JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

1

Abstrak - Dalam tugas akhir ini, dilakukan sebuah penelitian

untuk mendeteksi sumber suara yang diletakkan pada jarak

tertentu dari posisi microphone array menggunakan metode

beamforming.

Tujuan dari tugas akhir ini adalah mendeteksi lokasi sumber

suara di bawah air pada kondisi near-field. Sinyal input yang

digunakan merupakan sinyal suara dalam bentuk gelombang

spherical yang dipancarkan oleh speaker dan diterima oleh

microphone array. Karena letak masing – masing mikrofon

berbeda, sehingga tekanan suara yang diterima juga berbeda. Nilai

tekanan yang diterima oleh microphone array inilah yang diproses

menggunakan metode beamforming untuk menentukan besarnya

daya beam dan lokasi sumber suara.

Hasil akhir penelitian ini berupa kontur lokasi sumber suara

terhadap microphone array. Dari hasil ini diharapkan mampu

dibuat sebuah analisa dalam aplikasi tertentu yang

mengimplementasikan deteksi lokasi sumber suara di bawah air.

Kata Kunci : akustik awah air, array mikrofon, beamforming

I PENDAHULUAN

NDONESIA merupakan negara maritim, dengan luas

perairan 5.193.000 km2 dan memiliki banyak potensi

seperti kekayaan alam bawah air seperti minyak,

keanekaragaman hayati dan ikan. Untuk mengetahui keadaan

bawah air indonesia diperlukan deteksi kondisi bawah air. Hal

ini dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi akustik

bawah air. Banyak aspek yang dapat memanfaatkan teknologi

bawah air ini, termasuk militer, penelitian oseanografi dan lain

- lain. Namun karena penelitian dalam kondisi riil

memerlukan biaya cukup besar, sehingga penelitian dilakukan

dengan menggunakan simulasi di laboratorium

hidrodinamika.

Penelitian ini merupakan salah satu teknologi akustik

bawah air dan membahas tentang deteksi lokasi sumber suara

berupa speaker di bawah air dalam keadaan near-field dan

far-field menggunakan empat buah sensor hidrofon. Speaker

akan mengeluarkan suara dan suara tersebut diterima oleh

microphone array, sinyal yang diterima oleh array direkam

dan diproses menggunakan metode beamforming. Hasil

perhitungan menggunakan metode beamforming berupa besar

daya beam dan selanjutnya diproses menggunakan matlab

untuk menentukan lokasi sumber suara.

II URAIAN PENELITIAN

A. Akustik Bawah Air

Akustik bawah air merupakan teknologi akustik bawah air,

dikenal juga sebagai hidro akustik, merupakan suatu teknologi

pendeteksian bawah air yang menggunakan suara atau bunyi

untuk melakukan pendeteksian. Penelitian tentang akustik

bawah laut berawal dari percobaan yang dilakukan oleh

Leonardo Da Vinci, percobaan yang dilakukan oleh Da Vinci

adalah memasukkan salah satu ujung pipa kedalam air dan

ujung lainnya ditempelkan ke telinga, hasilnya dia dapat

mendengarkan suara kapal dari jarak yang jauh [1]. Pada

perang dunia kedua perkembangan teknologi akustik ini lebih

banyak digunakan di bidang maritim. Setelah perang dunia

berakhir, teknologi akustik telah berkembang pesat dalam

berbagai bidang seperti komunikasi dan perikanan. Karena

teknologi ini mampu digunakan untuk mengukur dan

menganalisis hampir semua kolom dasar laut. Aplikasi dari

deteksi menggunakan teknologi akustik bawah laut antara lain

adalah : ekplorasi tambang minyak, deteksi lokasi bangkai

kapal, estimasi biota laut, mengukur kontur dasar laut dan lain

sebagainya.

Proses untuk mendeteksi keadaan bawah air secara umum

adalah speaker memancarkan sinyal suara. Sinyal suara

mengenai obyek yang diteliti dan dipantulkan oleh obyek

tersebut, sinyal pantulan akan diterima oleh hidrofon. Hasil

rekam sinyal yang diterima oleh hidrofon ini digunakan untuk

menganalisis hasil pendeteksian. Ilustrasi dari penjelasan ini

digambarkan pada Gambar 1.

Gambar. 1. Proses deteksi obyek bawah air.

