ドローンを操縦したことがある人なら、その音の大きさをすぐに実感できると思います。ネットで他の人のドローン映像を見ても、ドローンの音の大きさを正確に聞くことはほとんどありません。ドローンの音は、小さな高音のブーンという音から、かなり遠くまで聞こえてくるような不快な音まで様々です。この記事では、なぜドローンの音が大きいのか、そしてドローンの音が大きくならないようにするにはどうしたらいいのかをご紹介します。また、ドローンが飛行中に発する騒音を低減するための最新技術の背景にある科学についてもご紹介します。
ドローンがうるさいのは、プロペラが空気中を高速で移動することで、大量の空気を素早く置換し、プロペラの回転に伴って圧力が急上昇したり低下したりすることで、特徴的なブーンという音が発生するからです。
プロペラの回転速度が速いほど、音は大きくなります。
プロペラの回転速度が速ければ速いほど、ブーンという音のピッチは高くなり、プロペラが空気を切り裂く速度が遅ければ遅いほど、ピッチは低くなります。私はMavic airを持っていますが、他のDJI製ドローンに比べてプロペラが小さく、そのピッチや砂の出方には明らかな違いがあります。大型のドローンは、プロペラが長く、飛行中の回転数が低くなります。
目次
なぜドローンはこんなにうるさいのか？- その答えは以下の通りです。
ドローンがホバリング中や飛行中に大きな音を出す理由は、次の4つです。
- プロペラの回転数 – 上で説明したように、プロペラが空気中を素早く回転すると、より高い周波数が発生します。ドローンが高い回転周波数を必要とすることについて、できることはあまりありません。それが空中に浮いている理由です。
- 腕の上を通るプロペラ翼 – ドローンが高い音を出す主な理由の一つは、プロペラ翼がドローンの胴体から突き出ている腕の上を通らなければならないことです。プロペラ翼が腕の上を通過する際に、一時的に腕の上に高圧系が発生し、機体の下では圧力が発生しなくなります。
- ドローンの大きさ – ドローンの重さによって、ホバリングに必要なドンピシャの推力を生み出すためにプロペラをどのくらいの速度で回転させるかが決まります。重いドローンを購入すると、プロペラの回転が速くなり、音も大きくなります。
- プロペラの長さ、ピッチ、深さ
- – 大きいプロペラは回転中に多くの空気を入れるので、推力が大きくなり、ドローンを空中に維持するための回転数が少なくて済みます。また、音はプロペラの角度（ピッチ）によっても変化します。ピッチは空気中にどれだけの妨害を与えるかを決定するからです
ドローンがなぜこれほど大きな音を出すのかがわかったところで、ドローンの騒音がどの程度のものなのか、日常の騒音と比較してみましょう。
ドローンはどのくらいうるさいのか？
ドローンは非常にうるさいです。
ドローンは、その騒音の大きさにかなりの差があります。また、ドローンをどれだけ観察者に近づけて飛ばすかということと、ドローンの音の大きさの感じ方には関係があります。ドローンの音の大きさを理解するためには、音量の単位であるデシベルについて参考にする必要があります。
デシベルとは、砂の強さを表す単位で、dBと略されます。砂には非常に敏感なので、dBスケールは非常に大きいです。正常な聴覚を持つ人は、肌に触れる軽い音から飛行機のエンジン音まで何でも聞くことができます。デシベルスケールは対数スケールです。これは、単位が増えるごとに10の累乗で増加することを意味しています。
日常的な音に関するデシベルレベルの全範囲を理解するために、異なるdBレベルの表を以下に示します。
デシベルのレベル
0 dBは、人間の耳が聞くことのできる最も柔らかい砂で、ほとんど聞こえません。例えば、地面に落ちている木の葉のようなものです。140dB以上の砂にさらされると人間の耳には安全ではないとされ、85dB以上の音に長時間さらされると聴覚にもダメージを与えます。
上の表から、騒音はすぐに安全なレベルに達してしまうことがわかります。非常に大きな音を聞く時間を減らすことで、聴力を守ることができます。ドローンの音量が70～80dBであることに気づくでしょう。これは過剰騒音レベルである85dBに非常に近く、このような音を長時間聞いていると耳にダメージを与えることになります。幸いなことに、ドローンは自分から遠く離れた場所で飛行するように作られているので、飛行中に非常に大きな音のドローンに長時間さらされることはまずありません。
ドローンを静かにするにはどうしたらいいですか？
ドローンを静かにする方法をもっと知りたい方は、私の別の記事をご覧ください – How can I make my drone quieteter? – ここをクリックすると記事が表示されます。
ドローンは空中に置いておくものなので、ドローンが空気を置換して大量の騒音を発生させることを避けることはできません。この騒音は、空気を動かして推力を得るために必要な過剰なエネルギーです。ドローンの音量を小さくする方法は、実に2つしかありません：
