Construção de um protótipo simplificado de fonte sonora rotativa e medição utilizando princípios da norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming

Abstract

A geração de energia a partir de turbinas eólicas tem crescido em todo o mundo, apresentando novos desafios no que diz respeito a paisagem sonora ao seu redor. Nesse sentido, normas e legislações foram criadas para regulamentar a instalação de aerogeradores, prezando pela saúde dos que vivem próximo a usinas. De 2015 a 2019, esteve em vigor no Brasil a Portaria Inmetro-MDIC nº 168 (de 23/03/2015), que versava sobre “Requisitos de avaliação da conformidade para aerogeradores”, incluindo pormenores da parte elétrica e acústica. Esse documento, no que concerne à acústica, apontava para os requisitos da norma internacional IEC 61400 – Wind turbine generator systems – Part 11: Acoustic noise measurement techniques. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo simplificado da IEC 61400. Para isso, construiu-se um protótipo rotativo em escala, no qual a geração sonora é realizada por meio de dois alto-falantes sem fio posicionados de forma axissimétrica nas pás da hélice, as quais são rotacionadas por um motor DC controlado por Arduino via Matlab. A emissão de ruído do protótipo foi avaliada seguindo as diretrizes da norma IEC e estudos de imageamento acústico foram realizados, buscando comparar as técnicas para focos fixo, móvel e janelamento temporal. Para tal, utilizou-se o toolbox Beamap (foco fixo e resultados janelados), do curso de Engenharia Acústica da UFSM, em conjunto com o Acoular (resultados dinâmicos), desenvolvido pela Universidade Técnica de Berlim. Ao fim, foi possível aplicar os princípios dos métodos da norma com sucesso, bem como demonstrar a eficácia dos algoritmos de imageamento baseados em foco móvel (via comparação com os algoritmos de foco fixo). — Title: Construction of a simplified rotating sound source prototype, and measurement using principles of the standard IEC 61400-11 and acoustic imaging via beamforming — ABSTRACT: Power generation through wind turbines has been increasing worldwide, leading to new challenges regarding their surrounding soundscapes. In this sense, standards and legislations were created to rule the installation of wind turbines, accounting for the well-being of people living in their neighborhoods. From 2015 to 2019, the Ordinance Inmetro-MDIC n°168 (from 23/05/2105) was operative, which spoke about the ``requirements for conformity evaluation of wind generators'' including details on their electrical and acoustic parameters. Concerning the acoustics part, the document pointed to requirements of the international standard IEC 61400 – Wind turbine generator systems – Part 11: Acoustic noise measurement techniques. This work aims to show a simplified study of the IEC 61400. Thereunto, a scaled rotative prototype was built. Its sound generation was carried out by two wireless loudspeakers axisymmetric positioned on the blades, which were moved by a DC motor controlled by an Arduino via Matlab. The prototype’s noise emission was evaluated following the IEC guidelines. In addition, acoustic imaging studies were carried out to compare techniques involving fixed and moving focus, along with time-windowing. To that, UFSM’s Acoustical Engineering Beamap toolbox was used (fixed focus and time-windowing), along with Acoular (dynamic results), developed at the Technical University of Berlin. Ultimately, the principles of the standard’s methods were successfully applied. Moreover, it was possible to show the effectiveness of moving focus acoustical imaging algorithms (via comparison against fixed focus algorithms).