Pengukuran Sinyal Akustik untuk

Mendeteksi Sumber Noise Menggunakan

Metode Beamforming

Myta Pristanty, Wirawan, Endang Widjiati

Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS, Surabaya – 60111

I

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

2

B. Kecepatan Suara pada Media Air

Pengukuran kecepatan suara sebenarnya bisa dilakukan

menggunakan “velocimeters” dengan tingkat kesalahan

hingga 0,1 m/s [4], namun kecepatan suara dapat pula

dihitung dengan menggunakan persamaan. Kecepatan suara di

media air berkisar antara 1450 sampai 1540 m/s dan

dipengaruhi oleh temperatur, salinitas (jumlah garam yang

terlarut dalam air), dan kedalaman. Tahun 1975 Medwin

menyatakan kecepatan suara yang merambat pada media air

sebagai fungsi dalam persamaan berikut :

0,016z35)-0,01T)(S-(1,34

0,000029T0,055T-4,6T1449,36 c 32

(1)

Dimana :

T = Temperatur dalam derajat celcius [0C]

S = Salinitas [ppt atau part per thousand]

Z = kedalaman air [m]

C. Bidang Pengukuran dan Muka Gelombang (wave front)

Penelitian dalam bidang akustik bawah air dilakukan pada

empat kondisi, berdasarkan jarak antara sumber suara dengan

penerima saat pengukuran sinyal yaitu near-field dan far-field.

Sedangkan kondisi lingkungan pengukuran yaitu free-field

dan reverberant field. Pada kondisi near-field, jarak antara

pemancar sinyal dan penerima sinyal dekat, sinyal yang

dipancarkan berupa gelombang spherical. Semakin jauh jarak

penerima dengan lokasi sumber, maka muka gelombang yang

diterima akan semakin planar (Gambar. 2).

D. Microphone Array

Microphone array merupakan rangkaian dari satu set

mikrofon yang diposisikan secara spasial. Proses penyaluran

suara dengan menggunakan banyak mikrofon yang letaknya

berbeda – beda menghasilkan perbedaan tekanan sinyal yang

diterima pada setiap mikrofon [5]. Lokasi sumber suara utama

dapat ditentukan secara dinamis dengan menganalisis puncak

antara saluran mikrofon yang berbeda [6]. Dari proses ini akan

didapatkan suara yang nyaring dan jernih bebas dari

gangguan. Proses ini menguntungkan pengguna karena

mikrofon tidak perlu dibawa kemana-mana (hands-free).

Aplikasi microphone array antara lain :

Sistem untuk pengolahan suara dari ambient noise

Penentuan lokasi objek dengan suara : acoustic source

localization (contoh: dalam militer, robot)

Ketepatan proses rekaman dari suara yang asli Voice

Activity Detector (VAD).

Gambar. 3. Proses sinyal suara pada microphone array

Gambar 3 merupakan ilustrasi rancangan microphone

array. Masing – masing sensor mikrofon diletakkan dengan

jarak yang berbeda terhadap sumber suara dan menerima

suara dari sumber suara yang telah ditentukan, setelah itu

sinyal yang diterima akan diproses secara bersamaan. Sinyal

hasil rekaman masing – masing mikrofon merupakan sinyal

dari sumber yang diteliti ditambah dengan noise, interferensi,

gema dan gangguan lainnya. Hasil rekaman ini selanjutnya

diproses menggunakan metode beamforming.

E. Beamforming

Beamforming adalah metode umum pengolahan array

untuk mentransmisikan atau menerima sinyal dari suatu arah

tertentu. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan teknik

beamforming, antara lain radar, sonar, wireless

communication, radio astronomy, speech, acoustics, dan

biomedicine Beamforming beroperasi pada output microphone array

untuk memperkuat sinyal yang datang dari suatu arah tertentu

dengan meredam sinyal baik sinyal suara, noise atau

interference dari arah lain. Beamforming bertujuan untuk

memperbaiki arah sinyal tanpa harus merubah fisik dari array.

Metode ini mendefinisikan daya beam sebagai berikut,

Power = WH E[PPH]W (2)

W adalah weighting vector, sedangkan P adalah matrix

tekanan yang diterima oleh microphone array (pers. 3), E

adalah nilai ekspektasi dan H menunjukkan Hermitian.

