Teknik Terbaik untuk Memvisualisasikan Gelombang Suara dengan Kamera

Pengantar Visualisasi Gelombang Suara

Gelombang suara, yang merupakan gangguan tekanan yang bergerak melalui suatu medium, tidak terlihat oleh mata telanjang. Untuk membuatnya terlihat, kita memerlukan teknik khusus yang menerjemahkan variasi tekanan ini menjadi representasi visual. Teknik ini memanfaatkan interaksi gelombang suara dengan cahaya atau fenomena fisik lainnya untuk menciptakan gambar yang mengungkap struktur dan perilaku gelombang.

Memvisualisasikan gelombang suara memberikan wawasan berharga tentang karakteristiknya, seperti panjang gelombang, amplitudo, dan arah perambatan. Informasi ini dapat digunakan untuk menganalisis medan suara, mengidentifikasi sumber kebisingan, dan mengoptimalkan desain akustik. Penggunaan kamera dalam teknik ini memungkinkan perekaman dan analisis fenomena gelombang suara secara real-time.

Pencitraan Schlieren

Pencitraan Schlieren merupakan teknik klasik dan banyak digunakan untuk memvisualisasikan variasi densitas pada media transparan. Teknik ini mengandalkan prinsip bahwa cahaya membelok saat melewati daerah dengan indeks bias yang bervariasi, yang disebabkan oleh perubahan densitas. Gelombang suara, dengan menciptakan fluktuasi tekanan, menyebabkan variasi densitas ini, sehingga terlihat melalui sistem Schlieren.

Cara Kerja Pencitraan Schlieren:

• Sumber Cahaya: Sumber cahaya yang terang dan terfokus digunakan untuk menerangi objek yang diinginkan.
• Optik Kolimasi: Lensa atau cermin digunakan untuk menciptakan seberkas cahaya paralel.
• Bagian Uji: Gelombang suara merambat melalui bagian uji, menciptakan gradien kepadatan.
• Schlieren Stop: Ujung pisau atau lubang jarum ditempatkan pada titik fokus lensa pencitraan untuk menghalangi sebagian cahaya.
• Sistem Pencitraan: Kamera menangkap gambar yang terbentuk oleh cahaya yang melewati stop Schlieren.

Variasi kepadatan yang disebabkan oleh gelombang suara membelokkan berkas cahaya. Pembelokan ini menyebabkan beberapa berkas cahaya terhalang oleh Schlieren stop, sementara yang lain dibiarkan lewat. Gambar yang dihasilkan menunjukkan daerah terang dan gelap yang sesuai dengan daerah kepadatan tinggi dan rendah, yang secara efektif memvisualisasikan gelombang suara.

Keuntungan Pencitraan Schlieren:

• Pengaturan yang relatif sederhana.
• Sensitivitas tinggi terhadap gradien kepadatan.
• Visualisasi waktu nyata.

Keterbatasan Pencitraan Schlieren:

• Memerlukan sistem optik berkualitas tinggi.
• Sensitif terhadap getaran dan arus udara.
• Bisa jadi sulit untuk mengukur variasi kepadatan.

Holografi Akustik

Holografi akustik merupakan teknik yang lebih canggih yang memungkinkan rekonstruksi medan suara tiga dimensi. Teknik ini melibatkan perekaman pola interferensi antara gelombang referensi dan gelombang suara yang diinginkan. Pola interferensi ini, yang disebut hologram, berisi informasi tentang amplitudo dan fase gelombang suara.

Cara Kerja Holografi Akustik:

• Sumber Suara: Sumber memancarkan gelombang suara untuk divisualisasikan.
• Gelombang Referensi: Sumber suara terpisah atau pantulan gelombang suara asli digunakan sebagai referensi.
• Rangkaian Mikrofon: Rangkaian mikrofon merekam pola interferensi antara gelombang suara dan gelombang referensi.
• Rekonstruksi: Algoritma komputer digunakan untuk merekonstruksi medan suara dari hologram yang direkam.

Proses rekonstruksi melibatkan simulasi matematis perambatan gelombang referensi melalui hologram. Hal ini memungkinkan penghitungan tekanan suara di setiap titik di ruang angkasa, yang secara efektif menciptakan citra 3D dari medan suara. Kamera digunakan untuk menangkap dan memproses representasi visual dari medan suara yang direkonstruksi.

Keuntungan Holografi Akustik:

• Menyediakan informasi 3D tentang bidang suara.
• Dapat digunakan untuk mengidentifikasi dan melokalisasi sumber suara.
• Kurang sensitif terhadap kebisingan lingkungan dibandingkan dengan pencitraan Schlieren.

Keterbatasan Holografi Akustik:

• Memerlukan pengaturan eksperimen yang rumit.
• Proses rekonstruksi yang membutuhkan komputasi intensif.
• Resolusi spasial terbatas karena jarak mikrofon.

