PENGUJIAN EKSPERIMENTAL KEBISINGAN (NOISE) PADA
POMPA SENTRIFUGAL DAP SKALA RUMAH TANGGA
MENGGUNAKAN
SOUND LEVEL METERSKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
EDI HALPITA PUTRA
110401036
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
9 ABSTRACT
The pump is a fluid machine which is used as one means of fluid transport water from one place to another by using mechanical energy that flow through the fluid.Water plays an important role in human survival, if there is damage to the pump could potentially interfere with the a ctivity of the human life.Therefore it is very necessary to keep the pump can operate reliably with high performance.Ground wa ter has physical properties different in every place that affect the birth of vibration which then cause noise (noise) pump that will result in the performance of centrifugal pumps.By measuring noise at the pump ca n know the type of failure that occurred.Thus we can determine the condition of the pump and treatment should be done.The purpose of this study was to compare the "Sound Pressure Level" experimental results conducted on the old a nd new pumps, with the results of analytical calculations on old and new pumps, as well as to determine the components of the pump that raises the highest noise. From the measurement values obtained in the new pump is noise;(Distance mea suring 5cm axes X, Y, -Y and Z = 78.9; 77.8; 78.5; 74.8 (distance measuring 10cm axes X, Y, -Y and Z = 76.2; 72.3 ; 72.2; 70.4), (distance measuring 15cm axes X, Y, -Y and Z = 68.0; 69.0; 68.0; 64.0), (distance measuring 20cm axes X, Y, -Y and Z = 66.9; 66.7; 65.1; 62.9), respectively in units of dB (decibels) and the value of the noise at the old pumps are; (distance measuring 5cm axes X, Y, - Y and Z = 82.4; increase in noise at the impeller components are 87,97dB - 79,15dB = 8,82dB.It can be concluded there is damage to the pump impeller.
10
ABSTRAK
Pompa adalah mesin fluida yang digunakan sebagai alat transportasi fluida salah satunya air dari suatu tempat ke tempat lain dengan menggunakan energi mekanik yang mengaliri fluida. Air sangat berperan dalam kelangsungan hidup manusia, jika terjadi kerusakan pada pompa secara potensial dapat mengganggu aktivitas kehidupan manusia tersebut. Oleh sebab itu sangat perlu untuk menjaga agar pompa dapat beroperasi handal dengan performansi yang tinggi. Air tanah memiliki sifat fisik yang berbeda-beda di setiap tempat yang mempengaruhi lahirnya getaran yang kemudian menimbulkan kebisingan (noise) pompa yang akan berakibat pada kinerja pompa sentrifugal. Dengan mengukur noise pada pompa dapat diketahui jenis kegagalan yang terjadi. Dengan demikian kita dapat mengetahui kondisi pompa dan perawatan yang harus dilakukan. Adapun tujuan penelitian ini adalah membandingkan “Sound Pressure Level” hasil eksperimental yang dilakukan pada pompa lama dan baru, dengan hasil perhitungan analitis pada pompa lama dan baru, serta untuk mengetahui komponen pompa yang menimbulkan kebisingan paling tinggi. Dari hasil pengukuran diperoleh nilai kebisingan pada pompa baru adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 78,9 ; 77,8 ; 78,5 ; 74,8 (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 76,2 ; 72,3 ; 72,2 ; 70,4), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 68,0 ; 69,0 ; 68,0 ; 64,0), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 66,9 ; 66,7 ; 65,1 ; 62,9), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel) dan nilai kebisingan pada pompa lama adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 82,4 ; 78,6 ; 80,2 ; 77,2), (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 79,9 ; 75,5 ; 74,4 ; 73,5), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, Y dan Z = 75,2 ; 72,4 ; 70,2 ; 68,2), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 74,7 ; 69,7 ; 67,0 ; 66,6), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel). Berdasarkan hasil pengukuran kebisingan pompa baru dan lama diperoleh peningkatan bunyi pada sumbu x (dekat dengan impeller) yaitu 82,4dB – 78,9dB = 3,5 dB. Sehingga dapat disimpulkan terjadi kerusakan pada impeller pompa.
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia
dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Pengujian Eksperimental Kebisingan (noise) pada Pompa Sentrifugal DAP Skala Rumah Tangga Menggunakan Sound Level Meter”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis
menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua tercinta, yang telah memberikan segala dukungan tak
terhingga baik dukungan moril dan materil.
2. Bapak Dr.Ir. M.Sabri, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah banyak
meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat
terselesaikan.
3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Abangda Fadly Ahmad Kurniawan Nasution, ST selaku mahasiswa Magister
Teknik Mesin sekaligus koordinator laboratorium Noise and Vibration
Research Center.
5. Abangda Nazwir Fahmi Damanik, Yogi Aldiansyah, Toto Wibowo, Afrizal
dan Jeffry yang telah banyak membagikan ilmunya kepada penulis.
6. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada
penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen
Teknik Mesin.
7. Saudara Masruri, Budi Ari Sasmito, Kahar Sinaga, Kin Tawarmiko, Indra
Hermawan, Syugito, Teguh Iman Widodo, Dino Hastrino, Erwinsyah
ii Teknik Mesin USU khususnya untuk stambuk 2011, yang telah banyak
memberikan support dan sharing dalam penyelesaian skripsi ini.
8. Kakak dan abang saya tercinta Sri Sugianti dan Radius Prawira SPd yang terus
mendukung hingga skripsi ini selesai.
9. Adik-adik saya tercinta Ika Riswanda Putri, Riki Azril dan Rofli yang terus
menghibur saya saat pengerjaan skripsi ini.
10. Rima Melati Tanjung yang terus memberikan dukungan dan motivasi dalam
pengerjaan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik
maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik
dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca
pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan, Juli 2015
Penulis,
Edi Halpita Putra
iii
1.3.1 Tujuan Umum Penelitian ...4
1.3.2 Tujuan Khusus Penelitian ...4
1.4 Manfaat Penelitian ...4
2.2 Putaran Spesifik Pompa ...13
2.3 Teori Gelombang ...14
2.4 Teori Bunyi ...16
2.4.1 Frekuensi Bunyi ...17
2.4.2 Cepat Rambat Bunyi ...18
2.4.3 Panjang Gelombang ...20
2.4.4 Intensitas Bunyi ...20
2.4.5 Kecepatan Partikel ...21
2.4.6 Tekanan Bunyi dan Tingkatan Tekanan Bunyi ...22
2.4.7 Tingkatan Intensitas Bunyi ...24
2.4.8 Daya Bunyi dan Tingkatan Daya Bunyi ...25
2.4.9 Hubungan Antara Tingkat Daya, Tingkat Intensitas dan Tingkat Tekanan Bunyi ...26
2.5 Kebisingan Pompa ...26
2.5.1 Sumber Kebisingan Pompa ...26
2.5.2 Perhitungan Analitis Kebisingan pada Pompa ...28
2.6 Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan ...29
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...31
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ...31
3.2.1 Bahan Penelitian ...31
iv
3.3 Metode Penelitian ...34
3.4 Setup Peralatan...35
3.5 Variabel yang Diamati ...36
3.6 Spesifikasi Fluida ...36
3.7 Design Of Experimenta(DOE) ...37
3.8 Kerangka Konsep Penelitian ...43
3.9 Pelaksanaan Penelitian ...44
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Pengukuran Sound Pressure Level (SPL) Secara Eksperimental ...45
4.2 Perhitungan Sumber Bunyi pada Pompa Baru ...47
4.2.1 Analisa Bunyi pada Impeller ...47
4.2.2 Analisa Bunyi pada Poros ...50
4.2.3 Analisa Bunyi pada Bantalan (Bearing)...53
4.3 Perhitungan Analitis Bunyi Pada Pompa Baru ...54
4.3.1 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 5 cm...56
4.3.2 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 10 cm...57
4.3.3 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 15 cm...58
4.3.4 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 10 cm...58
4.4 Perhitungan Sumber Bunyi pada Pompa Lama ...60
4.4.1 Analisa Bunyi pada Impeller ...60
