人耳可以检测从20到超过100,000,000微帕斯卡的声压幅度——一个绝对巨大的范围。这就像有一把尺子，既能测量一张纸的厚度，也能测量100层楼高的建筑！为了适应这个巨大的范围，我们通常使用分贝（dB）的对数刻度来描述声音。
电助力自行车电机噪音的降低与自行车声学科学
在本文中，我们将带您探索自行车声学的科学世界。这是一种全新的自行车性能指标，可能比您想象的更为重要。我们对第一款配备 TQ 的电动自行车 Fuel EXe HPR50 进行了全面的声学测试。在这里，我们真正深入研究了如何量化电动自行车的声音感知。
最终，我们发现 TQ HPR50 的声音比其他热门电动山地车悦耳 5 倍，安静 1.8 倍。事实上，我们能够证明，TQ 电机的声音更接近传统的无助力自行车，而不是电动山地车。
TQ 发布新款 HPR60 时，我们在视频工作室中重现了测试中引人注目的部分，发现尽管它的功率和扭矩比 HPR50 更大，但噪音却更小。因此，无论您骑行的是哪个版本的 TQ HPR 电机，都可以忘记电机噪音，专注于前方的道路。
想了解更多关于声音感知的信息吗？ 阅读下文白皮书，了解我们更高级别声学测试的完整故事。
心理声学
来自耳朵的神经信号会被大脑中的“声学分析超级计算机”解读。想象一下，实时分离并精确定位多个声源在三维空间中的位置（称为声音定位）需要何等神奇的处理能力和精度。大脑进一步分析所有这些声音模式，然后赋予它们特定的意义、情感和联想。
心理声学是一门研究耳脑系统如何感知和解释声音的学科。已开发出多种心理声学指标，将原始麦克风数据转换为人对声音的感知，包括响度和音质两个方面。
感知响度
人耳对不同频率的声音敏感度差异很大。例如，75分贝的声波在1000Hz下听起来比在100Hz下大得多。为了考虑这种差异，常用的方法是应用A加权曲线，将分贝（dB）转换为A加权分贝（dBA）。dB表示声波的物理强度，而dBA则近似表示人耳对声波的感知响度。
自A加权曲线开发以来，科学家们已经绘制出一系列更完整的“等响度曲线”，更全面地捕捉了人耳的复杂特性。在该图表中，任意一条曲线上的两个点听起来同样响亮，每条曲线的响度大约是其下方曲线的两倍。如果人耳像麦克风一样工作，所有这些曲线都会是等距的水平线。
该图还介绍了响度单位“索恩”（sone），其目的是与dBA相同，但更加复杂和直观。索恩与感知响度成正比（响度翻倍 = 2倍索恩），而dBA则相对不直观（响度翻倍 = 增加10 dB）。
音质
通常，声音的质量而非响度，决定了大脑如何区分好声音和噪音。例如，蚊子的高频声虽然相对安静，但非常令人不快，能穿透背景噪音引起注意。工程师称这种特定类型的声音为“音调性”，而我们的脑海中可以将许多其他声音模式解读为嗡嗡声、吱吱声、吱嘎声、尖锐声、隆隆声等类别。
许多这种分类可以通过音质指标从麦克风数据中量化，例如音调性、尖锐度、粗糙度、突出比、波动强度和清晰度指数。这些指标可以预测您使用产品时的舒适感，以及对其制造质量和性能的印象。
音质的一个有趣例子是，工程师们在汽车车门关闭的声音上投入了巨大努力。这种声音对汽车的核心功能并不重要，但它极大地影响了您对汽车坚固性和可靠性的第一印象。
电助力自行车的心理声学
这些与自行车又有什么关系呢？ 在多年的自行车心理声学研究中，Trek性能研究团队发现，自行车的音质——甚至比响度更为重要——对骑行体验有显著影响。对于电助力山地车，我们关注两个关键音质指标——音调特性和清晰度指数。
清晰度指数
