Designing Sound

Blade noise and slap
We know the blade tips are not supersonic, so what causes the very sharp
snapping that sounds like shockwaves? It seems that three separate processes
contribute to rotor sound. A moving blade produces a signature not unlike the
N-wave of a shock, but softened in time, with a parabolic approach and retreat
and a sudden change in direction in the middle. One constant contribution to
this waveform is caused by the thickness of the blade, called the
edge noise
.
From this we get a turbulent broadband noise modulated at the rotation rate.
Another contribution, which depends on the lift or blade pitch, is the aerody-
namic signature, which is more pitched. Because of the cyclic modulation of
blade pitch this changes throughout each rotation. Finally, there is
blade slap
.
Vortices from the leading blade tip trail into the next advancing blade. As you
probably know from air travel, a fast-moving object hitting pockets of air at
a different density creates bumps, so the vortices cause sudden impulses that
excite the rotor blade. They spiral inwards, usually hitting the trailing blade
somewhere about 90 percent of its length. The excitation changes with speed
but in certain positions they all line up, reinforcing one another and steepening
the slope to make a loud bang like a shockwave. It is complicated to predict
where this will happen as it depends on blade pitch, air velocity, and observer
location, but we get a range of waveforms that change between a dull parabolic
rise and fall to a sharp skewed sawtooth-like wave. It is not only the broadband
noise from blade turbulence that is modulated by the low-frequency rotor; the
engine and exhaust signals are also caught up in the same pulsating stream,
so they are frequency modulated (by Doppler) at the same rate. Blade slap
does not occur in all conditions or for all designs of helicopter. Some designs
are very quiet and only emit regular edge noise and engine sounds. Blade slaps
seem to occur once a critical threshold of pitch, area, forward velocity, and
rotational velocity is passed, so it may occur during banking or sudden bursts
of lift. Because of this, flight manoeuvres and sound are linked.