4.4.2 Analisa Bunyi pada Poros ...62
4.4.3 Analisa Bunyi pada Bantalan (Bearing)...65
4.5 Perhitungan Analitis Bunyi Pada Pompa Lama ...67
4.5.1 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 5 cm...69
4.5.2 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 10 cm...69
4.5.3 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 15 cm...70
4.5.4 Menghitung Sound presure level (SPL) pada r = 20 cm...71
4.6 Menghitung Persen Ralat ...73
4.6.1 % Ralat SPL pada Pompa Baru ...73 1. Konstruksi Sumur Bor dan Pipa Hisap ...80
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Proses Kerja Pompa ...1
Gambar 2.1 Konstruksi pompa sentrifugal...6
Gambar 2.2 Impeller jenis radial ...7
Gambar 2.3 Impeller jenis francis ...7
Gambar 2.4 Impeller jenis aliran campuran ...7
Gambar 2.5 Impeller jenis aksial ...8
Gambar 2.6 Model dinamik impeller ...8
Gambar 2.7 Gaya-gaya pada sudu impeller ...9
Gambar 2.8 Diagram benda bebas sudu ...9
Gambar 2.9 Poros (shaft)...10
Gambar 2.10 Diagram benda bebas poros ...11
Gambar 2.11 Bearing ...11
Gambar 2.12 Diagram benda bebas ball bearing ...12
Gambar 2.13 Gelombang Transversal ...15
Gambar 2.14 Gelombang Longitudinal ...15
Gambar 2.15 Gelombang bunyi berbentuk bola(speris) ...25
Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal DAP ...32
Gambar 3.2 Gambar Komponen-Komponen Pompa DAP Model DB-125A .32 Gambar 3.3 Sound Level Meter ...33
Gambar 3.4 TacoMeter...33
Gambar 3.5 Kunci pas ...34
Gambar 3.6 Meteran ...34
Gambar 3.7 Titik pengukuran ...34
Gambar 3.8 Pengukuran kebisingan dengan sound level meter ...35
Gambar 3.9 Proses pengeboran sumur ...36
Gambar 3.10 Impeller pompa DAP ...39
Gambar 3.11 Poros pompa DAP ...40
Gambar 3.12 Bearing ...41
Gambar 3.13 Kerangka konsep penelitian ...43
vi
Gambar 4.1 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental Pada Pompa Baru ...45
Gambar 4.2 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental Pada Pompa Lama ...46
Gambar 4.3 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental Pada Pompa Baru dan Lama ...47
Gambar 4.4 Diagram benda bebas sudu impeller ...47
Gambar 4.5 Diagram benda bebas poros ...50
Gambar 4.6 Diagram benda bebas ball bearing ...53
Gambar 4.7 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental dan Perhitungan Analitis Pada Pompa Baru ...59
Gambar 4.8 Diagram benda bebas sudu impeller ...60
Gambar 4.9 Diagram benda bebas poros ...62
Gambar 4.10 Diagram benda bebas ball bearing ...65
Gambar 4.11 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental dan Perhitungan Analitis Pada Pompa Lama ...72
Gambar 4.12 Grafik SPL Vs Jarak Hasil Ekperimental dan Perhitungan Analitis Pada Pompa Baru dan Lama ...72
Gambar 4.13 Pembongkaran (overhoul) pompa lama...76
vii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.1 Kriteria Kebutuhan Dalam Pemilihan Pompa ...2
Tabel 2.1 Rentang frekuensi dari beberapa sumber bunyi ...18
Tabel 2.2 Cepat rambat bunyi pada berbagai material ...19
Tabel 2.3 Skala intensitas Kebisingan ...20
Tabel 2.4 Skala koreksi pembobotan –A ...24
Tabel 3.1 Spesifikasi fluida ...36
Tabel 3.2 Design Of Experiment (DOE) ...38
Tabel 3.3 Data hasil pengukuran secara eksperimental ...42
Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kebisingan Pompa Baru...45
Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Kebisingan Pompa lama...46
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Teoritis Kebisingan Pompa Baru ...59
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Teoritis Kebisingan Pompa Lama...72
Tabel 4.5 Hasil perhitungan persen ralat hasil eksperimental dan perhitungan analitis pada pompa baru ...74
viii
DAFTAR NOTASI
Simbol Satuan
c Kecepatan suara m/s
gc Faktor konversi satuan N/s2
γ Specific heat ratio
R Konstanta gas spesifik
T Temperatur absolut K
N Kekuatan noise
K Konstanta Boltzmann J/K
λ Panjang gelombang m
f Frekuensi Hz
T Periode s
k Jumlah gelombang
Lp Sound pressure level dB
Lw Sound power level dB
P Sound pressure Pa
pref Tekanan referensi Pa
W Sound power Watt
9 ABSTRACT
The pump is a fluid machine which is used as one means of fluid transport water from one place to another by using mechanical energy that flow through the fluid.Water plays an important role in human survival, if there is damage to the pump could potentially interfere with the a ctivity of the human life.Therefore it is very necessary to keep the pump can operate reliably with high performance.Ground wa ter has physical properties different in every place that affect the birth of vibration which then cause noise (noise) pump that will result in the performance of centrifugal pumps.By measuring noise at the pump ca n know the type of failure that occurred.Thus we can determine the condition of the pump and treatment should be done.The purpose of this study was to compare the "Sound Pressure Level" experimental results conducted on the old a nd new pumps, with the results of analytical calculations on old and new pumps, as well as to determine the components of the pump that raises the highest noise. From the measurement values obtained in the new pump is noise;(Distance mea suring 5cm axes X, Y, -Y and Z = 78.9; 77.8; 78.5; 74.8 (distance measuring 10cm axes X, Y, -Y and Z = 76.2; 72.3 ; 72.2; 70.4), (distance measuring 15cm axes X, Y, -Y and Z = 68.0; 69.0; 68.0; 64.0), (distance measuring 20cm axes X, Y, -Y and Z = 66.9; 66.7; 65.1; 62.9), respectively in units of dB (decibels) and the value of the noise at the old pumps are; (distance measuring 5cm axes X, Y, - Y and Z = 82.4; increase in noise at the impeller components are 87,97dB - 79,15dB = 8,82dB.It can be concluded there is damage to the pump impeller.
10
ABSTRAK
Pompa adalah mesin fluida yang digunakan sebagai alat transportasi fluida salah satunya air dari suatu tempat ke tempat lain dengan menggunakan energi mekanik yang mengaliri fluida. Air sangat berperan dalam kelangsungan hidup manusia, jika terjadi kerusakan pada pompa secara potensial dapat mengganggu aktivitas kehidupan manusia tersebut. Oleh sebab itu sangat perlu untuk menjaga agar pompa dapat beroperasi handal dengan performansi yang tinggi. Air tanah memiliki sifat fisik yang berbeda-beda di setiap tempat yang mempengaruhi lahirnya getaran yang kemudian menimbulkan kebisingan (noise) pompa yang akan berakibat pada kinerja pompa sentrifugal. Dengan mengukur noise pada pompa dapat diketahui jenis kegagalan yang terjadi. Dengan demikian kita dapat mengetahui kondisi pompa dan perawatan yang harus dilakukan. Adapun tujuan penelitian ini adalah membandingkan “Sound Pressure Level” hasil eksperimental yang dilakukan pada pompa lama dan baru, dengan hasil perhitungan analitis pada pompa lama dan baru, serta untuk mengetahui komponen pompa yang menimbulkan kebisingan paling tinggi. Dari hasil pengukuran diperoleh nilai kebisingan pada pompa baru adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 78,9 ; 77,8 ; 78,5 ; 74,8 (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 76,2 ; 72,3 ; 72,2 ; 70,4), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 68,0 ; 69,0 ; 68,0 ; 64,0), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 66,9 ; 66,7 ; 65,1 ; 62,9), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel) dan nilai kebisingan pada pompa lama adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 82,4 ; 78,6 ; 80,2 ; 77,2), (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 79,9 ; 75,5 ; 74,4 ; 73,5), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, Y dan Z = 75,2 ; 72,4 ; 70,2 ; 68,2), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 74,7 ; 69,7 ; 67,0 ; 66,6), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel). Berdasarkan hasil pengukuran kebisingan pompa baru dan lama diperoleh peningkatan bunyi pada sumbu x (dekat dengan impeller) yaitu 82,4dB – 78,9dB = 3,5 dB. Sehingga dapat disimpulkan terjadi kerusakan pada impeller pompa.
