ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN
Disusun oleh : HANA AFIFAH M0210029
SKRIPSI
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Mei 2016
ANALISA SOUND-SPECTROGRAMTANGIS BAYI UNTUK DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN
Disusun oleh : HANA AFIFAH M0210029
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Mei 2016
i
ii
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual dari penelitian saya dengan judul “ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi penelitian orang lain maupun telah dipublikasikan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi Negeri lainnya kecuali yang tertulis dalam daftar pustaka dalam Skripsi ini dan ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau diperbanyak secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 16 Mei 2016
HANA AFIFAH
iii
MOTTO “Jika kau merasa tidak lebih pandai dari teman-temanmu, maka kau harus belajar lebih keras daripada teman-temanmu” (Dian Sastro Wardoyo) “Innovation distinguish between a leader and a follower” (Steve Jobs) “If you can’t explain it simply, you don’t understand well enough” (Albert Einstein)
iv
ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN HANA AFIFAH JurusanFisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK Skripsi ini berfokus pada kajian perbandingan spektral tangis sakit bayi normal dan tangis sakit bayi penderita penyakit jantung bawaan (Congenital Heart Disease , CHD). Sebanyak sepuluh sampel tangis sakit bayi penderita CHD dan bayi normal berusia kurang dari satu bulan direkam menggunakan Sony ICRecorder tipe ICD-PX333. Data digital kemudian diproses menggunakan piranti lunak SFS untuk mendapatkan f0, formants, dan nilai Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) sebagai penciri spektral yang kemudian divisualkan dengan DTW. Hasil kajian menunjukkan bahwa ciri spektral tangis bayi penderita CHD terhadap tangis bayi normal mempunyai tingkat perbedaan signifikan, karenanya tangis sakit bayi bisa dijadikan sebagai salah satu indikator pendeteksi penyakit jantung bawaan secara dini. Di samping itu ditemukan anomali yang diduga berkait dengan irisan dalam bentang frekuensi ambang maupun formant tangis bayi normal dan penderita CHD. Kata kunci: tangis bayi, penyakit jantung bawaan, Mel-Frequency Cepstral Coefficients, Dynamic Time Warping
iv
INFANT CRY FOR DETECTING CONGENITAL HEART DISEASE USING SOUND-SPECTROGRAM ANALYSIS HANA AFIFAH Physics Department, Faculty of Mathematic and Natural Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT This paper emphasize on acoustics spectral similarity analysis of normal infant pain cry compared to infant spectrum with Congenital Heart Disease (CHD). Ten cries signals of infant with CHD and normal infant aged less than a month recorded by using Sony IC-Recorder ICD-PX333. The Speech Filing System software utilized for estimating fundamental frequency, formants, and MFCCs to be use as cry spectral characteristics to be visualized using DTW technique. The result shows that both group partially has significant different characteristics since anomalies occurred which is considered due to the intersection on the values of fundamental frequency and formants of the both groups. So that the infant pain cry can be used as one of the indicators for detecting CHD in infant in the early stage of life. Keywords: infant cry, congenital heart disease, Mel-Frequency Cepstral Coefficients, Dynamic Time Warping
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW sebagai pembimbing seluruh umat manusia. Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS
BAYI
UNTUK
DETEKSI
PENYAKIT
JANTUNG
BAWAAN”.Tuntasnya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi penulis.Setelah hampir satu tahun penulis harus berjuang untuk menuntaskan Skripsi ini.Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis mengucapkan terimakasih. Atas bantuan yang begitu besar selama proses Skripsi ini, ucapan terimakasih secara khusus penulis sampaikan kepada: 1. Bapak Iwan Yahya selaku pembimbing I, pembimbing akademik, dan kepala lab iARG, yang dengan sangat sabar dan ikhlas selalu membantu dalam setiap kesulitan dan perjuangan, juga sebagai sandaran inspirasi bagi setiap anak didiknya. 2. Bapak Nuryani selaku pembimbing II yang senantiasa dengan ringan hati memberikan masukan, nasihat dan semangat agar Skripsi cepat tuntas. 3. Bapak Harjana dan Bapak Mohtar Yunianto selaku penguji I dan II yang sangat baik hati memberikan saran secara detail pada revisi Skripsi. 4. Rumah Sakit Dr. Moewardi Surakarta, Klinik Ibu & Anak Solopeduli, Bu Mia, Bu Hesti, Bu Heriyanti, dan seluruh perawat yang membantu dalam pengambilan data tangis bayi. 5. Keluarga iARG: Restu Kristiani, Eki Muqowi, Rayhan Hanina, Mustika Cahya, Endang Wulandari, Putriana Husnul, Aris, Syakir, Tito, Hanief, Julius, terimakasih atas semangat dan keceriaan kalian menjadikan saya tak pernah jenuh dalam menghabiskan waktu di lab. iv
6. Seluruh Keluarga saya: Papa Arief Pudjiana, Mama Isrohayah, “Mama” Kuswartini, Mba Vina Arismatika, Mas Heru Susiyanto, “Dek” Ariantini Dewi, Bapak Ahmadi, Ibu Sunarti, (Alm) Mas Aziz Widiyanto, Mas Widyo Sulastomo, Mas Yusuf Helmi, Mas Farid Hari Mulyanto, kesayangan Zaola Esa Caronita, terimakasih telah senantiasa memberikan semangat dan selalu mendoakan agar Skripsi lancar, tuntas, dan lulus dengan membawa ilmu yang bermanfaat. 7. Khairul Hadi, terimakasih atas semangat dan bantuannya dalam penyelesaian pemrograman di Skripsi ini. 8. Teman – teman seperjuangan dan sepermainan: Deli Yusuf, Agfa Herison, Louis Sihombing, Fajriatur Rohmah, Wildan Fakhri, Ahmad Ma’arij, Desti, Rahma Mega, Aprillia, dan Risalatul Hanifah, yang selalu dengan ikhlas memberikan kebahagiaan dan menghadirkan keceriaan menjadikan penulis tidak terlalu stress dalam penyelesaian skripsi. 9. Dan pihak – pihak lain yang terkait dalam penyelesaian Skripsi ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
Surakarta, 16 Mei 2016
Penulis
iv
HALAMAN PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya dipublikasikan pada Jurnal Fisika dan Aplikasinya (JFA) Vol. 12, No. 2, Edisi Juni 2016, dengan judul “Analisis Spektrum Akustik Tangis Bayi Penderita Penyakit Jantung Bawaan Menggunakan Teknik DTW”.
