SEMINAR SKRIPSI AWAL

Nama:Teguh SantosoNim:612011031Judul:Sistem Pengukuran Karakteristik Bahan-Bahan Akustik Menggunakan Metode Matriks Pindah dengan Empat Mikrofon (Perangkat Keras).Jenis:PerancanganBobot:6 SKSKelompok:Teknik TelekomunikasiUsulan Pembimbing:1. Dr. Matias H.W. Budhiantho2. Gunawan D, M.Sc.Eng

I. TujuanTujuan tugas akhir ini adalah merancang dan merealisasikan perangkat pengukur karakteristik sifat-sifat akustik yang dimiliki suatu bahan penyerap bunyi dengan menggunakan metode matriks pindah dengan empat mikrofon.

II. Latar Belakang2.1 PermasalahanDalam ilmu akustik, bahan akustik mempunyai peranan penting dalam pengendalian kondisi akustik pada suatu ruangan. Bahan akustik terdapat tiga jenis yaitu bahan penyerap bunyi, bahan pemantul bunyi, dan bahan penyebar bunyi. Namun dari ketiganya tersebut, bahan akustik yang paling sering dibutuhkan adalah bahan penyerap bunyi. Bahan penyerap bunyi merupakan suatu bahan yang dapat mengurangi energi akustik berupa gelombang bunyi melalui penyerapan. Bahan-bahan penyerap bunyi sangat diperlukan untuk mengatur waktu kerdam agar tidak terjadi gema pada suatu ruangan.Untuk mengetahui bahan penyerap bunyi yang cocok untuk suatu ruangan, maka diperlukan suatu metode untuk mengukur karakteristik bahan penyerap bunyi tersebut. Ada beberapa metode pengukuran karakteristik bahan penyerap bunyi, antara lain adalah metode ruang kerdam, metode tabung impedansi, metode dua mikrofon dengan eksitasi sinyal acak, dan metode matriks pindah dengan empat mikrofon.Pada prinsipnya, metode ruang kerdam merupakan metode pengukuran koefisien serap bunyi secara acak. Metode ini memerlukan biaya yang mahal dan membutuhkan ruang khusus serta membutuhkan sampel bahan uji dalam jumlah besar (antara 5,6 9,6 m2) tergantung ruang kerdamnya. Sedangkan, metode tabung impedansi memiliki kekurangan yaitu membutuhkan waktu yang relatif lama karena perlu mengukur letak minimum pertama gelombang berdiri yang terjadi dalam tabung pengukuran serta nisbah gelombang tegaknya.Pada metode dua mikrofon dan empat mikrofon, sebenarnya kedua metode tersebut hampir sama. Perbedaannya adalah pada jumlah mikrofon, letak bahan uji, dan metode perhitungan secara matematisnya. Metode dua mikrofon ini awalnya sudah pernah dilakukan oleh Yosafat (612003xxx) dan Rince (612003112) dalam memenuhi tugas akhir mereka. Namun, hasil yang mereka peroleh masih terdapat galat dan dips. Oleh karena itu, penulis dan Boby (612011006) akan merancang ulang perangkat pengukuran koefisien serap bunyi menggunakan metode matriks pindah dengan empat mikrofon, dimana nantinya terdapat sensor suhu dan tekanan udara untuk membuat pengukuran menjadi lebih akurat. Kemudian, dengan menggunakan metode matriks pindah yang dihitung dari tekanan dan kecepatan partikel yang diterima masing-masing mikrofon, maka akan mudah mendapatkan STL (Sound Transmission Loss), koefisien serap bunyi, serta beberapa sifat akustik bahan lainnya.Dalam usulan skripsi awal ini, penulis menyediakan perangkat di atas dengan menggunakan bahan-bahan yang mudah didapat di pasaran. Sehingga, didapat sebuah perangkat pengukur koefisien serap bunyi dengan biaya yang dapat dijangkau, namun memiliki fungsi yang sama dengan perangkat yang dijual di pasaran.

