PENGUKURAN POROSITAS BATUAN DENGAN METODE ULTRASONIK
OLEH
Ni Komang Tri Suandayani, SSi. MSi
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN ……….i
DAFTAR ISI ………ii
KATA PENGANTAR ………iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang ………1
1.2.Rumusan Masalah………..1
1.3.Batasan masalah………...2
1.4.Tujuan Penulisan………2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Gelombang Ultrasonik……….6
2.2 Metode Pengukuran Kecepatan Gelombang Ultrasonik………8
2.2.1. Metode Pantulan Pulsa……….15
2.2.2. Metode Sing-around ………15
2.2.3 Metode Superposisi Pulsa……….18
2.2.4.Metode Tumpang tindih………21
BABA III PEMBAHASAN 3.1. Koreksi waktu tempuh………24
3.2. Penggunaan Frekuensi Tinggi………..25
3.3. Analisa Frekuensi……….25
BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. Kesimpulan………..26
4.2. Saran……….26
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat-Nya sehingga karya tulis ini dapat terselesaikan dengan baik. Adapun judul dari karya tulis ini adalah “ Pengukuran Porositas Batuan Dengan Menggunakan Metode Ultrasonik”.
Terima kasih yang sebesar-besarnya penulis ucapkan kepada semua pihak yang memberikan dorongan moril dan semangat sehingga tersusunnya karya tulis ini.
Penulis menyadari bahwa penulisan karya tulis ini sangat jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun guna kesempurnaan karya tulis ini
Denpasar, Agustus 2016
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Gelombang ultrasonic telah banyak diaplikasikan baik dibidang industriu maupun di bidang ilmiah. Secara umum aplikasi gelombang Ultrasonik dapat dibagi menjadi dua, yaitu yang menggunakan gelombang Ultrasonik berintensitas tinggi, biasanya berfrekuensi rendah dalam orde puluhan kilohertz dan yang menggunakan gelombang Ultrasonik berintensitas rendah, biasanya berfrekuensi tinggi dalam orde megahertz.
Di dalam penggunaan yang memerlukan intensitas tinggi (makrosonik), biasanya digunakan frekuensi dari puluhan kilohertz sampai ratusan kilohertz. Demikian juga halnya dengan aplikasi dibidang akustik bawah air (underwater acoustic). Penggunaan frekuensi ini disebabkan karena atenuasinya yang kecil. Atenuasi gelombang ultrasonic sebanding dengan kuadrat frekuensi. Di dalam aplikasi dibidang kedokteran (ultrasonography) dan uji tak merusak biasanya digunakan gelombang Ultrasonik dengan frekuensi antara 1 megahertz sampai 10 megahertz. Pada aplikasi yang menggunakan ghelombang Ultrasonik berintensitas rendah biasanya dilakukan pengamatan terhadap peristiwa-peristiwa gelombang yang terjadi atau pengukuran dari karakteristik gelombang. Peristiwa-peristiwa gelombang yang biasa diamati antara lain adalah pemantulan, pembiasan dan difraksi sedangkan karakteristik gelombang yang sering diukur adalah kecepatan dan atenuasinya selama menjalar didalam bahan. Umumnya dalam penelitian atau pengukuran dengan menggunakan gelombang Ultrasonik, ketelitian pengukuran biasanya dipengaruhi oleh peralatan yang digunakan, kontak antara tranduser dengan bahan, penentuan letak permulaan sinyal, ketelitian pengambilan titik-titik pengukuran serta keluaran sinyal yang sukar atau tak dapat dibedakan. Alasan menggunakan gelombang Ultrasonik dalam penelitian atau pengukuran karena sifatnya tak merusak (non destructive).
Pada makalah ini hanya akan dibahas mengenai metode pengukuran kecepatan gelombang Ultrasonik. Berbagai aplikasi dimana dilakukan atau diperlukan pengukuran kecepatan antara lain adalah :
- Pengukuran modulus Young, modulus geser dan perbanding poisson bahan polikristal. - Pengukuran konstanta-konstanta elastisitas bahan Kristal tunggal.
- Pengukuran besaran-besaran proses seperti temperature, tekanan,aliran dan level. - Pengukuran porositas bahan keramik, polimer dan batuan.
- Pengujian kekuatan bahan komposit.