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pompa adalah mesin fluida yang digunakan sebagai alat transportasi
fluida dari suatu tempat ke tempat lain dengan menggunakan energi mekanik yang
mengaliri fluida. Tambahan energi mekanik ini digunakan untuk meningkatkan
kecepatan alir (v), tekanan (P) dan elevasi fluida (h) serta untuk mengatasi
tahanan-tahanan aliran sepanjang instalasi pipa. Fluida yang dipindahkan dengan
pompa adalah fluida yang tidak mampu mampat (incompressible fluids) dan sepanjang proses transportasinya densitas tidak berubah banyak [15]. Adapun
parameter-parameter yang mempengaruhi kerja pompa dapat dilihat pada diagram
berikut.
Pompa sentrifugal bekerja dengan prinsip putaran impeller sebagai elemen pemindah fluida cair yang digerakkan oleh suatu penggerak yaitu motor. Cairan
akan berputar akibat dorongan sudu-sudu pada impeller yang memberikan gaya
sentrifugal sehingga cairan mengalir dari celah-celah impeller dan keluar melalui celah sudu-sudu, dan meninggalkan impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan dengan kecepatan tinggi ini lalu melewati saluran yang penampangnya makin
membesar sehingga terjadi perubahan head kecepatan menjadi head tekanan. Ketika mekanisasi impeller mendesak cairan, ruang diantara sudu-sudu menjadi
vacum sehingga cairan terhisap masuk dan terjadi proses pengisapan[15]. Proses kerja pompa sentrifugal ditunjukan pada Gambar 1.1
2 Konstruksi yang sederhana dan mudahnya pengoperasian pompa
sentrifugal menjadi salah satu dasar dalam penentuan pompa, sehingga jenis
pompa ini banyak dipilih dan diaplikasikan dalam pendistribusian air, terutama
digunakan untuk memenuhi kebutuhan air rumah tangga. Tabel 1.1 berikut
menunjukkan beberapa kriteria yang dibutuhkan masyarakat dalam pemilihan
pompa untuk penggunaan di rumah tangga.
Tabel 1.1 Kriteria Kebutuhan Dalam Pemilihan Pompa
Kebutuhan Prioritas
Operasi (otomatis) 3
Debit air (Q) 4
Dimensi 3
Perawatan yang mudah 4
Kehandalan (reliability) 4
Mengingat air sangat berperan dalam kelangsungan hidup manusia, jika
terjadi kerusakan pada pompa secara potensial dapat mengganggu aktivitas
kehidupan manusia tersebut. Oleh sebab itu sangat perlu untuk menjaga agar
pompa ini dapat beroperasi handal dengan performansi yang tinggi. Salah satu
aplikasi pompa sentrifugal yaitu pendistribusian air. Pompa sentrifugal yang
banyak digunakan di masyarakat adalah pompa sentrifugal tanpa kopling. Pompa
ini digunakan sebagai penyuplai dan pendistribusian air. Air yang di pompa
biasanya adalah air tanah ataupun air pam. Air tanah yang dipompa memiliki sifat
fisik berbeda-beda yang mempengaruhi kinerja pompa. Sifat fisik air tanah antara
lain:
1. Kekentalan
2. Suhu
3 Sifat fisik air ini mempengaruhi lahirnya getaran yang akan berakibat pada
kinerja pompa. Selain itu struktur kimia air dapat menyebabkan terjadinya korosi
pada komponen-komponen pompa. Dengan demikian, untuk mencegah kegagalan
pompa yang mengakibatkan berkurangnya kinerja pompa, perawatan harus
dilakukan secara berkesinambungan. Gejala-gejala kegagalan pompa dapat
diidentifikasi melalui peningkatan bunyi ketika pompa di operasikan.
Dalam skripsi ini akan dikaji tentang gejala-gejala yang menyebabkan
kerusakan pompa. Untuk mendapatkan strategi maintenance yang tepat, sehingga
pompa terlindung dari bahaya kerusakan. Kerusakan-kerusakan pompa yang biasa
terjadi disebabkan oleh kavitasi, misalignment, unbalance, coocked bearing, dan kerusakan lainnya sehingga kinerja pompa terganggu.
1.2. Perumusan Masalah
Air tanah memiliki sifat fisik yang berbeda-beda di setiap tempat. Sifat
fisik ini mempengaruhi lahirnya getaran yang kemudian menimbulkan kebisingan
(noise) pompa yang akan berakibat pada kinerja pompa sentrifugal. Selain itu unsur-unsur kimia atau benda-benda kecil yang terhisap juga mempengaruhi
kinerja pompa sentrifugal. Penyebab lain yang menyebabkan kerusakan pompa
sentrifugal skala rumah tangga adalah tidak profesionalnya teknisi yang
memasang pompa (misalignment), konstruksi yang tidak sesuai dengan performansi kerja pompa (instalasi pipa terlalu panjang), kavitasi dan unbalance
yang kemudian mengakibatkan kegagalan komponen–komponen pompa
diantaranya impeler, poros, bearing, dan seal.
Dari berbagai jenis kegagalan komponen pompa tersebut, maka akan
menyebabkan terjadinya kebisingan. Kebisingan yang dihasilkan pada setiap
kegagalan akan berbeda, dengan demikian dapat dilakukan identifikasi kegagalan
dengan cara menganalisa kebisingan yang terjadi ketika pompa dioperasikan.
Dengan mengukur kebisingan pada pompa dan instalasinya dapat diketahui
komponen dan jenis kegagalan yang terjadi. Dengan demikian kita dapat
mengetahui kondisi pompa dan perawatan yang akan dilakukan pada pompa
4
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan Umum Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk mengidentifikasi dan membuktikan fenomena kerusakan yang
terjadi pada pompa sentrifugal skala rumah tangga dengan cara pengujian
eksperimental dan perhitungan analitis.
2. Untuk mendapatkan pola pemeliharaan yang sesuai pada pompa
sentrifugal skala rumah tangga sehingga umur pakai pompa dapat bertahan
sesuai spesifikasi yang ditetapkan pabrik.
1.3.2Tujuan Khusus Penelitian
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengukur kebisingan yang terjadi pada pompa baru dan pompa lama.
2. Melakukan perhitungan kebisingan pompa baru dan pompa lama secara
analitis.
3. Menganalisa kebisingan pompa dengan membandingkan antara pompa lama
dan baru berdasarkan hasil pengukuran eksperimental.
4. Menganalisa sumber kebisingan pompa dengan membandingkan antara
pompa lama dan baru berdasarkan hasil perhitungan analitis.
5. Melakukan pembongkaran dan mengamati perubahan struktur setiap
komponen pompa untuk membuktikan hasil identifikasi kegagalan
berdasarkan kebisingan pompa.
6. Menghitung persen ralat dari hasil pengukuran kebisingan secara
eksperimental dengan hasil perhitungan secara analitis.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini adalah salah satu upaya pihak perguruan tinggi, dalam
memberi informasi kepada masyarakat, dunia industri dan dunia pendidikan
tentang teknik untuk melakukan analisa kegagalan komponen-komponen pada
pompa sentrifugal skala rumah tangga dengan mengidentifikasi peningkatan
kebisingan yang terjadi, sehingga mendapatkan metode pemeliharaan yang tepat
untuk mendapatkan umur pompa yang sesuai standar pabrik. Oleh karena itu,
5 engineer maintenance dalam melakukan identifikasi kondisi pompa sentrifugal secara nondestructive, sehingga pelaku maintenance dapat merawat pompa secara berkelanjutan.
1.5 Batasan Masalah
Adapun batasan-batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Pengujian kebisingan (noise) dilakukan pada pompa sentrifugal rumah tangga yang baru dan lama
2. Pengukuran kebisingan (noise) dilakukan pada pompa secara ekperimental 3. Perhitungan kebisingan (noise) dilakukan secara analitis.
4. Hasil pengukuran eksperimental dan perhitungan analitis akan dianalisis
untuk mendapatkan kerusakan kerja pompa.
1.6 Sistematika Penulisan
Pada bab 1 membahas tentang latar belakang, perumusan masalah dan
tujuan penelitian ini. Pada bab 2 adalah tinjauan pustaka, yang membahas tentang
kebisingan (noise) pada pompa dan metode pengujian secara eksperimental dan perhitungan analitis. Bab 3 adalah Metode Penelitian. Bab 4 merupakan Hasil dan
Pembahasan. Bab 5 Kesimpulan dan Saran dan Bab terakhir yaitu berisikan Daftar
6
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Konstruksi Pompa
Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu fluida
dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut
[15]. Adapun konstruksi komponen-komponen pompa yang melahirkan getaran,
seperti pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Konstruksi pompa sentrifugal (Dokumentasi)
1. Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontinyu, sehingga
cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan
akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.
