Os teus ouvidos podem detetar amplitudes de pressão sonora que variam entre 20 e 100.000.000+ micropascal, uma amplitude enorme. É como ter uma única régua que pode medir qualquer coisa, desde a espessura de uma folha de papel até à altura de um edifício de 100 andares! Para enquadrar esta enorme amplitude, normalmente falamos de som na escala logarítmica de decibéis (dB).
Reducing e-bike motor noise and the science of bicycle acoustics
Neste artigo, vamos guiar-te numa jornada científica pela acústica da bicicleta. É uma nova categoria de desempenho da bicicleta que é mais importante para ti do que imaginas. Fizemos os nossos testes acústicos mais extensos com a nossa primeira bicicleta elétrica equipada com motor TQ, a Fuel EXe com o HPR50. Foi aqui que realmente descobrimos como quantificar a perceção do som de uma ebike.
No final, provámos que o TQ HPR50 soa 5 vezes mais agradável e é 1.8 vezes mais silencioso do que os motores de outras bicicletas elétricas de montanha populares. Na verdade, conseguimos mostrar que um motor TQ soa muito mais próximo de uma bicicleta tradicional sem assistência do que de uma ebike de montanha.
Quando a TQ lançou o novo HPR60, replicámos as partes mais importantes do teste no nosso estúdio de vídeo, e descobrirmos que, embora tenha mais potência e binário do que o HPR50, é ainda mais silencioso. Portanto, não importa qual a versão do motor HPR da TQ que uses, podes esquecer o ruído do motor e concentrar-te no trilho à tua frente.
Curioso para aprender mais sobre a perceção sonora? Lê o artigo técnico abaixo para conheceres a história completa dos nossos testes acústicos inovadores.
Os teus ouvidos fantásticos
A audição é talvez o teu sentido mais potente e utilizar microfones para mimetizar a forma como ouves envolve muita ciência.
Os teus ouvidos podem também detetar frequências sonoras entre os 20 e os 20,000 Hz, outra grande amplitude. A onda de pressão que chega ao teu ouvido contém uma combinação de todas estas frequências originadas por todas as fontes sonoras à tua volta. A cóclea do ouvido, em forma de espiral, separa esta onda de pressão combinada em frequências individuais e codifica-as como sinais nervosos. Os teus ouvidos são verdadeiramente uns sensores sonoros potentes e fascinantes!
Sensores sonoros fascinantesPsicoacústica
Os sinais nervosos dos teus ouvidos são depois interpretados pelo supercomputador de análise acústica que é o teu cérebro. Imagina apenas o poder de processamento e a precisão quase milagrosos que são necessários para separar e marcar a localização tridimensional das múltiplas fontes de som em tempo real (chamada de localização sonora). O teu cérebro analisa ainda mais os padrões destes sons e depois atribui-lhes significados, emoções e associações.
A Psicoacústica é o estudo da forma como o sistema de audição-cérebro sente e interpreta o som. E há diversas métricas psicoacústicas que foram desenvolvidas para converter a informação em bruto dos microfones na forma como interpretamos os sons tanto em quantidade (sonoridade) como em qualidade.
Sonoridade percecionada
A tua sensibilidade de audição varia bastante ao longo da gama de frequências. Por exemplo, uma onda de som com 75 dB a 1000 Hz soa muito mais alto que uma onda de som com 75 dB a 100 Hz. Uma forma comum de contabilizar esta variação de sensibilidade é aplicar uma curva de ponderação para converter decibéis (dB) em decibéis ponderados (dBA). Os dB definem a magnitude física da onda de som, enquanto os dBA aproximam a sonoridade percecionada da mesma onda.
Desde o desenvolvimento da curva de ponderação única, os cientistas traçaram uma série mais completa de "contornos de intensidade igual" que capta melhor as complexidades dos teus ouvidos. Neste gráfico, quaisquer dois pontos ao longo de uma determinada linha soam igualmente alto, e cada curva é aproximadamente duas vezes mais alta que a curva abaixo dela. Se os teus ouvidos funcionassem da mesma forma que os microfones, todas estas curvas seriam apenas linhas horizontais igualmente espaçadas.
Esta tabela também introduz a métrica de sonoridade sones, que tem o mesmo objetivo que os dBA, mas é mais sofisticada e intuitiva. Os sones são diretamente proporcionais ao volume percebido (2x volume = 2x sones), enquanto os dBA são pouco intuitivos (2x volume = adicionar 10 dB).
