Warum sind Drohnen so laut?

Wenn Sie schon einmal eine Drohne geflogen haben, wird Ihnen sofort bewusst, wie laut sie wirklich ist. Wenn man sich die Drohnenaufnahmen anderer Leute im Internet ansieht, kann man nur selten genau hören, wie laut die Drohne ist. Das Geräusch der Drohne kann von einem leisen, hohen Summen bis hin zu einem lästigen Pochen reichen, das noch in einiger Entfernung zu hören ist. In diesem Artikel gehen wir darauf ein, warum Drohnen so laut sind und was Sie tun können, damit Ihre Drohne nicht zu laut wird. Außerdem werfen wir einen Blick auf die Wissenschaft, die hinter der neuesten Technologie zur Reduzierung des Fluglärms von Drohnen steckt.

Drohnen sind laut, weil die Propeller sich schnell durch die Luft bewegen und dabei viel Luft verdrängen, was zu Druckspitzen und -abfällen führt, während sich der Propeller dreht – und so das charakteristische Summgeräusch erzeugt. Die schnelle Bewegung der Propellerblätter und die Anstrengung der Elektromotoren verursachen ebenfalls eine Menge Lärm.

Je schneller sich die Propeller drehen, desto höher ist die Tonhöhe des erzeugten Brummens, und je langsamer die Propeller die Luft durchschneiden, desto niedriger ist die Tonhöhe. Ich habe die Mavic Air und sie hat kleinere Propeller als andere DJI-Drohnen und es gibt einen spürbaren Unterschied in der Steigung und dem Sand, den sie erzeugen. Größere Drohnen haben längere Propeller und eine geringere Rotationsfrequenz während des Fluges.

Warum sind Drohnen so laut? – Hier ist die kurze Antwort:

Hier sind vier Gründe, warum Drohnen beim Schweben und Fliegen so viel Lärm machen:

• Die Rotationsfrequenz der Propeller – wie bereits erwähnt, wird eine höhere Frequenz erzeugt, wenn die Propeller schnell durch die Luft peitschen. Man kann nicht viel dagegen tun, dass die Drohne eine hohe Rotationsfrequenz benötigt. Das ist es, was sie in der Luft hält. Sie können jedoch eine Drohne wählen, die größer ist und eine langsamere Rotationsfrequenz hat, um das hohe „Bienenschwarm“-Geräusch zu vermeiden.
• Propellerblätter, die über die Arme laufen – einer der Hauptgründe, warum Drohnen ein hohes Geräusch erzeugen, ist, dass die Propellerblätter über die Arme laufen müssen, die sie über den Körper der Drohne hinaus halten. Wenn die Propellerblätter über die Arme gleiten, entsteht vorübergehend ein Hochdrucksystem über dem Arm, und der Druck unter dem Flugzeug wird abgebaut. Dies erzeugt eine Druckwelle und ein Geräusch mit einer relativ niedrigen Frequenz.
• Die Größe der Drohne – das Gewicht der Drohne bestimmt, wie schnell die Propeller drehen müssen, um den für den Schwebeflug erforderlichen Schub zu erzeugen. Wenn du eine schwere Drohne kaufst, drehen sich die Propeller schneller und sind viel lauter. Stellen Sie sich zum Vergleich einen Hubschrauber als die ultimativ laute schwere Drohne vor.
• Die Länge, Steigung und Tiefe der Propeller – größere Propeller verdrängen mehr Luft, während sie sich drehen, was bedeutet, dass sie mehr Schub erzeugen und eine geringere Drehfrequenz benötigen, um die Drohne in der Luft zu halten. Das Geräusch wird auch durch den Winkel oder die Steigung des Propellers verändert, da die Steigung bestimmt, wie viel Störung er in der Luft verursacht.

Nun, da Sie wissen, warum Drohnen so viel Lärm erzeugen, werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie laut Drohnen sind, und geben Ihnen die Möglichkeit, dies mit Alltagsgeräuschen zu vergleichen.

