耳は、20から100,000,000マイクロパスカルを超える音圧振幅を感知できる。これは実に幅広い範囲である。1本の定規で紙の厚さから100階建てビルの高さまで測れるようなものだ。この広大な範囲に対応するため、通常、音はデシベル(dB)という単位で表現される。
e-bikeのモーター音の低減とバイクの音響学
この記事では、自転車の音響学における科学的探求の旅へとご案内しよう。これはバイク性能におけるまったく新しいカテゴリーであり、おそらく皆さんが思う以上に重要なこととなる。私たちは、初のTQ搭載e-bikeであるFuel EXeのHPR50で、過去最大規模の音響試験を実施した。ここで、e-bikeからの音の感じ方をいかに定量化するかを突き詰めた。
最終的に、TQ HPR50は他の一般的なe-MTBと比べて心地よさが5倍、静粛性が1.8倍高いことを示した。実際、TQモーターの音はe-MTBというより非電動のバイクにずっと近いことも示せた。
TQが新型HPR60を発表した際、スタジオで主要試験を再現したところ、HPR50より出力とトルクが高いのに、さらに静かであることが分かった。つまり、TQのHPRモーターがどのバージョンでも、モーター音を気にせず目の前のトレイルに集中できるということだ。
聴感評価について、さらにくわしく知りたい？ 次世代の音響試験の全容は、以下のホワイトペーパーで確認できる。
驚異的な耳
聴覚はおそらく最も優れた感覚であり、人の聴覚に匹敵するマイクを使用するには、極めて高度な科学が必要となる。
耳は、20Hzから20,000Hzまでの音の周波数も感知できる。これもまたとても広い範囲である。耳に届く単一の圧力波には、周囲のあらゆる音源からのすべての周波数の組み合わせが含まれている。耳の螺旋状の蝸牛が、この複合的な圧力波をそれぞれの周波数に分離し、神経信号に変換していく。あなたの耳は、実にパワフルで魅力的な音センサーなのだ。
魅力的な音センサー音響心理学
耳から送られた神経信号は、音響分析スーパーコンピューターである脳によって解釈される。複数の音源をリアルタイムで分離し、その3次元における位置を正確に特定する（音源定位）ために必要な、奇跡的なほどの処理能力と精度を想像してみてほしい。脳はさらにこれら音のパターンを分析し、それに意味、感情、関連性を割り当てる。
音響心理学とは、耳と脳のシステムが音を感知し解釈する方法を研究する学問である。そしてマイクからの生データを、音量と音質の両面で音をどう知覚するのかを数値化する、音響心理学のさまざまな測定基準が開発されている。
知覚音量
人が持つ聴覚の感度は周波数帯域によって大きく異なる。例えば1,000Hzの75dBの音波は、100Hzの75dBの音波よりもはるかに大きく聞こえる。この感度の違いを説明する一般的な方法は、デシベル(dB)にA特性カーブを適用してA特性デシベル(dBA)へ変換することである。dBは音波の物理的な大きさを定義するが、dBAは同じ音波で人に知覚される大きさとほぼ一致するからだ。
単一のA特性カーブが開発されて以来、科学者は人の耳の複雑な仕組みをより完全に捉える、さらに完全な一連の「等ラウドネス曲線」を考案した。このグラフでは、線上にある2点の音は同じように大きく、各曲線はその下の曲線と比較してほぼ2倍の大きさとなっている。もし人の耳がマイクと同じように機能するなら、これら曲線の感覚はすべて平行に等間隔となるはずだ。
このチャートでは音量を測ったソーン（音量の単位）も紹介されている。これはdBAと同じ目的のものを示すが、より洗練され直感的である。ソーンは知覚される音量に直接比例する（音量が2倍ならソーンも2倍となる）が、dBAは直感的ではない（音量が2倍なら10dBを足す）。
音質
良い音と悪い音とを区別する際、脳が判断するのは多くの場合において音量ではなく音質である。例えば、蚊の出す高音は比較的静かだが、非常に不快で周囲の音をかき消して注意を引く。エンジニアはこの種の音を「トーナル（音調的）」と表現するが、私たちの脳は、「ガラガラ」「キーキー」「ミシミシ」「ゴロゴロ」といった多くの音のパターンをカテゴリーに分類して解釈できる。
脳が行うこれらの解釈の多くは、マイクに入力されたデータから、音調、シャープネス、ラフネス、プロミネンス比、変動強度、明瞭度といった音質測定基準を使用して数値化できる。これらの測定基準は、製品の品質や性能に対する印象とともに、その製品を使用した際の満足度を予測する材料ともなる。
なお音質に関する興味深い例として、自動車のドアが閉まる際の音に、多大なエンジニアリングの努力が注ぎ込まれていることがある。この音は自動車の主要機能としては二の次だが、自動車の丈夫さや信頼性に対する最初の印象を大きく左右する。
Psicoacústica de las bicicletas eléctricas
Entonces, ¿cómo se relaciona todo esto con las bicicletas? Durante los años en que venimos siendo los pioneros en la psicoacústica de las bicicletas, el equipo del Trek Performance Research ha descubierto que la calidad del sonido de tu bicicleta (a menudo incluso más que el volumen) incide considerablemente a la hora de disfrutar de la ruta. En las eléctricas de montaña nos hemos centrado en dos métricas de calidad del sonido: el índice de tonalidad y el de articulación.
La tonalidad
Los motores eléctricos suelen emitir tonos muy agudos que pueden resultar especialmente desagradables. Al igual que en el ejemplo del mosquito, el zumbido del motor de una bicicleta eléctrica se cuela de fondo para llamar tu atención.