iv
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL .................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... ii HALAMAN PERNYATAAN ...................................................................... iii HALAMAN MOTTO .................................................................................. iv HALAMAN ABSTRAK .............................................................................. v HALAMAN ABSTRACT ............................................................................. vi KATA PENGANTAR .................................................................................. vii HALAMAN PUBLIKASI............................................................................ ix DAFTAR ISI ................................................................................................. x DAFTAR TABEL ........................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ xvi BAB I PENDAHULUAN ........................................................................ 1 1.1. Latar Belakang........................................................................ 1 1.2. Perumusan Masalah ............................................................... 2 1.3. Batasan Masalah .................................................................... 2 1.4. Tujuan Penelitian ................................................................... 3 1.5. Manfaat Penelitian ................................................................. 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .............................................................. 4 2.1. Getaran ................................................................................. 4 2.2. Gelombang Bunyi ................................................................ 6 2.3. Prinsip Superposisi ............................................................... 10 2.3.1. Getaran dengan frekuensi yang sama ................................... 10 2.3.2. Getaran dengan frekuensi yang berbeda .............................. 11 2.4. Analisa Spektral ................................................................... 12 2.4.1. Frekuensi Ambang (f0) ......................................................... 12 2.4.2. Formant (f1, f2, f3, ..., fn) ........................................................ 12 2.4.3. Fourier transform ................................................................ 13 2.4.4. Pendekatan cepstral .............................................................. 14 2.4.5. MFCC................................................................................... 15 2.4.6. Linier Predictive Coding ...................................................... 17 2.5. Dynamic Time Warping ....................................................... 18 2.6. Tangisan Bayi....................................................................... 18 2.6.1. Mekanisme Produksi Tangisan Bayi .................................... 18 2.6.2. Penelitian Sebelumnya Tentang Tangisan Bayi ................... 20 iv
2.7. Penyakit Jantung Bawaan (Conginetal Heart Disease, CHD) ....................................... 2.8. Sound-Spectrogram .............................................................. BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................. 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian .............................................. 3.2. Alat dan Subjek Penelitian ................................................... 3.2.1. Alat Yang Akan Digunakan Dalam Penelitian .................... 3.2.2. Subjek Penelitian.................................................................. 3.3. Proses Penelitian .................................................................. 3.4. Prosedur Penelitian............................................................... 3.4.1. Perolehan Data ..................................................................... 3.4.2. Filtering dan Re-sampling ................................................... 3.4.3. Windowing ........................................................................... 3.4.4. Pemotongan Gelombang (Cuplikan) .................................... 3.5. Metode Penelitian................................................................. BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .......................... 4.1. Hasil Pengukuran Durasi Tangis Inspirasi, Jeda, dan Ekspirasi pada Bayi Penderita CHD dan Bayi Normal ........ 4.2. Hasil Pengukuran f0, f1, f2, dan f3 pada Tangis Bayi Penderita CHD dan Bayi Normal ......................................... 4.3. Hasil Pengujian Hipotesa Menggunakan Tehnik Dynamic Time Warping (DTW)........................................... BAB V PENUTUP .................................................................................... 5.1. Kesimpulan .......................................................................... 5.2. Saran ..................................................................................... DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... LAMPIRAN ..................................................................................................
iv
22 23 25 25 25 25 25 26 27 27 28 28 28 28 29 29 31 35 40 40 40 41 45
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1. Tabel 4.2. Tabel 4.3.
