En règle générale, un moteur de VAE transmet la puissance du moteur au pédalier par l’intermédiaire d’un ensemble de pignons, d’arbres, de courroies ou de poulies. Cette grande concentration de pièces qui bougent rapidement ouvre la porte à de nombreux bruits aigus désagréables.
De son côté, le moteur à démultiplicateur harmonique à anneau à broches HPR50 de TQ possède une seule interface à engrenages qui permet de répartir silencieusement la charge entre plusieurs dents en permanence.
Tous nos sens sont impliqués lorsque nous roulons et les sons qu’émet le vélo ont un impact surprenant sur la manière dont nous vivons cette expérience. Jusqu’à ce jour, l’assistance au pédalage électrique a été obtenue au prix d’un coût acoustique que nous avons tous appris à accepter, à savoir le bruit d’un VAE.
Mais c’était sans compter l’arrivée du TQ HPR50
Cet article va vous plonger dans la science de l’acoustique des vélos. Il s’agit d’un tout nouveau critère de performance des vélos qui compte probablement plus pour vous que vous ne le pensez.
À la fin de cet article, nous vous aurons démontré que les sons émis par le moteur TQ HPR50 sont 5 fois plus agréables et 1,8 fois plus discrets que ceux émis par d’autres VTTAE parmi les plus commercialisés. En fait, les sons émis par le moteur électrique TQ sont beaucoup plus proches de ceux des vélos sans assistance électrique, ce qui vous permet de redécouvrir le vélo originel.
Vous avez des doutes ? Avant de passer aux détails, nous allons écouter quelques petits échantillons audio qui permettront de comparer sur le terrain un moteur électrique TQ à ceux de deux autres VTTAE fort répandus. Enfin un VTTAE agréable à l’oreille !
Votre remarquable ouïe
L’ouïe est probablement votre sens le plus puissant et le recours à des micros pour pouvoir capter des sons comme le fait votre ouïe implique une science assez extrême.
L’oreille est capable de détecter des pressions sonores comprises entre 20 et plus de 100 000 000 de micropascals. C’est une plage vraiment impressionnante. Cela reviendrait à disposer d’une règle capable de mesurer n’importe quoi depuis l’épaisseur d’une feuille de papier jusqu’à la hauteur d’un bâtiment de 100 étages. Afin de pouvoir exprimer cette vaste plage, nous évoquons généralement le son selon l’échelle logarithmique des décibels (dB).
Votre ouïe est capable de détecter les sons dans une plage de fréquences allant de 20 à 20 000 Hz, ce qui est une plage plus que respectable. L’onde de pression unique qui atteint l’oreille contient une combinaison de l’ensemble de ces fréquences de l’ensemble des sons qui vous entourent. La cochlée, cet organe de l’oreille enroulé en spirale, identifie les différentes fréquences qui composent cette onde et les traduit en signaux nerveux. L’oreille est un capteur sonore fascinant et vraiment puissant !
Un capteur sonore fascinantPsychoacoustique
Les signaux transmis par les nerfs depuis les oreilles sont ensuite interprétés par le cerveau, ce superordinateur d’analyse acoustique. Imaginez la puissance de traitement et la précision quasi miraculeuses requises pour isoler et définir avec précision l’emplacement dans l’espace en trois dimensions de différentes sources sonores en temps réel (c’est ce qu’on appelle la localisation sonore). Le cerveau poursuit l’analyse de l’ensemble de ces modèles sonores et leur attribue des significations, des émotions et des associations.
La psychoacoustique est la science qui étudie comment l’ensemble ouïe-cerveau perçoit et interprète les sons. Plusieurs métriques de psychoacoustique ont été mises au point afin de convertir les données brutes enregistrées par le microphone en perceptions du son, aussi bien au niveau de la quantité (intensité du son) que de la qualité.
Niveau sonore perçu
La sensibilité de l’ouïe varie énormément en fonction de la plage de fréquences. Ainsi, l’intensité du son d’une onde de 75 dB à 1 000 Hz sera beaucoup plus élevée que celle d’une onde de 75 dB à 100Hz. Pour tenir compte de ces différences de sensibilité, il est fréquent d’appliquer une pondération A afin de convertir les décibels (dB) en décibels A (dBA). Le décibel (dB) définit l’intensité physique de l’onde sonore, tandis que le décibel A (dBA) offre une approximation de l’intensité perçue de cette même onde.
Depuis le développement de la courbe de pondération A unique, les scientifiques ont identifié une série plus complète de « courbes isosoniques » qui reflète mieux les particularités de notre ouïe. Dans ce graphique, 2 points quelconques sur une ligne donnée ont le même niveau sonore et chaque courbe a un niveau sonore qui est environ le double de celui de la courbe du dessous. Si l’ouïe fonctionnait de la même manière qu’un micro, ces courbes seraient des lignes horizontales avec un espacement égal.
