Aplicação da teoria de superfície helicoidal na predição de ruído de pequenas hélices

Abstract

Pequenos veículos aéreos não tripulados, popularmente chamados de drones, tem atraído a atenção de diversos setores na última década devido a sua versatilidade na realização de atividades, como entrega de pequenas cargas, vigilância, monitoramento, etc. Neste contexto, um dos principais desafios da nova tecnologia se refere ao impacto sonoro produzido em zonas urbanas, onde as restrições relativas à geração de ruído tendem a ser cada vez mais severas. Por conta disso, modelos analíticos que forneçam uma rápida predição do ruído produzido por diferentes configurações de drones tornam-se ferramentas fundamentais de projeto, sobretudo em sua etapa inicial. Drones, em sua maioria, utilizam como fonte de empuxo hélices pequenas, com diâmetros inferiores a 0,5 m, as quais correspondem à sua principal fonte de ruído. Embora a literatura disponha de bons modelos analíticos para a predição do ruído de hélices de grande porte, sua aplicação na predição de ruído de hélices pequenas ainda é incerta. Isto se deve às características de funcionamento das pequenas hélices, que envolvem baixas velocidades de voo e baixos números de Reynolds que, por sua vez, influencia significativamente os mecanismos de geração de som. Este trabalho investiga a capacidade de um modelo analítico consolidado, baseado na Teoria de Superfície Helicoidal, para predição do ruído tonal em campo distante de hélices de pequeno porte. A análise é conduzida através da comparação entre resultados analíticos e experimentais para o som em campo distante, envolvendo tamanhos distintos da hélice APC MRP com passo de 4,5\", comumente utilizada em drones. Os resultados obtidos apresentam boa concordância para o primeiro harmônico, sobretudo para ângulos de radiação próximos do plano de giro da hélice. Uma investigação subsequente do modelo analítico sugere que a baixa concordância obtida para harmônicos de alta ordem e pequenos ângulos se deve ao cancelamento do ruído de carregamento, dada a inversão de fase que ocorre nesta região. Adicionalmente, verificou-se a capacidade do modelo em predizer ruído em campo distante gerado pela interação entre duas hélices coplanares em co-rotação. Neste caso, verificou-se boa concordância entre os resultados analíticos e resultados experimentais disponíveis na literatura. Por fim, os resultados sugerem que, apesar das grandes diferenças geométricas e de operação existentes entre pequenas e grandes hélices, o modelo baseado na Teoria Helicoidal é capaz de predizer com razoável acurácia ruído tonal e OASPL de hélices de pequeno porte.

Abstract: Small unmanned aerial vehicles, commonly called drones, have attracted the attention of several sectors in the last decade due to its versatility in carrying out activities such as delivery of small packages, surveillance, monitoring, etc. In this context, one of the main challenges of this thecnology is due to the sound impact produced in urban areas, where restrictions on noise generation tend to be increasingly severe. Because of this, analytical models that provide a quick prediction of the noise produced by different drones configurations become fundamental design tools, especially in its initial stage. Drones, for the most part, use small propellers as its source of thrust, with diameters less than 0.5 m, which correspond to their main source of noise. Although the literature has good analytical models for predicting the noise of large-scale propellers, their application in the noise prediction of small propellers is still uncertain. This is due to operating characteristics of small propellers, which involve low flight speeds and low Reynolds numbers which, in turn, significantly influences the sound generation mechanisms. This work investigates the hability of a consolidated analytical model, based on Helical Surface Theory, for prediction of far-field tonal noise of small propellers. The analysis is carried out by comparing analytical and experimental results for far-field sound, involving different sizes of the APC MRP propeller with 4.5\"pitch , commonly used in drones. The results obtained show good agreement for the first harmonic, especially for radiation angles close to the propeller plane of rotation. A subsequent investigation of the analytical model suggests that the low agreement obtained for high-order harmonics and small angles is due to noise cancellation from loading, given the phase inversion that occurs in this region. Additionally, the ability of the model to predict far-field noise generated by the interaction between two coplanar co-rotating propellers was verified. In this case, there was good agreement between the results analytical and experimental results available in the literature. Finally, the results suggest that, despite the large geometric and operational differences between small and large propellers, the model based on Helidoidal Surface Theory is able to predict with reasonable accuracy the tonal and OASPL noise of small propellers.