2.2 Kaitan dengan Mayor/MinorUsulan skripsi ini berkaitan dengan mata kuliah Teknik Audio, Elektroakustik, Isyarat dan Sistem, Mikrokontroler dan Matematika Teknik. Mata kuliah Teknik Audio sebagai dasar teori tentang penerapan sistem audio sebagai penunjang pada perangkat yang akan dibuat. Matakuliah Elektroakustik sebagai dasar teori tentang ilmu akustika bahan penyerap dan sistem pemancaran gelombang dalam tabung. Mata kuliah Mikrokontroler sebagai dasar teori dalam perancangan sensor suhu dan tekanan udara. Mata kuliah Isyarat dan Sistem dan Matematika Teknik sebagai dasar ilmu dalam menyelesaikan persamaan matematis yang berkaitan dengan teori yang diterapkan dalam perancangan ini.

III. Gambaran Tugas3.1 Dasar TeoriBerikut ini adalah dasar-dasar teori penunjang tugas akhir ini. Teori yang akan dijelaskan adalah mengenai bakuan standar ASTM E2611-09 selaku metode yang digunakan. Bakuan standar ASTM E2611-09 berisi tentang pengukuran pemancaran bunyi datang dari bahan serap berdasarkan metode matriks pindah. Metode ini menggunakan berbagai perangkat yang terdiri dari sebuah tabung impedansi akustik dengan empat mikrofon, penyuara untuk menghasilkan gelombang bidang ke dalam tabung, penguat daya yang berfungsi untuk memperkuat isyarat uji dari penyuara, dan penguat sinyal mikrofon yang befungsi untuk memperkuat sinyal yang diterima oleh mikrofon, serta sebuah sensor suhu dan tekanan udara.

3.1.1. Bakuan Standar ASTM E2611-09Sebuah standar ASTM terbaru telah diadopsi untuk mengarakteristikan suatu bahan akustik dalam tabung. Standar tersebut adalah ASTM E2611-09, yaitu pengukuran pemancaran bunyi datang dari bahan serap berdasarkan metode matriks pindah. Pada prinsipnya metode ini menggunakan perangkat utama yaitu sebuah tabung impedansi. Berikut ini adalah gambar tabung impedansi dari metode ini :

Gambar 1. Tabung impedansi. Masing masing mikrofon di atas akan menerima tekanan bunyi dengan sebesar : (1) dimana :A, B, C, D = amplitudo dari empat gelombang datar.x1, x2, x3, x4 = jarak mikrofon terhadap bahan.k = bilangan gelombang.Berdasarkan persamaan di atas, nilai amplitudo gelombang bunyi A, B, C, dan D nantinya akan digunakan untuk mendapatkan matriks pindah dari bahan uji. Nilai amplitudo A didapat dengan cara :

= A-)

Dengan cara yang sama juga didapatkan koefisien B, C, dan D yaitu :

Berdasarkan persamaan di atas amplitudo gelombang bunyi A, B, C, dan D merupakan besaran kompleks yang nantinya akan digunakan untuk mendapatkan tekanan bunyi dan kecepatan partikel bunyi pada permukaan depan dan belakang bahan uji. Hubungan antara matriks pindah dengan tekanan bunyi dan kecepatan partikel bunyi pada kedua permukaan dihubungkan dengan :

(2)Untuk menyelesaikan permasalahan matriks pindah tersebut maka digunakan operasi matriks balik agar didapat nilai elemen-elemen transmisinya. Elemen matriks pindah dapat dihitung berdasarkan tekanan dan kecepatan partikel bunyi di permukaan depan dan belakang bahan uji. Selain itu, dengan menggunakan persamaan tekanan bunyi yang diterima setiap mikrofon dan hubungan antara tekanan dan kecepatan partikel gelombang datar, maka tekanan bunyi dan kecepatan partikel bunyi di permukaan depan dan belakang bahan dapat dirumuskan sebagai berikut :

(3) (4) (5) (6)

dimana : tekanan bunyi pada permukaan depan bahan uji. tekanan bunyi pada permukaan belakang bahan uji. kecepatan partikel bunyi pada permukaan depan bahan uji. kecepatan partikel bunyi pada permukaan belakang bahan uji.