Pembentukan balok

Beamforming adalah teknik pemrosesan sinyal yang digunakan untuk memfokuskan gelombang suara yang datang dari arah tertentu sambil meredam derau dan interferensi dari arah lain. Teknik ini menggunakan serangkaian mikrofon untuk menangkap suara dan kemudian menerapkan penundaan tertimbang pada sinyal dari setiap mikrofon. Penundaan tertimbang ini dipilih untuk mengganggu sinyal dari arah yang diinginkan secara konstruktif dan mengganggu sinyal dari arah lain secara destruktif.

Cara Kerja Beamforming:

• Rangkaian Mikrofon: Rangkaian mikrofon ditempatkan secara strategis untuk menangkap suara dari berbagai lokasi.
• Pemrosesan Sinyal: Sinyal dari setiap mikrofon diproses menggunakan penundaan tertimbang.
• Penjumlahan: Sinyal-sinyal yang diproses dijumlahkan bersama-sama untuk menciptakan berkas suara yang terfokus.
• Visualisasi: Intensitas sinar terfokus ditampilkan sebagai fungsi arah, menciptakan peta visual medan suara.

Dengan memindai berkas cahaya ke berbagai arah, peta medan suara dapat dibuat, yang menunjukkan lokasi dan intensitas sumber suara. Kamera digunakan untuk menangkap dan menampilkan peta visual ini, yang sering kali ditumpangkan pada video kejadian secara langsung.

Keuntungan Beamforming:

• Efektif dalam menekan kebisingan dan gangguan.
• Dapat digunakan untuk menemukan sumber suara dengan akurasi tinggi.
• Relatif mudah untuk diterapkan.

Keterbatasan Beamforming:

• Resolusi spasial dibatasi oleh ukuran dan jarak susunan mikrofon.
• Kinerja dapat dipengaruhi oleh pantulan dan gaung.
• Memerlukan kalibrasi yang cermat pada susunan mikrofon.

Tomografi Akustik-Optik

Tomografi akustik-optik (AOT) menggabungkan ultrasound dan cahaya untuk menciptakan citra struktur internal objek buram. Gelombang ultrasound digunakan untuk memodulasi sifat cahaya saat melewati objek. Dengan menganalisis perubahan cahaya, dimungkinkan untuk merekonstruksi citra medan ultrasound, dan dengan demikian, memvisualisasikan gelombang suara di dalam objek.

Cara Kerja Tomografi Akusto-Optik:

• Sumber Ultrasonografi: Gelombang ultrasonik ditransmisikan ke dalam objek.
• Sumber Cahaya: Cahaya menyinari objek.
• Deteksi: Cahaya yang muncul dari objek dianalisis untuk mendeteksi perubahan pada sifat-sifatnya yang disebabkan oleh ultrasound.
• Rekonstruksi: Algoritma komputer merekonstruksi gambar medan ultrasound berdasarkan perubahan cahaya yang terdeteksi.

Interaksi antara ultrasound dan cahaya bisa jadi rumit, tetapi memberikan informasi berharga tentang struktur internal objek. Kamera digunakan untuk menangkap cahaya dan merekam perubahan yang disebabkan oleh ultrasound, sehingga memungkinkan visualisasi gelombang suara dalam material buram.

Keuntungan Tomografi Akusto-Optik:

• Dapat membayangkan struktur internal benda buram.
• Resolusi spasial tinggi dibandingkan dengan teknik pencitraan akustik murni.
• Non-invasif.

Keterbatasan Tomografi Akusto-Optik:

• Memerlukan peralatan dan keahlian khusus.
• Peka terhadap hamburan dan penyerapan cahaya.
• Rekonstruksi gambar dapat memerlukan komputasi yang intensif.

Aplikasi Visualisasi Gelombang Suara

Teknik-teknik yang dijelaskan di atas memiliki berbagai macam aplikasi di berbagai bidang:

• Akustik dan Pengendalian Kebisingan: Mengidentifikasi sumber kebisingan, mengoptimalkan desain akustik, dan mengevaluasi efektivitas tindakan pengurangan kebisingan.
• Pencitraan Medis: Mengembangkan teknik diagnostik baru berdasarkan pencitraan ultrasonografi dan fotoakustik.
• Pengujian Non-Destruktif: Mendeteksi cacat dan kekurangan pada material menggunakan teknik emisi ultrasonik dan akustik.
• Teknik Dirgantara: Mempelajari sifat akustik pesawat terbang dan wahana antariksa.
• Akustik Bawah Air: Memvisualisasikan perambatan suara di laut untuk aplikasi sonar dan komunikasi.

Seiring kemajuan teknologi, kita dapat melihat teknik yang lebih canggih untuk memvisualisasikan gelombang suara, yang mengarah pada penemuan dan inovasi baru dalam berbagai disiplin ilmu dan teknik. Kemampuan untuk “melihat” suara akan terus memainkan peran penting dalam pemahaman kita tentang dunia di sekitar kita.