Waarom zijn drones zo luid?

Als je ooit met een drone hebt gevlogen, weet je meteen hoe hard ze eigenlijk zijn. Als je de drone beelden van anderen online ziet, hoor je maar zelden hoe hard de drone precies is. Het geluid van een drone kan variëren van een klein hoog zoemgeluidje tot een irritant bonzen dat over een behoorlijke afstand hoorbaar is. In dit artikel gaan we in op waarom drones zo luid zijn en wat je precies kunt doen om te voorkomen dat je drone te luid wordt. Ook zullen we kijken naar de wetenschap achter de nieuwste technologie om het geluid dat drones maken als ze vliegen te verminderen.

Drones maken veel lawaai omdat de propellers snel door de lucht bewegen en veel lucht verplaatsen, waardoor de druk pieken en dalen terwijl de propeller ronddraait – wat het kenmerkende zoemende geluid veroorzaakt. De snelle beweging van de propellerbladen en de inspanning van de elektromotoren veroorzaken ook veel lawaai.

Hoe sneller de propellers draaien, hoe hoger de toonhoogte van het zoemgeluid en hoe langzamer de propellers door de lucht snijden, hoe lager de toonhoogte. Ik heb de Mavic air en die heeft kleinere propellers dan andere DJI drones en er is een merkbaar verschil in de toonhoogte en het zand dat ze maken. Grotere drones zullen langere propellers hebben en een lagere frequentie van rotatie tijdens de vlucht.

Waarom zijn drones zo luid? – Hier is het snelle antwoord:

Dit zijn vier redenen waarom drones zo veel lawaai maken tijdens het zweven en vliegen:

• Draaifrequentie van de propellers – zoals we hierboven hebben besproken, wordt er een hogere frequentie gegenereerd als de propellers snel door de lucht zweven. Je kunt er niet veel aan doen dat de drone een hoge rotatiefrequentie nodig heeft. Dat is wat hem in de lucht houdt. Je kunt echter wel een drone kiezen die groter is en een lagere rotatiefrequentie heeft om het hoge geluid van een zwerm bijen te vermijden.
• Propellerbladen die over armen gaan – een van de belangrijkste redenen waarom drones een hoog geluid maken, is dat de propellerbladen over de armen moeten gaan die ze buiten het lichaam van de drone houden. Als de propellerbladen over de armen gaan, ontstaat er tijdelijk een hoge druk boven de arm en stopt de drukproductie onder het vliegtuig. Hierdoor ontstaat een drukgolf en een geluid met een vrij lage frequentie.
• De grootte van de drone – het gewicht van de drone bepaalt hoe snel de propellers moeten draaien om de stuwkracht te genereren die nodig is om de drone te laten zweven. Als je een zware drone koopt, zullen de propellers sneller draaien en veel luider zijn. Ter vergelijking: een helikopter is de ultieme zware drone met veel lawaai.
• De lengte, spoed en diepte van de propellers – grotere propellers plaatsen meer lucht terwijl ze draaien, wat betekent dat ze meer stuwkracht produceren en minder van een rotatiefrequentie vereisen om de drone in de lucht te houden. Het geluid wordt ook veranderd door de hoek, of toonhoogte, van de propeller, aangezien de toonhoogte bepaalt hoeveel verstoring hij in de lucht veroorzaakt.

Nu u weet waarom drones zoveel lawaai produceren, zullen we eens snel bekijken hoe lawaaiig drones zijn en u de mogelijkheid geven om dat te vergelijken met alledaagse geluiden.

Hoe luidruchtig is een drone?

Drones zijn zeer in hun geluidsvolume aanzienlijk. Ook is er een relatie tussen hoe dicht een drone bij de waarnemer wordt gevlogen en hoe luid de drone wordt waargenomen. Om te begrijpen hoe luidruchtig een drone is, hebben we een referentie nodig over de eenheid van volume, namelijk de decibel.

Een decibel is een eenheid van intensiteit van zand en wordt afgekort tot dB. De dB-schaal is erg groot omdat zand zo gevoelig is. Mensen met een normaal gehoor kunnen alles horen, van een lichte aanraking op de huid tot het gebrul van een vliegtuigmotor. De decibelschaal is een logaritmische schaal. Dit betekent dat de schaal bij elke toename van een eenheid met de macht 10 toeneemt.

