프로펠러 드론 소음 줄이는 방법

작성자: 로렌 네겔

드론 소음을 줄이는 것은 많은 드론 개발자와 운영자에게 중요한 과제입니다. 저소음 프로펠러나 저소음 드론을 구매하는 것도 한 방법이지만, 개선의 여지는 언제나 남아 있습니다.

드론 개발자나 운영자로서 드론 소음을 줄이기 위해 무엇을 더 할 수 있을까요?

이 글에서는 프로펠러가 드론 소음에 어떤 영향을 미치는지, 균형이 잘 잡힌 프로펠러와 균형이 맞지 않는 프로펠러의 소음 수준이 어떻게 다른지 살펴봅니다. 마지막으로 드론 프로펠러에서 발생하는 소음을 줄이는 실질적인 방법을 제안합니다.

목차

1. 프로펠러 손상과 소음

2. 저소음 드론 프로펠러의 성능

3. 드론 소음을 줄이는 방법

그림 1: 비행 중인 쿼드콥터 드론

1. 프로펠러 손상과 소음

직관적으로 균형이 맞지 않는 프로펠러는 균형이 잘 잡힌 프로펠러보다 더 큰 소음을 발생시킬 것으로 생각하기 쉽습니다. 그러나 UAV의 비행에 큰 지장을 주지 않는 정도의 미세한 불균형의 경우 그 결과는 엇갈립니다.

예를 들어 Pechan(2015)의 연구에서 저자들은 이와 반대되는 결과를 관찰했습니다. 돌출부, 톱니 모양의 날, 질량 불균형 등 다양한 결함이 있는 프로펠러를 대상으로 소음 발생을 테스트했으며, 3000~5500 RPM의 다양한 회전 속도에서 회전시켰습니다.

대부분의 실험에서 돌출부나 톱니 모양이 있는 프로펠러는 손상되지 않은 프로펠러와 비교해 평균적으로 같거나 더 높은 소음 발생량(LZmax)을 보였습니다.

그림 2: 손상된(B1~B5), 균형이 맞지 않는(B6), 매끄러운 프로펠러에서 감지된 최고 소음 수준(LZmax) (Pechan, 2015)

샌딩으로 한쪽 날의 재료를 제거한 균형이 맞지 않는 프로펠러의 경우, 5000 RPM에서 균형이 잘 잡힌 프로펠러가 고주파수 대역에서 실제로 더 많은 소음을 발생시키는 것으로 나타났습니다. 

그림 3: 3000(왼쪽) 및 5000 RPM(오른쪽)에서 매끄러운 프로펠러와 균형이 맞지 않는 프로펠러의 소음 스펙트럼 (Pechan, 2015)

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저자들은 날에서 어느 정도의 재료가 제거되었는지 명시하지 않았기 때문에 이러한 결과를 해석하기 어렵습니다. 재료를 추가하거나 제거하여 손상된 프로펠러 또한 자세히 설명되지 않았으며, 그 자체로 불균형 상태를 나타낼 가능성이 큽니다.

저자들은 톤 소음과 광대역 소음의 차이에 대해 다음과 같이 설명합니다. “톤 소음은 균일한 흐름 속 날개의 공기역학 및 운동학, [...] 두께, 하중 및 사중극자 소음과 관련이 있습니다. 광대역 소음은 더 복잡하며 흐름과 날개의 다양한 구성 요소 간의 상호작용에 의해 발생합니다.”

톤 소음 수준은 전체 소음의 대부분을 차지하는 반면, 광대역 소음은 아주 적은 부분만을 차지합니다. 저자들은 톤 소음의 주요 원인이 프로펠러 날개의 두께에 의해 결정되는 두께 소음이라고 언급합니다.

샌딩을 통해 균형이 맞지 않는 프로펠러 날개의 두께를 줄임으로써 두께 소음을 줄이고 전체적인 톤 소음 발생을 낮췄을 것이라고 가설을 세울 수 있습니다.

