INTISARI
Rancang Bangun Alat Bantu Pembentukan Konstruksi Nada bagi Pembelajaran Biola Oleh Ali Ridho 12/342730/PA/15117 Biola merupakan alat musik dengan tipe fretless, sehingga dalam memainkannya diperlukan teknik penjarian yang terlatih, agar suara yang dihasilkan tidak terdengar sumbang. Bagi pembelajar awal biola, proses penguasaan penjarian merupakan tahap yang cukup sulit, sehingga diperlukan alat bantu deteksi nada. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun alat bantu proses pembentukan konstruksi nada yang portabel bagi pemula dalam belajar biola. Sistem alat ini menerapkan algoritma zero crossing detector sebagai sarana untuk menghitung frekuensi. Masukkan sistem didapatkan dari sensor suara sebagai penerjemah sinyal suara menjadi sinyal listrik, kemudian proses perhitungan dan penalaan frekuensi dilakukan oleh mikrokontroler. Hasil keluaran sistem berupa data notasi nada yang ditampilkan pada LCD, serta LED sebagai tanda kepresisian proses deteksi nada. Uji coba sistem dilakukan dengan melihat ketepatan sistem dalam menampilkan frekuensi nada, dan kecepatan respon sistem terhadap perubahan nada yang terjadi. Dari pengujian sistem didapatkan tingkat akurasi penalaan nada pada saat senar dalam kondisi open strings sebesar 99,7% dan pengujian terka nada saat kondisi senar ditekan pada fingerboard memiliki tingkat akurasi 99,65 %, dengan 29 jumlah nada yang dapat diterka oleh sistem. kemampuan respon sistem terhadap perubahan nada 15.393,78 µd dalam 135 siklus data. Kata kunci : biola, nada, frekuensi suara, zero crossing detector
xii
ABSTRACT
Design of Tone Construction Tools for Violin Learning By : Ali Ridho 12/342730/PA/15117 The violin is fretless musical instrument. To get the sophisticated of violin sound, a violin player must have a good fingering technique. For beginner violinist, fingering mastery is quite difficult process, so we need tone detection tools. This research aims to design a portable tone construction tools to help process for beginner violinist. This systems implemented zero crossing algorithm to calculate the frequency of tone, input of system using analog sound sensor which can translate analog sound signal to electric signal, and also microcontroller as a processor to calculate and tune frequency. The result of system such as tone notation can displayed with LCD, and LED indicator to represent the precission tone detection process. The system testing was done by looking at the accuracy level of system performance to displaying tone frequency, and time response system of the system changing tone. From the test, we get the accuracy of tone tuning in open strings condition is 99.7%. And seek tone test when pressed condition of violin string on the fingerboard has a 99.65% of accuracy rate, this section test use 29 tones can be seeked by system. The ability of system response to changes of tone 15,393.78 µs within 135 of data cycles. Keyword : violin, tone, frequency of sound, zero crossing detector
xiii
BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang Biola merupakan salah satu alat musik gesek yang cukup unik. Untuk
memainkan alat ini biasanya mengandalkan feel atau perasaan seseorang. Bermain biola sangat bagus untuk mengembangkan emosi, terutama pada anak-anak. Karakteristik suara yang dihasilkan cukup unik dan memiliki jangkau frekuensi yang sangat lebar berbeda dengan gitar. Hal ini dapat terjadi karena pada instrumen biola sifatnya yang fretless atau tanpa fret (Egilmez, 2012), maka merupakan dasar dari belajar biola adalah penjarian tangan kiri yang akan dijadikan sebagai acuan dalam pengganti fret. Banyak pemain pemula yang kesulitan belajar penjarian tangan kiri untuk menemukan nada yang sesuai ketika memainkan alat musik ini, sehingga kerap sekali ditemui nada yang sumbang, hal ini yang membuat sebagian dari mereka akhirnya menyerah dalam mempelajari biola. Penalaan nada merupakan hal yang mendasar dalam memainkan alat musik akustik (Hakim, 2011), terutama pada alat musik gesek ini, karena proses berlatih penjarian mengacu terhadap nada yang sudah tertala dengan benar. Berkembangnya dunia instrumentasi dan pengolahan sinyal digital menjadi dasar utama dalam pembuatan sistem ini. Banyak penelitian yang telah melakukan riset mengenai sistem pembelajaran digital, salah satunya penelitian yang dilakukan oleh Lu dkk (2008) yang membuat virtual tutor dalam pembelajaran biola, sistem dibuat dengan menggunakan PC yang akan melakukan supervisi nada dan gerakan tangan dalam mengayunkan gala biola, dengan menggunakan parameter pencuplikan nada gesekan dengan menggunakan microphone, serta pengamatan posisi gala dan posisi penjarian dengan menggunakan kamera, tetapi sistem tersebut kurang praktis karena memerlukan instalasi yang cukup rumit bagi orang awam. Maka dari itu penelitian ini akan merancang bangun sebuah alat bantu belajar biola yang portabel, sehingga mudah digunakan bagi orang awam.
