27
SIMULASI UJI KEBISINGAN (NOISE) PADA POMPA
SENTRIFUGAL SKALA RUMAH TANGGA MENGGUNAKAN
PERANGKAT LUNAK FEM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MASRURI
110401126
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
36 ABSTRACT
The pump is a fluid machine which is used as a 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 activity of the human life. Therefore it is very necessary to keep the pump can operate reliably with high performance. Groundwater has physical properties different in every place that affect the birth of vibration which then cause noise pump that will result in the performance of a centrifugal pump. By measuring the noise at the pump can 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 research is a major component of the pump identify, old and new conditions that cause noise is most dominant in a way to simulate the three main components of the pump and the pump intact using FEM software also to show the noise contour. Simulation varied with distance measuring 5, 10, 15 and 20 cm on the axis X, -X, Y, -Y and Z. From the simulation results we can conclude that the pump impeller is a component that raises the highest noise is 79.052 dB (new pump) and 88.425 dB (old pump) and noise values obtained in the new pump is; (distance measuring 5cm axes X, Y, -Y and Z = 73.2; 97.7; 96.3; 79.5), (distance measuring 10cm X axis, Y, -Y and Z = 72.2; 94 , 6; 93.7; 73.5), (distance measuring 15cm X axis, Y, -Y and Z = 70.12; 91.2; 89.2; 72.5), (distance measuring 20cm X axis, Y, -Y and Z = 63.3; 86.0; 85.4; 64.2), respectively in units of dB (decibel) whereas in the old pump is; (distance measuring 5cm axes X, Y, - Y and Z = 84.222; 99.25; 98.7; 81.5), (distance measuring 10cm X axis, Y, -Y and Z = 80.906; 95.6; 96.3; 74.327), (distance measuring 15cm axis X, Y, -Y and Z = 76.032; 93.7; 92.2; 73.8), (distance measuring 20cm X axis, Y, -Y and Z = 75.094; 87.5; 86.6; 68.504 ), respectively in units of dB (decibels).
37 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 mengidentifikas komponen utama pompa kondisi lama dan baru yang menimbulkan kebisingan (noise) paling dominan dengan cara melakukan simulasi pada tiga komponen utama pompa dan pada pompa secara utuh menggunakan perangkat lunak FEM serta untuk menampilakn kontur kebisingannya. Simulasi divariasikan dengan jarak ukur 5, 10, 15 dan 20 cm pada sumbu X, -X, Y, -Y dan Z. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa impeller adalah komponen pompa yang menimbulkan kebisingan paling tinggi yaitu 79,052 dB (pompa baru) dan 88,425 dB (pompa lama) dan diperoleh nilai kebisingan pada pompa baru adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 73,2 ; 97,7 ; 96,3 ; 79,5), (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 72,2 ; 94,6 ; 93,7 ; 73,5), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 70,12 ; 91,2 ; 89,2 ; 72,5), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 63,3 ; 86,0 ; 85,4 ; 64,2), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel) sedangkan pada pompa lama adalah ;(jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 84,222 ; 99,25 ; 98,7 ; 81,5), (jarak ukur
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 “Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada
Pompa Sentrifugal Skala Rumah Tangga Menggunakan Perangkat Lunak FEM”
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 Jurusan 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 Edi Halpita Putra, 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 dukungan dan sharing dalam penyelesaian skripsi ini.
8. Kakak-kakakku tercinta Aulia A.md dan Chairul Umam S.E yang terus
mendukung hingga skripsi ini selesai.