Om het volledige bereik van decibelniveaus in relatie tot alledaagse geluiden te begrijpen, is hier een tabel met verschillende dB-niveaus.

Decibelniveaus

0 dB is het zachtste zand dat het menselijk oor kan horen en is bijna onhoorbaar. Dit is bijvoorbeeld te vergelijken met een blad dat op de grond valt. Elke blootstelling aan zand boven 140 dB wordt beschouwd als onveilig voor het menselijk oor en blootstelling aan geluiden boven 85 dB gedurende lange perioden zal ook uw gehoor beschadigen.

U kunt uit bovenstaande tabel afleiden dat geluiden zeer snel onveilige niveaus kunnen bereiken. Verminder de tijd die u besteedt aan het luisteren naar zeer harde geluiden om uw gehoor te beschermen. U zult merken dat de drones tussen 70 en 80 dB in volume zijn. Dit komt dicht in de buurt van het excessieve geluidsniveau van 85 dB en langdurige blootstelling aan deze geluiden zal uw oor zeker beschadigen. Gelukkig zijn drones gemaakt om ver van u af te vliegen en is het dus onwaarschijnlijk dat u tijdens de vlucht langdurig wordt blootgesteld aan zeer luide drones.

Hoe kan ik mijn drone stiller maken?

Als je meer manieren wilt weten over het stiller maken van je drone bekijk dan mijn andere artikel – hoe kan ik mijn drone stiller maken? – Klik hier om naar het artikel te gaan.

Door de manier waarop drones in de lucht worden gehouden is er niets dat we kunnen doen om te voorkomen dat drones lucht verplaatsen en een aanzienlijke hoeveelheid lawaai maken. Het geluid dat we hier horen is eigenlijk overtollige energie die nodig is om lucht te verplaatsen om stuwkracht te creëren. Er zijn eigenlijk maar twee manieren waarop we het volume van een drone kunnen verminderen:

• het geproduceerde geluid absorberen – er zijn een paar producten op de markt die beweren het geluid van een drone te verminderen terwijl deze in de lucht hangt. Deze aanpak berust op het in evenwicht brengen van de verplaatsing van de lucht met het absorberen van de geluidsgolven die door een door de lucht suizende propeller worden opgewekt. Er zijn maar heel weinig drones die deze aanpak toepassen, dus er zijn accessoires van derden nodig om het geluid te absorberen.
• Vorm en morfologie van propellers veranderen – omdat de propellers en motoren de belangrijkste onderdelen van een drone zijn die geluid produceren, zijn er tal van fabrikanten van dronepropellers die de vorm en oppervlaktetextuur van de propellers veranderen om het geluid te minimaliseren. Er zijn gemengde reacties op deze aanpak, maar als je het wilt proberen, is het relatief goedkoop om een paar stealth propellers aan te schaffen.

Als je deze twee opties gebruikt om het geluid van je drone te verminderen, kun je hieronder enkele manieren bekijken om je drone stiller te maken.

Meer rotors gebruiken

Meer rotors toevoegen aan een drone betekent dat elke rotor minder lucht hoeft te verplaatsen om de drone in de lucht te houden en dus hoeft elke motor een beetje minder te werken. In 2015 ontwikkelde een team van NASA een prototype van een drone die was ontwikkeld om het hinderlijke drone-geluid dat tijdens de vlucht ontstaat tot zwijgen te brengen.

De drone van NASA had acht motoren en dat betekent dat elke motor met een iets ander toerental per minuut kan werken. Dit betekent dat er kleinere harmonischen ontstaan dan in een drone met slechts vier propellers en dat het frequentiespectrum wordt verkleind. Deze techniek wordt frequentiespectrumspreiding genoemd en is alleen mogelijk omdat er zoveel propellers zijn die nauwkeurig worden geregeld door een elektronische besturingseenheid. Dit betekent dat wanneer het prototype van de drone op 30 m hoogte werd gevlogen, je hem bijna niet kon horen.

Dit maakt deze drone perfect voor pakketbezorging!

Grote langzamere propeller

Dit komt neer op het simpele feit dat grotere propellers meer lucht kunnen verplaatsen dan kleinere propellers. Dit betekent dat elke motor niet is fantastisch hoeft te besteden aan dezelfde hoeveelheid stuwkracht. Een grotere propeller zal ook de frequentie van het lawaai verminderen waarvan mensen hebben gemeld dat het minder hinderlijk is.

