resonansi

Resonansi Helmholtz merupakan peristiwa resonansi udara dalam suatu rongga. Resonator tersebut terdiri dari suatu badan yang berbentuk bola dengan satu volume udara dengan sebuah leher. Nama ini berasal dari sebuah perangkat yang diciptakan pada tahun 1850-an oleh Hermann Von Helmholtz, yang digunakan untuk menunjukkan tinggi dari berbagai nada. Sebuah Helmholtz resonator atau osilator Helmholtz adalah wadah gas (biasanya udara) dengan lubang terbuka (atau leher atau port). Sebuah volume udara di dalam dan di dekat lubang terbuka bergetar karena 'melenting' dari udara di dalamnya. Sebuah contoh umum adalah botol kosong, udara di dalam botol akan bergetar ketika ditiup bagian atasnya atau bunyi yang diciptakan ketika satu hembusan melintasi puncak satu botol kosong.

Prinsip Kerja Helmholtz Resonator

Getaran yang terjadi ini adalah karena ‘melenting‘, misalnya udara : jika udara ditekan, maka tekanannya meningkat dan cenderung untuk memperluas kembali ke volume awalnya. Ketika udara masuk ke dalam suatu rongga, tekanan di dalam meningkat gaya luar yang menekan udara menghilang, udara di bagian dalam akan mengalir keluar. Udara yang mengalir keluar akan mengimbangi udara yang ada di dalam leher. Proses ini akan berulang dengan besar tekanan yang berubah semakin menurun. Efek ini sama seperti suatu massa yang dihubungkan dengan sebuah pegas. Udara yang berada dalam rongga berlaku sebagai sebuah pegas dan udara yang berada dalam leher. Resonator yang berisi udara identik dengan sebuah massa, sebuah rongga yang yang lebih besar dengan volume udara yang lebih banyak akan membuat suatu pegas menjadi lebih lemah dan sebaliknya. Udara dalam leher yang berfungsi sebagai suatu massa, karena sedang bergerak maka pada massa terjadi suatu momentum. Apabila leher semakin panjang akan membuat massa lebih besar demikian sebaliknya. Diameter leher sangat berkaitan dengan massa udara dalam leher dan volume udara dalam rongga. Diameter yang terlalu kecil akan mempersempit aliran udara sedangkan diameter yang terlalu besar akan mengurangi momentum udara dalam leher. Penjelasan Kualitatif Dapat ditunjukkan bahwa frekuensi sudut dapat dinyatakan sebagai berikut: ( 1 )

•       γ (gamma)       =  index adiabatic atau rasio pnas spesifik

•       A               =  penampang leher

•       m               =  massa di leher

•       P0              =  tekanan statis di rongga

•       V0              =  volume statis rongga

Untuk silinder atau persegi panjang mempunyai panampang leher sebagai berikut: ( 2 )

Dimana :

•       L       =  Panjang leher

•       Vn      =  Volume udara pada leher

Frekuensi resonansi loadspeaker

Sistem elastis yang dikenai stimulus berosilasi bereaksi secara berbeda-beda bergantung kepada kandungan frekuensi stimulus. Sistem elastis berosilasi ketika frekuensi stimulus mendekati frekuensi resonansi sistem. Setiap sistem elastis memiliki frekuensi resonansi yang bisa dihitung berdasarkan formula matematis yang mendeskripsikan kuantitas di dalam sistem itu sendiri.

Mari kita bergerak dari teori menuju penerapan. Umpamakan sistem elastis loudspeaker (terdiri dari membran, kumparan, dan bagian lainnya), dengan frekuensi resonansi 40 Hz.

Dengan memberikan sinyal listrik sinusoidal ke loudspeaker dan mengubah frekuensi sinyal, membran loudspeaker tidak bergerak (atau bergerak sedikit) hingga frekuensi sinyal jauh dari frekuensi resonansi loudspeaker. Membran mulai berosilasi ketika frekuensi sinyal berada di sekitar 40 Hz, dan terdengar suara dari loudspeaker yang berkorespondensi terhadap frekuensi sinyal listrik.