1.2. Rumusan Masalah
Dari latar belakang ini dapat ditarik suatu permasalahan yaitu bagaimana kesalahan metode-metode pengukuran untuk menentukan kecepatan gelombang ultrasonic yang dapat terjadi dalam metode-metode pengukuran tersebut, serta mencari solusi untuk meminimalkan kesalahan dalam suatu pengukuran atau penelitian.
1.3. Batasan Masalah
Permasalahan dalam makalah ini hanya dibatasi pada penggunaan metode-metode pengukuran untuk menentukan kecepatan gelombang ultrasonic serta mencari solusi untuk meminimalkan kesalahan dalam suatu pengukuran.
1.4. Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan ini yaitu untuk memperoleh suatu metode pengukuran yang sesuai agar memperoleh tingkat ketelitian yang diinginkan dalam suatu aplikasi.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Gelombang adalah gejala terjadinya penjalaran suatu gangguan melalui suatu medium, dimana setelah gangguan ini lewat keadaan medium akan kembali kekeadaan semula,seperti sebelum gangguan itu datang.( Amoranto Trisnobudi). Gelombang yang dipindahkan mediumnya (demikian juga partikel-partikel didalam medium) merupakan besaran yang berubah-ubah disebut sebagai gelombang mekanik atau gelombang elastic. Gelombang yang ditinjau dari segi tekanan maka gelombangnya kit asebut sebagai gelombang akustik. Besaran yang biasa diukur dalam gelombasng Akustik tekanan . Gelombang akustik yang paling umum adalah gelombang suara yang biasa kita dengar( Amoranto Trisnobudi). Gelombang suara ini menjalar di udara sebelum sampai ke telinga kita. Bila ada gelombnag suara maka tekanan diudara akan berubah-ubah disekitar tekanan static. Menurut frekuensinya gelombang akustik dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu:
1. Gelombang infrasonic 2. Gelombang suara 3. Gelombang ultrasonic
Gelombang infrasonic adalah gelombang akustik yang berfrekuensi sangat rendah sehingga tidak dapat kita dengar. Batas frekuensi tertinggi adalah disekitar 20 Hertz. Gelombang suara atau sonic adalah gelombang akustik yang dapat kita dengar yang sering disebut bunyi, kaarena frekuensinya berada diantara batas pendendengaran telinga. Batas bawah dan batas atas frekuensi gelombang suara adalah disekitar 20 hertz dan 20Khertz. Gelombang ultrasonic adalah gelombang akustik berfrekuensi tinggi diatas 20KHertz sehingga tidak dapat kita dengar. Batas atas dari frekuensi gelombang ultrasonic masih belum dapat ditentukan dengan jelas. Yang dapat diketahui adalah daerah-daerah frekuensi yang biasa dipakai dalam berbagai macam penggunaan.(Amoranto Trisnobudi). Karakteristik gelombang ultrasonic yang sering diukur adalah kecepatan dan atenuasinya selama menjalar di dalam bahan. Diagram blok dari pengukuran kecepatan umumnya adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Sinyal elektronik yang dihasilkan oleh generator sinyal diubah oleh tranduser pemancar T (transmitter) menjadi gelombang ultrasonic yang kemudian diradiasikan ke dalam bahan. Agar radisi gelombang ultrasonic dapat berlangsung dengan baik, maka kontak antara tranduser dan bahan juga harus baik. Biasanya ini dilakukan dengan memberi cairan sebagai lapisan perantara (couplant). Gelombang ultrasonic ini akan dipantulkan berulang-ulang oleh kedua permukaan bahan sehingga pada tranduser penerima ( Receiver) diperoleh gelombang-gelombang pantulan ( echo) berturutan dengan selang waktu yang sama, yaitu waktu yang diperlukan oleh gelombang Ultrasonik untuk menempuh dua kali tebal bahan . Gelombang-gelombang echo ini diubah kembali menjadi sinyal elektronik oleh tranduser penerima, diperkuat oleh rangkaian
penguat dan kemudian diamati pada alat peraga. Dari hasil pengamatan ini , akan diperoleh kecepatan gelombang ultrasonic di dalam bhan yang umumnya di hitung secara tidak langsung.
ltra
Gambar 1. Diagram blok dari pengukuran kecepatan 2.1. Gelombang Ultrasonik
Gelombang ultrasonic adalah gelombang mekanik seperti suara, yang frekuensinya lebih besar daripada 20 kHz. Bunyi ultrasonic tidak dapat didengar oleh telinga manusia hanya bisa didengar oleh anjing,kucing, kelelawar dan lumba-lumba. Bunyi ultrasonic bisa merambat melalui zat padat, cair dan gas. Reflektivitas bunyi ultrasonic di permukaan zat padat hamper sama dengan reflektivitas bunyi ultrasonic di permukaan zat cair, akan tetan sebagainya. Formulasi yang berlaku bagi gelombang suara pi gelombang bunyi ultrasonic akan diserap oleh tekstil dan busa.
