Lärmquellen an Drohnen untersucht

Drohnen werden in naher Zukunft verstärkt eingesetzt. Sie sollen Waren oder gar Menschen transportieren, die Mobilität ausweiten und zugleich Verkehr und Klima entlasten. Doch welches Geräusch- und Gefährdungspotenzial geht von Drohnen im städtischen Umfeld aus? Wie laut und sicher sind die Multikopter, die als Flugtaxis oder unbemannte Luftfahrzeuge, umgangssprachlich Drohnen genannt, künftig über unsere Köpfe fliegen könnten?

Im Sondervorhaben AACID (Acoustics and Aerodynamics for City Drones) sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) diesen Fragen nachgegangen. Anhand von vereinfachten Experimenten haben sie untersucht, wie laut die Fluggeräte mit ihren bis zu acht senkrecht angeordneten Rotoren werden können und wie sich benachbarte Rotoren gegenseitig aerodynamisch beeinflussen. Dabei sind die Forschenden des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik und des DLR-Instituts für Flugführung zweigleisig vorgegangen: Zum einen haben sie Windkanalexperimente und zum anderen numerische Simulationen am Rechner durchgeführt. Zunächst wurden Rotoren mit konventionellen Propellerblattgeometrien untersucht, als Vergleichsbasis für lärmarme Entwürfe in weiterführenden Studien. Jetzt wurde das dreijährige Vorhaben AACID abgeschlossen. Erste Simulationsergebnisse zeigen: Drohnen können auf einen Abstand von 150 Metern ungefähr die Lautstärke eines lauten Gesprächs erreichen. Der Gesamtschalldruckpegel liegt bei rund 64 dB, wenn die Rotoren - mit einem Durchmesser von 0,33 m - sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 10.000 Umdrehungen pro Minute bewegen. Eine weitere wichtige Erkenntnis: Die Anordnung der Propeller ist ausschlaggebend für deren Lautstärke. Je nachdem, ob sie nebeneinander, übereinander oder versetzt angeordnet sind, kann dies zu Wechselwirkungen und damit zu mehr oder weniger Lärmabstrahlung führen. Karl-Stéphane Rossignol vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik erklärt: „Die Rotoren von Drohnen sind kleiner als typische Flugzeugpropeller oder Hubschrauberrotoren. Wir mussten für unsere Untersuchungen erst einmal herausfinden, welche Schallquellmechanismen für diese kleinen Rotoren eine wichtige Rolle spielen.“

Dafür entwickelten die Wissenschaftler einen speziellen Multi-Propeller-Prüfstand und untersuchten verschiedene Propeller-Anordnungen im Aeroakustischen Windkanal Braunschweig (AWB). Parallel verglichen sie die aerodynamischen und akustischen Experimente mit numerischen Simulationen und überprüften Vorhersagemethoden für die Schallentstehung. „Wir sind davon ausgegangen, dass die sogenannten Breitbandgeräusche – also ein Mix aus unterschiedlichen Schallquellen, der durch die Umströmung der Rotorblätter entsteht – eine wichtige Rolle spielen würden. Bei den Messungen stellte sich jedoch heraus, dass die Töne, die durch die Propeller selbst verursacht werden, lauter sind“, sagt Rossignol. „Sie sind die dominierende Lärmquelle in der untersuchten Doppelrotor-Anordnung, also bei zwei übereinander liegenden Propellern.“ Zudem habe sich gezeigt, dass die Wechselwirkungen der Rotoren untereinander die Geräuschemissionen und das aerodynamische Verhalten erheblich beeinflussen. „Wir haben im Windkanal und in Simulationen Propeller über- und nebeneinander, aber auch versetzt angeordnet, um zu messen und zu berechnen, wie sich die physikalischen Kräfte, die sie erfahren, verändern“, führt der Aeroakustiker aus. Hieraus leiteten die Forscher Erkenntnisse zum Flugverhalten und zur Akustik ab. Die Simulationen zeigten: Sind die Rotoren in einer Tandemkonfiguration, also auf einer Ebene hintereinander angeordnet, so treffen die Blätter des zweiten Propellers stets auf die „gestörte“ Strömung des ersten Propellers. Der „stromabwärts“ liegende Rotor ist daher lauter und seine Position entscheidend für die Lärmabstrahlung. Vermeidet man nun die Wechselwirkung des nachgeschalteten Rotors mit dem Nachlauf des vorgeschalteten Rotors, führt dies zu einer Verringerung des Geräuschpegel um 2 dB. „Wir wissen also jetzt, dass und wie die Anordnung der Rotoren bei Multikoptern geändert werden kann, wenn sie leiser werden sollen“, führt Vorhabenskoordinator Rossignol aus.

Die Ergebnisse der Messungen sollen in weitere Simulationsverfahren zur Verbesserung von Vorhersagemodellen einfließen. Zudem werden sie künftig in internationalen Datenbanken genutzt und können für kommende Forschungsprojekte sowie Umweltverträglichkeitsstudien oder die Erstellung von Schallkarten herangezogen werden.

© DLR
Der Schalldruckpegel wurde in einem Radius von 150 Metern um die Drohnenrotoren herum berechnet.

Quelle: Pressemitteilung DLR, 14.10.2022

 

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