Tyypilliset sähköpyörän moottorit siirtävät moottorin tehon moottorista kammille hammaspyörien, akselien, hihnojen ja/tai hihnapyörien avulla. Runsaasti erilaisia toisiinsa vaikuttavia ja nopeasti liikkuvia osia tarkoittaa runsaasti mahdollisuuksia epämiellyttävien, korkeiden äänteen syntymiseen.
Toisin kuin tyypillisissä sähköpyörän moottoreissa TQ HPR50:n Harmonic Pin Ring -moottorissa on vain yksi rattaiden yhtymäpinta, jossa kuorma jakautuu aina hiljaisesti useille hampaille.
Ajaessa käytämme kaikkia aistejamme ja sillä, miltä pyöräsi kuulostaa, on yllättävä vaikutus ajokokemukseesi. Tähän asti sähköpyörän avustuksen mukanaan tuomana haittana on ollut akustinen melu, jonka kanssa on vain täytynyt oppia elämään.
Mutta ei enää, kiitos TQ HPR50:n.
Tässä artikkelissa viemme sinut tieteelliselle matkalle polkupyörien akustiikkaan. Se on aivan uusi polkupyörien suorituskyvyn mittari, jolla on sinulle todennäköisesti enemmän merkitystä kuin kuvitteletkaan.
Lopuksi osoitamme, että TQ HPR50 kuulostaa muita suosittuja sähkömaastopyöriä 5 kertaa miellyttävämmältä ja 1,8 kertaa hiljaisemmalta. Itse asiassa TQ-moottori kuulostaa paljon enemmän perinteiseltä pyörältä, jossa ei ole sähköavustusta, ja se vie sinut takaisin pyöräilyn alkuperäisen olemuksen pariin.
Etkö usko? Ennen kuin siirrymme yksityiskohtiin, kuunnellaan muutamia ääninäytteitä siitä, miltä TQ-moottori kuulostaa kahteen suosittuun sähkömaastopyörään verrattuna ulkona polulla ajettaessa. Lopultakin meillä on sähköpyörä, joka miellyttää korvia!
Mahtavat korvat
Kuulo on kenties ihmisen tehokkain aisti. Sen vuoksi vaaditaankin melko äärimmäisiä ponnistuksia tieteeltä, jotta mikrofoneja käyttämällä saadaan luotua kuulokykyä vastaava ilmiö.
Korvat pystyvät havaitsemaan äänenpaineen amplitudeja aina 20:stä yli 100 000 000 mikropascaliin – kyseessä on aivan valtava vaihtelualue. Kuvittele, että sinulla olisi yksi viivoitin, jolla voisit mitata mitä tahansa aina paperiarkin paksuudesta 100-kerroksisen rakennuksen korkeuteen saakka! Voidaksemme huomioida tämän valtavan vaihteluvälin puhumme äänestä yleensä logaritmisella desibeliasteikolla (dB).
Korvat voivat lisäksi havaita äänitaajuuksia aina 20 Hz:stä 20 000 Hz:iin – toinen valtava vaihtelualue. Yksittäinen korvaan saapuva paineaalto sisältää yhdistelmän kaikkia näitä taajuuksia kaikista ympärilläsi olevista äänilähteistä. Korvan spiraalimainen simpukka erottelee yhtenäisen paineaallon takaisin yksittäisiin taajuuksiin ja muuntaa ne hermosignaaleiksi. Korvat ovatkin todella tehokkaat ja kiehtovat äänianturit!
Kiehtovat äänianturitPsykoakustiikka
Korvista lähtevät hermosignaalit siirtyvät tulkittaviksi akustisen analyysin supertietokoneeseen eli aivoihin. Voit vain kuvitella, millaista prosessointitehoa ja -tarkkuutta vaaditaan useiden äänilähteiden kolmiulotteisen sijainnin reaaliaikaiseen erottamiseen ja paikantamiseen (eli äänen lokalisointiin). Aivot analysoivat näiden kaikkien äänien kuvioita ja antavat niille merkityksiä, tunteita ja mielleyhtymiä.
