pengukuran sinyal akustik untuk mendeteksi sumber … · dibuat sebuah analisa dalam aplikasi...
TRANSCRIPT
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)