dasar-dasar akustik

40
DASAR-DASAR AKUSTIK R. Triyogo Atmodipoero Rizki Armanto 2016 TL-222 - Bising

Upload: rizkiam2002

Post on 07-Jul-2016

254 views

Category:

Documents


10 download

DESCRIPTION

Dasar-dasar Akustik/ Fundamental of Acoustics

TRANSCRIPT

Page 1: Dasar-dasar Akustik

DASAR-DASAR AKUSTIK

R. Triyogo AtmodipoeroRizki Armanto

2016

TL-222 - Bising

Page 2: Dasar-dasar Akustik

2

Akustik Akustik: ilmu yang mempelajari pembangkitan,

perambatan, pengendalian, penerimaan, serta efek dari suara.

Page 3: Dasar-dasar Akustik

3

Suara Suara pada prinsipnya adalah energi yang

merambat dalam bentuk gelombang mekanik. Energi suara yang merambat dalam suatu

medium memberikan variasi terhadap tekanan medium tersebut, besarnya variasi tekanan tersebut didefinisikan sebagai tekanan suara (P).

Page 4: Dasar-dasar Akustik

Unsur Suara

4

Sumber Getar/Suara

Medium Penghantar Getaran

Penerima

Unsur-unsur pembentuk suara: sumber, medium, penerima.

Page 5: Dasar-dasar Akustik

Gelombang Suara

5

Gelombang suara timbul akibat adanya gangguan pada partikel-partikel medium penghantar suara.

Gelombang secara umum terdiri dari dua jenis: Transversal: arah gerak partikel tegak lurus arah

rambatan gelombang Longitudinal: arah gerak partikel searah dengan

rambatan gelombangcahaya, UV,

IR, gel. radio

suara

Page 6: Dasar-dasar Akustik

6

Karakteristik Suara Komponen dasar dari suara ialah:

▪ Frekuensi (f, dalam Hz)▪ Panjang gelombang (λ, dalam m)▪ Amplitudo (P, dalam Pa)

Frekuensi suara yang dapat dirasakan oleh manusia berada pada rentang 20 ~ 20000 Hz.

Page 7: Dasar-dasar Akustik

7

Frekuensi Suara Untuk mendapatkan spektrum frekuensi sumber

suara, dilakukan pengukuran dengan filter 1/1 atau 1/3 oktaf.

Frekuensi tengah untuk filter 1/1 oktaf:

fn / f(n – 1) = 2

Frekuensi tengah untuk filter 1/3 oktaf:

fn / f(n – 1) = 21/3 ≈ 1,26

f(n-5) f(n-4) f(n-3) f(n-2) f(n-1) f(n) f(n+1) f(n+2) f(n+3) f(n+4)31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

f(n-5) f(n-4) f(n-3) f(n-2) f(n-1) f(n) f(n+1) f(n+2) f(n+3) f(n+4)… 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500

Page 8: Dasar-dasar Akustik

8

Frekuensi Suara Frekuensi tengah dan nada pada musik

diatonis (filter 1/12 oktaf):

fn / f(n – 1) = 21/12 ≈ 1,06

Nada

C4 C#4

D4 D#4

E4 F4 F#4

G4 G#4

A4 A#4

B4 C5

Frek.

262

278

294

312

330

350

371

393

416

440

467

495

524

f ~ 1/L f ~ √T/μ

f : frekuensiL : panjang senar/taliT : tegangan senar/taliμ : massa jenis senar/tali

Page 9: Dasar-dasar Akustik

9

Problem 1.1:Nada C4 pada piano memiliki frekuensi 262 Hz, sedang-kan nada A4 memiliki frekuensi 440 Hz. Panjang dawai A ialah 64% panjang dawai C. Tentukan: dua frekuensi harmonik berikutnya dari nada C4; serta rasio tegangan dawai A terhadap dawai C!