Psykoakustiikka tutkii sitä, miten korvien ja aivojen välinen järjestelmä aistii ja tulkitsee ääntä. Psykoakustiikan mittaamiseen on kehitetty erilaisia menetelmiä, joilla raakaa mikrofonidataa saadaan muunnettua muotoon, joka vastaa sitä, miten ihminen havaitsee äänen määrää (äänekkyyttä) ja laatua.
Havaittu äänekkyys
Kuulon herkkyys vaihtelee suuresti eri taajuusalueilla. Esimerkiksi 75 dB:n ääniaalto 1 000 Hz:n taajuudella kuulostaa paljon voimakkaammalta kuin 75 dB:n ääniaalto 100 Hz:n taajuudella. Herkkyyden vaihtelu huomioidaan tavallisesti A-painotuskäyrällä, jossa desibelit (dB) muutetaan A-painotetuiksi desibeleiksi (dBA). dB määrittää ääniaallon fysikaalisen suureen, kun taas dBA ilmaisee kyseisen aallon likimääräisen havaitun äänekkyyden.
Yksittäisen A-painotetun käyrän kehittämisen jälkeen tutkijat ovat kyenneet määrittelemään entistä täydellisemmän sarjan ”yhtäläisen äänekkyyden ääriviivoja”, jotka kuvaavat paremmin korvien monimutkaisuutta. Kyseisessä kuvaajassa mitkä tahansa kaksi pistettä tietyllä käyrällä kuulostavat yhtä voimakkailta ja jokainen käyrä on suunnilleen kaksi kertaa niin voimakas kuin sen alapuolella oleva käyrä. Jos korvat toimisivat samalla tavoin kuin mikrofonit, kaikki käyrät olisivat vaakasuoria viivoja tasaisin välein.
Tässä kuvaajassa näkyy myös äänekkyyden yksikkö sooni, jota käytetään samaan tarkoitukseen kuin dBA:ta, mutta joka on kehittyneempi ja intuitiivisempi. Soonit skaalautuvat suoraan koetun äänekkyyden mukaan (2-kertainen äänekkyys = 2-kertainen sooniarvo), kun taas dBA on melko epäintuitiivinen (2-kertainen äänekkyys = 10 dB:tä enemmän).
Äänenlaatu
Usein äänen laatu, eikä niinkään sen voimakkuus, määrittää sen, miten aivot erottelevat hyvät ja pahat äänet. Esimerkiksi hyttysen ininän korkea ääni on suhteellisen hiljainen, mutta se on myös varsin epämiellyttävä ja kiinnittää huomiota tunkeutumalla taustamelun läpi. Insinöörit kuvaavat tätä äänen erityistyyppiä ”tonaaliseksi”. Aivomme voivat kuitenkin tulkita ja jakaa monia muitakin äänikuvioita eri luokkiin, ja näin ollen erotamme erilaisia ääniä, kuten helinä, kiljunta, narina, pirahdus, jyrinä ja monet muut.
Useat näistä tulkinnoista voidaan kvantifioida mikrofonidatasta äänenlaadun mittareilla, joita ovat mm. tonaalisuus, terävyys, karheus, prominenssisuhde, vaihteluvoimakkuus ja artikulaatioindeksi. Näillä mittareilla voidaan ennustaa, kuinka paljon ihmiset nauttivat jonkin tuotteen käyttämisestä sekä millaisen vaikutelman he saavat sen valmistuslaadusta ja suorituskyvystä.
Mielenkiintoinen esimerkki äänenlaadusta on auton oven sulkemisääni, jonka suunnitteluun on panostettu huomattavasti. Kyseinen ääni on toissijainen auton ydintoiminnon kannalta, mutta se vaikuttaa suuresti ensivaikutelmaamme auton kestävyydestä ja luotettavuudesta.
Sähköpyörien psykoakustiikka
Miten tämä kaikki sitten liittyy pyöriin?! Pyörien psykoakustiikan parissa tehdyn, useiden vuosien uraauurtavan tutkimustyön aikana Trekin Performance Research -keskus on havainnut, että pyörän äänenlaadulla – usein enemmän kuin äänekkyydellä – on suuri vaikutus siihen, miten paljon pyörällä ajosta nautitaan. Sähkömaastopyörien osalta olemme keskittyneet kahteen äänenlaadun mittariin: tonaalisuuteen ja artikulaatioindeksiin.
