BAB 2 DASAR TEORI

(1)

BAB 2 DASAR TEORI

2.1Sistem Propulsi

Setiap kendaraan membutuhkan sesuatu yang menghasilkan

gerak,sesuatu yang mendorong kendaraan tersebut dan memberikan percepatan.

Sistem propulsi merupakan mekanisme penggerak pada setiap pesawat udara. Ada

dua jenis sistem propulsi yang dipakai,yakni sistem penggerak propeler dan

sistem penggerak jet expansi. Setiap sistem propulsi dihasilkan berdasarkan

hukum ketiga Newton. Pada sistem propulsi,udara sebagai fluida kerja

diakselerasikan oleh sistem, dan reaksi dari akselerasi atau percepatan ini

menghasilkan gaya pada sistem yang disebut dengan thrust atau gaya dorong. Gaya yang bekerja pada sistem propulsi sebagaimana yang terlihat pada gambar

2.1 merupakan penerapan dari hukum kedua Newton.

Gambar 2.1. Defenisi gaya pada gerak pesawat

Dimana force atau gaya merupakan perubahan momentum berdasarkan perubahan waktu. Persamaan ini dapat diuraikan sehingga akan diperoleh

(2)

Diturunkan dari persamaan

F =

(2.1)

Dengan nilai massa yang konstan maka persamaan diatas dapat di ubah menjadi

F =

F = m .a (2.2)

2.1.1 Defenisi Propeler

Propeler berasal dari dua kata bahasa latin yakni Pro dan Pellere . Pro yang berarti di depan,dan pellere yang berarti untuk menggerakkan. Lebih jauh

lagi menurut Shivell dalam bukunya fundamentals of flight, propeler adalah sekumpulan dari bilah atau “sayap” yang berputar, yang di orientasikan pada arah

dari resultan gaya angkat yang pada hakikatnya mengarah ke depan

(Shivell, 1983).

2.1.2 Sejarah Perkembangan Teori Propeler

Penjelasan secara detail tentang teori bagaimana propeler bekerja

sehingga menghasilkan thrust atau gaya dorong sangatlah rumit dan kompleks. Hal ini dikarenakan propeler merupakan sayap yang berputar dengan perubahan

bentuk airfoil yang sulit untuk dianalisa. Teori propeler telah dikenal beberapa

ratus tahun yang lalu oleh ilmuwan-ilmuwan pada masa itu. Beberapa teori yang

telah dikenal diantaranya adalah teori momentum dan teori elemen bilah. Axial momentum theory diperkenalkan oleh William. J. M. Rankine pertama kali pada tahun 1865 dan mengalami beberapa perkembangan sampai disempurnakan oleh

(3)

Momentum Theory. Sedangka n teori elemen bilah klasik diteliti pertama kali oleh Lanchester pada tahun 1907 dan disempurnakan dengan Vortex-Blade Element Theory (Ardhianto, 2011)

2.1.3 General Momentum Theory

Teori ini mempelajari tentang gaya-gaya yang dihasilkan oleh propeler.

Propelerdianggap sebagai sebuah piringan, dan udara melewati piringan piringan

tersebut. Gaya dorong dihasilkan dari perubahan momentum dari aliran udara

sebelum dan sesudah melewati piringan tersebut.

2.1.4 Vortex-Blade Element Theory

Teori ini adalah gabungan dari teori elemen bilah yang disempurnakan

dengan vortex teory. Teori elemen bilah mempelajari tentang gaya-gaya di tiap-tiap bilah baling-baling dengan cara mem-breakdown bilah tersebut menjadi beberapa bagian. Tiap-tiap bagian dari bilah tersebut akan membentuk cincin

dalam dua dimensi sehingga pada keadaan tiga dimensi akan membentuk tabung

yang kemudian dihitung per bagian.