1
2
Dengan menggunakan alat supervisi nada ini diharapkan metode berlatih penjarian biola dan pengenalan nada menjadi lebih mudah, terutama untuk pemula. Selain itu portabilitas dari alat ini juga menjadi salah satu kelebihan tersendiri, sehingga mudah untuk dibawa dan dilakukan instalasi tanpa diperlukan perangkat komputer, karena sistem ini dibangun dengan menggunakan mikrokontroler.
1.2.
Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini adalah bagaimana merancang alat
bantu proses pembentukan konstruksi tangga nada portabel bagi pembelajaran biola.
1.3.
Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian ini adalah : 1. Nada-nada yang digunakan adalah posisi penjarian posisi pertama yaitu dari nada G3 hingga B5. 2. Sistem tidak dirancang untuk mengenali nada rangkap (doublestake), dan hanya diaplikasikan untuk pengenalan nada tunggal. 3. Sensor yang digunakan adalah modul sensor suara yaitu berupa condenser mic. 4. Mekanisme pengolahan data menggunakan metode zero crossing detector untuk menentukan perhitungan periode. 5. Pengujian dilakukan pada tempat yang relatif hening dengan intensitas kebisingan < 50 dB (Yanz, 2012).
1.4.
Tujuan dan Manfaat Tujuan dari penelitian ini adalah merancang – bangun alat bantu proses
pembentukan konstruksi tangga nada portabel bagi pembelajaran biola dengan menggunakan teknik penalaan zero crossing detector. Manfaat dari penelitian ini adalah diharapkan dapat mempermudah proses belajar biola.
3
1.5.
Metodologi Penelitian Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini : a. Studi pustaka dan kosultasi Studi pustaka digunakan untuk mengetahui korelasi dengan penelitian sebelumnya serta konsep-konsep yang digunakan dalam penelitian ini. Konsultasi
dilakukan untuk mendukung keberlangsungan
dari
penelitian ini. b. Perancangan dan pembuatan sistem Perancangan dan pembuatan sistem dilakukan dalam segi perangkat keras dan perangkat lunak. karena mengusung konsep portabel maka digunakan mikrokontroler sebagai bagian pemroses utama. c. Pengujian dan revisi sistem Pengujian sistem dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja dari sistem yang telah dibuat dan mengambil data-data penelitian. Proses revisi sistem dilakukan jika dalam uji coba ditemukan hal-hal yang kurang sesuai dengan konsep. d. Analisis dan pembahasan Data-data yang telah diambil dari proses pengujian dilakukan analisis dengan melakukan perbandingan dengan data-data baku sesuai standar yang berlaku. e. Pengambilan kesimpulan dan penulisan laporan penelitian Sebagai proses akhir dari penelitian yang merupakan hasil dari penelitian.
1.6.
Sistematika Penulisan Penulisan laporan skripsi ini berdasarkan sistematika sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN Berisi latar belakang pembuatan skripsi, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan pembuatan skripsi, metodologi penelitian serta sistematika penulisan pada skripsi.
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini memaparkan hasil penelitian terdahulu atau teknologi yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan oleh penulis.
BAB III DASAR TEORI Berisi penjelasan dan teori algoritma serta komponen eletronis yang digunakan pada sistem. Penjelasan berdasarkan sifat, fungsi, dan karateristik dari komponen yang digunakan.
BAB IV RANCANGAN SISTEM Berisi tentang perancangan sistem yang dibuat, meliputi perancangan perangkat keras dan perangkat lunak.
BAB V IMPLEMENTASI Membahas tentang implementasi dari rancangan alat dalam bentuk nyata baik kinerja perangkat keras atau perangkat lunak.
BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN Membahas tentang hasil pengujian sistem yang dilakukan oleh penulis meliputi pengamatan perangkat keras, perangkat lunak dan data Hasil pengujian kemudian dilakukan analisa mengenai hasil dan kinerjanya.
