Cykelakustik och hur man minskar ljudet från en elcykelmotor

I den här artikeln ska vi titta närmare på vetenskapen som rör akustik och cyklar. Det är ett helt nytt fält inom cykelprestanda som troligen betyder mer för cyklisten än vad man kan tro. Vi har genomfört våra mest omfattande akustiska tester med vår första TQ-utrustade elcykel, Fuel EXe med HPR50. Det var här vi verkligen finjusterade hur upplevelsen av ljud från en elcykel bör kvantifieras.

I slutändan kunde vi visa att det ljud man upplever från TQ HPR50 är 5 ggr behagligare och 1,8 ggr tystare än ljudet från andra populära el-MTB. Faktum är att vi lyckades visa att en TQ-motor låter betydligt mer lik en traditionell cykel utan assistans än som en el-MTB.

När TQ lanserade nya HPR60 replikerade vi de mest tilltalande delarna i testet i vår videostudio och nådde slutsatsen att de trots att de hade mer kraft och vridmoment än HPR50 fortfarande var ännu tystare. Så oavsett vilken version av TQ:s HPR-motor du cyklar med kan du glömma motorljud och fokusera på terrängen framför dig.

Nyfiken på att lära dig mer om hur ljud uppfattas? Läs den tekniska informationen nedan och fördjupa dig i hela berättelsen om våra akustiska tester på en ny nivå.

Dina otroliga öron

Hörseln är kanske ditt känsligaste organ och att matcha en mikrofon mot hörselsinnet kräver mycket av vetenskapen.

Dina öron kan detektera ljudtrycksnivåer mellan 20 och 100 000 000+ mikropascal- ett ofattbart stort område. Det är som att ha en linjal som kan mäta alltifrån tjockleken på ett pappersark upp till höjden på en byggnad med 100 våningar! För att klara av detta enorma område pratar vi i dagligt tal om ljud i den logaritmiska decibelskalan (dB).

Dina öron kan även detektera ljudfrekvenser mellan 20 och 20 000 Hz - ett annat enormt område. En enda tryckvåg som når örat innehåller en kombination av alla dessa frekvenser från alla ljudkällor runt omkring dig. Den spiralformade öronsnäckan separerar den kombinerade tryckvågen till enskilda frekvenser igen och kodar dem som nervsignaler. Dina öron är fantastiska ljudsensorer som är både kraftfulla och fascinerande!

Fascinerande ljudsensorer

Psykoakustik

Nervsignaler från öronen tolkas genom akustisk analys av den superdator som din hjärna är. Föreställ dig den nästan mirakulösa processorkraft och precision som krävs för att separera och lokalisera ljud i tre dimensioner i realtid (det vi kallar ljuduppfattning). Din hjärna analyserar dessa ljudmönster och tilldelar dem sedan betydelser, känslor och associationer.
Psykoakustik är studien av hur öra-hjärna-systemet uppfattar och tolkar ljud. Olika psykoakustiska mått har utvecklats för att konvertera rådata från mikrofoner till människans tolkning av ljud i termer av både kvantitet (ljudstyrka) och kvalitet.

Upplevd ljudstyrka

Frekvensområdet har stor betydelse för hur du upplever ett ljud. Till exempel upplevs 75 dB vid 1 000 Hz som ett mycket starkare ljud än 75 dB vid 100 Hz. Upplevd ljudstyrka beskrivs vanligen genom en A-viktningskurva som konverterar decibel (dB) till A-viktade decibel (dBA). Värdet dB definierar ljudvågens fysiska magnitud medan dBA är en approximation av upplevd ljudstyrka av samma ljudvåg.