La tonalidad (en concreto, la tonalidad HMS) es una métrica de calidad acústica moderna que utiliza una serie de algoritmos muy complejos para modelar con precisión la percepción humana de este tipo de tonos desagradables. Creemos que la tonalidad es una nueva métrica fundamental a la hora de valorar la experiencia de los ciclistas en una bicicleta eléctrica.
El cálculo de tonalidad HMS utiliza una compleja secuencia de 14 algoritmos para reproducir cómo percibe tu sistema oreja-cerebro los tonos molestos (del estándar ECMA-74:2019)
Índice de articulación
Uno de los aspectos más importantes a la hora de pedalear con amigos y familiares es la posibilidad de charlar, aprender técnicas nuevas y guiarse mutuamente por senderos nuevos. Sin embargo, los sonidos del sendero, incluyendo el motor de tu bicicleta eléctrica, pueden impedir que oigas lo que dicen los demás. El índice de articulación es una métrica de calidad acústica que predice la proporción del discurso que es audible y es un buen indicador de cómo los sonidos pueden arruinar la experiencia de salir a rodar en grupo.
Más información sobre el índice de articulaciónHerramientas y conocimientos
La psicoacústica es una ciencia nueva y desafiante en el ciclismo, pero supone una gran diferencia en la experiencia de conducción. El desarrollo de herramientas y conocimientos psicoacústicos por parte de Trek refleja su compromiso con la mejora de la experiencia de conducción a través de la ciencia. Si a esto le añadimos nuestra consolidada capacidad y experiencia en vibraciones, los ingenieros de Trek pueden ahora calcular, comprender y crear diseños en función de las sensaciones y sonidos de la bicicleta.
Psicoacústica del motor TQ HPR50
El motor TQ HPR50 revoluciona el concepto de lo silenciosa y agradable que puede ser una bicicleta eléctrica; un hecho que podemos ilustrar mediante pruebas psicoacústicas avanzadas y técnicas de análisis realizadas durante la fase de desarrollo de prototipos de la bicicleta. La culminación de estas pruebas fue una comparativa final en un ambiente sonoro lo más controlado posible: una cámara anecoica.
En la cámara anecoica, hemos comparado el motor TQ HPR50 con una bicicleta tradicional sin asistencia, una bicicleta eléctrica de montaña con asistencia ligera y una bicicleta eléctrica de montaña de gran potencia en una amplia variedad de condiciones y en un rodillo de entrenamiento con aislamiento acústico. A lo largo de dos días, se recogieron 225 millones de datos utilizando 21 micrófonos y un sensor de cadencia que nos permitió relacionar la frecuencia acústica con la velocidad del motor.