Dalam kasus ini, diasumsikan terminasi tabung adalah anechoic. Maka koefisien pantul R = B/A dan koefisien transmisi T = C/A. Dengan menerapkan persamaan 3, 4, 5, dan 6 ke persamaan 2, maka koefisien pantul dan koefisien transmisi dapat ditulis sebagai fungsi matriks pindah. (7) (8)Sound Transmission Loss (STL) dari gelombang datang juga dapat dicari menggunakan persamaan : (9)Pada pengujian koefisien serap menggunakan ASTM E1050-08, permukaan belakang bahan uji ditempatkan berdekatan dengan terminasi tabung yang bersifat keras. Namun, bila terminasi tabung yang keras dipasang pada metode matriks pindah ini akan memungkinkan untuk mengasumsikan . Sehingga dengan menerapkan ke persamaan 2 maka didapat koefisien pantul sebagai berikut : (10)Sedangkan koefisien serap pada saat dipasang terminasi tabung yang keras akan bernilai : (11)Adapun peralatan penunjang yang diperlukan dari metode ini yaitu sepasang tabung yang identik, terminasi tabung, pemegang bahan uji, mikrofon yang identik, penyuara, penguat sinyal mikrofon, penguat daya, dan sensor suhu dan tekanan udara. Masing-masing peralatan tersebut mempunyai kriteria-kriteria sebagai berikut :

1.) TabungTabung dapat dibuat dengan menggunakan logam, plastik, kayu, atau beton. Bagian interior tabung dapat melingkar atau persegi panjang dan memiliki luas penampang yang konstan dari ujung awal tabung ke ujung akhir tabung. Tabung juga dibuat dengan konstruksi yang cukup besar supaya bunyi yang keluar melalui celah dinding tabung dapat diabaikan bila dibandingkan dengan bunyi yang keluar melewati bahan uji. Rentang frekuensi yang dapat diukur menggunakan metode ini tergantung pada diameter tabung dan jarak antara masing-masing mikrofon. Untuk batas frekuensi rendah ditentukan oleh jarak masing-masing mikrofon dan keakuratan dari analisis sistem. Batas frekuensi rendah ditentukan dengan menggunakan persamaan : (12)dimana : = batas frekuensi rendah tabung (Hz). = jarak masing-masing mikrofon (m).Sedangkan batas frekuensi tinggi ditentukan oleh diameter tabung dengan persamaan : (13)dimana : = batas frekuensi tinggi tabung (Hz). = diameter tabung (m).Untuk panjang tabung yang digunakan harus cukup panjang agar pancaran gelombang bunyi dari penyuara dapat berbentuk gelombang bidang. Jarak mikrofon terdekat dengan penyuara perlu diperhitungkan agar dapat menangkap isyarat minimal terjadinya gelombang bidang. Jarak minimum mikrofon terdekat dengan penyuara adalah : (14)

dimana : = jarak minimum terdekat mikrofon (m). = diameter tabung (m).

2.) Terminasi TabungUntuk bagian terminasi tabung disarankan untuk memasang suatu bahan penyerap suara (misal : fiber glass) berbentuk wedge atau piramida dengan panjang 30 cm. Hal tersebut berguna untuk meminimalkan bunyi pantul dari bagian ujung akhir tabung.

3.) Pemegang Bahan UjiSelanjutnya, untuk alat pemegang bahan uji dapat dibuat baik diintegrasikan dengan tabung atau terpisah dengan tabung. Pemegang bahan uji yang terpisah harus dibuat sesuai dengan bentuk interior dan dimensi dari tabung. Untuk menghubungkan pemegang ini ke dalam tabung harus dilakukan dengan hati-hati dan dapat menggunakan minyak silikon untuk mempermudahnya. Pemegang ini dapat dibuat dengan suatu bahan yang kaku dan bersih, misalnya akrilik. 4.) PenyuaraPenyuara yang digunakan dalam metode ini harus mempunyai tanggapan daya yang seragam pada rentang frekuensi yang diinginkan. Peletakan penyuara juga disarankan berada di dalam tabung untuk meminimalkan eksitasi suara tabung.Resonansi udara dalam tabung mungkin terjadi bila impedansi mekanik dari membran penyuara bernilai tinggi. Oleh karena itu, dianjurkan dengan melapisi penyerap berpori yang memiliki kerapatan serap yang rendah. Peletakkan penyerap berpori tersebut diletakkan baik pada dinding dalam tabung yang dekat dengan penyuara maupun pada daerah transisi bunyi. Namun, ketika diberi penyerap berpori tersebut maka memungkinkan energi bunyi akan hilang pada frekuensi tinggi. Untuk mengatasi hal tersebut, maka diperlukan sebuah equalizer yang berfungsi untuk membentuk spektrum suara yang dapat diukur pada posisi mikrofon sehingga bunyi suara akan relatif datar pada semua frekuensi.