Tonaalisuus
Sähkömoottorit tuottavat usein korkeita ääniä, jotka voidaan kokea erityisen epämiellyttäviksi. Aivan kuten hyttysen ininä, myös sähköpyörän moottorin ääni kuuluu taustamelun läpi ja herättää huomiosi.
Tonaalisuus (erityisesti Tonality HMS) on nykyaikainen äänenlaadun mittari, jossa käytetään erilaisia kehittyneitä algoritmeja mallintamaan tarkasti sitä, kuinka ihminen havaitsee tällaiset epämiellyttävät äänet. Me uskomme, että tonaalisuus on uusi keskeinen mittari halutessamme ymmärtää, kuinka ajajat kokevat sähköpyörällä ajon.
Tonaalisuuden HMS -laskelma käyttää monimutkaista 14 algoritmin jonoa, jolla mallinnetaan sitä, kuinka korvien ja aivojen välinen järjestelmä havaitsee ärsyttäviä ääniä (standardista ECMA-74:2019)
Artikulaatioindeksi
Iso osa pyöräilyä yhdessä ystävien ja perheen kanssa on mahdollisuus keskustella, opettaa toisille uusia taitoja ja opastaa toinen toistamme uusilla poluilla. Mutta erilaiset äänet, kuten sähköpyörän moottori, voivat estää sinua kuulemasta, mitä muut puhuvat. Artikulaatioindeksi on äänenlaadun mittari, joka ennustaa, kuinka suuri osa puheesta on kuultavissa, ja se on hyvä indikaattori siitä, kuinka äänet voivat haitata ryhmäajokokemusta.
Lue lisää artikulaatioindeksistäTyökalut ja tieto
Psykoakustiikka on uusi haastava pyöräilyn tieteenhaara, jolla voi olla suuri vaikutus ajokokemukseen. Trekin kehittämät polkupyörien psykoakustiikkaa mittaavat työkalut ja psykoakustiikasta hankkima tietämys kertovat Trekin sitoutumisesta ajokokemuksen parantamiseen tieteen avulla. Kun psykoakustiikka yhdistetään asiantuntemukseen ja kykyyn mitata tehokkaasti värähdyksiä, Trekin insinöörit voivat nyt mitata, ymmärtää ja suunnitella entistä paremmin kaiken, mitä ajajat pyörän selässä tuntevat ja kuulevat.
Laboratoriossa Madone IsoSpeedin kanssaTQ HPR50:n psykoakustiikka
TQ HPR50 mullistaa sen, miten hiljaiselta ja miellyttävältä sähköpyörä voi kuulostaa. Voimme havainnollistaa tätä tosiasiaa edistyneillä psykoakustisilla testeillä ja analyysimenetelmillä, jotka kehitettiin pyörän prototyyppivaiheen aikana. Testaus huipentui tuotantopyörän lopulliseen vertailuun, joka tehtiin hallituimmassa mahdollisessa ääniympäristössä: kaiuttomassa kammiossa.
Vertasimme kaiuttomassa kammiossa tehdyissä testeissä TQ HPR50:tä perinteiseen pyörään, jossa ei ole sähköavustusta, suosittuun kevyesti avustettuun sähkömaastopyörään ja suosittuun suuritehoiseen sähkömaastopyörään useissa erilaisissa olosuhteissa käyttäen räätälöityä äänieristettyä harjoitusvastusta. Kahden päivän aikana keräsimme yhteensä 225 miljoonaa datapistettä 21 mikrofonin ja kadenssisensorin avulla, jotka mahdollistivat äänen taajuuden ja moottorin nopeuden suhteuttamisen toisiinsa.
Näissä testeissä analysoimme pyörien tonaliteettia, äänekkyyttä, äänitehoa ja artikulaatioindeksiä 40–100 rpm:n kadenssialueella, 300 W:n kokonaisteholla ja kahdella korkeimmalla moottorin avustustasolla. Kaikki kaaviot perustuvat B&K 4966-H-041 -mikrofoniin, joka on sijoitettu 1 metrin etäisyydelle pyörästä sivusuunnassa ja 1,7 metrin etäisyydelle lattiasta pystysuunnassa (pään korkeudella, ympyröity sinisellä).
