Sensor Suara Fix.... [PDF]

Citation preview

Sensor Suara 1. Definisi Suara Suara adalah pemampatan mekanis atau gelombang longitudinal yang merambat melalui medium. Medium atau zat perantara ini dapat berupa zat cair, padat, gas. Jadi, gelombang bunyi dapat merambat misalnya di dalam air, batu bara, atau udara. Kebanyakan suara adalah merupakan gabungan berbagai sinyal, tetapi suara murni secara teoritis dapat dijelaskan dengan kecepatan osilasi atau frekuensi yang diukur dalam Hertz (Hz) dan amplitudo atau kenyaringan bunyi dengan pengukuran dalam desibel. Manusia mendengar bunyi saat gelombang bunyi, yaitu getaran di udara atau medium lain, sampai ke gendang telinga manusia. Batas frekuensi bunyi yang dapat didengar oleh telinga manusia kira-kira dari 20 Hz sampai 20 kHz pada amplitudo umum dengan berbagai variasi dalam kurva responsnya. Suara di atas 20 kHz disebut ultrasonik dan di bawah 20 Hz disebut infrasonik. Suara dibedakan menjadi 2 yaitu : 1. Suara Periodik = Suara yang terjadi secara kontinyu / berlanjut. 2. Suara Non periodik = Suara yang tidak terjadi secara berlanjut.



2. Jenis Suara Jenis-jenis suara berdasarkan frekuensinya dapat dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu:



 Audiosonik Audiosonik adalah suara dengan frekuensi antara 20 Hertz sampai dengan 20 KHz.Suara pada kisaran ini dapat didengar oleh manusia. Dan gelombangnya sering dikatakan sebagai ACCOUSTIC SIGNALS. Suara diluar range pendengaran manusia dapat dikatakan sebagai NOISE (getaran yang tidak teratur dan tidak berurutan dalam berbagai frekuensi, tidak dapat didengar manusia). 



Infrasonik



Infrasonik adalah suara dengan frekuensi terlalu rendah untuk dapat didengar oleh telinga manusia. Infrasonik berada dalam rentang 17 Hertz sampai 0,001 Hertz. Rentang frekuensi ini adalah sama dengan yang digunakan oleh seismometer untuk mendeteksi gempa bumi. Gelombang infrasonik bercirikan dapat menjangkau jarak yang jauh dan dapat melewati halangan tanpa kehilangan kekuatannya atau relatif kecil. Gelombang infrasonik pertama kali



yang diamati kemungkinan adalah ketika gunung Krakatau meletus menghasilkan gelombang atau getaran yang mengelilingi bumi sedikitnya 7 kali dan tercatat di berbagai stasiun di seluruh dunia. Salah satu perintis penelitian infrasonik adalah ilmuwan Perancis, Vladimir Gavreau (lahir di Rusia dengan nama Vladimir Gavronsky). Ketertarikannya dalam infrasonik awalnya bermula pada tahun 1960 ketika ia dan asistennya menderita sakit pada gendang telinga serta peralatan laboratorium yang bergetar tetapi tidak ada suara yang ditangkap oleh mikroponnya. Ia kemudian menyimpulkan bahwa itu disebabkan oleh infrasonik. 



Gelombang Ultrasonik



Ultrasonik adalah suara atau getaran dengan frekuensi yang terlalu tinggi untuk bisa didengar oleh telinga manusia, yaitu kira-kira di atas 20 Kilo Hertz. Hanya beberapa hewan, seperti



lumba-lumba



menggunakannya



untuk



komunikasi,



sedangkan



kelelawar



menggunakan gelombang ultrasonik untuk navigasi. Dalam hal ini, gelombang ultrasonik merupakan gelombang ultrasonik (di atas) frekuensi gelombang suara (sonik). Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas. Reflektivitas dari gelombang ultrasonik ini di permukaan cairan hampir sama dengan permukaan padat, tapi pada tekstil dan busa, maka jenis gelombang ini akan diserap. Frekuensi yang diasosiasikan dengan gelombang ultrasonik pada aplikasi elektronik dihasilkan oleh getaran elastis dari sebuah kristal kuarsa yang diinduksikan oleh resonans dengan suatu medan listrik bolak-balik yang dipakaikan (efek piezoelektrik). Kadang gelombang ultrasonik menjadi tidak periodik yang disebut derau (noise), dimana dapat dinyatakan sebagai superposisi gelombang-gelombang periodik, tetapi banyaknya komponen adalah sangat besar. Kelebihan gelombang ultrasonik yang tidak dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Jarak suatu benda yang memanfaatkan delay gelombang pantul dan gelombang datang seperti pada sistem radar dan deteksi gerakan oleh sensor pada robot atau hewan. Hewan-hewan tertentu, seperti anjing, kucing, dan lumba-lumba dapat mendengar gelombang ultrasonik. Kelelawar dapat menghasilkan dan mendengar frekuensi setinggi 100.000 Hz untuk mengetahui posisi makanan dan menghindari benda-benda saat terbang di kegelapan. Gelombang ultrasonik digunakan pada sonar di samping pada diagnosis kesehatan dan pengobatan.