Je kunt aftermarket propellers kopen voor vrijwel elk type drone en dit kan invloed hebben op de hoeveelheid geluid die wordt gegenereerd. Het vergroten van de diameter van de propellers zal ook de stuwkracht factor verhogen in het creëren van verticale lift effectiever. Grotere propellers met een lager toerental zullen de motoren belasten en meer van de accu’s en andere interne componenten vergen – dit betekent dat het altijd loont om de propellers te vervangen door een ander type.

Zand het oppervlak

Als je een commercieel verkrijgbare drone koopt, zijn er vaak logo’s en andere dingen in reliëf in de propeller aangebracht.

Als je een drone hebt gekocht met afgietsels of andere logosporen, kun je het overtollige plastic snel verwijderen door een schuurpapiertje van 800 of 600 te gebruiken en de vorm te corrigeren door zachtjes over het oppervlak te wrijven. Het plastic dat in propellers wordt gebruikt is meestal een versterkt nyloncomposiet dat niet gemakkelijk te beschadigen is. Als je je zorgen maakt over het schuren van een propeller en je drone uit balans brengt, moet je gewoon hetzelfde aantal keren wrijven op elke propeller. Je kunt ook gewoon even lang op elke propeller wrijven.

Geluidsarme propellers kopen

Er zijn tal van aftermarket geluidsarme propellers. Als u naar een detailhandelaar (zoals Amazon) en typ in geluidsarme propellers en uw model van drone vindt u een scala aan geluidsarme, quick release upgrade propellers voor uw model. Deze werken op een paar manieren

• ze verminderen het aantal omwentelingen per minuut
• stealth propellers hebben een zeer glad oppervlak.

Typische resultaten van het gebruik van stealth propellers zijn een vermindering van het geluid met ongeveer 3,5 dB, doordat het toerental per minuut met ongeveer 20% wordt verlaagd. Een bijkomend neveneffect van superefficiënte en gladde bladen is dat je waarschijnlijk een langere vliegtijd krijgt met tot 14% meer zweeftijd.

Het mooie van deze aanpak is dat er geen instellingen aan je drone hoeven te worden aangepast om optimale prestaties te verkrijgen. Je hoeft geen instellingen te veranderen. Het enige wat je hoeft te doen is de oude propellers eraf te halen en de nieuwe stealth propellers erop te zetten en de DJI Mavic air zal alle aanpassingen doen. Als er een software update is geweest kun je spelen met de gain om een betere prestatie te leveren.

Propeller shrouds

U kunt ook een zogenaamde shroud kopen. Een bedrijf genaamd dotterel heeft een geluiddempende en veilige shroud voor drone propellers geproduceerd. Ze verminderen het geluid door de interactie van de lucht met het lichaam, de armen en andere delen van de drone te dempen.

Een veiligheidskleed vermindert het geluid door eerst het zand te absorberen en vervolgens ook het overblijvende geluid te weerkaatsen, omhoog en weg van de mensen op de grond. Er worden ook specifieke frequenties geabsorbeerd in de kern van de lijkwade, omdat deze is gemaakt van akoestische materialen die bepaalde frequenties bijzonder goed absorberen.

Hoe de wetenschap drones stiller maakt

Al sinds drones vliegen, vragen mensen zich af hoe je een drone stiller kunt maken. Er zijn tal van commerciële en technische redenen waarom je een drone stiller zou willen maken. Misschien vlieg je over dieren, misschien vlieg je over mensen die niet gestoord mogen worden – misschien neem je zelfs geluid op voor een film. Wat de reden ook is, de wetenschap is begonnen met het onderzoeken van de manieren waarop we het geluidsniveau van drones kunnen verminderen en we zullen hier een aantal van de onderzoeken behandelen.

Ruisverstrooiing door de romp van drones

In 2019 heeft een studie van een Chinese onderzoeksgroep gekeken naar het ontwerp van stille drones door de fysieke aspecten van het genereren en voortplanten van drone-geluid te begrijpen. In hun paper presenteren ze een kader om het verstrooiingseffect van het rotorgeluid van een vliegende drone te evalueren met behulp van verschillende modelleringstechnieken en wiskundige technieken.