Gelombang ini mempunyai besaran fisis seperti pada suara yakni panjang gelombang, kecepatan rambat(v), waktu getar (T) amplitude (A), frekuensi (f) dan sebagainya. Formulasi yang berlaku bagi gelombang suara berlaku pula pada gelombang ultrasonic yaitu:
= (2.1)
=
= (2.3)
Dalam perambatannya pada bahan yang sama kecepatan dan frekluensi dianggap tetap, dalam berbagai bahan frekuensi gelombang selalu dianggap tetap, sedangkan kecepatan rambat gelombang bergantung pada jenis bahan dan mode gelombang.Frekuensi yang sering digunakan untuk uji tanpa rusak umumnya antara 250 kHz – 15 MHz.
Dari cara bergetar dan perambatannya maka gelombang ultrasonik dapat menjalar di dalam bahan dalam berbagai mode
1. Mode longitudinal, terjadi bila gelombang ultrasonik merambat pada suatu arah sejajar dengan arah gerakan atom yang digetarkan, misalkan atau digerakkan kekanan dan kekiri, sedangkan gelombang bergerak merambat kearah kekiri atau kekanan. Gelombang longitudinal dapat merambat pada semua bahan baik gas, cair maupun padat.
2. Mode Transversal, terjadi bila gelombang ultrasonik merambat pada suatu arah tegak lurus pada arah gerakan atom yang digetarkan, missal atom digetarkan ke atas dank e bawah, sedangkan gelombang merambat kea rah kanan dan kiri.Gelombang transversal hanya merambat pada benda padat.
3. Mode Permukaan, terjadi bila gelombang transversal merambat pada permukaan. Gerakan atom yang bergetar berbentuk elips sesuai dengan namanya gelombang permukaan hanya merambat pada permukaan padat dengan kedalaman maksimum satu panjang gelombang.
4. Mode Plat, terjadi bila gelombang transversal merambat pada bahan pelat tipis yang tebalnya kurang dari setengah panjang gelombang. Gerakan atom yang bergetar, berbentuk ellips. Gelombang pelat merambat pada seluruh benda uji tipis tersebut, baik dalam bentuk gelombang simetris atau gelombang asimetris. Gelombang ultrasonik yang merambat dalam suatu bahan dapat merubah mode dari satu mode ke mode lainnya. Perubahan mode terjadi karena pantulan atau pembiasan Bila mode berubah maka kecepatan rambat berubah , sedangkan frekuensi tetap, akibatnya panjang gelombang akan berubah.
5. Kemampuan deteksi
Cacat kecil dapat memantulkan kembali gelombang ultrasonik bila permukaannya cukup luas. Cacat kecil yang dapat dideteksi gelombang ultrasonik adalah bila
ᶲminimum = λ (2.4)
6. Kecepatan rambat dan panjang gelombang
Kecepatan rambat (v) gelombang ultrasonik dalam suatu bahan bergantung pada jenis bahan yang dilakukan oleh mode gelombang tersebut.
7. Tranmisi, bila gelombang ultrasonik menjalar dari bahan yang satu ke bahan dua akan diteruskan, sedangkan sebagian lagi dipantulkan . Intensitas yang diteruskan atau dipantulkan tergantung pada koefisien transmisi atau refleksinya :
R = ⁅ ⁆ D = 1 – R (2.5)
W1 = 1 (2.6) Dimana R = koefisien refleksi
D = koefisien transmisi W = Impedansi Akustik = massa jenis
8. Couplant adalah bahan (biasanya cair), yang memfasilitasi transmisi energy ultrasonik dari transduser ke dalam benda uji. Couplant umumnya diperlukan karena ketidakcocokan impedansi akustik antara udara dan padatan(yaitu seperti benda uji) adalah besar . Oleh karena itu hamper semua energy tercermin dan sangat sedikit yang diteruskan ke dalam bahan uji. Couplant ini menggantikan udara dan memungkinkan untuk mendapat lebih banyak energy suara kedalam benda uji, sehingga sinyal ultrasonik yang dapat digunakan dapat diperoleh.
