I tipici motori delle bici elettriche trasferiscono la potenza alla guarnitura attraverso un insieme di ingranaggi, alberi, cinghie e/o pulegge. Il rapido movimento di molte parti che si ingranano tra loro aumentano la possibilità di produrre rumori acuti e sgradevoli.
Al contrario, il motore "ping ring" (ad anello armonico) TQ HPR50 presenta una sola interfaccia a ingranaggi in cui il carico viene costantemente e silenziosamente ripartito su molti denti.
Pedaliamo con tutti i nostri sensi e il suono della bici ha un impatto sorprendente sulla nostra esperienza di guida. Finora, l'assistenza alla pedalata ha comportato un impatto acustico con cui abbiamo tutti imparato a convivere: il rumore della e-bike.
Questo, fino all'arrivo del motore TQ HPR50.
In questo articolo, ti accompagneremo in un percorso su base scientifica in merito all'acustica della bicicletta. Si tratta di una categoria di caratteristiche completamente nuova per il mondo delle biciclette, ma che ha un'importanza molto superiore a quanto pensi.
Alla fine, dimostreremo che il motore TQ HPR50 genera un "suono" 5 volte più piacevole e 1,8 volte inferiore rispetto al motore di altre note e-MTB. In effetti, il motore TQ genera un rumore molto più vicino a quello di una bici tradizionale senza pedalata assistita, rispettando l'effetto che dovrebbe comunicare una pedalata.
Scettico? Prima di entrare nei dettagli, ascoltiamo alcuni campioni di suono prodotti sul trail da un motore TQ rispetto quelli prodotti dai motori di due note e-MTB. Finalmente una e-bike piacevole anche per le orecchie!
Le tue fantastiche orecchie
L'udito è forse il senso più potente e l'uso dei microfoni in grado di ottenere un risultato simile al tuo udito richiede delle competenze piuttosto estreme.
Le nostre orecchie possono percepire pressioni sonore che vanno da 20 a oltre 100.000.000 micropascal: un intervallo davvero enorme. È come avere un unico righello in grado di misurare qualsiasi cosa, dallo spessore di un foglio di carta all'altezza di un edificio di 100 piani! Per tenere conto di una gamma così vasta, in genere il suono viene inquadrato nella scala logaritmica dei decibel (dB).
Le nostre orecchie riescono a percepire frequenze sonore comprese tra 20 e 20.000Hz, un intervallo molto ampio. La singola onda di pressione che raggiunge l'orecchio contiene una combinazione di tutte queste frequenze provenienti dalle varie sorgenti sonore circostanti. La coclea a spirale dell'orecchio scompone questa onda di pressione combinata nelle singole componenti di frequenza e le codifica come segnali nervosi. Le tue orecchie sono dei sensori sonori davvero potenti e affascinanti!
Sensori sonori affascinantiPsicoacustica
I segnali nervosi delle orecchie vengono interpretati da quel supercomputer di analisi acustica che è il cervello. Immagina la potenza di elaborazione e la precisione quasi miracolosa richieste per separare e individuare la posizione tridimensionale di varie sorgenti sonore in tempo reale (la cosiddetta localizzazione sonora). Il cervello analizza ulteriormente la composizione di tutti questi suoni e assegna loro dei significati, delle emozioni e delle associazioni.
La psicoacustica studia come il sistema orecchio-cervello percepisce e interpreta il suono. Per convertire i dati grezzi di un microfono nel modo in cui vengono percepiti i suoni in termini sia di quantità (intensità del suono) che di qualità sono state sviluppate varie metriche psicoacustiche.
Intensità del suono percepita
La sensibilità uditiva varia notevolmente al variare dell'intervallo di frequenza. Ad esempio, un'onda sonora di 75dB a 1.000 Hz viene percepita a un livello molto più forte rispetto a un'onda sonora di 75dB a 100 Hz. Un modo comune per tenere conto di questa sensibilità variabile consiste nell'applicare una curva di ponderazione A per convertire i decibel (dB) in decibel ponderati A (dBA). Il dB definisce la grandezza fisica dell'onda sonora, mentre dBA approssima l'intensità del suono percepita di quella stessa onda.
Dopo lo sviluppo della curva di ponderazione A singola, gli scienziati hanno mappato una serie più completa di "diagrammi isofonici" che descrivono più a fondo la complessità delle nostre orecchie. In questo grafico, due punti qualsiasi lungo una data linea hanno lo stesso volume; ogni curva è circa il doppio del volume della curva sottostante. Se le nostre orecchie funzionassero come microfoni, tutte queste curve sarebbero semplicemente linee orizzontali equidistanti.
