Development and validation of an innovative acoustic test stand for AAM-drone propellers

Abstract

Das Anwendungsgebiet von Drohnen hat sich in den letzten Jahren signifikant erweitert. Insbesondere im Bereich des Handels besteht ein wachsendes Interesse an Drohnen, da ein zunehmender Markttrend in Richtung Lieferdrohnen für die Paketzustellung zu beobachten ist. Die Propeller stellen hierfür eine essenzielle Komponente dar, da sie die Hauptquelle des Lärms einer Drohne sind. Da diese in weiterer Folge in teils dicht besiedelten Gebieten zum Einsatz kommen sollen, ist es wichtig, den Lärmpegel so gering wie möglich zu halten, um die Akzeptanz der Bevölkerung gegenüber derartigen Luftfahrzeugen zu verbessern. Aus diesem Grund werden Propeller sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften als auch ihres Preises kontinuierlich in Richtung eines weitreichenden Einsatzes in Advanced Air Mobility (AAM) Luftfahrzeugen weiterentwickelt. Im Gegensatz zu Kameradrohnen, weisen Lieferdrohnen eine größere Nutzlast auf, besitzen dementsprechend auch eine höhere Eigenmasse und erfordern daher Propeller mit Durchmessern über 20 Zoll. Die Zielsetzung dieser Diplomarbeit besteht folglich in der Entwicklung eines Konzepts zur Durchführung akustischer Messungen an AAM-Propellern. Als Ausgangspunkt für das Grundkonzept wird eine Literaturrecherche durchgeführt, um die Erkenntnisse der aktuellen Forschung bestmöglich miteinzubeziehen und umzusetzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Testvorrichtung für Schallmessungen im Fernfeld entwickelt und zusätzlich eine weitere Testvorrichtung für Schallintensitätsmessungen implementiert, wodurch eine radiale Schallquellenlokalisierung des Propellers ermöglicht werden soll. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Auswahl des benötigten Messequipments sowie der einfachen, transportierbaren Umsetzung des gesamten Konzeptes. Die Versuche werden unter Verwendung des verfügbaren Teststands 15 von Tyto Robotics sowie der vom Institut zur Verfügung gestellten Propeller durchgeführt. Nach Abschluss des Aufbaus erfolgt die Validierung durch Tests mit verschiedenen Propellertypen. Im Anschluss werden diese mit zur Verfügung gestellten CFD-/CAA-Simulationsdaten verglichen. Zusätzlich sollen die generierten Messdaten in einer geeigneten Software erfasst und ausgewertet werden. Dadurch soll ein ganzheitliches Messsystem zur Schallpegelmessung und Schallquellenlokalisierung entstehen, welches die Entwicklung und Auslegung im Hinblick auf Lärmreduktion von Drohnenpropellern, mit einem Durchmesser größer als 20 Zoll, nachhaltig erleichtern soll.

The field of application for drones has expanded significantly in recent years. There is an increasing level of interest for those aerial vehicles, particularly within the retail sector, due to the rising market trend towards delivery drones for parcel shipment. It is imperative to acknowledge the significance of propellers in the context of drone noise. These components serve as the primary source of thrust generation and acoustic disturbance, underscoring their critical role in the overall design and functionality of the drone. Given the intended deployment of these systems in densely populated areas, it is important to minimise noise levels to enhance public acceptance. Consequently, there is ongoing development of propeller designs for Advanced Air Mobility (AAM) vehicles with regard to both, their physical properties and their cost. In contrast to camera drones, delivery drones are characterised by their higher payload capacity, resulting in a greater overall weight. This necessitates the utilisation of propellers with diameters exceeding 20 inches. Therefore, the objective of this thesis is to develop and build a concept for performing acoustic measurements on AAM propellers. As a fundamental starting point for the basic concept, a comprehensive literature review was conducted to incorporate and implement the findings of already built testing systems. In this thesis, a sound measurement system was developed to enable acoustic testing in the far field. In addition, another test device for sound intensity measurement is implemented to localise the radial position of sound sources on the propeller. Another focus of this study is the selection of the respective measurement equipment to ensure a simple setup and transportation of the entire test rig. The tests were carried out using the available Test Stand 15 from Tyto Robotics and the propellers provided by the institute. Following the conclusion of the configuration process, the test setup is validated through measurement campaigns with several propeller types on the designated test rig. Subsequent to this, the obtained results are analysed and compared with the existing CFD/CAA simulation data. Furthermore, the obtained measurement data are recorded and evaluated using appropriate software. The comprehensive objective of this research is to develop an innovative measurement system for sound level measurement and sound source localisation, which can be utilised to reduce the acoustic output of drone propellers greater than 20 inches in diameter.