9. Probe Normal, digunakan untuk mengukur tebal bahan menentukan lokasi cacat yang sejajar dengan permukaan benda uji dan menentukan ukuran cacat tersebut. Probe Sudut, digunakan untuk menentukan lokasi dan besar cacat yang memiliki permukaan yang membentuk sudut terhadap permukaan benda uji, hal ini yang memudahkan dalam pengukuran dengan proses probe sudut adalah bahwa dari suatu cacat, umumnya menghasilkan satu indikasi sehingga mudah dianalisa
Pada pengukuran gelombang ultrasonic menggunakan Sensor ultrasonic dimana sebuah sensor yang berfungsi untuk mengubah besaran fisis (bunyi) menjadi besaran listrik dan sebaliknya. Cara kerja sensor ini didasarkan pada prinsip dari pantulan suatu gelombang suara sehingga dapat dipakai untuk menafsirkan eksistensi (jarak) suatu benda dengan frekuensi fertuitan. Gelombang ultrasonic dibangkitkan melalui sebuah alat yang disebut dengan piezoelektrik dengan frekuensi tertentu. Piezoelektrik ini akan menghasilkan gelombang ultrasonic ( pada umumnya 40 kHz), ketika sebuah osilator diterapkan pada benda tersebut. Secara umum alat ini menmbakkan gelombang ultrasonic menuju suatu area atau suatu target. Setelah gelombangnya menyentuh permukaan target , maka target akan memantulkan kembali gelombang tersebut. Gelombang pantulan dari target akan ditangkap oleh sensor, kemudian sensor menghitung selisih antara waktu pengiriman gelombang dan waktu gelombang
pantul diterima. Perhitungan waktu yang diperlukan modul sensor untuk menerima pantulan pada jarak tertentu.
Cara kerja sensor ultrasonic adalah sebagai berikut :
- Sinyal dipancarkan oleh pemancar ultrasonic dengan frekuensi tertentu dan dengan durasi waktu tertentu. Sinyal tersebut berfrekuensi diatas 20 kHz ( pada umumnya 40 kHz).
- Sinyal yang dipancarkan akan merambat sebagai gelombang bunyi dengan kecepatan sebesar 340 m/s. Ketika menumbuk suatu benda, maka sinyal tersebut akan dipantuilkan oleh benda tersebut.
- Setelah gelombang pantulan sampai di alat penerima maka sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jark benda tersebut. Jarak benda dihitung berdasarkan rumus :
S = (2.7)
Dimana S merupakan jarak antara sensor dengan benda (bidang pantul) dan t adalah selisih antara waktu pemancaran gelombang untuk transmitter dan waktu ketika gelombang pantul diterima receiver.
Rangkaian Sensor Ultrasonik adalah :
1. Piezoelektrik berfungsi untuk mengubah energy listrik menjadi energy mekanik. Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Frekuensi yang ditimbulkan tergantung pada osilatornya yang disesuaikan frekuensi kerja dari masing-masing tranduser.