Diagram berikut menunjukkan amplitudo osilasi, dengan stimulus sinyal frekuensi bervariasi:

Gambar 9.3 Stimulasi sistem elastis

Amplitudo osilasi tertinggi terjadi saat berdekatan dengan frekuensi resonansi, dan hampir tiada di tempat-tempat lain. Diagram juga menunjukkan diagram fase sistem elastis, dan menjelaskan bagaimana frekuensi lebih besar dari frekuensi resonansi bisa mengalami inversi fase (kesenjangan fase 180 derajat menyebabkan inversi polaritas, atau inversi fase). Situasi ini sangat tidak diinginkan untuk loudspeaker yang seharusnya tidak mengubah sinyal input atau memiliki inversi fase pada rentang frekuensi yang harus direproduksinya. Diagram fase loudspeaker secara nyata tidak akan pernah memiliki laju seperti yang digambarkan; laju tersebut digunakan sekedar untuk mengilustrasikan permasalahan laju fase yang sering diabaikan.

2.2 Telinga Manusia

Telinga manusia bertindak sebagai transduser energi akustik, pertama menjadi energi mekanik kemudian menjadi energi listrik. Setelah energi dikonversi dari mekanik menjadi elektrik oleh telinga, impuls listrik mencapai otak melalui sistem syaraf. Disini impuls tersebut diproses sehingga terjadi persepsi suara dan terdengar suara.

Alat pendengaran dibagi menjadi tiga area: telinga eksternal, telinga tengah, dan telinga dalam.

Gambar 2.1 Telinga manusia

Menganalisa bagaimana ketiga area ini bekerja membuat kita bisa memahami mekanisme persepsi suara dan menentukan parameter yang perlu diubah untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Sebagai contoh, ambil kasus ketika sedang mixing suatu track dimana suara flute terdengar nyaring beberapa kali diantara instrumen lainnya. Bila kita menginginkan suara flute menjadi sayup atau samar-samar kita bisa mengubah suaranya dengan menghilangkan frekuensi tingginya. Sebentar lagi kita akan melihat bagaimana salah satu faktor paling penting dalam menentukan arah suara adalah melalui kandungan frekuensi tingginya. Dengan kata lain, lebih mudah untuk mengetahui arah suara dengan kandungan frekuensi tinggi, bukan dengan kandungan frekuensi rendahnya. Jadi, bila kita menginginkan suara flute untuk hadir tetapi terdengar jauh dalam mix, kita bisa mengubah panoramic potentiometer ke kanan dan meningkatkan frekuensi tinggi (tanpa mengubah sifat alamiah suara secara berlebihan).

2.2.1 Telinga luar

Organ pertama yang menerima suara ketika mencapai telinga disebut dengan pinna. Organ ini memiliki luas permukaan yang besar sehingga memungkinkan porsi yang lebar dari gelombang untuk diterima. Untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas bisa dengan menangkupkan tangan pada telinga seperti ketika kita ingin mendengar sesuatu dengan lebih jelas. Suara direfleksikan oleh pinna dan disalurkan menuju canal telinga yang panjangnya sekitar 3 cm.

Frekuensi resonansi dari kanal telinga – ada suatu rumus empiris yang memberikan frekuensi resonansi suatu tabung, dalam kasus ini berbentuk kanal telinga. Hasil dari perhitungan ini penting untuk dipahami.

Rumus tersebut menyatakan bahwa suatu tabung dengan panjang l dipenuhi dengan udara, memiliki frekuensi resonansi sekitar:

Persamaan 2.1 Perhitungan frekuensi resonansi kanal telinga

mengingat panjang kanal telinga sekitar 3 cm maka didapat panjang gelombang 12 cm.

Dengan mengetahui panjang gelombang kita bisa menghitung nilai frekuensi resonansi:

Dari perhitungan diatas kita menemukan bahwa frekuensi resonansi dari telinga manusia adalah sekitar 3000 Hz atau 3 kHz. Ini berarti ketika grup frekuensi sekitar 3 kHz mencapai telinga, kanal telinga beresonansi sehingga frekuensi mengalami amplifikasi natural. Berikutnya kita akan melihat bagaimana nilai ini sering diterapkan dalam sound engineering.