9. Riza Umami Putri Karina yang terus memberikan 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, 01 September 2015
Penulis,
Masruri
iii
1.3.1 Tujuan Umum Penelitian ...5
1.3.2 Tujuan Khusus Penelitian ...5
1.4 Manfaat Penelitian ...5
1.5 Batasan Masalah ...6
1.6 Sistematika Penulisan ...6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pompa ...7
2.3 Sumber Kebisingan Pompa ...18
2.4 Parameter Kebisingan ...19
2.5 Tingkat Kebisingan (Noise) / Sound Pressure Level ...20
2.6 Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan ...22
2.7 Simulasi Ansys...23
2.7.1 Meshing ...23
2.7.2 Aplikasi Ansys Dalam Akustik ...24
2.7.3 Acoustic ACT (Application Customization Toolkit) Extension ...25
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...27
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ...27
3.2.1 Bahan Penelitian ...27
3.2.2 Alat Penelitian ...29
3.3 Metode Penelitian ...31
3.4 Identifikasi Parameter ...31
3.5 Variabel yang Diamati ...32
3.6 Parameter Fluida ...32
iv
3.8 Kerangka Konsep Pemodelan Numerik ...40
3.9 Pelaksanaan Penelitian ...41
3.10 Set-up Komputasi...42
3.10.1 Tahap Pre-Processing ...42
3.10.2 Tahap Post-Processing ...45
3.10.3 Menjalankan Simulasi ...45
3.11 Diagram Alir Simulasi ...46
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Membangun Design Of Experimental (DOE) ...47
4.2 Membangun CAD ...47
4.3 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Komponen Utama Pompa Baru ...49
4.3.1 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Shaft ...49
4.3.2 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Impeller ...50
4.3.3 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Bearing ...50
4.4 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) pada pompa Baru ...51
4.5 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Komponen Utama Pompa Lama ...52
4.5.1 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Shaft ...53
4.5.2 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Impeller ...53
4.5.3 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) Pada Bearing ...54
4.6 Simulasi Uji Kebisingan (Noise) pada pompa Lama ...54
4.7 Rekapitulasi Hasil Simulasi Noise Pompa Baru ...55
4.8 Rekapitulasi Hasil Simulasi Noise Pompa Lama ...56
4.9 Validasi Data ...57
4.9.1 Hasil Pengukuran Sound Pressure Level (SPL) Secara Eksperimental Pompa Baru ...57
4.9.2 Hasil Pengukuran Sound Pressure Level (SPL) Secara Eksperimental Pompa Lama ...59
4.10 Menghitung Persen Ralat Pada Pompa Baru ...60
4.10.1 % Ralat Pada Sumbu X ...60
4.10.2 % Ralat Pada Sumbu Y ...61
4.10.3 % Ralat Pada Sumbu -Y ...62
4.10.4 % Ralat Pada Sumbu Z ...63
4.11 Menghitung Persen Ralat Pada Pompa Lama ...60
4.11.1 % Ralat Pada Sumbu X ...60
4.11.2 % Ralat Pada Sumbu Y ...61
4.11.3 % Ralat Pada Sumbu -Y ...62
4.11.4 % Ralat Pada Sumbu Z ...63
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...70
5.2 Saran ...71
DAFTAR PUSTAKA ...ix
v DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Proses Kerja Pompa ...2
Gambar 2.1 Komponen Pompa Sentrifugal ...7
Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal ...8
Gambar 2.3 Gelombang Suara Pada Material ...11
Gambar 2.4 Grafik Sinyal Noise ...17
Gambar 2.5 Contoh Noise Contour ...17
Gambar 2.6 Tampilan Meshing Pada Ansys ...24
Gambar 2.7 Simulasi Akustik Pada Speaker ...25
Gambar 2.8 Simulasi Sensor Parkir Mobil ...26
Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal Dap Skala Rumah Tangga ...28
Gambar 3.2 Gambar Komponen-Komponen Pompa Dap Model Db-125a ....28
Gambar 3.3 Personal Computer (Pc) ...29
Gambar 3.4 Tampilan Software Autocad ...30
Gambar 3.5 Tampilan Software Ansys 15.0 ...30
Gambar 3.6 Instalasi Pipa ...33
Gambar 3.7 Instalasi Pompa ...35
Gambar 3.8 Impeler Pompa Dap ...36