5.) MikrofonMikrofon yang digunakan dalam metode ini harus lebih kecil bila dibandingkan dengan jarak spasi antara lubang mikrofon. Diameter mikrofon yang disarankan dalam metode ini adalah :

(15)dimana : = diameter mikrofon (m). = kecepatan bunyi di udara (m2/s).Persamaan di atas membuktikan bahwa semakin besar diameter mikrofon maka batas frekuensi maksimal akan semakin kecil sehingga rentang frekuensi akan semakin kecil.Jarak spasi yang lebar antar mikrofon dapat mempertinggi akurasi pengukuran. Tetapi, ada dua syarat untuk jarak spasi yang disarankan dalam metode ini yaitu :

(16) (17)dimana : = jarak spasi mikrofon (m). = jarak maksimal spasi mikrofon (m).

6.) Penguat Sinyal MikrofonPenguat sinyal mikrofon digunakan untuk menguatkan sinyal yang ditangkap mikrofon agar dapat diterima oleh kartu bunyi pada komputer. Penguat sinyal mikrofon yang digunakan harus mempunyai nilai bati tegangan yang tinggi dan tanggapan frekuensinya harus lebar agar dapat mencakup frekuensi yang diinginkan pada pengukuran menggunakan tabung impedansi.

7.) Penguat DayaPenguat daya digunakan untuk memperkuat isyarat yang dibangkitkan dari komputer ke penyuara. Isyarat yang dibangkitkan dari komputer akan disalurkan melewati kartu bunyi. Tetapi, karena daya keluaran dari kartu bunyi tidak cukup untuk menggerakkan membran penyuara maka diperlukan penguat daya yang memiliki bati tegangan yang cukup dan tanggapan frekuensi yang lebar.

8.) Sensor Suhu dan Tekanan UdaraSuhu dan tekanan udara mempengaruhi proses pengukuran pada metode ini. Suhu dan tekanan udara pada tabung akan mempengaruhi kecepatan bunyi dan kerapatan udara pada tabung. Hal tersebut dibuktikan dengan persamaan : (18) (19)dimana : kecepatan bunyi (m/s). kerapatan udara (kg/m3). suhu udara (C). tekanan udara (Pa).

3.2 Gambaran Cara Kerja AlatSistem kerja perangkat yang akan dibuat tersusun seperti gambar di bawah ini : Gambar 2. Sistem pengukuran karakteristik bahan akustik dengan metode empat mikrofon.Bahan uji yang akan diukur diletakkan di tengah tabung dan diberi pemegang agar bahan dapat berdiri tegar. Kemudian, terminasi tabung diberi dua macam bahan. Terminasi bahan yang pertama adalah bahan bersifat anechoic berbentuk wedge atau piramida. Sedangkan terminasi kedua yaitu menggunakan bahan yang sangat keras seperti besi. Kedua terminasi tersebut diperlukan apabila menggunakan metode dua beban. Namun, apabila bahan yang diukur memiliki bentuk simetris maka metode satu beban dapat digunakan yaitu dengan menggunakan terminasi yang bersifat anechoic. Pembangkit sinyal akan menghasilkan sinyal acak seperti derau putih atau sweep sine yang mempunyai spektrum frekuensi yang datar di semua frekuensi. Sinyal tersebut dikeluarkan melalui kartu bunyi pada komputer dan dikuatkan oleh penguat daya. Kemudian, sinyal tersebut dikirim ke penyuara sehingga menghasilkan bunyi. Bunyi sinyal acak yang dikeluarkan penyuara akan berubah menjadi gelombang bidang dalam tabung. Kemudian, bunyi tersebut akan ditangkap oleh masing-masing mikrofon pada tabung. Sinyal yang diterima masing-masing mikrofon akan diolah sistem analisa frekuensi menggunakan perangkat lunak Matlab. Hasil olahan sistem tersebut menunjukkan karakteristik akustik bahan yang diuji.