Teori elemen bilah disempurnakan dengan teori vortex. Teori vortex

tersebut berdasarkan atas keberadaan tip vortex yang dihasilkan oleh ujung bilah yang berputar sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.2. Vorteks-vorteks

tersebut lalu mengalir ke belakang membentuk lintasan berbentuk helikal. Konsep

(4)

juga dapat menunjukkan bahwa penyederhanaan permasalahan dengan

mengasumsikan aliran putaran hanya dihasilkan ujung bilah saja.

Gambar 2.2. Konsep vortex pada propeler

2.2 Airfoil

Airfoil merupakan suatu bentuk geometri yang dibuat untuk

menghasilkan gaya angkat yang lebih besar dari gaya drag pada saat ditempatkan pada sudut tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil mempunyai bentuk ujung yang

lancip untuk menjamin aliran udara sedapat mungkin sealiran (Clancy, 1975).

Airfoil dapat menghasilkan gaya angkat (lift) yang dibutuhkan untuk mempertahankan pesawat terbang tetap di udara. Untuk menghasilkan gaya

angkat ini maka airfoil tersebut perlu terus bergerak di udara. Harus diingat pula

bahwa kita tidak mungkin hanya mendapatkan lift saja, tanpa menghasilkan gaya hambat.

Gaya hambat ini harus diperkecil agar tenaga pendorong airfoil tidak

mengalami hambatan yang besar. lift dan drag dipengaruhi oleh: 1. Bentuk airfoil

2. Luas permukaan airfoil

3. Pangkat dua dari kecepatan aliran udara

(5)

Persamaan untuk menghitung Lift dan Drag dapat dinyatakan dengan (Anderson,1999)

(2.3)

(2.4)

Dimana :

CL = Coefficient of Lift

= Densitas Udara

S = Kecepatan Udara

CD = Coefficient of Drag

2.3 Suara

Suara merupakan perubahan tekanan yang bergerak sepanjang material

dengan kecepatan yang bergantung kepada karakteristik material tersebut

(Beranek, 2006). Gelombang suara pada fluida kebanyakan dihasilkan melalui

permukaan zat padat yang bergetar di dalam fluida tersebut. Untuk mempermudah

pemahaman terhadap proses terjadinya suara yang berkaitan dengan adanya

permukaan zat padat yang bergetar dapat dilihat pada gambar 2.3.

(6)

Pada gambar 2.3, permukaan benda yang bergetar mengakibatkan fluida

yang berdekatan dengan permukaan tersebut terkompresi. Kompresi ini

mengakibatkan efek menjauh dari permukaan yang bergetar. Efek ini disebut

dengan gelombang suara, gelombang suara tersebut akan bergerak menjauhi

permukaan yang bergetar dengan kecepatan yang bervariasi bergantung terhadap

material yang dilalui. Untuk gas ideal, kecepatan suara adalah fungsi dari

temperatur absolut.

c = (2.5)

dimana gc = fator konversi satuan = 1 kgm/N-s2

= spesfic heat ratio = cp/cv

= konstanta gas spesifik = 287 J/kg-K

T = temperatur absolut ( K )

2.4 Kebisingan (Noise)

Noise atau bising merupakan suara atau bunyi yang tidak diinginkan keberadaannya (Harris,1957). Seiring berkembangnya waktu, kebanyakan dari

mesin mesin produksi,mesin mesin transportasi, dan segala sesuatu yang dapat

meningkatkan taraf hidup manusia selalu berdampingan dengan masalah

kebisingan. Karena sifat dari kebisingan adalah keberadaannya tidak diinginkan,

maka ada usaha usaha yang dilakukan untuk meniadakan atau meminimalisir

kebisingan tersebut. Konsep dari minimalisasi kebisingan tersebut terbagi

kedalam noise reduction dan noise control.

