Perancangan Alat Kendali Kebisingan Aktif Pada Knalpot Standart Sepeda Motor Supra x 125 D dan Mengidentifikasi Reduksi Suara yang Terjadi
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Asal Perambatan dan Kecepatan Bunyi
Kata bunyi mempunyai dua definisi : (1) secara fisis, bunyi adalah
penyimpangan tekanan, pergeseran partikel dalam medium elastik seperti udara.
Ini adalah bunyi objektif . (2) secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran
yang disebabkan penyimpangan fisis yang digambarkan. Ini adalah bunyi
subyektif [3].
Gambar 2.1 Garpu Tala yang Dipukul Menghasilkan Perubahan Tekanan Udara
Karena Getarannya dan Menghasilkan Bunyi [4].
Rambatan gelombang bunyi disebabkan oleh lapisan perapatan dan
peregangan partikel-partikel udara yang bergerak ke arah luar, yaitu karena
penyimpangan tekanan dan getaran yang terjadi pada subyek yang dipukul (lihat
Gambar 2.1). ini sama dengan penyebaran gelombang air pada permukaan suatu
kolam dari titik dimana batu dijatuhkan.
Bunyi merupakan gelombang atau dalam istilah tekniknya kita
menyebutkan sinyal. Sinyal bunyi tersebut dapat kita lihat seperti Gambar 2.2
sinyal bunyi merupakan gelombang sinusoidal. Kemudian jika sinyal bunyi itu
didiskritkan maka tampaklah sinyal tersebut seperti yang tertera pada Gambar 2.2
sebelah kanan dimana terlihat sinyal berupa garis-garis dan ini yang dinamakan
pengolahan sinyal bunyi yaitu dengan mendiskretkan sinyal tersebut [5].
25
Universitas Sumatera Utara
Tahapan diskret sinyal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2 terlihat
bahwa tahapan pertama adalah sinyal berbentuk sinusoidal yang kemudian beralih
kepada sinyal berbentuk eksponensial dan dilanjutkan kepada sinyal square dan
diakhiri dengan sinyal sinusoidal yang terekponensial yang begitu berfluktuasi
dengan amplitude yang sangat acak.
Gambar 2.2 Sinyal Suara dan Sinyal Diskret atau Dalam Istilah Pemrosesan
Sinyal Disamplingkan [6].
Kecepatan perambatan gelombang suara pada medium ditentukan oleh
(3.1)
dimana :
26
Universitas Sumatera Utara
c = kecepatan suara
a = perbandingan dari suhu spesifik pada tekanan konstan dengan suhu spesifik
pada volume konstan. = 1,4 (untuk medium udara)
G = konstanta gas = 8317 m2 / s2K
To = suhu dalam Kelvin = 20 oC + 273 = 293 oK
M = berat molekul dari medium = 29 (udara)
Jadi, dengan demikian kecepatan perambatan gelombang akustik pada
udara adalah sebesar :
2.2. Proses Interferensi Gelombang Suara
Suara adalah gelombang yang memiliki kerapatan, masing-masing nada
atau frekuensi dapat diwakili oleh gelombang sinus dengan panjang tertentu. Jika
sebuah suara dari frekuensi yang sama diciptakan dengan perbedaan waktu 1 detik
setelah gelombang pertama, hal ini berarti suara kedua sedikit keluar jalur dari
fase suara pertama atau gelombang sinusnya [5].
.
Gambar 2.3 Sinyal Tegak dengan Panjang Gelombang Pada Perbedaan
Kecepatanya [5].
27
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.3 dapat dilihat persamaan frekuensi dan perbedaan
percepatan pada sound pressure level yang terjadi pada long wave length dan
short wave length.
Frekuensi dan kecepaatan rambatan bunyi
.
f
Hz
.
f frekuensi (Hz)
.
t
waktu
(2.1)
(detik)
Pergerakan kecepatan gelombang bunyi berbeda pada tiap media, seperti
pada udara, gas atau air. Cepat rambat bunyi bergangtung pada kerapatan, suhu
dan tekanan media udara.
Cg
γ pa
ρ
m
(2.2)
detik
atau
cg 20.05
(2.3)
dimana :
cg = cepat rambat bunyi (m/det)
γ = rasio panas spesifik (untuk udara)
Pa = tekanan asmosfer (pa)
ρ
= kerapatan (kg/m3)
T
= suhu (K)
Intensitas dan kecepatan partikel bunyi di udara
I
(2.4)
Dimana :
28
Universitas Sumatera Utara
I = Intensitas bunyi (
)
W = Daya akustik (Watt)
A = luas area (m2)
Kecepatan partikel adalah radiasi bunyi yang dihasilkan sumber bunyi akan
mengelilingi udara sekitarnya.
Kecepatan partikel:
V
m/det
(2.5)
Dimana :
V = kecepatan partikel (m/det)
P = Tekanan (pa)
. ρ = Massa jenis bahan (kg/m3)
C
= kecepatan rambat gelombang (m/det)
2.2.1 Perambatan Bunyi Pada Media
Bunyi dapat merambat pada tiga media.
1.
Udara/gas
2.
Air/cairan
3.
Benda padat
Laju bunyi pada beberapa material pada 200 C & 1 Atm (Atmosfir) dapat dilihat
pada Tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Kelajuan Bunyi Pada Material.
No
Material
Laju Bunyi (m/s)
1
Udara
343
2
Udara (00c)
331
3
Helium
1005
4
Hydrogen
1300
5
Air
1440
29
Universitas Sumatera Utara
6
Air laut
1560
7
8
9
10
Besi & Baja
Kaca
Aluminium
Kayu keras
≈5000
≈ 4500
≈5100
≈4000
Sumber: Giancolli, Douglas. Physiscs Third Edition. New Jersey : Prentice Hall
Englewood Cliffs.