Ce graphique introduit également le sone qui mesure l’intensité sonore. Il remplit la même fonction que le dBA, mais cette unité est plus sophistiquée et intuitive. Le sone s’aligne directement sur l’intensité sonore perçue (2x intensité sonore = 2x sones), tandis que le dBA est beaucoup moins intuitif (2x intensité sonore = ajouter 10 dB).
Qualité du son
Souvent, c’est la qualité d’un son, et non pas son intensité, qui amène le cerveau à établir la distinction entre les bons et les mauvais sons. Le son aigu du moustique n’est pas très fort, mais il est assez désagréable et il capture votre attention dans le bruit ambiant. Les ingénieurs parlent de son « tonal » pour ce genre de bruit, mais le cerveau est capable d’interpréter bien d’autres modèles sonores en différentes catégories comme les cliquetis, les crissements, les grincements, les bruits stridents, les grondements et bien d’autres encore.
Il est possible de quantifier bon nombre de ces interprétations au départ des données du microphone en utilisant des métriques de qualité du son telles que la tonalité, l’acuité, la rugosité, le taux de proéminence et l’indice d’articulation. Ces métriques peuvent prédire le plaisir d’utiliser un produit et votre impression de la qualité de la construction et des performances.
À titre d’exemple intéressant dans la qualité du son, prenons l’ingénierie consacrée au son d’une portière de voiture qui se ferme. Ce son joue un rôle secondaire par rapport à la fonction première d’une voiture, mais il joue un rôle prépondérant dans la définition de votre première impression de la solidité et de la fiabilité du véhicule.
Psychoacoustique des VTTAE
Quel est donc le rapport avec les vélos ? Après plusieurs années à la pointe des recherches en psychoacoustique appliquée aux vélos, le Laboratoire de recherche sur les performances de Trek a découvert que la qualité du son de votre vélo, bien souvent bien plus que le niveau sonore, exerce un grand impact sur le plaisir tiré des sorties. Pour les VTTAE, nous nous sommes concentrés sur deux métriques de qualité du son :
Tonalité
Les moteurs électriques ont tendance à émettre des tonalités aigües dont la perception est particulièrement désagréable. Tout comme l’exemple du moustique, le gémissement d’un moteur électrique se démarque dans le bruit de fond et capte notre attention.
La tonalité (et plus particulièrement la tonalité HMS) est un indicateur de qualité du son moderne qui exploite un ensemble d’algorithmes de pointe pour modéliser avec précision la manière dont l’être humain perçoit ces sons désagréables. Nous pensons que la tonalité est un nouvel indicateur essentiel pour l’expérience du pilote à vélo.
Le calcul de tonalité HMS utilise une séquence complexe de 14 algorithmes pour obtenir un modèle de la perception des tonalités désagréables par l’ensemble ouïe-cerveau (tiré de la norme ECMA-74:2019)
Indice d’articulation
Une grande partie du plaisir des sorties à vélo entre amis ou en famille, c’est de pouvoir bavarder, enseigner de nouvelles techniques et orienter le groupe sur les nouveaux sentiers. Mais différents bruits sur le trail, dont celui du moteur de votre VAE, peuvent nuire à votre capacité à entendre ce que les autres disent. L’indice d’articulation est un indicateur de qualité du son qui prédit le pourcentage de la parole qui sera audible. Il s’agit d’un bon indicateur de l’effet distractif du son sur l’expérience de la sortie en groupe.
En savoir plus sur l’indice d’articulationOutils et connaissances
La psychoacoustique est une nouvelle science dans le monde du vélo qui présente ses difficultés, mais qui peut introduire une grande différence dans l’expérience du vélo. En développant des outils et son savoir dans le domaine de la psychoacoustique, Trek confirme sa volonté d’améliorer l’expérience des cyclistes grâce à la science. Si vous ajoutez à cela nos capacités et notre savoir-faire éprouvé en matière de réduction des vibrations, les ingénieurs de Trek sont désormais capables de mesurer, comprendre et proposer des designs qui couvrent tous les aspects de ce qu’un cycliste ressent et entend lorsqu’il roule.
En laboratoire avec le Madone IsoSpeedPsychoacoustique du TQ HPR50
Le TQ HPR50 marque une révolution au niveau de la discrétion et du caractère agréable du son émis par un VTTAE, une réalité que nous pouvons illustrer à l’aide de techniques d’essai et d’analyse psychoacoustique de pointe mises au point tout au long de la phase de développement du prototype du vélo. Le point fort de ces essais fut un test comparatif d’une version de production finale du vélo dans l’environnement audio le plus contrôlé possible, à savoir une chambre anéchoïque.
