Varför är drönare så högljudda?

Om du någonsin har flugit en drönare blir du genast medveten om hur högljudda de verkligen är. När du ser andras drönarbilder på nätet får du mycket sällan höra exakt hur högt drönaren är. Drönarens ljud kan vara allt från ett litet högt brummande hela vägen till ett irriterande dunkande som kan höras på ganska långt håll. I den här artikeln kan vi ta upp varför drönare är så högljudda och exakt vad du kan göra för att förhindra att din drönare blir för högljudd. Vi kommer också att titta på vetenskapen bakom den senaste tekniken för att minska bullret som drönare gör när de flyger.

Drönare är högljudda eftersom propellrarna rör sig snabbt genom luften och förskjuter mycket luft snabbt, vilket leder till att trycket stiger och sjunker när propellern snurrar – vilket skapar det karakteristiska surrande ljudet. Propellerbladens snabba rörelse och elmotorernas kraftansträngning skapar också mycket buller.

Jo snabbare propellrarna spenderar desto högre tonhöjd på det surrande ljudet som skapas och ju långsammare propellrarna skär genom luften desto lägre tonhöjd. Jag har Mavic air och den har mindre propellrar än andra DJI-drönare och det är en märkbar skillnad i tonhöjden och sanden som de gör. Större drönare har längre propellrar och en lägre rotationsfrekvens under flygning.

Varför är drönare så högljudda? – Här är det snabba svaret:

Här är fyra anledningar till varför drönare gör så mycket oväsen när de svävar och flyger:

• Propellerrotationsfrekvens – som vi pratade om ovan, om propellrarna piskar genom luften snabbt får vi en högre frekvens genererad. Det finns inte mycket du kan göra åt att drönaren kräver en hög rotationsfrekvens. Det är det som håller den i luften. Du kan dock välja en drönare som är större och har en långsammare rotationsfrekvens för att undvika det höga ljudet ”svärm av bin”.
• Propellerblad som passerar över armarna – en av de viktigaste orsakerna till att drönare ger ett högt ljud är att propellerbladen måste passera över armarna som håller dem ut över drönarens kropp. När propellerbladen passerar över armarna skapas tillfälligt ett högtryckssystem över armen och slutar att producera tryck under flygplanet. Detta skapar en tryckvåg och ett ljud som är ganska lågfrekvent.
• Drönarens storlek – drönarens vikt kommer att diktera hur snabbt propellrarna måste spendera för att generera den don’t dragkraft som krävs för att den ska kunna sväva. Om du köper en tung drönare kommer propellrarna att snurra snabbare och vara mycket högre. Tänk på en helikopter som den ultimata högljudda tunga drönaren för jämförelse.
• Propellerns längd, stigning och djup – större propellrar detta placera mer luft medan de snurrar vilket innebär att de producerar mer dragkraft och kräver mindre rotationsfrekvens för att hålla drönaren i luften. Ljudet förändras också av propellerns vinkel, eller stigning, eftersom stigningen avgör hur mycket störning den orsakar i luften.

Nu vet du varför drönare alstrar så mycket buller, låt oss ta en snabb titt på hur bullriga drönare är och ge dig möjlighet att jämföra det med vardagliga ljud.

Hur högljudd är en drönare?

Drönare är mycket i sin ljudvolym avsevärt. Det finns också ett samband mellan hur nära en drönare flyger till observatören och hur högljudd drönaren upplevs. För att förstå hur bullrig en drönare är måste vi få en referens till volymenheten som är decibel.

En decibel är en enhet för intensitet av sand och förkortas dB. dB-skalan är riktigt stor eftersom är så känslig för sand. Människor med normal hörsel kan höra allt från en lätt beröring på huden till brölet från en flygplansmotor. Decibelskalan är en logaritmisk skala. Det innebär att den ökar med en tiopotens för varje enhet ökning.

För att förstå hela skalan av decibelnivåer i förhållande till vardagliga ljud finns här en tabell över olika dB-nivåer.

Decibelnivåer

0 dB är den mjukaste sanden som det mänskliga örat kan höra och är nästan ohörbar. Detta är som ett löv som faller på marken till exempel. All exponering för sand över 140 dB anses vara osäker för det mänskliga örat och exponering för ljud över 85 dB under långa perioder skadar också hörseln.

Du kan se i tabellen ovan att ljud kan nå osäkra nivåer mycket snabbt. Om du minskar den tid du lyssnar på mycket höga ljud kommer din hörsel att skyddas. Du kommer att märka att drönarna ligger mellan 70 och 80 dB i volym. Detta är mycket nära den överdrivna bullernivån på 85 dB och en långvarig exponering för dessa ljud kommer definitivt att skada ditt öra. Lyckligtvis är drönare gjorda för att flyga långt ifrån dig själv och därför är det osannolikt att du under flygningen kommer att få en långvarig exponering för mycket högljudda drönare.

Hur kan jag göra min drönare tystare?