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN Membahas tentang kesimpulan dan saran-saran sehingga sistem ini dapat dikembangkan lebih lanjut, dengan harapan dapat digunakan untuk mendukung kehidupan masyarakat.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Dunia pembelajaran musik tentunya akan menjadi lebih mudah jika nada dapat direpresentasikan dalam notasi yang diakui secara umum. Telah dilakukan penelitian oleh Ritis (2002) mengenai sistem media belajar anatomi nada instrumen musik yang yang direpresentasikan dalam bentuk notasi, dimana sistem tersebut dibuat dalam bentuk modul belajar interaktif. Hal ini menjadi tinjauan awal bagi peneliti untuk mengadopsi konsep tersebut dalam pembuatan modul belajar biola. Dalam penelitian Lu dkk (2008), mereka mengembangkan modul belajar biola yang dapat melakukan koreksi jika ditemui kesalahan nada (nada sumbang) dan penjarian yang kurang tepat. Parameter yang digunakan adalah sampel gambar model penjarian diambil dengan kamera webcam dan sampel nada diambil dengan menggunakan microphone konvensional. Menurut peneliti, kelemahan dari konsep yang diusung oleh Lu dkk tersebut tingkat portabilitasnya rendah karena membutuhkan ruang akustik untuk pengambilan data dan pengolahan data menggunakan PC. Dasar yang digunakan untuk mengakomodir nada yang dihasilkan biola ini adalah dengan menggunakan penalaan nada. Ada banyak model penalaan nada digital yang telah banyak berkembang saat ini, dan berbagai macam model metode pengenalan nada. Penelitian Amado dan Filho (2008), berhasil menggunakan metode zero crossing detector untuk dijadikan algoritma pendeteksi nada. Untuk kinerja dari metode ini dalam instrumen alat musik telah dibuktikan pada penelitian Maulana (2013) dengan menggunakan metode yang sama diaplikasikan untuk proses penalaan gitar secara otomatis. Dengan demikian peneliti akan merencanakan membuat penelitian mengenai alat bantu kalibrasi nada yang digunakan untuk pembentukan konstruksi nada bagi pembelajar biola yang portabel dengan mengadopsi beberapa
5
6
konsep penelitian diatas. Pada Tabel 2.1 dipaparkan rangkuman dari penelitian yang ada sebelumnya.
Tabel 2.1 Hubungan penelitian sebelumnya dengan penelitian ini No.
1
2
3
4
5
Peneliti
Judul Paper / Artikel
Keterangan
Anatomy of a Tone : A Dalam penelitian ini penulis Highly Functional Web menggunakan ide untuk Ritis (2002) based Interactive Learning melakukan representasi bunyi Module nada kedalam bentuk not huruf. Dalam penelitian ini penulis An Interactive Digital menggunakan ide dasar Violin Tutoring System membuat sarana alat bantu Lu dkk ( 2008) Based on Audio-Visual belajar biola dengan Fusion menggunakan perangkat komputasi mikrokontroler. Pitch Detection Algorithms Dalam penelitian ini penulis Based on Zero-Cross Rate menggunakan acuan prinsip Amado dan Filho and Autocorrelation zero crossing dalam pengenalan (2008) Function for Musical nada. Notes Dalam penelitian ini penulis menggunakan metode yang Penala Gitar Otomatis sama dalam proses cuplik Maulana (2013) dengan PID controller frekuensi dengan zero crossing berbasis Arduino detector yang dilakukan secara perangkat lunak. Rancang Bangun Alat implementasi algoritma zero detector sebagai Bantu Kalibrasi Nada crossing proses pengenalan nada yang untuk Pembentukan Ridho (2014) digunakan sebagai dasar Konstruksi Nada bagi membuat sarana bantu belajar Pembelajar Biola biola.
BAB III DASAR TEORI 3.1.
Biola Akustik Biola akustik adalah alat musik gesek dengan suara yang dihasilkan dari
getaran senar yang digesek dan getaran yang dihasilkan senar dikuatkan oleh tabung resonansi dalam hal ini adalah tubuh biola itu sendiri (Jansson, 2002). Jenis kayu dan senar yang digunakan akan mempengaruhi suara yang dihasilkan oleh biola ini, semakin tua usia kayu biola, maka suara yang dihasilkan semakin bagus.