Kebisingan dapat merambat melalui banyak jalur yang disebut sebagai

(7)

Gambar 2.4. Skema transmisi kebisingan

2.5Tingkat Kebisingan

Untuk mempermudah penentuan nilai kebisingan, maka ada metode

yang digunakan dengan menggunakan skala level atau tingkat kebisingan suara

dalam satuan desibel (db) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level dan sound power level.

a. Sound Power level

Sound power level dapat di definisikan dalam persamaan

Lw = 10 log10 (db) (2.6)

Dimana W = Sound Power

Wreff = sound power referensi dengan standar 10-12 wattt

b. Sound Pressure Level (SPL)

Hampir setiap pemikiran umum mendefenisikan kata desibel (db)

(8)

skala desibel berbarti merupakan suatu hasil perhitungan dari sound pressure level. Contoh contoh bentuk tingkat daya suara yang dihasilkan oleh sumber kebisingan ditunjukkan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya

Sound Souces (Noise) Sound Pressure Level Examples with distance (dB)

Jet Aircraft,50 m Away

Disco, 1 m from speaker

Diesel truck, 10 m away

100

threshold of hearing 0

(Sumber:

2.6 Impedansi

Impedansi dapat diartikan sebagai gangguan yang terjadi pada proses

propagasi dari suara. Hal ini dikarenakan sifat sifat yang dimiliki oleh media. Ada

tiga jenis impedansi yang lazim digunakan di dalam analisa

(9)

1. Impedansi mekanis

Impedansi mekanis biasanya digunakan di dalam analisa akustik untuk

menggambarkan beban radiasi akustik yang diberi oleh medium kepada

permukaan yang bergetar.

2. Impedansi Akustik

Impedansi akustik merupakan properties akustik yang sangat berguna

didalam menganalisa propagasi pada peralatan penyaring suara.

3. Impedansi akustik spesifik

Properties ini sangat penting didalam menggambarkan keadaan

propagasi suara pada area terbuka atau luar ruangan dan secara terus

menerus memotong diantara media. Satuan SI untuk impedansi akustik

spesifik adalah Pa-s/m. kombinasi dari satuan ini secara khusus

dinyatakan dengan satuan rayl sebagai penghargaan terhadapa Rayleigh

yang telah menulis buku yang terkenal dalam bidang akustik, 1 rayl = 1

Pa-s/m.

Untuk gelombang akustik bidang, impedansi akustik spesifik adalah

fungsi dari sifat sifat fluida saja. Impedansi akustik spesifik pada gelombang

bidang disebut dengan impedansi karakteristik yang dirumuskan dengan:

=

(2.7)

2.7 Koefisien Attenuation

Attenuation atau bisa juga disebut dengan dissipasi energi akustik sebagai gelombang suara yang bergerak melewati media dapat disebabkan oleh

(10)

1. Efek viskositas,yaitu dissipasi yang terjadi berdasarkan gesekan fluida

dimana secara termodinamika,propagasi dari gelombang suara bersifat

irreversible.

2. Efek konduksi panas, yaitu terjadi akibat perpindahan panas antara

temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah yang akan

menghasilkan propagasi suara yang tidak adiabatis.

3. Efek relaksasi molekul energi,yaitu terjadi akibat perbahan tempat dari

molekul internal energi yang mengakibatkan perlambatan waktu

diantara perubahan energi kinetik translasi dengan energi yang

berasosiasi dengan putaran dan getaran dari molekul.

Untuk semua jenis fluida kecuali gas monoatomik,ada batasan

perlambatan waktu untuk perubahan energi putaran dan getaran molekul. Selama

rentang waktu ini, gelombang akustik dapat bergerak melampaui molekul dan

meninggalkan beberapa energi akustik dibelakang.