Full text

Construção de um protótipo simplificado de fonte sonora rotativa
e medição utilizando princípios da norma IEC 61400-11
e imageamento sonoro via beamforming
Sanchez; T. M.1; Fonseca, W. D’A.1; Mello, F. R.1; Mareze, P. H.1; Melo, V. S. G.1
1Engenharia Acústica, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil,
{thiago.sanchez, will.fonseca, felipe.mello, paulo.mareze, viviane.melo}@eac.ufsm.br
Resumo
A geração de energia a partir de turbinas eólicas tem crescido em todo o mundo, apresentando novos desafios no que
diz respeito a paisagem sonora ao seu redor. Nesse sentido, normas e legislações foram criadas para regulamentar
a instalação de aerogeradores, prezando pela saúde dos que vivem próximo a usinas. De 2015 a 2019, esteve em
vigor no Brasil a Portaria Inmetro-MDIC nº 168 (de 23/03/2015), que versava sobre “Requisitos de avaliação
da conformidade para aerogeradores”, incluindo pormenores da parte elétrica e acústica. Esse documento, no
que concerne à acústica, apontava para os requisitos da norma internacional IEC 61400 – Wind turbine generator
systems – Part 11: Acoustic noise measurement techniques. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo
simplificado da IEC 61400. Para isso, construiu-se um protótipo rotativo em escala, no qual a geração sonora é
realizada por meio de dois alto-falantes sem fio posicionados de forma axissimétrica nas pás da hélice, as quais
são rotacionadas por um motor DC controlado por Arduino via Matlab. A emissão de ruído do protótipo foi
avaliada seguindo as diretrizes da norma IEC e estudos de imageamento acústico foram realizados, buscando
comparar as técnicas para focos fixo, móvel e janelamento temporal. Para tal, utilizou-se o toolbox Beamap (foco
fixo e resultados janelados), do curso de Engenharia Acústica da UFSM, em conjunto com o Acoular (resultados
dinâmicos), desenvolvido pela Universidade Técnica de Berlim. Ao fim, foi possível aplicar os princípios dos
métodos da norma com sucesso, bem como demonstrar a eficácia dos algoritmos de imageamento baseados em
foco móvel (via comparação com os algoritmos de foco fixo).
Palavras-chave: aerogeradores, ruído, Acoular, Beamap, Arduino, imageamento acústico, arranjo, microfones.
PACS: 43.35.Sx, 43.60.–c, 43.58.–e, 43.28.–g, 43.60.Lq.
Construction of a simplified rotating sound source prototype, and measurement using principles of the
standard IEC 61400-11 and acoustic imaging via beamforming
Abstract
Power generation through wind turbines has been increasing worldwide, leading to new challenges regarding
their surrounding soundscapes. In this sense, standards and legislations were created to rule the installation of
wind turbines, accounting for the well-being of people living in their neighborhoods. From 2015 to 2019, the
Ordinance Inmetro-MDIC n°168 (from 23/05/2105) was operative, which spoke about the “requirements for
conformity evaluation of wind generators” including details on their electrical and acoustic parameters. Concerning
the acoustics part, the document pointed to requirements of the international standard IEC 61400 – Wind turbine
generator systems – Part 11: Acoustic noise measurement techniques. This work aims to show a simplified study
of the IEC 61400. Thereunto, a scaled rotative prototype was built. Its sound generation was carried out by
two wireless loudspeakers axisymmetric positioned on the blades, which were moved by a DC motor controlled
by an Arduino via Matlab. The prototype’s noise emission was evaluated following the IEC guidelines. In
addition, acoustic imaging studies were carried out to compare techniques involving fixed and moving focus,
along with time-windowing. To that, UFSM’s Acoustical Engineering Beamap toolbox was used (fixed focus
and time-windowing), along with Acoular (dynamic results), developed at the Technical University of Berlin.
Ultimately, the principles of the standard’s methods were successfully applied. Moreover, it was possible to show
the effectiveness of moving focus acoustical imaging algorithms (via comparison against fixed focus algorithms).
Keywords: wind turbines, noise, Acoular, Beamap, Arduino, acoustic imaging, array, microphones.
FIA 2020/22
XII CONGRESSO/CONGRESO IBEROAMERICANO DE ACÚSTICA
XXIX ENCONTRO DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE ACÚSTICA - SOBRAC
Florianópolis, SC, Brasil

2Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming FIA 2020/22 | XXIX Sobrac
1. INTRODUÇÃO
O uso de geradores eólicos tem crescido em todo
o mundo [
1
]. O Brasil já é o sétimo país do mundo
em capacidade instalada de energia eólica, assis-
tindo mais de 86 milhões de pessoas por meio
de aerogeradores todos os meses [
2
]. A Portaria
Inmetro-MDIC nº 168 (de 23/03/2015), em vigor
no Brasil de 2015 a 2019, versava sobre Requisi-
tos de avaliação da conformidade para aeroge-
radores e, para isso, citava a norma internacional
IEC 61400-11:2002 – Acoustic noise measure-
ment techniques, que traz diretrizes para medi-
ções de turbinas eólicas, de forma a caracterizar
parâmetros confiáveis para que a operação dessas
fontes de energia renováveis estejam dentro de
limites aceitáveis do ponto de vista acústico.
Nesse sentido, a fim de realizar uma pesquisa
1
no
tema (de medição de aerogeradores) e aprofundar
o aprendizado em imageamento acústico para tais
fontes, construiu-se um protótipo simplificado de
fonte sonora rotativa (de 50 cm de altura) para si-
mular uma pequena turbina eólica. A rotação das
pás foi feita por meio de um motor DC controlado
via Arduino e Matlab.
A primeira parte do trabalho consistiu-se em utili-
zar princípios da norma IEC 61400-11 para obter
medições acústicas similares às suas diretrizes,
utilizando uma interface de áudio e microfones
de eletreto. Os microfones foram devidamente
calibrados e os resultados mostram os níveis de
pressão sonora (NPS) equivalentes. A segunda
parte do trabalho teve como base a técnica de be-
amforming, no intuito de localizar fontes sonoras
em movimento circular (rotativo). Neste caso,
as fontes sonoras foram pequenos alto-falantes
1
O presente artigo é fruto da monografia de conclusão de
curso do primeiro autor [3].
bluetooth colocados nas extremidades das pás do
protótipo de madeira. O trabalho completo, com
todas as análises e discussões, pode ser encon-
trado na monografia de Sanchez [
3
]. A Figura 1
mostra de forma simplificada as etapas seguidas
neste trabalho.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Esta seção contém fundamentos necessários tanto
para a medição segundo a norma IEC 61400-
11:2002 (Seção 2.1) quanto para o beamforming
(Seção 2.2).
2.1 Norma IEC 61400-11:2002
A IEC (International Electrotechnical Commis-
sion) é uma organização mundial de padronização.
O objetivo da IEC é promover a cooperação inter-
nacional em todas as questões relativas à padroni-
zação nos campos elétricos e eletrônicos. A enti-
dade colabora estreitamente com a Organização
Internacional de Normalização (ISO), conforme
as condições determinadas por acordo entre as
duas organizações [4].
O objetivo da IEC 61400-11:2002 é fornecer uma
metodologia uniforme que assegure consistência
na medição e análise de emissões acústicas por
sistemas de geradores eólicos (wind turbines), per-
mitindo a caracterização das suas emissões de
ruído [
4
]. De acordo com a norma, pelo menos
uma — ou opcionalmente outras três — posição
de microfone deve ser usada para medir ruído (em
determinadas situações de operação). As quatro
posições de microfones devem ser dispostas em
um padrão ao redor da turbina eólica conforme
indicado na Figura 2 (a).
A distância de referência R
0
para turbinas de eixo
Figura 1: Diagrama-resumo deste trabalho.