Gambar 3.1. Biola akustik dan bagiannya. (Rulan, 2013) Secara singkat bagian-bagian yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 merupakan bagian-bagian pokok yang mempengaruhi kualitas suara yang dihasilkan oleh biola. Untuk memproduksi nada yang tepat maka diperlukan senar dalam kondisi tertala dengan benar, hal ini akan mempengaruhi permainan jari pada papan penjarian (finger board) untuk menentukan nada yang dihasilkan agar sesuai (Wahyu, 2012). Berikut adalah nada-nada yang dihasilkan pada penjarian
7
8
posisi pertama, dimana pada posisi ini hanya mampu mencakup lingkup nada G3 hingga B5. Selain itu penggesek biola juga memiliki andil yang penting dalam menghasilkan suara yang bagus. Berikut adalah tabel dari frekuensi dari nada ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Nada biola dan frekuensinya pada penjarian posisi 1 (Suits, 1998) NO
NADA
OKTAF
FREKUENSI (Hz)
KETERANGAN
1
G
3
195.998
Nada terendah biola
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
G# / Ab A A# / Bb B C C# / Db D D# / Eb E F F# / Gb G G# / Ab
3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4
207.652 220 233.082 246.942 261.626 277.183 293.665 311.127 329.628 349.228 369.994 391.995 415.305
15
A
4
440
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
A# / Bb B C C# / Db D D# / Eb E F F# / Gb G G# / Ab A A# / Bb
4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
466.164 493.883 523.251 554.365 587.33 622.254 659.255 698.456 739.989 783.991 830.609 880 932.328
29
B
5
987.767
Nada C tengah
Standar referensi penalaan nada
Nada terakhir posisi 1
9
3.2.
Modul Condenser Mic Tranduser dalam hal ini digunakan untuk mengambil sampel suara dari
biola untuk kemudian dirubah dalam bentuk sinyal listrik analog (Sheingold, 1980), sehingga dapat dilakukan pengolahan pada tahap selanjutnya. Dalam hal ini tranduser yang digunakan adalah modul sensor suara. Komponen utama sensor suara ini adalah condenser mic yang memiliki tingkat kepekaan yang cukup tinggi terhadap respon suara, selain itu dalam modul tersebut juga terdapat opamp yang digunakan untuk menguatkan sinyal yang didapat dari condenser mic. Kelebihan dengan menggunakan sensor suara dalam bentuk modul ini adalah sudah memiliki tegangan kerja yang kompatibel dengan mikrokontroler, sehingga tidak memerlukan rangkaian buffer dalam proses interface-nya.
3.3.
Zero Crossing Detector Sinyal yang terdapat pada kehidupan sehari-hari, salah satunya suara,
disebut dengan sinyal analog. Untuk dapat memroses sinyal analog tersebut, maka harus diubah terlebih dahulu menjadi sinyal digital atau sinyal diskrit. Sinyal analog memiliki sifat kontinyu pada domain waktu dan amplitudo, sedangkan sinyal digital memiliki sifat diskrit pada domain waktu dan amplitudo. Perhitungan frekuensi mengacu pada persamaan (3.1)
=
(3.1)
Untuk mengenali frekuensi tangkapan dari condenser mic, maka didalam mikrokontroler sebagai pemroses konversi sinyal analog ke bentuk digital digunakan metode zero crossing detector. Metode ini akan mendeteksi setiap gelombang sinusoida melalui garis netral (zero line) yang secara umum dapat direpresentasikan terhadap perubahan tegangan Gambar 3.3. Frekuensi dapat ditentukan dengan melakukan perhitungan (counting) terhadap cross yang terjadi. Algoritma zero crossing detector diterapkan dengan menggunakan korelasi ADC, dimana saat nilai ADC menunjukkan kondisi cross maka saat itu juga dilakukan penanndaan untuk memulai perhitungan nilai periode.
10
Gambar 3.2. Kondisi silang (zero crossing).