Attenuation berdasarkan penjumlahan dari dua buah mekanisme disipasi pertama yakni viskositas dan konduksi panas,dinamakan dengan clasical attenuation yang dapat ditulis dengan mengikuti persamaan:

classical = (2.8)

Sedangkan relaksasi clasical dapat dinyatakan dengan

classical = (2.9)

Secara teoritis yang diverifikasi secara experimen,dapat ditunjukkan

bahwa koefisien attenuasi dapat ditulis dalam bentuk persamaan dari penjumlahan

(11)

= classical + (2.10)

Dimana adalah kontribusi dari setiap efek relaksasi energi yang bergetar

yang dapat dinyatakan dengan

= (2.11)

Kuantitas dari ω = 2 .f , sedangkan adalah waktu relaksi yang terjadi ketika

energi mengalami getaran. Dan adalah harga limit dari kontribusi

attenuation getaran.

Nilai dari berhubungan dengan spesific heat ratio

( )

untuk gas dan

kontribusi getaran terhadap panas spesifik

(c

vib

)

.

=

(2.12)

Vibrational spesific heat dapat dikalkulasi dari persamaan

= yj

(2.13)

Dimana yj merupakan fraksi mol dari gas, defenisi (j) sendiri merupakan variabel

dari berbagai macam komponen campuran gas. merupakan konstanta yang

bergantung kepada gas. Untuk nitrogen dan oksigen, konstanta adalah :

(N2) = 3352K (2.14)

(12)

Waktu relaksasi untuk udara atmosfir sangat dipengaruhi oleh jumlah

dari uap air yang terkandung di udara. Molekul O2 atau N2 bertubrukan dengan

molekul H2O yang mana akan lebih mengakibatkan perubahan di dala energi

vibrasi daripada ketika molekul molekul ini (O2 atau N2)saling bertabrakan atau

bertabrakan dengan sesamanya. Untuk menyatakan estimasi dari watu relaksasi

untuk oksigen dan nitrogen di udara atmosfir dapat mengikuti persamaan

= 24 + (4,41)(106)

h

(2.16)

=

[9 + (3,5)(104) h –F ]

.

(2.17)

F = 6,142

- 1

(2.18)

Tekanan referensi dan temperatur refernsi memiliki harga Pref = 101,325 kPa dan

Treff = 293,16 K. nilai h adalah fraksi dari molekul yang berhubungan dengan relative humidity (RH) dinyatakan dalam bentuk desimal (sebagai contoh RH=0,2 untuk menyatakan RH = 20%). Dimana h dapat dinyatakan dengan

h

= (RH).

(2.19)

dimana Psat adalah tekanan saturasi dari uap air pada suhu udara.

2.8 Sumber Noise Aerodinamis

(13)

terhadap medium lingkungannya. Sumber sumber kebisingan ini merupakan

gabungan dari kebisingan dalam skala periode dan kebisingan dalam skala acak

dari sekumpulan perambatan kebisingan. Kebisingan aerodinamik yang terjadi

dalam skala periodik cenderung lebih banyak hal yang mempengaruhinya.

Sumber noise pada komponen aerodinamis secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis

2.9 Noise pada Propeler

Pada pesawat terbang dengan propeler sebagai penggerak memiliki

prilaku yang berbeda dibandingkan dengan turbofan atau turbojet sebagai

pendorong. Pada pesawat yang menggunakan propeler, aliran kebisingan relatif

menyebar, sedangkan pada turbofan atau turbo jet, telah memiliki cerobong

pendorong yang berfungsi sebagai pendorong atau bisa dikatakan pengarah gaya

(14)

Noise yang bersumber dari propeler merupakan noise yang diakibatkan oleh konfigurasi dan kondisi operasi dari propeler. Struktur dan lokasi propeler

yang menimbulkan noise disebabkan oleh getaran pada baling-baling dan aliran asimetrik yang terinduksi terjadi secara tidak normal.

Menurut Harris,Cyrill M didalam bukunya Handbook of Noise Control,

menyebutkan bahwa noise dari propeler yang menggerakkan pesawat terbagi menjadi dua jenis sumber bising yang utama.

Yakni kebisingan yang bersumber dari motor penggerak dan kebisingan yang

bersumber dari propeler itu sendiri.

