Mata Kuliah Instrumentasi Akustik (IK5200)
Rifqi Ikhwanuddin (23315304)
Institut Teknologi Bandung, 6 Mei 2017

A. Pendahuluan

Pada tugas ini akan diulas artikel berjudul “New Measurement Technique for 3D Sound Characterization in Theatres” oleh Angelo Farina dari Universitas Parma dan Lamberto Tronchin dari Universitas Bologna, Itali. Artikel ini disajikan dalam konferensi The Acoustics of Ancient Theatres Conference di Patras pada September 2011.

Artikel ini mengangkat isu metode baru pengukuran untuk menangkap fenomena atau properti tiga dimensi (3D) di medan bunyi. Sementara di tahun-tahun belakangan lebih umum dikenal metode pengukuran monoaural ataupun binaural, yang melibatkan mikrofon omnidirectional dan boneka kepala (dummy head). Definisi dan teknik pengukuran 3D kian berkembang disebabkan yang pertama oleh kebutuhan akan pengukuran properti spasial ruang teater atau auditorium dan kedua karena kapabilitas komputasi pengolahan sinyal yang juga semakin mumpuni.

Merujuk pada standar pengukuran yang sudah berlaku yaitu ISO 3382/1:2009 [1] misalnya, informasi spasial dapat diperoleh melalui parameter IACC, LE, dan LF, meski demikian itu semua terdiri dari 2 channel saja. Pengukuran respons impuls 3D langka dilaksanakan, pada artikel yang diangkat ini akan berisi prosedur inovatif untuk pengukuran dan analisis informasi spasialnya [2].

B. Prinsip Kerja (Fisis) Metode Standar

Percobaan untuk menangkap informasi spasial di dalam teater dituntaskan dengan metode-metode berikut:

  1. Boneka kepala binaural
    Prinsip teknik ini adalah penggunaan dua mikrofon yang berjarak sejauh telinga manusia sebenarnya. Selain itu, peletakan mikrofon dari dalam kepala boneka memungkinkan melibatkan fungsi transfer berupa fisik bentuk kepala dan dada manusia. Dibandingkan pengukuran menggunakan mikrofon omnidirectional biasa, pada teknik boneka kepala binaural ini menghasilkan koreksi hasil pengukuran yang lebih mirip terhadap bagaimana manusia menerima bunyi-bunyi yang datang. Informasi spasial diperoleh dari Interaural Time Difference (ITD) dan Interaural Level Difference (ILD) yang amat dipengaruhi oleh perilaku pada komponen frekuensinya.

    Gambar 1. Contoh model boneka kepala pada teknik binaural. [3]
  2. Sepasang mikrofon cardioid dengan konfigurasi ORTF
    ORTF (yang juga dikenal sebagai Side-Other-Side) adalah teknik konfigurasi mikrofon untuk merekam bunyi secara stereo. ORTF merupakan kependekan dari Office de Radiodiffusion Télévision Française yang dicetuskan Radio Prancis pada tahun 1960. Aturan ORTF ini ditetapkan dengan memberi jarak dua mikrofon identik memisah pada 110 derajat sejauh 17 cm.

    Gambar 2. Setup ORTF. [4]
  3. Mikrofon ambisonik dari Soundfield
    Mikrofon ambisonik diperkenalkan oleh Gerzon pada tahun 1970-an. Prinsip ambisonik adalah menangkap bunyi dari 4 arah berbeda yang disebut A-Format. Jika medan suara di dalam ruang menurut mikrofon dapat terwakili oleh 6 jenis bidang seperti pada kubus: Front-Back, Left-Right, Down-Up, maka A-Format yang berupa 4 channel terdiri dari 4 mikrofon ditata secara tetrahedron: FLU, FRD, BLD, dan BRU (lihat Gambar 4).