Wie laut ist eine Drohne?

Drohnen sind in ihrer Lautstärke sehr unterschiedlich. Außerdem gibt es einen Zusammenhang zwischen der Nähe, die eine Drohne zum Beobachter fliegt, und der Lautstärke, mit der die Drohne wahrgenommen wird. Um zu verstehen, wie laut eine Drohne ist, müssen wir uns auf die Einheit der Lautstärke beziehen, die das Dezibel ist.

Ein Dezibel ist eine Einheit für die Intensität von Sand und wird mit dB abgekürzt. Die dB-Skala ist sehr groß, weil sie so empfindlich auf Sand reagiert. Menschen mit einem normalen Hörvermögen können alles hören, von einer leichten Berührung auf der Haut bis zum Dröhnen eines Flugzeugmotors. Die Dezibel-Skala ist eine logarithmische Skala. Das bedeutet, dass sie mit jeder Einheit um eine Potenz von 10 zunimmt.

Um die gesamte Bandbreite der Dezibelwerte in Bezug auf Alltagsgeräusche zu verstehen, finden Sie hier eine Tabelle mit verschiedenen dB-Werten.

Dezibel-Pegel

0 dB ist der leiseste Sand, den das menschliche Ohr hören kann, und ist fast unhörbar. Das ist zum Beispiel wie ein Blatt, das auf den Boden fällt. Jede Belastung durch Sand mit mehr als 140 dB gilt als gefährlich für das menschliche Gehör, und auch Geräusche mit mehr als 85 dB über einen längeren Zeitraum hinweg schädigen das Gehör.

Aus der obigen Tabelle können Sie ersehen, dass Geräusche sehr schnell bedenkliche Werte erreichen können. Wenn Sie die Zeit, in der Sie sehr lauten Geräuschen ausgesetzt sind, reduzieren, können Sie Ihr Gehör schützen. Sie werden feststellen, dass die Lautstärke der Drohnen zwischen 70 und 80 dB liegt. Das liegt sehr nahe an dem überhöhten Lärmpegel von 85 dB, und wenn Sie diesen Geräuschen über einen längeren Zeitraum ausgesetzt sind, wird Ihr Gehör definitiv geschädigt. Zum Glück sind Drohnen dafür gemacht, weit weg von dir selbst geflogen zu werden, so dass es unwahrscheinlich ist, dass du während des Fluges längere Zeit sehr lauten Drohnen ausgesetzt bist.

Wie kann ich meine Drohne leiser machen?

Wenn du mehr darüber erfahren möchtest, wie du deine Drohne leiser machen kannst, schau dir meinen anderen Artikel an – wie kann ich meine Drohne leiser machen? – Klicken Sie hier, um zum Artikel zu gelangen.

Aufgrund der Art und Weise, wie Drohnen in der Luft gehalten werden, können wir nichts tun, um zu vermeiden, dass Drohnen die Luft verdrängen und eine erhebliche Menge an Lärm erzeugen. Der Lärm, den wir hier hören, ist eigentlich die überschüssige Energie, die benötigt wird, um Luft zu bewegen und Schub zu erzeugen. Es gibt eigentlich nur zwei Möglichkeiten, um die Lautstärke einer Drohne zu verringern:

• Absorption des erzeugten Schalls – es gibt einige Produkte auf dem Markt, die behaupten, den Lärm einer Drohne im Schwebeflug zu reduzieren. Dieser Ansatz beruht auf dem Ausgleich der Luftverdrängung und der Absorption der Schallwellen, die von einem durch die Luft peitschenden Propeller erzeugt werden. Es gibt nur sehr wenige Drohnen, die diesen Ansatz verfolgen, so dass man auf Zubehör von Drittanbietern zurückgreifen muss, um eine Absorption des Schalls zu erreichen.
• Änderung der Propellerform und -morphologie – da die Propeller und Motoren die primären lärmerzeugenden Teile einer Drohne sind, gibt es viele Hersteller von Drohnenpropellern, die die Form und Oberflächenstruktur der Propeller ändern, um den Lärm zu minimieren. Es gibt gemischte Kritiken zu diesem Ansatz, aber wenn Sie es ausprobieren wollen, ist es relativ kostengünstig, einige Stealth-Propeller zu kaufen.