Nous avons comparé dans une chambre anéchoïque le moteur TQ HPR50 à un vélo traditionnel sans assistance, un VTTAE très populaire à faible assistance et un VTTAE très populaire à grande puissance dans une vaste plage de conditions sur un trainer personnalisé à isolation sonore. En l’espace de deux jours, nous avons récolté 225 millions de points de données à l’aide de 21 microphones et d’un capteur de cadence pour nous aider à mettre la fréquence sonore en relation avec la vitesse du moteur.
Au cours de ces essais, nous avons analysé la tonalité, l’intensité sonore, la puissance acoustique et l’indice d’articulation des vélos à des cadences comprises entre 40 et 100 tr/min, à une puissance totale de 300 W et aux deux niveaux d’assistance les plus élevés du moteur électrique. Tous les diagrammes reposent sur les enregistrements d’un microphone B&K 4966-H-041 placé 1 m à côté du vélo et 1,7 m verticalement par rapport au sol (à hauteur de la tête, cercle bleu.)
« Le son d’un vélo doté d’un moteur HPR50 est 4 à 5 fois plus agréable que celui des autres VTTAE populaires »
Vous n’êtes pas un fan des diagrammes ? Découvrez vous-même les sons enregistrés dans la chambre anéchoïque !
ÉcoutezLes lignes en continu représentent le niveau d’assistance le plus élevé tandis que les lignes en pointillés représentent le deuxième niveau d’assistance le plus élevé. Tonalité calculée selon la norme ECMA-74:2019.
Intensité sonore du TQ HPR50
S’il est vrai que la tonalité est le meilleur indicateur de votre expérience lors d’une sortie avec un VTTAE, nous n’avons pas oublié le niveau sonore. Les diagrammes ci-dessous illustrent le niveau sonore perçu en dBA et en sones. En fonction des combinaisons de vélos et des métriques prises en considération, le HPR50 est 1,5 à 1,8 fois plus silencieux que les autres VAE et il se rapproche le plus des vélos sans assistance électrique.
Puissance acoustique du TQ HPR50
Le niveau sonore est une métrique acoustique essentielle, mais elle dépend de la distance et de la position du microphone par rapport à la source sonore. Nous avons positionné le microphone de telle sorte qu’il représente le son au niveau de l’oreille du cycliste ou de son compagnon de sortie, vu qu’il s’agit de l’emplacement qui compte le plus.
Mais nous avons également décidé de mesurer la puissance acoustique à l’aide d’un ensemble hémisphérique de 12 microphones qui permettent de quantifier l’intensité acoustique totale générée par le vélo dans toutes les directions. En d’autres termes, la puissance acoustique permet d’établir des comparaisons entre les vélos pour les personnes situées n’importe où autour du vélo.
Comme le graphique l’indique, la puissance acoustique se comporte d’une manière très semblable à l’intensité sonore à proximité de la tête du cycliste. Ceci confirme à la fois nos résultats sur l’intensité sonore et l’emplacement choisi pour nos indicateurs à un seul microphone.
Indice d’articulation du TQ HPR50
Comme nous l’avons mentionné précédemment, le son du vélo peut perturber votre capacité à parler avec les autres membres du groupe quand vous roulez. L’index d’articulation détermine le volume d’indices vocaux audibles par rapport à un bruit donné. Ici aussi, les résultats du HPR50 sont bien plus proches de ceux d’un vélo traditionnel que des autres VAE. Il ne perturbe pas vos conversations sur les sentiers.
Essais sur le terrain
S’il est vrai que cet article se concentre sur les essais réalisés dans l’environnement très contrôlé d’une chambre anéchoïque, nous avons également sorti nos équipements de test acoustique pour réaliser des validations sur les trails. Les résultats sur le trail confirment ce que nous avions découvert : la tonalité du HPR50 est 3 à 5 fois inférieure et son niveau sonore est 1,5 à 1,8 fois inférieur à ceux des autres VTTAE.
Analyse via une carte de couleurs
Une technique d’analyse très puissante consiste à représenter le niveau sonore par une couleur sur une échelle de cadences et de fréquences sonores. Dans les cartes de couleur ci-dessous, chaque ligne diagonale représente un ton dont la fréquence augmente avec la cadence (il s’agit des tons qui sont audibles malgré le bruit de fond et qui sont désagréables à l’oreille).
Chacune de ces lignes diagonales représente un composant en rotation dans le moteur électrique dont le rapport et le nombre de dents/aimants sont en rapport avec la pente de la ligne. Il est évident que les transmissions traditionnelles des VAE contiennent de nombreuses pièces mobiles qui génèrent de nombreuses tonalités, tandis que le démultiplicateur harmonique à anneau à broches génère une seule tonalité plus discrète.