2. Transmitter adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai gelombang ultrasonic dengan frekuensi tertentu yang dibangkitkan dari sebuah osilator. Penguat sinyal akan memberikan sebuah sinyal listrik yang diumpankan ke piezoelektrik dan terjadi reaksi mekanik sehingga bergetar dan memancarkan gelombang yang sesuai dengan besar frekuensi pada osilator
3. Receiver terdiri dari tranduser ultrasonic menggunakan bahan piezoeklektrik yang dikenakan pada permukaan suatu benda atau gelombang lanjung LOS ( Line of Sight) dari transmitter
2.2. Metode Pengukuran Kecepatan Gelombang Ultrasonik
Di bawah ini meembahas beberapa metode untuk mengukur kecepatan gelombang ultrasonic, yaitu:
1. Metode pantulan pulsa 2. Metode sing-around 3. Metode superposisi 4. Metode tumpang tindih
2.2.1. Metode Pantulan Pulsa
Metode yang paling sederhana adalah metode pantulan pulsa dimana generator sinyal akan mengeluarkan pulsa-pulsa video pada frekuensi perulangan (repetition rate) yang rendah sehingga periode (p) jauh lebih besar dari waktu tempuh gelombang ultrasonic didalam bahan.Akibat pemantulan berulang maka pada alat peraga, dalam hal ini osiloskop akan dapat diamati sinyal echo seperti terlihat pada gambar 2. Sinyal-sinyal makin lama makin kecil karena adanya atenuasi yang dialaminya selama merambat didalam bahan. Selang waktu (T) antara dua sinyal echo yang berturutan adalah waktu tempuh dua kali tebal bahan, sehingga kecepatan dapat dihitung dari :
Gambar 2. Sinyal – sinyal eecho pada metode pantulan pulsa
Dimana
V = Kecepatan
L = Tebal atau panjang bahan
T = Selang waktu antara dua sinyal echo = waktu tempuh dua kali tebal bahan
Ketelitian dari metode ini tergantung pada ketelitian menentukan dimana dari permulaan sinyal. Ketelitian ini dapat dipertinggi dengan mengatur hasil pada sensitivitas yang paling tinggidan divisi waktu yang paling kecil dimana dapat diamati minimum dua buah sinyal echo.
Sinyal-sinyal yang dikeluarkan oleh generator pulsa dapat juga berupa RF (radio frekuensi) yaitu pulsa dengan gelombang pembawa, sehingga osiloskop akan dapat diamati sinyal-sinyal echo seperti terlihat pada gambar 3. Frekuensi yang dipilih biasanya adalah frekuensi resonansi dari tranduser agar didapatkan sensitivitas yang tinggi. Akibatnya lebar pulsa RF ini menjadi lebih besar dari sinyal-sinyal video.
Gambar 3. Sinyal-sinyal eecho berupa pulsa RF
Di sini waktu tempuh juga diukur diantara dua sinyal igunakan echo yang berturutan tetapi titik-titik pengukurannya tidak diambil pada permulaan sinyal melainkan pada puncak-puncak siklus tertentu. Disini ketelitian juga tergantung pada ketelitian mengambil titik-titik pengukuran. Kesalahan dapat terjadi bila kita tidak dapat menetapkan dengan pasti jumlah siklus dari permulaan sinyal sampai ke titik pengukuran. Kesalahan yang cukup besar dapat terjadi terutama bila digunakan tranduser berpita sempit (narrow band transduser). Tranduser ini biasanya
digunakan bila bahan mempunyai atenuasi yang besar karena mempunyai daya penetrasi yang lebih besar jika dibandingkan dengan transduser berpita lebar (wide band transduser).
2.2.2. Metode Sing- around
Pada metode pantulan pulsa pengukuran kecepatan dilakukan dalam waktu yang relative lama karena harus mengamati sinyal-sinyal echo, mengukur waktu tempuh dan menghitung kecepatan dengan persamaan (1). Untuk keperluan praktis tentu saja metode ini tidak sesuai. Untuk itu dapat digunakan metode sing-around. Diagram blok dari rangkaian pengukuran metode sing-around ini dapat dilihat pada gambar 4.
Mula-mula generator pulsa dipasang pada mode picu internal (internal trigger) dan diatur pada frekuensi perulangan yang rendah sehingga akan mengeluarkan pulsa-pulsa seperti yang terlihat pada gambar 5a. Akibat refleksi berulang-ulang, maka pada osiloskop akan dapat diamati sinyal-sinyal echo seperti terlihat pada gambar 5b.
Gambar 4. Diagram Blok dari mnetode sing-around
Pulsa pertama dipilih oleh selector (gambar 5c) yang kemudian diteruskan ke detector ( Zero crossing detector) sehingga akhirnya diperoleh suatu pulsa tunggal seperti yang ditunjukkan pada gambar 5d. Kemudian mode picu tiba-tiba diubah ke picu eksternal (external trigger) sehingga generator pulsa untuk sementara berhenti mengeluarkan pulsa. Tetapi kemudian pulsa terakhir yang telah dipilih oleh selector akan memicu generator pulsa sehingga tranduser pemancar T kembali menerima pulsa yang setelah sampai pada tranduser penerima diperkuat, dipilih dan akhirnya digunakan kembali untuk memicu generator pulsa. Proses tersebut diatas terjadi berulang-ulang sehingga pada keluaran generator pulsa akan dapat diamati pulsa-pulsa seperti yang terlihat pada gambar 5e. Terlihat disini bahwa selang waktu antara dua pulsa yang berurutan (T/2) adalah sama dengan waktu tempuh gelombang ultrasonic selama menjalar sepanjang satu kali tebal bahan. Pilsa-pulsa ini diteruskan ke pengukur frekuensi yang akan menunjukkan besarnya frekuensi perulangan (F) yaitu :
F = (2.9) Ini berarti kecepatan yang akan diukur adalah :
V = = LF (2.10)
Gambar 5. Sinyal-sinyal eecho pada metode sing around
Bila diinginkan dengan menggunakan rangkaian elektrolit tambahan, penunjukkan dapat diatur sehingga langsung menunjukkan besarnya kecepatan atau dapat juga dikalibrasi sehingga menunjukkan besaran fisis yang akan diukur.