Baserat på A-viktningskurvan har forskare kompletterat med en omfattande serie isokurvor för ljudstyrka som fullständigare avspeglar människans komplexa hörsel. Diagrammet visar kurvor över upplevd ljudstyrka. I varje kurva är ljudstyrkan densamma vid olika frekvenser. Ljudstyrkan fördubblas för varje kurva på en högre nivå. Om dina öron fungerade på samma sätt som mikrofoner skulle alla kurvor vara horisontella linjer med samma avstånd.
Av diagrammet framgår även ljudmåttet son som används på samma sätt som dBA, men är mer sofistikerat och intuitivt. Son kan jämföras direkt mot ljudstyrka (2 ggr ljudstyrka = 2 ggr son) medan dBA är något ologiskt (2 ggr ljudstyrka = 10 dB högre dBA).

Ljudkvalitet

Ofta är det ljudkvaliteten snarare än ljudstyrkan som bestämmer hur hjärnan skiljer mellan bra och dåliga ljud. Ett exempel är det högfrekventa ljud som en mygga åstadkommer. Det är relativt tyst, men upplevs otrevligt, och det överröstar bakgrundsljudet och fångar din uppmärksamhet. Ingenjörer beskriver den här särskilda typen av ljud som ”tonala”, men vår hjärna kan tolka många andra ljudmönster, t.ex. skrammel, gnissel, knarr, skrik, muller och många fler.

Många ljudmönster kan kvantifieras med mikrofondata och ljudkvalitetsmått som tonalitet, klangfärg, råhet, frekvensupplösning, differenslimen och artikulationsindex. Med dessa mått går det att förutsäga hur trevlig upplevelsen av att använda en produkt kommer att bli, tillsammans med produktens byggkvalitet och prestanda.

Ett intressant exempel på ljudkvalitetens betydelse är den omsorg som konstruktörerna lägger ned på ljudet när en bildörr stängs. Det ljudet har inte betydelse för bilens primära funktion, men ger ett första intryck av bilens kvalitet och tillförlitlighet.

Elcykelns psykoakustik

Och vad har allt det här att göra med cyklar? Under flera års pionjärarbete inom psykoakustik för cyklar har Trek Performance Research Center kunnat se att cykelljudets ljudkvalitet - ofta mer än ljudstyrkan - påverkar hur man uppskattar cykelturen. För el-MTB har vi fokuserat på två ljudkvalitetsmått - tonalitet och artikulationsindex.

Tonalitet

Elmotorer har en tendens att skapa högfrekventa ljud som kan uppfattas som särskilt störande. På samma sätt som t.ex. en mygga kan en elcykelmotors vinande ljud vara påträngande och överrösta bakgrundsljudet.

Tonalitet (specifikt HMS-tonalitet) är ett modernt ljudkvalitetsmått som baserat på ett antal avancerade algoritmer visar en modell av hur människan uppfattar obehagliga ljud. Vi har sett att tonalitet är ett viktigt mått för cyklisternas upplevelse av en elcykel.

HMS-beräkningar av tonalitet i en komplex sekvens med 14 algoritmer skapar en modell av hur öra/hjärna uppfattar irriterande ljud (från standarden ECMA-74:2019)

Artikulationsindex

En stor del av nöjet med att cykla med vänner och familj är möjligheten att prata med varandra, lära varandra nya förmågor och ge råd på nya stigar. Men olika ljud på stigen - däribland din elcykelmotor - kan göra det omöjligt att höra vad andra säger. Artikulationsindex är ett mått på ljudkvaliteten som anger hur stor del av talet som kan uppfattas. Det är en bra indikator på hur ljud kan avskärma dig från upplevelsen med gruppcykling.

Mer information om artikulationsindex

Verktyg och vetenskap

Psykoakustik är en vetenskap som nyligen har börjat tillämpas inom cykelbranschen och som har visat sig ha stor betydelse för hur en cykel upplevs av cyklisten. Trek har utvecklat psykoakustiska verktyg som syftar till att förbättra åkupplevelsen med hjälp av vetenskapliga rön. Trek Engineering har väldokumenterade expertkunskaper om vibrationer och med tillägg av dessa nya verktyg går det nu att mäta, förstå och designa allt som cyklisten känner och hör på cykeln.