Dari Table 2.1 kita dapat melihat bahwa kelajuan bunyi pada setiap
material berbeda. Pada udara sangat ditentukan oleh kelembaman, meskipun pada
material lainya suhu cukup menentukan namun pada udara sangat mempengaruhi.
Khususnya pada material padat laju bunyi lebih tinggi ini dipengaruhi
oleh ikatan kimia setiap material yang cukup menentukan kelajuan bunyi.
Diketahui aluminium adalah salah satu material yang menjadi media kelajuan
bunyi cukup tinggi [7].
2.3. Aktif Kendali Kebisingan /Active Noise Control (ANC)
Merupakan suatu teknologi yang berguna untuk menghilangkan bising
yang tidak diinginkan. Prinsip kerjanya adalah dengan menghasilkan gelombang
frekuensi yang berkekuatan cukup untuk menetralkan sinyal gelombang frekuensi
bising dari sumber suara. Dengan metode sinyal yang telah kita dapatkan harus
kita cari anti sinyalnya yaitu yang serupa dengan sinyal awal tapi berlawanan fasa.
Gambar 2.4 Gelombang Tegak Pada Pergeseran Fasa[5]
30
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.4 diperlihatkan pergeseran fasa yang berfluktuasi terhadap
waktu. Dimana dengan pergeseran fasa tersebut akan terjadi interferensi bunyi
yang bertujuan mencapai propagasi sehingga terjadi reduksi.
Gambar 2.5 Dua Buah Gelombang Tegak Dengan Perbedaan Fasa 1800
Yang Saling Meniadakan[8]
Pada Gambar 2.5 diperlihatkan dua bunyi yang berbeda fasa 1800 yang
saling meniadakan yang akan menuju kuadran tidak ada bunyi sama sekali.
Gambar 2.6 Sinyal Sumber Dan Sinyal Lawan Digabung Menjadi Reduksi.[3]
31
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.6 dapat dilihat bahwa sinyal awal dan sinyal lawan
bergabung dengan fasa yang berlawanan 1800 dan sinyal saling meniadakan.
Dimana persamaan yang ditunjukan adalah :
.
sinyal sumber
y1
A sin ω t
Sinyal lawan
y2
−Α sin ω t
Maka persamaan dari penggabungan sinyal sumber dengan sinyal lawan adalah :
Yaktif noise
=
y1 + y2
Yaktif noise
=
A sin ω t −A sin ω t
=
0
(2.6)
Sinyal suara mempunyai bentuk kontur yang sangat rumit dan sangat acak.
Itu terjadi karena pergeseran fasa yang sangat rapat sehingga menyulitkan
pendektesian jika hanya memakai peralatan yang sederhana. Dasar dari
pergeseran fasa pada sinyal bunyi dapat kita lihat pada Gambar 2.7 yaitu dari
langkah sampai IX perioda (T) mengalami perubahan dari ¼ T pertama sampai
dengan ¼ T ke sembilan. Pada perubahan yang terjadi inilah pergeseran fasa
tersebut bergerak.
Dari Gambar 2.7 dapat dilihat pada step I ¼ T kemudian amplitude pada
posisi 2. Pada step II ¼ T kemudian amplitude bergeser pada posisi 2. Pada step
III ¼ T kemudian amplitude bergeser pada posisi 4. Pada step IV¼ T kemudia
amplitudo berada pada posisi 5. Pada step V ¼ T kemudian amplitude berada
kembali pada posisi ke 2 namun pada posisi 12 amplitudo negative lebih negative
jika dibandingkanpad step 2. Pada step VI ¼T kemudian amplitude kembali pada
posisi 3 namun ppada posisi 10 ke 15 sinyal datar. Pad step VII ¼ T kemudian
amplitude sama dengan step 3 kembali pada posisi 4 namun pada posisi 12
amplitudo naik tajam. Pada step VIII ¼ T kemudian amplitude kembali sama
dengan step 4 berada pada posisi 5 namun pad posisi 8 sampai 15 sinyal datar.
Pada step IX ¼ T kemudian amplitude sama dengan step 2 dan 5 pada posisi 2
namu pada posisi 8 amplitudo negative curam dan amplitude pada posisi 11 tinggi
[7].
32
Universitas Sumatera Utara
Begitulah fluktuasi sinyal yang bergerak. Sangat rumit dan acak sehingga
untuk mendeteksinya diperlukan pendekatan perhitungan yang baik untuk
mendapatkan hasil yang maksimal.
Gambar 2.7 Pergeseran Fasa Pada Sinyal Suara [3]
2.4 Uraian Aktif Kendali Kebisingan
Ada beberapa cara untuk mengurangi kebisingan yang dipancarkan oleh
suatu sumber bunyi didalam suatu ruang. Suatu pendekatan baku terdiri dari
penyerapan suara bising pasif. Yaitu mencakup dinding dengan material seperti
glassfibre muraintel. Material ini menyerap energy akustik ke dalam panas dan
demikian berperan untuk mengurangi kebisingan, tetapi material ini bekerja
33
Universitas Sumatera Utara
terbaik pada frekuensi tinggi (diatas 5000Hz). Sistem aktif kendali kebisingan
telah dikembangkan untuk mengatasi strategi pasif pada frekuensi rendah
(dibawah 1000Hz) [4].