2.2.3. Metode Superposisi Pulsa
Pada metode-metode terdahulu waktu tempuh diukur secara langsung sehingga kesalahannya pun tergantung pada ketelitian pengukuran waktu tempuh ini. Bila dalam suatu aplikasi diperlukan pengukuran yang lebih teliti, maka harus digunakan cara-cara lain yang tidak menhukur waktu rempuh secara langsung. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah dengan metode superposisi pulsa.
Pada metode ini digunakan pilsa-pulsa RF dengan periode yang diatur sedemikian rupa sehingga pada tranduser penerima terjadi superposisi maksimum antara sinyal-sinyal echo dari
pulsa RF yang datang lebih dulu dan sinyal-sinyal echo dari pulsa RF yang datang sesudahnya. Jadi superposisi maksimum ini akan terjadi bila besarnya periode tepat sama dengan p (bilangan bulat) kali waktu tempuh melintasi dua kali tebal bahan. Pada gambar 6a dan 6b ditunjukkan sinyal-sinyal echo yang pertama kali pada tranduser penerima dan yang datang sesudahnya untuk p = 3 sedangkan hasil superposisinya dapat dilihat pada gambar 6c. Dengan demikian pada keadaan dimana terjadi superposisi maksimum besarnya waktu tempuh akan sama dengan sepertiga periode. Tetapi dalam prakteknya, pada saat mengamati sinyal-sinyal pada osiloskop, tidak mudah menentukan apakah superposisi sudah maksimum atau belum. Ini disebabkan karena pulsa-pulsa yang digunakan berupa pulsa-pulsa RF sehingga superposisi maksimum juga dapat diperoleh bila periode pulsa bergeser sebanyak n (bilangan bulat) kali periode gelombang pembawa, hanya saja hasil superposisinya sedikit lebih besar. Bila kesalahan waktu tempuh sebesar beberapa kali periode gelombang pembawa masih diperbolehkan, maka dapat dianggap : P = pT (2.12)
Dimana :
P = Periode perulangan P = Bilangan bulat T = Waktu tempuh
Gambar 6. Sinyal-sinyal eecho pada metode superposisi pulsa
Tetapi bila diinginkan ketelitian yang lebih tinggi, maka waktu tempuh harus dihitung dari persamaan
P = p T + (2.13) Dimana
F = Frekuensi gelombang pembawa
N = Bilangan bulat ( positif, nol atau negative)
Untuk menentukan harga n dilakukan cara sebagai berikut mula-mula periode diatur sampai didapatkan suatu keadaan superposisi maksimum. Kemudian frekuensi gelombang pembawa diubah sedikit sehingga superposisi tidak lagi maksimum. Keadaan maksimum bisa didapatkan kembali dengan mengubah periode pulsa. Oleh karena :
P1 = p T + (2.14)
P2 = p T + (2.15) Maka dapat ditentukan harga n, yaitu :
n =
(2.16)
Kemudian kecepatan dapat dihitung dari
V =
(2.17)
2.2.4.. Metode Tumpang Tindih
Ketiga metode di atas tidak dapat dilakuka bila sinyal-sinyal echo yang diamati tidak dapat atau sukar dibedakan dengan jelas. Hal ini dapat terjadi bila sampel bahan yang akan diteliti tipis sekali. Karena tipisnya, maka selang waktu antara sinyal-sinyal pantulan lebih besar dari lebar pulsa sehingga masing-masing sinyal sudah tidak dapat lagi dibedakan. Keadaan ini sebetulnya masih dapat ditanggulangi yaitu dengan menggunakan sinyal-sinyal pantulan lebih besar dari lebar pulsa sehingga masing-masing sinyal sudah tidak dapat lagi dibedakan. Keadaan ini sebetulnya masih dapat ditanggulangi, yaitu dengan menggunakan sinyal-sinyal