Mit Hilfe dieser beiden Optionen können Sie die Geräuschentwicklung Ihrer Drohne reduzieren.

Mehr Rotoren verwenden

Mehr Rotoren an einer Drohne zu verwenden bedeutet, dass jeder Rotor weniger Luft verdrängen muss, um die Drohne in der Luft zu halten, und somit muss jeder Motor etwas weniger arbeiten. Im Jahr 2015 entwickelte ein Team der NASA den Prototyp einer Drohne, die den lästigen Lärm, der während des Fluges entsteht, zum Schweigen bringen sollte.

Die Drohne der NASA hatte acht Motoren, und das bedeutet, dass jeder Motor mit einer etwas anderen Drehzahl pro Minute arbeiten kann. Dadurch werden weniger Oberwellen erzeugt als bei einer Drohne mit nur vier Propellern und das Frequenzspektrum wird reduziert. Diese Technik wird als Frequenzspektrumspreizung bezeichnet und ist nur möglich, weil so viele Propeller vorhanden sind, die von einer elektronischen Steuereinheit präzise gesteuert werden. Das bedeutet, dass die Prototyp-Drohne in 30 m Höhe fast nicht zu hören war.

Das macht diese Drohne perfekt für die Paketzustellung!

Großer, langsamerer Propeller

Das liegt an der einfachen Tatsache, dass größere Propeller mehr Luft verdrängen können als kleinere Propeller. Das bedeutet, dass jeder Motor nicht so viel Kraft aufwenden muss, um die gleiche Menge an Schub zu erzeugen. Ein größerer Propeller verringert auch die Frequenz des Geräuschs, das nach Aussagen von Menschen weniger störend ist.

So gut wie für jeden Drohnentyp gibt es Nachrüstpropeller zu kaufen, die sich auf die Geräuschentwicklung auswirken können. Eine Vergrößerung des Propellerdurchmessers erhöht auch den Schubfaktor, wodurch der vertikale Auftrieb effektiver erzeugt wird. Größere Propeller mit geringerer Drehzahl belasten die Motoren und führen zu einer höheren Beanspruchung der Akkus und anderer interner Komponenten – das bedeutet, dass es sich immer lohnt, die Propeller gegen einen anderen Typ auszutauschen.

Schleifen Sie die Oberfläche ab

Wenn man eine handelsübliche Drohne kauft, sind nicht selten Logos und andere Dinge in den Propeller eingeprägt.

Wenn Sie eine Drohne mit Prägespuren oder anderen Logoabdrücken gekauft haben, können Sie das überschüssige Plastik schnell entfernen, indem Sie ein 800er oder 600er Schleifpapier verwenden und die Form durch sanftes Reiben auf der Oberfläche korrigieren. Der für Propeller verwendete Kunststoff ist in der Regel ein verstärkter Nylonverbundstoff, der nicht leicht zu beschädigen ist. Wenn Sie befürchten, einen Propeller abzuschleifen und Ihre Drohne aus dem Gleichgewicht zu bringen, sollten Sie einfach an jedem Propeller die gleiche Anzahl von Schleifvorgängen durchführen. Alternativ können Sie auch einfach an jedem Propeller gleich lange reiben.

Lärmreduzierte Propeller kaufen

Es gibt eine Vielzahl von geräuscharmen Propellern auf dem Nachrüstmarkt. Wenn Sie bei einem beliebigen Händler (z. B. Amazon) geräuscharme Propeller und Ihr Drohnenmodell eingeben, finden Sie eine Reihe von geräuscharmen Schnellwechselpropellern für Ihr Modell. Sie funktionieren in der Regel auf mehrere Arten

• Sie reduzieren die Umdrehungen pro Minute
• Tarnkappenpropeller haben eine sehr glatte Oberfläche.

