BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 KOLOID
2.1.1 Definisi Koloid
Secara umum partikel nano atau koloid mempunyai ukuran diameter mulai dari 10-9 sampai dengan 10-6m [D.J. Shaw.1980]. Karena ukuran yang sangat kecil, nano partikel atau koloid mempunyai permukaan massa yang lebih besar dalam penyerapan zat kimia. Bahkan di luar kelarutan termodinamika pada senyawa masing – masing, koloid dapat menstabilkan zat dalam suatu larutan [T.Hofmann.2001].Material atau struktur yang mempunyai ukuran nano akan mempunyai sifat-sifat yang berbeda dari material realnya. Karakteristik spesifik dari nanopartikel tersebut bergantung pada ukuran, distribusi, morfologi, dan fasanya(Tadros, T.F. 2005).Koloid yang berada di dalam air dapat didefinisikan sebagai bahan padat dengan fase satu dimensi yang berukuran 1m sampai dengan 1µm [Lead, J. R.; Wilkinson, K. J.2006]. Koloid mempunyai peranan penting terhadap lingkungan air yaitu proses tersebut sebagai spesiasi kontaminan, transportasi, dan bioavailabilitas [Wells, M. L.; Smith, G. J.; Bruland, K. W.2000]
Gambar 2.1 Koloid
koloid organik (seperti humat dan asam), dan termasuk mikroorganisme (seperti bakteri dan virus).Koloid mempunyai kapasitas penyerapan yang tinggi, misalnya pada ion logam berat [D.Merys.1991]. Koloid yang berada di dalam air sangat sulit untuk ditemukan karena mempunyai kosentrasi dan ukuran koloid kecil dimana partikel banyak ditemukan dengan ukuran (d < 100nm). [T.Kitamori,K.1983] .Secara umum ukuran partikel koloid dapat diklasifikasikan menurut bentuk laminar atau linier. Bentuk koloid banyak dijumpain bulat atau
hampir bulat.Contohprosesyangsangat bergantung padapenerapankoloid/fenomenapermukaanyaitu adhesi, kromatografi, detergensi.
Koloid yang berada di alam hayati (seperti di bakteri dan virus ) memiliki pengaruh penting terhadap kualitas produk obat dan khususnya pada air minum. Koloid di dalam air sangat sulit untuk ditemukan karena memiliki kosentrasi dan ukuran yang sangat kecil (d<10 -7m).Dalam air alami, koloid sebagai peran pembawa untuk migrasi larut dalam air polutan. Jumlah dan ukuran koloid air bervariasi dengan sifat fisik dan kimia. Koloid dalam air alami terdiri dari bahan organik atau anorganik dan gabungan dari keduanya. Konsentrasi dalam air alami
umumnya dalam kisaran ppb dengan diameter rata-rata partikel umum kurang dari 50 nm [budched et al.2001].
2.1.2 Kegunaan Koloid
Koloidalamimempunyai peran yang sangat pentinguntuktransportasipolutan. Hal ini ditunjukkan dari berbagai kegunaan
2.2 Laser
2.2.1 Definisi Laser
Semenjak ditemukannya MASER (Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation) oleh Charles H. Townes, MASER merupakan cikal bakal
ditemukannya LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation).Laser merupakan pengembangan dari Maser yang dikembangkan oleh
Theodore Maiman pada tahun 1960 (yang pada saat itu mengunakan kristal rubi untuk menghasilkan cahaya laser) walaupun pada tahun 1917 Albert Einstein telah mempublikasikan teori dasar tentang laser. Laser merupakan gelombang elektromagnetik [Helen Martina Manurung,2009]. Laser merupakan akronim dari
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser yang sudah
dikembangkan saat ini terdiri dari beberapa jenis. Berdasarkan sifat keluarannya,
jenis laser dapat dibagi menjadi dua kategori yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya tereksitasi sementara itu laser pulsa memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa
pada interval waktu tertentu [William T, Silfvast, 2004].
