INSTRUMENTASI
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
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
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
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. Shure Incorporated demonstrate this process in detail:
Condenser microphones
offer crisp, low-noise
sound and are used for
high-quality sound
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.
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 trasducing
element. 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
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
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
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.