Gambar 3.9 Poros Pompa Dap ...37
Gambar 3.10 Bearing ...39
Gambar 3.11 Kerangka Konsep Pemodelan Numerik ...40
Gambar 3.12 Diagram Alir Proses Pelaksanaan ...41
Gambar 3.13 Pembuatan Model Pompa Sentrifugal Dap Dengan Autocad ...42
Gambar 3.14 Computational Domain ...43
Gambar 3.15 Bentuk Mesh ...43
Gambar 3.16 Input Properties Domain ...44
Gambar 3.17 Input Tekanan Akustik ...44
Gambar 3.18 Input Data Sumber Gelombang Akustik ...45
Gambar 3.19 Input Kontrol Hamburan ...45
Gambar 3.20 Diagram Alir Simulasi ...46
Gambar 4.1 Bantalan (Bearing)...48
Gambar 4.2 Impeller...48
Gambar 4.3 Poros (Shaft) ...49
Gambar 4.4 Noise Contour Pada Shaft Pompa Baru ...50
Gambar 4.5 Noise Contour Pada Impeller Pompa Baru ...50
Gambar 4.6 Noise Contour Pada Bearing Pompa Baru ...51
Gambar 4.7 Noise Contour Pada Sumbu X Jarak Ukur 5Cm Pompa Baru ...52
Gambar 4.8 Noise Contour Pada Shaft Pompa Lama...53
Gambar 4.9 Noise Contour Pada Impeller Pompa Lama ...53
Gambar 4.10 Noise Contour Pada Bearing Pompa Lama ...54
Gambar 4.11 Noise Contour Pada Sumbu X Jarak Ukur 5Cm Pompa Lama ...55
Gambar 4.12 Perbandingan Grafik SPL dan Jarak Pada Pompa Baru (Simulasi) ...56
vi
Gambar 4.14 Perbandingan Grafik SPL dan Jarak Pada Pompa Baru
(eksperimental) ...58 Gambar 4.15 Perbandingan Grafik SPL dan Jarak Pada Pompa Baru
vii DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.1 Kriteria Kebutuhan Dalam Pemilihan Pompa ... 3
Tabel 2.1 Contoh SPL berdasarkan sumbernya ... 27
Tabel 3.1 Parameter fluida ... 32
Tabel 3.2 Design Of Experiment (DOE)... 35
Tabel 4.1 Parameter Design Of Experimental (DOE) ... 47
Tabel 4.2 Nilai SPL dari hasil simulasi Pompa Baru ... 55
Tabel 4.3 Nilai SPL dari hasil simulasi Pompa Lama ... 56
Tabel 4.4 Hasil Pengukuran Kebisingan Pompa Baru Secara Eksperimental ... 58
Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Kebisingan Pompa Lama Secara Eksperimental ... 59
Tabel 4.6 Persen Ralat Pompa Baru ... 62
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
36 ABSTRACT
The pump is a fluid machine which is used as a 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 activity of the human life. Therefore it is very necessary to keep the pump can operate reliably with high performance. Groundwater has physical properties different in every place that affect the birth of vibration which then cause noise pump that will result in the performance of a centrifugal pump. By measuring the noise at the pump can 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 research is a major component of the pump identify, old and new conditions that cause noise is most dominant in a way to simulate the three main components of the pump and the pump intact using FEM software also to show the noise contour. Simulation varied with distance measuring 5, 10, 15 and 20 cm on the axis X, -X, Y, -Y and Z. From the simulation results we can conclude that the pump impeller is a component that raises the highest noise is 79.052 dB (new pump) and 88.425 dB (old pump) and noise values obtained in the new pump is; (distance measuring 5cm axes X, Y, -Y and Z = 73.2; 97.7; 96.3; 79.5), (distance measuring 10cm X axis, Y, -Y and Z = 72.2; 94 , 6; 93.7; 73.5), (distance measuring 15cm X axis, Y, -Y and Z = 70.12; 91.2; 89.2; 72.5), (distance measuring 20cm X axis, Y, -Y and Z = 63.3; 86.0; 85.4; 64.2), respectively in units of dB (decibel) whereas in the old pump is; (distance measuring 5cm axes X, Y, - Y and Z = 84.222; 99.25; 98.7; 81.5), (distance measuring 10cm X axis, Y, -Y and Z = 80.906; 95.6; 96.3; 74.327), (distance measuring 15cm axis X, Y, -Y and Z = 76.032; 93.7; 92.2; 73.8), (distance measuring 20cm X axis, Y, -Y and Z = 75.094; 87.5; 86.6; 68.504 ), respectively in units of dB (decibels).