    Gambar 3. Konfigurasi mikrofon secara tetrahedron (A-Format). [5]

    Gambar 4. Sistem referensi kartesian antropometrik (ISO 2631). [5]

    Penggunaan A-Format tidak begitu fleksibel, untuk itu sinyal 4 channel ini harus diubah menjadi B-Format yang terdiri dari 1 channel omnidirectional (W) dan 3 channel dengan pola “angka delapan” yang merupakan orientasi terhadap sistem kartesian X, Y, dan Z. B-Format ini dikenal juga sebagai Ambisonik Orde Pertama (First Order Ambisonics, FOA). Ambisonik orde pertama ini dikembangkan dari serial spherical harmonics orde nol dan satu. Contoh komposisi FOA dapat disaksikan pada Gambar 5 di bawah ini.

    Gambar 5. Ambisonik Orde Pertama. [6]

C. Prinsip Kerja (Fisis) Metode Baru

Sistem pengukuran yang baru menggunakan Spherical Microphone Array (SMA) yang dilengkapi dengan 32 kapsul mikrofon, tersusun di dalam sphere kecil berdiameter 80 mm. Sistem yang disebut Eigenmike™ ini sudah termasuk preamplifier, A/D converter, serta chipset audio-ethernet. Setup sensor semacam ini memungkinkan untuk mengukur respons impuls 3D yang multichannel, yang juga menyediakan resolusi spasial lebih detil daripada metode-metode yang sudah ada belakangan (sebelum tahun 2011).

Gambar 6. Posisi kapsul dan pola direktivitas 3D virtual microphone. [2]

Dari sistem ini mikrofon virtual dapat disintesis secara real time hingga 7 buah virtual mikrofon. Ia juga dapat dikendalikan menggunakan mouse/joystick untuk mengikuti sumber suara selama proses perekaman secara real time, melakukan zoom in atau zoom out, atau dengan mengubah ketajaman pola direktivitasnya. Pola ini dipilih di antara mikorofon-mikrofon cardioid dari berbagai orde, dengan formula:

Q_n (ϑ,φ)=[0.5+0.5∙cos⁡(ϑ)∙cos⁡(φ)]^n

di mana n orde direktivitas mikrofon, lihat Gambar 6.

Gambar 7. Spherical microphone array: Eigenmike. [7]

D. Fungsi & Aplikasi Sistem Baru

Fungsi dan aplikasi sistem SMA/3D microphone ialah untuk mengukur 3D impulse response (IR) suatu ruang, yang selanjutnya menurut artikel ini hasil 3D IR akan digunakan untuk sistem reproduksi suara 3D (auralisasi).

E. Kelebihan Sistem Baru

Untuk mengetahui kelebihan sistem baru mula-mula harus dibedah kekurangan pada sistem pengukuran yang lama. Dikarenakan tujuan pengembangan sistem pengukuran adalah mendapatkan informasi spasial yang lebih detil secara 3D, pengukuran menggunakan mikrofon binaural dan konfigurasi ORTF jelas tidak memadai. Selanjutnya mikrofon Soundfield sebenarnya sudah cukup mewakili pengukuran 3D itu sendiri. Sebagaimana diketahui sinyal W adalah parameter monoaural biasa yang cukup baik karena ia omnidirectional, sinyal Y menyediakan sinyal figure-of-eight yang dibutuhkan untuk menghitung parameter LF, dan dua sinyal lain X & Z dapat digunakan untuk membuat ulang 3D soundscape di sebuah lingkungan laboratorium dengan basis ambisonik orde pertama.

Namun demikian, teknologi ambisonik orde pertama masih terlalu dasar, konsekuensinya adalah hasil reproduksinya tidak berhasil membangun sensasi spasial yang bagus bagi pendengar. Sebenarnya solusi dari penggunaan mikrofon Soundfield ini ialah dengan menaikkan sistem ke ambisonik orde lebih tinggi, yang mana akan membutuhkan lebih banyak sinyal (multichannel) sesuai ekspansi orde ambisonik ke-3 atau ke-4.

Meskipun ambisonik orde lebih tinggi mungkin bisa bekerja dengan baik dengan sinyal-sinyal yang disintesis, hasil rekaman dari ambisonik orde lebih tinggi ini menampakkan masalah lain: ketika direktivitas pola harmonik menjadi tinggi maka rasio S/N turun pada frekuensi rendah, serta akurasi spasial pada pola tersebut berantakan di frekuensi tinggi, konsekuensinya bandwidth yang bisa digunakan berkurang menjadi kurang dari satu octave band saja.

