JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
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 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.
I
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.
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 :
c 1449,36 4,6T - 0,055T 2 0,000029T3 (1,34 - 0,01T)(S - 35) 0,016z
Penentuan lokasi objek dengan suara : acoustic source localization (contoh: dalam militer, robot) Ketepatan proses rekaman dari suara yang asli Voice Activity Detector (VAD).
(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).
Gambar.2. Muka gelombang (wave front) dan jarak perambatan
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
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.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
pm ( x) A
e jkrsm Bi e jkxsin i rsm i 1
3
(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 ( xs xm )2 ( ys ym )2 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 (4) w1 ( x, y), w2 ( x, y),...,wm ( x, y), W M jr / c
wm(x,y) adalah e sm . Ilustrasi dari sumber suara, microphone array dan sinyal terpantul dapat dilihat pada Gambar 4. III.
SIMULASI DAN PEREKAMAN DATA
Gambar. 5. Diagram alir proses penelitian.
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.
(a)
(b)
Gambar. 6. Konfigurasi speaker dan microphone array pada media udara (a) Konfigurasi 1 (b) Konfigurasi 2
Gambar. 5. Diagram alir proses penelitian.
Gambar. 7. Konfigurasi microphone array untuk perekaman data di udara
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4 Jarak antar mikrofon
d
5 cm
Jarak dari sumber ke array
rsm
14 cm
Lokasi sumber sebenarnya
xs,ys
(0cm,14cm)
Frekuensi sampling
Fs
Sudut terpantul
i
44.100 Hz ○
-60 ,-30○,0○,30○,60○
Sinyal yang digunakan pada simulasi adalah sinyal shrimp.wav
Gambar. 8. Profil Towing Tank Laboratorium Hidrodinamika Indonesia (LHI)
Gambar 10. Sinyal shrimp.wav
Sedangkan konfigurasi speaker dan microphone array pada simulasi ini adalah.
(a)
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
(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
Gambar 12. Kontur Hasil Simulasi Media Udara
Parameter
Simbol
Nilai
Jumlah mikrofon
m
Kecepatan suara
c
Lokasi mikrofon
xm,ym
5 Udara 340 m/s Air = 1450 m/s 0cm<xm< 10 cm 0cm<xm< 10 cm
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 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,
5 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 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).
Mikrofon 1
Tabel 2. Daya beam hasil simulasi Amplitudo Power media udara (dB) (dB) 28,7950 76,3954
Power media air (dB) 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
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 Konfigurasi 1 Mikrofon
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 dengan tembok sehingga nilai sinyal terpantulnya lebih besar daripada pada mikrofon 1. C. Hasil Pengolahan Data pada Media Air di Laboratorium Hidrodinamika Indonesia (LHI)
6 Tabel 4. Amplitudo yang diterima masing-masing hidrofon dan rata-rata daya beam hasil pengolahan data pada media air Konfigurasi 1 Mikrofon
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.
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 masingmasing array semakin kecil. V.
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.
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] [2] [3] [4]
[5]
[6] [7]
Lab for Amateur Sonar Technology [http://traktoria.org/files/sonar/ Undewater_Acoustics_shortssummary. pdf] diakses pada 30 Mei 2013 Manik, Henry M dan Ma’mun, Asep, “Rancang Bangun Sistem Informasi Data Hidroakustik Berbasis Web”, SNATI 2009, Yogyakarta Arnaya, I.N., “Dasar-Dasar Akustik. Diktat Kuliah Studi Ilmu dan Teknologi Kelautan”. Institut Pertanian Bogor. 1991 Clay, C.S., dan H. Medwin. 1998. Accoustical Oceanoghraphy: Principles and Aplications. A Willey-Interscience Publication. John Wiley and Sons. New York. Moses L. Randolph and Potter C. Lee. An Acoustic Array for Undergraduate Instruction. Columbus :Department of Electrical Engineering The Ohio State University. McCowan, Iain, “A Microphone Array Tutorial”, Australia, 2004 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)