En estas pruebas, analizamos la tonalidad, el volumen, la potencia acústica y el índice de articulación de las bicicletas en un intervalo de cadencia de 40-100 rpm, a una potencia total de 300 W y en los dos niveles de asistencia más elevados. Todos los gráficos se basan en un micrófono B&K 4966-H-041 situado a 1 metro en el lateral de la bicicleta y a 1,7 metro en línea vertical con el suelo (a la altura de la cabeza, marcado con un círculo azul).
"La bicicleta equipada con motor HPR50 suena 4 o 5 veces mejor que otras bicicletas eléctricas de montaña muy populares"
¿Los gráficos no te apasionan? ¡Escucha tú mismo el interior de una cámara anecoica!
EscuchaLas líneas continuas representan el modo de asistencia máxima y las discontinuas el segundo modo de asistencia máxima. Tonalidad calculada según el estándar ECMA-74:2019.
Volumen del TQ HPR50
Aunque la tonalidad es la que mejor refleja tu experiencia montando una bicicleta eléctrica, no nos olvidamos del volumen. Los siguiente gráficos muestran el volumen percibido, tanto en dBA como en sones. Dependiendo de la combinación de bicicletas y datos que valoremos, el motor HPR50 es entre 1,5 y 1,8 veces más silencioso que el de otras bicicletas eléctricas, y más parecido a una bicicleta sin motor.
Potencia acústica del motor TQ HPR50
El volumen es una métrica clave, pero depende de la distancia y la dirección del micrófono respecto a la fuente del sonido. La localización de nuestro micrófono se eligió para representar el sonido en los oídos del ciclista o de su compañero, ya que es la que más importa.
Pero además fuimos más allá a la hora de medir la potencia del sonido, optando por una disposición hemisférica de 12 micrófonos para cuantificar la cantidad de sonido total emitida por la bicicleta en todas las direcciones. En otras palabras, la potencia del sonido representa la comparación entre bicicletas respecto a los oyentes en cualquier localización alrededor de la bicicleta.
Como vemos en el gráfico, la potencia acústica es muy similar al volumen que hay cerca de la cabeza del ciclista. Esto valida tanto nuestros resultados de volumen como el lugar elegido para nuestras métricas con un solo micrófono.
Índice de articulación del HPR50
Como ya hemos comentado, el sonido de la bicicleta puede interferir en tu capacidad para hablar con los demás mientras pedaleas. El Índice de articulación predice la cantidad de claves del habla que se pueden oír sobre un ruido determinado. De nuevo, el sonido del motor HPR50 es mucho más parecido al de una bicicleta tradicional que al de otras bicicletas eléctricas y no dificulta tus conversaciones en los senderos.
Pruebas sobre el terreno
Mientras que este artículo se centra en pruebas realizadas bajo control en la cámara anecoica, también comprobamos los resultados con nuestro equipamiento de pruebas acústicas sobre el terreno. Los resultados obtenidos en los senderos fueron similares. La tonalidad del motor HPR50 fue entre 3 y 5 veces inferior, y el volumen entre 1,5 y 1,8 veces inferior al de otras bicicletas eléctricas de montaña.
Análisis del mapa de colores
Una técnica de análisis muy potente es mapear el volumen en forma de colores con escalas tanto de cadencia como de frecuencia del sonido. En el siguiente mapa de colores, cada línea diagonal representa un tono cuyo pico de frecuencia crece en paralelo a la cadencia. Se trata de los tonos que destacan del fondo y captan tu atención percibiéndolo como un sonido desagradable.
Cada una de las líneas diagonales corresponden a un componente que rota físicamente en el interior del motor, cuya relación de transmisión y número de dientes/imanes se relaciona con la pendiente de la línea. Se aprecia claramente cómo las transmisiones de las eléctricas tradicionales tienen muchas piezas en movimiento que crean muchos tonos, mientras que la transmisión de engranaje harmónico de la Fuel EXe genera un único tono mucho más silencioso.