使用屡获殊荣的 Fuel EXe 将听觉质量纳入电动自行车指标

Introduction

Trek Bicycle (Trek) 成立于 1976 年，总部位于美国威斯康星州滑铁卢。Trek 设计和制造各种类型的自行车，包括电动山地自行车、公路/城市自行车和其他配件。Trek 的目标是在其整个产品系列中实现持续创新和高科技性能。

通过持续创新，Trek Bicycle 在 2022 年 7 月推出了其开创性的产品系列，Fuel EXe 自行车。
Fuel EXe 是一款高功率的电动山地自行车，旨在为骑手提供更安静的骑行体验。Fuel EXe 使用了高质量的 Trek 设计、高标准的组件、更轻但更坚固的框架以及旨在增强骑手听觉体验的综合电动机。Trek 将电动自行车的声学性能引入了行业视野，并以其创新的自行车工程团队而闻名，其中包括经验丰富的山地自行车 (MTB) 工程师和专注于自行车的分析师，他们通过测量和定量分析深入了解声学等新的性能指标。

电动山地自行车声学

Trek 率先将听觉质量纳入电动山地自行车的性能指标，并成为业内的持续热门话题。

“作为 Trek 的声学测试和分析专家，这不仅是我的新角色，也是自行车行业的新角色。我们的目标是将新的测试和分析方法应用于 Fuel EXe 开发周期，同时将 Trek 的声学能力提升到新的水平，”Trek 性能研究小组的首席研发 (R&D) 工程师保罗·哈德解释道。

“这是一项艰巨的工作，伴随着许多的第一次。”

Trek 性能研究小组的研发工程师倾向于通过实验和仿真来测试新的原型理念并进行实验，以探索自行车物理学和人体性能方面的新知识。这种对新知识的追求推动团队闯入了听觉质量领域。

“多年来，在提高电动自行车电机和电池系统的小型化、轻量化和集成化以及踏板的舒适性方面，行业取得了长足的进步，”哈德说。“但是，电机和变速箱系统固有的噪音问题仍然普遍存在。借助 Fuel EXe 提供的机会，我们可以改进最后一块拼图，制造出真正没有缺点的电动自行车。”

为了生产这款电动自行车，Trek 与 Siemens Digital Industries Software 合作，在设计过程中使用 Simcenter™ 软件将 Fuel EXe 变为了现实。Simcenter 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的重要组成。

电动汽车的启发

该团队从电动汽车 (EV) 行业中寻找灵感。他们意识到，就像早期的电动汽车一样，电动自行车的声学领域也充满了机会。在从听觉体验和恼人噪音两个方面研究 Fuel EXe 的设计时，Trek 团队对声学进行了全面的研究。这包括研究电动自行车行业首创的声学指标，例如音调和清晰度指数。

“我几乎总是和其他人一起骑行，任何影响我交谈的噪音都会让我感到困扰。这与清晰度指数有关，”哈德补充道。“我们对适用于电动机的许多听觉质量指标做了大量的探索研究，并将音调作为判断声音是否恼人的关键指标。”

将声音科学与先进的工程技术相结合

哈德和 Trek 的 MTB 工程团队知道，Fuel EXe 的声学体验在很大程度上取决于电动机。团队之前使用的是 TQ HPR120 电机，虽然它动力强劲，但噪声也相当大。团队希望找到一个更小、更安静的电机版本。他们发现，TQ 的谐波针环技术使用更少的运动部件和独特的齿轮啮合，可以在制造更安静的新电机方面发挥作用。

“我们与电动机原始设备制造商 TQ 建立了紧密的合作伙伴关系，这意味着我们可以在制定规格和测试我们的电动机时展开高效合作，”哈德说。这次合作促成了用于 Fuel EXe 和 Domane+ 的 HPR50 电动机。

Trek 团队依靠 Simcenter Testlab 的帮助从声学测试和工程角度定义“听觉舒适度”的含义。

留下良好的第一印象

经过 Trek 和 TQ 之间的反复讨论研究，配备 HPR50 电动机的原型已准备好上路测试。Trek 的测试骑手认为配备 HPR50 电动机的原型车的听觉体验确实不错。
这是个好消息，但哈德知道他们还有更多的工作要做。