Untuk meredam suara, sebuah speaker penghilang bising dapat diletakkan
berhadapan dengan sumber suara. Dalam kasus ini, speaker tersebut harus
memiliki tingkat kekuatan suara yang sama dengan sumber suara yang tidak
diinginkan. Selain cara tersebut, transduser yang menimbulkan sinyal peredaman
juga dapat diletakkan pada tempat dimana peredaman suara diinginkan, seperti
telinga pengguna. Hal ini memerlukan kekuatan peredam yang lebih kecil, namun
hanya efektif bagi satu pengguna saja. Penghilang bising pada tempat-tempat
lainnya menjadi lebih sulit karena gelombang yang bergerak ke berbagai arah dan
sinyal peredam dapat bergabung dan membuat gelombang interferensi yang malah
memperkuat ataupun merusak suara [9].
Aktif kendali kebisingan modern dilakukan dengan menggunakan
komputer, yang menganalisa bentuk gelombang bising, lalu menciptakan bentuk
gelombang sinyal terbalik untuk menghilangkannya dengan proses interferensi.
Bentuk gelombang ini identik, memiliki amplitudo yang sama persis dengan
gelombang kebisingan aslinya, tetapi sinyalnya terbalik. Hal ini menciptakan
interferensi perusak yang mengurangi amplitudo bising yang diterima.
Metode aktif ini berbeda dengan penghilangan bising pasif yang tidak
menggunakan listrik, seperti insulasi, langit-langit peredam suara, atau knalpot
sepeda motor. Metode pasif ini memiliki kekurangan pada sifatnya yang hampir
menutupi dan menghambat total semua aliran udara dan suara.
Keuntungan metode kontrol kebisingan aktif dibandingkan pasif adalah :
•
Lebih efektif dalam frekuensi rendah
•
Tidak memakan banyak tempat
•
Dapat memblokir suara secara selektif
34
Universitas Sumatera Utara
2.5. Tabung Pipa PVC
Implementasi dari penelitian ini menggunakan pipa PVC yang dilengkapi
dengan speaker sumber suara dan pembangkit noise. Sistem dilengkapi
microphone yang berfungsi untuk merekam suara knalpot digunakan sebagai
sumber suara. Ukuran pipa disesuaikan dengan besar tabung knalpot. Berikut ini
adalah Gambar pipa PVC.
Gambar 2.8 Sketsa Tabung PVC Pengujian.
2.6. Mikrofon
Mikrofon (bahasa Inggris: microphone) adalah suatu jenis transduser yang
mengubah energi-energi akustik (gelombang suara) menjadi sinyal listrik.
salah satu alat untuk membantu komunikasi manusia. Mikrofon dipakai pada
banyak alat seperti telepon, alat perekam, alat bantu dengar, dan pengudaraan
radio serta televisi.
Istilah mikrofon berasal dari bahasa Yunani mikros yang berarti kecil dan
fon yang berarti suara atau bunyi. Istilah ini awalnya mengacu kepada alat bantu
dengar untuk suara berintensitas rendah. Penemuan mikrofon sangat penting pada
masa awal perkembangan telepon. Pada awal penemuannya, mikrofon digunakan
pada telepon, kemudian seiring berkembangnya waktu, mikrofon digunakan
dalam pemancar radio hingga ke berbagai penggunaan lainnya. Penemuan
35
Universitas Sumatera Utara
mikrofon praktis sangat penting pada masa awal perkembangan telepon. Beberapa
penemu telah membuat mikrofon primitif sebelum Alexander Graham Bell [9].
2.7 Pengeras Suara
Pengeras suara (bahasa Inggris: loud speaker atau speaker) adalah
transduser yang mengubah sinyal elektrik ke frekuensi audio (suara) dengan cara
menggetarkan komponennya yang berbentuk membran untuk menggetarkan udara
sehingga terjadilah gelombang suara sampai di kendang telinga kita dan dapat kita
dengar sebagai suara. Dalam setiap sistem penghasil suara (loud speaker),
pengeras suara merupakan juga menentukan kualitas suara di samping juga
peralatan pengolah suara sebelumnya yang masih berbentuk listrik dalam
rangkaian penguat amplifier [9].
Sistem pada pengeras suara adalah suatu komponen yang mengubah kode
sinyal elektronik terakhir menjadi gerakan mekanik. Dalam penyimpan suara pada
kepingan cd, pita magnetik tape, dan kepingan dvd, dapat direproduksi oleh
pengeras suara loud speaker yang dapat kita dengar. Pengeras suara adalah sebuah
teknologi yang memberikan dampak yang sangat besar terhadap budaya kita,
2.8 Amplifier
Amplifier adalah komponen elektronika yang di pakai untuk menguatkan
daya atau tenaga secara umum. Dalam penggunaannya, amplifier akan
menguatkan signal suara yaitu memperkuat signal arus I dan tegangan V listrik
dari inputnya. Sedangkan outpunya akan menjadi arus listrik dan tegangan yang
lebih besar.
Besaran amplifier sering disebut dengan istilah Gain. Nilai dari gain yang
dinyatakan sebagai fungsi penguat frekuensi audio, Gain power amplifier antara
200 kali sampai 100 kali dari signal output. Jadi gain merupakan hasil bagi dari
daya di bagian output dengan daya di bagian input dalam bentuk fungsi frekuensi.
Ukuran gain biasannya memakai decible(dB). Dalam bagian amplifier pada proses
penguatannya audio ini terbagi menjadi dua kelompok bagian penting, yaitu
bagian penguat signal tegangan (V) yang kebanyakan menggunakan susunan
36
Universitas Sumatera Utara
transistor, dan bagian penguat arus susunannya transistor paralel. Masing masing
transistor derdaya besar dan menggunakan sirip pendingin untuk membuang
panas ke udara, sehingga pada saat ini banyak yang menggunakan transistor
simetris komplementer [9].