Pada laser, yang proses yang terpenting adalah proses dasar yang memungkinkan penguatan (amplification) pada frekuensi optik sampai pada frekuensi yang diperoleh. Proses ini menggunakan energi yang terlibat ketika partikel yang berlainan membentuk materi, terkhususnya atom-atom, io-ion dan molekul-molekul yang berpindah dari tingkat energi yang satu ke tingkat energi yang lainnya [Colin E. Webb, 2004]
2.2.2 Komponen Laser
Setiap laser mempunyai komponen sebagai berikut:
1. Media Laser, dapat berupa benda padat, cair maupun gas. Media ini
2. Rongga optik atau pipa laser, mempunyai dua cermin yaitu cermin yang
memantulkan cahaya sepenuhnya (fully reflective) dan cermin yang meneruskan sebagian cahaya (partially transmissive) yang ditempakan di ujung rongga optik.
3. Sumber energi, baik mekanis maupun optik. Sumber energi ini berfugsi
untuk memompa atom-atom di dalam media laser tingkat energi yang lebih tinggi. Atom-atom yang telah berada di tingkat energi yang lebih akan mengakibatkan terjadinya populasi inverse dan melepaskan foton-foton cahaya. Foton tersebut akan dipantulkan kedua cermin, saling menabrak dan menghasilkan emisi yang lebih terstimulasi. Energi foton pada panjang gelombang dan frekuensi yang sama keluar melalui cermin penerus sebagian cahaya dan membentuk sinar laser.
Rongga Optik
Media Laser Sinar Laser
Cermin yang memantulkan
cahaya sepenuhnya Sumber Energi
Cermin yang meneruskan sumber cahaya
Gambar 2.2 Diagram Komponen Laser
Energi yang keluar sangat kuat, koheren, kolimasi dan monokromatik. Koheren mempunyai arti bahwa semua foton tetap berada pada fase yang sama. Kolimasi berarti bahwa sinar laser sejajar, utuh, tidak menyebar dan sangat searah. Selain itu, sinar laser juga merupakan energi elektromagnetik yang bersifat monokromatik, yaitu memancarkan satu warna [Chris Anthony,2001].
Sifat cahaya laser dicirikan oleh monokromatik, koheren, terarah danbrightness.
a. Monokromatik
Monokromatis artinya hanya satu frekuensi yang dipancarkan. Sifat inidiakibatkan oleh : hanya satu frekuensi yang dikuatkan [ν = (E2-E1)/h] dan susunan dua
cermin yang membentuk cavity-resonant sehingga osilasihanya terjadi pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi cavity.
b. Koheren
• Koheren ruang (spatial coherence)
Jenis koherensi ini dimasudkan adalah korelasi antara medan disuatu titik dan
medanpada titik yang sama pada saat berikutnya ; yakni hubungan antara E
(x,y,z,t1) dan E (x,y,z,t2). Jika beda fase antara dua medan tetap selama periode
yang diamati, yangberkisar antara beberapa mikrodetik, gelombang tersebut
kita namakan memilikikoherensi temporal. Jika beda fase berubah beberapa
kali dan secara tidak teraturselama periode pengamatan yang singkat,
gelombang dikatakan tidak – koheren • Koheren waktu (temporal coherence)
Dua medan pada dua tiik berbeda pada permukaan gelombang dari suatu
gelombang elektromagnetis dikatakan koheren special jika mereka
mempertahankan beda fase tetap selama waktu t. Bahkan hal ini mungkin jika
dua berkas tersebut secara sendiri- sendiri tidak koheren temporal (menurut
waktu), karena setiap perubahan fase dan salah satu berkas diikuti oleh
perubahan fase yang sama dalam berkas yang lain. Dengan sumber cahaya
biasa hal ini hanya mungkin jika dua berkas telah dihasilkan dalam bagian
yang sama dari sumber. Tidak koleransi temporal merupakan karakteristik dari
berkas tunggal cahaya,sedangkan tidak kolerensi sepesial berkenaan dengan
hubungan antara dua berkas cahaya yang terpisa.Dua berkas cahaya yang
berasal dari bagian-bagian berbeda dari sumber telah di pancarkan oleh
kelompok kelompok atom yang berbeda. Masing-maing berkas tidak akan
koheren waktu dan akan mengalami perubahan fase acak sebagai akibatnya
beda fase antara dua berkas juga akan mengalami perubahan prubahan yang
cepat dan acak. Dua berkas yang demikian dikatakan tidak koheren sepesial
c. Keterarahan (Directionality)
Merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam cavity resonant, dimana hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak lurus terhadap cermin-cermin yang dapat dipertahankan dalam cavity.
