Como Reduzir o Ruído das Hélices dos Drones

Por Lauren Nagel

Reduzir o ruído dos drones é uma prioridade para muitos fabricantes e operadores de drones. Comprar hélices de baixo ruído ou um drone de baixo ruído é uma forma de alcançar esse objetivo, mas quase sempre há margem para melhorias adicionais.

O que mais pode fazer, como fabricante ou operador de drones, para reduzir o ruído do seu drone?

Neste artigo, analisamos como as hélices contribuem para o ruído dos drones e como o nível de ruído difere entre hélices equilibradas e desequilibradas. Concluímos com uma recomendação prática sobre como reduzir o ruído proveniente das hélices do seu drone.

Índice

1. Danos nas hélices e ruído

2. Desempenho das hélices de baixo ruído para drones

3. Como reduzir o ruído dos drones

Figura 1: Drone quadricóptero em voo

1. Danos nas hélices e ruído

Intuitivamente, assume-se que hélices desequilibradas produzam mais ruído do que hélices equilibradas. No entanto, para pequenos desequilíbrios que não prejudicam significativamente o voo do UAV, os resultados são contraditórios.

Por exemplo, em Pechan (2015), os autores observaram o efeito oposto. Hélices com várias imperfeições, tais como protuberâncias, pás serrilhadas e desequilíbrios de massa, foram testadas quanto à produção de ruído e submetidas a várias velocidades de rotação, entre 3000 e 5500 RPM.

Na maioria dos seus experimentos, as hélices com protuberâncias ou serrilhados apresentaram, em média, uma produção de ruído igual ou superior (LZmax) à da hélice sem danos.

Figura 2: O nível de ruído máximo detetado (LZmax) de hélices danificadas (B1 - B5), desequilibradas (B6) e lisas (Pechan, 2015)

No caso da hélice desequilibrada, à qual foi removido material de uma das pás através de lixagem, os resultados mostraram que a hélice equilibrada produziu, na verdade, mais ruído em frequências mais elevadas a 5000 RPM. 

Figura 3: Espectros de ruído de hélices lisas e desequilibradas a 3000 (esquerda) e 5000 RPM (direita) (Pechan, 2015)

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Os autores não especificam quanto material foi removido da pá, pelo que é difícil interpretar estes resultados. As hélices danificadas por adição ou remoção de material também não foram caracterizadas em detalhe e provavelmente representam elas próprias um estado de desequilíbrio.

Os autores discutem a diferença entre ruído tonal e ruído de banda larga, diferenciando-os da seguinte forma: “O ruído tonal está relacionado com a aerodinâmica e a cinemática da pá em fluxo uniforme, [...] espessura, carga e ruído quadripolar. O ruído de banda larga é mais complexo e é gerado pela interação entre o fluxo e vários componentes da pá”.

Os níveis de ruído tonal representam a maior parte da contribuição para o ruído total, enquanto o ruído de banda larga representa apenas uma pequena parte. Eles observam que um dos principais fatores contribuintes para o ruído tonal é o ruído de espessura, determinado pela espessura da pá da hélice.

Pode-se hipotetizar que, ao reduzir a espessura da pá da hélice desequilibrada através de lixagem, possam ter reduzido o ruído de espessura e diminuído a produção total de ruído tonal.

Se precisar de adicionar ou remover peso das hélices para equilíbrio ou outros fins, existem formas seguras de o fazer.

2. Desempenho das hélices de baixo ruído para drones

Um terceiro estudo, realizado por Semke (2021), procurou caracterizar como os danos influenciam a aceleração, os níveis acústicos e o desempenho de voo dos UAVs. Os testes foram realizados utilizando um DJI Phantom 4 Pro com quatro conjuntos distintos de hélices; dois dos conjuntos tinham um design de baixo ruído e os outros dois conjuntos tinham um design padrão. Em cada conjunto, foi removido um centímetro de material da ponta de uma das hélices para introduzir um desequilíbrio, enquanto a outra permaneceu inalterada.

Os resultados demonstraram que, em duas das pás padrão, as hélices desequilibradas apresentaram um aumento de 4 dB no nível de ruído em comparação com as hélices não modificadas. Em contrapartida, as hélices de baixo ruído apresentaram pouca ou nenhuma diferença entre as condições danificadas e não danificadas.

Figura 4: Nível de pressão sonora em dB de UAVs com hélices não danificadas e danificadas (Semke, 2021)

Também estudaram a vibração da aeronave utilizando um acelerómetro de bordo. Os resultados correspondem às medições acústicas: todas as aeronaves danificadas apresentaram vibração aumentada, mas o aumento foi menos pronunciado nos UAVs com hélices de baixo ruído.

Figura 5: Aumento da aceleração entre UAVs com hélices não danificadas e danificadas (Semke, 2021)

Cada um destes estudos dá como certo que as hélices e os motores do UAV estavam bem equilibrados antes dos experimentos. Seria interessante ver mais estudos sobre estes efeitos com as seguintes adições: 1) massa conhecida da hélice, 2) massa ou magnitude conhecida do desequilíbrio, 3) uma medição do equilíbrio da hélice face a um padrão estabelecido.

A principal conclusão destes estudos é que pequenos desequilíbrios nas hélices dos drones podem resultar num aumento da produção de ruído. Desequilíbrios maiores provavelmente resultarão em ainda mais ruído, tornando-se mais perceptíveis em hélices maiores ou em hélices que operam a RPMs muito elevadas.

Leitura adicional: Como Equilibrar uma Hélice de 3 Pás

3. Como reduzir o ruído dos drones

Estudos como estes levantam várias questões sobre a relação entre o equilíbrio das hélices e a produção de ruído. No geral, parece que ter hélices bem equilibradas pode ajudá-lo a reduzir o ruído dos drones.

Existem muitos equilibradores estáticos no mercado que podem ajudá-lo a alcançar um equilíbrio básico da sua hélice, mas para um equilíbrio mais preciso e para minimizar os últimos poucos dB, o equilíbrio dinâmico é essencial.

Na Tyto Robotics, desenvolvemos um sistema de equilíbrio dinâmico de hélices que permite aos utilizadores quantificar e corrigir desequilíbrios nas suas hélices em apenas algumas rotações.

Utilizamos a norma ISO 21940-11 como base para o equilíbrio, para que possa equilibrar rapidamente as suas hélices de acordo com padrões internacionalmente reconhecidos.

O sistema combina-se com um sensor de som para medir o ruído produzido pela sua hélice em diferentes estados de desequilíbrio.

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Figura 6: Adição de pesos às pás de uma hélice para alcançar uma distribuição de massa uniforme

Conclusão

Esperamos que este artigo tenha fornecido alguma perspetiva sobre a relação entre o equilíbrio das hélices e a produção de ruído dos drones. Se tiver mais ideias ou perguntas, deixe-nos saber nos comentários.

Para saber mais sobre como as hélices desequilibradas podem afetar o desempenho do seu drone, descarregue o nosso white paper: Consequências do Desequilíbrio das Hélices no Desempenho dos UAVs:

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