FIA 2020/22 | XXIX Sobrac Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming 3
horizontal é dada por:
R0=H+D
2,(1)
em que Hcorresponde a distância vertical entre
o chão e o centro do rotor e Dé o diâmetro do
rotor. O cálculo de R
0
tem uma tolerância de 20
%
e deve ser medido com uma precisão de 2
%
. A
Figura 2 (b) mostra visualmente as distâncias R
0
,
HeD.
(a) Posição dos microfones
1
(b) Distância R0
Figura 2: Posições de medição dos microfones e
ilustração da distância R0para turbinas eólicas
horizontais (adaptado da IEC 61400-11:2002 [4]).
2.2 Beamforming
Beamforming é uma técnica de filtragem espacial
baseada em arranjos de sensores. Em acústica,
a técnica é utilizada para localização de fontes
sonoras no espaço, bem como seu mapeamento
em imagens acústicas. O princípio se baseia na
adição coerente de sinais de uma determinada
direção (ou ponto no espaço), rejeitando sinais
provenientes de outras direções [5].
Devido a sua robustez, a técnica possibilita a utili-
zação de microfones de custo reduzido (eletreto),
permitindo medições satisfatórias tanto em campo
acústico semipróximo quanto em campo distante
— em contraponto às técnicas como holografia e
intensidade acústica [
6
]. Todavia, cabe ressaltar
que o beamforming possui limitações em baixas
frequências sobretudo devido à geometria do ar-
ranjo e à quantidade de sensores, o que faz com
que a técnica seja eficiente para medições em mé-
dias e altas frequências [6].
2.2.1 Beamforming clássico
Obeamforming clássico, também conhecido por
atraso-e-soma
2
, é o mais simples da família de
algoritmos de beamforming [
7
]. Como o próprio
nome diz, ele mapeia as fontes sonoras utilizando-
se da diferença de tempo entre as frentes de onda
sonoras que atingem os sensores do arranjo.
O algoritmo consiste em dividir um plano de aná-
lise (no espaço) em Ncélulas, formando uma
malha (ou um grid de varredura). Na sequência,
calcula-se os atrasos
∆m
entre o
n
-ésimo ponto
da malha e o
m
-ésimo sensor do arranjo, propor-
cionais ao tempo que a onda sonora advinda do
n
-ésimo ponto leva para chegar ao
m
-ésimo mi-
crofone. Assim, virtualmente, é como se todos os
sinais oriundos de um mesmo ponto chagassem
simultaneamente em todos os sensores do arranjo.
Após a aplicação do atraso em todos os sinais, es-
tes são somados e divididos pelo número total de
sensores M. Ademais, aplica-se uma ponderação
por um fator
wm
, de modo a compensar o espalha-
mento esférico das ondas durante a propagação.
Matematicamente, o processo pode ser descrito
2Do inglês delay-and-sum ou DAS ou ainda DSB.

4Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming FIA 2020/22 | XXIX Sobrac
por
b(t) = 1
M
M
∑
m=1
wmpm(t−∆m),(2)
em que
pm
é a função que descreve o sinal do
m-ésimo microfone no instante de tempo t.
Ao fim, o algoritmo atribui valores de acordo com
o resultado da soma dos sinais para cada ponto
n
da malha, sendo apresentados em um mapa
de cores. Um valor baixo atribuído correspon-
derá, visualmente, a uma cor mais fria e um valor
maior corresponderá a uma cor mais quente —
claro, isso também dependerá da escala de cores
escolhida.
2.2.2 Beamforming convencional
Quando o histórico temporal não é necessário,
a técnica do beamforming convencional (CB)
pode ser utilizada, pois baseia-se no domínio da
frequência. Geralmente o tempo de computação
é acelerado devido à utilização de processamento
com notação matricial. A expressão final para
essa formulação é
|B(f)|2=g†
Cg
|g|4,(3)
em que
g
é o vetor de direções;

C
é a matriz de
espectros cruzados e
{·}†
simboliza o Operador
Hermitiano — pormenores podem ser encontra-
dos em Fonseca [8] e Sijtsma [9].
3. ASPECTOS CONSTRUTIVOS
Uma vez que nesta pesquisa não foi possível ter
acesso a um aerogerador real, fez-se necessário
construir um protótipo simplificado, de forma a
possibilitar os experimentos e a realização deste
trabalho, veja a Figura 3.
A base da estrutura foi feita com uma placa de ma-
deira tipo MDF (fibra de média densidade), com
arestas 40 cm
×
30 cm
×
38 mm. Sobre ela fo-
ram fixadas duas cantoneiras tipo mão-francesa e,
no topo, foi parafusada uma outra placa de MDF
(16 cm
×
12 cm
×
38 mm). Nesta placa menor foi
apoiado e fixado o motor DC, responsável pela
movimentação de uma terceira placa de MDF,
esta retangular, com dimensões de
60 ×10
cm,
simulando a pá de uma turbina eólica. As ex-
tremidades da pá foram furadas com uma serra
copo (25 cm distantes do eixo), de forma a per-
(a) Visão frontal (b) Visão lateral
Figura 3: Protótipo final construído.
mitir o acoplamento dos pequenos alto-falantes
bluetooth.
Finalmente, o acionamento do motor foi reali-
zado por meio de um Arduino Due conectado a
um computador e controlado via Matlab (veja o
Apêndice Adeste artigo).
4. DESENVOLVIMENTO
Esta seção dedica-se a apresentar a instrumenta-
ção e procedimentos para os experimentos propos-
tos. Especificamente, a Seção 4.1 contém detalhes
acerca da bancada para medições de NPS em con-
cordância com princípios da norma IEC 61400–
11:2002. É importante deixar claro que esta pes-
quisa não atendeu as medições e processamentos
da norma em sua totalidade, pois eles dependem
do regime de funcionamento do aerogerador. A
Seção 4.2 relata a escolha da geometria do arranjo,
suas simulações realizadas com os software Bea-
map e Acoular e, ao fim, descreve o experimento
de beamforming.
4.1 Experimento 1 – Medições IEC
Para este primeiro experimento, foram usados os
seguintes equipamentos:
• interface Presonus AudioBox 1818VSL;
• calibrador de pressão B&K Type 4231;
• 4 ×microfones Panasonic WM-61A;
• Arduino Due; e
• computador.
O digrama de blocos das conexões é mostrado na
Figura 4.
Para a medição do protótipo, as posições dos qua-
tro microfones respeitaram as distâncias estabele-
cidas pela Equação
(1)
e a Figura 2, veja também

