MODUL 1

FENOMENA TRANSMISI SUARA

I. Tujuan Percobaan

1. Mempelajari fenomena transmisi suara oleh suatu panel/ dinding partisi.

2. Mempelajari pengukuran transmission loss (TL) suatu bahan dan perhitungan rating

Sound Transmission Class (STC).

3. Mempelajari cara perhitungan waktu dengung terkait dengan pengukuran TL

II. Peralatan

1. Perangkat Keras Dual Channel- Analog to Digital Converter BSWA

2. 2 Microphone 1/4 inch BSWA dan Mic. Stand

3. Fasilitas ruang dengung mini

4. Loudspeaker dan Amplifier

5. Perangkat lunak FFT Analyzer dan Signal Generator

6. Microphone Calibrator

7. Panel uji

III. Teori Dasar

1. Transmission Loss

Pada banyak permasalahan pengendalian bising,

seringkali modifikasi sumber bising tidak dapat

dilakukan. Sehingga untuk mengurangi bising,

modifikasi medium perambatan bising harus

dilakukan. Langkah awal modifikasi ini adalah

dengan menentukan jalur-jalur perambatan bising,

setelah menemukan jalur yang paling efektif maka

modifikasi kontrol bising dapat dilakukan. Jalur

perambatan bising pada umumnya dibedakan atas

structure-borne path dan air-borne path. Skema

perambatan ini dapat dilihat pada Gambar 1. Salah

satu cara untuk mengatasi bising yang merambat

melalui udara (air-borne noise) adalah dengan

memutus transmisi bebas dari sumber suara kepada

pendengar dengan menggunakan

dinding/pembatas.

Contoh dari pemutusan transmisi bebas ini terjadi pada kehidupan sehari-hari dimana kantor,

Gambar 1. Media Perambatan

dari Sumber Suara Menuju

Pendengar

ruang kelas, dsb., dibatasi oleh dinding-dinding/panel partisi. Tergantung dari fungsi ruangan

tersebut, maka transmisi suara dinding-dinding tersebut harus didesain sesuai dengan

kebutuhannya, agar manusia dapat beraktifitas dengan baik di dalam ruangan tersebut.

Pada saat energi suara mencapai sebuah dinding/panel partisi maka fenomena suara yang

terjadi adalah sbb:

Sebagian energi suara akan dipantulkan kembali.

Sebagian energi suara akan merambat melalui panel partisi dimana suara akan

terdisipasi oleh bahan-bahan penyusun, dan juga diradiasikan keruangan lainnya

oleh panel partisi.

Energi suara yang ditransmisikan kedalam ruang lain akan diteruskan baik ke

pendengar, atau terdisipasi di dalam ruangan tersebut.

Parameter yang mendeskripsikan kemampuan suatu panel/dinding/partisi dalam mengurangi

transmisi daya suara dari satu ruang ke ruang yang lain disebut dengan Transmission Loss

(TL). TL diturunkan dari koefisien transmisi daya suara antara 2 ruang yang disebut dengan

τ. τ adalah rasio antara daya suara yang ditransmisikan pada ruang penerima ( 2 )

dibandingkan dengan daya suara datang pada partisi ( 1 ) dari ruang sumber. τ sebuah partisi

merupakan sebuah angka yang kecil, dan oleh karena itu untuk kemudahan maka rugi daya

transmisi atau 1/τ dalam skala desibel (dB) lebih banyak digunakan. Rugi daya ini

didefinisikan sebagai Transmision Loss (TL), TL diformulasikan sbb:

2

1

10log 10log (1.1) TL

Tergantung dari materi penyusunnya dan frekuensi kerjanya, panel partisi memiliki TL yang,

namun untuk mempermudah karakterisasi dari transmisi daya suara, kita ambil contoh sebuah

panel partisi tunggal yang homogen (isotropik). Faktor utama yang mengotrol transmisi suara

melalui sebuah panel tunggal isotropik adalah sbb:

Surface mass atau massa persatuan area dari panel, sesuai dengan hukum newton,

perbedaan tekanan suara diantara partisi akan menggerakkan massa panel.

Bending stiffness atau kekakuan dari panel, dimana bersama dengan surface mass

akan menentukan frekuensi kritis dari panel.

Dimensi panel, bersama dengan bending stiffness dan surface mass akan menentukan

frekuensi natural dari panel.

Loss factor, atau damping dari struktur. loss factor akan mempengaruhi TL pada saat

panel beresonansi dengan suara datang pada partisi.