Qualidade de som
A qualidade do som, e não a sonoridade, é que dita muitas vezes a distinção que o teu cérebro faz entre bons e maus sons. Por exemplo, o som agudo de um mosquito é relativamente silencioso, mas é também muito irritante e destaca-se do ruído de fundo captando a tua atenção. Os engenheiros descrevem este tipo particular de som como “tonal”, mas o nosso cérebro pode interpretar muitos outros padrões de som em categorias como chocalhar, guinchar, chiar, estridente, estrondo e muitos mais.
Muitas destas interpretações podem ser quantificadas a partir de dados de microfone utilizando métricas de qualidade de som como a tonalidade, nitidez, rudeza, rácio de proeminência, intensidade da flutuação e índice de articulação. Estas métricas podem prever o teu prazer quando utilizas um produto, assim como a tua impressão sobre a sua construção e desempenho.
Um exemplo interessante em termos de qualidade de som é o esforço significativo de engenharia colocado no som da porta do carro a fechar. Este som é secundário em relação à função principal do automóvel, mas define muito a tua impressão inicial da robustez e fiabilidade do automóvel.
Psicoacústica da bicicleta elétrica
Então como é que tudo isto se relaciona com bicicletas?! Há alguns anos na vanguarda em termos de psicoacústica das bicicletas, o departamento de Pesquisa de Desempenho da Trek descobriu que a qualidade de som da tua bicicleta – frequentemente mais do que a sonoridade – tem um grande impacto na forma como desfrutas da tua bicicleta e das tuas voltas. Para as bicicletas elétricas de montanha, focámo-nos em duas métricas de qualidade de som: Tonalidade e Índice de Articulação.
Tonalidade
Os motores eléctricos tendem a emitir sons agudos que podem soar de forma especialmente desagradável. Tal como no exemplo do mosquito, o zumbido do motor de uma bicicleta eléctrica sobressai do ruído de fundo e chama a atenção.
A tonalidade (especificamente a tonalidade HMS) é uma métrica moderna de qualidade de som que utiliza uma série de algoritmos avançados para modelar com precisão a perceção humana deste tipo de tons desagradáveis. Acreditamos que a tonalidade é uma nova métrica essencial para percebermos o que os ciclistas sentem quando pedalam numa bicicleta elétrica.
O cálculo da Tonalidade HMS utiliza uma complexa sequência de 14 algoritmos para modelar a perceção do sistema ouvido-cérebro dos tons irritantes (do padrão ECMA-74:2019)
Índice de articulação
Um dos grandes prazeres de pedalar com amigos e família é a possibilidade de falar com eles, ensinar e aprender novas habilidades e guiar o grupo em trilhos novos. Mas vários sons nos trilhos - incluindo o motor da tua bicicleta eléctrica - podem bloquear a tua capacidade de ouvir o que os outros estão a dizer. O Índice de Articulação é uma métrica de qualidade de som que prevê a proporção do discurso que é audível e é um bom indicador de como os sons podem prejudicar a experiência de um passeio em grupo.
Fica a saber mais sobre o índice de articulaçãoFerramentas e conhecimento
A psicoacústica é uma ciência nova e desafiante no ciclismo, mas faz uma grande diferença na experiência de pedalar. O desenvolvimento de ferramentas e conhecimentos psicoacústicos para bicicletas da Trek reflectem o nosso empenho em melhorar a experiência de pedalar através da ciência. Quando adicionamos isto às nossas comprovadas capacidades e experiência em vibração, a Trek Engineering pode agora medir, entender e projetar de acordo com tudo o que sentes e ouves na bicicleta.
Psicoacústica do TQ HPR50
O motor TQ HPR50 veio revolucionar o quão silenciosa e agradável pode soar uma bicicleta elétrica, um facto que podemos ilustrar utilizando testes avançados de psicoacústica e análises técnicas que foram desenvolvidas durante a fase de protótipo da bicicleta. O culminar destes testes foi a colocação de uma bicicleta de produção no ambiente com o som mais controlado possível: uma câmara anecóica.