Solusi:Nada C4: f1 = 262 Hz f2 = 2f1 = 524 Hz (nada C5) ; f3 = 3f1 = 786 Hz (nada G5) .Jika densitas tiap dawai dianggap sama, maka:

= = = (0,64)2 = 1,16

fA LC TA 100 TA TA 440 2

fC LA TC 64 TC TC 262

Frekuensi Suara

Page 10: Dasar-dasar Akustik

2000 Hz

250 Hz

500 Hz

1000 Hz

4000 Hz

8000 Hz

White noise (20 Hz – 20 kHz)

Pink noise (20 Hz – 20 kHz)

Nada tunggal

10Sweep 20 Hz – 20 kHz

Broadband

Frekuensi Suara

Page 11: Dasar-dasar Akustik

11

Frekuensi Suara Contoh tipikal

spektrum frekuensi sumber suara:

Page 12: Dasar-dasar Akustik

Kecepatan Suara Kecepatan rambat

gelombang suara di medium gas:

Kecepatan rambat gelombang suara di medium cair:

Kecepatan rambat gelombang suara di medium padat:

γ : indeks adiabatis = CP/CV

K : modulus bulkE : modulus Young

t = 0

t = T/2

t = T

t = 3T/2

t = 2T

t = 5T/2

t = 3T

1 panjang gelombang

Pc

Kc

Ec

12

Page 13: Dasar-dasar Akustik

13

Contoh: Kecepatan suara dalam tembaga (modulus Young = 14 × 1010 N/m2, densitas = 8920 kg/m3)cdlm tembaga = √(14 × 1010 N/m2)/(8920 kg/m3) = 3960 m/s

Kecepatan suara dalam air (modulus bulk = 2,1 × 109 N/m2, densitas = 1000 kg/m3): cdlm air = √(2,1 × 109 N/m2)/(1000 kg/m3) = 1400 m/s

Kecepatan Suara

Page 14: Dasar-dasar Akustik

pemampatanperengganga

n

Kerapatan molekul udara

(medium) selama

propagasi gelombang

Tekanan udara min. ketika terjadi perenggangan

Tekanan udara dalam kondisi seimbang

Tekanan udara maks. ketika terjadi pemampatan

fc

Tf 1

Panjang Gelombang Suara

pemampatanperengganga

n

14

Page 15: Dasar-dasar Akustik

15

Superposisi Gelombang Superposisi: dua atau lebih

gelombang yang saling bertemu akan menghasilkan resultan berupa jumlah aljabar dari setiap gelombang.

Interferensi: superposisi dari gelombang dalam rentang ruang yang sama; dapat bersifat konstruktif atau destruktif.

Page 16: Dasar-dasar Akustik

16

Gelombang Berdiri Superposisi dari dua gelombang dengan

amplitudo dan panjang gelombang yang sama:y(x, t) = y1(x, t) + y2(x, t) = A sin (kx – ωt) + A sin (kx + ωt) y(x, t) = (2A sin kx) cos ωt

Perpindahan minimum terjadi pada titik-titik simpul:sin kx = 0x = nλ/2 ; n = 0, 1, 2, 3, …

Perpindahan maksimum terjadi pada titik-titik perut: sin kx = 1x = nλ/4 ; n = 1, 3, 5, 7, …

Page 17: Dasar-dasar Akustik

17

Harmonik Gelombang Berdiri Pada gelombang tali

yang kedua ujungnya tetap, gelombang berdiri hanya akan terjadi pada frekuensi-frekuensi tertentu (harmonik).L = nλ/2 λ = 2L/n fn = n

= ; n = 1, 2, 3, 4, …

c

2L

n T

2L μ

Page 18: Dasar-dasar Akustik

18

Pipa Organa Gelombang berdiri dari suara

dapat terjadi pada kolom udara (pipa organa) yang terbuka atau tertutup.

Pada pipa organa terbuka:fn = n ; n = 1, 2, 3, 4, …

Pada pipa organa tertutup:fn = n ; n = 1, 3, 5, 7, …

c

2L

c

4L

Page 19: Dasar-dasar Akustik

19

Problem 1.2:Suatu garpu digetarkan di dekat suatu kolom udara yang dicelupkan sebagian ke dalam air. Jika tinggi minimal kolom udara ialah L = 10,0 cm, tentukan frekuensi garpu tala; serta harga L yang menghasilkan dua frekuensi resonansi berikutnya!