37 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 mengidentifikas komponen utama pompa kondisi lama dan baru yang menimbulkan kebisingan (noise) paling dominan dengan cara melakukan simulasi pada tiga komponen utama pompa dan pada pompa secara utuh menggunakan perangkat lunak FEM serta untuk menampilakn kontur kebisingannya. Simulasi divariasikan dengan jarak ukur 5, 10, 15 dan 20 cm pada sumbu X, -X, Y, -Y dan Z. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa impeller adalah komponen pompa yang menimbulkan kebisingan paling tinggi yaitu 79,052 dB (pompa baru) dan 88,425 dB (pompa lama) dan diperoleh nilai kebisingan pada pompa baru adalah; (jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 73,2 ; 97,7 ; 96,3 ; 79,5), (jarak ukur 10cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 72,2 ; 94,6 ; 93,7 ; 73,5), (jarak ukur 15cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 70,12 ; 91,2 ; 89,2 ; 72,5), (jarak ukur 20cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 63,3 ; 86,0 ; 85,4 ; 64,2), secara berturut-turut dalam satuan dB(desibel) sedangkan pada pompa lama adalah ;(jarak ukur 5cm sumbu X, Y, -Y dan Z = 84,222 ; 99,25 ; 98,7 ; 81,5), (jarak ukur
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 gambar
2
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 vakum sehingga cairan terhisap masuk dan terjadi
proses pengisapan [15]. Proses kerja pompa sentrifugal ditunjukan pada Gambar
1.2
Gambar 1.1 Proses Kerja Pompa [15]
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
3
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
4
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 noise. Noise yang dihasilkan pada setiap kegagalan akan
berbeda, dengan demikian dapat dilakukan identifikasi kegagalan dengan cara
menganalisa noise yang terjadi ketika pompa dioperasikan. Dengan mengukur
noise pada pompa dapat diketahui komponen dan jenis kegagalan yang terjadi.
Dengan demikian kita dapat mengetahui kondisi pompa dan perawatan yang akan
5 1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan Umum Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengidentifikas komponen utama pompa yang menimbulkan kebisingan
(noise) paling dominan.
2. Mengidentifikasi dan mmbuktikan fenomena kerusakan yang terjadi pada
pompa sentrifugal skala rumah tangga dengan cara pengujian secara
komputasional.
3. 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. Membangun model komputasional dari pompa sentrifugal kondisi lama
dan baru kemudian melakukan simulasi pada tiga(3) komponen utamanya
menggunakan perangkat lunak FEM untuk mendapatkan komponen mana
yang menghasilkan kebisingan (noise) paling tinggi serta untuk
menampilkan kontur kebisingannya
2. Melakukan simulasi pada pompa lama dan baru secara keseluruhan untuk
mendapatkan nilai kebisingannya (noise) serta untuk menampilkan
bagaimana kontur kebisingan (noise) dari pompa.
3. Melakukan validasi dengan membandingkan hasil komputasional dengan
eksperimental pada pompa lama dan baru.
4. Menghitung persen ralat dari hasil pengukuran kebisingan secara
eksperimental dengan hasil simulasi pada pompa lama dan baru.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini adalah salah satu upaya pihak perguruan tinggi, dalam
memberi informasi kepada masyarakat, dunia industri dan dunia pendidikan
6
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,
maka penelitian ini juga bermanfaat sebagai referensi untuk masyarakat dan
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. Simulasi uji kebisingan (noise) dilakukan pada pompa sentrifugal DAP
skala rumah tangga kondisi lama dan baru.
2. Simulasi uji kebisingan (noise) pompa dilakukan pada jarak 5, 10, 15
dan 20 cm.
3. Simulasi uji kebisingan (noise) pompa dilakukan pada sumbu X, Y, -Y
dan Z.
4. Simulasi dilakukan pada keadaan steady.
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
simulasi numerik. Bab 3 adalah Metode Penelitian. Bab 4 merupakan Hasil dan
Pembahasan. Bab 5 Kesimpulan dan Saran dan Bab terakhir yaitu berisikan Daftar
7 BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Pompa
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 pompa terdiri dari berbagai komponen, seperti pada
gambar 2.1.
Gambar 2.1 Komponen Pompa Sentrifugal
a) Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana poros pompa menembus casing.
b) Packing digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon.
c) Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.
d) Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan keausan pada stuffing box.
e) Vane sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller.
f) Casing merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar.
8 h) 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.
i) Casing wear ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.
j) Bearing (bantalan) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil.
k) Discharge nozzle merupakan nosel pada sisi keluar [15].
2.1.1 Karakteristik Pompa
Karakteristik pompa adalah prestasi pompa dalam bentuk grafik hubungan
antara head (H), daya (N) dan efisiensi (η) terhadap debit (Q) seperti terlihat pada
gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal (google.com)
Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk
9
pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang dinyatakan dalam
satuan panjang [11].
