1
PENGENDALI KEBISINGAN DENGAN METODE ACTIVE NOISE CONTROL
UNTUK FREKUENSI TUNGGAL BERBASIS ELEKTROMEKANIS
Kelik Yan Pradana1, Nur Aji Wibowo1,2, Adita Sutresno1,2,*, 1
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika 2
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Matematika Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga 50711, Jawa Tengah - Indonesia *
E-mailadita@staff.uksw.edu
Abstrak
Telah dilakukan penelitian alat pengendali kebisingan dengan metode active noise control (ANC) berbasis elektromekanis. Alatyang terdiri dari kotak noise berisi microphone sensor noise, microphone hasil, speaker noise, dan speaker anti noise mampu mengurangi kebisingan untuk noise dengan frekuensi tunggal. Konsep dasar ANC adalah proses eliminasi noise primer dengan anti noise (interferensi destruktif). Dalam alat ini terdapat sistem kontrol yang berisi pre-amp penguat microphonedan pre-amp penggeser fasa. Pre-amp ini digunakan untuk mengolah sinyal yang diterima oleh microphone sensor noise menjadi sinyal anti noise yang dikeluarkan pada speaker anti noise. Pengambilan datadilakukan dengan cara merekam menggunakan VIRTINS multi-instrument. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa alat ini mampu mengurangi noise maksimal sebesar 7 desibel untuk noisefrekuensi tunggal pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz.
Kata kunci:active noise control, noise, daninterferensi destruktif
1.
PENDAHULUAN
Kemajuan teknologi tidak lepas dari masalah kebisingan. Pada masa sekarang ini, semakin banyak peralatan yang digunakan manusia seperti motor, generator, dan mesin-mesin lainya menghasilkan suara-suara bising yang mengganggu. Selain hal tersebut kebisingan dapat disebabkan karena meningkatnya jumlah penduduk yang mengakibatkan meningkatnya tingkat kebisingan lingkungan, penggunaan bahan material pembangunan gedung-gedung dan perangkat transportasi yang semakin ringan menjadikan transfer noise yang semakin mudah. Masalah kebisingan merupakan masalah yang perlu diperhatikan untuk kenyamanan lingkungan.
Dalam hal ini sangat diperlukan seperangkat alat yang dapat meredam kebisingan- kebisingan (noise) tersebut. Seiring berkembangnya teknologi telah dikembangkan sebuah perangkat yang mampu meredam ataupun mengeliminasi noise. Terdapat dua pendekatan dalam mengendalikan kebisingan yaitu pasif noise control dan active noise control1.
2
mampu menutupi kekurangan-kekurangan yang dimiliki oleh pasif noise control. Konsep dasar dari active noise control (ANC) adalah proses eliminasi atau penghapusan noise primer (noise yang tidak dikehendaki) dengan anti noise yang menjadikan noise residu akan mendekati nol dengan prinsip interferensi destruktif.
Penelitian ini bertujuan merancangalat pengendali kebisingan yang dapat diterapkan pada noise dengan frekuensi tunggal. Sedangkan batasan masalah dari eksperimen ini antara lain penggunaan kotak dengan ukuran 0,85 × 0,25 × 0,20 m3 dilapisi karpet dengan tebal 0,5 cm yang berisi sinyal noise dan anti noise, penggunaan hardware sebagai sistem control active noise control, sumber dari sinyal noise adalah noise dengan frekuensi tunggalpada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz dengan karakteristik frekuensi 1/3oktaf yaitu 100 Hz, 125Hz, 160Hz, 200Hz, 250Hz, 315Hz, 400Hz, 500Hz, 630Hz, 800 Hz, dan 1000Hz.
2.