2. Casing merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar.
3. Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.
7 Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil [15].
2.1.1 Impeller
Berdasarkan arah aliran fluida maka impeller dibedakan atas: 1. Impeller jenis radial
Impeller jenis ini mempunyai arah aliran masuk fluida searah dengan sumbu poros (aksial) dan keluar dengan arah radial. Impeller jenis ini digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi.
Gambar 2.2 Impeller jenis radial [13] 2. Impeller jenis francis
Pada impeller jenis ini, arah aliran masuk fluida dan arah keluar aliran fluida sama yaitu pada arah radial impeler. Impeller jenis ini akan menghasilkan head yang lebih rendah tetapi dengan kapasitas yang besar.
Gambar 2.3 Impeller jenis francis [13] 3. Impeller jenis aliran campuran
Pada impeller tipe ini, fluida memasuki impeler sejajar dengan poros dan keluar dalam arah campuran radial dan aksial.
8 Fs
FT 4. Impeller jenis aksial
Impeller jenis ini mempunyai arah aliran fluida masuk dan keluar secara aksial. Head yang dihasilkan relatif kecil dengan kapasitas aliran yang relatif lebih besar.
Gambar 2.5 Impeller jenis aksial [13]
Pompa sentrifugal untuk skala rumah tangga biasanya menggunakan jenis
impeller francis, seperti pada gambar 2.3. Desain pompa jenis ini menggunakan impeller francis yang bertujuan agar diperoleh kapasitas pompa yang besar. Hal ini dirancang sesuai dengan kebutuhan skala rumah tangga yaitu kapasitas aliran
fluida besar dengan head yang tidak terlalu tinggi.
Berdasarkan kontruksi impeller jenis francis tersebut maka dapat dibuat model dinamik dari impeller yang akan merujuk pada model getaran, seperti pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Model dinamik impeller (Dokumentasi)
Sudu impeller mengalami gaya tangensial FT pada arah x yang dapat di hitung dengan persamaan
FT = m . aT = m R ... (2.1)[13]
U
9
F
TF
sdan gaya sentrifugal dapat di hitung dengan persamaan
Fs = m . as = m ... (2.2)[13]
Gambar 2.7 Gaya-gaya pada sudu impeller (Dokumentasi)
Pada sudu impeller mengalami tegangan geser pada arah x yang dapat dihitung dengan persamaan
= ... (2.3)
Dengan M adalah momen yang diperoleh dari hasil kali gaya tangensial terhadap
lebar impeller. Sedangkan tegangan pada sumbu y terjadi tegangan tarik yang dapat dihitung dengan persamaan
= ... (2.4)
Dengan adalah gaya sentrifugal yang di hasilkan dari perubahan arah aliran
fluida dan A adalah luas sisi impeller yang merupakan hasil kali tebal impeller
dengan lebar impeller sehingga diperoleh
= ... (2.5)
Sudu impeller dapat di analogikan sebagai benda pejal yang ditumpu dengan tumpuan jepit pada satu sisi dan dalam keadaan bebas pada sisi lainnya, sehingga
diagram benda bebas dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.8 Diagram benda bebas sudu (Dokumentasi)
10 Untuk menghitung besar defleksi yang terjadi dapat dilakukan dengan
menurunkan persamaan (2.3)
E. = ... (2.6) M = ... (2.7) = x" ... (2.8) x" = ... (2.9) untuk memperoleh besar defleksi dilakukan dengan menghitung turunan kedua
dari persamaan (2.9)
x' = d x" dy ... (2.10) x = d x' dy ... (2.11) Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan (stiffness) dari sudu dengan menggunakan persamaan hukum Hook.
k = ... (2.12) persamaan getaran dapat dituliskan
m + c + k x = F (t) ... (2.13) maka dapat diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan (single degree of freedom)
f = ... (2.14)
2.1.2 Poros (shaft)
Poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari motor selama
pompa beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar
lainnya. Gambar poros diperlihatkan pada gambar 2.9.
11 Diagram benda bebas poros pompa dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.10 Diagram benda bebas poros (Dokumentasi)
Untuk menghitung besar defleksi yang terjadi dapat dilakukan dengan
menggunakan persamaan 2.10 dan 2.11. Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan
(stiffness) dari poros dengan menggunakan persamaan hukum Hook seperti pada persamaan 2.12. Maka dapat diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan
(single degree of freedom) dengan persamaan 2.14.
2.1.3 Bantalan(Bearing)
Bantalan (bearing) merupakan komponen pompa yang berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban
radial maupun beban a xial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek
menjadi kecil [11]. Diagram benda bebas dari bearing dapat dilihat pada gambar
2.12
Gambar 2.11 Bearing [11]
Getaran yang terjadi pada bearing dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu
12 bantalan, diameter bantalan, kekentalan pelumas, beban, kecepatan bantalan, dan
sommerfeld number dari bantalan. Sommerfeld number dapat dihitung dengan persamaan berikut:
S = ... (2.15) [11]
= kekentalan pelumas (lb - sec/in)
n = kecepatan rotor (rps)
D = diameter bantalan (in)
L = lebar bearing (in)
W = beban bantalan (lbs)
R = jari-jari bantalan (in)
C = radial machined clearance (in)
Jenis bantalan yang digunakan pada pompa skala rumah tangga yaitu jenis
bantalan bola (ball bearing). Berdasarkan konstruksi bantalan jenis ball tersebut maka dapat dibuat model benda bebas dari sebuah bola bantalan yang akan
merujuk pada model getaran, seperti pada gambar 2.12
Gambar 2.12 Diagram benda bebas ball bearing
Gaya yang bekerja pada sebuah bola dari bantalan yaitu gaya aksial. Gaya aksial
tersebut diperoleh dari beban tumpuan poros pompa. Sehingga untuk menghitung
deformasi elastis dari sebuah bola bentalan dapat dirumuskan sebagai berikut:
= ... (2.16)
Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan (stiffness) dari poros dengan
menggunakan persamaan hukum Hook seperti pada persamaan 2.12. Maka dapat
diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan (single degree of freedom) dengan persamaan 2.14.
13 Ketika pompa beroperasi maka didalam rumah pompa akan terjadi aliran
turbulance. Aliran turbulance ini terjadi diantara sudu-sudu impeller dan volute pompa. Aliran turbulance akan menghasilkan tekanan dinamis yang
mengakibatkan terjadinya getaran pada impeller dan poros pompa [11]. Frekuensi
getaran yang terjadi karena fluktuasi aliran fluida tersebut dapat dirumuskan
sebagai berikut :
f = ... (2.17) [14] Keterangan:
n = putaran spesifik pompa
N = jumlah sudu impeller
Aliran turbulensi fluida juga dapat terjadi didalam pipa. Fluktuasi yang
terjadi dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida didalam pipa dan geometri pipa.
Fluktuasi ini menyebabkan resonansi ke bagian-bagian lain dari sistem perpipaan.
Fluktuasi aliran fluida didalam pipa akan menghasilkan getaran dan kebisingan.
Frkuensi getaran yang dihasikan oleh aliran fluida didalam pipa dapat berdampak
pada frekuensi getaran yang terjadi di dalam rumah pompa. Pengukuran
eksperimental menunjukkan bahwa aliran turbulance fluida didalam rumah pompa
akan semakin besar ketika terjadi resonansi akustik antar frekuensi getaran di
rumah pompa dengan frekuensi getaran pada pipa [11]. Frekuensi yang dihasilkan
oleh aliran turbulen di dalam pipa dirumuskan sebagai berikut:
f = ... (2.18) [11] Keterangan:
= Strouhal number (0,2-0,5)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
D = Diameter pipa (m)
2.2 Putaran Spesifik Pompa
Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menghasilkan head
1 m dengan kapasitas 1 m3/s. Putaran spesifik digunakan untuk menentukan jenis impeler yang akan digunakan. Dengan kata lain, nilai putaran spesifik dapat
dipakai sebagai parameter untuk menyatakan jenis pompa [14]. Putaran spesifik
14
Pada bagian ini akan diberikan beberapa definisi dan pengertian dasar
mengenai gelombang dan bunyi serta hal-hal yang berkaitan dengan teori ini.