균형을 맞추거나 기타 목적으로 프로펠러에 무게를 추가하거나 제거해야 하는 경우, 안전하게 수행할 수 있는 방법이 있습니다.

2. 저소음 드론 프로펠러의 성능

Semke(2021)가 수행한 세 번째 연구에서는 손상이 UAV의 가속도, 음향 수준 및 비행 성능에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 네 가지 서로 다른 프로펠러 세트를 장착한 DJI Phantom 4 Pro를 사용하여 테스트를 진행했습니다. 두 세트는 저소음 설계였고 나머지 두 세트는 표준 설계였습니다. 각 세트에서는 불균형을 유도하기 위해 프로펠러 하나 중 하나의 끝에서 1cm의 재료를 제거했으며, 다른 하나는 수정하지 않았습니다.

연구 결과, 표준 프로펠러 두 개에서 불균형 프로펠러는 수정되지 않은 프로펠러에 비해 소음 수준이 4dB 증가한 것으로 나타났습니다. 반면 저소음 프로펠러는 손상된 경우와 손상되지 않은 경우 사이에 거의 차이가 없었습니다.

그림 4: 손상되지 않은 프로펠러와 손상된 프로펠러를 장착한 UAV의 음압 수준(dB) (Semke, 2021)

연구진은 기내 가속도계를 사용하여 항공기의 진동도 조사했습니다. 결과는 음향 측정 결과와 일치했습니다. 손상된 항공기는 모두 진동이 증가했지만, 저소음 프로펠러를 장착한 UAV에서는 그 증가 폭이 덜했습니다.

그림 5:손상되지 않은 프로펠러와 손상된 프로펠러를 장착한 UAV 간의 가속도 증가 (Semke, 2021)

이 연구들은 모두 실험 전에 UAV의 프로펠러와 모터가 잘 균형 잡혀 있었다고 가정했습니다. 다음과 같은 요소가 추가된 후 이러한 효과에 대한 추가 연구가 이루어진다면 흥미로울 것입니다. 1) 알려진 프로펠러 질량, 2) 알려진 불균형의 질량 또는 크기, 3) 확립된 표준에 대한 프로펠러 균형 측정.

이 연구들의 핵심은 드론 프로펠러의 미세한 불균형이 소음 발생 증가로 이어질 수 있다는 것입니다. 큰 불균형은 더 많은 소음을 발생시킬 가능성이 높으며, 프로펠러가 커지거나 매우 높은 RPM으로 작동할수록 더욱 두드러지게 됩니다.

추가 읽을거리: 3엽 프로펠러 균형 맞추기

3. 드론 소음을 줄이는 방법

이러한 연구들은 프로펠러 균형과 소음 발생 사이의 관계에 대해 몇 가지 질문을 제기합니다. 전반적으로 프로펠러의 균형을 잘 맞추면 드론 소음을 줄이는 데 도움이 됩니다.

시중에는 프로펠러의 기본적인 균형을 맞추는 데 도움이 되는 정적 밸런서가 많이 있지만, 더 정밀하게 균형을 맞추고 마지막 몇 dB을 최소화하려면 동적 밸런싱이 필수적입니다.

Tyto Robotics에서는 사용자가 단 몇 번의 회전만으로 프로펠러의 불균형을 정량화하고 수정할 수 있는 동적 프로펠러 밸런싱 시스템을 개발했습니다.

저희는 ISO 21940-11 표준을 밸런싱의 기준으로 사용하므로, 국제적으로 인정받는 표준에 맞춰 프로펠러의 균형을 신속하게 맞출 수 있습니다.

이 시스템은 사운드 센서와 결합하여 프로펠러가 생성하는 소음을 측정하고, 불균형의 다양한 상태에 따른 소음을 측정합니다.

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그림 6: 균일한 질량 분포를 달성하기 위해 프로펠러 날개에 무게 추가

결론

이 글이 프로펠러 균형과 드론 소음 발생 사이의 관계에 대한 통찰을 제공했기를 바랍니다. 추가적인 아이디어나 질문이 있으시면 댓글로 알려주세요.

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