Sudut datang suara juga akan sangat berpengaruh pada TL sebuah panel.

Ilustrasi dari faktor-faktor ini terhadap TL panel tunggal isotropik, diperlihatkan pada

gambar. 2, dimana tipikal hasil TL panel tunggal dicontohkan.

Gambar 2. Tipikal TL dari Sebuah Panel Tunggal Isotropik

Pada frekuensi dibawah frekuensi natural pertama dari panel, TL dipengaruhi oleh kekakuan

dari panel, dimana frekuensi natural pertama 0,1f , diformulasikan sbb:

2 2

, 2 2 , 1,2,3... (1.2)

2i n

B i nf i n Hz

m a b

3 2

22

(1.3)

12 1

Eh kg mB

sv

dimana a & b adalah lebar dan panjang dari partisi (meter) , m adalah surface mass (kg/m2),

dan B adalah Bending stiffness yang didefinisikan pada persamaan 1.3, h adalah ketebalan

panel (meter), E adalah modulus young (Pa), dan v adalah Poisson ratio.Kemudian pada

frekuensi disekitar frekuensi natural pertama dari panel, TL akan menjadi sangat rendah dan

dipengaruhi oleh besarnya loss factor (η) dari panel.

Pada frekuensi diatas frekuensi natural pertama, TL akan dipengaruhi oleh surface area dari

panel. Pada daerah frekuensi ini, biasa disebut dengan mass law range, TL akan meningkat

sebesar 6 dB per octave / meningkat sebesar 6 dB jika surface mass meningkat sebesar 2 kali

lipat.

Pada frekuensi disekitar daerah frekuensi kritis, dimana kecepatan suara pada struktur dan

kecepatan suara di udara berhimpitan, maka TL akan menurun. frekuensi kritis sebuah panel

dapat dihitung dengan persamaan 1.4, dimana c adalah kecepatan suara di udara.

2

(1.4)2

c

c mf

B

Melihat tipikal dari hasil pengukuran TL untuk panel tunggal isotropik diatas, terdapat

sejumlah metoda prediksi yang dapat digunakan untuk menghitung performansi TL suatu

panel tunggal. Salah satu yang banyak digunakan adalah diberikan oleh Ben Sharp pada

tahun 1973, prediksi ini dihitung dengan menggunakan frekuensi 1/3 octave band, dengan

persamaan sbb:

2

,1(1) 10log 1 5.5 pada 1.52

(2) pada (1.5)2

(3) 10log 1

cn

cc

ffmTL dB f f

c

fGaris Lurus yang menghubungkan kedua titik f f

TL

2

2+10log pada

(4) (3) (1) (1) pada

c

c

c

fm fdB f f

c f

Jika TL TL makaTL yang digunakan f f

2. Pengukuran Transmission Loss

Metoda standard untuk pengukuran TL dengan menggunakan fasilitas ruang dengung diatur

dalam ASTM E-90 dan ISO-140. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan 2 ruang

dengung (ruang sumber dan ruang penerima) dan partisi panel yang ingin diukur diletakan

diantaranya. Medan diffus diharapkan terjadi pada ruang sumber yang akan menggetarkan

panel partisi dan meradiasikan suara menuju ruang penerima. Pada saat sumber dinyalakan,

rata-rata SPL ( dalam waktu dan spasial) diukur, kemudian absorpsi energi suara rata-rata di

ruang penerima diukur. Dari kedua hasil pengukuran ini, maka TL panel partisi ditentukan.

Skema pengukuran ini dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar.3 Ilustrasi Pengukuran Transmission Loss Pada Laboratorium

Pada ASTM E-90, banyak faktor yang harus diperhatikan pada saat pengukuran TL, mulai

dari ukuran ruang dengung, faktor flanking transmission, absorpsi maksimal ruangan, cara

pemasangan partisi panel, jumlah titik pengukuran, jumlah penempatan sumber suara, dll.

Namun dengan keterbatasan yang ada pada fasilitas ruang dengung Lab. Fisika Bangunan,

pelaksanaan pengukuran pada praktikum ini dapat dilakukan dengan skema seperti pada

gambar 4, dimana jumlah minimum titik pengukuran adalah 4 titik, dengan satu posisi

sumber suara. Pengukuran TL dilakukan dalam rentang frekuensi 125~4000 Hz dengan filter

1/3 oktaf.