2.9 VRM-01 Voice Recording Module ISD 4004
ISD 4004 Recording adalah modul yang berfungsi untuk menyimpan dan
memutar ulang suara. Pada aktif kendali kebisingan modul ini digunakan sebagai
media untuk mengolah data yang diterima dari suara knalpot, setelah itu
dikeluarkan melalui speaker. Dapat kita lihat pada Gambar 2.9 dijelaskan bagian –
bagian dari komponen voice recording module ISD 4004.
Gambar 2.9 Voice Recording Module ISD 4004.
Dari Gambar 2.9 dapat dilihat blok diagram voice recording module pada
Gambar 2.10
37
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Blok Diagram Voice Recording Module [9].
2.10 Penggeser Fasa
Penggeser fasa merupakan suatu alat untuk menggeser fasa pada
sinyal.Teknik ini digunakan dengan tujuan untuk membalikkan fasa 1800 yang
sasaranya adalah untuk membuat anti sound pada penelitian ini. Sehingga dapat
menghasilkan pemrosesan sinyal aktif kendali kebisingan.
Osilator geseran-fase adalah sebuah osilator gelombang sinus sederhana.
Osilator ini memiliki sebuah penguat pembalik, dan sebuah tapis umpan balik
yang menggeser 180° fase dari frekuensi osilasi. Filter elektronik harus didesain
sedemikian rupa sehingga isyarat di atas dan dibawah frekuensi osilasi yang
diinginkan digeser kurang ataupun lebih dari 180°. Ini menghasilkan superposisi
membangun bagi isyarat pada frekuensi osilasi dan superposisi merusak pada
frekuensi lainnya. Jalan paling umum untuk mendapatkan tapis jenis ini adalah
dengan menyambungkan deret tiga tapis resistor-kondensator, yang memberikan
geseran fase sebesar 270°. Pada frekuensi osilasi, setiap tapis memproduksi
geseran fase sebesar 60° sehingga keseluruhan tapis forsoduksi geseran fase 180°
[3]. Dapat dilihat pada Gambar 2.11 berikut ini.
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Proses Input Dan Output Dari Pergeseran Fasa[3].
2.11 Sound Power Level
Sound Power Level adalah pengukuran radiasi kuat bunyi dari sumber
yang tergantung dari kuat sumber bunyinya dan juga jarak dari sumber bunyi.
Daya bunyi dari suatu sumber dinyatakan di dalam watt. Biasanya daya bunyi
sumber dinyatakan dalam skala logarithmic. Suatu sound power level (LW)
dinyatakan dalam decibels dengan rumus :
Gambar 2.12 Knalpot atau Sumber Suara[3].
LW = 10log10
dB
(2.7)
W = Daya sumber (Watt)
39
Universitas Sumatera Utara
Wo = Daya referensi (watt)
Standart referensi sound power adalah 1 picowatt (dimana 1 microwatt
atau 10-12 watt).
Dimana subsitusinya adalah :
Lw= 10 log 10 (W/10-12) = [10 log 10W+ 120] dB
(2.8)
2.12 Sound Pressure level
Sound Pressure level adalah tekanan suara yang bergantung dengan
tekanan, suhu, dan kelembaman. Untuk tekanan pada suara dinyatakan dalam 1
atmosfir ( 1 ATM). Dengan mengeset tekanan pada 1 ATM maka pengukuran
baru dapat dilakukan. Penggabaran kuat sinyal sound pressure dalam 1 ATM dan
deviasi sound pressure adalah;
P=
(2.9)
Dimana :
F= daya
A = Area
Ptotal = Po + P
(2.10)
Dimana :
Po = tekanan lingkungan local
P = deviasi sound pressure
Dari banyak ragam dari bunyi ini dapat di spesifikasikan dalam beberapa
sumber bunyi. Dengan beragamnya sumber bunyi tersebut maka kuat bunyi juga
bervariasi.
40
Universitas Sumatera Utara
2.13 Mekanisme dan Cara Kerja
Kendali Kebisingan aktif adalah dengan cara menambahkan bunyi
kebalikan yang tepat untuk menghilangkan kebisingan tersebut (anti sound). Kita
dapat melihat gelombang dengan amplitude yang awal kemudian kita berikan
amolitudo yang berlawanan (berbeda fasa1800) pada sisi lain., dua gelombang
dengan fasa berlawanan dan amplitude sama digabungkkan maka akan
menghapukan keseluruhan amplitudo.
Dengan pendektesian bunyi melalaui mikropon, Aktif kendali kebisingan
dapat secara otomatis menghasilkan isyarat yang benar untuk mengirim kepada
pengeras suara yang akan menghasilakan anti sound untuk menghilangkan bunyi
yang asli. Ukuran daerah kesunyian yang diciptakan tergantung pada panjang
gelombang bunyi. Efektifitas sistem sangat tergantung pada ukuran dan bentuk
ruang dimana diterapkan, ukuran sumber bunyi yang tidak dikehendakai dan
jumlah dan posisi pengeras suara yang digunakan untuk menghasilkan anti sound.
2.14.Aplikasi Aktif Kendali Kebisingan
Pada penelitian ini Aktif Kendali Kebisingan digunakan untuk mendeteksi
sinyal redaman di knalpot (silencer) sepeda motor. Sinyal bunyi yang akan
dihasilkan adalah diusahakan tereduksi seminimal mungkin untuk mendapatkan
kenyamanan bunyi. Berikut ini adalah Gambar knalpot untuk aplikasi Aktif
Kendali Kebisingan. Dapat dilihat pada Gambar 2.12
Gambar 2.13 Silincer Standart Knalpot Sepeda Motor[3].
41
Universitas Sumatera Utara
Dari sumber bising yang dihasilkan oleh knalpot seperti pada Gambar 2.12
peneliti akan menangkap bunyi tersebut yang mana kemudian bunyi tersebut
dilakukan perlawanan dengan bunyi yang dihasilkan oleh pembangkit sinyal
bising yang berbeda fasa 1800 dengan menggunakan penggeser fasa.