Tinjauan Pustaka
2.1.Gelombang Bunyi
Gelombang bunyi adalah gelombang mekanis longitudinal. Gelombang bunyi dapat merambat melaluli zat padat, zat cair dan zat gas. Partikel-partikel bahan yang mentransmisikan sebuah gelombang bunyi berosilasi di arah penjalaran gelombang itu sendiri. Gelombang mekanis longitudinal menghasilkan suatu jangkauan frekuensi yang besar. Gelombang mekanis longitudinal terdapat beberapa rentang frekuensi yaitu infrasonik (<20 Hz),audiosonik(20Hz-20.000Hz), dan ultrasonik (>20.000Hz)2. Pada gelombang bunyi dibatasi oleh jangkauan frekuensi yang dapat merangsang telinga dan otak manusia kepada sensasi pendengaran, gelombang ini adalah gelombang audiosonik.
Derau atau yang biasa disebut noise adalah suatu sinyal yang bersifat akustik (suara), elektris, maupun elektronis yang hadir dalam suatu sistem (rangkaian listrik/elektronika) dalam bentuk gangguan yang bukan merupakan sinyal yang diinginkan.Ada beberapa jenis kebisingan berdasarkan spektrumnya, diantaranya White noise, Pinknoise, Brown(ian) noise, Blue noise, Violet noise, dan Miscellanea6.
Dalam penelitian ini untuk mempermudah dalam analisa data bilangan yang menggambarkan kuat lemahnya bunyi adalah desibel. Skala Penguatan dB (Desibel) merupakan perbandingan nilai-nilai yang berbeda dari daya, tegangan dan arus. Hal ini dikarenakan penggunaan bilangan desibel lebih sesuai dengan dampaknya pada karakteristik telinga manusia bila nada-nada atau suara pada pengeras suara, selain itu dengan nilai desibel akan memperjelas dalam pengolahan data.Untuk nilai perbandingan tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut8 :
sama dengan satu (output = input).
3 2.2.Active Noise Control
Prinsip dasar active noise control yaitu mempertemukan dua buah gelombang yang berbeda fasa tetapi memiliki nilai amplitudo yang sama. Pertama kali ditemukan oleh Paul Lueg dan telah dipatenkan pada tahun 1936. Kendali derau aktif teraplikasi pada sistem elektro-akustik atau elektro-mekanik yang menghilangkan derau primer (derau yang tidak diinginkan) berdasarkan prinsip interferensi destruktif. Efektifitas ANC sangat tergantung dari besarnya amplitudo dan fasa dari anti noise. Konsep dasar ANC ditunjukkan pada Gambar 1 1.
Gambar 1. Prinsip Penghapusan noise
Penurunan noise dengan pendekatan active noise control merupakan sistem akustik elektrik menggunakan konsep interferensi destruktif gelombang. Sistem kerja ANC yaitu menangkap noise da e u ulka suara lai ya g erupaka anti noise . Anti noise mempunyai amplitudo yang sama dengan sumber noise, namun anti noise mempuyai perbedaan fasa sekitar 180o sehingga gabungan dari kedua sumber suara tersebut akan mengakibatkan penurunan pada sumber noise utama.
Interferensi gelombang terjadi bila dua atau lebih gelombang bertumpang tindih dalam ruang yang sama. Gambaran sederhana dari efek interferensi: dua gelombang pada persamaan (2) dan persamaan (3)merupakan gelombang yang mempunyai frekuensi dan amplitudo sama yang berjalan dengan laju yang sama di dalam arah (+ x) tetapi e pu yai per edaa fasa φ7
Jika terjadi superposisi pada persamaan (2) dan (3) maka diperoleh resultan yang ditunjukkan persamaan (4) dan persamaan (5)
)]
4 2.3.Bunyi dalam Ruang Tertutup
Pada frekuensi rendah, penyebaran suara dalamruang tertutupdidominasioleh gelombangtegakdengankarakteristikfrekuensi tertentu. Jikasumbermenghasilkansuara diruang tertutup, maka suaraakan menyebardalamarahtiga dimensi. Dalam hal inigelombang suara akan mengalami efek pemantulan dan efekpenyerapanyang tergantungpada bahandan materialdariruang yang digunakan2.