Typische Ergebnisse der Verwendung von Stealth-Propellern sind eine Verringerung des Lärms um etwa 3,5 dB, indem die Umdrehungen pro Minute um etwa 20% reduziert werden. Ein zusätzlicher Nebeneffekt supereffizienter und glatter Blätter ist eine längere Flugzeit mit bis zu 14 % mehr Schwebezeit.

Das Gute an diesem Ansatz ist, dass Sie keine Einstellungen an Ihrer Drohne vornehmen müssen, um eine optimale Leistung zu erzielen. Es müssen keine Änderungen an den Einstellungen vorgenommen werden. Sie müssen lediglich die alten Propeller abnehmen und die neuen Stealth-Propeller aufsetzen, und die DJI Mavic Air nimmt alle Anpassungen vor. Wenn es ein Software-Update gegeben hat, kann man mit der Verstärkung spielen, um eine bessere Leistung zu erzielen.

Propellerabdeckungen

Sie können auch ein so genanntes Wantenrohr kaufen. Ein Unternehmen namens dotterel hat eine Geräuschreduzierung und Sicherheitsabdeckung für Drohnenpropeller hergestellt. Sie reduzieren den Lärm, indem sie die Wechselwirkung der Luft mit dem Körper, den Armen und anderen Teilen der Drohne dämpfen.

Eine Sicherheitsabdeckung reduziert den Lärm, indem sie zum einen den Sand absorbiert und zum anderen den verbleibenden Lärm nach oben und von den Menschen am Boden weg reflektiert. Außerdem werden bestimmte Frequenzen im Kern der Schutzhülle absorbiert, da sie aus akustischen Materialien besteht, die bestimmte Frequenzen besonders gut absorbieren.

Wie die Wissenschaft Drohnen leiser macht

Seitdem Drohnen fliegen, wird immer wieder gefragt, wie man eine Drohne leiser machen kann. Es gibt viele kommerzielle und technische Gründe, warum eine Drohne leiser sein sollte. Vielleicht überfliegen Sie Tiere, vielleicht überfliegen Sie Menschen, die nicht gestört werden dürfen – vielleicht machen Sie sogar Tonaufnahmen für einen Film. Was auch immer der Grund sein mag, die Wissenschaft hat sich mit der Frage beschäftigt, wie wir den Lärmpegel von Drohnen reduzieren können, und wir werden hier einige der Forschungsergebnisse vorstellen.

Lärmstreuung durch Drohnenrumpf

Im Jahr 2019 befasste sich eine chinesische Forschergruppe in einer Studie mit der Entwicklung leiser Drohnen, indem sie die physikalischen Aspekte der Geräuschentwicklung und -ausbreitung von Drohnen verstand. In ihrem Papier stellen sie einen Rahmen vor, um die Streuwirkung des Rotorgeräuschs einer fliegenden Drohne mithilfe verschiedener Modellierungs- und mathematischer Techniken zu bewerten.

Durch das Verständnis der Auswirkung des Körpers auf den Rotorlärm und den aus dem reflektierten Lärm erzeugten Streulärm haben sie eine Möglichkeit vorgestellt, genau zu analysieren, was geschehen muss, um den Drohnenlärm von verschiedenen Drohnenkörpern zu reduzieren. In ihrer Arbeit verwenden sie einen Drohnenkörper, der der DJI-Phantom-Serie sehr ähnlich ist. So sieht das Geräuschmuster der Drohne aus:

Sie können sehen, dass während eines Fluges eine große Menge an Lärm nach oben und nur sehr wenig nach unten reflektiert wird.

Entwicklung eines leisen Propellers für ein unbemanntes Luftfahrzeug

Wissenschaftler aus Israel stellen 2009 fest, dass die Entwicklung eines leisen und effizienten Propellers eine anspruchsvolle Aufgabe ist, da diese beiden Ziele oft zu widersprüchlichen Designtrends führen.