Gerak gelombang muncul di dalam hampir tiap-tiap cabang fisika, seperti
gelombang air, gelombang bunyi, gelombang cahaya, gelombang radio, dan
gelombang elektromagnetik lainnya. Sebuah perumusan mengenai atom dan
partikel-partikel sub-atomik dinamakan mekanika gelombang. Jelaslah bahwa
sifat-sifat gelombang sangat penting di dalam fisika.
Gelombang dapat didefenisikan sebagai getaran yang merambat melalui
medium yang dapat berupa zat padat, cair, dan gas. Gelombang terjadi karena
adanya sumber getaran yang bergerak terus-menerus. Medium pada proses
perambatan gelombang tidak selalu ikut berpindah tempat bersama dengan
rambatan gelombang. Misalnya bunyi yang merambat melalui medium udara,
maka partikel-partikel udara akan bergerak osilasi (lokal) saja.
Gelombang berdasarkan medium perambatannya dapat dikategorikan
menjadi gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang
mekanik terdiri dari partikel-partikel yang bergetar, dalam perambatannya
memerlukan medium. Contohnya gelombang bunyi, gelombang pada air,
gelombang tali. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan
dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, arah getar
vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Perambatan gelombang
ini tidak memerlukan medium dan bergerak mendekati kelajuan cahaya [6].
Berdasarkan arah getar dan arah rambat, gelombang dibedakan menjadi
dua jenis yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang
15 getarnya, contohnya gelombang pada tali , gelombang permukaan air, gelombang
cahaya. Sedangkan gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah
merambatnya searah dengan arah getarnya, contohnya gelombang bunyi dan
gelombang pada pegas. Gelombang ini terdiri dari rapatan dan regangan. Rapatan
adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan mendekat selama sesaat.
Regangan adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan menjauh selama
sesaatl. Gelombang transversal dan gelombang longitudinal dapat digambarkan
secara grafis pada gambar 2.13 dan gambar 2.14
Gambar 2.13 Gelombang Transversal [6]
Gambar 2.14 Gelombang Longitudinal [6]
Besaran-besaran yang digunakan untuk mendiskripsikan gelombang antara
lain panjang gelombang (λ) adalah jarak antara dua puncak yang berurutan, frekuensi (ƒ) adalah banyaknya gelombang yang melewati suatu titik tiap satuan waktu, periode (T) adalah waktu yang diperlukan oleh gelombang melewati suatu
titik, amplitudo (A) adalah simpangan maksimum dari titik setimbang, kecepatan
gelombang (v) adalah kecepatan dimana puncak gelombang (atau bagian lain dari
gelombang) bergerak. Pada waktu merambat gelombang membawa energi dari
satu tempat ke tempat lain. Saat gelombang merambat melalui medium maka
energi dipindahkan sebagai energi getaran antar partikel dalam medium tersebut.
2.4 Teori Bunyi
Bunyi, secara harafiah dapat diartikan sebagai sesuatu yang kita dengar.
16 energi yang terkandung dalam bunyi dapat meningkat secara cepat dan dapat
menempuh jarak yang sangat jauh. Bunyi diidentikkan sebagai pergerakan
gelombang di udara yang terjadi bila sumber bunyi mengubah partikel terdekat
dari posisi diam menjadi partikel yang bergerak. [6]
Bunyi mempunyai dua defenisi, yaitu:
1. Secara fisis, bunyi adalah penyimpangan tekanan, pergeseran partikel
dalam medium elastik seperti udara. Definisi ini dikenal sebagai bunyi
objektif.
2. Secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran yang disebabkan
penyimpangan fisis yang digambarkan pada bagian atas. Hal ini disebut
sebagai bunyi subjektif [4].
Secara singkat, Bunyi adalah suatu bentuk gelombang longitudinal yang
merambat secara perapatan dan perenggangan terbentuk oleh partikel zat
perantara serta ditimbulkan oleh sumber bunyi yang mengalami getaran.
Rambatan gelombang bunyi disebabkan oleh lapisan perapatan dan peregangan
partikel-partikel udara yang bergerak ke luar, yaitu karena penyimpangan tekanan.
Hal serupa juga terjadi pada penyebaran gelombang air pada permukaan suatu
kolam dari titik dimana batu dijatuhkan. Gelombang bunyi adalah gelombang
yang dirambatkan sebagai gelombang mekanik longitudinal yang dapat menjalar
dalam medium padat, cair dan gas. Gelombang bunyi ini merupakan
vibrasi/getaran molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun
demikian zat tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta
mentransmisikan energi bahkan tidak pernah terjadi perpindahan partikel.
Berbicara, tentang substansi yang menjalar apabila gelombang bunyi
mencapai tapal batas maka gelombang bunyi tersebut akan terbagi dua yaitu
sebagian energi diteruskan dan sebagian lagi direfleksikan/dipantulkan. Suatu
penelitian mengenai terjadinya penjalaran bunyi, mendeteksi dan penggunaan
bunyi sangat penting untuk mengetahui lebih lanjut akan pengalihan energi
mekanik.
17 kompresi dan regangan yang terjadi. Perubahan tekanan yang membawa informasi
bunyi ini bergerak pada arah yang sama dengan muka gelombang, yaitu secara
longitudinal, sehingga dapat dikatakan bunyi merupakan gerakan gelombang
mekanis yang longitudinal.[6]
2.4.1 Frekuensi Bunyi
Frekuensi merupakan gejala fisis obyektif yang dapat diukur oleh
instrumen-instrumen akustik. Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per
peristiwa dalam selang waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi,
seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan
membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil perhitungan ini
dinyatakan dalam satuan hertz (Hz) yaitu nama pakar fisika Jerman Heinrich
Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali.
Frekuensi adalah banyaknya getaran per banyaknya waktu pada waktu
lampau satuan dari ukuran sebuah frekuensi didefinisikan sebagai banyaknya
siklus perdetik (cps). Sekarang, frekuensi ditentukan dalam satuan yang disebut
Hertz (Hz). Satu Hertz sama dengan satu siklus perdetik. Frekuensi yang dapat didengar oleh Manusia berkisar 20 sampai 20.000 Hz dan jangkauan frekuensi ini
dapat mengalami penurunan pada batas atas rentang frekuensi sejalan dengan
bertambahnya umur manusia. Jangkauan frekuensi audio manusia akan berbeda
jika umur manusia juga berbeda. Frekuensi bunyi dapat didefinisikan sebagai
jumlah periode siklus kompresi dan regangan yang muncul dalam satu satuan
Sedangkan periode adalah banyaknya waktu per banyaknya getaran,
sehingga periode berbanding terbalik dengan frekuensi.
T = ... (2.21)[7] Keterangan :
18 Dalam tabel 2.1 berikut dapat dilihat perbedaan dari jarak rentang
frekuensi yang dapat ditransmisikan dan diterima oleh beberapa sumber dan
penerima bunyi.
Tabel 2.1 Rentang frekuensi dari beberapa sumber bunyi [6]
Sumber Bunyi Rentang Frekuensi (Hz) Manusia 85-5000
Anjing 450-1080
Kucing 780-1520
Piano 30-4100
Pitch Music Standart 440
2.4.2 Cepat Rambat Bunyi
Bunyi bergerak pada kecepatan berbeda-beda pada tiap media yang
dilaluinya. Pada media gas udara, cepat rambat bunyi tergantung pada kerapatan,
suhu, dan tekanan. [6]
c = ... (2.22)[7] atau dalam bentuk yang sederhana dapat ditulis :
c = 20,05 ... (2.23)[7]
Pada media padat bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan, sedangkan
pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan.
c = ... (2.24)[7]
Keterangan :
19 Pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan.
c = ... (2.25)[7] Keterangan :
K = Modulus bulk (N/m2) = Kerapatan (Kg/m3)
Karena bunyi merupakan gelombang maka bunyi mempunyai cepat rambat yang
dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu :
1. Kerapatan partikel medium yang dilalui bunyi. Semakin rapat susunan
partikel medium maka semakin cepat bunyi merambat, sehingga bunyi
merambat paling cepat pada zat padat. Tabel 2.2 disajikan beberapa
kecepatan bunyi dalam material tertentu.