Menurut Bernoully ada tiga macam energi (head) fluida yaitu energi
tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dinyatakan pada persamaan
(2.1) sebagai berikut :
Etekan = Ek + Ep ...(2.1)
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 ...(2.2)
EPutaran Impeler - Ebunyi =Ek + Ep ...(2.3)
Ebunyi = EPutaran Impeler - Ek + Ep ...(2.4)
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 = � � ... (2.5)
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 ... (2.6)
10
Keterangan :
m = Massa aliran fluida
v = Kecepatan aliran fluida
h = Tinggi head
g = Percepatan gravitasi
dengan mensubstitusikan persamaan (2.5), (2.6) dan (2.7) ke persamaan (2.4),
maka diperoleh persamaan berikut:
Ebunyi = � � - m + mgh ... (2.8)
Untuk menghitung daya bunyi yang dihasilkan oleh pompa dapat digunakan
persamaan sebagai berikut:
P = ... (2.9)
Untuk menghitung Intensitas bunyi dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
I = � ... (2.10)
Keterangan :
I = Intensitas bunyi
P = Daya bunyi
A = Luas medium rambat bunyi
Tekanan bunyi dapat dirumuskan sebagai berikut :
p = √ ... 2.11)
Keterangan :
p = Tekanan bunyi
11
c = Cepat rambat bunyi pada medium
I = Intensitas bunyi
Sound pressure level dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
SPL = 20 Log ... (2.12) [7]
Keterangan :
p = Tekanan bunyi
po = Tekanan bunyi reference
2.2 Kebisingan (Noise)
2.2.1 Suara
Suara didefinisikan yaitu sebagai serangkain gelombang yang merambat
dari suara sumber getar sebagai akibat dari perubahan kerapatan dan juga tekanan
pada udara. Gelombang suara pada fluida kebanyakan dihasilkan melalui
permukaan zat padat yang bergetar di dalam fluida tersebut seperti pada Gambar
2.3.
Gambar 2.3 Gelombang suara pada material.
Pada Gambar 2.3, permukaan benda yang bergetar mengakibatkan fluida
12
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
tertentu yang dapat menimbulkan respon serta tidak mengganggu fungsi dari indra
pendengaran. Rentang frekuensi yang dapat didengar oleh manusia berkisar antara
20–20.000 Hz. Suara berdasakan frekuensinya dapat dikelompokkan menjadi
beberapa kategori sebagai berikut:
1. Infrasonik: frekuensi < 20 Hz
2. Audiosonik: frekuensi 20-20.000 Hz
3. Supersonik: frekuensi >20.000 Hz
2.2.2 Kebisingan
Kebisingan atau noise adalah bunyi atau suara yang tidak dikehendaki dan
dapat mengganggu kesehatandan kenyamanan lingkungan yang dinyatakan dalam
satuan decibel (dB). 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. Kebisingan
13
Sumber noise dapat dikelompokkan dalam tiga kategori:
1. Sumber noise intrinsic yang muncul dari fluktuasi acak di dalam
suatu sistem fisik seperti thermal dan shot noise.
2. Sumber noise buatan manusia seperti motor, switch, elektronika digital.
3. Noise karena gangguan alamiah seperti petir dan bintik matahari.
2.2.3 Jenis–Jenis Kebisingan (Noise)
Noise dapat dikelompokkan dalam dua jenis, yaitu:
a. Correlated noise: Hubungan antara sinyal dan noise masuk dalam kategori
ini. Karena itu, correlated noise hanya muncul saat ada sinyal.
b. Uncorrelated noise: Noise yang dapat muncul kapanpun, saat terdapat sinyal
maupun tidak ada sinyal. Uncorrelated noise muncul tanpa memperhatikan
adanya sinyal atau tidak.
Noise dalam kategori ini dapat dibagi lagi menjadi dua kategori umum,
yaitu:
1. Eksternal noise: Merupakan noise yang dihasilkan dari luar alat atau sirkuit.
Noise tidak disebabkan oleh komponen alat dalam sistem komunikasi tersebut.