Om du vill veta fler sätt att göra din drönare tystare kolla in min andra artikel – hur kan jag göra min drönare tystare? – Klicka här för att komma till artikeln.

På grund av det sätt som drönare hålls i luften finns det inget vi kan göra för att undvika att drönare förskjuter luft och skapar en betydande mängd buller. Det buller som vi här är faktiskt överskottsenergi som krävs för att flytta luft för att skapa dragkraft. Det finns egentligen bara två sätt att minska volymen från en drönare:

• absorbera det ljud som alstras – det finns några produkter på marknaden som påstår sig minska ljudet från en drönare när den svävar. Detta tillvägagångssätt bygger på att balansera luftförskjutningen med att absorbera de ljudvågor som genereras av en propeller som piskar genom luften. Det finns mycket få drönare som använder sig av detta tillvägagångssätt, så du behöver använda tillbehör från tredje part för att uppnå absorption av ljudet.
• Förändring av propellerns form och morfologi – eftersom propellrarna och motorerna är de primära bullergenererande delarna av en drönare finns det gott om tillverkare av drönarpropellrar som ändrar propellerns form och ytstrukturer för att minimera bullret. Det finns blandade omdömen om detta tillvägagångssätt, men om du vill göra ett försök är det relativt billigt att köpa några stealthpropellrar.

Med hjälp av dessa två alternativ som ett sätt att minska bullret från drönare är här några av de sätt på vilka du kan göra din drönare tystare.

Använd fler rotorer

Att lägga till fler rotorer till en drönare innebär att varje rotor måste förflytta mindre luft för att hålla drönaren i luften och att varje motor måste arbeta lite mindre. År 2015 utvecklade ett team från NASA en prototyp av en drönare som var utvecklad för att tysta det irriterande drönarbruset som genereras under flygning.

Dronen från NASA hade åtta motorer och det innebär att varje motor kan arbeta med lite olika varv per minut. Detta innebär att det genereras mindre övertoner än i en drönare med endast fyra propellrar och en minskning av frekvensspektrumet. Denna teknik kallas frekvensspektrumspridning och är endast möjlig eftersom det finns så många propellrar som styrs exakt av en elektronisk styrenhet. Detta innebär att när prototypen av drönaren flögs på 30 meters höjd kunde man nästan inte höra den.

Detta gör den här drönaren perfekt för paketleveranser!

Större långsammare propeller

Detta beror på det enkla faktum att större propellrar kan förflytta mer luft än mindre propellrar. Detta innebär att varje motor inte behöver spendera är fantastisk stor samma mängd dragkraft. En större propeller minskar också frekvensen av ljudet vilket folk har rapporterat är mindre irriterande.

Du kan köpa eftermarknadspropellrar i stort sett varje typ av drönare och detta kan påverka mängden buller som genereras. Att öka propellerns diameter kommer också att öka dragkraftsfaktorn för att skapa vertikal lyftning mer effektivt. Större propellrar med lägre varvtal kommer att stressa motorerna och orsaka ökad belastning på batterierna och andra interna komponenter – detta innebär att det alltid lönar sig när du byter ut propellrarna mot en annan typ.

Sandning av ytan

När du köper en kommersiellt tillgänglig drönare har du ganska ofta logotyper och andra saker och präglade i propellern.

Om du har köpt en drönare med formspår eller andra logomärken kan du snabbt ta bort den överflödiga plasten genom att använda ett sandpapper 800 eller 600 och korrigera formen genom att försiktigt gnugga på ytan. Vanligtvis är den plast som används i propellrar en förstärkt nylonkomposit som inte är lätt att skada. Om du är orolig för att slipa ner en propeller och få din drönare ur balans ska du helt enkelt gnugga lika många gånger på varje propeller. Alternativt kan du bara gnugga lika många gånger på varje propeller.

Köp propellrar med låg ljudnivå

Det finns gott om eftermarknadspropellrar med låg ljudnivå. Om du går till någon återförsäljare (t.ex. Amazon) och skriver in lågljudspropellrar och din drönarmodell kommer du att hitta en rad lågljudspropellrar med snabbkoppling för uppgradering för din modell. De brukar fungera på ett par olika sätt

• De minskar antalet varv per minut
• Den tysta propellern har en mycket slät yta.

Typiska resultat av att använda stealthpropellrar är en minskning av bullret med cirka 3,5 dB, genom att minska varvtalet per minut med cirka 20 %. En ytterligare bieffekt av supereffektiva och släta blad är att du sannolikt får en längre flygtid med upp till 14 % längre svävningstid.

Det som är bra med att använda detta tillvägagångssätt är att det inte finns några inställningsjusteringar att göra på din drönare för att få optimal prestanda. Inga inställningsändringar behöver göras. Allt du behöver göra är att ta av de gamla propellrarna och sätta på de nya stealthpropellrarna och DJI Mavic air kommer att göra alla justeringar. Om det har skett en programuppdatering kan du leka med förstärkningen för att leverera en bättre prestanda.