2.2.2 Telinga tengah

Kanal telinga berakhir pada sebuah membran drum telinga yang bergetar bersama dengan suara yang tiba di telinga. Di sisi yang berlawanan dari drum telinga ada tiga tulang kecil yang disebut: incus (atau anvil), stapes (atau stirrup), dan malleus (atau hammer). Fungsi masing-masing adalah untuk mengamplifikasi getaran dari drum telinga dan mentransfernya ke cochlea, tulang kecil lainnya yang fungsinya akan dijelaskan nanti. Amplifikasi ini perlu mengingat bahwa meski drum telinga adalah membran yang tipis, cochlea dipenuhi dengan cairan padat sehingga bergetar jauh lebih tidak mudah. Tiga tulang kecil disambung dengan ligamen yang memilik fungsi lain selain amplifikasi yaitu untuk mencegah drum telinga mengikuti getaran terlalu besar sehingga mencegah kerusakan yang bisa terjadi akibat tingkat tekanan suara yang tinggi. Bukaan di telinga tengah berlanjut ke eustachian tube yang mencapai oral cavity. Fungsinya adalah untuk memberikan saluran keluaran untuk menyeimbangkan tekanan atmosferik pada kedua sisi drum telinga (sehingga ketika berenang, sebaiknya kita menutup hidung dan menghempaskan nafas kuat-kuat untuk membangun tekanan dalam telinga untuk menyeimbangi tekanan luar telinga).

2.2.3. Telinga dalam

Bagian telinga dalam mengkonversi energi mekanik menjadi impuls listrik yang dikirim ke otak untuk diproses sebagai suara. Tulang kecil terakhir dari tiga tulang kecil yang disebut diatas, stapes, berkontak dengan cochlea melalui membran yang disebut oval window. Cochlea adalah tulang yang berbentuk seperti cangkang bekicot mengandung cairan (memiliki tiga kanal sirkular mengarah ke tiga arah ruang. Indera keseimbangan datang dari cochlea). Cairan ini menerima getaran dari stapes melalui oval window dan melanjutkannya ke organ utama yang mengkonversi energi mekanik menjadi impuls listrik: organ Corti.

Dalam organ Corti kita menemukam basilar membrane yang memiliki ribuan rambut pada permukaannya, sekitar 4000 lebih tepatnya, semuanya bergetar bersamaan dengan getaran fluida. Setiap kumpulan rambut berhubungan dengan sistem syaraf yang mengubah getaran yang diterima dari fluida menjadi impuls listrik. Alasan mengapa telinga manusia mengindera frekuensi secara logaritmik adalah karena sifat alamiah dari membran. Grup rambut, atau disebut critical band, sensitif terhadap 1/3 dari frekuensi satu oktaf. Dengan kata lain basilar membrane terbagi menjadi beberapa sektor, setiap sektornya sensitif terhadap band frekuensi tertentu (masing-masing 1/3 oktaf dalam frekuensi) sehingga bertingkah laku seperti semacam spectrum analyzer. Setiap kali suara meningkat satu oktaf, sektor yang sama jauh dengan yang sebelumnya terstimulasi sehingga memiliki karakter logaritmik.

Apakah pengertian resonansi? Resonansi adalah proses bergetarnya suatu benda dikarenakan ada benda lain yang bergetar, hal ini terjadi karena suatu benda bergetar pada frekwensi yang sama dengan frekwensi benda yang terpengaruhi.  

Contoh Resonansi
Terjadinya resonansi bisa berakibat menguntungkan maupun merugikan kita, berikut ini contoh-contoh terjadinya resonansi:
Resonansi yang menguntungkan: resonansi pada alat musik (gitar, genderang, gamelan, dll).
Resonansi yang merugikan:  resonansi suara deru pesawat bisa membuat kaca turut bergetar, dan bahkan pecah.

Resonansi Stokastik
Sedangkan resonansi stokastik adalah suatu fenomena di mana suatu sistem non-linier di bawah pengaruh suatu sinyal periodik termodulasi yang amat lemah sehingga secara normal tidak terdeteksi, akan tetapi dapat terdeteksi disebabkan terjadinya resonansi antara sinyal deterministik yang lemah tersebut dengan gangguan (noise) stokastik. Definisi paling awal dari resonansi stokastik adalah kekuatan sinyal keluaran maksimum sebagai fungsi dari gangguan (Bulsara dan Gammaitoni 1996).

Contoh Resonansi Stokastik
Terdapat banyak contoh-contoh resonansi stokastik, beberapa di antaranya adalah rangkaian elektronik trigger Schmitt, dioda tunnel, sistem biologi pada respon syaraf penglihatan, kanal ionik, aplikasi medis, laser cincin bistabil dan devais interferensi kuantum super-menghantar (dirangkum dari berbagai sumber).