FIA 2020/22 | XXIX Sobrac Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming 5
*
Figura 4: Conexões para o experimento utilizando a
norma IEC 61400-11.
a Figura 5. A sala utilizada para a medição foi o
Estúdio SAB da UFSM. Essa sala possui trata-
mento acústico para médias e altas frequências,
com materiais fonoabsorventes. Ainda assim, a
sala não é ideal (campo livre), todavia, foi a me-
lhor opção acessível.
Figura 5: Bancada de medição com protótipo e
microfones.
O envio dos sinais (ruído branco) para os alto-
falantes foi realizado via conexão bluetooth, de
forma a facilitar a medição. O controle do motor
foi realizado via Matlab, uma velocidade apro-
ximadamente constante era definida (115 rpm).
A aquisição dos dados foi realizada também via
Matlab (com ITA-Toolbox [
10
]). Os quatro micro-
fones foram calibrados, tanto antes quanto depois
das medições. Foram realizadas 30 medições uti-
lizando ruído branco e 5 medições do ruído de
fundo com o protótipo desligado.
A Figura 5ilustra o protótipo com os microfones
em volta e os alto-falantes acoplados, bem como
o circuito de controle ao lado.
4.2 Experimento 2 – Beamforming
O segundo experimento consistiu em algumas eta-
pas. Primeiramente, foi necessário definir a geo-
metria do arranjo que seria utilizado nas medições.
Para isso, recorreu-se à recomendações encontra-
das na literatura, como explicitado na Seção 4.2.1.
As geometrias escolhidas foram, então, simuladas
utilizando as ferramentas Beamap e Acoular, apre-
sentadas na Seção 4.2.2. Em seguida, com o setup
experimental descrito na Seção 4.2.3, mediu-se
uma fonte pontual alinhada ao centro do arranjo,
a qual foi utilizada para comparação com as simu-
lações e validação da bancada (vide resultados na
Seção 6.1). Finalmente, com o sistema validado,
mediu-se o protótipo em movimento rotativo.
4.2.1 Escolha da geometria do arranjo
Existem diversas geometrias aplicáveis para me-
dições de beamforming. Em geral, elas são classi-
ficadas de acordo com sua dimensionalidade (1D,
2D ou 3D) e de acordo com sua transparência
acústica [
8
]. Para uma medição face a face com
fontes rotativas que estão alinhadas axialmente
com o arranjo, a literatura recomenda predomi-
nantemente arranjos circulares [
11
,
12
], dado seu
ótimo desempenho
3
, o que pode ser observado
também em outras referências [
14
–
18
], embora
seja também relatado o uso satisfatório de arran-
jos espirais ou de formato arbitrário [19–21].
Para o experimento, optou-se por utilizar geome-
trias circulares com dois valores de raio (para
testes distintos), conforme mostrado na Figura 6
4
.
Essa escolha está relacionada com o processa-
mento de rotacioná-la virtualmente para que a
posição relativa entre arranjo e fontes seja pratica-
mente estacionária — técnica disponível no Acou-
lar. Ademais, recentemente Zhang et al. [
22
]
publicou uma técnica aprimorada com grande po-
tencial de acelerar o cálculo de arranjos circulares,
o que será investigado no futuro.
3
Em comparação às configurações do tipo cruz ou linear,
por exemplo. Um interessante material sobre geometrias
pode ser consultado no texto de Christensen e Hald [13].
4
É importante pontuar que, devido ao grid que sustenta
todos os microfones, foi necessário alguns ajustes na geo-
metria, o que justifica a disposição não-equidistante dos
32 sensores.

6Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming FIA 2020/22 | XXIX Sobrac
-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
x [m]
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
y [m]
Arranjos circulares utilizados
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
31
32
Raio = 35 cm Raio = 50 cm
Figura 6: Arranjos de 0,35 m (laranja) e 0,50 m (roxo)
de raio escolhidos para o experimento.
4.2.2 Ferramentas para simulação
e processamento
Com o objetivo de validar a resposta dos arranjos
propostos, bem como processar os dados obti-
dos experimentalmente, utilizou-se as ferramen-
tas presentes nas toolboxes Beamap [
23
] e Acou-
lar [
24
] (veja o diagrama-resumo de processa-
mento5na Figura 7).
Para as simulações e validação do setup experi-
mental, utilizou-se da caixa de ferramentas Bea-
map, desenvolvida em Matlab pelo grupo de pes-
quisa em imagens acústicas da EAC-UFSM [
23
].
Esse pacote contém códigos de processamento de
beamforming clássico e convencional para fontes
estacionárias, calculando parâmetros como Point
Spread Function (PSF), faixa dinâmica (DR ou
Dynamic Range) e largura de lóbulo (BW ou Be-
amwidth). Além disso, permite gerar e avaliar
geometrias virtuais, bem como processar dados
reais obtidos experimentalmente. Com essa fer-
ramenta, realizou-se a validação do experimento
comparando a medição de uma fonte fixa (posici-
onada a uma distância de dois metros do arranjo
e alinhada com seu centro) com os dados simula-
dos. Os resultados da validação encontram-se na
Seção 6.1.
5
A aquisição de sinais foi realizada via ITA-Toolbox (no
Matlab), de modo que o arquivo é nativamente aceito no
Beamap. Para importação no Acoular, um pequeno código
foi criado. Esses códigos estão disponíveis no repositório
do GitHub.
Na etapa de pós-processamento das medições
com fonte em movimento (protótipo), utilizou-
se da caixa de ferramentas Acoular, escrito na
linguagem Python e desenvolvido Universidade
Técnica de Berlim [
24
]. O pacote conta com diver-
sos algoritmos que podem ser utilizados tanto no
domínio do tempo quanto na frequência, gerando
imagens acústicas a partir de dados medidos por
um arranjo de microfones. A vantagem desse pa-
cote, além dos diversos algoritmos disponíveis,
é a possibilidade de processamento não só para
fontes estacionárias, mas também para fontes em
movimento axial rotativo. Os resultados obtidos
podem ser verificados na Seção 6.2. Um trabalho
aprofundado sobre arranjos circulares pode ser
encontrado na tese de Herold [25].
4.2.3 Experimento com beamforming
A etapa experimental foi realizada no Estúdio
SAB da UFSM. Utilizou-se os seguintes equipa-
mentos:
• interface de aúdio RME Digiface USB;
• 4 ×conversores ADA8000 Behringer;
• 32 ×microfones Panasonic WM-61A;
• 4 ×medusas para conexão de cabos;
• alto-falante X-Mini; e
• computador.
O diagrama de blocos de todo o sistema é mos-
trado na Figura 8.
*
Figura 8: Conexões para o experimento utilizando a
técnica de beamforming.
Os 32 microfones foram posicionados no arranjo
(grid de metal) com a ajuda de peças acopladoras,
o que pode ser visto na Figura 9.
Os microfones foram conectados via quatro me-
dusas, responsáveis por levar os sinais aos quatro
conversores ADCs. Estes, por sua vez, se conec-
tam ao computador por meio da placa RME.

