INSTRUMENTASI

Pipit Utami - 2017

Tujuan tatap muka

Memahami karakteristik mic dan contoh

penerapan mic sebagai sensor suara

Konsep instrumentasi?

Transduser?

Variabel proses?

Sensor

Aktuator?

Pengkondisi sinyal?

Akurasi, presisi, eror?

Gelombang suara: suara, frekeunsi audio, tekanan bunyi,

penyebaran bunyi, panjang gelombang, akuastik ruangan

Psikoakustik telinga manusia: anatomi dan fungsi telinga manusia,

ambang dengar dan batas sakit, kuat suara, hubungan dari sumber-

sumber bunyi, pendengaran secara ruangan

Suara yaitu suatu getaran yang dihasilkan oleh gesekan , pantulan

dan lain-lain, antara benda-banda.

Gelombang yaitu suatu getaran yang terdiri dari Amplitudo dan juga

waktu

Audio adalah suara atau bunyi yang dihasilkan oleh getaran suatu

benda, agar dapat tertangkap oleh telinga manusia getaran tersebut

harus kuat minimal 20 kali/detik.

Audio diartikan sebagai suara atau reproduksi suara. Sinyal audio

atau gelombang suara adalah gelombang yang dihasilkan dari

sebuah benda yang bergetar pada range frekuensi audio (dapat

didengar manusia). Telinga manusia dapat mendengar bunyi antara

20 Hz hingga 20 KHz (20.000Hz) sesuai batasan sinyal audio. Karena

pada dasarnya sinyal audio adalah sinyal yang dapat diterima oleh

telinga manusia. Angka 20 Hz sebagai frekuensi suara terendah yang

dapat didengar, sedangkan 20 KHz merupakan frekuensi tertinggi

yang dapat didengar.

Gelombang suara bervariasi sebagaimana variasi tekanan media perantara seperti udara. Suara diciptakan oleh getaran dari suatu obyek, yang menyebabkan udara disekitarnya bergetar. Getaran udara ini kemudian menyebabkan kendang telinga manusia bergetar, yang kemudian oleh otak di interpretasikan sebagai suara. Diilustrasikan pada gambar speaker menciptakan gelombang suara. Gelombang suara berjalan melalui udara kebanyakan dengan cara yang sama seperti perjalanan gelombang air melalui air. Dalam kenyataannya, karena gelombang air mudah untuk dilihat dan dipahami, ini sering digunakan sebagai analogi untuk mengilustrasikan bagaimana perambatan gelombang suara.

Perambatan Sinyal Audio (Gelombang Suara

Titik hitam pada gambar menunjukkan molekul udara. Sebagaimana getaran loudspeaker, menyebabkan molekul disekitarnya bergetar dalam pola tertentu ditunjukkan dengan bentuk gelombang. Getaran udara ini menyebabkan gendang telinga pendengar bergetar dengan pola yang sama.

Perambatan Sinyal Audio (Gelombang Suara

Setiap molekul udara berpindah pada jarak yang kecil sebagai getaran, namun mengakibatkan molekul yang bersebelahan bergetar semua terpengaruh berjalan sampai telinga. Semua gelombang pasti memiliki tiga sifat penting untuk kerja audio meliputi : panjang gelombang, amplitudo dan frekuensi. Gelombang suara dapat juga ditunjukkan dalam suatu grafik standar x versus y

Gambar terebut memungkinkan untuk memvisualisasi gelombang dengan sudut pandang

matematis, menghasilkan kurva yang dikenal sebagai bentuk gelombang.

Periode gelombang (T) : Jarak antar titik gelombang dan titik ekuivalen pada fasa berikutnya.

Amplitudo (V) : Kekuatan atau daya gelombang sinyal. Tinggi gelombang yang bisa dilihat

sebagai grafik. Gelombang yang lebih tinggi diinterpretasikan sebagai volume yang lebih tinggi,

sehingga dinamakan amplifier untuk perangkat yang menambah amplitudo.

Frekuensi (F) : Jumlah getaran yang terjadi dalam waktu satu detik. Diukur dalam hertz atau

siklus per detik. Getaran gelombang suara semakin cepat, frekuensi semakin tinggi. Frekuensi lebih

tinggi diinterpretasikan sebagai jalur lebih tinggi.

Gelombang suara ini merambat di udara, atau air, atau material lainnya. Satu-satunya

tempat dimana suara tak dapat merambat adalah ruangan hampa udara.

Audio Analog

Salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari suara atau audio disebut dengan akustika. Suara asli di alam merambat seperti gelombang dengan kecepatan 750 mph (pada tingkat laut). Suara gelombang ini bervariasi dalam tingkatan tekanan suara/amplitude (Tekanan suara diukur dalam satuan decibel (dB) ) dan dalam frekuensi atau pitch. Jumlah waktu yang diperlukan untuk terjadinya suatu getaran atau gelombang disebut Periode (T). Sedangkan jumlah gelombang yang terjadi setiap detik dinamakan frekuensi (f) dengan satuan m/dt (Hz).

Audio Digital

Saat ini computer sudah terintegrasi dengan perangkat yang dapat membangkitkan sinyal suara dengan sangat baik. Sinyal suara pada perangkat computer merupakan representasi suara di alam (suara sesungguhnya) yang disimpan dalam kode-kode digital computer.