Tabel 2.2 Cepat rambat bunyi pada berbagai [6]
Material Kecepatan bunyi (ft/s) Kecepatan bunyi (m/s)
Udara 1100 335
cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam
persamaan matematis (v = v0 + 0,6 t) dimana v0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium.
20 Panjang suatu gelombang bunyi dapat didefinisikan sebagai jarak yang
ditempuh oleh perambatan bunyi selama tiap siklus. Hubungan antara panjang
gelombang, frekuensi, dan cepat rambat bunyi dapat ditulis sebagai berikut sesuai.
= ... (2.26)[8]
Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam
suatu daerah per satuan luas. Intensitas bunyi dalam arah tertentu di suatu titik
adalah laju energi bunyi rata-rata yang ditransmisikan dalam arah tersebut
melewati satu-satuan luasan yang tegak lurus arah tersebut di titik bersangkutan.
Untuk tujuan praktis dalam pengendalian kebisingan lingkungan, tingkat tekanan
bunyi sama dengan tingkat intensitas bunyi. Intesitas bunyi pada tiap titik dari
sumber dinyatakan dengan : [6]
I = ... (2.27)[8] Keterangan :
I = Intensitas bunyi (W/m2) W = Daya akustik (Watt)
A = Luas area yang ditembus tegak lurus oleh gelombang bunyi (m2)
Ambang batas pendengaran manusia, yaitu nilai minimum intensitas daya bunyi
yang dapat dideteksi telinga manusia, adalah 10-6 W/cm2. Tingkat tekanan bunyi beberapa macam bising dan bunyi tertentu ditunjukkan dalam tabel 2.3.
Tabel 2.3 Skala intensitas Kebisingan [6]
Jenis Bising/Bunyi Desibel Kriteria Jet tinggal landas, meriam, uap,
halilintar, band rock 100-130 Menulikan Bising lalu lintas, peluit polisi,
21
umumnya, perusahaan Percakapan pada umumnya,
radio perlahan, rumah bising 40-60 Sedang Kantor pribadi, ruang tenang,
percakapan yang tenang. 20-40 Lemah Gemerisik daun, bisikan, nafas
manusia s/d 20 Sangat lemah
2.4.5 Kecepatan Partikel
Radiasi bunyi yang dihasilkan suatu sumber bunyi akan mengelilingi udara
sekitarnya. Radiasi bunyi ini akan mendorong patikel udara yang dekat dengan
permukaan luar sumber bunyi. Hal ini akan menyebabkan bergeraknya
partikel-partikel di sekitar radiasi bunyi yang disebut dengan kecepatan partikel-partikel pada
persamaan. [6]
Dengan menggunakan kesetimbangan momentum antara momentum linear
dan impuls gaya pada gelombang longitudinal untuk permasalahan solid borne maka dapat dianologikan menjadi persamaannya adalah : [6]
= c v ... (2.29)[8]
Keterangan :
= Tegangan pada solid (N/m2) = Massa jenis bahan (Kg/m3)
c = Kecepatan bunyi merambat pada batang (m/s) v = Kecepatan partikel (m/s)
22 1. Gelombang yang terjadi di solid adalah gelombang bidang
2. Persamaan di atas dapat diturunkan menjadi gerak di benda solid
3. Reaksi medium solid berupa tegangan, sedangkan pada udara berupa tekanan.
2.4.6 Tekanan Bunyi dan Tingkatan Tekanan Bunyi
Tekanan bunyi adalah variasi tekanan diatas dan dibawah tekanan
atmosfer dalam satuan pascal. Tekanan bunyi dapat dirumuskan dari persamaan
kecepatan partikel yaitu:
= 2 fx c ... (2.30)[8] Variasi tekanan ini sifatnya periodik, satu variasi tekanan komplit disebut
juga sebagai satu siklus (frekuensi). Secara umum persamaan gelombang tekanan
bunyi datang dapat dituliskan sebagai : [6]
= sin (2 ft – k1 x) ... (2.31)[6] dan persamaan untuk gelombang ditransmisikan dan dipantulkan adalah :
= sin (2 ft – k2 x) ... (2.32)[6]
k1,k2 = Bilangan gelombang pada media 1 dan media 2 = x = jarak dari sumber gelombang (m)
Penyimpangan dalam tekanan atmosfir yang disebabkan getaran partikel
udara karena adanya gelombang bunyi disebut tekanan bunyi. Tingkat tekanan
23 penganalisis frekuensi atau perekam grafis. Meter tingkat bunyi yang dibuat
dalam berbagai ukuran oleh beberapa perusahaan, dapat digunakan untuk
sejumlah tujuan dalam akustik lingkungan. Ini merupakan instrumen yang penting
dalam menilai dan mengendalikan bunyi bising dan getaran. Tingkat tekanan
bunyi di definisikan dalam persamaan berikut sesuai dengan: [6]
Lp = 10 log ... (2.34)[8] Keterangan :
Lp = Tingkat tekanan bunyi (Sound Pressure Level (SPL)) (dB) Pref = Tekanan bunyi referensi, 10-5 N/m2 untuk bunyi udara. Pt = Tekanan bunyi ditranmisikan (Pa)
Pada umumnya, suatu instrumen sound level meter dilengkapi dengan fitur pembobotan frekuensi A, B, C, dan flat-weighting (pembobotan datar).
1. Frekuensi Pembobotan –A
A-weighted sound level (tingkat pembobotan bunyi –A) ini memberikan hubungan tingkat tekanan bunyi dengan respon manusia untuk berbagai jenis
sumber bunyi (Hemond, 1983). Akibatnya, tingkat pembobotan jenis ini paling
sering digunakan dalam keperluan pengendalian kebisingan. Satuan tingkat
pembobotan bunyi –A adalah decibel dengan simbol dB(A). 2. Frekuensi Pembobotan –B
Pembobotan –B ini tidak digunakan lagi dalam instrument untuk pengukuran akustik.
3. Frekuensi Pembobotan –C
Respon pembobotan –C ini cukup uniform dari 50 hingga 5000 Hz. Oleh karenanya, pembobotan jenis ini sering digunakan bila pembobotan datar tidak
terdapat dalam instrumen sound level meter. Ketika pembobotan –C digunakan, satuan yang digunakan adalah decibel dengan symbol dB(C).
4. Flat-weighting (Pembobotan datar –dB)
Pembobotan jenis ini memiliki jangkauan frekuensi yang sangat luas
sehingga kadang disebut all pass respons. Pembobotan ini digunakan bila
24 Nilai tingkat tekanan bunyi yang didapat dari hasil pengukuran sound lever meter dalam skala decibel (dB), dapat dikonversikan ke dalam satuan dB(A) melaluisuatu skala koreksi pada tabel 2.4 berikut:
Tabel 2.4 Skala koreksi pembobotan –A [6]
Frekuensi Skala Koreksi
Intensitas bunyi sangat penting diperhatikan untuk mengetahui radiasi total
yang menuju udara oleh sumber bunyi dan untuk mengetahui tekanan bunyi.
