Akustik Pendengaran dan Perancangan Akustik Ruang

Akustik Pendengaran dan Perancangan Akustik Ruang

Oleh: Robitson Ayub Aritonang (13315063)

Teknik Fisika, ITB

Akustik Pada Telinga Manusia

Telinga merupakan salah satu organ tubuh yang dimiliki oleh manusia, dan berfungsi sebagai indera pendengaran. Namun, selain berfungsi sebagai indera pendengaran, telinga juga berperan dalam menjaga keseimbangan tubuh manusia.

Dalam menjalankan perannya sebagai indera pendengaran, telinga memiliki batas2 frekuensi, yakni diantara 20 hz sampai dengan 20.000 hz, dimana diluar dari rentang tersebut telinga manusia tidak memiliki kepekaan untuk mendengarnya.

Telinga manusia sendiri terdiri/tersusun dari berbagai bagian diluar dan dalamnya, yang memiliki fungsinya masing-masing dalam proses pendengaran. Bagian-bagian tersebut dibagi menjadi 3 bagian utama, yakni antara lain :


1. Telinga bagian luar

Bagian telinga luar ini terdiri dari daun telingga atau pinna, liang telinga atau meatus auditorius eksternus, dan juga gendang telinga atau membrane timpani. Setiap bagian tersebut memiliki fungsinya masing-masing, seperti pinna yang berfungsi untuk menangkap gelombang suara dan membedakan arahnya, hal ini memungkinkan karena berkenaan dengan bentuk dari pinna sendiri yang mendukung dan kompleks. Kerusakan pada pinna biasanya berupa kerusakan fisik yang jelas seperti luka dan sejenisnya, dimana akibat dari kerusakan ini biasanya adalah rasa sakit dan juga tidak nyaman, namun tidak sampai signifikan mengganggu pendengaran.

Kemudian bagian meatus auditorius eksternus berfungsi sebagai saluran yeng meneruskan gelombang suara ke bagian yang lebih dalam dari telinga, yakni ke bagian membran timpani/gendang telinga. Bagian meatus auditorius eksternus ini merupakan hasil susunan dari tulang rawan yang diselimuti kulit. Pada bagian ini juga terdapat rambut-rambut halus yang berfungsi sebagai filter telinga, juga terdapat kelenjar yang menghasilkan cairan seperti lilin yang biasa disebut sebagai kotoran telinga. Kerusakan pada bagian ini biasanya berupa peradangan akibat yang disebut otitis eksterna, dimana penyebab dari peradangan ini adalah kebiasaan mengorek-ngorek telinga dengan salah. Untuk itu, sebaiknya dihindari terlalu sering membersihkan telinga dengan cara mengorek-ngoreknya.

Kemudian bagian terdalam dari telinga luar adalah membrane timpani atau yang biasa kita kenal dengan gendang telinga. Fungsi utama gendang telinga ini adalah memberi/melanjutkan stimulus ke bagian lain yang lebih dalam (bagian telinga tengah). Stimulus ini berasalah dari getaran pada gendang telinga yang dihasilkan oleh gelombang suara yang telah diamplifikasi di bagian meatus auditorius eksternus.  Kerusakan pada bagian membrane timpani atau gendang telinga biasanya disebabkan akibat getaran suara yang memiliki tekanan yang terlalu besar. Gendang telinga memiliki batas ambang elastisitanya, sehingga ketika gendang telinga digetarkan oleh sebuah gelombang suara yang memiliki tekanan terlalu besar, dapat menyebabkan elastisitas semakin berkurang, dan menyebabkan ke tuli an (baik sementara maupun permanen). Tuli sementara yang diakibatkan berkurangnya elastisitas gendang telinga dapat pulih dengan mengistirahatkan sementara telinga dari kegiatan-kegiatan pendengaran, sedangkan untuk tuli permanen, dapat dilakukan tindakan dengan memasan Alat Bantu Dengar (ABD), yang bekerja dengan mengamplifikasi bunyi yang ada disekitar.

2. Telinga Bagian Tengah

Bagian telinga tengah merupakan rongga udara yang terdapat dibelakang gendang telinga, dimana meliputi 3 jenis tulang pendengaran, yakni martil/malleus, landasan/incus dan sangurdi/stapes, serta ujung saluran eustachius. Posisi malleus menempel pada membrane timpani sedangkan stapes menempel pada oval window yang merupakan gerbang menuju koklea yang berisi cairan. Getaran dari gendang telinga akan diteruskan ke tulang pendengaran dan masing-masing tulang pendengaran akan saling meneruskan getaran, hingga ke tulang pendengaran terakhir, yakni sangurdi yang merupakan tulang terkecil di tubuh manusia. Tulang sangurdi akan meneruskan geteran ke koklea.