Kebanyakan dari orang orang yang belum mendalami permasalahan

kebisingan pada propeler pesawat selalu beranggapan bahwa kebisingan itu

disebabkan oleh adanya suara motor yang berisik. Padahal dari kondisi praktik,

kebisingan yang diakibatkan oleh propeler merupakan sumber kebisingan yang

paling penting yang secara umum melampaui kebisingan yang dihasilkan oleh

motor penggerak (Harris, 1957).

Propeler yang berputar dapat menghasilkan kebisingan melalui tiga

Noise generation mechanisme yang berbeda. Yang pertama dihasilkan melalui

bending vibration dari bilah propeler. Dikatakan oleh Harris, Cyril bahwa kebisingan yang dihasilkan oleh bending vibration ini tidak begitu penting karena tidak begitu mempengaruhi total kebisingan pada kenyataannya.

Yang kedua dan mekanisme penghasil kebisingan yang paling penting

adalah noise dari rotasi propeler yang dihasilkan oleh tekanan bidang yang

mengelilingi setiap blade sebagai konsekuensi dari setiap pergerakannya. Keadaan

(15)

Noise generation mekanisme yang ketiga adalah kebisingan yang dihasilkan oleh vortex noise yang dihasilkan oleh vortisitas udara pada aliran lintasan baling yang terkumpul pada bilah propeler selama perputaran. Vortisitas

juga terjadi sebagai akibat dari adanya pembentukan aliran udara setalah melewati

profil airfoil dari propeler.

Secara skematik, penjabaran tentang mekanisme pembentukan

kebisingan dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Noise GenerationMechanisme pada propeler

Perhitungan level kebisingan pada mekanisme Presure field merupakan perhitungan berdasarkan laju aliran volumetrik dan tekanan fluida yang terjadi

pada permukaan bilah propeler. Sound power level untuk setiap oktav band dapat

di estimasikan dengan mengikuti korelasi Graham (Barron,Randall F. 2001).

Lw = Lw(B) + 10 log10 + 20 log10 + BT (2.20)

Dimana Lw(B) = basic sound level (diperoleh dari tabel

Q = laju aliran volumetric

(16)

P = tekanan melalui Propeler

P0 = tekanan referensi = 248,8 Pa

BT = Blade tone komponen (diperoleh dari table 2.2)

Setiap baling baling menghasilkan bunyi (tone) berdasarkan Blade pass frequency (BPF) yang di peroleh dari persamaan

BPF = Nb x (2.21)

Diman Nb adalah jumlah bilah propeler.

(Sumber: Baron, 2001)

Karena propeler pesawat beroperasi ketika pesawat terbang di udara,

maka noise yang dihasilkan pada kondisi kerja propeler tergolong kedalam jenis

transmisi outdoor. untuk menghitung level tekanan suara tersebut dapat di peroleh

dari persamaan (Barron,2001)

(17)

Dimana DI = directivity index

r = jarak penentuan tingkat tekanan suara

m = 2 dimana = koefisien energi attenuation

= Karakteristik impedansi

2.10 Disain Propeleruntuk Noise Reduction

Mendisain propeler rendah bising merupakan sebuah kajian khusus yang

sangat kompleks. Dimana perhitungan aerodinamika harus diselaraskan dengan

perhitungan kebisingan. Disain dari aerodinamika sendiri memiliki cakupan yang

sangat luas,akan tetapi pada pembahasan kali ini permasalahan aerodinamika

ketika mendisain propeler akan diuraikan sesederhana mungkin.

Secara umum, beberapa parameter yang mempengaruhi kebisingan yang

disebabkan oleh propeler adalah sebagai berikut:

1. Geometri dasar pembentuk propeler (airfoil)

2. Diameter propeler

3. Jumlah blades tiap prpeller

4. RPM atau kecepatan ujung propeler

5. Ketajaman/kekasarn perubahan bentuk bilah propeler

6. Sudut puntir bilah propeler

7. Kecepatan pesawat

8. Jumlah propeler

9. Material propeler

Sebagaimana disebutkan sebelumnya bahwa secara umum propeler yang

berputar akan memberikan tiga macam kebisingan yakni:

(18)

2. Bising yang disebabkan oleh turbulensi dan voteks udara

3. Bising yang disebabkan karena adanya presure field disekitar tiap tiap

blade akibat pergerak dan perputaran bilah propelernya

Aspek disain yang mempengaruhi bising yang disebabkan oleh

bergetarnya bilah propeler adalah modulus elastisitas bahan dan masa jenisnya.