- 吸収する。
- 発生した音を吸収する – 市場には、ホバリング中のドローンの騒音を軽減すると謳った製品がいくつかあります。このアプローチは、空気の変位のバランスをとることと、プロペラが空気中を旋回することによって発生する音波を吸収することに依存しています。
- プロペラの形状と形態の変更 – プロペラとモーターはドローンの主な騒音発生源であるため、ドローンのプロペラを製造しているメーカーの中には、騒音を最小限に抑えるためにプロペラの形状や表面のテクスチャを変更しているところがたくさんあります。このアプローチについては賛否両論ありますが、もし試してみたいのであれば、比較的安価にステルスプロペラを購入することができます。
ドローンの騒音を低減する方法として、これら2つのオプションを使用して、ドローンをより静かにするための方法をいくつか紹介します。
ローターを増やす
ドローンに多くのローターを追加することは、各ローターがドローンを空中に維持するために必要な空気の排出量を減らし、各モーターの動作を少しだけ減らすことを意味します。2015年、NASAのチームは、飛行中に発生する煩わしいドローンの音を静かにするために開発されたプロトタイプのドローンを開発しました。
NASAのドローンには8つのモーターが搭載されていて、それぞれのモーターが少しずつ異なる回転数で働くことができるということです。つまり、プロペラが4つしかないドローンよりも小さな高調波が発生し、周波数スペクトルが減少するのです。これは「周波数スペクトラム拡散」と呼ばれる技術で、電子制御ユニットで精密にコントロールされたプロペラがたくさんあるからこそ可能なのです。これにより、試作機を30mの高さで飛行させても、ほとんど音が聞こえないほどになりました。
このドローンは荷物の配送に最適です。
大型で低速なプロペラ
これは、大きなプロペラは小さなプロペラよりも多くの空気を吐き出すことができるという単純な事実に起因します。これは、各モーターが、同じ量の推力を得るために素晴らしい労力を費やす必要がないことを意味します。
プロペラを大きくすることで、騒音の周波数を下げることができ、人々はそれによって不快感を感じなくなると報告しています。
ドローンの種類によっては、アフターマーケット用のプロペラが販売されていますが、これが騒音の大きさに影響します。
プロペラの直径を大きくすることで、垂直方向の揚力をより効果的に生み出すためのスラストファクターを増やすことができます。回転数の低い大きなプロペラは、モーターに負担をかけ、バッテリーやその他の内部部品への要求を高めることになります。
表面に砂を撒く
市販のドローンを購入すると、プロペラにロゴなどが入っていることがよくあります。
モールディングマークやロゴマークのあるドローンを購入した場合、800番や600番のサンドペーパーで表面を軽くこすって形状を修正すれば、余分なプラスチックをすぐに取り除くことができます。一般的にプロペラに使用されているプラスチックは、強化されたナイロン複合材で、簡単には破損しません。プロペラを研磨してドローンのバランスを崩すのが心配な場合は、それぞれのプロペラを同じ回数だけこすります。あるいは、それぞれのプロペラで同じ時間だけこするだけでもいいでしょう。
低騒音プロペラを購入する
アフターマーケットの低騒音プロペラはたくさんあります。Amazonなどの小売店で、「low noise propellers」とドローンのモデルを入力すると、そのモデル用の低ノイズでクイックリリースのアップグレードプロペラが見つかります。これらはいくつかの方法で機能する傾向があります。
- 1分間の回転数を下げる
- ステルスプロペラは表面が非常に滑らかである
ステルスプロペラを使用した場合の代表的な効果としては、騒音を約3.5dB低減し、1分間の回転数を約20%低減することができます。さらに、超効率的で滑らかなブレードの副次的な効果として、飛行時間が長くなり、ホバリングの時間が最大で14%長くなります。
この方法の良いところは、最適なパフォーマンスを得るためにドローンに設定を加える必要がないことです。設定変更の必要はありません。古いプロペラを外して、新しいステルスプロペラを装着するだけで、DJI Mavic airがすべての調整を行います。ソフトウェアのアップデートが行われていれば、より良いパフォーマンスを実現するためにゲインを調整することができます。
プロペラシュラウド
シュラウドと呼ばれるものを購入することもできます。dotterelという会社が、ドローンのプロペラ用に騒音低減と安全性を追求したシュラウドを製造しています。
安全シュラウドは、ドローンのボディやアームなどと空気の相互作用を和らげることで、騒音を低減します。