Gambar 2. Feedfoward control
Sistem control yang digunakan dalam penelitian ini adalah feedfoward control.Gambar 2 menunjukkan bahwa dalam sistem feedfoward control terjadi delayakustik, dalam hal ini sistem control akan berperan dalam mengendalikan sinyal yang dikeluarkan pada sinyal anti noise. Dalam sistem control ini terdapat sensormicrophone sebagai penangkap sinyal yang akan masuk dalam sistem control ANC dan sinyal akan dikeluarkan ke speaker anti noise. Dengan perhitungan dan penempatan speaker anti noise yang benar sistem ini akan maksimal untuk mengurangi bunyi yang tidak diinginkan.
3.
METODE PENELITIAN
Desain rancangan alat pengendali kebisingan dengan metode active noise control berbasiselektromekanis adalah sebagai berikut:
3.1.Desain Sistem Mekanik
Rancangan alat seperti pada Gambar 3 terdiri dari kotaknoise dankotak kontrol sebagai tempat sistem kontrol. Dalam kotaknoise berisi sumber noise dan sound anti noise. Kotak ini terbuat dari kayu. Satu sisi dari kubus ini terbuka, ini merupakan sisi dari keluaran noise dan anti noise. Semua dari sisi noise kecuali sisi yang terbuka dilapisi oleh karpet. Sumber noise pada kotak berasal dari noise yang menyerupai suara generator dengan pola periodik. Noise ini akan dikeluarkan oleh audio generator dan sound berupa noisedengan frekuensi tunggal.
5
Input
Pre amp
penguat
mic
Pre amp
penggeser
fasa
anti noise
3.2.Desain Sistem Kontrol
Sistem Kontrol yang terdapat dalam kotak kontrol terdiri dari beberapa jenis pre-amp antara lain pre-amp penguat microphonedan pre-amp penggeser fasa. Sistem Kontrol ini akan mengolah sinyal analog dari yang ditangkap oleh microphone dan menghasilkan sinyal keluaran dengan amplitudo yang sama namun mempunyai perbedaan fasa sekitar 180o. Sinyal yang diterima microphone akan sangat kecil sehingga dibutuhkan sinyal penguat microphone. Setelah sinyal diterima dari microphone maka sinyal akan melewati pre-amp penggeser fasa. Dalam proses ini sinyal digeser sehingga sinyal noiseakan berbeda fasa 1800dengansinyal anti noise. Skema rangkaian kotak kontrol seperti pada Gambar 4.
Hardware yang digunakan sebagai sistem kontrol adalah rangkaian operational amplifier. Terdapat 2 channel rangkaian pre-amp penguat microphone. Rangkaian pre-amp ini digunakan untuk menguatkan sinyal yang ditangkap oleh microphone sebagai sensor penangkap noise. Selain itu, Pre-amp penggeser fasa yang digunakan untuk memunculkan sinyal dengan fasa yang berbeda 1800 dari sinyal input. Pre-amp ini mampu untuk menyesuaikan sinyal anti noisemeskipun sinyal noise yang masuk mengalami delay. Pre-amp penggeser fasa ini akan memaksimalkan interferensi dekstruktif dan menghasilkan sinyal outputnya berbalik fasa 180odari sinyal input.
3.3.Proses Pengambilan Data.
Proses pengambilan data pada pengukuran besarnya pengurangan desibel ini menggunakan aplikasi VIRTINS Multi-Instrument.Input dari microphone 1 yang masuk pada kotak kontrol akan diolah dan dikeluarkan pada speaker anti noise, kemudianmicrophone hasil diletakkan pada ujung kotak yang terbuka. Microphone ini sangatsensitif dan data yang diterima dapat direkam langsung menggunakan laptop dengan aplikasi VIRTINS Multi-Instrument.Langkah pertama yang dilakukan dalam rangkaian pengambilan data ini adalah pengambilan data noise tanpa treatmentanti noise. Kemudian dilanjutkan dengan pengambilan data untuk noise dengan treatmentanti noise. Data-data tersebutkemudian dibandingkan sehingga didapatkan data pengurangan noise.