Door het effect van het lichaam op het rotorgeluid en het verstrooide geluid dat wordt gegenereerd uit het gereflecteerde geluid te begrijpen, hebben ze een manier gepresenteerd om precies te analyseren wat er moet gebeuren om het drone-geluid van verschillende typen drone-lichamen te verminderen. In hun paper gebruiken zij een dronelichaam dat sterk lijkt op de DJI phantom serie. Dit is hoe het drone-geluidspatroon eruit ziet:

U kunt zien dat er een grote hoeveelheid geluid naar boven wordt gereflecteerd en heel weinig naar beneden tijdens een vlucht.

Ontwerpen van een stille propeller voor een onbemand luchtvoertuig

In 2009 stelden wetenschappers uit Israël vast dat het ontwerpen van een stille en efficiënte propeller een veeleisende taak is, omdat deze twee doelen vaak leiden tot tegenstrijdige ontwerptrends.

In de studie werd gekeken naar een multidisciplinair ontwerpoptimalisatieproces voor het ontwerp van een stille propeller. Dit ontwerp is onderhevig aan beperkingen op het gebied van vermogen, constructie en zijkant, maar ze waren in staat om een stille propeller te ontwerpen voor een elektrisch mini onbemand luchtvoertuig. De ontwerpvariabelen omvatten zaken als bladgeometrie, bladkegelhoek, propellerradius, het aantal bladen, en de rotatiesnelheid van de motor. De motorkarakteristieken bleken ook een zeer belangrijke invloed te hebben op de optimalisatie van de propeller en er moet dan ook rekening mee worden gehouden bij het ontwerp van de stille propeller.

Zij concluderen het volgende:

• dat het belangrijkste mechanisme om het propellorgeluid te verminderen een verlaging van de rotatiesnelheid van de propeller inhoudt.
• Het vergroten van het aantal bladen vermindert de geluidssignatuur. De geluidsreductie kan oplopen tot 10 dB stiller.
• Het geluid van de drone hangt samen met hoe dicht de drone zich boven de waarnemer bevindt en optimalisatie voor een minimaal geluid op het punt direct boven de vlieger moet prioriteit krijgen in het ontwerp.
• De resultaten van de paper benadrukken het belang van een multidisciplinaire aanpak voor het ontwerp van een stille propeller. Het is belangrijk om bij het ontwerpen van een stille propeller alle disciplines tegelijk aan te pakken.

Dit artikel laat zien hoe moeilijk het is om een drone te maken die echt stil is.

Akoestisch geteste standaard- en aangepaste propellers

Een recent artikel, gepubliceerd in 2021, bekeek de standaard DJI phantom to propellers en vergeleek deze met een propeller die was gemodificeerd met een inkeping aan de achterrand.

Een vergelijking van de twee propellers toonde het onderzoek is dat de trailing edge inkeping en stop propellers hebben een vergelijkbaar geluidsdrukniveau op alle gemeten afstand. De trailing edge inkeping van de propeller leek de frequentie wel hoger te verschuiven en was het enige significante verschil tussen de twee typen propellers.

Dit effect lijkt af te nemen naarmate het aantal propellers toeneemt. Er is ook een DJI hexacopter gevlogen met de stop en trailing edge notch propellers. De hectic was 20 dB luidruchtiger dan de phantom to, maar er was geen waarneembaar verschil in geluidsdruk tussen de twee propellers.

Dit betekent dat het onwaarschijnlijk is dat significante veranderingen aan de achterrand van de propeller een significante toename of afname van het geluid veroorzaken. Interessant!

Zullen drones ooit stil zijn?

Gezien de manier waarop drones in de lucht blijven, denk ik niet dat drones ooit stil zullen worden. Dit komt omdat ze afhankelijk zijn van de verplaatsing van een aanzienlijke hoeveelheid lucht, wat inherent lawaai zal veroorzaken. Denk maar aan een ventilator of een ander snel bewegend voorwerp en er zal altijd lawaai zijn.

Drone-technologie zal met een onvoorstelbare sprong vooruit moeten gaan, willen drones volledig stil worden. Er zijn echter wetenschappers die werken aan het verminderen van de hoeveelheid lawaai en we kunnen zelfs een drone zo ver krijgen dat hij bijna onhoorbaar is als hij ongeveer 30 m in de lucht vliegt. Dat is ongelooflijk, gezien de hoeveelheid potentiële toepassingen in een stedelijke omgeving die drones zouden kunnen vervullen.

Ze zullen misschien niet stil zijn, maar wel heel dichtbij!