42
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Asal Perambatan dan Kecepatan Bunyi
Kata bunyi mempunyai dua definisi : (1) secara fisis, bunyi adalah
penyimpangan tekanan, pergeseran partikel dalam medium elastik seperti udara.
Ini adalah bunyi objektif . (2) secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran
yang disebabkan penyimpangan fisis yang digambarkan. Ini adalah bunyi
subyektif [3].
Gambar 2.1 Garpu Tala yang Dipukul Menghasilkan Perubahan Tekanan Udara
Karena Getarannya dan Menghasilkan Bunyi [4].
Rambatan gelombang bunyi disebabkan oleh lapisan perapatan dan
peregangan partikel-partikel udara yang bergerak ke arah luar, yaitu karena
penyimpangan tekanan dan getaran yang terjadi pada subyek yang dipukul (lihat
Gambar 2.1). ini sama dengan penyebaran gelombang air pada permukaan suatu
kolam dari titik dimana batu dijatuhkan.
Bunyi merupakan gelombang atau dalam istilah tekniknya kita
menyebutkan sinyal. Sinyal bunyi tersebut dapat kita lihat seperti Gambar 2.2
sinyal bunyi merupakan gelombang sinusoidal. Kemudian jika sinyal bunyi itu
didiskritkan maka tampaklah sinyal tersebut seperti yang tertera pada Gambar 2.2
sebelah kanan dimana terlihat sinyal berupa garis-garis dan ini yang dinamakan
pengolahan sinyal bunyi yaitu dengan mendiskretkan sinyal tersebut [5].
25
Universitas Sumatera Utara
Tahapan diskret sinyal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2 terlihat
bahwa tahapan pertama adalah sinyal berbentuk sinusoidal yang kemudian beralih
kepada sinyal berbentuk eksponensial dan dilanjutkan kepada sinyal square dan
diakhiri dengan sinyal sinusoidal yang terekponensial yang begitu berfluktuasi
dengan amplitude yang sangat acak.
Gambar 2.2 Sinyal Suara dan Sinyal Diskret atau Dalam Istilah Pemrosesan
Sinyal Disamplingkan [6].
Kecepatan perambatan gelombang suara pada medium ditentukan oleh
(3.1)
dimana :
26
Universitas Sumatera Utara
c = kecepatan suara
a = perbandingan dari suhu spesifik pada tekanan konstan dengan suhu spesifik
pada volume konstan. = 1,4 (untuk medium udara)
G = konstanta gas = 8317 m2 / s2K
To = suhu dalam Kelvin = 20 oC + 273 = 293 oK
M = berat molekul dari medium = 29 (udara)
Jadi, dengan demikian kecepatan perambatan gelombang akustik pada
udara adalah sebesar :
2.2. Proses Interferensi Gelombang Suara
Suara adalah gelombang yang memiliki kerapatan, masing-masing nada
atau frekuensi dapat diwakili oleh gelombang sinus dengan panjang tertentu. Jika
sebuah suara dari frekuensi yang sama diciptakan dengan perbedaan waktu 1 detik
setelah gelombang pertama, hal ini berarti suara kedua sedikit keluar jalur dari
fase suara pertama atau gelombang sinusnya [5].
.
Gambar 2.3 Sinyal Tegak dengan Panjang Gelombang Pada Perbedaan
Kecepatanya [5].
27
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.3 dapat dilihat persamaan frekuensi dan perbedaan
percepatan pada sound pressure level yang terjadi pada long wave length dan
short wave length.
Frekuensi dan kecepaatan rambatan bunyi
.
f
Hz
.
f frekuensi (Hz)
.
t
waktu
(2.1)
(detik)
Pergerakan kecepatan gelombang bunyi berbeda pada tiap media, seperti
pada udara, gas atau air. Cepat rambat bunyi bergangtung pada kerapatan, suhu
dan tekanan media udara.
Cg
γ pa
ρ
m
(2.2)
detik
atau
cg 20.05
(2.3)
dimana :
cg = cepat rambat bunyi (m/det)
γ = rasio panas spesifik (untuk udara)
Pa = tekanan asmosfer (pa)
ρ
= kerapatan (kg/m3)
T
= suhu (K)
Intensitas dan kecepatan partikel bunyi di udara
I
(2.4)
Dimana :
28
Universitas Sumatera Utara
I = Intensitas bunyi (
)
W = Daya akustik (Watt)
A = luas area (m2)
Kecepatan partikel adalah radiasi bunyi yang dihasilkan sumber bunyi akan
mengelilingi udara sekitarnya.
Kecepatan partikel:
V
m/det
(2.5)
Dimana :
V = kecepatan partikel (m/det)
P = Tekanan (pa)
. ρ = Massa jenis bahan (kg/m3)
C
= kecepatan rambat gelombang (m/det)
2.2.1 Perambatan Bunyi Pada Media
Bunyi dapat merambat pada tiga media.
1.
Udara/gas
2.
Air/cairan
3.
Benda padat
Laju bunyi pada beberapa material pada 200 C & 1 Atm (Atmosfir) dapat dilihat
pada Tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Kelajuan Bunyi Pada Material.
No
Material
Laju Bunyi (m/s)
1
Udara
343
2
Udara (00c)
331
3
Helium
1005
4
Hydrogen
1300
5
Air
1440
29
Universitas Sumatera Utara
6
Air laut
1560
7
8
9
10
Besi & Baja
Kaca
Aluminium
Kayu keras
≈5000
≈ 4500
≈5100
≈4000
Sumber: Giancolli, Douglas. Physiscs Third Edition. New Jersey : Prentice Hall
Englewood Cliffs.