4.
HASIL DAN ANALISA DATA
4.1.Data Sistem Mekanik-Akustik
Pengambilan data active noise control berlangsung didalam kotak noise. Pada sistem kontrol pada alat ini menggunakan 2 pre-amp yaitu pre-amp penguat microphone dan pre-amp penggeser fasa. Kalibrasi pre-amp penguat microphoneditunjukkan pada Gambar 5 dan pre-amp penggeser fasa ditunjukkan pada Gambar 6.
6
Gambar 5. Kalibrasi Pre-amp penguat microphone
Pre-amppenguat yang telah dibuat mampu menguatkan hingga 1000 kali penguatan. Gambar 5menunjukkan kalibrasi alat dengan penguatan sinyal yang diterima microphone sensor noise sebesar 93,3 kali.Besar penguatan yang dipilih didasarkan pada sinyal yang harus drkan oleh speaker anti noise mempunyai amplitudo yang sama dengan sinyal yang
Gambar 6. Kalibrasi Pre-amp penggeser fasa
Gambar 6 menunjukkan kalibrasi pre-amp penggeser fasa dimana pada posisi tersebut pengendali kebisingan active noise control mampu bekerja paling maksimal.Pada posisi tersebut sebagian besar sinyal noise dapat berkurang. Pre-amp Penggeser fasa ini yang membuat active noise control bersifat adaptif. Penggeser fasa akan mengatasi delayakustik-mekanikyang terjadi pada kotak.
4.2.Pengambilan Data Menggunakan VIRTINS Multi-Instrument
Data sinusoida yang didapatkan dari hasil pengukuran menggunakan VIRTINS multi-instrument ditunjukkan pada Gambar 7
Gambar 7. Sinyal noise 100 Hz dengan treatment anti noise
Gambar 7 menunjukkan sinyal noise dengan frekuensi 100 Hz. PadaGambar tersebut menunjukkan bahwa pada detik 1-5 sekon noise primer belum mendapat treatment anti noise. Nilai amplitudomaksimum sinyal noise tanpa treatmentsebesar 0,236 V. Sedangkan Pada detik 5-10 sekon menunjukkan bahwa noise sudah mendapatkan treatment anti noise sehingga mengalami penurunan amplitudo akibat terjadi interferensi gelombang. Besar amplitudo maksimum sinyal noise dengan treatment turun hingga 0,153 V.
Sinyal yang diterima mikropon
Sinyal penguatan
Sinyal yang diterima mikropon
7
Data yang diambil dari gambar tersebut adalah besarnya amplitudo yang berupa tegangan. Data tegangan yang ada kemudian dikonversi dalam bentuk desibel untuk mempermudah analisa data dengan menggunakan persamaan (1).Pengambilan data sinyal noise dengan treatment anti noise dilakukan dengan dua tahap, tahap yang pertama yaitu pengambilan data sinyal noise dengan treatment anti noisedengan titik penggeser fasa tetap. Tahap yang kedua pengambilan data sinyal noise dengan treatment anti noise untuk memperoleh data penurunan noise paling maksimal.
4.2.1 Data pengurangan noise dengan penggeser fasa tetap pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Tabel 1. Pengurangan noise dengan teknik pengambilan data menggunakan aplikasi VIRTINS Multi-Instrument dengan penggeser fasa tetap pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Keterangan:
1. Pada noise tanpa treatment anti noise dan noise dengan treatment anti noisesatuan
yang digunakan desibel (dB) nilai perbandingan tegangan dengan tegangan referensi 1
Volt
, dimana V2adalahnilai
2. Nilai pengurangan noise didapat dari
tegangannoise dengan treatment anti noise dan V1adalah nilai tegangannoise tanpa
treatment anti noise.