Intensitas bunyi bergantung pada posisi dalam daerah persatuan luas dimana
gelombangnya bergerak secara paralel. Intensitas bunyi akan bernilai maksimum
jika arah gelombangnya tegak lurus dari sumber bunyi. Hubungan intensitas
bunyi, tekanan bunyi, kecepatan bunyi dan kerapatan udara adalah sebagai
berikut: [6]
Prms2 = Imax c ... (2.35)[8] Keterangan :
Prms = Akar kuadrat tekanan bunyi rata-rata (Pa) Imax = Intensitas maksimum (W/m2)
ρ = Kerapatan udara (Kg/m3)
c = Cepat rambat bunyi di udara (m/s)
Tingkatan Intensitas bunyi didefinisikan dalam rumus berikut:
25 Keterangan :
I = Intensitas bunyi (W/m2)
Iref = Intensitas referensi (10-12 W/m2)
2.4.8 Daya Bunyi dan Tingkatan Daya Bunyi
Daya bunyi adalah radiasi sumber bunyi yang menuju ke sekitar udara,
dalam satuan Watts. Intensitas merupakan besaran yang setara dengan daya gelombang yang merambat per satuan luas muka gelombang. Berbeda dengan
gelombang bidang, gelombang speris yang berpropagasi ke segala arah dengan bidang berbentuk bola (speris) seperti yang disajikan pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Gelombang bunyi berbentuk bola (speris) [6]
Sebagaimana yang berlaku untuk gelombang bidang, maka intensitas gelombang
speris dapat dihitung dengan prinsip yang sama. Hanya saja karena muka
gelombang berbentuk sperik (bola) maka luasnya adalah 4 . Sehingga hubungan
daya bunyi dengan intensitas bunyi dapat ditulis dalam persamaan : [6]
Ws = (4 r
r = Jarak dari titik tengah akustik sumber bunyi ke permukaan imajiner sphere (m) Tingkat daya bunyi didefinisikan dalam persamaan :
Lw = 10 log ... (2.38)[7] dimana :
Lw = Tingkatan daya bunyi (dB) W = Daya bunyi (Watts)
26 2.4.10 Hubungan Antara Tingkat Daya, Tingkat Intensitas dan Tingkat Tekanan
Bunyi
Intensitas pada suatu ketika berhubungan dengan tekanan bunyi pada titik
dalam daerah bebas dengan mengkombinasikan persamaan pada [6, hal 15 dan
17], maka diperoleh tingkat intensitas bunyi sebagai berikut: [6]
= 10 log = 10 log = 10 log + 10 log ... (2.39) = + 10 log K ... (2.40)
Keterangan : K = Konstanta = =
Dengan cara yang sama terhadap tingkat tekanan bunyi, maka :
= + 10 log K ... (2.41)[7] Pada kondisi dimana intensitas adalah seragam dalam sebuah daerah S, daya
bunyi dan intensitas berhubungan pada persamaan :
W = I . A ... (2.42)[7] Selanjutnya hubungan antara tingkat intensitas dan tingkat daya bunyi adalah :
10 log = 10 log + 10 log ... (2.43)
Pada pompa sentrifugal, terdapat dua sumber kebisingan, yaitu : [11]
1. Sumber kebisingan mekanikal
Sumber mekanik umum yang dapat menghasilkan noise termasuk
membuat komponen pompa bergetar dikarenakan oleh variasi tekanan yang
dihasilkan oleh cairan atau udara. Impeller atau seal rusak, bantalan yang rusak,
bergetarnya dinding pipa dan rotor tidak seimbang adalah contoh sumber
27 Pada pompa sentrifugal, instalasi yang tidak tepat pada kopling sering
menyebabkan kebisingan mesin pada 2 kali kecepatan pompa (misalignment).
Jika kecepatan pompa dekat dengan kecepatan kritis lateral, kebisingan dapat
dihasilkan oleh getaran yang tinggi yang dihasilkan dari ketidakseimbangan atau
keausan bantalan, seal, atau impeller. Jika terjadi keausan,itu dapat ditandai
dengan tingkat kebisingan yang tinggi. Suara bising dapat dihasilkan oleh motor
dan pasak poros. Kerusakan elemen ball bearing menghasilkan suara kebisingan
tinggi yang dipengaruhi oleh geometri bearing dan kecepatannya.
2. Sumber kebisingan fluida
Fluktuasi tekanan fluida dihasilkan oleh gerakan cairan. Kebisingan pada
fluida dapat dihasilkan oleh turbulensi, kavitasi, tumbukan air, pemisahan aliran
dan interaksi impeller pada saat memotong air. Jika frekuensi yang dihasilkan
mempengaruhi setiap bagian dari struktur termasuk pipa atau pompa pada vibrasi
mekanikal, maka suara bising akan terpancar ke lingkungan. Jenis sumber
kebisingan yang terjadi umumnya pada pompa sentrifugal.
a.Frekuensi diskrit yang dihasilkan oleh impeller pompa sama dengan
frekuensi kipas, dan kelipatan.
b.Gelombang induksi aliran disebabkan oleh turbulensi seperti restriksi
aliran dan percabangan dalam sistem perpipaan.
c.Energi turbulen dihasilkan dari kecepatan aliran yang tinggi.
d.Aliran air yang terputus-putus disebabkan oleh kavitasi dan tumbukan air.
Berbagai pola aliran sekunder yang menghasilkan fluktuasi tekanan yang
mungkin terjadi dalam pompa sentrifugal, yaitu : [11]
1. resirkulasi (aliran sekunder)
28 Menurut Bernoully ada tiga macam energi (head) fluida yaitu energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dinyatakan pada persamaan
(2.45) sebagai berikut [] :
Etekan = Ek + Ep ... (2.45) Energi tekanan dihasilkan oleh impeller yang berputar. Dengan demikian
jika terjadi kerugian tekanan maka disebabkan oleh kondisi impeler yang kurang
baik atau terjadi fenomena kavitasi. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
Etekan = Ek + Ep ... (2.46) EPutaran Impeler - Ebunyi =Ek + Ep ... (2.47) Ebunyi = EPutaran Impeler - Ek + Ep ... (2.48)
Pada pompa sentrifugal dengan skala rumah tangga menggunakan
penggerak motor listrik tanpa kopling. Dengan demikian untuk menghitung energi
pada impeller pompa dapat menggunakan persamaan berikut :
EPutaran Impeler = ... (2.49)[3] Keterangan :
= Daya motor
= Efisiensi transmisi
= Faktor koreksi cadangan daya (0,1 – 0,2)
Untuk menghitung energi kinetik dan energi potensial dengan persamaan berikut:
Ek = m ... (2.50) Ep = mgh ... (2.51) Keterangan :
m = Massa aliran fluida (Kg/s)
v = Kecepatan aliran fluida (m/s)
h = Tinggi head (m)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
dengan mensubstitusikan persamaan (2.49), (2.50) dan (2.51) ke persamaan
(2.48), maka diperoleh persamaan berikut:
Ebunyi = - m + mgh ... (2.52) Untuk menghitung daya bunyi yang dihasilkan oleh pompa dapat digunakan
29
P = (2.53)
Untuk menghitung Intensitas bunyi dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
I = ... (2.54)[7] Keterangan :
I = Intensitas bunyi (W/m2) P = Daya bunyi (W)
A = Luas medium rambat bunyi (m2)
Tekanan bunyi dapat dirumuskan sebagai berikut :
p = ... (2.55)[7]
Sound pressure level dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
SPL = 20 Log ... (2.56)[7] Keterangan :
p = Tekanan bunyi (Pa)
po = Tekanan bunyi reference (Pa)
2.6 Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan
Untuk menentukan perlakuan pengendalian kebisingan yang tepat untuk
permasalahan kebisingan pada impeller terdapat beberapa langkah yang harus diikuti, yaitu: [4]
1. Pengukuran sumber kebisingan.
Pengukuran dilakukan secara akurat dan tepat untuk mengidentifikasi distribusi
kebisingan yang terjadi. Setelah itu kontrol kebisingan yang tepat dapat diukur
pada setiap sumber yang memungkinkan.
2. Penentuan sasaran penurunan kebisingan
30 dipertimbangkan tingkat pengurangan kebisingan dari masing-masing sumber
sehingga sasaran desain dapat tercapai.
3. Penjelasan kebutuhan penurunan kebisingan
Kebutuhan penurunan kebisingan sangat diperlukan karena terdapat perbedaan
kelebihan kebisinganterhadap sasaran desain penurunan kebisingan.
4. Aplikasi kontrol kebisingan.
Pemilihan perlakuan penurunan kebisingan untuk membatasi radiasi, transmisi,
dan kebisingan yang dibangkitkan pada beberapa sumber yang diidentifikasi
dan dihitung berdasarkan langkah 1. Semua perlakuan harus dipilih sehingga
efek keseluruhan dapat dikembangkan menjadi tingkat sasaran desain
penurunan kebisingan seperti yang dijelaskan pada langkah 2, dalam kondisi
biaya yang sedikit, tanpa interferensi dari operator, perawatan, dan tingkat
31
BAB 3
METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode
penelitian eksperimen dan perhitungan analitis. Data diperoleh melalui pengujian
kebisingan pada pompa baru dan pompa lama.
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan sejak pengesahan usulan oleh pengelola
program studi pada tanggal 27 februari 2015 sampai dinyatakan selesai yang
direncanakan berlangsung selama ± 4 bulan. Tempat pelaksanaan penelitian
adalah di Gedung unit II, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara. Sementara pengolahan data dan perhitungan analitis dilakukan di
ruang Computational And Experimental System Mechanics (CESM).