与朋友和家人一起骑行的乐趣之一在于能够交谈、互相教授新技能，并在新探索的山间小径上相互指引。然而，各种山间的声音——包括电助力自行车电机的声音——可能会影响您听清他人的讲话。清晰度指数是一项音质指标，用于预测可听见语音的比例，是衡量声音对群体骑行体验影响的重要标准。
理解清晰度指数工具和技术
心理声学是一门新兴的科学，虽然对骑行领域来说充满挑战，但对骑行体验的影响巨大。Trek在自行车心理声学工具和技术方面的进展体现了其通过科学手段提升骑行体验的承诺。结合我们在振动控制和声学领域的专业知识，Trek工程团队现在可以测量、分析并优化您在骑行中感受到和听到的一切。
TQ HPR50的心理声学
TQ HPR50彻底改变了电助力自行车的安静和悦耳程度——这一点通过在整个自行车原型开发阶段进行的先进心理声学测试和分析技术得到了证明。这项测试的核心是在最受控的声学环境——消声室——中进行的最终生产自行车对比测试。
在消声室中，我们使用定制的隔音训练器装置，在多种条件下比较了TQ HPR50、传统非助力自行车、一款流行的轻助力电助力山地车和一款流行的高功率电助力山地车。在两天内，我们使用21个麦克风和一个将声音频率与电机速度关联的踏频传感器，收集了2.25亿个数据点。
在这些测试中，我们分析了自行车在40至100 rpm的踏频范围内、总功率为300W以及两个最高电机辅助级别下的音调特性、响度、声功率和清晰度指数。所有图表数据均基于B&K 4966-H-041麦克风，位置位于自行车侧面1米处、距地面1.7米（头部高度，蓝色圆圈标记）。
实线代表最高辅助模式，虚线代表次高辅助模式。音调特性依据ECMA-74:2019标准进行计算。
TQ HPR50的响度
尽管音调特性最能反映电助力自行车的骑行体验，但我们同样重视响度。下图展示了以dBA和索恩单位表示的感知响度。根据不同自行车和指标的组合，HPR50比其他电助力自行车安静1.5到1.8倍，最接近非助力自行车的表现。
TQ HPR50的声功率
响度是一个关键的声学指标，但它取决于麦克风与声源之间的距离和方向。我们选择的麦克风位置模拟了骑行者或同行者耳朵的位置，因为这是最关键的听音点。
此外，我们还进一步测量了声功率，使用12个麦克风的半球形阵列来量化自行车向各个方向发出的总声能。换句话说，声功率表示自行车在任何位置相对于听众的声音表现。
如图所示，声功率的排名与骑行者头部附近的响度非常相似。这验证了我们的响度测量结果以及单个麦克风位置选择的合理性。
TQ HPR50清晰度指数
正如之前讨论的那样，自行车的噪音可能会干扰您在骑行时与他人交谈的能力。清晰度指数预测了在特定噪音环境下可以听到的语音信息量。同样，HPR50比其他电助力自行车更接近传统自行车，不会干扰您在山间小径上的对话。
野外测试
本文主要关注在高度受控的消声室中进行的测试，同时我们还将声学测试设备带到野外进行验证。野外测试结果与实验室数据一致，HPR50的音调特性比其他电助力山地车低3到5倍，响度低1.5到1.8倍。
色谱分析
一种非常有效的分析技术是将响度作为颜色，映射到踏频和声音频率的坐标上。在下方的色谱图中，每条对角线代表一个音调，其频率（音高）随踏频增加。这些音调能够穿透背景噪音，引起注意。
每条对角线对应电机内部的一个旋转部件，其齿轮比和齿轮/磁铁数量决定了线的斜率。显然，传统电助力自行车的传动系统有很多移动部件，产生了多种音调，而Fuel EXe的谐波销齿环齿轮仅产生一个更安静的音调。