BAB II PENGUJIAN ULTRASONIK
2.2 Properti Gelombang Suara
2.2.6. Karakteristik Beam
Sejauh ini, gelombang suara diilustrasikan sebagai sinar tunggal, tetapi pada kenyataannya suara berkembang sebagai beam (balok). Untuk memudahkannya, beam dibagi menjadi dua zona khusus yang disebut “near field” dan “far field”. Kata yang digunakan untuk mendeskripsikan efektifitasnya, yaitu hilangnya energi suara secara perlahan adalah “atenuasi”.
Atenuasi adalah efek kombinasi dari beberapa parameter yaitu: 1. efek interferensi dan difraksi
2. interferensi absorpsi (geseran dan panas) 3. interferensi Scatter
4. interferensi Beam Spread
2.2.6.1Efek Interferensi dan Difraksi
Menurut Huygens, titik pusat gelombang suara itu hampir sama dengan pada saat kita menjatuhkan batu ke dalam kaleng. Suara bergerak keluar sebagai lingkaran-lingkaran meluas pada kaleng, tetapi dari pusat suara, lingkaran membentuk bola-bola yang meluas.
Gambar 2.3. Titik pusat gelombang yang dikelilingi lingkaran terpusat titik pusat
gelombang suara Gerakan
Pada gambar 2.3 menunjukkan titik pusat yang dikelilingi oleh lingkaran terpusat, gambar ditunjukkan sesaat setelah suara dibunyikan.Ruangan yang terletak di antara lingkaran mewakili bagian terjernih dari tiap lingkaran suara. Jika suara dihentikan dalam waktu yang lebih singkat lagi yang terjadi adalah lingkaran terluar mempunyai diameter lebih besar. Ruang di antara tiap lingkaran mewakili satu panjang gelombang dari suara dalam material. Tetapi ultrasonik tranduser bukanlah sebuah lingkaran terpusat, ultrasonik tranduser mempunyai diameter dan area permukaan yang semuanya aktif, disebut “finite source”.
Gambar 2.4. Finite source dengan beberapa titik infinite source
Gambar 2.4 menunjukkan finite source, dimana diambil beberapa titik infinite source sesaat setelah getaran dimulai. Terlihat bahwa gelombang di depan point source menyatu, menghasilkan kesatuan gelombang seperti balok (beam). Tapi jika diperhatikan ada sedikit suara yang hilang di ujung lingkaran, ini disebut “difraksi”, merupakan salah satu bentuk energi yang hilang.
Gambar 2.5.
Finite source dengan point source di ujung dan di tengah Finite source infinite source Finite source point source
Gambar 2.5 menunjukkan finite source lagi. Tapi kali ini hanya point source di pusat dan di tiap-tiap ujung saja yang ditunjukkan, untuk mempermudah. Di depan point source ada titik “P”, menunggu suara yang datang.
Gambar 2.6. Singgungan gelombang suara
Gambar 2.6 menunjukkan keadaan yang terjadi beberapa saat kemudian, ketika gelombang pressure yang pertama datang dari ujung source ke titik “P”. Akibatnya, ada dua singgungan di tiap-tiap sisinya.
Gambar 2.7. Pergantian letak/posisi titik “P”
Gelombang pressure Point Source Gelombang pressure Point Source
Gambar 2.7 menunjukkan jika ada perubahan frekuensi atau pergantian letak/posisi titik “P” bisa mengakibatkan suara yang datang ke titik P dari pusat atau dari ujung berada di luar phasenya. Pada gambar ini, gelombang pressure datang pertama kali dari ujung kemudian tiba di titik P dan datang lagi sebagai penjernih dari pusat. Dua gaya tersebut saling tekan dan tarik di tititk P. ini disebut “destructive interferences”, dan energi suara mulai mengalami reduksi lokal. Lengkapnya, frekuensi bersih yang diikuti gelombang suara bisa merupakan destruktif yang total, dengan kata lain tidak ada suara lagi di titik P.
Jadi “destruktive interfernces” adalah perbedaan panjang celah kecil dari titik P ke pusat source dan juga ke ujung dibandingkan dengan panjang gelombang. Atau bisa juga jarak untuk titik P di depan source saat perbedaan panjangnya lebih kecil dari panjang gelombangnya (dapat dilihat pada Gambar 2.8). Jarak inilah yang disebut “near field”.
Gambar 2.8. Destruktive interfernces λ Near Field
Near field dihitung dari: 4 2 D NF
Alternatif lain jika panjang gelombangnya tidak diketahui:
V f D NF 4 2
Dengan: D = diameter tranduser
f = frekuensi
V = kecepatan
2.2.6.2Absorpsi (Penyerapan)
Suara menyebar melalui partikel-partikel zat padat, cair, atau gas, dan penyebaran suara tersebut mengakibatkan partikel-partikel bergetar sehingga beberapa energi bergeser dan terserap. Ukuran terhadap seberapa energi yang terserap didasarkan pada jenis material yang dilalui oleh suara dan frekuensi suara itu sendiri. Secara umum, semakin tinggi frekuensinya, semakin besar absorpsinya.
2.2.6.3Scatter
Gelombang suara akan dipantulkan dari permukaan dalam material yang diuji, dan dari batas butir dalam permukaan logam yang mungkin sembarangan berpedoman pada beam. Hal ini menyebabkan suara dipantulkan dalam susunan acak atau “scatter”.
Material dengan batas butir yang halus mengakibatkan scatter yang dihasilkan kecil, tetapi material dengan batas butir yang kasar mengakibatkan scatter yang lebih besar. Energi scatter yang tidak mencapai tranduser penerima merupakan energi yang hilang.
2.2.6.4Beam Spread
Di near field, beam adalah silinder dengan diameter yang sama sebagai kristal tranduser. Di samping near field, ada yang disebut far field, dimana beam melebar menjadi seperti kerucut. Sudut dari kerucut, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.9, dapat dihitung sebagai berikut: D , sin 122 2 Dengan: 2
= setengah kali sudut penyebaran beam
= panjang gelombang D = diameter kristal tranduser
Gambar 2.9. Bentuk beam
Dari persamaan di atas terdapat konstanta 1,22. Konstanta ini dihitung saat beam melebar menuju batas mutlak beam yaitu saat keberadaan suara berakhir. Konstanta ini bukanlah batas akhir untuk tiap pengujian ultrasonik, karena jika suara berubah, konstanta bisa dideteksi atau diukur. Pada kenyataannya, konstanta yang biasa digunakan 1,22 bisa juga 0,56 atau 1,08. Harga 0,56 digunakan saat intensitas suara pada pusat beam diturunkan 1,5 kalinya. Harga 1,08 digunakan saat suara pada pusat beam diturunkan 110kalinya.
Sudut penyebaran beam
Catatan:
Konstanta di atas (0,56; 1,08; dan 1,22) biasa digunakan untuk perhitungan pada bentuk beam secara teoritis. Jika bentuk beam diubah untuk tujuan tertentu, yang harus dilakukan adalah menggambarkan bentuk beam menggunakan buku kalibrasi khusus, baru kemudian menghitung penyebaran beamnya. Gambar 2.9 menunjukkan bentuk beam yang bulat panjang, termasuk porsi near field-nya.
Gambar 2.10. Perjalanan di sepanjang pusat beam saat amplitudonya diubah
Gambar 2.10 menunjukkan perjalanan di sepanjang pusat beam saat amplitudonya diubah. Di near field ada frekuensi amplitudo karena efek interferensi. Titik maksimum amplitudo adalah titik akhir near field dan merupakan awal dari far field.