Ada 3 sumber utama noise eksternal yaitu:
a. Atmospheric noise: gangguan elektris yang terjadi secara alami, disebabkan
oleh hal–hal yang berkaitan dengan atmosfer bumi. Noise atmosfer biasanya
disebut juga static electricity. Noise jenis ini bersumber dari kondisi elektris
yang bersifat alami, seperti kilat dan halilintar. Static electricity
berbentuk impuls yang menyebar ke dalam energi sepanjang lebar frekuensi
b. Ekstraterrestrial noise: Noise ini terdiri dari sinyal elektris yang dihasilkan
dari luar atmosfer bumi. Terkadang disebut juga deep-space noise. Noise
ekstra terrestrial bisa disebabkan oleh Milky Way, galaksi yang lain,
14
Noise ini dibagi menjadi 2 kategori, yaitu solar dan cosmic noise:
1. Solar noise: Solar noise dihasilkan langsung dari panas matahari. Ada
dua bagian solar noise, yaitu saat kondisi dimana intensitas radiasi
konstan dan tinggi, gangguan muncul karena aktivitas sun-spot dan solar
flare-ups. Besar gangguan yang jarang terjadi ini (bersifat sporadis)
bergantung pada aktivitas sun spot mengikuti pola perputaran yang
berulang setiap 11 tahun.
2. Cosmic noise: Cosmic noise didistribusikan secara continue di sepanjang
galaksi. Intensitas noise cenderung kecil karena sumber noise galaksi
terletak lebih jauh dari matahari. Cosmic noise sering juga disebut
black-body noise dan didistribusikan secara merata di seluruh angkasa.
c. Man-made noise: Secara sederhana dapat diartikan sebagai kebisingn
(noise) yang dihasilkan manusia. Sumber utama dari kebisingan (noise) ini
adalah dari mekanisme spark producing, komutator dalam, sistem
pembakaran kendaraan bermotor, alternator, dan juga akibat aktivitas
peralihan alat oleh manusia (switching equipment). Misalnya, setiap saat di
rumah, penghuni sering mematikan dan menyalakan lampu melalui saklar,
dengan begitu otomatis arus listrik dapat tiba-tiba muncul ataupun
terhenti. Tegangan dan arus listrik berubah secara mendadak, perubahan ini
memuat lebar frekuensi yang cukup besar.
Beberapa frekuensi itu memancar/menyebar dari saklar atau listrik rumah,
yang bertindak sebagai miniatur penghantar dan antena. Noise karena
aktivitas manusia ini disebut juga impulse noise, karena bersumber dari
aktivitas on/off yang bersifat mendadak. Spektrum noise cenderung besar
dan lebar frekuensi bias sampai 10 MHz. Kebisingan (Noise) jenis ini lebih
sering terjadi pada daerah metropolitan dan area industri yang padat
penduduknya, karena itu disebut juga industrial noise.
2. Internal noise: Internal noise juga menjadi faktor yang penting dalam sistem
komunikasi. Internal noise adalah gangguan elektris yang dihasilkan alat atau
sirkuit. Noise muncul berasal dari komponen alat dalam sistem komunikasi
15
a. Thermal noise: Thermal noise ini berhubungan dengan
perpindahan elektron yang cepat dan juga secara acak dalam
alat konduktor akibat digitasi thermal. Perpindahan yang bersifat random ini
pertama kali ditemukan oleh ahli tumbuh-tumbuhan yang bernama Robert
Brown, yang mengamati perpindahan partikel alami dalam penyerbukan biji
padi. Perpindahan random elektron pertama kali dikenal tahun 1927 oleh JB.
Johnson di Bell Telephone Laboratories. Johnson membuktikan bahwa
kekuatan thermal noise proporsional dengan bandwidth dan temperatur
absolut.
Secara matematis, kekuatan noise adalah:
... (2.14)
Dimana:
N = Kekuatan noise (noise power)
K = Boltzmann’s proportionality constant (1.38×10-23 J/K) T = Temperatur absolute
B = Bandwidth
b. Shot noise: Noise jenis ini muncul karena penyampaian sinyal yang tidak
beraturan pada keluaran (output) alat elektronik yang digunakan, seperti
pada transistor dua kutub. Pada alat elektronik, jumlah partikel pembawa
energi (elektron) yang terbatas menghasilkan fluktuasi pada arus elektrik
konduktor. Shot noise juga bisa terjadi pada alat optik, akibat
keterbatasan foton pada alat optik. Pada shot noise, penyampaian sinyal
tidak bergerak secara kontinu dan beraturan, tapi bergerak berdasarkan garis
edar yang acak. Karena itu, gangguan yang dihasilkan acak dan berlapis
pada sinyal yang ada. Ketika shot noise semakin kuat, suara yang
ditimbulkan noise ini mirip dengan butir logam yang jatuh di atas
genteng timah. Shot noise tidak berlaku pada kawat logam, karena hubungan
antar elektron pada kawat logam dapat menghilangkan fluktuasi acak. Shot
noise disebut juga transistor noise dan saling melengkapi
16
pada kutub positif dan kutub negatif tabung pesawat vakum (vacuum-tube
amplifier) dan dideskripsikan secara matematis oleh W. Schottky tahun
1918.
