Mieux comprendre le bruit des rotors de queue d’hélicoptère

Le rotor de queue, source de nuisance sonore

La flexibilité des hélicoptères dans les zones difficiles d'accès et leur capacité à être utilisés pour des missions d'urgence, telles que les évacuations médicales, en font des moyens de transport indispensables, aussi bien pour certains services publics essentiels que pour les particuliers. Cependant, la multiplication des survols en milieu urbain accroît les nuisances sonores pour les populations vivant à proximité des routes aériennes, d’où la nécessité de concevoir des appareils plus silencieux.Le spectre acoustique d'un hélicoptère en fonctionnement est dominé par le bruit provenant du rotor principal. Toutefois, le rotor de queue contribue de manière non négligeable au bruit, en générant des composantes dans la zone de sensibilité de l'oreille humaine, donc particulièrement gênantes.

Dans un contexte d'amélioration continue et d'électrisation des commandes de vol, une nouvelle architecture de rotor de queue d'hélicoptère a été développée par Bell Textron Canada. Il est composé de quatre hélices entraînées électriquement et encastrées dans un carénage, comme illustré sur la Figure 2. L'ajout du carénage génère de nouvelles sources de bruit qu’il importe de caractériser pour en optimiser la conception. Cette étude vise, dans un premier temps, à analyser les sources de bruit associées à la partie tournante du système (rotor), en excluant la partie fixe (stator). L'objectif est de déterminer et de caractériser spécifiquement les sources acoustiques liées au rotor.

Les simulations numériques au service de l’acoustique

De manière générale, l'écoulement d'air autour des hélices est composé de structures tourbillonnaires d'air, de différentes tailles, qui fluctuent fortement dans le temps, comme le montre la Figure 1.

Le mouvement de rotation des pales de l'hélice ainsi que leur interaction avec ces structures génèrent des variations de pression, qui vont se propager sous forme d'ondes sonores. Ce son présente des composantes localisées à certaines fréquences, dites tonales, et des composantes réparties sur une grande plage de fréquence, dites à large bande.

Pour estimer le son produit par le rotor, l'approche utilisée dans cette étude consiste dans un premier temps à résoudre numériquement les équations de Navier-Stokes, qui décrivent l'évolution dans le temps de la vitesse et de la pression d'une particule d'air, dans un domaine de calcul entourant l'hélice. Tenir compte de toutes les structures tourbillonnaires serait un processus très coûteux en ressources de calcul; de ce fait seules celles de plus grande taille sont résolues, tandis que le comportement des autres est modélisé par des modèles dits de sous-maille.   

Une fois la pression à la surface des pales de l'hélice obtenue, le niveau de bruit perçu par un microphone placé à 2 m de l'hélice est calculé via une équation dépendant de cette pression de surface et d'autres paramètres aérodynamiques. Contrairement aux méthodes expérimentales, cette approche permet non seulement d’estimer le bruit généré, mais aussi d’identifier les causes qui en sont à l’origine.

Le tourbillon de bout de pale, principale source de bruit large bande

Les résultats obtenus mettent en évidence deux zones principalement responsables du bruit large bande émis par les pales de l'hélice. La première est en pied de pale, proche du moyeu, et associée aux basses fréquences du spectre acoustique. La seconde est à l’extrémité supérieure des pales, à proximité du carénage. C'est elle qui domine le spectre acoustique aux fréquences plus élevées, dans la plage où l'oreille humaine est la plus sensible, avec des niveaux de bruit de 5 à 10 dB supérieurs à ceux émis par le reste de la pale. On y observe un écoulement de fuite et la formation d'un tourbillon de bout de pale dans l'espacement radial entre la pale et le carénage. Ces phénomènes génèrent des variations de pression dans cette région, qui, par la suite, se propagent radialement dans le reste du domaine. Une analyse par décomposition des modes permet de mettre en évidence le rôle prépondérant de l'oscillation du tourbillon dans la génération de ces fluctuations de pression.

Des données numériques à nuancer

La comparaison entre les résultats numériques et les données expérimentales montre une bonne correspondance en termes de poussée générée. Du point de vue acoustique, les niveaux prédits sont également en bon accord avec les mesures aux basses fréquences. Cependant, l'on observe une surestimation d'environ 5 à 10 dB aux hautes fréquences, comme on le montre la Figure 3.

Ces écarts sont vraisemblablement dus à la résolution des tourbillons en tête de pale, permise par les méthodes numériques employées. D'autres analyses complémentaires seront nécessaires afin de confirmer cette hypothèse.

Ce que l’on peut conclure

Malgré les différences observées avec les données expérimentales, cette étude a permis d’identifier la région en tête de pale comme principale responsable du bruit émis par les pales en mouvement du rotor de queue EDAT. L'analyse numérique a également permis de préciser le choix de certains paramètres numériques ainsi que le temps de convergence nécessaire pour obtenir des données acoustiques exploitables. Ces résultats ouvrent des pistes d'amélioration aussi bien pour les futures analyses que pour la conception de rotors plus silencieux.

Informations supplémentaires

Pour plus d’informations sur cette recherche, consultez l’article suivant : Ralph Kinte Pouhe Hiol, Marlène Sanjosé, Aerodynamic noise contributions in a ducted tail-rotor configuration using high-fidelity simulation, International Journal of Heat and Fluid Flow, Volume 121, Part 2, 2026, 110518, ISSN 0142-727X.