d. Brightness (Kecemerlangan)
Brightness suatu sumber cahaya didefinisikan sebagai daya yang dipancarkan persatuan luas permukaan persatuan sudut ruang.
2.2.4 Interaksi Laser dengan Partikel
Cahaya dapat digambarkan sebagai fluks sebuah foton. Setiap foton diuraikan dengan kecepatan cahaya dan megandung energi sebesar :
� = ℎ� (2.1)
Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (h = 6.675 × 10-31 Js).Pada dasarnya ada tiga macam bentuk interaksi yang terjadi antara cahaya dengan materi, yaitu absorpsi, emisi spontan dan emisi terstimulasi.
(a) Absorpsi (b) Emisi spontan (c) Emisi terstimulasi
Gambar 2.3 Interaksi cahaya dengan 2 level sistem
(Hans – Jochen Foth, 2008)
a. Absorpsi adalah proses tereksitasinya elektron dari tingkatan energi E1 ke
E2 akibat penyerapan foton dengan energi hν > (E2 - E1), dimana h adalah
konstanta Planck 6,626 x 10-34 J.s
b. Emisi spontan adalah proses meluruhnya elektron yang tereksitasi di
tingkatan energi E2 ke tingkatan energi E1. Karena E2> E1, maka proses
peluruhan akan melepaskan energi yang berupa :
Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E2 – E1)
Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton)
c. Emisi terstimulasi adalah proses yang melibatkan elektron-elektron yang
sudah berada di E2 distimulasi/dirangsang oleh foton yang datang untuk
meluruh ke E1, sehingga akan memperkuat energi cahaya yang datang
(amplification by simulated emission of radiation)[ayi Bahtiar.M.Si.2008]. Laser memanfaatkan proses yang meningkatkan atau memperkuat sinyal cahaya setelah sinyal tersebut telah dihasilkan dengan cara lain. Proses-proses ini terdiri dari emisi terstimulasi dan optik umpan balik yang dihasilkan oleh cermin. Dengan demikian, dalam bentuk yang paling sederhana, laser terdiri dari media
penguatan (dimana dirangsang oleh emisi terstimulasi) dan cermin sebagai umpan untuk mengembalikan cahaya ke amplifier untuk proses penguatan sinyal cahaya selanjutnya [William T. Silfvast, 2004].
2.2.4.1 Interaksi Laser dengan Partikel dalam Larutan
dan terionisasi yang menyebabkan perubahan struktur material.Stres melebihi nilai tertentu mengakibatkan bahan materi patah atau merusak plastis.
Sinar laser energi rendah dalam bahan material jernih, terjadi penyerapan laser dengan sendirinya yang disebut dengan ionisasi nonlinier berupa Foto-ionisasi dan Foto-ionisasi avalence. Multi-photon Foto-ionisasi adalah proses elektron menyerap photon dalam waktu tertentu untuk mendapatkan energi dan terionisasi. Konduksi elektron dalam material dapat menyerap proton untuk menaikkan energi. Elektron yang bertabrakkan menghasilkan sepasang pita konduksi dengan energi kinetik yang lebih rendah .
Dielektrik memiliki lebar band gap, daya serap rendah dan proses kerusakan ambang batas instrinsik. Kerusakan faktual terjadi pada intensitas laser yang rendah dari batas instrinsik material. Menurut Keldysh tentang teori ionisasi mengatakan semakin tinggi foton maka semakin besar kemungkinan bahan akan terionisasi, panjang gelombang laser pada plasma jauh lebih pendek dari pada insiden laser sehingga terjadi efek ionisasi laser panjang gelombang pendek. [L.V.Keldeysh,1965].
2.2.5 Laser Nd-YAG
Gambar 2.4 laser Nd-YAG
2.3 Lasere Induced Breakdown Detection
2.3.1 Definisi Lasere Induced Breakdown Detection
Laser-induced breakdowndeteksi(LIBD) adalah Suatu metode yang sangat
sensitif untuk mendeteksi nano partikel (koloid). Selama proses deteksi pada proses plasma akan menghasilkan sebuah partikel yang dipancarkan oleh sinar laser dan emisi sinar plasma pada optik[ Bundshuh,T.2001]. Metode
Laser-induced breakdowndeteksi(LIBD) berdasarkan dari nilai ambang breakdown dan
kepadatan suatu bahan material.Energi pulsa laser disesuaikan sehingga di dalam cairan murni tidak ada peristiwa breakdown dan hanya kerusakan pada nilai ambang koloid pada volume fokus yang dapat terlampaui.[Bettis.J.R,1992].
Gambar 2.5. Prinsip kerja LIBD (Laser Induced Breakdown Detection)
Secara khusus,LIBDsedang dikembangkanuntuk mendeteksipartikel yang sangatkecildengan diameter kurang dari100nm, tidakmudah terdeteksidengan menggunakanperangkat yang tersedia saat inidengan pengukuranintensitashamburan cahaya. Salah satuteknologi Laser Induced Breakdown Detection(LIBD)yangdikenal berdasarkandeteksiakustikgelombang yang dihasilkan olehgangguanlaser induced[jung et al.2009].
2.3.2Prinsip Kerja Laser Induced Breakdown Detection (LIBD)
Breakdown probability atau probabilitas breakdown adalah kemungkinan
atau peluang terjadinya breakdown untuk sejumlah tertentu pulsa laser yang ditembakkan.Rumusnya adalah banyaknya breakdown yang terjadi dibagi banyaknya pulsa laser yang ditembakkan.Breakdown probabilitydapat digunakan untuk menentukan ukuran dan konsentrasi partikel.Yang disebut dengan
breakdown sendiri adalah proses terjadinya plasma akibat interaksi berkas sinar
laser terpulsa dengan partikel koloid.
Proses terjadinya breakdown yaitu sinar laser yang termodulasi dari intensitas energi yang tinggi (proses radiasi). Atom mengalami ionisasi pada
proses multiphoton ionisasi menghasilkan elektron bebas selanjutnya mengalami percepatan akibat inverse bremsstrahlungdalam medan listrik pulsa laser.