Gambar.2. Muka gelombang (wave front) dan jarak perambatan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

3

ism

jkx

ii

sm

jkr

m eBr

eAxp

sin

1

)(

(3)

Dari pers. 3 dapat dinyatakan bahwa tekanan yang diterima

oleh masing – masing mikrofon merupakan hasil jumlah

antara sinyal suara langsung dari sumber dengan sinyal yang

terpantul atau gema (reverberant sound). A menyatakan

amplitudo sinyal langsung (direct sound) dalam domain

frekuensi dengan satuan desibel (dB). rsm merupakan jarak

antara sumber dengan masing – masing mikrofon dihitung

dengan cara 22 )()( msms yyxx dalam satuan meter, (xs,ys)

merupakan letak sumber suara sebenarnya dalam satuan

meter, (xm,ym) adalah letak masing – masing mikrofon juga

dalam satuan meter. Bi menyatakan amplitudo sinyal terpantul

dengan satuan desibel (dB), i merupakan sudut antara sinyal

terpantul yang diterima oleh mikrofon dengan sinyal yang

berasal langsung dari sumber. k merupakan jumlah gelombang

dengan rumus k /c dalam satuan radian per meter, x

merupakan letak masing – masing mikrofon dalam sumbu x.

Sedangkan weighting vector dinyatakan dengan rumus

sebagai berikut,

),,(),...,,(),,(1

21 yxwyxwyxwM

mW (4)

wm(x,y) adalah crj sme

/. Ilustrasi dari sumber suara,

microphone array dan sinyal terpantul dapat dilihat pada

Gambar 4.

III. SIMULASI DAN PEREKAMAN DATA

Proses penelitian pada tugas akhir ini digambarkan pada

Gambar 5. Terdapat tiga data yang dibandingkan pada tahap

analisis, yaitu data simulasi, data hasil perekaman data di

ruangan B303 dan data hasil perekaman data di Laboratorium

Hidrodinamika Indonesia (LHI). Pada saat perekaman data

beberapa perangkat keras digunakan dan diatur dengan

konfigurasi tertentu. Perangkat keras yang digunakan adalah

dua buah notebook, empat buah hidrofon atau mikrofon,

speaker dan soundcard external. Konfigurasi microphone

array dan speaker saat perekaman suara digambarkan pada

Gambar 6.

Gambar. 5. Diagram alir proses penelitian.

Gambar. 5. Diagram alir proses penelitian.

(a)

(b)

Gambar. 6. Konfigurasi speaker dan microphone array pada media udara (a)

Konfigurasi 1 (b) Konfigurasi 2

Gambar. 7. Konfigurasi microphone array untuk perekaman data di udara

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

4

Gambar. 8. Profil Towing Tank Laboratorium Hidrodinamika Indonesia (LHI)

(a)

(b)

Gambar. 9.Konfigurasi perekaman data pada media air (a) Konfigurasi

hidrophone array (b) Konfigurasi array dan speaker

I. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Simulasi

Simulasi menggunakan parameter – parameter berikut :

Tabel 1.

Parameter simulasi

Parameter Simbol Nilai

Jumlah mikrofon m 5

Kecepatan suara c Udara 340 m/s

Air = 1450 m/s

Lokasi mikrofon xm,ym 0cm<xm< 10 cm

0cm<xm< 10 cm

Jarak antar mikrofon d 5 cm

Jarak dari sumber ke array rsm 14 cm

Lokasi sumber sebenarnya xs,ys (0cm,14cm)

Frekuensi sampling Fs 44.100 Hz

Sudut terpantul i -60○,-30○,0○,30○,60○

Sinyal yang digunakan pada simulasi adalah sinyal

shrimp.wav

Gambar 10. Sinyal shrimp.wav

Sedangkan konfigurasi speaker dan microphone array pada

simulasi ini adalah.

Gambar.11. Konfigurasi simulasi. Lokasi sumber suara, 0m dan 0,14 m. Jarak

antar mikrofon 0,05 m.