3.2 Bahan dan Alat
3.2.1 Bahan Penelitian
Subjek penelitian ini adalah pompa sentrifugal baru dan lama dengan
spesifikasi sebagai berikut :
Merk : DAP
Suction Head : 9 m
Discharged Head : 24 m
Kapasitas : 42 Ltr/det
Daya : 125 Watt
Voltage : 220 Volt
32 Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal DAP (Dokumentasi)
Gambar 3.2 Gambar Komponen-Komponen Pompa DAP Model DB-125A
(Dokumentasi)
Keterangan :
1: Pump Body 14 : Terminal Cover
4 : Impeller 15 : Splash Guard
7 : Shaft 16 : Mechanical Seal
10 : Motor Body 17 : Shaft Key
11 : Motor end Cover 19 : Ball Bearing
33
13 : Fan Cover 21 : Spring Washer
22 : Terminal Block 27 : “O” Ring
23 : Capasitor 32 : Locking Ring
24 : Tie Bolt 33 : End Cover
25 : Filling Plug 45. Screw
3.2.2 Alat Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini sebanyak 3 alat yaitu sebagai
berikut:
1. Sound Level Meter
Sound Level Meter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur seberapa besar suara bising mempengaruhi pekerja dalam melaksanakan tugasnya.
Fungsi alat ini untuk mengukur intensitas kebisingan antara 30–130 dB dan dari frekuensi 20–20.000 Hz seperti terlihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sound Level Meter (Dokumentasi)
2. Taco Meter
Taco meter digunakan untuk mengukur putaran pada pompa. Tacometer yang
digunakan yaitu taco dengan sensor magnet seperti pada gambar 3.4.
34
3. Kunci pas
Kunci pas digunakan untuk mengunci baut pada saat pemasangan benda kerja,
seperti Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Kunci pas (google.com)
4. Meteran
Meteran digunakan untuk mengukur jarak sound level meter ke alat yang akan kita uji, seperti terlihat pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Meteran (google.com)
3.3 Titik Pengukuran Kebisingan
Metode pengujian rencananya dilakukan yaitu pengujian secara langsung,
dimana pada pengujian ini, seluruh variabel nilainya didapat dari hasil pengukuran
dan digunakan untuk bahan pengamatan atau analisis. Pada pengujian ini variabel
yang digunakan yaitu sound pressure level.
Pengukuran dilakukan pada arah horizontal, vertikal, dan aksial. Seperti
terlihat pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Titik pengukuran (Dokumentasi)
Y
X
Z
-Y
35
3.4 Set Up Peralatan
Secara eksperimental pengujian dan pengambilan data dilakukan untuk
memperoleh karakteristik kebisingan yang terjadi pada pompa. Pengujian
dilakukan dengan mengoperasikan pompa yang akan di uji. Pada saat pompa
beroperasi akan diukur kebisingan yang dihasilkan oleh pompa dengan
menggunakan alat ukur kebisingan (Sound Level Meter). Hasil dari pengukuran kemudian dicatat sebagai data eksperimental. Seperti terlihat pada gambar 3.8.
Gambar 3.8 Pengukuran kebisingan dengan sound level meter (Dok) Untuk lebih lengkapnya set up peralatan pengujian yaitu sebagai berikut: 1. Hubungkan pompa dengan power supplay.
2. Ukur jarak antara sound level meter ke propeller menggunakan meteran dengan jarak 5, 10, 15, 20 cm.
3. Arahkan microphone yang ada pada sound level meter ke arah impeller.
4. Hidupkan motor.
5. Lakukan pengambilan data pada arah vertikal, horizontal dan aksial.
6. Lihat hasil kebisingan yang tertera di sound level meter dan olah data dengan menggunakan Microsoft excel.
3.5 Variabel Yang Diamati
Sesuai dengan maksud eksperimen, variabel ini menjadi fokus perhatian
36 mendekati sempurna. Adapun variabel yang diamati dalam studi eksperimental ini
adalah sebagai berikut:
1. Jarak sound level meter Bruel & Kjaer type 2238 fulfils ke pompa. 2. Putaran aktual pada pompa baru dan lama.
3. Debit aktual pada pompa baru dan lama.
4. Noise pada pompa baru dengan arah horizontal, vertikal, aksial. 5. Noise pada pompa lama dengan arah horizontal, vertikal, aksial.
3.6 Spesifikasi Fluida
Spesifikasi fluida pada saat melakukan pengujian adalah air tanah yang
diperoleh dari sumur bor. Gambar teknik sumur bor dapat dilihat pada lampiran 1.
Berikut adalah gambar proses pengeboran untuk mendapatkan air tanah.
Gambar 3.9 Proses pengeboran sumur (Dokumentasi)
Spesifikasi fluida dapat dilihat pada tabel 3.1.
Tabel 3.1. Spesifikasi fluida
No Spesifikasi
1. Jenis fluida Air
2. Tekanan fluida 1 atm (10325 Pa)
3. Suhu 20 0 C
37
3.7 Design Of Experimental
Dalam mengidentifikasi gejala getaran pada konstruksi pompa perlu
dibangun model eksperimental dari struktur yang melahirkan getaran. Adapun
komponen-komponen yang mempengaruhi lahirnya getaran pompa adalah :
1. Instalasi Pipa
Instalasi pipa yang digunakan untuk penyediaan air bersih dalam skala
rumah tangga digunakan pipa dengan ukuran 3/4 in, dan 1 in. Berikut ini gambar
instalasi pipa yang di gunakan. Gambar instalasi pipa dapat dilihat pada lampiran
2.
DOE Instalasi pipa
Berdasarkan diagram DOE pipa diatas dapat dijelaskan bahwa saat pompa
beroperasi menghisap air melalui pipa terdapat beberapa parameter yang
mempengaruhi noise pada instalasi pipa seperti : debit air, kecepatan aliran,
38 Kekasaran pipa juga berpengaruh pada getaran instalasi pipa dimana
semakin tinggi nilai kekasaran pipa maka semakin besar gesekan antara air dan
pipa sehingga terjadi noise yang tinggi. Semakin tinggi viskositas zat cair yang melalui pipa maka semakin besar noise yang terjadi pada pipa karena kerja pompa
yang semakin berat.
2. Konstruksi Pompa
Adapun uraian setiap komponen pompa yang mempengaruhi getaran
pompa dan fungsinya adalah sebagai berikut:
Tabel 3.2. Design Of Experiment (DOE)
No Nama Komponen Fungsi
1 Impeller untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang
dipompakan secara kontinyu, sehingga cairan
pada sisi isap secara terus menerus akan masuk
mengisi kekosongan akibat perpindahan dari
cairan yang masuk sebelumnya.
2 Shaft/poros untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat
kedudukan impeller dan bagian-bagian
berputar lainnya.
3 Bearing untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial
39
1. Impeller
Berikut gambar impeller pompa DAP.
Gambar 3.10 Impeller pompa DAP (Dokumentasi)
Berdasarkan diagram DOE impeller diatas dapat dijelaskan bahwa saat impeller berputar menghisap air terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi getaran yang terjadi seperti : debit air masuk, viskositas zat cair, material yang
terkandung dalam air, kavitasi dan unbalance.
40 menimbulkan noise yang tinggi pada impeller. Material-material lain yang terkandung dalam air seperti logam, pasir, lumpur juga akan menimbulkan noise
yang tinggi pada impeller karena akan terjadi tumbukan antara impeller dan material-material tersebut ketika impeller berputar. Gelembung-gelembung udara yang timbul akibat tekanan fluida pada sisi hisap turun mendekati teknan uap dari
fluida akan menyebabkan terjadinya tumbukan antara impeller dan gelembung. Jika keadaan ini terjadi pada waktu yang lama impeller akan menjadi rusak (patah) sehingga impeller akan terjadi unbalance.
2. Poros
Berikut gambar poros pompa DAP.
Gambar 3.11 Poros pompa DAP (Dokumentasi)
Daya poros P =
Stiffness k=
Torsi τ = F r
Input
Putaran(n) = rpm
Daya(P) =Watt
Output
Putaran Impeller
Controlable parameter
Unbalance
Parameter tidak terkontrol
41 Berdasarkan diagram DOE poros diatas dapat dijelaskan bahwa saat poros
berputar ketika pompa beroperasi terdapat beberapa parameter yang
mempengaruhi noise yang terjadi seperti : unbalance dan poros bengkok.
Ketika poros pompa memiliki inersia yang tidak merata maka akan terjadi