Gangguan atau kerusakan yang biasa terjadi di bagian telinga tengah ini adalah peradangan atau infeksi yang disebut otitis media. Juga dapat terjadi tuli sementara, ketika tekanan udara diluar berubah seketika dan berbeda dengan tekanan udara di dalam rongga udara telinga tengah. Namun hal ini bisa diatasi dengan mengunyah sesuatu atau menguap.

3.  Telinga Dalam

Telinga dalam berbentuk labirin, dan terdiri dari labirin tulang dan labirin membrane. Labirin tulang telinga terbagi menjadi beberapa bagian, yaitu koklea, vestibula, dan kanal semisirkular. Pada koklea, terdapat organ korti yang didalamnya terdapat sel-sel rambut yang menjadi reseptor getaran. Kemudian vestibula tersusun dari sakula dan utrikula yang disusun oleh sel rambut bernama macula acustika. Kanal semisirkular merupakan saluran setengah lingkaran yang terdiri dari 3 saluran semisirkular yakni horizontal, vertical depan dan vertical belakang.

Pada telinga dalam ini juga terdapat sara-saraf akustika. Kerusakan yang dapat terjadi pada bagian telinga dalam ini seperti neuroma akustik, yakni tumor yang terjadi pada bagian telinga dalam, yang menganggu bagian sekitarnya, dengan gejala vertigo dan hilangnya pendengaran. Namun hal ini dapat ditanggulangi dengan melakukan operasi pengangkatan.

Proses Pendengaran 

Untuk proses pendengaran, Suara dari berbagai sumber di sekeliling telinga kita akan dikondisikan daun telinga (Pinna) agar semuanya memliki keterarahan yang sama untuk masuk daun telinga. Hal ini merupakan penyebab manusia mampu mengetahui dari mana arah datangnya suara yang mereka dengar. Kemudian setelahnya gelombang dengan frekuensi 2000-5000 Hz akan diamplifikasi melalui resenonansi di rongga telinga kita (meatus -> gambar 1) hingga 10-15 dB.

Dengan amplifikasi seperti tersebut maka gelombang akustik akan cukup kuat untuk menggetarkan gendang telinga kita (gambar 2). Gendang telinga akan bergerak maju mundur selaras dengan datangnya tekanan suara. Karena memiliki beban tekanan suara yang hampir terjadi setiap saat, gendang telingan semacam memiliki elastisitasya yang tergantung tekanan suara yang diperolehnya. Hal inilah yang kemudian digunakan sebagai batas ambang aman pendengaran manusia di area lingkungan bising. Gendang telinga manusia memiliki kemampuan elastisitas yang sangat dipengaruhi besarnya tekanan suara yang diperoleh dan lamanya waktu gendang terkena tekanan suara (dose). Apabila gendang terlalu terkena tekanan suara maka kemampuan elastisitasnya dapat menurun sehingga manusia mengalami kehilangan pendengaran (tuli sementara hingga permanen. Bergetarnya gendang telinga akan memberikan stimulus kepada bagian malleus (gambar 3) untuk membantu penyaluran informasi yang berasal dari vibrasi tekanan suara menjadi osilasi mekanik. Proses ini juga terjadi dengan penyamaan antara kedua impedansi (impedansi udara dibanding impedansi caira di koklea) di antara bagian telinga luar dan tengah. Dengan adanya impedansi yang sama, maka energi suara yang diperoleh lebih efisien sehingga informasi yang disampaikan juga lebih lengkap. Untuk memperoleh impedansi yang hampir sama, telinga dilengkapi dengan koklea (Gambar 4). Selain itu, koklea juga membantu menjaga keseimbangan tubuh kita. Setelah berubah impedansinya, proses mendengar berakhir pada membran basilus. Bagian ini berperan sebagai filter seluruh frekuensi yang ada dari suara yang kita dengar. Masing-masing rambut dari membran basilus akan menghasilkan sinyal listrik setelah berhasil mendapatkan frekuesi sesuai karakternya masing-masing. Dari kumpulan informasi yang diterima setiap frekuensi itulah informasi suara akan diolah oleh otak kita melalui kiriman sinyal-sinyal listrik membrane basilus.