Sistem yang baru dapat bekerja untuk secara langsung mengukur 3D impulse response, 32 mikrofon tersebut mampu menghadirkan 7 mikrofon virtual secara real time dan dapat diubah-ubah arah dan pola direktivitasnya. Kelebihan lain jika memilih untuk post-processing menggunakan aplikasi Matlab maka sistem ini mampu menciptakan 32 mikrofon virtual sekaligus dengan pola direktivitas tetap (cardioid orde 6) dan konfigurasi arahnya adalah sama persis sebagaimana 32 mikrofon fisik ditata dan diarahkan dalam wadah sphere.

Secara intuitif, informasi spasial yang diperoleh dari spherical microphone array ini lebih lengkap dengan aperture angular yang hampir konstan. Spasial sampling semacam ini dapat dianggap sebagai “PCM sampling” yang mana prinsipnya adalah mewakili sampel sinyal analog dengan sinyal digital. Sementara itu sampling tradisional pada spherical harmonics yang menerapkan ambisonik orde lebih tinggi dapat dianggap sebagai “Fourier sampling”.

Selanjutnya representasi data melalui post-processing terdapat banyak hal yang bisa dilakukan seperti membuat analisis grafis menggunakan foto pano equirectangular yang merupakan representasi visual 360 derajat. Sebagaimana ditunjukkan Gambar 8 berikut, masing-masing mikrofon mewakili satu area dari foto pano. Selanjutnya di Gambar 9 kita bisa membuat analisis untuk “melihat” arah datang semisal bunyi pantulan dari seluruh penjuru ruang.

Gambar 8. Terdapat 32 titik mikrofon virtual diilustrasikan menunjuk ke segala arah dengan foto pano equirectangular Colosseum, Roma. [2]

Gambar 9. Video yang menunjukkan arah datang bunyi pantul dari dinding. [2]

Selain itu untuk sistem reproduksinya masing-masing virtual microphone dapat dikirim ke speaker array satu persatu.

F. Kekurangan Sistem Baru

Kekurangannya mungkin dari sisi ketersediaan alat dan bahan. Biaya pengadaan mikrofon 3D Eigenmike ini mencapai 22.000 USD, harga tahun 2015. Secara prinsip post-processing akan menggunakan MATLAB, mungkin bagi sebagian orang yang belum familiar dengan ini akan merasa kesulitan sehingga menjadi kekurangan sistem. Interface yang lebih bersahabat dan menarik masih dibutuhkan. Tidak hanya interface post-processing-nya, keindependenan software juga belum ada karena software ini tidak berjalan secara mandiri. Untuk menggunakan sistem pengukuran ini harus memastikan dulu memiliki lisensi MATLAB dulu.

G. Daftar Pustaka

  1. Standard, I.S.O., 2009. 3382-1: 2009. Acoustics—Measurement of room acoustic parameters—Part, 1.
  2. Farina, A. and Tronchin, L., 2011, September. New Measurement Technique For 3d Sound Characterization In Theatres. In Conference on The Acoustics of Ancient Theatres, Patras, Greece.
  3. Redmond, B., 2016. Diving into new sound dimensions with binaural recording. The B-Side.
  4. ORTF stereo technique - Wikipedia [WWW Document], n.d. URL https://en.wikipedia.org/wiki/ORTF_stereo_technique (accessed 4.25.17).
  5. A-format to B-format conversion [WWW Document], n.d. URL http://pcfarina.eng.unipr.it/Public/B-format/A2B-conversion/A2B.htm (accessed 4.25.17).
  6. True-Multichannel-Mixing - Ambisonics [WWW Document], n.d. URL https://uod-true-multi-channel-mixing.wikispaces.com/Ambisonics (accessed 4.25.17).
  7. Séparation de sources appliquée à un contenu ambisonique : localisation et extraction des champs directs [WWW Document], n.d. . ResearchGate. URL https://www.researchgate.net/publication/301349833_Separation_de_sources_appliquee_a_un_contenu_ambisonique_localisation_et_extraction_des_champs_directs (accessed 4.25.17).