IV. Spesifikasi AlatBerikut ini adalah spesifikasi alat yang ingin diwujudkan oleh penulis1. Dapat mengukur karakteristik bahan akustik seperti koefisien serapan, kehilangan transmisi, karakteristik impedansi, dan propagasi bilangan gelombang dari bahan yang diuji dengan rentang frekuensi 100 -8000 Hz.2. Dilengkapi sensor suhu dan udara yang memiliki ralat 0,1 C dan 0,5 kPa.3. Perangkat lunak yang dibuat di Matlab dapat digunakan oleh orang awam.

V. Tahapan KerjaBerikut ini adalah tahapan kerja dari usulan skripsi ini1. Membahas dan mempelajari teori penggunaan dari bakuan standar ASTM E2611-09 yang merupakan metode utama dalam perancangan ini. 2. Menentukan spesifikasi mikrofon dan tabung impedansi yang diinginkan seperti panjang tabung dan mikrofon, diameter tabung dan mikrofon, terminasi tabung, jarak mikrofon dan sebagainya.3. Menentukan spesifikasi penyuara, penguat daya, dan penguat sinyal mikrofon, serta sensor suhu dan tekanan udara.4. Melakukan perancangan tabung impedansi dan mikrofon.5. Melakukan pengujian tanggapan frekuensi penyuara, penguat sinyal mikrofon, dan penguat daya.6. Melakukan perancangan akhir perangkat keras.7. Melakukan pengujian perangkat keras.8. Menyusun dan menyelesaikan penulisan skripsi.

VI. Jadwal Kerja Bulan ke-Kegiatan123456789

1**

2**

3*

4**

5*

6**

7**

8*********

VII. Evaluasi6.1 Kriteria KeberhasilanSkripsi yang dilakukan dikatakan berhasil jika memenuhi kriteria berikut1. Dapat merealisasikan alat yang dirancang.2. Dapat memenuhi spesifikasi alat yang telah ditentukan.3. Dapat menjelaskan secara ilmiah apabila ada spesifikasi alat yang tidak terpenuhi.

6.2 Usulan PembibingUntuk menyelesaikan skripsi ini diusulkan pembibing yang akan membantu penyusunan skripsi ini yaitu sebagai berikut:1. Nama : Dr. Matias H. W. BudhianthoSebagai : Pembimbing I2. Nama : Gunawan D, M.Sc.EngSebagai : Pembimbing II

VIII. Daftar Pustaka Sementara[1]K. Jason, Y. Taewook, H. Kang, dan E. Jan, A Comparison of Two and Four Microphone Standing Wave Tube Procedures for Estimating the Normal Incidence Absorption Coefficient, Kanada : Inter-Noise, Agustus, 2009. [2]ASTM International, Standard Test Method for Measurements of Normal Incidence Sound Transmission of Acoustical Material Based on The Transfer Matrix Method, Amerika Serikat : ASTM International, Maret, 2009. [3]B. J. Stuart, Y. Taewook, dan O. Oliviero, Measurement of Normal Incidence Transmission Loss and Other Acoustical Properties of Materials Placed in Standing Wave Tube, Amerika Serikat : B&K Sound and Vibration Measurement, 2007.[4]H. F. Rince, Perangkat Pengukur Karakteristik Sifat-Sifat Akustik Bahan Menggunakan Metode Tabung Dua Mikropon dengan Masukan Isyarat Acak (Bagian Perangkat Keras), Salatiga : Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana, 2008.