Dari Table 2.1 kita dapat melihat bahwa kelajuan bunyi pada setiap
material berbeda. Pada udara sangat ditentukan oleh kelembaman, meskipun pada
material lainya suhu cukup menentukan namun pada udara sangat mempengaruhi.
Khususnya pada material padat laju bunyi lebih tinggi ini dipengaruhi
oleh ikatan kimia setiap material yang cukup menentukan kelajuan bunyi.
Diketahui aluminium adalah salah satu material yang menjadi media kelajuan
bunyi cukup tinggi [7].
2.3. Aktif Kendali Kebisingan /Active Noise Control (ANC)
Merupakan suatu teknologi yang berguna untuk menghilangkan bising
yang tidak diinginkan. Prinsip kerjanya adalah dengan menghasilkan gelombang
frekuensi yang berkekuatan cukup untuk menetralkan sinyal gelombang frekuensi
bising dari sumber suara. Dengan metode sinyal yang telah kita dapatkan harus
kita cari anti sinyalnya yaitu yang serupa dengan sinyal awal tapi berlawanan fasa.
Gambar 2.4 Gelombang Tegak Pada Pergeseran Fasa[5]
30
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.4 diperlihatkan pergeseran fasa yang berfluktuasi terhadap
waktu. Dimana dengan pergeseran fasa tersebut akan terjadi interferensi bunyi
yang bertujuan mencapai propagasi sehingga terjadi reduksi.
Gambar 2.5 Dua Buah Gelombang Tegak Dengan Perbedaan Fasa 1800
Yang Saling Meniadakan[8]
Pada Gambar 2.5 diperlihatkan dua bunyi yang berbeda fasa 1800 yang
saling meniadakan yang akan menuju kuadran tidak ada bunyi sama sekali.
Gambar 2.6 Sinyal Sumber Dan Sinyal Lawan Digabung Menjadi Reduksi.[3]
31
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.6 dapat dilihat bahwa sinyal awal dan sinyal lawan
bergabung dengan fasa yang berlawanan 1800 dan sinyal saling meniadakan.
Dimana persamaan yang ditunjukan adalah :
.
sinyal sumber
y1
A sin ω t
Sinyal lawan
y2
−Α sin ω t
Maka persamaan dari penggabungan sinyal sumber dengan sinyal lawan adalah :
Yaktif noise
=
y1 + y2
Yaktif noise
=
A sin ω t −A sin ω t
=
0
(2.6)
Sinyal suara mempunyai bentuk kontur yang sangat rumit dan sangat acak.
Itu terjadi karena pergeseran fasa yang sangat rapat sehingga menyulitkan
pendektesian jika hanya memakai peralatan yang sederhana. Dasar dari
pergeseran fasa pada sinyal bunyi dapat kita lihat pada Gambar 2.7 yaitu dari
langkah sampai IX perioda (T) mengalami perubahan dari ¼ T pertama sampai
dengan ¼ T ke sembilan. Pada perubahan yang terjadi inilah pergeseran fasa
tersebut bergerak.
Dari Gambar 2.7 dapat dilihat pada step I ¼ T kemudian amplitude pada
posisi 2. Pada step II ¼ T kemudian amplitude bergeser pada posisi 2. Pada step
III ¼ T kemudian amplitude bergeser pada posisi 4. Pada step IV¼ T kemudia
amplitudo berada pada posisi 5. Pada step V ¼ T kemudian amplitude berada
kembali pada posisi ke 2 namun pada posisi 12 amplitudo negative lebih negative
jika dibandingkanpad step 2. Pada step VI ¼T kemudian amplitude kembali pada
posisi 3 namun ppada posisi 10 ke 15 sinyal datar. Pad step VII ¼ T kemudian
amplitude sama dengan step 3 kembali pada posisi 4 namun pada posisi 12
amplitudo naik tajam. Pada step VIII ¼ T kemudian amplitude kembali sama
dengan step 4 berada pada posisi 5 namun pad posisi 8 sampai 15 sinyal datar.
Pada step IX ¼ T kemudian amplitude sama dengan step 2 dan 5 pada posisi 2
namu pada posisi 8 amplitudo negative curam dan amplitude pada posisi 11 tinggi
[7].
32
Universitas Sumatera Utara
Begitulah fluktuasi sinyal yang bergerak. Sangat rumit dan acak sehingga
untuk mendeteksinya diperlukan pendekatan perhitungan yang baik untuk
mendapatkan hasil yang maksimal.
Gambar 2.7 Pergeseran Fasa Pada Sinyal Suara [3]
2.4 Uraian Aktif Kendali Kebisingan
Ada beberapa cara untuk mengurangi kebisingan yang dipancarkan oleh
suatu sumber bunyi didalam suatu ruang. Suatu pendekatan baku terdiri dari
penyerapan suara bising pasif. Yaitu mencakup dinding dengan material seperti
glassfibre muraintel. Material ini menyerap energy akustik ke dalam panas dan
demikian berperan untuk mengurangi kebisingan, tetapi material ini bekerja
33
Universitas Sumatera Utara
terbaik pada frekuensi tinggi (diatas 5000Hz). Sistem aktif kendali kebisingan
telah dikembangkan untuk mengatasi strategi pasif pada frekuensi rendah
(dibawah 1000Hz) [4].
Untuk meredam suara, sebuah speaker penghilang bising dapat diletakkan
berhadapan dengan sumber suara. Dalam kasus ini, speaker tersebut harus
memiliki tingkat kekuatan suara yang sama dengan sumber suara yang tidak
diinginkan. Selain cara tersebut, transduser yang menimbulkan sinyal peredaman
juga dapat diletakkan pada tempat dimana peredaman suara diinginkan, seperti
telinga pengguna. Hal ini memerlukan kekuatan peredam yang lebih kecil, namun
hanya efektif bagi satu pengguna saja. Penghilang bising pada tempat-tempat
lainnya menjadi lebih sulit karena gelombang yang bergerak ke berbagai arah dan
sinyal peredam dapat bergabung dan membuat gelombang interferensi yang malah
memperkuat ataupun merusak suara [9].