pulsa yang sesempit mungkin. Ini berarti tranduser yang digunakan harus berupa tranduser pita lebar yang sensitivitasnya rendah atau daya penetrasinya kurang. Jadi ketiga metode tersebut diatas tidak cocok digunakan untuk mengukur kecepatan pada bahan yang mempunyai atenuasi yang besar. Cara lain yang dapat digunakan untuk mengatasi hal tersebut di atas adalah dengan menggunakan metode tumpang tindih. Pada metode ini lebar pulsa RF sengaja diperlebar sehingga menjadi beberapa kali lebih besar dari waktu tempuh T. Akibatnya akan terjadi tumpang tindih antara sinyal-sinyal pantulan. Caranya agak mirip dengan yang dilakukan pada metode superposisi pulsa. Pada gambar 7a ditunjukkan sinyal-sinyal yang datang pertama pada tranduser penerima yang mempunyai lebar sebesar empat kali waktu tempuh, sedangkan pada gambar 7b sd 7d ditunjukkan sinyal-sinyal echo pertama sd sinyal-sinyal echo ketiga. Superposisi dari sinyal-sinyal ini akan mengakibatkan saling tumpang tindih sehingga pada
keadaan superposisi maksimum akan didapatkan gabungan sinyal-sinyal yang panjang seperti ditunjukkan pada gambar 7e. Metode ini juga dikenal sebagai metode pulsa panjang (long pulse
method).
Gambar 7. Sinyal-sinyal eecho pada metode tumpang tindih
Keadaan maksimum ini hanya dapat terjadi bila waktu tempuh sama dengan bilangan bulat kali periode sinyal pembawa, yaitu :
T = nt = (2.18) Dimana
T = Waktu tempuh
t = Periode gelombang pembawa f = Frekuensi gelombang pembawa
n = Bilangan bulat
Seperti juga pada metode superposisi pulsa, maka harga n dicari dengan mengubah sedikit frekuensinya sampai didapatkan kembali keadaan superposisi maksimum. Pada kedua keadaan superposisi maksimum ini berlaku :
T = (2.19) T = (2.20) Dari kedua persamaan diatas akan diperoleh :
n = (2.21) Sehingga :
T = (2.22) Dengan demikian kecepatan dapat dihitung :
BAB III- PEMBAHASAN
Tegangan yang dihasilkan oleh generator frekuensi tinggi akan memberikan rangsangan pada Transitter Probe, akan memberi gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke benda uji kemudian receiving probe akan menerima gelombang yang telah dipancarkan dan mentransfer gelombang tersebut ke amplifier tegangan frekuensi tinggi yang proporsi, terhadap tekanan suara yang dihasilkan pada titik kontak receiver probe tersebut. Tegangan yang sudah di amplifikasi tadi dibaca di alat instrument. Jika tidak ada cacat maka alat instrument tersebut akan
menandakan 100% intensity, jika ada cacat maka intensity yang akan diukur oleh alat instrument tersebut akan berkurang karena cacat tersebut menghalangi gelombang ultrasonik , sehingga tekanan suara yang diterima receiver probe berkurang.
Bila gelombang ultrasonik menjalar dari bahan yang satu ke bahan dua tegak lurus pada permukaan batas pada kedua bahan tersebut, maka sebagian bahan akan diteruskan sedangkan sebagian lagi dipantulkan. Intensitas yang diteruskan atau dipantulkan tergantung pada koefisien transmisi atau refleksinya.
Sinyal dipancarkan melalui pemancar gelombang ultrasonik, akan merambat sebagai gelombang bunyi dengan kecepatan berkisar 344 m/s. Sinyal yang sudah diterima akan diproses untuk menghitung jaraknya.