Setelahmendapatkancukupenergi, atom-atom lain pun
mengalamiionisasidanjumlahelektron yang terlepasmenjadiberlipatganda.Hal
Gambar 2.6 :proses pembentukan gelombang kejut
2.4 Pengolahan Sinyal Akustik
2.4.1 Definisi Sinyal akustik
Sinyal adalah model dari besaran fisik yang berubah terhadap waktu.Sinyal bisa diamati, maka sinyal perlu merambat, menembus medium
(yakni sistem), untuk tiba di tempat pengamat.Namun medium seringkali bersifat resistif, mengambilenergi panas dari sinyal, sehingga tidak banyak lagi energi
yang tersisa untuk diamati di tempat penerima.Sifat peredaman medium ternyata bergantung dari sebuah besaran yang disebut frekuensi [Aemin.2000].Secara matematik sinyal biasanya dimodelkan sebagai suatu fungsi yang tersusun lebih dari satu variabel bebas.Contoh variabel bebas yang bisa digunakan untuk merepresentasikan sinyal adalah waktu, frekuensi atau koordinat spasial.berkaitan dengan pembangkitan sinyal dengan menggunakan sebuah sistem
[Tri Budi Santoso.2012]
Ada beberapa klasifikasi sinyal yang ada :
3. Sinyal analog, yaitu sinyal waktu kontinyu dengan amplitudo yang
kontinyu
4. Sinyal digital, yaitu sinyal waktu diskrit dengan amplitudo bernilai diskrit
Gelombang suara adalah gelombang yang dihasilkan dari sebuah benda yang bergetar. Gelombang suara ini memiliki lembah dan bukit, satu buah lembah dan bukit akan menghasilkan satu siklus atau periode. Siklus ini berlangsung berulang-ulang, yang membawa pada konsep frekuensi.Karena pada dasarnya sinyal suara adalah sinyal yang dapat diterima oleh telinga manusia.Angka 20 Hz sebagai frekuensi suara terendah yang dapat didengar, sedangkan 20 KHz merupakan frekuensi tertinggi yang dapat didengar.
Panjang gelombang merupakan jarak antara titik gelombang dan titik
ekuivalen pada fasa berikutnya.Amplitudo merupakan kekuatan atau daya
gelombang sinyal.Gelombang yang lebih tinggi diinterpretasikan sebagai gelombang yang lebih tinggi, sehingga dinamakan amplifier untuk perangkat yang berfungsi untuk menambah amplitudo.Frekuensi merupakan jumlah getaran dalam waktu satu detik.Diukur dalam Hertz atau siklus per detik.Getaran gelombang
suara semakin cepat, maka frekuensi semakin tinggi. Frekuensi lebih tinggi diinterpretasikan sebagai jalur yang lebih tinggi [Tri Budi Santoso.2012]
2.4.2 Pengolahan sinyal analog menjadi sinyal digital
Berdasarkan bentuknya, data dan sinyal dapat dibedakan ke dalam sinyal
analog dan sinyal digital.Suatu data atau sinyal dikatakan analog apabila
amplitudo dari data atau sinyal tersebut terus menerus ada dalam rentang waktu tertentu (kontinyu) dan memiliki variasi nilai amplitudo tak terbatas.Misalnya, data yang berasal dari suara (voice) tergolong sebagai data analog.Sebaliknya data atau sinyal dikatakan digital apabila amplitudo dari data atau sinyal tersebut tidak kontinyu dan memiliki variasi nilai amplitudo yang terbatas (diskrit). [Kurniawan.A.2014]
Frekuensi sampling (sample rate) adalah jumlah sampel per detik dalam suatu suara. Sebagai contoh : jika frekuensi samplingadalah 44.100 Hertz, rekaman dengan durasi 60 detik akan berisi 2.646.000 samples. Nilai yang bisa digunakan untuk frekuensi 22.050 Hertz (cukup untuk pembicaraan biasa).
Menurut teorema Nyquist, frekuensi sampling minimum adalah dua kali bandwith dari sinyal yang di sampling untuk mencegah terjadinya aliasing.
2.4.4 WAV
WAV (atau WAVE) merupakan singkatan dari istilah dalam bahasa
Inggris waveform audio format, dan merupakan standar format berkas audio yang dikembangkan oleh Microsoft dan IBM. Format ini adalah format dasar yang mudah untuk sampling audio. WAV merupakan varian dari format bitstream RIFF dan mirip dengan format IFF dan AIFF yang digunakan komputer Amiga dan Macintosh. Baik WAV maupun AIFF kompatibel dengan sistem operasi Windows dan Macintosh. Meskipun sebuah file WAV dapat menahan audio yang terkompres, format WAV yang paling umum berisi audio yang belum terkompres dalam bentuk modulasi pulse-code (PCM). Audio PCM adalah format audio standar untuk Compact Disc (CD) pada 44.100 sampel perdetik, 16 bit persampel. Semenjak PCM menggunakan metode penyimpanan yang tidak terkompres, lossless, yang menyimpan semua sampel dari sebuah track audio, pengguna ahli atau ahli audio dapat menggunakan format WAV untuk audio kualitas maksimum. Audio WAV dapat juga dirubah dan dimanipulasi dengan software (perangkat lunak). Software yang dapat menciptakan WAV dari Analog Sound misalnya adalah Windows Sound Recorder. WAV jarang sekali digunakan di internet karena ukurannya yang relative besar. Maksimal ukuran file WAV adalah 2GB [Ronald Wilson.2004].