c. Transit-time noise: Arus sinyal yang dibawa melintasi sistem masukan dan
keluaran pada alat elektronik, (misalnya dari penyampai (emitter) ke
pengumpul (collector) pada transistor) menghasilkan noise yang tidak
beraturan dan bervariasi. Inilah yang disebut dengan transit-time noise.
Transit-time noise terjadi pada frekuensi tinggi ketika sinyal bergerak
melintasi semikonduktor dan membutuhkan waktu yang cukup banyak
untuk satu perputaran sinyal. Transit time noise pada transistor ditentukan
oleh mobilitas data yang dibawa, bias tegangan, dan konstruksi transistor.
Jika perjalanan data tertunda dengan frekuensi yang tinggi saat perlintasan
semikonduktor, noise akan lebih banyak dibandingkan dengan sinyal
aslinya.
2.2.4 Sinyal Noise
Untuk suatu peristiwa pentransmisian data, sinyal yang diterima akan
berisikan sinyal–sinyal yang ditransmisikan, dimodifikasi oleh berbagai distorsi
yang terjadi melalui sistem transmisi, ditambah sinyal–sinyal tambahan yang tidak
diinginkan yang diselipkan di suatu tempat diantara transmisi dan penerimaan.
Sinyal–sinyal tambahan yang tidak diharapkan tersebut disebut noise. Noise
merupakan faktor utama yang membatasi performansi sistem komunikasi. Secara
17
Gambar 2.4 Grafik sinyal noise (google.com)
2.2.5 Noise Contour
Sebuah noise contour merupakan distribusi dari sumber kebisingan yang
di gambarkan dalam bentuk garis yang bersambung dan tidak dapat bertemu atau
memotong garis kontur lainnya dan tidak pula dapat bercabang menjadi garis
kontur yang lain. Kontur kebisingan digunakan untuk menentukan
absorber bunyi sebagai bagian dari pengandalian kebisingan. Seperti Gambar 2.5
contoh noise contour. [16]
Gambar 2.5 Contoh Noise contour
18 2.3Sumber Kebisingan Pompa
Pada pompa sentrifugal, terdapat dua sumber kebisingan, yaitu :
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
mekanik.
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.
19
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 :
1. resirkulasi (aliran sekunder)
Kebisingan memiliki banyak parameter yang bisa dijadikan sebagai acuan
dalam menentukan skala kebisingan tersebut sebagaimana banyaknya parameter
untuk menentukan bunyi. Namun, parameter yang sering dijadikan acuan dalam
mengukur suatu kebisingan untuk mempersempit pembahasan biasanya di
tentukan oleh parameter berikut:
a. Frekuensi
Gelombang gerak sendiri memiliki banyak kriteria yang dapat dijabarkan
secara terperinci diantaranya adalah frekuensi. Frekuensi didefenisikan
sebagai jumlah getaran ataupun gerakan yang terjadi dalam satu satuan
waktu. Frekuensi dapat di modelkan dengan persamaan berikut:
f = 1/T ... (2.15)
b. Panjang gelombang
Panjang gelombang ( ) dari gelombang suara merupakan parameter yang
sangat penting didalam mencari tau pola dari gelombang suara. jika dilihat
dari gambaran gelombang, maka panjang gelombang adalah jarak antara dua
20
= ... (2.16)
c. Jumlah Gelombang
Jumlah gelombang merupakan banyaknya gelombang suara yang terjadi
selama perambatan gelombang. Jumlah gelombang dirumuskan sebagai
berikut:
k = = ... (2.17)
d. Sound Pressure
Parameter yang dijadikan sebagai bagian dari gelombang suara adalah
sound pressure dan sound power. Sound presure merupakan fluktuasi dari
tekanan udara. Ketika suatu sumber bunyi menghasilkan bunyi, maka buyi
tersebut akan merambat melalui medium udara yang ada disekitarnya.