FIA 2020/22 | XXIX Sobrac Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming 7
O protótipo foi medido a dois metros dos arranjos.
Para o alinhamento do eixo com o centro dos
arranjos, o protótipo foi apoiado, de forma que
sua altura foi de 1,25 m do piso — a Figura 9 (b)
mostra a configuração.
5. RESULTADOS PARA MEDIÇÃO
SEGUNDO A NORMA IEC
Os dados apresentados nesta seção contemplam
apenas alguns resultados selecionados, o traba-
lho completo pode ser conferido em Sanchez [
3
].
Ademais, é importante ressaltar que aplicou-se al-
gumas simplificações no processamento. Assim,
com relação às medições, foram feitas as filtra-
gens dos sinais em banda de terço de oitava tanto
para as trinta medições (de ruído branco) quanto
para as cinco medições de ruído de fundo. Por
fim, foram realizadas médias equivalentes para
todos os sinais (de cada microfone).
A Figura 10 apresenta os resultados em
1
/3
e
1
/1
de oitava, sem ponderação, para os quatro micro-
fones utilizados. É possível observar valores mais
elevados para o Microfone 3, uma vez que este
foi colocado logo à frente do protótipo, enquanto
os Microfones 2 e 4 foram colocados a 60 graus e
o Microfone 1, de referência, atrás do dispositivo.
6. RESULTADOS DO IMAGEAMENTO
Nesta seção são apresentados os resultados de va-
lidação do arranjo (utilizando Beamap, Seção 6.1)
e da medição com o protótipo (utilizando Acoular,
Seção 6.2).
6.1 Resultados para validação do arranjo
Primeiramente, a fim de averiguar a confiabili-
dade do experimento, foi medido um mini alto-
falante X-Mini. Com isso, pôde-se comparar as
respostas dos arranjos medidas com as simuladas
(PSFs) no Matlab (de acordo com o apresentado
na Seção 4.2.2). A Figura 11 mostra uma compa-
Arranjo
Velocidade de rotação
PSFPSF
Largura de lóbulo (BW)
Faixa dinâmica (DR)
Acoular Array Power
Response
Beamforming
Mapa de Beamforming Map (focos fixo e móvel)
Mapa de Beamforming
(foco fixo)
Configuração de
Beamforming
TOOLBOX
+
Figura 7: Fluxo de dados no processamento de beamforming.
(a) Arranjo de microfones (0,35 m). (b) Medição utilizando o protótipo para a geometria
circular de raio 0,50 m.
Figura 9: Fotos do setup de medição experimental com arranjo de microfones (no Estúdio SAB da UFSM).

8Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming FIA 2020/22 | XXIX Sobrac
NPS sem ponderação
200
250
315
400
500
630
800
1k
1,25k
1,6k
2k
2,5k
3,15k
4k
5k
6,3k
8k
10k
Frequência [Hz]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Magnitude [dB] - ref.: 20 µPa
Mic 1
Mic 2
Mic 3
Mic 4
Ruído de fundo
(a) Terço de oitava
NPS sem ponderação
250
500
1k
2k
4k
8k
Frequência [Hz]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Magnitude [dB] - ref.: 20 µPa
Mic 1
Mic 2
Mic 3
Mic 4
Ruído de fundo
(b) Oitava
Figura 10: Gráfico comparativo entre os quatro
microfones (da medição da IEC 61400-11)
em terço e oitava.
ração entre os mapas de beamforming teórico e
experimental para o arranjo de raio 0,35 m, com
a fonte a dois metros do arranjo (alinhada com
o centro), considerando uma faixa dinâmica de
5 dB.
No resultado teórico, como esperado, apenas a
fonte é mostrada, pois a diferença entre o lóbulo
lateral mais próximo é de aproximadamente 7 dB.
Todavia, é possível perceber no resultado expe-
rimental a presença de lóbulos laterais espúrios,
que são provavelmente reflexões da sala.
6.2 Resultados para fontes em movimento
Como no caso da fonte fixa, as medições das
fontes móveis foram realizadas com o protótipo
a dois metros de distância do arranjo, com seu
centro alinhado ao centro do rotor. Para melhor
-1,00 -0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
X [m]
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
Y [m]
Beamforming Convencional: freq. 2000,00 Hz.
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
(a) Teórico 2 kHz
-1,00 -0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
X [m]
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
Y [m]
Beamforming Convencional: freq. 1999,98 Hz.
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
(b) Experimental 2 kHz
Figura 11: Comparação dos mapas teórico e
experimental para arranjo de raio 0,35 m a dois metros da
fonte, com abertura de 27,70◦e faixa dinâmica de 5 dB.
visualização dos resultados, utilizou-se apenas
a parte dos sinais referente a uma volta, o que
corresponde a aproximadamente 0,52 segundos
de medição (ou 23000 amostras), considerando a
rotação das pás de 115 rpm. A Figura 12 mostra
as quatro análises realizadas.
Acoular
CB foco fixo
Beamf. no tempo foco fixo
Beamf. no tempo foco móvel
CB foco fixo + janela curta
Figura 12: Quatro análises realizadas no Acoular.
Primeiramente, as medições foram processadas
utilizando CB (na frequência, foco fixo), Figu-
ras 13 (a),13 (b) e13 (c). Dessa forma, como as

FIA 2020/22 | XXIX Sobrac Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming 9
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
32.6
35.1
37.6
40.1
42.6
(a) Beamforming convencional para
2 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
35.16
37.66
40.16
42.66
45.16
(b) Beamforming convencional para
3 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
33.97
36.47
38.97
41.47
43.97
(c) Beamforming convencional para
4 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
33.41
35.91
38.41
40.91
43.41
(d) Beamforming convencional com
1500 amostras para 2 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
34.64
37.14
39.64
42.14
44.64
(e) Beamforming convencional com
1500 amostras para 3 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
35.87
38.37
40.87
43.37
45.87
(f) Beamforming convencional com
1500 amostras para 4 kHz
-1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
35.45
37.95
40.45
42.95
45.45
(g) Beamforming com foco móvel
para 2 kHz
-1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
38.23
40.73
43.23
45.73
48.23
(h) Beamforming com foco móvel
para 3 kHz
-1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
39.55
42.05
44.55
47.05
49.55
(i) Beamforming com foco móvel para
4 kHz
(j) CB 3 kHz (sobreposição)
(k) CB janelado 3 kHz (sobreposição)
(l) Beamforming com foco móvel para
3 kHz (sobreposição)
Figura 13: Mapas gerados para três diferentes análises para arranjo de raio 0,50 m a dois metros do protótipo.

10 Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming FIA 2020/22 | XXIX Sobrac
fontes estão em movimento, um borrão circular
foi obtido [
18
]. Note que o raio do borrão circular
é de 25 cm, de acordo com a posição das fontes
do protótipo.
Posteriormente, ainda no domínio da frequên-
cia (foco fixo), foram processados frações dos
sinais de meia volta (janelamento temporal), ob-
jetivando visualizar a posição do protótipo em
momentos distintos. Para esta segunda análise,
foram utilizadas frações de 1500 amostras do si-
nal medido, veja as Figuras 13 (d),13 (e) e13 (f).
Observe que neste caso, as figuras mostram duas
fontes principais, conforme esperado.
Para a terceira análise, foi utilizado o beamfor-
ming no domínio do tempo com foco fixo. Obteve-
se também imagens com um borrão circular, vide
Figuras 14 (a) e14 (b).
Por fim, utilizou-se do beamforming no
tempo com foco móvel. Neste caso, o pós-
processamento gira virtualmente o arranjo na
mesma rotação das pás. Com isso, a posição
relativa entre fontes sonoras e microfones é
aproximadamente constante. Logo, obteve-se
imagens definidas, sem o borrão, observe as
Figuras 13 (g),13 (h) e13 (i). Nessa última
análise, há pequenas variações nas imagens,
pois a velocidade de rotação não era exatamente
constante, devido a simplicidade do protótipo.
Sobre os resultados, duas considerações devem
ser explicadas. Primeiro, a abertura foi mantida
em
±1
m em ambos os eixos. Em segundo lugar,
os níveis absolutos em dB do Acoular devem ser
desconsiderados, observando apenas as diferen-
ças relativas entre máximos e mínimos, pois a
bancada não foi calibrada. Observe ainda alguns
resultados com a sobreposição (overlay) das pás
do protótipo, veja as Figuras 13 (j),13 (k) e13 (l).
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este artigo apresentou a construção de um modelo
rotativo simplificado para simular um aerogera-
dor em escala. Os objetivos de tal construção fo-
ram o estudo de aspectos experimentais da norma
IEC 61400-11:2002 (que versa sobre a medição
de ruído de aerogeradores), bem como o teste de
imageamento acústico via beamforming — este,
com abordagens no tempo e frequência, e para
focos fixo e móvel.
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
34.35
36.85
39.35
41.85
44.35
(a) 3 kHz
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
34.35
36.85
39.35
41.85
44.35
(b) 4 kHz
Figura 14: Beamforming no tempo, foco fixo, para
3 kHz e 4 kHz, com arranjo de raio 0,50 m
a dois metros do protótipo.
O controle do sistema se deu com a integração
entre Arduino e Matlab, de modo que as aqui-
sições foram feitas com microfones capacitivos
de eletreto de custo reduzido. Na abordagem
simplificada da norma IEC, foi possível estimar o
NPS para as posições de receptores propostas pela
norma. No que tange ao imageamento acústico,
observou-se os efeitos do movimento rotativo nas
imagens, bem como utilizou-se da rotação virtual
do arranjo para suprimir o borrão gerado pelo mo-
vimento. Ainda, o janelamento temporal também
rendeu resultados sem o borrão, porém, ele está
sujeito à relação de revoluções por minuto para
uma determinada taxa de amostragem temporal.
Embora com um sistema relativamente simpli-
ficado, foi possível aplicar técnicas avançadas
de pós-processamento, bem como obteve-se um
avanço em técnicas de imageamento acústico de-
senvolvidas na Engenharia Acústica da UFSM.
Ademais, relacionado ao ensino, proporcionou-se
uma experiência hands-on, testando na prática