Desain Akustik Ruang

Suara yang datang pada sebuah permukaan, akan mengalami pemantulan, penyerapan dan juga transmisi. Hal ini tergantung dari jenis material permukaan tersebut. Permukaan absorber adalah permukaan yang dominan menyerap suara, namun setiap material absorber memiliki nilai koef absorbernya masing-masing, dimana semakin besar nilai koefsien absorber maka semakin banyak suara yang diserap material tersebut.

Jenis-jenis material absorber antara lain :

1.       Porous Absorber

Material porous absorber menyerap energy suara melalui gesekan antara komponen kecepatan gelombang suara dengan permukaan materialnya. Bahan ini akan menyerap suara lebih besar pada frekuensi tinggi.

Contoh-contoh material porous absorber ini antara lain, karpet, korden, glasswool, foam, rockwool dll

Bahan penyerap suara ini akan menyerap energi suara lebih besar pada frekuensi rendah atau menengah, apabila jarak material ke dinding atau ketebalan material bila ditempel langsung ke dinding lebih besar daripada seperempat panjang gelombang yang ingin dikendalikan.

2.       Resonant absorber

Material tipe ini menyerap energy suara dengan mengubah energy suara menjadi getaran yang kemudia diubah menjadi energy gesek oleh material berpori yang ada didalamnya. Material jenis ini lebih sensitive terhadap tekanan dari komponen gelombang suara yang datang, sehingga material jenis ini lebih efektif jika di tempelkan lansung di dinding. Material jenis ini lebih banyak menyerap suara pada frekuensi rendah. Frekuensi resonansi bahan ini ditentukan oleh kerapatan massa dari panel dan kedalaman (tebal) rongga udara dibaliknya .

Contoh material ini adalah panel kayu tipis.

3.       Resonator Helmholtz

Efektifitas bahan penyerap suara tipe ini ditentukan dengan adanya udara yang terperangkap dalam rongga berbentuk pipa atau leher, diatas bidang berisi udara.

Contoh kasus perancangan ruang akustik :

Sebuah ruangan auditorium berukuran cukup besar (dapat menampung 400 audien/kursi) memiliki karakteristik pemantulan energy suara yang berlebihan sehingga menganggu kejelasan suara ucapan (frekuensi 125 Hz- 8kHz). Apabila anda diminta untuk merekayasa ulang material akustik absorber permukaan dalam ruangan tersebut sehingga suara ucapan bisa terdengar dengan sangat baik dan jelas tanpa system tata suara elektronik, pertimbangan apa yang akan anda ambil terkait dengan jenis material (akustik) dan posisi penempatannya?

Dalam kasus diatas, dapat kita ketahui bahwa permasalahan utamnya adalah pemantulan energy suara yang berlebihan pada frekuensi 125 Hz sampai 8Khz. Kita diminta untuk dapat memperbaiki system akustik diruang tersebut, dengan hanya merekayasa ulang material akustik absorber permukaan dalamnya, dan tanpa merubah dimensi dan bentuk dari ruang tersebut. Dan suara ucapan dapat terdengar dengan sangat baik tanpa sound system.

Maka kita dapat menggunakan material-material absorber yang paling sesuai, dimana jenis-jenis material absorber dapat kita lihat pada bagian atas.

Agar suara dapat terdengar jelas di semua sisi dalam ruangan tersebut tanpa menggunnakan sound system, maka kita harus memaksimalkan penyebaran gelombang suara utama yakni dari posisi main stage/depan, penyebaran dapat dilakukan jika gelombang suara yang berasal dari depan terpantul ke seluruh sisi ruang secara merata, untuk itu pada bagian depan, baik itu tembok dan langit-langit dapat kita buat dengan material dengan nilai absorber yang rendah, atau material dengan kecenderungan memantulkan/ reflector.

Untuk bagian tengah, dapat kita gunakan material dengan kombinasi reflector atau absorber, dengan nilai absorber yang tidak terlalu besar, agar energy suara tidak terserap seluruhnya mengingat suara juga harus sampai ke bagian belakang.

Untuk bagian belakang, kita gunakan material permukaan yang mampu menyerap suara dengan baik, yakni yang memiliki nilai absorber yang tinggi, mungkin seperti karpet, korden ataupun foam. Tergantung kebutuhan. Permukaan tembok bagian belakang juga dapat kita desain tidak rata untuk memaksimalkan pencegahan pemantulan suara.

The Coincidence effect

Pada medium udara, propagasi suara oleh gelombang longitudinal memiliki kecepatan yang sama untuk seluruh frekuensinya. Namun, jika pada struktur padat, suara akan dipropagasi dengan gelombang longitudinal, transversal, dan gelombang belok. 