2.5 Bahasa Pemrograman
MATLAB adalah perangkat lunak yang memungkinkan untuk melakukan matematika dan komputasi,menganalisis data, mengembangkan algoritma, melakukan simulasi dan pemodelan,dan menghasilkan tampilan grafis dan antarmuka pengguna grafis.MATLAB dapat mengirim data ke speaker sebuah komputer, sehinggga dapat dengan mudah secara visualmemanipulasi data, dan mendengarkan pada saat yang sama. Sebuah digitalrekaman suara yang menarik memuat data dan lakukan plot. Sinyalseperti data suara sering terdiri dari data waktu dengan kandungan frekuensi waktu yang berbeda-beda memungkinkan untuk menganalisis frekuensi sampling yang dihasilkan [andrew knight.1961]. Sebagai sebuah system, MATLAB tersusun dari 5 bagian utama:
a. Development Environment merupakan sekumpulan perangkat dan fasilitas
yang membantu untuk menggunakan fungsi-fungsi dan file-file MATLAB. Beberapa perangkat ini merupakan sebuah graphical user interfaces (GUI).
b. Matlab Mathematical Function Library merupakan sekumpulan algoritma
komputasi mulai dari fungsi-fungsi dasar seperti: sum, sin, cos, dan
complex arithmetic, sampai dengan fungsi-fungsiyang lebih kompek
seperti matrix inverse, matrix eigenvalues, Bessel functions, dan Fast
Fourier Transforms.
c. Matlab Language merupakan suatu high-level matrix/array language
dengan control flow statements, functions, data structures, input/output, dan fitur-fitur object-oriented programming.
d. Graphics merupakan fasilitas untuk menampilkan vektor dan matrik
sebagai suatu grafik.
e. Matlab Application Program Interface(API) merupakan suatu library yang
memungkinkan program yang telah anda tulis dalam bahasa C dan Fortranmampu berinterakasi dengan Matlab
ada dalam ruang kerja MATLAB. Variabel yang dibuat oleh suatu fungsi tinggal hanya dalam ruang kerja fungsi. Jumlah dari argumen input dan output yang digunakan jika suatu fungsi dipanggil hanya ada dalam fungsi tersebut. Di dalam M-File, kita dapat menyimpan semua perintah dan menjalankan dengan menekan tombol atau mengetikan nama M-File yang kita buat pada command window.
2.5.1.1 M File
Di dalam MATLAB, kita dapat menyimpan semua script yang akan digunakan dalam file pada MATLABdengan ekstensi M-File dapat dipanggil dengan memilih menu file->new->M-File. Fungsi M-file harus mengikuti beberapa aturan dan sejumlah sifat penting. Aturan-aturan dan sifat-sifat tersebut meliputi nama fungsi dan nama file harus identik misalnya anda membuat fungsi dengan nama pangkat maka anda memberi nama M-file anda pangkat juga. Baris komentar sampai dengan baris bukan komentar yang pertama adalah teks help yang ditampilkan jika anda meminta help dari fungsi yang anda buat.
Setiap fungsi mempunyai ruang kerjanya sendiri yang berbeda dengan ruang kerja MATLAB. Satu-satunya hubungan antara ruang kerja MATLAB dengan variable-variabel dalam fungsi adalah variabel-variabel input dan dan