FIA 2020/22 | XXIX Sobrac Medição de protótipo usando a norma IEC 61400-11 e imageamento sonoro via beamforming 11
princípios de acústica e processamento de sinais
previamente estudados. As atividades também
promoveram o desenvolvimento de novos códi-
gos computacionais em Matlab e Python — que
integraram as soluções executadas.
Este projeto básico pode ser livremente recriado
como uma bancada de ensino (ou pesquisa) por
outro profissionais. Materiais complementares
estão disponíveis no repositório do GitHub em
•https://github.com/eac-ufsm/fia2022-fonte-rotativa.
8. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao curso de Engenha-
ria Acústica (EAC), da Universidade Federal de
Santa Maria (UFSM), pelo apoio e infraestrutura.
Agradecemos também aos seus programas FIPE-
CT e FIEX-CT, por financiarem e apoiarem este
projeto. Ademais, agradecemos à empresa Max
Solar Instrumentação pelo apoio para com os ins-
trumentos utilizados no beamforming.
In addition, the authors want to acknowledge all
the Acoular developers, especially Prof. Ennes
Sarradj and Dr.-Ing. Gert Herold for their sup-
port.
REFERÊNCIAS
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2022, Acesso em junho de 2022 . Disponível em:
https://gwec.net/global-wind-report-2022/.
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tótipo simplificado de fonte sonora rotativa e medi-
ção utilizando princípios da norma IEC 61400-11 e
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conclusão de curso, Engenharia Acústica, Universi-
dade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria,
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Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade
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Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/hand
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Cylindrical Surfaces). Tese de doutorado, Programa
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sidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC,
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2020/papers/BeBeC-2020-D10.pdf.
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Jekosch, Simon e Sarradj, Ennes. An Inverse Mi-
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tating Source Directivity. Acoustics, 3(3):462–472,
junho 2021. ISSN 2624-599X. doi: 10.3390/acous-
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2022/papers/BeBeC-2022-D04.pdf.
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lar - Acoustic Testing and Source Mapping Software).
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682X. doi: 10.1016/j.apacoust.2016.09.015. Disponí-
vel em: http://acoular.org.
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and Separation of Rotating Acoustic Featureswith Cir-
cular Microphone Arrays. Tese de doutorado, Tech-
nical University of Berlin, Berlim, Alemanha, 2021.
doi: 10.14279/depositonce-12591.
A. MATERIAL SUPLEMENTAR
Esta seção apresenta de forma breve o esquemá-
tico e um exemplo de montagem do controle para
o motor DC utilizado no projeto (discutido na
Seção 3), veja a Figura 15.
No repositório do GitHub
•https://github.com/eac-ufsm/fia2022-fonte-rotativa
é possível encontrar o circuito SPICE para simu-
lação, bem como o modelo da Figura 15 (b) (este,
para edição no Fritzing). É possível obter também
osoftware de controle desenvolvido em Matlab —
que possui um interface gráfica (GUI).
Q1
IRF740
D1
V1
12V
Arduino_Du e
1kHz
5V
R2
22Ω
Motor_DC
Q2
2N2221
R1
1kΩ
R3
10kΩ
(a) Esquemático
(b) Montagem com Arduino Due
Figura 15: Circuito de controle do motor DC.