Die Studie untersuchte einen multidisziplinären Optimierungsprozess für den Entwurf eines leisen Propellers. Dieser Entwurf unterliegt Leistungs-, Struktur- und Seitenbeschränkungen, aber es gelang ihnen, einen leisen Propeller für ein unbemanntes elektrisches Mini-Luftfahrzeug zu entwerfen. Zu den Entwurfsvariablen gehören Dinge wie die Geometrie der Blätter, der Konuswinkel der Blätter, der Propellerradius, die Anzahl der Blätter und die Drehzahl des Motors. Es wurde auch festgestellt, dass die Motoreigenschaften einen sehr wichtigen Einfluss auf die Optimierung des Propellers haben und daher beim Entwurf des leisen Propellers berücksichtigt werden sollten.

Sie kommen zu folgendem Schluss:

• Der Hauptmechanismus zur Verringerung des Propellerlärms besteht in der Reduzierung der Propellerdrehzahl.
• Eine Erhöhung der Anzahl der Blätter verringert die Geräuschsignatur. Die Geräuschreduzierung kann bis zu 10 dB leiser werden.
• Der Lärm der Drohne hängt davon ab, wie nahe sich die Drohne über dem Beobachter befindet, und die Optimierung für ein minimales Geräusch an dem Punkt direkt über dem Flieger sollte beim Entwurf Priorität haben.
• Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen die Bedeutung eines multidisziplinären Ansatzes für den Entwurf eines leisen Propellers. Es ist wichtig, beim Entwurf eines leisen Propellers alle Disziplinen gleichzeitig zu berücksichtigen.

Dieser Artikel zeigt, wie schwierig es wirklich ist, eine wirklich leise Drohne zu entwickeln.

Akustisch getestete Standard- und modifizierte Propeller

Eine kürzlich im Jahr 2021 veröffentlichte Arbeit untersuchte die serienmäßigen DJI-Phantom-Propeller und verglich sie mit einem Stopp-Propeller, der mit einer Kerbe an der Hinterkante modifiziert wurde.

Ein Vergleich der beiden Propeller zeigte, dass die Hinterkantenkerbe und der Stop-Propeller bei allen gemessenen Entfernungen einen ähnlichen Schalldruckpegel aufweisen. Die Hinterkantenkerbe des Propellers scheint die Frequenz höher zu verschieben und war der einzige signifikante Unterschied zwischen den beiden Propellertypen.

Dieser Effekt scheint sich zu verringern, wenn man die Anzahl der Propeller erhöht. Ein DJI-Hexacopter wurde ebenfalls mit den Stop- und Trailing-Edge-Notch-Propellern geflogen. Die Hektik war 20 dB lauter als beim Phantom, aber es gab keinen wahrnehmbaren Unterschied im Schalldruckpegel zwischen den beiden Propellern.

Das bedeutet, dass signifikante Änderungen an der Hinterkante des Propellers wahrscheinlich nicht zu einer signifikanten Zunahme oder Abnahme des Lärms führen werden. Interessant!

Werden Drohnen jemals leise sein?

Angesichts der Art und Weise, wie Drohnen in der Luft bleiben, glaube ich nicht, dass Drohnen jemals leise werden. Das liegt daran, dass sie eine beträchtliche Menge an Luft verdrängen müssen, was von Natur aus Lärm verursacht. Man denke nur an einen Ventilator oder ein anderes sich schnell bewegendes Objekt, das immer Lärm verursacht.

Die Drohnentechnologie wird einen unvorstellbaren Sprung machen müssen, wenn Drohnen völlig geräuschlos werden sollen. Es gibt jedoch Wissenschaftler, die daran arbeiten, den Lärm zu reduzieren, und wir können eine Drohne sogar so weit bringen, dass sie fast unhörbar ist, wenn sie etwa 30 m in der Luft fliegt. Das ist unglaublich, wenn man bedenkt, wie viele Einsatzmöglichkeiten Drohnen im städtischen Umfeld haben könnten.

Sie werden vielleicht nicht leise sein, aber sie werden sehr nah dran sein!