Rata – rata Panjang Tangis Inspirasi, Jeda, dan Ekspirasi Antara Neonatal Penderita CHD dan Neonatal Normal . 30 Perbandingan Nilai Frekuensi Formant Pada Subyek yang Diteliti ............................................................................. 32 Tabel Hasil Minimal, Maksimal, Rata-rata dan Standar Deviasi (SD) Untuk f0, f1, f2, f3 Dari Neonatal Normal dan Penderita CHD ................................................................ 34
iv
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Sebuah Massa Menempel Pada Ujung Pegas Yang Dapat Bergerak Maju Mundur Pada Bidang Tanpa Gesekan. 4 Gambar 2.2. Elemen Tipis Gas Dengan Ketebalan Δ𝑥 Yang Dipengaruhi Oleh Gelombang Bunyi........................ 8 Gambar 2.3. Masing – Masing Mewakili Gerak Harmonik Sederhana Sepanjang Sumbu XPada Frekuensi Sudut Ω Untuk MendapatkanHasil SimpanganGerak Harmonik Sederhana𝑥 = 𝑅 Cos(𝜔𝑡 + 𝜃)Pada 𝑡 = 0 ................ 11 Gambar 2.4. Superposisi Dari Dua SimpanganHarmonik Sederhana 𝑥1 = 𝑎 Sin 𝜔1 𝑡Dan 𝑥2 = 𝑎 Sin 𝜔2 𝑡Ketika 𝜔2 > 𝜔1 . Perlambatan Cos Sin Gambar 2.5. Gambar 2.6. Gambar 2.7. Gambar 2.8. Gambar 2.9.
Gambar 2.10. Gambar 3.1. Gambar 3.2. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 4.6.
(𝜔1 +𝜔2 )𝑡 2
(𝜔2 −𝜔1 )𝑡 2
Memodulasi Kurva
Antara Nilai 𝑥 = ⃒ ± 2𝑎 .......................
12
Proses AkustikUntukMemperoleh MFCC ................ 16 Mel-Frequency Filterbank ........................................ 17 Optimal Warping Path .............................................. 18 Skema Secara Umum Untuk Produksi Suara Manusia. 19 Vocal Tract Bayi Dan Dewasa. Epiglotis (E), Langit– Langit Keras(HP), Laring (La), Mandibula (M), Rongga Hidung(N), Langit-Langit Lunak (SP), Lidah (T), Dan Mulut (Li). ................................................................. 20 Sound-Spectrogram Tangis Bayi Normal ................. 23 Diagram Alir Penelitian ............................................ 26 Gambar Sony IC Recorder Tipe ICD-PX333 ........... 27 Sinyal Tangis Inspirasi Pada Bayi CHD (Atas) Dan Normal (Bawah) ........................................................ 29 Sinyal Jeda Pada Bayi CHD (Atas) Dan Normal (Bawah) ..................................................................... 29 Sinyal Tangis Ekspirasi Pada Bayi CHD (Atas) Dan Normal (Bawah) ........................................................ 30 Sinyal Tangis Bayi Normal (Atas) Dan CHD (Bawah) Yang Dipotong Sepanjang 1 Detik ........................... 31 Spektrogram Dari Cuplikan Tangis Bayi Pada Gambar (4.4) ........................................................................... 32 Perbandingan Nilai Formant f1 Antara Tangis Bayi
iv
Gambar 4.7. Gambar 4.8.
Gambar 4.9.
Normal (solid) Dengan Bayi CHD (dotted) .............. 33 Indikator Kemiripan Dalam Skala Abu-abu ............. 36 Pola DTW Tangis Bayi Penderita CHD Berturut – turut Dari (a).CHD[1] Hingga (o).CHD[15] Dengan Referensi CHD[2]...................................................................... 35 Pola DTW Tangis Bayi Normal Berturut – turut Dari (a).N[1] Hingga (o).N[15] Dengan Referensi CHD[2]...................................................................... 36
iv
DAFTAR SIMBOL
𝑃
: Tekanan
(𝑃𝑎)
𝑉
: Volume
(𝑚2 )
𝜌
: Massa jenis
(
𝑚
: Massa
𝑎
: Percepatan
ẋ
: Kecepatan
ẍ
: Percepatan
(𝑘𝑔) (𝑚⁄𝑠 2 ) (𝑚⁄𝑠) (𝑚⁄𝑠 2 )
𝐹
: Gaya
(𝑁)
𝑓
: Frekuensi
(𝐻𝑧)
𝐵
: Modulus Bulk
(𝑁⁄𝑚2 )
𝑘
: Konstanta pegas
𝜔
: Kecepatan sudut
(𝑟𝑎𝑑⁄𝑠)
𝑡
: Waktu
(𝑠)
𝑘𝑔⁄ 𝑚3 )
iv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1.
Data rentangwaktutangisaninspirasi, jeda, dan ekspirasi antaratangissakitbayi normal danpenderita penyakit jantung bawaan..............................................
Lampiran 2.
45
Beberapa data MFCCdaritangissakitbayi normal (N[1]) danbayipenderitapenyakitjantungbawaan
Lampiran 3
(CHD[1])....................................................................
47
Kelaikan Etik………………………………………….
48
iv