Pada bagian ini dibahas beberapa hal mengenai kesalahan-kesalahan yang mungkin dapat terjadi dan usaha –usaha yang dapat dilakukan untuk menanggulanginya
3.1.Koreksi Waktu Tempuh
Pada metode-metode tersebut diatas waktu tempuh yang di ukur sebenarnya merupakan jumlah dari waktu di dalam bahan dan waktu tempuh di dalam tranduser/ Waktu tempuh didalam cairan perantara dan sepanjang rangkaian elektronik kecil sekali sehingga dapat diabaikan. Kesalahan akibat perambatan di dalam tranduser ini dapat diabaikan bila digunakan bahan yang tebal. Tetapi bahan yang tebal akan mengakibatkan atenuasi yang besar sehingga ada kemungkinan hanya ada satu sinyal yang dapat dioamati apalagi bila bahan itu sendiri mempunyai koefisien absorpsi yang besar. Dapat diperkecil yaitu denganEsalahan ini masihMeskipun demikian k melakukan pengukuran pada bahan dengan tebal berbeda dan kecepatan dihitung dari persamaan :
V = (3.1)
3.2. Penggunaan Frekuensi Tinggi
Pada metode pantulan pulsa yang menggunakan pulsa RF, kesalahan dapat terjadi bila kita tidak dapat menentukan dengan pasti jumlah siklus yang diamati. Oleh karena besarnya periode gelombang pembawa merupakan ukuran dari kesalahan ini, maka kesalahan ini dapat dikurangi dengan mempertinggi frekuensi dari gelombang pembawa. Tetapi frekuensi gelombang pembawa ini tidak boleh terlalu tinggi agar atenuasinya tidak terlalu besar karena umumnya atenuasi merupakan kuadrat dari frekuensi.
3.3. Analisa Frekuensi
Sebenarnya pengukuran kecepatan ini tergantung pada pengukuran selang waktu karena tebal bahan telah diketahui. Jadi untuk itu dilakukan analisa waktu. Tetapi analisa waktu ini tidak dapat dilakukan bila sinyal-sinyal echo yang diamati tidak dapat dibedakan dengan jelas. Bila hal ini terjadi maka seperti yang telah dibahas di atas, dilakukan pengukuran secara tidak langsung, yaitu dengan mengukur dua frekuensi dimana terjadi superposisi maksimum. Jadi untuk menanggulangi kesulitan ini secara tidak sengaja sebetulnya kita telah melakukan suatu analisa frekuensi. Pengukuran-pengukuran ini dapat kita perbanyak dengan tidak hanya mengamati dua frekuensi tetapi lebih dari itu. Dari sinitimbul pertanyaan apakah pengukuran kecepatan gelombang ultrasonic dapat dilakukan dengan mengamati spectrum frekuensi dari sinyal-sinyal echo. Ternyata bisa, bahkan untuk sinyal-sinyal yang saling tumpang tindih, yaitu dengan menggunakan spektroskopi ultrasonik.
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
4.1.Kesimpulan
Dari pembahasan-pembahasan diatas dapat ditarik beberapa kesimpulan mengenai metode-metode pengukuran kecepatan gelombang Ultrasonik ini yaitu :
1. Metode pengukuran yang sesuai untuk suatu aplikasi tergantung pada ketelitian yamg diinginkan.
2. Metode yang dipilih tertgantung pada tebal bahan, koefisien absorpsi dan frekuensi yang digunakan
3. Ketelitian dapat dipertinggi dengan melakukan pengukuran pada bahan dengan ketebalan berbeda.
4. Pengukuran kecepatan dapat juga dilakukan dengan analisa frekuensi ( spektroskopi Ultrasonik).
5. Tegangan yang dihasilkan oleh generator frekuensi tinggi akan memberikan rangsangan pada Transmitter untuk memancarkan gelombang Ultrasonik ke benda uji.
6. Jika tidak ada cacat pengukuran maka alat instrument akan menandakan 100% intensity.
4.2.Saran
Adapun saran dari penulis adalah dalam berbagai aplikasi yang menggunakan gelombang Ultrasonik, perlu dipilih metode pengukuran yang sesuai untuk memperoleh tingkat ketelitian yang diinginkan.
DAFTAR PUSTAKA
Dr Ir. Amoranto Trisnobudi, Seminar Metode-metode pengukuran Untuk Menentukan Kecepatan
Gelombang Ultrasonik, 1997
Dr. Ir Amoranto Trisnobudi, Teori Ultrasonik, Institut Teknologi Bandung ,1990/1991
Williams, J, and Lamb ,J, On the Measurement of Ultrasonic, Velocity in Solid, J Acoust. Soc.Am Vol 30, No 4, 380-313, 1958