Psykoakustik för TQ HPR50

HPR50 är en revolution i elcykelns psykoakustik. Hur tyst och behagligt en elcykel kan låta visar vi genom avancerade psykoakustiska tester och analysmodeller utvecklade under cykelns prototypfas. Det avgörande testet på slutversionen utfördes i den mest kontrollerade ljudmiljö som finns, ett ekofritt rum.

I ett ekofritt rum har vi jämfört TQ HPR50 med en traditionell analog cykel, en populär el-MTB med lågeffektsassistans och en annan populär el-MTB med högeffektsassistans, under en rad olika förhållanden på en ljudisolerad trainerfixtur. Under två dagar samlade vi in 225 miljoner datapunkter med hjälp av 21 mikrofoner och en kadenssensor. På så vis kunde vi relatera ljudfrekvens till motorhastighet.

I testerna analyserade vi cyklarnas tonalitet, ljudstyrka, ljudeffekt och artikulationsindex över kadensintervallet 40 till 100 varv per minut vid en total effekt på 300 W och i de två högsta assistanslägena. Alla diagram baseras på en B&K 4966-H-041-mikrofon som placerats 1 m vid sidan av cykeln på nivån 1,7 m vertikalt från golvet (i huvudhöjd, blå cirkel).

”Ljudet från HPR50 är 4 - 5 ggr behagligare än ljudet från andra populära el-MTB”

Gillar du inte att tolka diagram? Lyssna då med egna öron på hur det låter i ett ekofritt rum!

Lyssna

Heldragna linjer visar det högsta assistansläget och streckade linjer det näst högsta assistansläget. Tonalitet beräknat enligt standarden ECMA-74:2019.

Ljudstyrka för TQ HPR50

Även om tonalitet är det som bäst beskriver hur ljudet från en elcykel upplevs, vill vi säga några ord om ljudstyrka. Diagrammen nedan visar upplevd ljudstyrka i både dBA och son. Beroende på vilken kombination av cykel och mätvärden vi tittar på är HPR50 1,5 - 1,8 ggr tystare än andra elcyklar och mest jämförbar med en cykel utan motor.

Ljudeffekt för TQ HPR50

Ljudstyrka är ett viktigt akustiskt mått, men det måste relateras till mikrofonens avstånd och riktning mot ljudkällan. Mikrofonernas placering valdes för att representera ljudet i nivå med cyklistens eller omkringståendes öron eftersom det är där som ljudet har störst betydelse.

Vi tog ljudtestning ett steg vidare genom att mäta ljudeffekten med hjälp av en hemisfärisk vektor med 12 mikrofoner. Härigenom kunde vi kvantifiera den totala ljudenergi som emitterades från cykeln i alla riktningar. Ljudeffekt är ett mått på hur ljudet uppfattas av personer runt om cykeln.

Som vi ser i diagrammet är ljudeffektsnivån påtagligt lik ljudet som mäts nära cyklistens huvud. Detta bekräftar både våra mätvärden och den valda positionen för vår mikrofon.

Artikulationsindex för TQ HPR50

Som vi tidigare diskuterat kan ljudet från din cykel påverka din möjlighet att prata med dina medcyklister. Artikulationsindex är ett mått på hur tal kan uppfattas i ett givet omvärldsbrus. Återigen kan noteras att med HPR50 liknar elcykeln mycket mer en analog cykel än andra elcyklar och den skapar inte ett störande inslag för samtal på stigen.

Färgdiagram

Denna mycket kraftfulla analysteknik visar ljudstyrka som färger över en skala med både kadens och ljudfrekvens. I färgdiagrammet nedan representerar varje diagonal linje en ton vars frekvens ökar med kadensen. Dessa toner överröstar bakgrundsljuden och uppfattas som obehagliga.

Var och en av de diagonala linjerna motsvarar en fysisk, roterande komponent i motorn vars utväxling och kugg-/magnetantal motsvaras av lutningen på linjen. Det är tydligt att transmissionen på traditionella elcyklar har många rörliga delar, som genererar många frekvenser, medan Fuel Exes harmoniska stiftringtransmission endast genererar en enda, och en mycket tystare, frekvens.