Propellerskydd

Du kan också köpa en så kallad shroud. Ett företag som heter dotterel har producerat en ljudreducerande och säkerhetsskyddande shroud för drönarpropellrar. De minskar bullret genom att dämpa luftens interaktion med kroppen, armarna och andra delar av drönaren.

En säkerhetshölje minskar bullret genom att först absorbera sanden och sedan också reflektera eventuellt kvarvarande buller uppåt och bort från människor på marken. Det finns också specifika frekvenser som absorberas i skyddsdukens kärna eftersom den är tillverkad av akustiska material som absorberar vissa frekvenser särskilt bra.

Hur vetenskapen gör drönare tystare

Sedan drönare började flyga har människor frågat hur man kan göra en drönare tystare? Det finns många kommersiella och tekniska skäl till varför man vill att en drönare ska vara tystare. Kanske flyger du över djur, kanske flyger du över människor som inte får störas – kanske spelar du till och med in ljud till en film. Oavsett orsaken har vetenskapen börjat undersöka hur vi kan minska bullernivåerna från drönare och vi kommer att ta upp en del av forskningen här.

Ljudspridning från drönarens skrov

Under 2019 undersökte en studie av en kinesisk forskargrupp hur man kan utforma tysta drönare genom att förstå de fysiska aspekterna av drönarbrusgenerering och -spridning. I sin artikel presenterar de ett ramverk för att utvärdera spridningseffekten av rotorljudet från en flygande drönare med hjälp av olika modellerings- och matematiska tekniker.

Du kan se att det är en laddad mängd buller som reflekteras uppåt och väldigt lite som reflekteras nedåt under en flygning.

Design av en tyst propeller för en obemannad flygfarkost

In 2009 konstaterar forskare från Israel att det är en krävande uppgift att utforma en tyst och effektiv propeller eftersom dessa två mål ofta leder till motsägelsefulla designtrender.

I studien undersöktes en tvärvetenskaplig designoptimeringsprocess för utformning av en tyst propeller. Denna design är föremål för begränsningar i fråga om effekt, struktur och sidor, men de kunde designa en tyst propeller för ett elektriskt obemannat miniflygplan. Konstruktionsvariablerna omfattar saker som bladgeometri, bladkonvinkel, propellerradie, antal blad och motorns rotationshastighet. Motoregenskaperna visade sig också ha ett mycket stort inflytande på optimeringen av propellern och bör därför beaktas vid utformningen av den tysta propellern.

De drar följande slutsatser:

• att den viktigaste mekanismen för att minska propellerljudet innebär en minskning av propellerns rotationshastighet.
• En ökning av antalet blad minskar bullersignaturen. Minskningen av bullret kan bli upp till 10 dB tystare.
• Drönarens buller relaterar till hur nära drönaren befinner sig ovanför observatören och optimering för ett minimalt buller vid punkten direkt ovanför den flygande bör prioriteras i konstruktionen.
• Resultaten i uppsatsen understryker betydelsen av ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att konstruera en tyst propeller. Det är viktigt att ta hänsyn till alla discipliner samtidigt vid utformningen av en tyst propeller.

Denna artikel visar hur svårt det verkligen är att skapa en drönare som är verkligt tyst.

Akustiskt testade standardpropellrar och modifierade propellrar

I en artikel som nyligen publicerades i 2021 undersöktes DJI Phantom to-propellrarna i lager och jämfördes med en stopppropeller som modifierats med en skåra i bakkanten.

En jämförelse av de två propellrarna visade enligt forskningen att propellrarna med spårkantskåran och stopppropellrarna har en liknande ljudtrycksnivå på alla uppmätta avstånd. Propellerns inskärning i bakkanten tycktes förskjuta frekvensen högre och var den enda signifikanta skillnaden mellan de två typerna av propellrar.

Denna effekt verkar minska när man ökar antalet propellrar. En DJI-hexakopter flögs också med propellrarna med stopp och med spårkantsinskärning. Hectic var 20 dB bullrigare än Phantom to men det fanns ingen märkbar skillnad i ljudtrycksnivå mellan de två propellrarna.

Detta innebär att det är osannolikt att betydande förändringar av propellerns bakkant skulle orsaka en betydande ökning eller minskning av bullret. Intressant!

Kommer drönare någonsin att bli tysta?

Med tanke på hur drönare håller sig i luften tror jag inte att drönare någonsin kommer att bli tysta. Detta beror på att de förlitar sig på förflyttning av en betydande mängd luft, vilket i sig kommer att orsaka buller. Tänk bara på en fläkt eller ett annat föremål som rör sig snabbt, så kommer det alltid att finnas buller.

Dronetekniken kommer att behöva komma med ett ofattbart språng om drönare skulle bli helt tysta. Det finns dock forskare som arbetar med att minska mängden buller och vi kan till och med få en drönare att bli nästan ohörbar när den flyger cirka 30 meter i luften. Det är otroligt med tanke på den mängd potentiella tillämpningar i stadsmiljö som drönare kan fylla.

De kanske inte är tysta, men de kommer att vara mycket nära!