Questa tabella introduce anche una metrica di Intensità del suono, detta "sones", che ha lo stesso scopo del dBA ma che è più sofisticata e intuitiva. I sones sono direttamente proporzionali all'intensità del suono percepita (2x intensità del suono = 2x sones), mentre i dBA sono meno semplici da comprendere (2x intensità del suono = 10 dB in più).
Qualità del suono
Spesso è la qualità di un suono, piuttosto che la sua intensità, a determinare nel cervello la distinzione tra suoni gradevoli e suoni sgradevoli. Ad esempio, il suono acuto prodotto da una zanzara ha un livello relativamente basso, ma è piuttosto sgradevole in quanto sovrasta i rumori di fondo attirando l'attenzione. Gli ingegneri descrivono questo particolare tipo di suono come "tonale". Tuttavia, il nostro cervello può interpretare molti altri modelli sonori, classificandoli come tintinnii, stridii, scricchiolii, rombi e così via.
Molte di queste interpretazioni possono essere quantificate dai dati catturati da un microfono utilizzando metriche di qualità quali tonalità, nitidezza, ruvidezza, prominenza, fluttuazione e articolazione. Queste metriche possono essere alla base di un'esperienza d'uso divertente di un prodotto, abbinandosi alla percezione personale legata alla qualità e all'interpretazione.
Un esempio interessante di attività legata alla qualità del suono è rappresentato dal notevole sforzo ingegneristico profuso per ottenere il suono della portiera che si chiude di un'auto. Questo suono è secondario rispetto alla funzione principale dell'auto, ma influenza notevolmente l'impressione iniziale di robustezza e affidabilità.
Psicoacustica delle e-bike
Quindi, come si collega tutto questo alle biciclette?! Nel corso di diversi anni di studio della psicoacustica delle biciclette, i laboratori Performance Research di Trek hanno scoperto che la qualità del suono prodotto da una bicicletta, spesso anche più dell'intensità, ha un grande impatto sulla gradevolezza dell'esperienza di guida. Per le e-MTB, ci siamo concentrati su due parametri di qualità del suono: tonalità e indice di articolazione.
Tonalità
I motori elettrici tendono a produrre toni acuti che possono essere particolarmente sgradevoli per l'udito. Proprio come nell'esempio della zanzara, il rumore del motore di una bici elettrica permane fastidiosamente in sottofondo catturando la nostra attenzione.
La tonalità (in particolare la Tonality HMS) è una moderna metrica della qualità del suono che utilizza una serie di algoritmi avanzati per modellare accuratamente la percezione umana di questo tipo di toni. Riteniamo che la tonalità sia un nuovo parametro fondamentale per definire l'esperienza dei ciclisti in sella a una e-bike.
Il calcolo Tonality HMS utilizza una complessa sequenza di 14 algoritmi per modellare la percezione del sistema orecchio-cervello dei toni fastidiosi (dallo standard ECMA-74:2019)
Indice di articolazione
Uno degli aspetti più importanti quando si pedala con amici e familiari è la possibilità di chiacchierare, condividere nuove competenze e scambiare informazioni per percorrere nuovi trail. Ma vari suoni presenti nell'ambiente, tra cui quello del motore della bici elettrica, possono impedirti di sentire cosa dicono gli altri. L'indice di articolazione è un parametro di qualità del suono che prevede la percentuale di parlato udibile. Si tratta di un buon indicatore che descrive come i suoni possano compromettere l'esperienza di guida di gruppo.
Scopri l'indice di articolazioneStrumenti e conoscenze
La psicoacustica è una scienza nuova e stimolante applicata al ciclismo. Essa può fare una grande differenza in termini di esperienza di guida. Lo sviluppo di strumenti e conoscenze psicoacustiche legati alle biciclette da parte di Trek riflette l'impegno della società per migliorare l'esperienza di guida attraverso la scienza. Le consolidate competenze e le capacità acquisite in materia di vibrazioni permettono oggi a Trek Engineering di misurare, comprendere e delineare tutto ciò che viene percepito e udito quando si è in sella.
Madone e IsoSpeed in laboratorioPsicoacustica TQ HPR50
Il motore TQ HPR50 produce un suono attenuato e piacevole. Questo lo possiamo dimostrare grazie alle tecniche avanzate di test e analisi psicoacustica sviluppate durante la fase di prototipazione della bicicletta. La parte più significativa di questi test è stata il collaudo finale di una bici di produzione nell'ambiente acustico più controllato possibile: una camera anecoica.