Frekuensi (Hz) Noise tanpa treatment anti noise (dB)
Noise dengan treatment
Anti noise (dB) Pengurangan Noise (dB)
100 -12,432 -16,318 -3,885
125 -15,650 -20,265 -4,614
160 -15,810 -20,175 -4,366
200 -15,650 -17,202 -1,552
250 -16,595 -18,273 -1,678
315 -14,128 -17,589 -3,460
400 -17,240 -17,849 -0,609
500 -14,027 -13,367 0,660
630 -14,475 -14,289 0,187
800 -16,743 -17,059 -0,316
1000 -18,359 -19,332 -0,973
1 2
log 20
8
Grafik 1. Perbandingan data tanpa anti noise (biru) dan menggunakan anti noise (merah)dengan penggeser fasa tetap pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Grafik 2. Pengurangan noise dengan dengan penggeser fasa tetap pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Data noise tanpa treatment anti noise dan noise dengan treatment anti noisepada Tabel 1 semua bernilai negatif. Hal ini dikarenakan tegangan referensi yang digunakan bernilai 1 volt, semua data amplitudo maksimal yang didapat besarnya lebih kecil dari 1 volt sehingga semua data akan bernilai negatif.
Dalam hal ini yang perlu diketahui adalah nilai pengurangan noise. Nilai ini didapatkan dari perbandingan nilai tegangan noisedisertaitreatment anti noise dan noise tanpa treatment anti noise. Jika nilai pengurangan noise bernilai negatif (-) menunjukkan bahwa besarnya noisedisertai treatment anti noise nilainya lebih kecil dibandingkan dengan noise tanpa treatment anti noise. Nilai negatif (-) menunjukkan penurunan noise. Sebaliknya jika nilai pengurangan noise bernilai positif (+) menunjukkan bahwa besarnya noise disertai treatment anti noise nilainya lebih besar dibandingkan dengan noise tanpa treatment anti noise.Nilai positif (+) menunjukkan kenaikan noise.
Pada Tabel 1 ditunjukkan bahwa terjadi penurunan noise pada frekuensi-frekuensi tertentu. Hanya pada frekuensi 500Hz dan 630Hz terjadi sebaliknya, yaitu kenaikan dari
9
sumber noise. Secara umum data yang diperoleh dari pemilihan anti noise dengan penggeser fasa tetap menunjukkan tingkat penurunan noise,
Dilihat dari Grafik 1 tidak ada pola tertentu yang terbentuk antara besarnya noise dengan besarnya frekuensi. Hal ini dikarenakan tiap frekuensi memiliki karakteristik yang berbeda. Sehingga dapat disimpulkan bahwa intensitas noise tidak tergantung pada besarnya frekuensi. Dari data berikut terjadi penurunan paling tinggi pada frekuensi 160 Hz. Pada frekuensi ini alat bekerja maksimal jika titik penggeser fasa ditetapkan seperti pada Gambar 6. Dari Grafik 2 pengurangan noise rentang frekuensi 160Hz dan 200Hz secara umum berkurang paling maksimal. Jika dilihat dari data tersebut pada titik penggeser fasa tetap yang ditentukan menunjukkan adanya interferensi dektruktif yang maksimal pada frekuensi 160Hz dan 200Hz.
Dari data yang diperoleh ada dua rentang frekuensi yang mengalami kenaikan tingkat noise yaitu pada frekuensi 500Hz dan 630Hz. Dapat disimpulkan bahwa pada saat titik penggeser fasa ditentukan pada satu titik saja dipastikan ada rentang frekuensi yang naik. Dalam hal ini dengan penggeser fasa yang tetap tidak semua sinyal noise akan mengalami interferensi destruktif. Tetapi sebaliknya yaitu interfrensi konstruktif pada frekuensi 500Hz dan 630Hz.