3. Rumus Fisika yang Berhubungan dengan Suara



 Cepat Rambat Bunyi Jika kamu memukul batu di dalam air, kamu akan mendengar suara pukulan tersebut. Demikian juga, ikan yang berenang di dalam kolam yang jernih, kamu tentu akan beranggapan ikan-ikan tersebut tidak bersuara. Akan tetapi, jika kamu menyelam ke dalam air, kamu akan mendengar suara kibasan ekor dan sirip ikan tersebut. Hal ini membuktikan bahwa bunyi dapat merambat di dalam zat cair. Dengan bantuan alat seismograf, para ahli gempa dapat mendeteksi getaran gempa bumi. Getaran lebih kuat jika jaraknya lebih dekat pada sumber getar. Dari contoh-contoh tersebut, kamu dapat menyimpulkan bahwa bunyi yang terdengar bergantung pada jarak antara sumber bunyi dan pendengar. Jarak yang ditempuh bunyi tiap satuan waktu disebut cepat rambat bunyi ( v ). Secara matematis, hal itu dituliskan sebagai berikut :



Keterangan :



v = cepat rambat gelombang bunyi (m/s), s = jarak yang ditempuh (m), t = waktu tempuh (s).



Untuk cepat rambat bunyi di berbagai medium, dapat dirumuskan menjadi :



Keterangan : E = modulus elastisitas zat B = modulus Bulk P = tekanan gas ρ = massa jenis masing-masing zat γ = konstanta laplace



4. Parameter Gelombang Gelombang suara dapat merambat (secara cepat atau perlahan) karena adanya perbedaan dorongan yang kuat yang disebut variable gelombang. Gelombang ini membawa energi yang tidak bermuatan, dari satu tempat ke tempat lain. Ini adalah suatu bukti adanya gelombang. Gelombang ini merambat karena adanya perbedaan tekanan yang disebut juga dengan variabel akustik (acustic variable). Variabel ini termasuk pressure, densitas, temperatur, dan gerakan partikel. Tidak seperti halnya gelombang cahaya dan gelombang radio, gelombang suara memerlukan medium untuk menembus dalam perjalanannya. Gelombang suara tidak bisa melewati atau menembus ruang yang hampa udara (vacuum). Seperti halnya semua gelombang, gelombang bunyi juga dapat dijelaskan dengan beberapa parameter, diantaranya frekuensi, amplitudo, dan cepat rambat gelombang 1. Frekuensi Frekuensi menyatakan banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu detik. Satuan dari frekuensi adalah Hertz (Hz) dan Megahertz (MHz). 1 Hertz adalah 1 siklus per detik atau satu gelombang sempurna dalam satu detik. 1 Megahertz adalah 1.000.000 Hz. Suara dengan frekuensi 20.000 Hz atau lebih disebut suara ultra (ultrasound) karena rentang frekuensi tersebut di luar jangkauan pendengaran manusia. Sama halnya dengan cahaya ultra violet yang berbentuk frekuensi tinggi (di luar



kemampuan penglihatan manusia). Frekuensi ini sangat menentukan resolusi citra dan kedalaman intensitas.



2. Amplitudo Amplitudo adalah besarnya nilai maksimum puncak gelombang atau lembah gelombang dalam nilai mutlak. Satuannya adalah amplitudo.



3. Cepat Rambat Gelombang Adalah kecepatan gelombang suara ketika berjalan menembus medium. Kecepatannya dipengaruhi oleh sifat dan kerapatan medium yang dilaluinya dan dinyatakan dalam meter per detik (m/detik). Pada medium yang sama cepat rambat gelombang akan sama walaupun frekuensinya berbeda. Nilai ini mudah diidentifikasi pada rentang variable akustik karena ada nilai maksimum. Dengan kecepatan ini, nilai maksimum bergerak melewati medium sehingga disebut juga cepat rambat gelombang. Jadi cepat rambat gelombang tergantung pada medium tetapi tidak bergantung pada frekuensi.



5. SENSOR DAN CARA KERJANYA



1. Sensor Audio Sensor audio adalah sebuah alat yang mampu mengubah gelombang Sinusiuda suara menjadi gelombang sinus energi listrik (Alternating Sinusioda Electric Curret). Sensor suara bekerja berdasarkan besar/kecilnya kekuatan gelombang suara yang mengenai membran sensor yang menyebabkan bergeraknya membran sensor yang juga terdapat sebuah kumparan kecil dibalik membran tadi naik dan turun. Oleh karena kumparan tersebut sebenarnya adalah ibarat sebuah pisau berlubang-lubang, maka pada saat ia bergerak naik turun, ia juga telah membuat gelombang magnet yang mengalir melewatiya terpotong-potong. Kecepatan gerak kumparan menentukan kuat-lemahnya gelombang listrik yang dihasilkannya. Macam-macam Sensor Audio:



A. Mikrofon Karbon Mikrofon



ini



bekerja



berdasarkan



pada



resistansi



variabel



dimana



konstruksinya dibuat dengan sebuah diafragma logam yang pada salah satu ujung dari sebuah kotak logam yang berbentuk silinder. Sebuah penghubung (contact) logam berbentuk plunyer dilekatkan pada diafragma itu sehingga gerakan diafragma dapat diteruskan melalui plunyer kepada butir-butir karbon didalam mikrofon tersebut. Sebuah kontak tetap lainnya yang terisolasi juga dibenamkan ke dalam butir-butir karbon untuk membentuk elektroda yang kedua. Bila gelombang suara yang menekan mengenai diafragma itu, plunyer akan terdorong dan memampatkan butir-butir karbon, sehingga menurunkan resistensi kontak diantaranya. Bila tidak ada tekanan resistansi akan naik kembali, sehingga dengan adanya getaran suara yang berubahubah akan menimbulkan perubahan nilai resistansi dan juga akan mengakibatkan perubahan sinyal output mikrofon.



B.



Mikrofon Reluktansi Variabel Merupakan mikrofon jenis magnetic yang dibuat dengan sebuah diafragma



bahan magnetic yang bergerak, seperti baja silicon yang tergantung di atas kepingankepingan kutub sebuah magnet permanen. Kumparan-kumparan induksi digulung pada kepingan kutub itu dan dihubungkan menurut hubungan seri yang saling memperkuat. Bila tekanan udara pada diafragma meningkat akibat getaran suara, maka celah udara dalam rangkaian magnetis



tersebut



akan



berkurang,



sehingga



mengurangi



reluktansi



dan



mengakibatkan perubahan-perubahan magnetis yang terpusat didalam struktur magnetis itu. Ketika garis-garis perubahan-perubahan (fluks) magnetis bergerak masuk, maka garis-garis akan memotong lilitan kumparan dan menginduksi suatu medan elektroinagnetik didalamnya. Bila diafragma bergerak menjauhi kepingan-kepingan kutub, celah udara melebar, reluktansi meningkat dan garis-garis fluks bergerak keluar



dari



kepingan-kepingan



kutub



sehingga



mengimbas



suatu



medan



elektromagnetis dengan polaritas yang berlawanan didalam kumparan, maka perubahan-perubahan itu menyebabkan sinyal yang keluar dari mikrofon berubahubah pula.



C.



Mikrofon Kumparan Bergerak Mikrofon dengan kumparan yang bergerak (Moving coil microphone),



merupakan sebuah mikrofon dengan kumparan induksi yang digulungkan pada suatu silinder bukan magnetis yang dilekatkan pada diafragma dan dipasang di dalam celah udara berbentuk silinder dari suatu magnet permanen. Diafragma dibuat dari bahan bukan logam, sedangkan kawat-kawat penghubung listrik ke kumparan direkatkan ke permukaan diafragma. Bila gelombang suara menggerakkan diafragma, maka kumparan akan bergerak maju mundur di dalam medan magnet, sehingga terjadi perubahan-perubahan magnetik yang melewati kumparan dan menghasilkan sinyal listrik.



D.



Mikropon Kapasitor Terdiri dari sebuah diafragma logam yang digantung dengan jarak yang sangat



dekat terhadap sebuah pelat logam statis, dimana keduanya terisolasi sehingga menyerupai bentuk sebuah kapasitor. Diafragma akan bergerak-gerak bila terkena getaran suara, hal itu akan mengakibatkan berubah-ubahnya jarak pemisah antara diafragma dan pelat statis yang mengakibatkan berubah-ubahnya nilai kapasitansi. Diperlukan suatu tegangan DC konstan dari luar yang dihubungkan pada diafragma dan pelat logam statis lewat sebuah resistor beban, sehingga tegangan terminal mikrofon dapat berubah-ubah seiring dengan terjadinya perubahan tekanan udara akibat getaran suara.



E.



Mikrofon Elektret Mikrofon ini merupakan jenis khusus dari mikrofon kapasitor yang sudah



mempunyai sumber muatan sendiri yang terpasang didalamnya sehingga tidak perlu pencatu daya dari luar. Sumber muatan itu sebenarnya didapat dari suatu alat penyimpan muatan berupa bahan Teflon yang diproses dengan semestinya sehingga dapat menangkap muatan-muatan tetap dalam jumlah besar dan mempertahankannya untuk waktu tak terbatas. Lapisan tipis Teflon yang dilekatkan pada pelat logam statis, mengandung sejumlah besar muatan-muatan negative yang terperangkap yang kemudian diinduksikan sebagai suatu muatan bayangan kepada pelat statis dan diafragma logam yang dihubungkan padanya melalui sebuah resistor beban luar.



Muatan-muatan yang terperangkap pada satu sisi dan muatan bayangan pada sisi yang lain menimbulkan medan listrik pada celah yang membentuk kapasitor. Tekanan udara yang berubah-ubah akibat getaran suara akan membuat berubah-ubahnya jarak antara diafragma dan pelat logam statis, sehingga nilai kapasitansi berubah dan mengakibatkan tegangan terminal mikrofon juga turut berubah.



F.



Mikrofon Piezoelektris Adalah mikrofon yang tidak memerlukan sebuah pencatu daya karena jenis



mikrofon ini terbuat dari bahan kristal aktif yang dapat menimbulkan tegangan sendiri bila diberikan getaran dari luar, sehingga dapat merupakan sebuah generator. Kristal dipotong menurut bidang-bidang tertentu untuk membentuk suatu irisan dan dengan elektroda-elektroda / pelat lempengan dilekatkan pada kedua permukaannya sehingga akan menunjukkan sifat-sifat piezoelektris. Bila mendapat tekanan, kristal akan berubah bentuk {deform), akan terjadi perpindahan suatu muatan sesaat didalam susunan kristal tersebut sehingga dapat menimbulkan suatu beda potensial diantara kedua pelat-pelat lempengan. Sebaliknya bila suatu potensial listrik dikenakan antara kedua permukaan kristal itu, secara fisik kristal akan melengkung atau berubah bentuk. Kristal langsung dapat menerima getaran suara tanpa harus dibentuk menjadi sebuah diafragma, sehingga dapat diperoleh respon frekuensi yang lebih baik dari pada mikrofon lainnya meskipun dengan suatu tingkat keluaran yang jauh lebih rendah, yaitu kurang dari 1 mV.



2. Sensor Ultrasonic Sensor ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara dan digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di depannya, frekuensi kerjanya pada daerah diatas gelombang suara dari 40 KHz hingga 400 KHz. Prinsip kerja Sensor Ultrasonik



Sensor ultrasonik terdiri dari dari dua unit, yaitu unit pemancar dan unit penerima. Struktur unit pemancar dan penerima sangatlah sederhana, sebuah



kristal piezoelectric dihubungkan dengan mekanik jangkar dan hanya dihubungkan dengan diafragma penggetar. Tegangan bolak-balik yang memiliki frekuensi kerja 40 KHz



–



400



KHz



diberikan



pada



plat



logam.



Struktur



atom



dari



kristal piezoelectric akan berkontraksi (mengikat), mengembang atau menyusut terhadap polaritas tegangan yang diberikan, dan ini disebut dengan efekpiezoelectric.



Kontraksi yang terjadi diteruskan ke diafragma penggetar sehingga terjadi gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke udara (tempat sekitarnya), dan pantulan gelombang ultrasonik akan terjadi bila ada objek tertentu, dan pantulan gelombang ultrasonik akan diterima kembali oleh oleh unit sensor penerima. Selanjutnya unit sensor penerima akan menyebabkan diafragma penggetar akan bergetar dan efek piezoelectricmenghasilkan sebuah tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang sama. Besar amplitudo sinyal elekrik yang dihasilkan unit sensor penerima tergantung dari jauh dekatnya objek yang dideteksi serta kualitas dari sensor pemancar dan sensor penerima. Proses sensing yuang dilakukan pada sensor ini menggunakan metode pantulan untuk menghitung jarak antara sensor dengan obyek sasaran. Jarak antara sensor tersebut dihitung dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal ultrasonik dalam perjalanannya dari rangkaian Tx sampai diterima oleh rangkaian Rx, dengan kecepatan rambat dari sinyal ultrasonik tersebut pada media rambat yang digunakannya, yaitu udara. Waktu di hitung ketika pemancar aktif dan sampai ada input dari rangkaian penerima dan bila pada melebihi batas waktu tertentu rangkaian penerima tidak ada sinyal input maka dianggap tidak ada halangan didepannya.



3. Sensor Infrasonik



Sensor infrasonik ini jarang digunakan seperti sensor ultrasonik, namun sensor infrasonik ini digunakan dalam mengukur getaran yang sifatnya