”HPR50-moottorilla varustettu pyörä kuulostaa 4–5 kertaa miellyttävämmältä kuin muut suositut sähkömaastopyörät”
Etkö ole kaavioiden ystävä? Kuuntele itse kaiuttoman kammion sisällä tallennettuja ääniä!
Kuuntele itseYhtenäiset viivat kuvaavat suurinta sähköavustustilaa ja katkoviivat toiseksi suurinta sähköavustustilaa. Tonaalisuus on laskettu standardin ECMA-74:2019 mukaan.
TQ HPR50:n äänekkyys
Vaikka sähköpyörän ajokokemukseen vaikuttaa selvimmin tonaalisuus, emme unohtaneet testeissä myöskään äänekkyyttä. Seuraavat kaaviot esittävät havaitun äänekkyyden sekä dBA:na että sooneina. Riippuen siitä, mitä pyörien ja mittareiden yhdistelmää tarkastellaan, HPR50 on 1,5–1,8 kertaa muita sähköpyöriä hiljaisempi ja parhaiten verrattavissa pyöriin, joissa ei ole sähköavustusta.
TQ HPR50:n ääniteho
Äänekkyys on tärkeä akustiikan mittari, mutta se riippuu mikrofonille valitusta etäisyydestä ja suunnasta äänilähteeseen nähden. Testissä mikrofoni sijoitettiin paikkaan, joka vastaa ajajan tai ajokumppanin korviin tulevaa ääntä, koska kyseisellä sijainnilla on eniten merkitystä.
Lisäksi mittasimme myös äänitehon. Käytimme puolipallon muotoon asetettua 12 mikrofonin ryhmää määrittääksemme pyörän kaikkiin suuntiin lähettämän kokonaisäänienergian. Toisin sanoen ääniteho havainnollistaa sitä, miten kuuntelijat kokevat testatut pyörät kunkin pyörän ympärillä olevissa kohdissa.
Kuten voimme kuvaajasta nähdä, ääniteho on hyvin samankaltainen kuin äänekkyys lähellä kuljettajan päätä. Tämä vahvistaa sekä äänekkyystuloksemme että valitsemamme sijaintipaikan yhden mikrofonin mittauksille.
TQ HPR50:n artikulaatioindeksi
Kuten aiemmin jo totesimme, polkupyörän ääni voi häiritä kykyäsi keskustella muiden kanssa ajon aikana. Artikulaatioindeksi ennustaa, kuinka paljon viitteitä puheesta voidaan kuulla tietyn melun yli. Jälleen nähdään, että HPR50 on paljon lähempänä perinteistä pyörää kuin muut sähköpyörät, eikä se häiritse keskustelua polulla ajaessasi.
Kenttätestit
Vaikka tämä artikkeli keskittyy testeihin, jotka on suoritettu erittäin tarkkaan säädellyssä kaiuttomassa kammiossa, veimme akustisen testilaitteistomme myös maastopoluille vahvistaaksemme tulokset. Maastossa saadut tulokset vahvistivat sen, että HPR50:n arvot olivat noin 3–5 kertaa matalammat tonaalisuuden suhteen ja 1,5–1,8 kertaa matalammat äänekkyyden suhteen muihin sähkömaastopyöriin verrattuna.
Värikartta-analyysi
Eräs erittäin tehokas analyysimenetelmä on kuvata äänekkyyttä väreinä sekä kadenssin että äänentaajuuden suhteen. Seuraavissa värikartoissa jokainen vino viiva edustaa ääntä, jonka taajuus (korkeus) kasvaa kadenssin mukaan. Nämä ovat niitä ääniä, jotka läpäisevät taustamelun ja kiinnittävät ihmisen huomion epämiellyttävinä.
Jokainen vinoviiva vastaa yhtä moottorin sisällä olevaa fyysistä, pyörivää komponenttia. Moottorin välityssuhde ja hampaiden/magneettien lukumäärä ovat suhteessa viivan kaltevuuteen. Perinteisissä sähköpyörien moottorien vaihteistoissa on paljon liikkuvia osia, jotka synnyttävät paljon ääniä. Sen sijaan TQ HPR50 -moottorin harmonic pin ring -vaihteisto synnyttää vain yhden, paljon hiljaisemman äänen.