Na câmara anecóica, comparámos o TQ HPR50 com uma bicicleta tradicional sem assistência, uma popular bicicleta elétrica de montanha de assistência ligeira e uma popular bicicleta elétrica de montanha de alta potência numa vasta gama de condições, num dispositivo de treino personalizado com isolamento acústico. Ao longo de dois dias, recolhemos 225 milhões de pontos de dados utilizando 21 microfones e um sensor de cadência que nos permitiu relacionar a frequência do som com a velocidade do motor.
Nestes testes, analisámos a tonalidade, a sonoridade, a potência sonora e o índice de articulação das bicicletas numa gama de cadências de 40-100 rpm, com uma potência total de 300 W e nos dois níveis mais elevados de assistência do motor. Todos os gráficos se baseiam num microfone B&K 4966-H-041 situado a 1 m lateralmente da bicicleta e a 1.7 m verticalmente do chão (à altura da cabeça, assinalado a azul).
“A bicicleta equipada com o motor HPR50 tem um som 4-5 vezes mais agradável do que outras bicicletas elétricas de montanha populares”
Não és grande fã de gráficos? Ouve por ti o som obtido a partir do interior da câmara anecóica!
OuveAs linhas sólidas representam o modo de maior assistência e as linhas tracejadas representam o segundo modo de maior assistência. Tonalidade calculada de acordo com o padrão ECMA-74:2019.
Sonoridade TQ HPR50
Embora a tonalidade esteja mais diretamente ligada à tua experiência a pedalar uma bicicleta elétrica, não nos esquecemos da sonoridade. Os gráficos abaixo mostram a sonoridade percecionada em dBA e sones. Dependendo de qual a combinação de bicicletas e métricas que levemos em consideração, o motor HPR50 é 1.5 a 1.8 vezes mais silencioso que os motores de outras bicicletas elétricas e compara-se melhor com bicicletas convencionais.
Potência de som TQ HPR50
A sonoridade é uma métrica de acústica essencial, mas depende da distância a que é colocada e a direção do microfone em relação à fonte do som. O nosso microfone ficou localizado nos ouvidos para representar mais fielmente a forma como o ciclista ou os seus parceiros de volta ouvem, uma vez que essa localização é a mais importante.
Mas, adicionalmente, fomos mais além na medição da potência do som, com a utilização hemisférica de um leque de 12 microfones para quantificar a energia de som total emitida pela bicicleta em todas as direções. Por outras palavras, a potência de som representa como é que as bicicletas soam a quem as ouve em qualquer localização à sua volta.
Como podemos ver no gráfico, a potência sonora é muito semelhante à intensidade do som junto à cabeça do ciclista. Isto valida tanto os nossos resultados de sonoridade como a localização escolhida para as nossas métricas de microfone único.
Índice de articulação TQ HPR50
Como mencionado anteriormente, o som da tua bicicleta pode interferir nas tuas conversas com os outros ciclistas enquanto pedalas. O Índice de Articulação prevê a quantidade de sinais de fala que podem ser ouvidos num determinado ruído. Mais uma vez, o HPR50 está muito mais próximo dos ruídos produzidos por uma bicicleta convencional do que dos ruídos das outras bicicletas elétricas e não interfere nas tuas conversas com os outros nos trilhos.
Testes no terreno
Embora este artigo se foque em testes realizados no ambiente altamente controlado de uma câmara anecóica, nós também levámos o nosso equipamento de testagem acústica para os trilhos para validação. Os resultados nos trilhos confirmam o mesmo, o HPR50 tem medições 3 a 5 vezes mais baixas em tonalidade e 1.5 a 1.8 vezes mais baixas em sonoridade do que outras bicicletas elétricas de montanha.
Análise de mapa de cores
Uma técnica de análise muito potente é mapear a sonoridade com cores numa escala de cadência e frequência de som. Nos mapas de cores abaixo, cada linha diagonal representa um som cuja frequência (tom) aumenta com a cadência. Estes são os tons que se destacam do som ambiente e chamam a tua atenção por serem desagradáveis.
Cada uma destas linhas diagonais corresponde a um componente físico giratório dentro do motor, cujo rácio de mudanças e número de dentes/ímanes se relaciona com o declive da curva. Claramente, as transmissões das bicicletas elétricas tradicionais têm muitos componentes móveis que criam muitos tons, enquanto o sistema de transmissão harmónica ‘pin ring’ da Fuel EXe cria apenas um tom muito mais silencioso.