Nella camera anecoica, abbiamo messo a confronto in un'ampia gamma di condizioni utilizzando dei rulli da allenamento personalizzati e insonorizzati per testare il motore TQ HPR50, una bicicletta muscolare tradizionale, una e-MTB con pedalata assistita particolarmente diffusa e una popolare e-MTB ad alta potenza. Nel corso di due giorni, abbiamo raccolto 225 milioni di punti dati utilizzando 21 microfoni e un sensore di cadenza. Tali dati ci hanno consentito di mettere in relazione la frequenza del suono con la velocità del motore.
In questi test abbiamo analizzato la tonalità, l'intensità, la potenza sonora e l'indice di articolazione delle bici su un intervallo di cadenza di 40-100 giri/min, a una potenza totale di 300W e nei due livelli più elevati di assistenza del motore. Tutti i grafici si basano su microfoni B&K 4966-H-041 posizionati a 1m a lato della bicicletta e a 1,7m in verticale dal pavimento (all'altezza della testa, cerchiato in blu).
"Il suono prodotto dal motore HPR50 fino è 4-5 volte più piacevole rispetto a quello prodotto dal motore di altre note e-MTB"
Non sei un grande fan dei grafici? Ascolta di persona cosa succede all'interno della camera anecoica!
Ascolta un po'Le linee continue rappresentano il livello di assistenza più elevato mentre le linee tratteggiate rappresentano la seconda modalità di assistenza più elevata. Tonalità calcolata secondo lo standard ECMA-74:2019.
Intensità del suono TQ HPR50
Sebbene la tonalità descriva meglio l'esperienza di guida di una e-bike, non abbiamo dimenticato l'intensità del suono. I seguenti grafici mostrano l'intensità del suono percepita sia in dBA che in sones. A seconda della combinazione di bici e di metriche, il motore HPR50 è 1,5–1,8 volte più silenzioso rispetto a quello di altre e-bike e il suono generato è più paragonabile a quello di una bici senza assistenza.
Potenza sonora TQ HPR50
L'intensità del suono è una metrica acustica fondamentale, ma dipende dalla direzione e dalla distanza del microfono rispetto alla sorgente sonora. La posizione del nostro microfono è stata scelta per rappresentare al meglio il suono percepito dell'orecchio del rider o del compagno di avventura. Queste, infatti, sono le posizioni che contano di più.
Tuttavia, abbiamo anche fatto un ulteriore passo per misurare la potenza sonora. Questa misura prevede una configurazione emisferica di 12 microfoni che permettono di quantificare l'energia sonora totale emessa dalla bici in tutte le direzioni. In altre parole, la potenza sonora rappresenta la relazione tra bici e ascoltatori in qualsiasi punto attorno alla bici.
Come possiamo vedere nel grafico, in prossimità della testa del ciclista la potenza sonora è molto simile all'intensità del suono. Ciò convalida sia i nostri risultati in termini di intensità del suono sia la posizione scelta per le nostre misure rilevate con un microfono singolo.
Indice di articolazione TQ HPR50
Come già detto in precedenza, il rumore della bicicletta quando sei in sella può impedirti di parlare con chi ti sta vicino. L'indice di articolazione prevede la quantità di segnali vocali udibili sopra un dato rumore. Ancora una volta, il suono prodotto dal motore HPR50 è molto più vicino a quello di una bici tradizionale piuttosto che a quello di altre bici elettriche e non intralcia le conversazioni quando sei sul trail.
Prove sul campo
Sebbene questo articolo si concentri sui test in eseguiti in una camera anecoica altamente controllata, abbiamo deciso di portare la nostra attrezzatura per test acustici anche sul trail in modo da avere una conferma definitiva. I risultati ottenuti sul trail concordano: il motore HPR50 genera una tonalità 3-5 volte inferiore e un'intensità del suono 1,5-1,8 volte più contenuta rispetto ai motori di altre e-MTB.
Analisi della mappa a colori
Una tecnica di analisi molto potente consiste nel mappare l'intensità del suono sotto forma di colore su una scala che tiene conto sia della cadenza che della frequenza dei segnali. Nelle mappe a colori riportate sopra, ogni linea diagonale rappresenta un tono la cui frequenza aumenta con la cadenza: questi sono i toni che penetrano i rumori di fondo e attirano l'attenzione per la loro sgradevolezza.
Ognuna di queste linee diagonali corrisponde a un componente fisico in rotazione all'interno del motore: il rapporto di trasmissione e il numero di denti/magneti è riferito alla pendenza della linea. Chiaramente, le tradizionali trasmissioni per e-bike hanno molte parti mobili che creano altrettanti toni, mentre il motore TQ HPR50 crea un unico tono molto più attenuato.