Solusi:Kolom udara dapat dianggap sebagai pipa organa tertutup.Frekuensi garpu tala: f1 = c / 4L = (343 m/s)/(4 × 0,100 m) = 858 Hz

Panjang gelombang: λ = 4L = 0,400 mResonansi berikutnya terjadi ketika:L = 3λ/4 = 0,300 m dan L = 5λ/4 = 0,500 m

Pipa Organa

Page 20: Dasar-dasar Akustik

20

Pelayangan Dua gelombang suara

yang berfrekuensi hampir sama dapat berinterferensi dan menghasilkan fenomena pelayangan.

y = [2A cos 2π ½ (f1 – f2)t] cos 2π ½ (f1 + f2)t Frekuensi rata-rata : fav = ½ (f1 + f2) Frekuensi pelayangan yang terdengar : fb =|f1 –

f2| Contoh: Jika suatu garpu tala 438 Hz dibunyikan

bersamaan dengan suatu garpu tala 442 Hz, maka akan terdengar kombinasi suara berfrekuensi 440 Hz yang intensitasnya naik dan turun sebanyak 4 kali dalam setiap detik (4 Hz).

Page 21: Dasar-dasar Akustik

21

Efek Doppler Frekuensi suara yang terdengar oleh penerima (f ’)

akan bertambah atau berkurang dari frekuensi sumber suara (f), tergantung dari kecepatan gerak keduanya.

Frekuensi suara yang terdengar oleh penerima :f ’ = f ; c ≈ 343 m/s

Contoh: sebuah ambulans membunyikan sirine berfrekuensi 400 Hz, bergerak dengan kecepatan 33 m/s. Jika seorang pengendara sepeda bergerak dengan kecepatan 10 m/s pada arah sebaliknya:

Mendekati ambulans: f ’ = (400 Hz) = 455 Hz

Menjauhi ambulans: f ’ = (400 Hz) = 354 Hz

c ± vP

c vS

343 + 10

343 – 33

343 – 10

343 + 33

Page 22: Dasar-dasar Akustik

S3’

SS1’

S2’

P

Dinding ruangan memantulkan suara

Titik penerima

Komponen suara

langsung

Komponen suara pantul

Bayangan sumber

Suara Langsung dan Suara Pantul

22

Bayangan sumber

Bayangan sumber

Sumber

Page 23: Dasar-dasar Akustik

Suara Langsung dan Suara Dengung

23

Page 24: Dasar-dasar Akustik

Suara Langsung dan Suara Dengung

24

Ketidakmerataan

Bayangan suara Pemfokusan

Page 25: Dasar-dasar Akustik

Waktu Dengung

25

Waktu yang diperlukan suara untuk meluruh sebesar 60 dB sejak sumber suara dimatikan.

Semakin keras permukaan dalam ruangan, semakin besar waktu dengungnya.

RT60 = 0,161 V / Sα V : volume total ruangan S : luas total permukaan

ruangan α : koefisien absorpsi rata-rata

dalam ruangan

Page 26: Dasar-dasar Akustik

Waktu Dengung

26

Semakin besar volume suatu ruangan, semakin besar waktu dengung optimum yang diperlukan.

Dengung yang optimum akan menambah kekuatan/ kejelasan suara.

Dengung ≠ gema.

Page 27: Dasar-dasar Akustik

Pemantulan Suara – Gema

27

Gema timbul akibat pemantulan suara pada permukaan keras yang cukup jauh sehingga pantulan suara sampai kembali ke telinga pendengar dalam waktu td ≥ 1/10 s.

Pada medium udara: smin = c × td,min /2

= 343 m/s × 0,05 s = 17,2 m

c : kecepatan suara pada medium udara

Page 28: Dasar-dasar Akustik

Pemantulan Suara – Sonar

28

Bayangan sumber

Sumber

Pemantulan suara dapat digunakan untuk menentukan jarak (s), dengan mengetahui waktu tempuh suara dari transmiter ke penerima (td)

s = c × tr/2 c : kecepatan suara

pada medium (air)

s

td

Page 29: Dasar-dasar Akustik

Energi suara datang pada permukaan bahan porus

Ilustrasi penyerapan (absorpsi) energi suara oleh bahan porus

Energi suara datang pada permukaan bahan berserat

Ilustrasi penyerapan (absorpsi) energi suara oleh bahan berserat

Penyerapan Suara

29

Page 30: Dasar-dasar Akustik

Suara datang

Suara pantul

Suara transmisi

Suara diserap

30

Transmisi Suara

Wi

Wρ + Wα + Wτ = Wi

ρ + α + τ = 1

ρ = Wρ /Wi

α = Wα /Wi

τ = Wτ

/Wi

Page 32: Dasar-dasar Akustik

32

Difraksi Suara Pembelokan energi

suara akibat menumbuk suatu permukaan keras, terutama terjadi pada frekuensi rendah.