Gelombang belok merupakan yang terpenting dalam sudut pandang akustik bangunan. Gelombang belok, dengan frekuensi yang berbeda akan merambat dengan kecepatan yang berbeda, dimana kecepatan akan meningkat seiring dengan frekuensi yang semakin meningkat. Ini berarti untuk setiap frekuensi yang diatas frekuensi kritis tertentu terdapat sudut datang dimana panjang gelombang belok sama dengan panjang gelombang diudara yang diproyeksikan ke dinding.

Berdasarkan frekuensi kerjanya, karakteristik transmission loss dari suatu partisi dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu stiffness control, mass control dan damping control region.

1.        Stiffness control

Transmission loss sulit dikontrol pada frekuensi rendah sehingga pada umumnya akan berosilasi.

2.        Mass control

Transmission loss pada frekuensi menengah mudah dikontrol dan akan mengalami kenaikan 6 dB per oktaf.

3.        Damping control

Pada daerah frekuensi tinggi terdapat bagian yang turun dan pada bagian minimumnya terdapa frekuensi kritis. Apabila frekuensi kritis ini tidak didamping maka, transmission loss akan semakin rendah. Apabila didamping, maka transmission loss akan mengikuti kurva.

Akustik Ruang Musik

Untuk penentuan kriteria ruang music, sebenarnya tidak baku dan cenderung subjektif dikarenakan faktor emosional dan estetika yang diikutsertakan sehingga desain ruangan music sulit ditentukan. Namun beberapa kriteria yang perlu di perhatikan, diantaranya :

1.        Intimacy

Berkaitan denfan waktu tunda datangnya suara lansung dengan suara pantulan awal yang datanf ke suatu posisi dengan  dalam ruang. Waktu tunda yang disarankan yaitu sebesar, 15-35 ms.

2.        Warmth vs Brilliance

Kedua kriteria ini ditunjukkan oleh spectrum waktu dengung ruangan. Waktu dengung yang lebih tinggi di daerah frekuensi rendah lebih disarankan untuk ruangan yang digunakan untuk kegiatan bermusik.

3.        Liveness

Berkaitan dengan persepsi subjektif pengguna terhadap waktu dengung ruangan. Ruang music memerlukan waktu dengung yang panjang, yaitu di rentang 1.7-2.2 detik.

4.        No Obvious Fauls

Ruang music yang baik seharusnya tidak terdapat gema yang berlebihan dan dead spot sehingga semua orang pada semua posisi di ruangan tersebut dapat mendengar bunyi musik.

5.        Blend

Menunjukkan bagaimana kondisi mendengar dia area pendengar. Kondisi mendengar di ruangan tersebut dikatakan baik jika seluruh sumber suara yang dibunyikan diruang tersebut tercampur dengan baik dan dapat dinikmati.

Akustik Ruang percakapan

Ruangan yang biasa dipergunakan untuk ruang percakapan misalnya adalah ruang kelas, ruang rapat, ruang pertunjukan drama dll. Untuk kriteria ruang percakapan, hal yang terpenting adalah tingkat kejelasan suara ucapan. Maka, beberapa hal yang harus diperhatikan antara lain :

1.        Bising latar belakang

Bising latar belakang adalah suara-suara yang terjadi, namun sumbernya bukan berasal dari ruangan itu, sumber latar belakang biasanya berasal dari beberapa sumber, misalnya kendaraan yang lewat, aktivitas pekerjaan disekitar ruangan, bunyi mesin-mesin disekitar seperti AC dll. Level bising yang diijinkan yaitu diantara 30-35 dB (25-30 untuk ruang percakapan yang butuh kondisi sunyi)

2.        Waktu Dengung dan dimensi ruangan

Waktu dengung ruangan memiliki pengaruh yang besar karena besaran kejelasan suara merupakan perbandingan antara energy suara yang datang ke pendengar awal 50-80 ms dengan energy total yang dirasakan dalam ruangan. Waktu dengung yang disarankan dalam ruang adalah sekitar 0,7-1 sekon, namun bergantung dari ukuran ruangan.

3.        Bahan Penyerab Suara

Bahan penyerab suara dapat menentukan waktu dengung suatu ruang. Tergantung pada luas permukaan dan volume ruang beserta bahan penyerab suara yang digunakan. Macam bahan penyerap suara dapat dilihat pada bagian material absorbsi.

1.        Geometri Ruang

Geometri ruang mempengaruhi pemantulan dalam ruangan. Berkaitan dengan posisi titik pantul dan bahan penyerap pada permukaan ruang.