Hasil pengolahan sinyal pada simulasi ini berupa kontur

distribusi daya beam sebagai berikut

Gambar 12. Kontur Hasil Simulasi Media Udara

Dari Gambar 12 dapat dilihat bahwa sumber suara

terdeteksi berada pada koordinat (0,42, 5,0176) atau sumber

terletak pada jarak 5,0176 m dari mikrofon 1 yang terletak

pada sumbu x = 0,42. Sedangkan lokasi sumber suara

sebenarnya terletak pada koordinat (0, 5) atau sumber berjarak

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

5

5 meter dari mikrofon 4. Error yang terjadi sebesar (0,42m,

0,0176m). Error ini terjadi karena amplitudo yang dijadikan

masukan rumus memiliki nilai yang sama, dan mikrofon 1

diasumsikan berada dekat dengan dinding sehingga nilai

sinyal terpantul atau gema lebih besar dibandingkan sinyal

terpantul atau gema pada mikrofon 4. Sedangkan hasil

simulasi media air digambarkan pada Gambar 13. Dengan

konfigurasi yang sama dengan simulasi media udara, Hasil

deteksi lokasi sumber suaranya adalah sebagai berikut,

Gambar 13. Kontur Hasil Simulasi Media Air

Pada Gambar 13 Sumber suara terdeteksi pada koordinat

(0,14m, 5,002m) atau sumber suara berjarak 5,002 meter

terhadap hidrofon 3 yang terletak pada sumbu x = 0,14.

Sedangkan lokasi sumber sebenarnya berjarak 5 meter dari

hidrofon 4. Dari hasil simulasi ini terdapat error sebesar

(0,14m, 0,002m). Tabel 2.

Daya beam hasil simulasi

Mikrofon Amplitudo

(dB)

Power media udara

(dB)

Power media air

(dB)

1 28,7950 76,3954 77,1402

2 28,7950 76,4669 77,2687

3 28,7950 76,3932 77,3157

4 28,7950 76,4851 77,3208

Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa meskipun dengan

konfigurasi yang sama, namun daya yang diterima oleh

mikrofon berbeda, daya yang diterima oleh masing – masing

mikrofon pada media air lebih besar dibandingkan pada

media udara. Hal ini dipengaruhi oleh karakteristik air seperti

salinitas, absorbsi, atenuasi dan temperatur.

B. Hasil Pengolahan Data pada Media Udara di Ruang

B303

Gambar. 13 Sinyal hasil rekaman pada media udara

Hasil pengolahan data konfigurasi 1 dan konfigurasi 2

adalah sebagai berikut,

Gambar. 14 Kontur distribusi daya beam konfigurasi 1, sumber terdeteksi

pada koordinat (0,14m,5m). Sumber terletak pada jarak 5 meter dari mikrofon

2 yanag berada pada koordinat (0m, 5m)

Gambar. 15 Kontur distribusi daya beam konfigurasi 2. sumber terdeteksi

pada koordinat (0m,5,002m). Sumber terletak pada jarak 5,002 meter dari

mikrofon 4 yang berada pada koordinat (0m, 5m). Sedangkan letak sumber

suara sebenarnya adalah (0,42m, 5m)

Amplitudo yang diterima masing-masing mikrofon dan

rata-rata daya beam masing-masing mikrofon pada

konfigurasi 1 dan 2 ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3.

Amplitudo yang diterima masing-masing mikrofon dan rata-rata daya beam

hasil pengolahan data pada media udara

Mikrofon

Konfigurasi 1 Konfigurasi 2

Amplitudo

(dB)

Power

(dB)

Amplitudo

(dB)

Power

(dB)

1 27.6590 72.7497 26.6383 72.4068

2 25.5565 72.7982 27.5330 72.5974

3 27.8033 72.9039 28.2831 72.4194

4 27.7913 72.8384 28.8371 72.6061

Dari tabel di atas pada konfigurasi 1 mikrofon 3 memiliki

nilai amplitudo dan power terbesar, hal ini karena mikrofon 3

terletak tegak lurus dengan sumber suara. Namun pada

konfigurasi 2, daya beam terbesar ada pada mikrofon 4. Error

terjadi karena pada perekaman, mikrofon 4 terletak dekat

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

6

dengan tembok sehingga nilai sinyal terpantulnya lebih besar

daripada pada mikrofon 1.

C. Hasil Pengolahan Data pada Media Air di Laboratorium

Hidrodinamika Indonesia (LHI)

Pada perekaman data di LHI, speaker terletak sejauh 1

meter dari hydrophone array pada konfigurasi 1. Sedangkan

pada konfigurasi 2 speaker terletak sejauh 5 meter dari

hydrophone array. Hasil pengolahan data rekaman pada

media air ditunjukkan pada Gambar 15 dan Gambar 16.

