So reduzieren Sie den Drohnenlärm der Propeller

Von Lauren Nagel

Die Reduzierung von Drohnenlärm hat für viele Drohnenentwickler und -betreiber hohe Priorität. Der Kauf von leisen Propellern oder einer leisen Drohne ist ein Weg, dies zu erreichen, aber es gibt fast immer Raum für weitere Verbesserungen.

Was können Sie als Drohnenentwickler oder -betreiber noch tun, um den Lärm Ihrer Drohne zu reduzieren?

In diesem Artikel betrachten wir, wie Propeller zum Drohnenlärm beitragen und wie sich der Lärmpegel zwischen ausbalancierten und unbalancierten Propellern unterscheidet. Wir schließen mit einer praktischen Empfehlung ab, wie Sie den Lärm Ihrer Drohnenpropeller reduzieren können.

Inhaltsverzeichnis

1. Propellerschäden und Lärm

2. Leistung von Drohnenpropellern mit geringem Lärm

3. So reduzieren Sie den Drohnenlärm

Abbildung 1: Quadcopter-Drohne im Flug

1. Propellerschäden und Lärm

Intuitiv geht man davon aus, dass unbalancierte Propeller mehr Lärm erzeugen als ausbalancierte Propeller. Bei kleinen Unwuchten, die den Flug der UAV nicht wesentlich beeinträchtigen, sind die Ergebnisse jedoch gemischt.

In Pechan (2015) beobachteten die Autoren beispielsweise den gegenteiligen Effekt. Propeller mit verschiedenen Unvollkommenheiten wie Erhebungen, Kerben und Massenunwuchten wurden hinsichtlich ihrer Lärmemission getestet und bei verschiedenen Drehzahlen von 3000 bis 5500 U/min betrieben.

In der Mehrheit ihrer Experimente zeigten die Propeller mit Erhebungen oder Kerben im Durchschnitt eine gleiche oder höhere Lärmemission (LZmax) im Vergleich zum unbeschädigten Propeller.

Abbildung 2: Der höchste gemessene Lärmpegel (LZmax) von beschädigten (B1–B5), unbalancierten (B6) und glatten Propellern (Pechan, 2015)

Im Fall des unbalancierten Propellers, bei dem Material durch Schleifen von einer der Blätter entfernt worden war, zeigten die Ergebnisse, dass der ausbalancierte Propeller bei 5000 U/min tatsächlich bei höheren Frequenzen mehr Lärm erzeugte. 

Abbildung 3: Lärmspektren von glatten und unbalancierten Propellern bei 3000 (links) und 5000 U/min (rechts) (Pechan, 2015)

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Die Autoren geben nicht an, wie viel Material von der Blattfläche entfernt wurde, daher ist es schwierig, diese Ergebnisse zu interpretieren. Die durch Hinzufügen oder Entfernen von Material beschädigten Propeller wurden ebenfalls nicht im Detail charakterisiert und stellen wahrscheinlich selbst einen unbalancierten Zustand dar.

Die Autoren erörtern den Unterschied zwischen tonalem und breitbandigem Lärm und unterscheiden ihn wie folgt: „Tonaler Lärm steht im Zusammenhang mit der Aerodynamik und Kinematik des Blattes in einer gleichförmigen Strömung, [...] Dicke, Belastung und Quadrupollärm. Breitbandiger Lärm ist komplexer und wird durch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und verschiedenen Komponenten des Blattes erzeugt“.

Die tonalen Lärmpegel machen den größten Teil des Gesamtlärms aus, während der breitbandige Lärm nur einen kleinen Teil ausmacht. Sie stellen fest, dass der Dickelärm, der durch die Dicke des Propellerblattes bestimmt wird, ein wesentlicher Beitrag zum tonalen Lärm ist.

Es könnte die Hypothese aufgestellt werden, dass durch die Reduzierung der Dicke des Blattes des unbalancierten Propellers mittels Schleifen der Dickelärm reduziert und die gesamte tonale Lärmemission gesenkt wurde.

Wenn Sie Gewicht an Propellern hinzufügen oder entfernen müssen, um sie auszubalancieren oder aus anderen Gründen, gibt es sichere Methoden, dies zu tun.