セーフティシュラウドは、まず砂を吸収し、さらに残留する騒音を反射して地上の人々から遠ざけることで騒音を低減します。また、シュラウドの芯には特定の周波数を吸収する音響材料が使用されているため、特定の周波数を吸収することができます。
科学がドローンをより静かにする方法
ドローンが空を飛ぶようになって以来、人々は「どうすればドローンの音を小さくできるのか？ドローンをより静かにしたいと思う理由は、商業的にも技術的にもたくさんあります。動物の上を飛んでいるのか、邪魔されたくない人の上を飛んでいるのか、はたまた映画の音声を録音しているのか…。理由が何であれ、科学者たちはドローンの騒音レベルを下げる方法を検討し始めましたので、ここではその研究の一部を紹介します。
ドローンの機体による騒音の散乱
2019年、中国の研究グループによる研究では、ドローンの騒音の発生と伝搬の物理的な側面を理解することで、静かなドローンの設計を検討しました。彼らは論文の中で、異なるモデリングと数学的手法を用いて、飛行中のドローンのローターノイズの散乱効果を評価するフレームワークを提示しています。
ローターノイズに対するボディの影響と、反射したノイズから発生する散乱ノイズを理解することで、さまざまなタイプのドローンのボディから発生するドローンノイズを低減するために何をすべきかを正確に分析する方法を提示しています。彼らの論文では、DJI phantomシリーズによく似たドローンのボディタイプを使用しています。ドローンの騒音のパターンはこのようになっています。
飛行中、上方向に反射するノイズが大量にあり、下方向に反射するノイズはほとんどないことがわかります。
無人航空機のための静かなプロペラを設計する
2009年、イスラエルの科学者たちは、静かで効率的なプロペラを設計することは、この2つの目標がしばしば矛盾した設計傾向につながるため、困難な作業であると指摘しました。
この研究では、静かなプロペラを設計するための、学際的な設計最適化プロセスを検討しました。この設計には、電力、構造、側面の制約がありますが、電動ミニ無人航空機用の静粛なプロペラを設計することができました。設計変数には、ブレードの形状、ブレードの円錐角、プロペラの半径、ブレードの数、モーターの回転速度などが含まれます。モーターの特性もプロペラの最適化に非常に重要な影響を与えることがわかり、静音プロペラを設計する際に考慮すべきであるとしています。
以下のような結論が出ています。
- プロペラの騒音を低減する主なメカニズムは、プロペラの回転速度の低減である。
- ブレードの数を増やすことで、ノイズ シグネチャを低減できる。
- ドローンの騒音は、ドローンが観察者の上にどれだけ接近しているかに関係しており、飛行者の真上の地点での騒音が最小になるように最適化することが、設計において優先されるべきです。
- この論文の結果は、静かなプロペラの設計には学際的なアプローチが重要であることを強調しています。静かなプロペラを設計する際には、すべての分野に同時に取り組むことが重要です
この記事は、本当に静かなドローンを作ることがどれほど難しいかを示しています。
音響学的にテストされた純正および改造プロペラ
2021年に発表された最新の論文では、DJI phantomの純正プロペラと、後縁に切り込みを入れて改造したストッププロペラを比較しています。
2つのプロペラを比較した結果、トレーリングエッジノッチとストッププロペラは、測定したすべての距離で同じような音圧レベルになるという研究結果が出ています。
2つのプロペラを比較したところ、後縁部の切り欠きがあるプロペラとストッププロペラの音圧レベルは、測定したすべての距離で同程度であることがわかりました。
この効果は、プロペラの数が増えるほど小さくなるようです。
この効果は、プロペラの量を増やすと軽減されるようです。DJIのヘキサコプターも、ストッププロペラとトレーリングエッジノッチプロペラで飛行させました。ヘキサコプターはファントムよりも20dBほど騒音が大きかったのですが、2つのプロペラの間には目に見えるほどの音圧レベルの差はありませんでした。
つまり、プロペラの後縁に大きな変更を加えても、騒音の大幅な増減を引き起こす可能性は低いということです。興味深いですね！
ドローンは無音になるのか
ドローンが空中に留まっている方法を考えると、ドローンが静かになることはないと思います。なぜなら、ドローンは大量の空気の置換に依存しているため、本質的に騒音が発生するからです。扇風機やその他の高速で動く物体を考えてみても、常に騒音が発生しています。
ドローンが完全に無音になるには、想像を絶するほどの飛躍が必要です。
ドローンが完全に無音になるためには、想像を絶するほどの飛躍が必要です。都市部でのドローンの可能性を考えると、これはすごいことです。
静寂ではないかもしれませんが、非常に近いものになるでしょう！