Page 33: Dasar-dasar Akustik

33

Daya Suara Daya suara: laju energi suara yang

dipancarkan suatu sumber, dinyatakan dengan Watt.

Jumlah daya suara yang “mengalir” melalui suatu luasan tertentu: intensitas suara.

Daya suara ini mengalir sebagai gelombang perubahan tekanan: tekanan suara.

Daya suara percakapan normal: 25 – 50 μW → dibutuhkan waktu ± 1 hari penuh suara “musik keras” untuk mendidihkan 1 kg air bertemperatur 20oC).

W

Page 34: Dasar-dasar Akustik

34

Tekanan dan Intensitas Suara Tekanan suara dinyatakan dengan Pascal (N/m2) Prms = ∫ P2 (t) dt

Intensitas suara dinyatakan dengan W/m2

I = P2 / ρc = W / A I1 r2

2

I2 r12

1T 0

T2

r1r2

I1

A1

I2

A2

=W

W 4πr2

2I2 =

W 4πr1

2I1 =

Page 35: Dasar-dasar Akustik

35

Tekanan dan Intensitas Suara Intensitas suara tergantung dari karakteristik

medium I = P2 / ρc ρ : kepadatan medium (ρudara ≈ 1,2 kg/m3) c : kecepatan suara (cudara ≈ 343 m/s) ρc : impedansi karakteristik medium

(ρcudara ≈ 415 Rayl atau Pa∙s/m)

Page 36: Dasar-dasar Akustik

Permukaan bola (sumber

titik pada posisi bebas)

Permukaan 1/2 bola

(sumber titik di atas permukaan

keras)

Permukaan 1/4 bola (sumber titik

pada garis pertemuan dua

permukaan keras)

Permukaan 1/8 bola (sumber titik

di sudut pertemuan tiga

permukaan keras)

24 rIW 22 rIW 2rIW 2

2rIW

QrIW

24 Q = faktor arah (= 1, 2, 4, atau 8)

Faktor Arah

36

Page 37: Dasar-dasar Akustik

37

Tingkat Tekanan Suara Tekanan suara umumnya

lebih praktis untuk dinyata-kan dalam skala logaritmis(decibel).Lp = 10 log

Pref = 2 × 10–5 Pa

Prms

Pref2

2

Page 38: Dasar-dasar Akustik

Tingkat Intensitas dan Tingkat Daya Tingkat intensitas suara

Untuk kondisi standar: ρc ≈ 415 rayl LI ≈ LP

Tingkat daya suara

]dB[ log 10 ref

I IIL

[dB] log 10 00

ccLL PI

[dB] log10 ref

W WWL

38

; Iref = 10–12 W/m2

; Wref = 10–12 W

; ρ0c0 = 400 rayl

Page 39: Dasar-dasar Akustik

39

Penjumlahan Tingkat Tekanan Suara Metoda intensitas

r1

r2

r3

Lp1 = 60 dB

Lp2 = 60

dB

Lp3 = 60

dB

Lp total = 10 log (10Lp1/10 + 10Lp2/10 + 10Lp3/10)Lp total = 10 log (1060/10 + 1060/10 + 1060/10) = 65 dB

Page 40: Dasar-dasar Akustik

40

Penjumlahan Tingkat Tekanan Suara

Nilai yang ditambahkan pada Lp yang lebih besar

Beda nilai dB antara dua Lp yang akan dijumlahkan0 5 10 15 20

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.1 0.05

Metoda nomogram

ditambahkan : 1,2 dB

75 dB 80 dBSelisih = 5

dB

Total = 81,2 dB

Contoh: