KULIAH : PENGENDALIAN BISING – TF 7023 DASAR-DASAR AKUSTIK KULIAH : PENGENDALIAN BISING – TF 7023 I. B. Ardhana Putra PhD

Proses Mendengar

Pembentukan Suara + + - - Amplitudo (p) Periode (T) pemampatan Tekanan udara max ketika terjadi pemampatan + + Tekanan udara dalam kondisi seimbang - - Periode (T) Tekanan udara max ketika terjadi perenggangan pemampatan pemampatan perenggangan perenggangan

Variable Gelombang Suara Tekanan Suara : Penyimpangan tekanan atmosfir yang terjadi akibat adanya gelombang suara di udara. Diukur dalam satuan Pascal (Pa) Frekuensi : Jumlah osilasi (satu siklus perapatan dan perenggangan) yang terjadi pada partikel-partikel udara dalam setiap detik. Diukur dalam satuan Herzt (Hz) Kecepatan Rambat Gelombang : Perbandingan antara jarak tempuh gelombang dengan waktu yang diperlukannya untuk mencapai jarak tersebut dari sumber getar. Diukur dalam satuan meter/sekon (m/s)

Tekanan Suara RMS : Rata-rata Akar Kuadrat (Root Mean Square) : Digunakan untuk mendapatkan nilai rata-rata positif dari sinyal yang berosilasi Dimana : p(t) = tekanan akustik p = Amplitudo max. dari fungsi tekanan akustik Disederhanakan :

Intensitas Suara Merupakan kerapatan energi suara per satuan luas. Sumber dengan propagasi gelombang bidang (satu dimensi) : Sumber titik dengan propagasi gelombang bola : Bila : , maka : I = Intensitas suara  = massa jenis udara p = tekanan akustik c = kecepatan rambat gelombang suara r = jarak

Daya Suara Merupakan energi suara per satuan waktu yang dihasilkan oleh sumber suara. Sumber titik dengan propagasi gelombang bola : W = Daya suara S = Luas permukaan propagasi

Hubungan Daya dan Intensitas Suara Inverse Square Law r = jarak A = luas permukaan

Skala dB Skala logaritmis yang menunjukkan respons telinga manusia terhadap suara  tekanan suara selalu dibandingkan dengan tekanan referensi berupa Ambang Dengar (AD) pref = 2 x 10-5 N/m2 Iref = 10-12 watt/m2 Wref = 10-12 watt Skala logaritmis dianggap relevan karena : Rentang skalar besaran fisis yang dihitung p, I, W sangat lebar  rentang terbesar adalah rentang antara AD dan AS (Ambang Sakit)  pAS = 2 x 102 IAS = 102 watt/m2 WAS = 102 watt Respons telinga manusia juga logaritmis  untuk dB yang sama menghasilkan respons yang berbeda tergantung dari daerah tingkat tekanan suara yang terjadi  dB = 5 antara 60 dB dan 65 dB didengar tidak berbeda  dB = 5 antara 90 dB dan 95 dB didengar sangat berbeda

Besaran Akustik Tingkat Intensitas Akustik Untuk kondisi standar : LI = LP Tingkat Daya Akustik Tingkat Tekanan Suara

Faktor Arah dimana Q = faktor arah Permukaan bola (sumber titik pada posisi bebas) Permukaan 1/2 bola (sumber titik diatas 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) dimana Q = faktor arah

Untuk sumber dengan propagasi bola : Hubungan Tingkat tekanan Suara, Tingkat Intensitas, dan Tingkat Daya Suara Untuk sumber dengan propagasi bola : dan Pada pengukuran, besaran yang didapatkan adalah Lp  LW dihitung

Rangkaian Pembobot Kurva pembebanan linier Skala dB A : untuk bising lingkungan luar dan dalam bangunan Skala dB B : untuk tingkat bising yang lebih tinggi Skala dB C : untuk bising industri yang tinggi dari mesin Skala dB D : untuk tingkat bising pesawat udara.

Pembobotan dBA Frekuensi (Hz) Kurva A (dB) Kurva B (dB) Kurva C (dB) Kurva D (dB) 16 -56.7 -28.5 -8.5 -22.4 31.5 -39.4 -17.1 -3.0 -16.5 63 -26.2 -9.3 -0.8 -11 125 -16.1 -4.2 -0.2 -6.0 250 -8.6 -1.3 -2.0 500 -3.2 -0.3 1000 2000 +1.2 -0.1 +8.0 4000 +1.0 -0.7 +11.0 8000 -1.1 -2.9 +6.0 16000 -6.6 -8.4 -4.0

Penjumlahan deciBel Metode Intensitas :

Penjumlahan deciBel Metode Nomogram Contoh : 75 dB 80 dB Beda nilai dB antara dua LP yang akan dijumlahkan Nilai yang ditambahkan pada LP yang lebih besar Contoh : 75 dB 80 dB Selisih : 5 dB ditambahkan : 1.2 dB pada nilai yang lebih besar Total : 81.2 dB

PENJUMLAHAN deciBel S1 r1 Lp1 = 60 dB Lp2 = 60 dB r2 Lp3 = 60 dB S2 r3 Lptotal = 10 log ( 1060/10 + 1060/10 + 1060/10 ) = 65 dB

PROPAGASI SUARA DALAM RUANG TERTUTUP Engineering Principles of Acoustics Douglas D. Reynolds, Chap 10 pp 384 – 407

Suara dalam Ruangan

Contoh Simulasi Pantulan suara dalam Auditorium Selubung Ruangan Sumber Suara

Radiasi Suara dari titik Sumber dan Penerima Suara pantul titik S sumber Suara langsung Z titik P penerima Energi suara langsung dan pantul yang tiba pada titik P dianalogikan sebagai ‘volume’ energi berbentuk bola dengan tebal tertentu atau ½ bola jika titik P terletak pada suatu permukaan (dinding) Y X P Suara pantul Suara langsung

Kerapatan Energi Suara Langsung Aliran Energi dinyatakan : X mengingat S kerapatan energi suara langsung = Do maka : arah propagasi gelombang suara sedangkan merupakan fungsi dari faktor arah dan jarak dari sumber (S) ke penerima (P)

Kerapatan Energi Suara Pantul Beberapa Asumsi : Suara pantul yang diterima oleh titik pengamatan dianggap datang dari berbagai arah radial sehingga permukaan gelombang datang diasumsikan berbentuk bola Total kerapatan energi suara pantul tersebut merupakan penjumlahan energi suara pantul dari permukaan-permukaan (dinding, lantai, ceiling) ruangan setelah mengalami penyerapan setiap saat mengenai permukaan tersebut. Setiap titik pada permukaan-permukaan selubung ruangan (dinding, lantai, ceiling) dianggap menerima suara datang dari berbagai arah berbentuk permukaan setengah bola

Kerapatan Energi Suara Datang pada Dinding ke dinding P suara pantul dari dinding suara datang ke titik P berasal dari suara pantul dinding-dinding Dibutuhkan 3 analisa keseimbangan energi : Dinding Ruangan (1) Analisa energi suara datang ke dinding (2) Analisa energi suara pantul oleh dinding (3) Analisa energi suara datang ke titik P

ke dinding yang berasal dari energi suara pantul elemen z DR DR elemen luas S permukaan pantul (dinding, lantai, ceiling) r  dr dS komponen suara datang ke dinding yang berasal dari energi suara pantul elemen dinding lainnya  y r sin  x Energi suara datang ke permukaan S dalam volume V (bagian sumber) adalah : dan dimana maka : dan

 S cos  dV  S dV  S radiasi suara dari sumber yang sampai ke permukaan S berasal dari radiasi bola dengan luas 4 r2  dI pada permukaan S : daya suara dWi yang menghasilkan intensitas dI pada permukaan S adalah : atau daya total Wi merupakan integrasi dWi yang diradiasikan dari permukaan ½ bola  

Energi suara datang yang diserap oleh dinding : untuk seluruh permukaan (dinding) ruangan atau dimana adalah koefisien absorpsi masing-masing bahan dinding ruangan maka total energi suara yang dipantulkan kembali kedalam ruangan adalah : maka kerapatan energi suara pantul yang tiba pada titik pengamatan P Jika maka

Kerapatan Energi Suara Total Kerapatan Energi Suara Total pada titik P menjadi : atau sedangkan maka :  Kemungkinan-kemungkinan dalam kondisi riil : : (a). Jika dinding ruangan cukup reflektif  maka maka (b). Jika dinding ruangan sangat menyerap 

Waktu Dengung Waktu Dengung : Waktu yang dibutuhkan oleh ruangan tersebut untuk meluruhkan energi suara sebesar 60 dB, dihitung tepat setelah sumber suara dimatikan. Sumber ‘on’ Sumber ‘off’ Waktu [dt] 1 10-6 It/I RT Sumber ‘on’ Sumber ‘off’ Waktu [dt] - 60 LP rel RT

Waktu Dengung Ruangan (1) Sumber ‘off’ Ruang B  60 dB Ruang A RT60 = 2 sec RT60 = 3 sec.

Waktu Dengung Ruangan (2) sumber suara “off” SPL [dB] ruang sangat menyerap ruang menyerap ruang memantul sumber suara “on” - 60 RT1 t [detik] RT2 RT3

Rumus Waktu Dengung  D (1 -  ) 2  D (1 -  )  D (1 -  ) 3 Kerapatan Energi Setelah Pantulan pertama  ketiga D = Kerapatan Energi Suara Langsung Dari Sumber D (1 -  ) 3 Setelah pemantulan n kali dimana t’ adalah waktu bebas rata-rata antara dua pantulan yang berturutan : d adalah jarak bebas rata-rata

RT disebut sebagai rumus WAKTU DENGUNG EYRING Waktu total yang dibutuhkan untuk melalui n pantulan adalah : t = n t’ sehingga  kerapatan energi setelah n kali pantulan : atau sehingga untuk c0 = 343 m/dt  RT disebut sebagai rumus WAKTU DENGUNG EYRING

Untuk ruangan yang mempunyai koefisien absorpsi suara rata-rata   0  sehingga detik Rumus Waktu Dengung SABINE dimana : Rumus Waktu Dengung menunjukkan : Untuk V   RT  Untuk    RT   dapat digunakan untuk mengontrol RT suatu ruangan Jenis ruangan dengan T   disebut Ruang Dengung atau Reverberation Chamber sedangkan ruangan dengan    disebut Anechoic Chamber. Jenis ruangan pada umumnya disebut Semi-Reverberant Room

Contoh Waktu Dengung Ruang untuk Musik dan Wicara Rentang RT musik Ruang serba guna ? Rentang RT wicara music speech Variasi RT pada daerah frekuensi rendah Untuk musik dan wicara

Mengontrol Waktu dengung Mengubah-ubah volume ruang  V> untuk memperoleh RT> Vad V0 Mengatur Total Absorpsi Suara [rayls] dalam ruangan dengan mempertimbangkan : pantulan yang dibutuhkan dan yang tidak dibutuhkan pantulan difus dan spekular efek spektral, spatial (binaural) dan temporal arsitektural dan aestetika

Anechoic Chamber RT<< Bagian pintu Jenis : Full dan Half-Full Baji-baji bahan penyerap suara : glass wool Sumber Bising yang sedang diukur Bagian Lantai dari bahan penyerap suara

Reverberation Chamber RT>> Diffusor tambahan Dinding dan lantai Pemantul Suara Obyek Pengukuran

Ruang Semi-Reverberant Contoh : Ruang Monitoring Studio Rekaman Refleksi suara : difuse  dibutuhkan diffusor Ruangan pada umumnya mempunyai Waktu Dengung (RT) = 0.7 – 0.8 detik Absorber Diffusor

Contoh Rancangan Akustik Ruang Class Room Sport Arena Home Theater

Rancangan Akustik Sport Halls Indoor Swimming Pool

Rancangan Concert Halls Music Auditorium Stage Design

Contoh Rancangan Akustik Ruang Ibadah Praying Hall Diffusing Dome

Contoh Rancangan Akustik Ruang Ibadah Choir area Back walls

Transmisi dan Absorpsi Suara

Fenomena Transmisi dan Absorpsi Suara Berkas suara diserap Berkas suara datang Bahan Pemantul Suara Berkas suara datang Berkas suara ditransmisikan Berkas suara pantul Bahan Penyerap Suara Berkas suara ditransmisikan Berkas suara diserap Berkas suara pantul

Gejala Transmisi Suara

Transmisi melalui bidang batas 2 medium 2 syarat hukum kontinuitas harus dipenuhi medium-2 medium-1 total tekanan suara medium-1 sama dengan medium-2 pada bidang batas kedua medium (x=0)  tidak terjadi deformasi bidang batas medium secara fisis tidak terjadi pemisahan antara kedua media pada x=0  perpindahan energi bersifat kontinuum pi pt pr z2 = 2c2 z1 = 1c1 x = 0 tekanan suara kecepatan partikel

jika dan (1) (2) jika maka (3) jika maka (4)

}  = 1  = 0  = 1 jika maka semua energi suara dipantulkan (1) & (3) (2) & (4)  = 0 semua energi suara ditransmisikan jika maka  = 1 semua energi suara dipantulkan

Transmisi suara melalui bahan Hukum kontinuitas energi terjadi pada x=0 dan x=L medium-3 medium-2 medium-1 x=0 pi pa pt pb pr x=L z3 = 3c3 z2 = 2c2 z1 = 1c1 x = L x = 0 terjadi gerakan gelombang suara bolak-balik (arah + dan -) sehingga tekanan suara riil dan imajiner harus diperhitungkan 

tekanan suara pada masing-masing medium (5) (6) (7) (8) (9) maka diperoleh : (10) A = amplitudo gelombang yang berpropagasi kearah x-positip (11) B = amplitudo gelombang yang berpropagasi kearah x-negatip (12) = amplitudo kompleks (13)

(11) & (12) eleminasi (15) (13) & (14) tentukan (16) (13) & (16) (17) tentukan (16) & (17) diperoleh (18)

Jika z1 = z3 atau udara di kedua sisi dan z2z1 atau solid material, maka : Untuk udara dan bahan padat, maka : (1). z1 = 0c0 dan z2 = wcw (2). Umumnya bahan dapat disebut tipis dibandingkan dengan panjang delombang suara yang terpendek sehingga k2L<<1, maka : cos k2L = 1 dan sin k2L = k2L

karena Koefisien Transmisi Suara  Didefinisikan sebagai : Transmission Loss suatu bahan dinyatakan sebagai :

Gejala Transmisi suara melalui panil Besarnya energi yang ditransmisikan dikontrol oleh massa bahan  Mass Law  = 2 f  frekuensi suara yang ditransmisikan dapat menimbulkan resonansi pada panil jika sama dengan frekuensi resonansi panil – frekuensi kritis fc Ada 3 daerah frekuensi yang mempunyai gejala transmisi berbeda : Daerah yang dipengaruhi oleh kekakuan bahan  stiffness controlled region Daerah yang dikontrol oleh massa bahan  mass law region Daerah yang dipengaruhi oleh frekuensi kritis  critical frequency region (co-incidence effect)

Grafik Transmisi suara melalui panil Dikendalikan oleh kekakuan bahan Dikendalikan oleh massa bahan Dikendalikan oleh efek ko-insiden perpanjangan hukum massa slope 6 dB/oktaf Rugi Transmisi, dB Kendali kekakuan resonansi fc Frekuensi, Hz frekuensi kritis

Sound Transmission Loss Partition wall a = absorpsi total absorption di receiving room, m2 Sabine S = luas partisi, m2 Source Room Receiving room Lp1 Lp2 Pengukuan RT dilakukan untuk mencari harga a dari receiving room Amplifier Sound Analyser 2-channel Noise generator

Sound Transmission Class (STC) 70 To determine STC (Sound Transmission Class) of the partition wall under test : 60 A single unfavourable deviation of the STL value below the reference contour shall not exceed 8 dB 50 Sound Transmission Loss, dB 47 The sum of the unfavourable deviations falling below the reference contour shall not exceed 32 dB 40 30 The STC value of the partition wall is the numerical value which corresponds to the STL value at 500 Hz 20 125 250 500 1k 2k 4k 1/3 octave center frequency, Hz

Gejala Absorpsi Suara

Gejala refleksi, transmisi dan absorpsi Bahan penyerap suara intensitas suara yang diserap ( Ia ) Koefisien absorpsi suara : intensitas suara datang ( Ii ) Koefisien refleksi suara : intensitas suara yang dipantulkan ( Ir ) intensitas suara datang Koefisien transmisi suara : intensitas suara yang dipantulkan intensitas suara yang ditransmisikan ( It )

Ada 3 macam penyerap suara yang secara teknis sering digunakan : Bahan Porus : penyerapan energi suara secara mikroskopis sebagai akibat perubahan energi suara tersebut menjadi energi lain  vibrasi, kalor atau perubahan momentum Membran penyerap : lembar bahan solid (tidak porus) yang dipasang dengan lapisan udara dibagian belakangnya (air space backing). Bergetarnya panil ketika menerima energi suara serta transfer energi getaran tersebut ke lapisan udara menyebabkan terjadinya efek penyerapan suara  bass trap (low frequency absorber) Rongga penyerap : rongga udara dengan volume tertentu dapat dirancang berdasarkan efek resonator Helmholzt. Efek osilasi udara pada bagian leher (neck) yang terhubung dengan volume udara dalam rongga ketika energi suara menghasilkan efek penyerapan suara.

1. Penyerapan Suara oleh Bahan Porus dan Serat Energi suara datang Ilustrasi ‘penyerapan’ energi suara oleh bahan porus Bahan serat Energi suara datang Ilustrasi ‘penyerapan’ energi suara oleh bahan berserat

Mekanisme Penyerapan Energi Suara Vibrasi skeleton (baca : Kinsler 4th ed. Chapter 8) Energi disipasi molekuler (Classical Abrosption) Energi disipasi molekuler (Classical Abrosption) Bahan penyerap berporus  setiap porus diasumsikan sebagai ruang kecil yang mengandung medium udara Penyerapan : terjadinya perubahan energi akustik menjadi energi dalam bentuk lain kalor konduksi vibrasi gerakan molekuler medium dll Skeleton (rangka) ruang porus

Nilai Absorpsivitas Bahan Nilai Absorpsivitas Bahan dinyatakan dengan : Koefisien Absorpsi nya atau  Ia = intensitas suara yang diserap bahan  dirubah menjadi vibrasi, kalor atau perubahan momentum Ii = intensitas suara datang pada bahan Beberapa sifat dasar absorpsivitas bahan porus : merupakan fungsi frekuensi  berbeda-beda untuk setiap frekuensi tengah  bahan softboard bahan glasswool atau mineralwool f [Hz]

 tergantung pada masa jenis bahan   [kg/m3] atau [kg/m2] Semakin besar masa jenis  resistansi terhadap aliran energi     Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek ini tidak significant tergantung pada ketebalan bahan untuk masa jenis yang sama 1.2 Grafik koefsien absorpsi bahan fiberglass dengan tebal masing- masing 25, 50 dan 100 mm 100 mm 50 mm 1.0 0.8  25 mm Anomali nilai   1.0 diakibatkan karena efek difraksi gelombang suara dibagian tepi sampel yang diukur  seolah-olah energi suara yang diserap  energi suara datang. Efek tepi ini pada mumnya timbul pada sample yang cukup tebal 0.6 bahan penyerap fiberglass 0.4 0.2 dinding keras 125 250 500 1K 2K 4K f [Hz]

tergantung pada penempatannya relatif terhadap alas  jika ada lapisan udara maka terjadi peningkatan nilai koefisien absorpsi pada daerah frekuensi rendah 1.2 A 25 mm lapisan udara 1.0 0.8  0.6 penutup akustik 25 mm fiberglass 0.4 0.2 B 125 250 500 1K 2K 4K f [Hz] Terjadi peningkatan absorpsivitas pada daerah frekuensi rendah pada jenis A sebagai akibat penyerapan oleh lapisan udara, tetapi terjadi penurunan pada daerah frekuensi tinggi sebagai akibat dari berkurangnya resistansi benda porus.

Metode Pengukuran  untuk bahan porus 1. METODE WAKTU DENGUNG T1 = RT kondisi kosong (tanpa bahan uji) A = absorpsi ruang uji Sumber suara T2 = RT setelah bahan uji diletakkan dalam ruang uji A = absorpsi tambahan akibat adanya bahan uji loudspeaker SLM Bahan penyerap suara = 10 m2 nilai T1 & T2 dan V ruang uji  A diperoleh   bahan uji untuk setiap f diperoleh dengan rumus : Ruang Dengung sebagai Ruang Uji dimana S (= 10m2) adalah luas bahan uji Alat ukur waktu dengung

2. METODE TABUNG IMPEDANSI Penganalisa sinyal sample uji loudspeaker microphone probe mikropon amplitudo gelombang suara refleksi amplitudo gelombang suara datang resultante gelombang berdiri Sumber suara - radiasi pure tone pada f tertentu dari loudspeaker  direfleksikan setelah mencapai ujung tabung  resultante incident wave dan reflected wave membentuk standing wave (gelombang berdiri). - metode ini menghasilkan nilai  untuk kondisi normal incidence  pada kondisi riil nilai  ini kurang sesuai dibandingkan dengan metode waktu dengung  pada kondisi riil gelombang datang pada bahan umumnya tidak dalam arah normal  random incidence - diameter sample harus  ½   frekuensi yang diteliti dibatasi oleh diameter tabung yang digunakan Prinsip dasar :

reflected wave dan incident wave  Koefisien refleksi  dapat dinyatakan dalam kuadrat rasio amplitudo antara reflected wave dan incident wave  sehingga sedangkan  = 1 -  maka harga koefisien absorpsi bahan diperoleh dengan mengukur A1 dan A2 A1 = amplitudo maksimum gelombang interferensi  amplitudo maksimum incident wave A2 = amplitudo minimum gelombang interferensi  amplitudo maksimum reflected wave

Gambar Tabung impedansi

Contoh-contoh Bass Trap Diffusor Absorber Barrier