Aktif kendali kebisingan modern dilakukan dengan menggunakan
komputer, yang menganalisa bentuk gelombang bising, lalu menciptakan bentuk
gelombang sinyal terbalik untuk menghilangkannya dengan proses interferensi.
Bentuk gelombang ini identik, memiliki amplitudo yang sama persis dengan
gelombang kebisingan aslinya, tetapi sinyalnya terbalik. Hal ini menciptakan
interferensi perusak yang mengurangi amplitudo bising yang diterima.
Metode aktif ini berbeda dengan penghilangan bising pasif yang tidak
menggunakan listrik, seperti insulasi, langit-langit peredam suara, atau knalpot
sepeda motor. Metode pasif ini memiliki kekurangan pada sifatnya yang hampir
menutupi dan menghambat total semua aliran udara dan suara.
Keuntungan metode kontrol kebisingan aktif dibandingkan pasif adalah :
•
Lebih efektif dalam frekuensi rendah
•
Tidak memakan banyak tempat
•
Dapat memblokir suara secara selektif
34
Universitas Sumatera Utara
2.5. Tabung Pipa PVC
Implementasi dari penelitian ini menggunakan pipa PVC yang dilengkapi
dengan speaker sumber suara dan pembangkit noise. Sistem dilengkapi
microphone yang berfungsi untuk merekam suara knalpot digunakan sebagai
sumber suara. Ukuran pipa disesuaikan dengan besar tabung knalpot. Berikut ini
adalah Gambar pipa PVC.
Gambar 2.8 Sketsa Tabung PVC Pengujian.
2.6. Mikrofon
Mikrofon (bahasa Inggris: microphone) adalah suatu jenis transduser yang
mengubah energi-energi akustik (gelombang suara) menjadi sinyal listrik.
salah satu alat untuk membantu komunikasi manusia. Mikrofon dipakai pada
banyak alat seperti telepon, alat perekam, alat bantu dengar, dan pengudaraan
radio serta televisi.
Istilah mikrofon berasal dari bahasa Yunani mikros yang berarti kecil dan
fon yang berarti suara atau bunyi. Istilah ini awalnya mengacu kepada alat bantu
dengar untuk suara berintensitas rendah. Penemuan mikrofon sangat penting pada
masa awal perkembangan telepon. Pada awal penemuannya, mikrofon digunakan
pada telepon, kemudian seiring berkembangnya waktu, mikrofon digunakan
dalam pemancar radio hingga ke berbagai penggunaan lainnya. Penemuan
35
Universitas Sumatera Utara
mikrofon praktis sangat penting pada masa awal perkembangan telepon. Beberapa
penemu telah membuat mikrofon primitif sebelum Alexander Graham Bell [9].
2.7 Pengeras Suara
Pengeras suara (bahasa Inggris: loud speaker atau speaker) adalah
transduser yang mengubah sinyal elektrik ke frekuensi audio (suara) dengan cara
menggetarkan komponennya yang berbentuk membran untuk menggetarkan udara
sehingga terjadilah gelombang suara sampai di kendang telinga kita dan dapat kita
dengar sebagai suara. Dalam setiap sistem penghasil suara (loud speaker),
pengeras suara merupakan juga menentukan kualitas suara di samping juga
peralatan pengolah suara sebelumnya yang masih berbentuk listrik dalam
rangkaian penguat amplifier [9].
Sistem pada pengeras suara adalah suatu komponen yang mengubah kode
sinyal elektronik terakhir menjadi gerakan mekanik. Dalam penyimpan suara pada
kepingan cd, pita magnetik tape, dan kepingan dvd, dapat direproduksi oleh
pengeras suara loud speaker yang dapat kita dengar. Pengeras suara adalah sebuah
teknologi yang memberikan dampak yang sangat besar terhadap budaya kita,
2.8 Amplifier
Amplifier adalah komponen elektronika yang di pakai untuk menguatkan
daya atau tenaga secara umum. Dalam penggunaannya, amplifier akan
menguatkan signal suara yaitu memperkuat signal arus I dan tegangan V listrik
dari inputnya. Sedangkan outpunya akan menjadi arus listrik dan tegangan yang
lebih besar.
Besaran amplifier sering disebut dengan istilah Gain. Nilai dari gain yang
dinyatakan sebagai fungsi penguat frekuensi audio, Gain power amplifier antara
200 kali sampai 100 kali dari signal output. Jadi gain merupakan hasil bagi dari
daya di bagian output dengan daya di bagian input dalam bentuk fungsi frekuensi.
Ukuran gain biasannya memakai decible(dB). Dalam bagian amplifier pada proses
penguatannya audio ini terbagi menjadi dua kelompok bagian penting, yaitu
bagian penguat signal tegangan (V) yang kebanyakan menggunakan susunan
36
Universitas Sumatera Utara
transistor, dan bagian penguat arus susunannya transistor paralel. Masing masing
transistor derdaya besar dan menggunakan sirip pendingin untuk membuang
panas ke udara, sehingga pada saat ini banyak yang menggunakan transistor
simetris komplementer [9].
2.9 VRM-01 Voice Recording Module ISD 4004
ISD 4004 Recording adalah modul yang berfungsi untuk menyimpan dan
memutar ulang suara. Pada aktif kendali kebisingan modul ini digunakan sebagai
media untuk mengolah data yang diterima dari suara knalpot, setelah itu
dikeluarkan melalui speaker. Dapat kita lihat pada Gambar 2.9 dijelaskan bagian –
bagian dari komponen voice recording module ISD 4004.
