科普:碳纤维轮组的“切风声”到底是什么?

出处 : escape 作者 : Ronan Mc Laughlin

大家在选购轮组时,一定会忘不了碳纤维轮组那响亮的“呼呼”声(并不是花鼓)。或许会有一些人觉得吵闹,但当你起步摇车加速时,轮组的呼呼“轰鸣”会让你的爱车更具高级感,“云功率”也蹭蹭往上涨,这在一些碳纤维封闭轮上更加明显。

那么问题来了,为什么碳纤维轮组的声音都是如此明显?而有些轮组则十分安静?这是一个看似简单的问题,但当你花点时间琢磨,就会不知不觉深陷其中。

严格意义来说,这种声音是“湍流噪音”,这是一种共振的声音。那么这种声音与轮框高度、碳纤维材料和内部结构是否有关联?

为了解决这个问题,外媒通过电子邮件将问题发送给Silca首席执行官乔什·波特纳,他是一位专业的空气动力学专家,他长期为Zipp工作,在车轮行业拥有丰富的经验。对于轮组发出的“呼呼”声,波特纳对此十分了解。

“答案既简单又直截了当。首先,那个嘈杂的噪音是共振,但它受到制造方法、材料和腔体的极大影响。”波特纳告诉外媒。

根据维基百科的补充资料,共振是指物理系统在特定频率和波长下,比其他频率和波长以更大的振幅做振动的情形。正如波特纳解释的那样,其中“有所谓的共振频率,即振幅最高的频率。”

简而言之,生活中一些可以振动的东西,比如具有刚性或张力的琴弦或弹力面,当一定量体积的空气推动声波,引发琴弦或弹力面的共振,它会发出噪音,就是这么简单。

这样就说得通了,但是为什么高框轮组的声音更大呢?根据波特纳的说法,尺寸很重要。“共振面的长度和面积至关重要,以鼓为例,如果你把鼓面缩小至原先的四分之一大小,那么即便用力击打它,它也不会发出太大的声音。但当鼓面足够大时,那完全是不一样的效果。”波特纳表示。

基本来说,轮组的表面积越大,那么声音就越大。这就能解释为什么全封闭轮组的“呼呼”声是最响亮的,高框轮组次之。“一旦轮框高度低于40毫米,就没有足够的侧壁面积来推动足够的空气,因此振幅和声音效果就非常低了。”波特纳认为。

此外,“呼呼”声不仅与共振面积相关,轮组的内外部结构也很重要,特别是轮组侧壁或全封闭轮组表面的张力。波特纳告诉外媒,内部没有辐条的全封闭轮轮组,如Campagnolo Ghibli、Lightweight Autobahn或Black Inc Zero的声音最响亮。

这些轮组的全封闭表面就像鼓一样,“它们的表面就是一个‘具有低自然频率’的大共振面,很容易通过地面振动被激发。车轮就像鼓一样,在内外部移动空气制造声音。”波特纳表示。

而与旧款的HED全封闭轮相比,上述的这些轮组在碳纤维封闭面后方,会有一层薄薄的泡沫芯。这种泡沫芯能够起到阻尼作用抑制振动。因此,尽管旧款HED全封闭轮与上述轮组都是空心设计,但是它们的音效却完全不同。

“而比如Zipp封闭轮,它内部使用的是Nomex纸蜂窝填充,这种材料增加了一些阻尼,还有整套系统自身的张力。因此,在某些情况下,Zipp封闭轮组的声音可能相当响亮,但却没有持续共振的影响。”波特纳表示。

因此,我们已经知道为什么封闭轮的声音总是那么大。与之相比,典型的辐条轮组和现代轮组的声音从何而来?波特纳举了几个例子,比较了不同的制造技术,回答高框轮组的噪音相关原理。

他首先以初代的Zipp 808轮组的轮圈为例,这是一个完全空心的轮圈,具有完整的环形侧面和超薄的侧壁。“Zipp 808的声音相当响亮,因为道路反馈的振动不断激发轮圈弯曲的侧壁,而这些侧壁在高速移动下又能够‘切开’ 相当多的空气。”波特纳解释道。


他接着补充,与轻量级的Corima轮组相比,后者使用超轻且坚硬的Rohacell泡沫芯,具有非常高的阻尼系数。由于泡沫芯,Corima轮组要安静得很多,泡沫芯会在一定程度上阻止轮圈侧壁的共振。

那么碳纤维材料的使用是否会对声音造成影响?答案是肯定的。波特纳解释道,高端车轮通常使用更薄的材料,碳布堆叠的层数更多,碳纤维与树脂的比重更高,因此轮圈侧壁更轻、更薄、更容易激发共振。

现代新式轮组真的更安静吗?

波特纳认为,碟刹轮组或许在一定程度上降低噪音。“此前,圈刹碳纤维轮组往往需要耐高温树脂,来抵御制动过程中的热量积聚。而现在,随着碟刹系统的推广,碟刹轮组的轮圈设计不再需要耐高温,制造商可以使用橡胶或能够增强弹性的低温树脂制作轮组,大大增加树脂本身的阻尼系数。正如你现在可能已经猜到的那样:增加阻尼等于减少噪音。”波特纳表示。

正如波特纳所指出的那样,你可以用清楚地看到树脂材料的变革。高强度和耐高温树脂在外观上往往非常亮眼,碳纤维材料看起来闪闪发光,很漂亮。相比之下,钢化树脂外观呈现乳白色,往往使碳纤维轮组的外观看起来有点平淡和深灰色,你可以很容易就能够进行判断。

正是这一点上,波特纳向我们透露了一些行业秘密,“如今市场上几乎所有的低成本车轮,都设计为采用更多的树脂材料,并使用了大量的玻璃纤维。这样做,制造商可以显著降低成本,同时使轮组具有高抗冲击性。”波特纳表示,虽然这听起来很棒,但是省下成本也代表增加重量和减少刚性。记住:“便宜、轻量和硬,只能选两个。”


让我们回到主题,更重要的观点是,增加的树脂和玻璃纤维也会大大抑制任何噪音。因为根据波特纳的说法,玻璃纤维比碳硬得多,而且当树脂硬化时,会增加更多的阻尼。

这是一个非常有趣的观点,那么我们再深入想一下,不同轮组的发出的“呼呼”声,是否可能证明轮组的质量、价格或市场地位?波特纳表示,低框轮组可能确实能够判断,不过随着昂贵轮组加入轻量级的填充泡沫,它们也能变得安静。

Factor and Black Inc的工程总监格雷厄姆·什里夫告诉我们,价格中低端、管壁更厚的现代碳纤维车架(特别是更重的版本),也可能抑制我们轮组发出的声音,他还认为,轮组的声音也可能很好地反映骑行质量。

什里夫解释说:“以前文所述的鼓为例,更厚的鼓皮有更深的音调。套用于车架和轮组上时,随着管壁变薄,通过结构传输的频率范围会增加。”他补充道,在路上高速骑行时,车架和轮组中较厚的管壁减少了高频震动的传输量。这种效果与舒适感密切相关,而舒适感也受到频率传输和振幅的影响。

什里夫进一步指出,一些车友认为高频反馈的车辆非常“活泼”,深受他们喜爱,因为这些自行车能够帮助他们直接感知路面的变化。相比之下,有些车手则不喜欢这种高频反馈的感觉,他们会通过使用更厚的把带、手套、袜子以及更宽的轮胎,将自己的身体与灵敏的骑行感受隔离开。

开口胎和真空胎都没管胎响

波特纳认为,如果你想要轮组更加安静,那就换上真空胎吧。“传统的管胎系统内部,本质上就是一个大的开放腔,808管胎轮组可能有75毫米的薄侧壁来激发共振,而开口胎或真空胎轮组可能只有60毫米的侧壁来激发共振。”他说。

什里夫补充道,开口胎特别是真空胎系统,与传统的管胎系统有着巨大的差异。它们在充气时对轮圈边缘施加反向径向力,也改变整体系统的K值(弹簧率)和自然频率,此外,由于轮胎沟槽等重量的增加,也显著增加了阻尼力。”他说道。

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