky, které jsme vyvinuli společně s prototypy Fuel EXe. Testování bylo završeno zkouškou koncového modelu v nejřízenějším prostoru pro posuzování zvukové hladiny: v bezodrazové komoře.
Vzali jsme kolo s motorem TQ HPR50 do bezodrazové komory a porovnali ho tam s klasickým bezmotorovým kolem, oblíbeným horským elektrokolem a oblíbeným e-MTB s vysokým výkonem. Testovali jsme je za různých podmínek na akusticky izolovaném trenažéru. Při dvoudenním testování jsme nasbírali 225 milionů datových bodů. Díky 21 mikrofonům a snímači frekvence šlapání jsme mohli zvukovou frekvenci dát do souvislosti s otáčkami motoru.
U každého kola jsme analyzovali tonalitu, hlasitost, sílu zvuku a artikulační index při 40–100 otáčkách za minutu, celkovém výkonu 300 W a ve dvou nejvýkonnějších režimech podpory. Všechny grafy vychází z údajů zaznamenaných mikrofonem B&K 4966-H-041, který byl umístěn ve vzdálenosti 1 m od kola z boku a 1,7 m od země (ve výši hlavy, modrý kroužek).
„Kolo s motorem HPR50 vydává 4–5× příjemnější zvuk než ostatní oblíbená horská elektrokola.“
Grafy vás neberou? Poslechněte si tedy ukázky z bezodrazové komory!
Přesvědčte se samiNepřerušované čáry znázorňují nejvyšší úroveň podpory, ty přerušované pak druhou nejvyšší. Tonalita vypočtená v souladu s normou ECMA-74:2019.
Hlasitost TQ HPR50
Na zážitek z jízdy na elektrokole má sice největší vliv tonalita, ale my jsme radši změřili i hlasitost. Uvedené grafy znázorňují hlasitost v dBA a sonech. Na základě vybrané kombinace kol a metrik jsou kola s motorem HPR50 1,5 až 1,8krát tišší než ostatní elektrokola a nejvíce se přibližují kolům bez motoru.
Síla zvuku TQ HPR50
Hlasitost je hlavní metrikou akustiky. Závisí však na umístění mikrofonu a jeho vzdálenosti od zdroje zvuku. My jsme ho umístili tak, aby zachycoval zvuk v úrovni uší jezdce nebo jeho spolujezdce, neboť toto místo je nejdůležitější.
Zašli jsme ale ještě dál a změřili i sílu zvuku pomocí řady 12 mikrofonů umístěných v polokouli, s jejichž pomocí jsme hodnotili celkovou zvukovou energii vydávanou testovaným kolem do všech směrů. Síla zvuku tedy představuje, jak kolo působí na posluchače v libovolném místě v blízkosti kola.
Z grafu lze vyčíst, že hodnoty síly zvuku se přibližují k hodnotám hlasitosti naměřeným v blízkosti hlavy jezdce pomocí jednoho mikrofonu. To potvrzuje výsledky obou měření i zvolené umístění mikrofonu u hlavy.
Artikulační index TQ HPR50
Už jsme si řekli, že hlučnost kola může při jízdě narušovat komunikaci s ostatními. Artikulační index udává množství řečových podnětů, které lze zaslechnout při určité hladině hluku. Jak už jsme zmínili, kola s motorem HPR50 mají zvukově mnohem blíž k bezmotorovým kolům a nijak vás tedy neruší při komunikaci s ostatními cyklisty.
Testy v terénu
Tento článek pojednává o testech v řízeném prostředí bezodrazové komory, ale vše jsme si pomocí akustického testovacího vybavení ověřili i v praxi. Z výsledků terénního měření vyplývá, že HPR50 má skutečně 3 až 5krát nižší tonalitu a 1,5 až 1,8krát nižší hlasitost než jiná horská elektrokola.
Analýza na barevné mapě
Velmi účinnou metodou je barevné mapování hlasitosti na stupnici kadence a zvukové frekvence. Na barevných mapách výše představuje každá čára tón, jehož frekvence (výška) se zvyšuje spolu s kadencí. Jedná se o tóny, které vystupují z okolí a vnímáme je jako nepříjemné.
Jednotlivé šikmé čáry představují otáčející se komponent motoru, jehož převodový poměr a počet zubů/magnetů odpovídá sklonu čáry. Je patrné, že běžné převodovky elektrokol mají řadu pohybujících se dílů, které vydávají spoustu tónů. Válečková harmonická převodovka kola Fuel EXe vydává jediný tón, který je mnohem tišší.