Gambar 2.9 Voice Recording Module ISD 4004.
Dari Gambar 2.9 dapat dilihat blok diagram voice recording module pada
Gambar 2.10
37
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Blok Diagram Voice Recording Module [9].
2.10 Penggeser Fasa
Penggeser fasa merupakan suatu alat untuk menggeser fasa pada
sinyal.Teknik ini digunakan dengan tujuan untuk membalikkan fasa 1800 yang
sasaranya adalah untuk membuat anti sound pada penelitian ini. Sehingga dapat
menghasilkan pemrosesan sinyal aktif kendali kebisingan.
Osilator geseran-fase adalah sebuah osilator gelombang sinus sederhana.
Osilator ini memiliki sebuah penguat pembalik, dan sebuah tapis umpan balik
yang menggeser 180° fase dari frekuensi osilasi. Filter elektronik harus didesain
sedemikian rupa sehingga isyarat di atas dan dibawah frekuensi osilasi yang
diinginkan digeser kurang ataupun lebih dari 180°. Ini menghasilkan superposisi
membangun bagi isyarat pada frekuensi osilasi dan superposisi merusak pada
frekuensi lainnya. Jalan paling umum untuk mendapatkan tapis jenis ini adalah
dengan menyambungkan deret tiga tapis resistor-kondensator, yang memberikan
geseran fase sebesar 270°. Pada frekuensi osilasi, setiap tapis memproduksi
geseran fase sebesar 60° sehingga keseluruhan tapis forsoduksi geseran fase 180°
[3]. Dapat dilihat pada Gambar 2.11 berikut ini.
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Proses Input Dan Output Dari Pergeseran Fasa[3].
2.11 Sound Power Level
Sound Power Level adalah pengukuran radiasi kuat bunyi dari sumber
yang tergantung dari kuat sumber bunyinya dan juga jarak dari sumber bunyi.
Daya bunyi dari suatu sumber dinyatakan di dalam watt. Biasanya daya bunyi
sumber dinyatakan dalam skala logarithmic. Suatu sound power level (LW)
dinyatakan dalam decibels dengan rumus :
Gambar 2.12 Knalpot atau Sumber Suara[3].
LW = 10log10
dB
(2.7)
W = Daya sumber (Watt)
39
Universitas Sumatera Utara
Wo = Daya referensi (watt)
Standart referensi sound power adalah 1 picowatt (dimana 1 microwatt
atau 10-12 watt).
Dimana subsitusinya adalah :
Lw= 10 log 10 (W/10-12) = [10 log 10W+ 120] dB
(2.8)
2.12 Sound Pressure level
Sound Pressure level adalah tekanan suara yang bergantung dengan
tekanan, suhu, dan kelembaman. Untuk tekanan pada suara dinyatakan dalam 1
atmosfir ( 1 ATM). Dengan mengeset tekanan pada 1 ATM maka pengukuran
baru dapat dilakukan. Penggabaran kuat sinyal sound pressure dalam 1 ATM dan
deviasi sound pressure adalah;
P=
(2.9)
Dimana :
F= daya
A = Area
Ptotal = Po + P
(2.10)
Dimana :
Po = tekanan lingkungan local
P = deviasi sound pressure
Dari banyak ragam dari bunyi ini dapat di spesifikasikan dalam beberapa
sumber bunyi. Dengan beragamnya sumber bunyi tersebut maka kuat bunyi juga
bervariasi.
40
Universitas Sumatera Utara
2.13 Mekanisme dan Cara Kerja
Kendali Kebisingan aktif adalah dengan cara menambahkan bunyi
kebalikan yang tepat untuk menghilangkan kebisingan tersebut (anti sound). Kita
dapat melihat gelombang dengan amplitude yang awal kemudian kita berikan
amolitudo yang berlawanan (berbeda fasa1800) pada sisi lain., dua gelombang
dengan fasa berlawanan dan amplitude sama digabungkkan maka akan
menghapukan keseluruhan amplitudo.
Dengan pendektesian bunyi melalaui mikropon, Aktif kendali kebisingan
dapat secara otomatis menghasilkan isyarat yang benar untuk mengirim kepada
pengeras suara yang akan menghasilakan anti sound untuk menghilangkan bunyi
yang asli. Ukuran daerah kesunyian yang diciptakan tergantung pada panjang
gelombang bunyi. Efektifitas sistem sangat tergantung pada ukuran dan bentuk
ruang dimana diterapkan, ukuran sumber bunyi yang tidak dikehendakai dan
jumlah dan posisi pengeras suara yang digunakan untuk menghasilkan anti sound.
2.14.Aplikasi Aktif Kendali Kebisingan
Pada penelitian ini Aktif Kendali Kebisingan digunakan untuk mendeteksi
sinyal redaman di knalpot (silencer) sepeda motor. Sinyal bunyi yang akan
dihasilkan adalah diusahakan tereduksi seminimal mungkin untuk mendapatkan
kenyamanan bunyi. Berikut ini adalah Gambar knalpot untuk aplikasi Aktif
Kendali Kebisingan. Dapat dilihat pada Gambar 2.12
Gambar 2.13 Silincer Standart Knalpot Sepeda Motor[3].
41
Universitas Sumatera Utara
Dari sumber bising yang dihasilkan oleh knalpot seperti pada Gambar 2.12
peneliti akan menangkap bunyi tersebut yang mana kemudian bunyi tersebut
dilakukan perlawanan dengan bunyi yang dihasilkan oleh pembangkit sinyal
bising yang berbeda fasa 1800 dengan menggunakan penggeser fasa.
42
Universitas Sumatera Utara