Gambar.4 Skema Pengukuran Transmission Loss Pada Ruang Dengung Mini

Hubungan antara TL dan Sound Pressure Level (SPL) di dalam kedua ruangan dapat

diturunkan pada persamaan 2.1:

1 2 10log (2.1)sabine

STL L L

A

dimana :

1L = eqL rata-rata secara spasial dan waktu pada ruang sumber [dB]

2L = eqL rata-rata secara spasial dan waktu pada ruang penerima [dB]

S = luas partisi [m2]

sabineA = rata-rata secara spasial area sabine dari ruang penerima [m

2]

Area sabine dari ruang penerima dapat diturunkan dengan persamaan 2.2:

60

0.161 (2.2)sabine

VA

T

dimana V adalah volume ruang penerima (m3), dan 60T adalah waktu dengung rata-rata

secara spasial pada ruang penerima (detik).

T60 dalam sebuah ruangan diukur dengan memberikan impulse atau white noise. Metoda

konvensional dalam mengukur ini adalah dengan menyalakan signal white noise pada sumber

suara, kemudian pada kondisi tunak sumber suara dimatikan sehingga peluruhan suara

terjadi. Kurva peluruhan energi suara direkam sampai mencapai tingkat background noise.

Waktu yang diperlukan untuk energi suara meluruh sebesar 60 dB disebut sebagai T60 atau

waktu dengung. Perhitungan waktu dengung ini dapat dilakukan dengan Schroder integration

pada sinyal impulse response dari ruangan, dimana integrasi secara backward dilakukan

untuk mendapatkan total energi suara setiap waktu seperti pada persamaan 2.3

2 2 2

0 0 (2.3)

t

tE t p d p d p d

dimana E t adalah total energi suara dari waktu t , dan p merupakan impulse

response dari ruangan. Dari skala logaritmik 10log E t , maka penurunan 60 dB untuk 60T

dapat ditentukan. Contoh dari hasil perhitungan Schroder integration dapat dilihat pada

Gambar 5.

Gambar.5 Kurva Peluruhan Energi Suara Pada Sebuah Ruang

Pada perhitungan gambar.5, didapatkan waktu dengung yang diaproksimasi dari penurunan

20 dB 60 203 3 0.162 0.49T T s s , atau waktu dengung yang diaproksimasi dari penurunan

30 dB yaitu 60 302 2 0.622 1.24T T s s . Pada kasus seperti ini, aproksimasi yang

digunakan adalah dari penurunan 20 dB, hal ini dikarenakan 30T sudah terdapat jauh pada

total energi suara berada pada background noise.

Untuk Reverberation Chamber di Laboratorium Fisika Bangunan & Akustik, luas sampel uji/partisi

adalah (0,69 0,69) m2, dan volume ruang penerima adalah 19 m

3.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-20

-10

10

20

X: 0.01354

Y: 17.27

Time (s)

X: 0.1618

Y: -2.771

X: 0.622

Y: -12.73

Energ

y D

ecay (

dB

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-1

0

1

h(t

) Im

puls

e r

esponse (

Pa)

Impulse Response Vs Energy Decay

Energy Decay

Impulse Response

3. Sound Transmission Class (STC)

Untuk memudahkan penentuan performansi TL dari suatu panel partisi dan membedakan

kemampuan antara partisi yang satu dengan yang lain, maka didefinisikan suatu besaran

angka tunggal Sound Transmission Class (STC) yang ditentukan dari pengukuran TL pada

rentang frekuensi 125 Hz - 4000 Hz (1/3 octave band). Nilai STC ditetapkan berdasarkan

standard yang dapat dilihat pada ASTM 413.

Untuk menentukan nilai STC dari suatu panel partisi, grafik hasil pengukuran TL

dibandingkan dengan kurva-kurva STC standar, kurva ini didefinisikan oleh 3 bagian kurva

yaitu:

1. Bagian pertama adalah garis yang meningkat sebesar 15 dB dari frekuensi 125 Hz -

400 Hz.

2. Bagian kedua adalah garis yang meningkat sebesar 5 dB dari frekuensi 400 Hz- 1250

Hz.

3. Bagian ketiga adalah garis yang horizontal dari frekuensi 1250 Hz - 4000 Hz.

Kurva STC standard-N, sebagai contoh STC-25, merupakan kurva STC standard dimana nilai

N adalah pada band frekuensi 500 Hz. Sebagai contoh aproksimasi dari kurva standard STC

dapat dilihat pada tabel 1.

f (Hz) STC-N STC-25

125 N – 15.7 9.3

160 N – 13.8 10.2

200 N – 11.6 14.4

250 N – 8.8 16.2

315 N – 5.3 19.7

400 N – 0.6 24.3

500 N 25

630 N + 0.7 25.7

800 N + 1.7 26.7

1000 N + 3 28

1250 N + 4.4 29.4

1600 N + 4.4 29.4

2000 N + 4.4 29.4

2500 N + 4.4 29.4

3150 N + 4.4 29.4

4000 N + 4.4 29.4

Tabel 1. Aproksimasi Kurva Standard STC-N dan N-25

Setelah memiliki kurva standar, perhitungan STC sebuah partisi/dinding panel dimulai

dengan memplot hasil dari 1/3 octave band TL (setelah dibulatkan keatas atau kebawah pada

bilangan bulat terdekat) lalu dibandingan dengan kurva-kurva standard STC. Diusahakan

agar perbandingan dimulai dari nilai STC-N yang cukup besar, kemudian turun tiap 1 dB

menjadi STC N-1, dan seterusnya, sehingga hasil TL pengukuran dan STC standard

memenuhi syarat sebagai berikut:

1. Selisih antara data TL yang berada dibawah kurva STC standar pada tiap band

frekuensi tidak boleh lebih besar dari 8 dB.

2. Total selisih antara data TL yang berada dibawah kurva STC standard pada seluruh

band frekuensi tidak boleh lebih besar dari 32 dB.

Suatu panel partisi, diharapkan memiliki nilai STC yang setinggi-tingginya, sehingga nilai

STC dari suatu partisi harus semaksimum mungkin, selama masih memenuhi kedua syarat di

atas. Sebagai contoh pada tabel 2, harga TL suatu panel partisi gypsum dibandingkan dengan

kurva STC-25 dan STC-26:

f (Hz) TL Gypsum STC-25 Selisih STC-26 Selisih

125 11 9.3 -1.7 10.3 -0.7

160 14 11.2 -2.8 12.2 -1.8

200 15 13.4 -1.6 14.4 -0.6

250 15 16.2 1.2 17.2 2.2

315 21 19.7 -1.3 20.7 -0.3

400 21 24.4 3.4 25.4 4.4

500 21 25 4 26 5

630 23 25.7 2.7 26.7 3.7

800 23 26.7 3.7 27.7 4.7

1000 24 28 4 29 5

1250 26 29.4 3.4 30.4 4.4

1600 28 29.4 1.4 30.4 2.4

2000 28 29.4 1.4 30.4 2.4

2500 28 29.4 1.4 30.4 2.4

3150 29 29.4 0.4 30.4 1.4

4000 27 29.4 2.4 30.4 3.4

Jumlah 29.4 41.4

Tabel 2. Penentuan Nilai STC Gympsum dengan Perbandingan nilai TL

Dari tabel di atas, dapat disimpulkan bahwa partisi bahan X memiliki nilai STC-25 dan nilai

tersebut adalah nilai maksimum karena telah melewati batas pada saat dibandingkan dengan

STC-26.

IV. Prosedur Percobaan

1. Siapkan alat-alat yang digunakan untuk pengukuran dan,alat-alat yaitu : ADC-BSWA,

2 buah microphone, sumber suara, signal amplifier, kalibrator, dan CPU serta

Analyzer yang telah ter-install.

2. Sesuai dengan skema pengukuran, tempatkan masing-masing alat pada posisi-posisi

yang dibutuhkan. Khususnya Microphone, karena dibutuhkan 8 microphone untuk 1

kali pengukuran, dan keterbatasan alat yang dimiliki maka kita harus melakukan

pengulangan sebanyak 4 kali.

3. Tentukan posisi-posisi microphone pada ruang sumber dan ruang penerima, berikan

tanda pada lantai ruang dengung mini. Tempatkan posisi-posisi tersebar pada seluruh

bagian ruang, dengan jarak min. 70 cm dari dinding terdekat dan 70 cm dari sumber

suara ( karena keterbatasan dimensi ruang 70 cm diambil, namun pada kebutuhannya

min 100 cm harus diambil untuk kebutuhan ini).

4. Tempatkan sumber suara pada pojok ruangan, hal ini dilakukan untuk menempatkan

microphone diluar medan dekat sumber suara dan memperluas range medan diffus.

5. Uji seluruh perangkat telah bekerja dengan baik, dengan memastikan perangkat lunak

untuk analyzer dan sound generation telah bekerja dengan baik.

6. Lakukan kalibrasi untuk kedua microphone.

7. Pasang sampel uji pertama pada tempat yang telah ditentukan, minta petunjuk dari

asisten untuk pemasangan sampel uji ini.

8. Jika seluruh setting telah berjalan dengan baik, nyalakan sumber suara pada ruang

sumber dengan menggunakan signal white noise.

9. Ukur dan rekam SPL pada setiap titik ukur dalam ruang sumber dan penerima (L1,L2)

untuk kondisi sumber yang sama, dalam rentang frekuensi 125 ~ 4000 Hz dengan

filter 1/3 oktaf. Untuk perhitungan nantinya, gunakan Leq selama 20 s untuk L1 dan

L2.

10. Karena keterbatasan jumlah microphone, pindahkan titik-titik pengukuran, dengan

tidak mematikan sumber suara, gunakan earmuff untuk keamanan.

11. Jika seluruh titik telah dilakukan pengukuran, maka selanjutnya dilakukan

pengukuran waktu dengung. matikan sumber suara dan juga amplifiernya, kemudian

pindahkan sumber suara ke ruang penerima, sambungkan kembali ke amplifier.

12. Ukur waktu dengung (T60) pada setiap titik ukur dalam ruang penerima, dalam

rentang rentang frekuensi 125 ~ 4000 Hz dengan filter 1/3 oktaf. Gunakan metode

TSP (Time Stretched Pulse) pada pilihan impulse response, sampling rate 44100, dan

measure time 2.972s.

13. Ulangi langkah percobaan 1-11 untuk jenis partisi bahan yang berbeda.

14. Ambil data-data pengukuran dan data impulse response dari salah satu titik

pengukuran.

V. Tugas Analisis

1. Dengan menggunakan metoda prediksi Sharp, tentukan berapa TL dari masing-

masing panel partisi.

2. Untuk masing-masing panel, tentukan eqL tiap-tiap titik di sisi sumber dan sisi

penerima.eqL dalam tiap band frekuensi. Kemudian pada tiap ruang tentukan nilai

rata-rata 1L dan 2L (rata-rata logaritmik).

3. Untuk masing-masing panel, tentukan T60 untuk band frekuensi. kemudian untuk ke

4 titik tentukan nilai rata-rata 60T .

4. Untuk masing-masing panel, hitung harga TL dan tentukan nilai STC untuk setiap

partisi yang diuji. Bandingkan kedua TL dan STC dari masing-masing panel partisi.

5. Lakukan kembali langkah 1-3 dengan tidak mengambil nilai rata-rata, ambil titik yang

terjauh dari panel partisi. Bandingkan antara TL dan STC yang dirata-ratakan.

6. Bandingkan hasil pengukuran dengan hasil prediksi dari Sharp, jika terdapat

perbedaan, berikan penjelasan mengenai perbedaan tersebut.

7. Dari kedua hasil pengukuran TL, berikan analisis perbandingan kedua panel tersebut.

8. Sebagai tugas analisis tambahan dengan impulse respons yang didapatkan dari

analyzer, hitung T60 pada salah satu titik pengukuran.

VI. Tugas Pendahuluan

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan peristiwa-peristiwa perambatan gelombang

suara berikut ini:

Refleksi

Difusi

Refraksi

Defraksi

Absorbsi

Transmisi

2. Jelaskan apa yang disebut dengan ruang dengung, sebutkan perbedaan antara

reverberant field dan diffuse field.

3. Jelaskan parameter-parameter apa saja yang penting dalam mendesain sebuah panel

tunggal untuk mencapai nilai TL yang tepat.

4. Apa yang dimaksud dengan frekuensi critical pada peristiwa transmisi suara melalui

sebuah panel tunggal.

5. Apa yang dimaksud dengan T20, T30, dan T60 (waktu dengung) dan bagaimana

hubungan antara ketiganya? Bagaimana cara mengukur waktu dengung tersebut

dalam suatu ruangan?

VII. Daftar Pustaka

1. D.A Bies, C.H Hansen. “Engineering Noise Control: Theory and Practice”.4th

Edition, Spoon Press, 2009.

2. F. Fahy, "Foundation of Engineering Acoustics", Academic Press, San Diego, 2003.

3. H. Kuttruff, "Room Acoustics", 5th Edition, Spoon Press, 2009.