“我们的团队已经培养了扎实的声学测试和分析能力，但我们仍然需要弄清楚如何量化‘听觉舒适度’在电动自行车环境中的含义，”哈德解释道。“我们将声学作为新 TQ 电机的一个关键目标，并利用分析来量化、理解和跟踪它，同时根据整个开发过程中的诸多原型迭代做出决定。”

从主观意见到客观测量

该团队首先测量了响度，发现 Fuel EXe 的噪声几乎比其他电动自行车低一半，但测试骑手的主观评价认为这低估了它的听觉舒适度。

“在这一点上，我们意识到听觉质量对电动自行车体验的重要性，以及使用音调作为量化电动机噪音舒适度的关键指标有多么重要，”哈德说。“我们知道我们必须更加聪明地量化这些声音描述。因此，我们转向了听觉质量领域，因为该领域提供了大量的量化选项。
我们仔细研究了电动汽车的声学领域，并发现音调是一种典范做法。”

在赛道和声音实验室中执行测试

经过初步的测试骑行后，团队需要更具体的声学数据来做进一步研究。他们前往位于美国威斯康星州滑铁卢的 Trek 工厂总部的声音实验室，这里也是 Trek 专用山地自行车道的所在地，以进行更多的探索性声学分析。
这包括分析响度、音调和清晰度指数等声功率和音质指标，需要用到各种 Simcenter 测试解决方案，如便携式 Simcenter SCADAS™ XS 硬件和 Simcenter Testlab™ Neo 软件，后者是用于基于多学科测试的性能工程的新一代软件平台。

“使用 Simcenter SCADAS XS 进行现场测试非常简单，因为它可以放入自行车骑行服口袋中，与双耳头戴式耳机无缝集成，并且可以在室外用平板电脑上的 Simcenter Testlab Scope 应用程序进行无线控制，”哈德补充道。“在赛道测试期间，我们还使用 GPS 和运动相机在 Simcenter Testlab Neo 中可视化数据。”

实验室测试装置包括 Simcenter SCADAS XS、专业麦克风、一台设置为 300W 总电阻的隔音固定训练机，当然还有调整到最大辅助模式的 Trek Fuel EXe。Trek 团队根据 ECMA-74:2019 标准使用 Simcenter Testlab Neo 来计算音调。

“在研究了各种声音质量指标后，我们发现音调是最能代表骑手听觉体验的指标，”哈德说。“借助 Simcenter Testlab，我们可以轻松探索其他相关指标，例如突出比和清晰度指数。最糟糕的情况莫过于花费几天时间手动编写算法，最后发现它并不是有效的测试指标。”

哈德和团队在整个原型制作过程中不断提供反馈，并最终创建了一套先进的方法来诊断和改进电动自行车电机的声学特性。作为最后一步，他们在消声室中对最终生产的电机进行了为期两天的现场和实验室结果验证。最终结果证明，与其他流行的电动山地自行车相比，他们借助 Simcenter 设计的 Fuel EXe 的听觉舒适度高五倍，噪声几乎降低了一半。

电动自行车声学的未来

随着 HPR50 和 Fuel EXe 的投产，Trek 性能研究小组意识到他们正在研究前沿的电动自行车声学技术。

“量化人类的听觉感知非常复杂”，哈德说。“通过使用 Simcenter SCADAS XS 和 Simcenter Testlab Neo 软件，我不需要过多考虑如何获得正确答案，而是更加专注于这些答案带来的启示。与其他方式相比，我们能够快速测试不同指标并以交互方式可视化、筛选和回放数据，更快、更自信地获取见解。”哈德说：“真正令人兴奋的是，我们现在可以在未来电机和电动自行车研发项目的早期阶段利用这些工具和声学知识。”

用于现场测试和实验室测试设置的 Simcenter SCADAS XS。