Dimana zero crossing adalah penanda mula untuk mulai menghitung nilai t, dimana nilai t merupakan hasil kali dari jumlah n dengan waktu cuplik time sampling ts persamaan (3.2), sedangkan fs adalah nilai frekuensi cuplik yang digunakan dalam sistem, sehingga nilai ts dapat dicari dengan persamaan (3.3). dengan mensubtitusikan persamaan (3.2) dan persamaan (3.3) nilai t dapat dihitung dengan persamaan (3.4). = ×
(3.2)
=
(3.3)
=
(3.4)
Dalam menggunakan algoritma zero crossing maka untuk mengetahui frekuensi yang diukur (fin) dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut. Dimana fs merupakan frekuensi cuplik sistem
=
⁄
=
(3.5)
Selain itu, frekuensi tertinggi dari sinyal terkadang hanya berupa noise saja. Oleh karena itu untuk mencegah agar noise tidak ter-cuplik dan mencegah aliasing, maka dapat digunakan filter terlebih dahulu. Filter yang digunakan
adalah
low-pass filter
karena
filter
ini
akan
melakukan
penyaringan terhadap frekuensi atas dan membiarkan frekuensi bawah (Melissa, 2008).
11
3.4.
Fitur Mikrokontroler Penelitian ini menggunakan mikrokontroler sebagai bagian pemroses
utama dalam sistem. Fitur yang digunakan dalam mikrokontroler ini adalah analog to digital converter (ADC). Fitur ini mempunyai fungsi untuk mengubah data sinyal suara bentuk analog ke ranah sinyal digital. Konsep algoritma zero crossing detector juga dibenamkan secara perangkat lunak pada mikrokontroler. Keluaran dari mikrokontroler ini berupa data yang akan ditampilkan dengan menggunakan LCD dan indikator lampu LED.
BAB IV RANCANGAN SISTEM 4.1.
Rancangan Sistem Keseluruhan Sesuai dengan tujuan dalam penelitian ini adalah merancang – bangun alat
bantu kalibrasi nada dalam proses pembentukan konstruksi nada saat belajar biola bagi pemula berbasis mikrokontroler. Definisi pemula dalam hal ini adalah orang yang masih awam dalam memainkan biola (belum memahami kaidah penjarian biola) serta belum memiliki soul nada, sehingga ketika bermain cenderung dihasilkan nada yang sumbang. Sistem ini hanya mampu menangkap nada-nada tunggal yang sederhana (tidak dapat menangkap nada rangkap doublestake), karena sistem diperuntukan untuk pemula, Dalam rancang bangun alat ini digambarkan dalam blok diagram sistem pada Gambar 4.1.
SUARA BIOLA
MIKROKONTROLER (zero cross algorithm)
LCD dan LED
PUSH BUTTON
luaran
masukan
Gambar 4.1 Diagram blok sistem kalibrasi nada biola. Konsep algoritma yang akan ditanamkan pada mikrokontroler ini bekerja dengan pengambilan sampel suara secara berulang. Sampel suara dikonversi kedalam bentuk sinyal digital dengan menggunakan ADC dan dilakukan proses perhitungan frekuensi dengan menggunakan metode zero crossing detector. Frekuensi yang telah dihitung kemudian dilakukan proses pencocokan dengan database frekuensi nada sebagai acuan, bila diketemukan kecocokan sistem akan menginformasikan bahwa nada yang terdeteksi secara tepat, jika frekuensi perhitungan kurang atau melebihi frekuensi dalam database maka sistem akan menginformasikan bahwa nada terdeteksi sumbang. Gambaran algoritma secara umum dijelaskan pada Gambar 4.2.
12
13
mulai
Cuplik suara ADC, Pendeteksian frekuensi dengan zero crossing detector
Pencocokan dengan database frekuensi
tidak
ya notasi nada tepat
info nada sumbang
Gambar 4.2 Diagram alir sistem. 4.2.
Perancangan Perangkat Keras Pada penelitian ini, akan dibuat rancangan perangkat keras yaitu meliputi
tranduser sebagai interface masukan sistem, mikrokontroler sebagai bagian pemroses, LCD serta LED sebagai sarana penampil keluaran dari sistem. Serta rancangan casing sebagai tempat sistem.
4.2.1. Tranduser Tranduser digunakan sebagai penangkap suara biola, berfungsi untuk mengubah sinyal suara biola menjadi sinyal listrik (Sheingold, 1980). Dalam perancangan ini tranduser yang digunakan adalah modul sensor suara yang sudah dilengkapi dengan condenser mic yaitu dengan menggunakan modul analog sound sensor produk DFRobot. Keunggulan menggunakan modul ini yaitu memiliki tegangan kerja yang sama dengan tegangan kerja sistem mikrokontroler, sehingga proses interfacing dapat dilakukan secara langsung tanpa menggunakan buffer tegangan. Modul ini memiliki faktor penguatan 100 kali dengan menggunakan IC OPAMP LM358,