Hal ini disebabkan kebisingan yang diakibatkan bergetarnya bilah propeler sangat

dipengaruhi oleh cepat rambat suara pada bilah tersebut. Dimana cepat rambat

suara pada benda padat dinyatakan dengan persamaan

c

pdt

=

(2.23)

dimana cpdt = Cepat rambat pada zat padat (m/s)

E = Modulus young (Pa)

= Massa jenis zat (kg/m3)

Sehingga untuk permasalahan reduksi kebisingan yang diakibatkan oleh getaran

pada bilah propeler (bending vibration) sangat bergantung pada pemilihan materialnya. Bersamaan dengan penelitian ini juga tengah dikembangkan

penelitian material dari campuran Al-Mg. pemilihan campuran Mg disebabkan

oleh karakteristik material Mg yang ternyata memiliki kemampuan yang sangat

baik dalam menyerap suara. Lebih jauh lagi bahwa pengembangan dari segi kajian

material untuk propeler ini yang tengah dikembangkan adalah material dengan

porositas didalamnya.

Aspek disain selanjutnya yang perlu diperhatikan untuk mereduksi

kebisingan yang diakibatkan oleh adanya turbulensi dan vorteks udara. Yakni

(19)

disain ini perlu menguji beberapa jenis airfoil yang memiliki tingkat turbulensi

dan vortisitas yang rendah akan tetapi tetap memiliki unjuk kerja aerodinamis

yang tinggi.

Sedangkan aspek disain untuk mereduksi kebisingan yang disebabkan

oleh mekanisme pressure field yang diakibatkan gerakan perputaran propeler sangat erat kaitannya dengan sudut puntir serta kekasaran perubahan bentuk

geometri hasil disain yang dimiliki oleh bilah propeler. Sudut puntir ini akan

berpengaruh terhadap tekanan dinamis fluida yang berputar seiring dengan

perputaran bilah propeler.

Sedangkan kekasaran perubahan bentuk akan meningkatkan tekanan

dinamis parsial yang ada di dekat bilah propeler. Oleh karena itu sangat penting

memperhatikan kelembutan perubahan bentuk penampang dari propeler.

2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD)

2.11.1 Defenisi CFD

CFD adalah singkatan dari Computational Fluid Dynamics, yang jika diterjemahkan kedalam bahasa Indonesia adalah Perhitungan Dinamika Fluida. Bagi engineer perhitungan dinamika fluida dilakukan untuk mendapatkan medan

kecepatan dan distribusi tekanan. Karena dengan mengetahui kedua hal ini maka

perhitungan lanjutan seperti perhitungan gaya, perpindahan panas dan lain lain

dapat dilakukan. Parameter-parameter ini diperlukan untuk keperluan analisa,

evaluasi, atau disain suatu struktur yang melibatkan fluida.

2.11.2 CFD dan Noise

Computational Fluid Dynamic bukanlah metode yang dapat menyelesaikan permasalahan permasalahan Aerocoustic secara langsung. Akan

(20)

turbulensi dan pressure field, maka CFD merupakan salah satu jalan untuk memprediksi sumber kebisingan melalui pola laju aliran fluida dengan

mengetahui parameter parameter alirannya.

Parameter parameter aliran yang diperoleh dari hasil komputasi CFD

inilah yang kemudian akan dimasukkan kedalam persamaan persamaan

kebisingan. Sehingga pada dasarnya analisa kebisingan yang dilakukan dengan