4.2.2 Data pengurangan noisemaksimal pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Tabel 2. Pengurangan noise maksimaldengan teknik pengambilan data menggunakan aplikasi VIRTINS Multi-Instrument pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Keterangan:
1. Pada noise tanpa treatment anti noise dan noise dengan treatment anti noise satuan
yang digunakan desibel (dB) nilai perbandingan tegangan dengan tegangan referensi 1
Volt
dimana V2adalah nilai
3. Nilai pengurangan noise didapat dari ,
noise dan V1adalah nilai
tegangannoise dengan treatment anti
tegangannoise tanpa treatment anti noise.
10
Grafik 4. Perbandingan data tanpa anti noise (biru) dan menggunakan anti noise (merah) untuk penurunan paling maksimal pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Grafik 5. Pengurangan noise maksimalpada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz
Pada Tabel 2 menunjukkan penurunan maksimal pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz. Data tersebut didapat dengan mencari dimana posisi fasa yang mendapakan noise dengan nilai paling minimal. Dari data tersebut menunjukkan bahwa alat ini mampu untuk mengurangi noise pada rentang frekuensi 100Hz-1000Hz. Dilihat dari Grafik 4 dan Grafik 5tidak terjadi kenaikan tingkat noise. Hal ini menunjukkan bahwa alat ini mampu untuk mengurangi noise dengan frekuensi tunggal.
11
Setiap rentang frekuensi yang berbeda akan mempunyai amplitudo yang berbeda. Pengaruh penggeser fasa untuk tiap frekuensi mempunyai karakteristik yang sama. Namun dalam hal ini delayakan terjadi pada sistem mekanik kotak. Dengan karakteristik tiap frekuensi yang berbedadan delay mekanik yang sama menyebabkan perbedaan pengurangan noise tiap frekuensi. Interferensi destruktif akan maksimal jika ada penyesuaian fasa. Dilihat dari Tabel 1 dan Tabel 2 yang mengalami perubahan hanya pada rentang frekuensi 315Hz, 500Hz, dan 600Hz. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pada frekuensi tersebut tidak terjadi periodik yang sama.
5. KESIMPULAN
Dari hasil perancangan dan pengukuran yang dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa alat pengendali kebisingan dengan metode active noise control berbasis elektromekanis telah berhasil dibuat. Alat ini mampu mengurangi noise dengan frekuensi tunggal pada rentang frekuensi 100 – 1000 Hz, dan paling efektif bekerja pada rentang frekuensi 100 – 500 Hz dengan kemampuan pengurangan noise mencapai 7 desibel.
6. REFERENSI
[1] Bambang Riyanto, H∞ Esti atio Approa h to A tive Noise Co trol: Theory, Algorithm and Real-Ti e I ple e tatio , PROC. ITB Eng. Science Vol. 35 B, No. 2, 155-181, 2003.
[2] Matej,T., Svensek, D.,”Active noise control”, Univerza v ljubljani, Fakuteta za matematiko in fiziko, Seminar 2010/2011, 2010.
[3] Vi tor i ggus pasele, A tive Noise Co trol for Noise I side a E losure , Undergraduate Final Project Report Satya Wacana Christian University, salatiga. [4] Kastenhuber, K., A tive Noise Co trol ,Graz University of Technology, Austria. [5] Dewanto RA, Asep S., Aradea, A tive Noise Co trol u tuk Pereda a Ge erator
Listrik de ga Algorit a Neurofuzzy ,Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2005, Yogyakarta, ISBN: 979-756-061-6, 2005.
[6] Suyatno, Lea Prasetio, Fariz Farianto, Hu u ga A tara “pee h I telligi iity “uara
Wa ita da Ti gkat Teka a Bu yi Ba kgrou d Noise , Tugas Akhir TF-ITS, Surabaya.
[8] Halliday, D., Resnick, R., Fisika Jilid 1 , Penerbit Erlangga: Jakarta, 1985. [7] David, M., Pozar,”Microwave Engineering 3rd ed. ”, ISBN
978-0-471-44878-5.2005.