2. Leistung von Drohnenpropellern mit geringem Lärm

Eine dritte Studie, die von Semke (2021) durchgeführt wurde, untersuchte, wie sich Schäden auf die Beschleunigung, die akustischen Pegel und die Flugleistung von UAVs auswirken. Die Tests wurden mit einer DJI Phantom 4 Pro mit vier unterschiedlichen Propellersets durchgeführt; zwei der Sets hatten ein leises Design und die anderen beiden Sets ein Standarddesign. In jedem Set wurde ein Zentimeter Material von der Spitze eines der Propeller entfernt, um eine Unwucht zu erzeugen, während der andere unverändert blieb.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei zwei der Standardpropeller die unbalancierten Propeller im Vergleich zu den unveränderten Propellern eine Lärmpegelzunahme von 4 dB aufwiesen. Im Gegensatz dazu zeigten die leisen Propeller kaum oder gar keinen Unterschied zwischen den beschädigten und unbeschädigten Zuständen.

Abbildung 4: Schalldruckpegel in dB von UAVs mit unbeschädigten und beschädigten Propellern (Semke, 2021)

Sie untersuchten auch die Vibrationen des Fluggeräts mithilfe eines eingebauten Beschleunigungssensors. Die Ergebnisse spiegeln die akustischen Messungen wider: Alle beschädigten Fluggeräte wiesen erhöhte Vibrationen auf, aber die Zunahme war bei UAVs mit leisen Propellern weniger ausgeprägt.

Abbildung 5: Beschleunigungszunahme zwischen UAVs mit unbeschädigten und beschädigten Propellern (Semke, 2021)

Jede dieser Studien geht davon aus, dass die Propeller und Motoren der UAV vor den Experimenten gut ausbalanciert waren. Es wäre interessant, weitere Studien zu diesen Effekten mit folgenden Ergänzungen zu sehen: 1) bekannte Propellermasse, 2) bekannte Masse oder Größe der Unwucht, 3) eine Messung der Balance des Propellers anhand eines etablierten Standards.

Die Erkenntnis aus diesen Studien ist, dass kleine Unwuchten in Drohnenpropellern zu einer erhöhten Lärmemission führen können. Große Unwuchten führen wahrscheinlich zu noch mehr Lärm, der bei größeren Propellern oder Propellern, die mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden, deutlicher wird.

Weiterführende Literatur: So balancieren Sie einen 3-Blatt-Propeller

3. So reduzieren Sie den Drohnenlärm

Studien wie diese werfen mehrere Fragen über den Zusammenhang zwischen Propellerbalance und Lärmemission auf. Insgesamt scheint es, dass gut ausbalancierte Propeller Ihnen helfen können, den Drohnenlärm zu reduzieren.

Es gibt viele statische Balancer auf dem Markt, die Ihnen helfen können, eine grundlegende Balance Ihres Propellers zu erreichen, aber für eine präzisere Balance und die Minimierung der letzten paar dB ist eine dynamische Balance unerlässlich.

Wir bei Tyto Robotics haben ein dynamisches Propeller-Balance-System entwickelt, mit dem Benutzer Unwuchten in ihren Propellern in nur wenigen Umdrehungen quantifizieren und korrigieren können.

Wir verwenden den ISO-Standard 21940-11 als Grundlage für die Balance, sodass Sie Ihre Propeller schnell nach international anerkannten Standards ausbalancieren können.

Das System paart sich mit einem Schallsensor, um den von Ihrem Propeller erzeugten Lärm bei verschiedenen Unwuchtzuständen zu messen.

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Abbildung 6: Hinzufügen von Gewichten zu den Blättern eines Propellers, um eine gleichmäßige Massenverteilung zu erreichen

Fazit

Wir hoffen, dass dieser Artikel einige Einblicke in den Zusammenhang zwischen Propellerbalance und Drohnenlärmemission gegeben hat. Wenn Sie weitere Ideen oder Fragen haben, lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen.

Um mehr darüber zu erfahren, wie unbalancierte Propeller die Leistung Ihrer Drohne beeinträchtigen können, laden Sie unser Whitepaper herunter: Konsequenzen der Propellerunwucht auf die UAV-Leistung:

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