Microphone as sensor

A microphone is an acoustic to electric transducer or sensor that detects sound signals and converts them into an electrical signal.

Most of the microphones employ light modulation, piezoelectric generation, capacitance change and electromagnetic induction to produce an electrical voltage signal from mechanical vibration.

Different types of microphones use varying methods to convert energy. However, all types include a diaphragm, which is a thin piece of material that vibrates when it is struck by sound waves. Vibration of the diaphragm causes surrounding components of the microphone to vibrate. Conversion of these vibrations is delivered as an audible signal. The two most commonly used microphones are the dynamic and the variable condenser microphones.

Dynamic Microphone

Dynamic microphones are operated based on electromagnetic induction. They are versatile and suitable for general-purpose use. In this type, soundwaves trigger the movement of a thin metallic diaphragm and the wire coil attached to it. A magnet within the microphone in turn produces a magnetic field around the coil, and the coil movement in this field enables the current to flow.

In this way, the dynamic microphones produce sound, only in the reverse direction. They have a simple design with less number of moving parts. They are relatively sturdy and resilient to rough handling. They are best-suited for handling high volume levels, such as amplifiers or musical instruments.

Dynamic microphones are

widely used in public

address, hi-fi, and

recording applications.

Condenser Microphone

Condenser microphones are operated based on the electrostatic field. They require power from a battery or an external source. The resulting audio signal is stronger than that of dynamic microphone. These microphones are sensitive and responsive than the dynamic microscope, which makes them more suitable for capturing subtle nuances in a sound.

A typical condenser microphone will include a capacitor having two plates with a voltage applied between them.

One of these plates tends to be very light and acts as the diaphragm. The diaphragm starts to vibrate when it is struck by sound waves. As a result, the distance between the two plates changes thereby changing the capacitance.

When the plates are close together when the capacitance increases, a electrical current is generated. When the plates are further apart, capacitance decreases and a discharge current is formed. A capacitor supplies the necessary voltage for the microphone. ShureIncorporated demonstrate this process in detail:

Condenser microphones

offer crisp, low-noise

sound and are used for

high-quality sound

recording.

electret

An electret microphone is a variation of the

condenser microphone (uses a permanently

charged plastic element (electret) placed in

parallel with a conductive metal backplate).

Electret microphones respond best to frequencies

within the lower-middle to high-frequency range-

they do not respond well to bass frequencies. For

this reason, they tend to be restriced to voice

communications.

One disadvantage of electret microphones is that

its performance decreases over the years; as time

passes, the charge on the electret is lost.

electret

Microphone Patterns

The directionality or polar patterns of the microphone denotes the sensitivity of microphone to sound arriving from different angles around its central axis.

Omnidirectional pattern –The omnidirectional microphones pick up the sound waves, regardless of its origin. They are convenient to use, and have good frequency response.

Bi-directional pattern – The bi-directional microphones process sound from the front and back of the trasducingelement. Most of ribbon microphones are of this pattern. These microphones, principally do not respond to sound pressure, but only to the change in pressure between front and back.

Cardoid pattern – This pattern is used for sound reinforcement or recording concerts where audience noise is a major problem. These microphones reject sounds from other directions and reduce pick-up from the side and rear, thereby avoiding feedback from the monitors.

Shotgun pattern – Shotgun microphones are highly directional, and have less sensitivity to the side and rear than other directional microphones. However, they are extremely sensitive along the main axis. They are restricted to the voice range as the frequency responses of these microphones are extremely poor.

Microphones: Frequency Response

The frequency response is the output level or sensitivity of a microphone over its operating range from lowest to highest frequencies. Generally two types exist:

Flat frequency response

All audible frequencies (20 Hz – 20 kHz) have the same output level. This is most suitable for applications where the sound source has to be reproduced without changing or “coloring” the original sound, e.g. for recording.

Tailored frequency response

A tailored response is usually

designed to enhance a sound

source in a particular

application. For instance, a

microphone may have a peak

in the 2 – 8 kHz range to

increase intelligibility for live

vocals.

Penerapan

Hearing aids

http://androsent-sleep.com/wp-content/uploads/2015/11/hearing-aid-works.jpg

http://www.hedgesspeechandhearing.com/uploads/8/5/8/7/8587546/8423470_orig.png

Telephones

Live and recorded audio engineering

Radio and television broadcasting

Speech recognition technology

Penugasan Kelompok

Rancanglah penerapan sensor suara pada:

1. Elektronika medis (11 dan 12)

2. Perikanan dan kelautan (9 dan 10)

3. Pertanian, peternakan dan kehutanan (7 dan 8)

4. Trasnportasi dan Lalu lintas (5 dan 6)

5. Smart home system (3 dan 4)

6. Telekomunikasi (1 dan 2)

Tugas dalam bentuk:

1. Penjelasan karakteristik

BP, S, PS, O

2. Blok diagram

3. Skema rangkaian

Penugasan Individu

Jelaskan pengkondisi sinyal yang dibutuhkan untuk perangkat

pengukur denyut nadi menggunakan sensor suara!

1. Besaran Proses:

2. Karakteristik Besaran Proses

3. Sensor:

4. Pengkondisi sinyal:

5. Penjelasan pemilihan jenis pengkondisi sinyal

6. Output: