Kendali derau aktif

Sistem kendali derau aktif (bahasa Inggris: active noise control, ANC) merupakan suatu teknologi yang berguna untuk menghilangkan derau suara yang tidak diinginkan. Prinsip kerjanya adalah dengan menghasilkan gelombang frekuensi yang berkekuatan cukup untuk menetralkan sinyal gelombang frekuensi derau dari sumber suara. Lingkungan pekerjaan yang menggunakan teknologi dengan prinsip mekanis, terutama di bidang perpabrikan, penyiaran, dan transportasi, akan selalu terlibat dengan derau berfrekuensi tinggi. Terkait dengan kesehatan dan keselamatan kerja, ANC berperan dalam meredam derau-derau tersebut sehingga lingkungan kerja (ataupun komersial) tidak menimbulkan kerusakan, baik bagi manusia maupun objek lainnya.

Penjelasan

Suara adalah gelombang primer yang terdiri dari fase rapat dan renggang. Sebuah speaker penghilang derau mengirim gelombang suara yang memiliki amplitudo sama, tetapi dengan fase yang terbalik terhadap suara aslinya. Gelombang derau ini bertemu dan membentuk sebuah gelombang baru dalam proses interferensi, lalu saling meredam secara efektif. Efek peredaman ini merupakan suatu fase tersendiri. Tergantung pada kondisi dan metode yang digunakan, gelombang suara baru yang dihasilkan akan dapat berkekuatan sangat lemah hingga tidak terdengar oleh telinga manusia.

Untuk meredam suara, sebuah speaker penghilang derau dapat diletakkan berhadapan dengan sumber suara. Dalam kasus ini, speaker tersebut harus memiliki tingkat kekuatan suara yang sama dengan sumber suara yang tidak diinginkan. Selain cara tersebut, transduser yang menimbulkan sinyal peredaman juga dapat diletakkan pada tempat di mana peredaman suara diinginkan, seperti telinga pengguna. Hal ini memerlukan kekuatan peredam yang lebih kecil, tetapi hanya efektif bagi satu pengguna saja. Penghilang derau pada tempat-tempat lainnya menjadi lebih sulit karena gelombang yang bergerak ke berbagai arah dan sinyal peredam dapat bergabung dan membuat gelombang interferensi yang malah memperkuat ataupun merusak suara.

ANC modern dilakukan dengan menggunakan komputer, yang menganalisis bentuk gelombang derau, lalu menciptakan bentuk gelombang sinyal terbalik untuk menghilangkannya dengan proses interferensi. Bentuk gelombang ini identik, memiliki amplitudo yang sama persis dengan gelombang kebisingan aslinya, tetapi sinyalnya terbalik. Hal ini menciptakan interferensi perusak yang mengurangi amplitudo derau yang diterima.

Metode aktif ini berbeda dengan penghilangan derau pasif yang tidak menggunakan listrik, seperti insulasi, langit-langit peredam suara, atau knalpot mobil. Metode pasif ini memiliki kekurangan pada sifatnya yang hampir menutupi dan menghambat total semua aliran udara dan suara.

Keuntungan metode kontrol kebisingan aktif dibandingkan pasif adalah:

• Lebih efektif dalam frekuensi rendah
• Tidak memakan banyak tempat
• Dapat memblokir suara secara selektif

Penjelasan

Gelombang suara adalah rambatan energi dari suatu sumber yang berosilasi, melalui proses rapat dan renggang molekul-molekul udara atau medium penghantar gelombang suara sebagai akibat dari osilasi sumber suara. Gelombang suara dapat berbentuk sinyal sinusoidal seperti misalnya suara nada tunggal atau sinyal kompleks seperti misalnya wicara atau bising. Pengendalian Bising Aktif atau Active Noise Control (ANC) adalah pengendalian sinyal bising dengan cara membangkitkan sinyal bising yang sama (sinyal bising sekunder) tapi dengan fase yang berbeda 180 derajat dari sinyal bising yang hendak dikendalikan (sinyal bising primer). Interferensi antara sinyal bising primer dan sekunder tersebut menyebabkan terjadinya peristiwa saling menghapuskan atau kanselasi (cancelation) antara keduanya sehingga diharapkan bising primer dapat dihilangkan. Peristiwa kanselasi tersebut sering tidak terjadi secara ideal sehingga masih diperoleh residu sinyal bising walaupun dengan amplitudo yang rendah. Metode kanselasi gelombang untuk pengendalian bising aktif dipengaruhi oleh banyak hal, antara lain arah rambatan atau fase gelombang primer dan sekunder, kandungan frekuensi dalam sinyal bising primer, serta fluktuasi sinyal bising terhadap waktu.

Aplikasi prinsip dasar ANC membutuhkan perangkat pengendali elektronik dasar yang terdiri dari mikropon penangkap sinyal bising primer, pengendali fase, penguat dan loudspeaker sinyal bising sekunder dan mikropon kesalahan untuk mengoreksi pengendali fase sedemikian sehingga interferensi sinyal bising primer dan sekunder menghasilkan residu bising minimum.

Dalam perkembangannya sistem pengendali adaptif mulai diperkenalkan dan semakin disempurnakan untuk menghasilkan kinerja maksimum. Sampai saat ini beberapa kesulitan masih dihadapi para peneliti dalam mengaplikasikan ANC terhadap bising dengan kandungan frekuensi lebar (broad band) atau pada area yang luas (out door). Walaupun demikian, prinsip pengendalian bising ANC ini dianggap sangat menjajnjikan dikemudian hari karena beberapa alasan, antara lain,

• ringan dan hanya memerlukan peralatan elektronik yang relatif kompak
• mudah dipasang pada tempat-tempat yang relatif sempit
• kinerja pengendalian dapat diubah atau diatur sesuai kebutuhan

Proses interferensi gelombang suara

Walaupun suara adalah gelombang yang memiliki kerapatan, masing-masing nada atau frekuensi dapat diwakili oleh gelombang sinus dengan panjang tertentu. Jika sebuah suara dari frekuensi yang sama diciptakan dengan perbedaan waktu 1 detik setelah gelombang pertama, hal ini berarti suara kedua sedikit keluar jalur dari fase suara pertama atau gelombang sinusnya. Secara grafis, gelombang yang dihasilkan akan terdapat pada amplitudo yang sama di atas dan di bawah garis tengah nol. Hal ini diilustrasikan oleh titik hijau. Garis hijau adalah gelombang sinus dari frekuensi yang sama. Frekuensi yang sama akan terdengar, tetapi suaranya akan menjadi dua kali lipat lebih keras dari aslinya. Karena frekuensinya sama, maka suara putus-putus tidak akan terdengar. Jika gelombang suara berbentuk 180° atau keluar dari fase sebanyak 1.5 kali panjang gelombang, maka gabungan dari kedua gelombang akan berada pada titik nol. Mereka akan menghilangkan satu sama lain dan tidak akan ada suara.

Kata-kata yang diucapkan terdiri dari spektrum frekuensi dari amplitudo yang berbeda-beda. Hal ini berarti untuk menghilangkan masing-masing gelombang, perlengkapan elektronik yang digunakan harus mampu menyaring tiap frekuensi secara terpisah, menentukan frekuensinya, menciptakan frekuensi dan amplitudo yang keluar dari fase sebanyak 180°, dan lalu menambahkannya ke suara aslinya. Karena terdapat banyak sekali frekuensi dan fraksinya dalam beberapa jenis suara, mustahil untuk menghilangkan kesemuanya dengan metode ini. Alih-alih, perlengkapan elektronik menyeleksi sejumlah pita frekuensi dan merata-ratakan hasilnya. Hal ini cukup berhasil dalam menghilangkan derau yang mengganggu, tetapi belum 100%.

Penerapan

Penerapan ANC dapat berupa 1-dimensional ataupun 3-dimensional, tergantung tipe zona seperti apa yang perlu dilindungi. Suara periodik, serumit apapun gelombangnya, lebih mudah dihilangkan dibandingkan suara acak repetitif.

Perlindungan 1-dimensional lebih mudah dan hanya memerlukan beberapa mikrofon dan speaker agar efektif. Beberapa aplikasi komersial yang berhasil diterapkan antara lain: noise-cancelling headphone, active muffler, dan peredam derau dalam saluran ventilasi. Istilah 1-dimensional merujuk kepada hubungan garis lurus antara derau dan speaker aktif (peredam derau mekanis) atau antara speaker aktif dan pendengar (headphone)

Perlindungan 3-dimensional membutuhkan banyak mikrofon dan speaker, sehingga membuatnya kurang efektif dalam hal biaya. Masing-masing speaker cenderung untuk berinterferensi dengan speaker terdekat sehingga menghambat keseluruhan kinerja sistem. Reduksi kebisingan lebih mudah dicapai apabila seseorang tidak bergerak dari ruangan tempat dia berada, tetapi jika terdapat seorang atau beberapa pendengar yang terus bergerak, maka hal ini akan menjadi tantangan yang lebih sulit. Gelombang frekuensi tinggi sulit direduksi dalam zona 3-dimensional karena relatif pendek dan singkat. Derau yang mengganggu pada 1.000 Hz dan berjarak dua kali lipat dari jarak antara kedua telinga manusia, akan dapat direduksi dengan mudah dari arah depan. Namun jika didatangkan dari arah samping, maka salah satu telinga akan mendengar derau yang lebih keras, alih-alih melembut.

Suara berfrekuensi tinggi cenderung menghilang dan menguat tanpa dapat diprediksi dari berbagai arah. Maka sebaliknya, reduksi derau paling efektif dalam 3-dimentional adalah pada suara berfrekuensi rendah. Aplikasi komersial dari reduksi derau 3-dimensional dapat ditemukan pada kabin pesawat terbang dan interior mobil. Utamanya, perlindungan ini menghilangkan kebisingan repetitif (ataupun periodik) dari mesin atau baling-balingnya.

Referensi

• Elliott, S.J., & Nelson, P.A. (1993). Active Noise Control. Signal Processing Magazine, IEEE, 10, 12-35. doi:10.1109/79.248551
• Kastenhuber, K. (2009). Active Noise Control. Graz University of Technology, Austria: Signal Processing and Speech Communication Lab.
• Kuo, S.M, & Morgan, D.R. (1999). Active Noise Control: A Tutorial Review. Proceedings of the IEEE, 87, 943-972.
• Putra, G.P. (2011). Signaling sebagai Upaya Peningkatan Kemampuan Komunikasi Manusia. Communication Technology Development 2011: Response Paper no.2. diambil dari http://www.waena.org/index.php?option=com_content&task=view&id=6199&Itemid=53
• Pawelczyk, M. (2008). Active Noise Control. Advances in Acoustics and Vibration, Article ID 350943, 1-2. doi:10.1155/2008/350943

Pranala luar

• Chris Ruckman's ANC FAQ
• Lesson by Ron Kurtus on Active Noise Cancellation