Gambar. 15 Kontur distribusi daya beam konfigurasi

Gambar. 16 Kontur distribusi daya beam konfigurasi 2

Pada Gambar 15 Letak sumber suara sebenarnya adalah

(0,21m, 1m). Gambar 4.12 menyatakan bahwa lokasi sumber

suara hasil pengolahan data rekaman berada pada jarak satu

meter dari hidrofon 1 yang berada pada sumbu x = 0,21. Dan

telah menyatakan lokasi sumber yang sebenarnya. Jarak

masing – masing hidrofon dengan sumber suara (rsm) adalah

(rs1, rs2, rs3, rs4) = (1m, 1,0432m, 1,0432m, 1,0846m), letak

masing – masing hidrofon pada sumbu x adalah (x1, x2, x3,

x4) = (0,21, 0, 0,42, 0,21). Pada Gambar 16, titik merah

merupakan lokasi dari sumber sebenarnya yang telah

dideteksi. Pada konfigurasi 1 lokasi sumber yang terdeteksi

berada pada (xs, ys) = (0m, 1m). Sedangkan pada konfigurasi

2 sumber terdeteksi pada (xs,ys)= (0,21m, 5m). Hasil deteksi

ini sesuai dengan lokasi sumber sebenarnya yaitu berhadapan

tegak lurus dengan hidrofon 1. Amplitudo yang diterima

masing-masing hidrofon dan rata-rata daya beam masing -

masing hidrofon pada konfigurasi 1 dan 2 ditunjukkan pada

Tabel 4.

Tabel 4.

Amplitudo yang diterima masing-masing hidrofon dan rata-rata daya beam

hasil pengolahan data pada media air

Mikrofon

Konfigurasi 1 Konfigurasi 2

Amplitudo

(dB)

Power

(dB)

Amplitudo

(dB)

Power

(dB)

1 28,0162 88,7088 26,6289 53,0302

2 26,5727 88,6150 24,6004 52,6422

3 25,6477 88,7477 25,2583 52,2720

4 26,5997 88,7337 25,8884 52,6090

Dari tabel di atas dapat disimpulkan bahwa semakin jauh

jarak sumber terhadap array, maka daya beam pada masing-

masing array semakin kecil.

V. KESIMPULAN

Dari hasil dan analisa penelitian dapat disimpulkan, bahwa:

1. Dari hasil simulasi, pada Tabel 4.1, dengan nilai masukan

yang sama, amplitudo sebesar 28,7950 dB dan frekuensi

sebesar 1 kHz, pada kedua media air dan udara.

Menyatakan bahwa nilai daya beam masing – masing

kanal pada media air lebih besar dibanding daya beam

masing – masing kanal pada media udara, hal ini

dipengaruhi oleh karakteristik air seperti salinitas,

atenuasi, absorbsi dan temperatur.

2. Dari hasil pengolahan data perekaman di media udara,

didapatkan perbedaan amplitudo sinyal pada masing –

masing mikrofon menunjukkan perbedaan tekanan yang

diterima oleh array dari sumber suara.

3. Dari hasil pengolahan data perekaman di media air, pada

konfigurasi 1, speaker terletak pada jarak 1 meter dari

hydrophone array dan pada konfigurasi 2, speaker terletak

dengan jarak 5 meter dari hydrophone array. Nilai daya

beam pada konfigurasi 1 lebih besar dibandingkan dengan

nilai daya beam pada konfigurasi 2. Hal ini menyatakan

bahwa daya beam dari suatu sinyal berbanding terbalik

dengan jarak pancaran sinyal.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Lab for Amateur Sonar Technology [http://traktoria.org/files/sonar/

Undewater_Acoustics_shortssummary. pdf] diakses pada 30 Mei 2013

[2] Manik, Henry M dan Ma’mun, Asep, “Rancang Bangun Sistem

Informasi Data Hidroakustik Berbasis Web”, SNATI 2009, Yogyakarta

[3] Arnaya, I.N., “Dasar-Dasar Akustik. Diktat Kuliah Studi Ilmu dan

Teknologi Kelautan”. Institut Pertanian Bogor. 1991

[4] Clay, C.S., dan H. Medwin. 1998. Accoustical Oceanoghraphy:

Principles and Aplications. A Willey-Interscience Publication. John

Wiley and Sons. New York.

[5] Moses L. Randolph and Potter C. Lee. An Acoustic Array for

Undergraduate Instruction. Columbus :Department of Electrical

Engineering The Ohio State University.

[6] McCowan, Iain, “A Microphone Array Tutorial”, Australia, 2004

[7] J. W. Choi dan Y. H. Kim, “Spherical Beamforming and MUSIC

Method for Estimation of Location and Strength of Spherical Sound

Sources”, Mechanical Systems and Signal Processing, 9(5), 569-588

(1995)