Ketika terjadi perambatan, maka terjadi perubahan tekanan atmosfir
beberapa saat. Sesuatu yang merupakan perubahan tekanan udara sebagai
indikasi dari adanya perambatan bunyi inilah yang di sebut dengan sound
pressure.
e. Sound Power
Sedangkan sound power merupakan sejumlah daya yang dapat di ukur
dihasilkan oleh radiasi sumber bunyi yang menyebar disekitar udara. Secara
matemetik, sound power dapat di rumuskan sebagai berikut:
Ws = (4 r2) Imax (watt) ... (2.18)
2.5Tingkat Kebisingan / Sound Pressure Level (SPL)
Untuk mempermudah penentuan nilai kebisingan, maka ada metode yang
digunakan dengan menggunakan sekala level atau tingkat kebisingan suara dalam
satuan decibel (dB) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level
dan sound power level.
a. Sound Power Level
21
Lw = 10 log
(dB)... (2.19)
Dimana:
W = Sound power
Wreff = Sound power referensi dengan standar 10-12 watt
b. Sound Pressure Level (SPL)
Hampir setiap pemikiran umum mendefenisikan kata decibel (dB) dengan
mengaitkan terhadap sound pressure level. Hal seperti ini telah menjadi
suatu kesimpulan tersendiri bahwa apabila berbicara tentang skala decibel
berarti merupakan suatu hasil perhitungan dari sound pressure level.
Secara matematis sound pressure level dapat di rumuskan sebagai berikut:
SPL = Lp = 10 log [� � ] = 20 log � � ... (2.20)
Dimana:
P = Tekanan yang terjadi (Prms ) untuk aliran fluida
Preff = Tekanan referensi yang distandarisasi untuk propagasi pada air
Borne = 2x10-5 N/m2 = 20 µPa.
Berikut ini adalah sound level pressure yang dihasilkan berdasarkan
sumbernya seperti pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Contoh SPL berdasarkan sumbernya [17]
Sound Source (Noise)
Examples With Distance
Sound Pressure
Level (SPL) = dB
Jet aircraft, 50 m away 140
Threshold of pain 130
Threshold of discomfort 120
22
Quite bedroom at night 30
2.6Prosedur 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
Apabila terdapat beberapa sumber kebisingan maka total output
kebisingan melebihin 1 sumber. Pada saat pengaturan sasaran desain
kebisingan harus 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 kebisingan terhadap 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
23 2.7Simulasi ANSYS
ANSYS adalah sebuah software analisis elemen hingga dengan kemampuan
menganalisa dengan cakupan yang luas untuk berbagai jenis masalah (Tim
Langlais, 1999). ANSYS mampu memecahkan persamaan diferensial dengan cara
memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil. Pada awalnya program ini
bernama STASYS (Structural Analysis System), kemudian berganti nama menjadi
ANSYS yang ditemukan pertama kali oleh Dr. John Swanson pada tahun 1970.
ANSYS merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga
untuk secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam.
Masalah yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan
non-linear), distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi
dan masalah elektromagnetik. Teknologi ANSYS mekanis mempersatukan
struktur dan material yang bersifat non-linear. ANSYS multiphysic juga mengatasi
masalah panas, struktur, elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat
digunakan dalam teknik sipil, teknik listrik, fisika dan kimia. [16]
2.7.1 Meshing
Mesh merupakan pembagian objek menjadi bagian bagian yang lebih
kecil. Semakin kecil meshing yang dibuat maka hasil perhitungan akan semakin
teliti namun membutuhkan daya komputasi yang besar. Selain melakukan meshing, pada tahap ini juga akan dilakukan “pemberian nama” pada model yang akan disimulasi.
Berikut ini akan ditunjukkan bagaimana melakukan meshing di Ansys
24
Gambar 2.6 Tampilan Meshing Pada Ansys (Dokumentasi)
2.7.2 Aplikasi ANSYS Dalam Akustik
Akustik adalah studi tentang generasi, propagasi, penyerapan dan refleksi
gelombang tekanan suara dalam media cairan. Aplikasi untuk akustik adalah
sebagai berikut:
1. Sonar.
2. Desain ruang konser, di mana pemerataan tekanan suara diinginkan.
3. Minimisasi kebisingan pada mesin.
4. Pembatalan kebisingan.
5. Akustik bawah air.
6. Desain speaker (Gambar 2.7), rumah speaker, filter akustik, muffler, dan
banyak perangkat sejenis lainnya.
25
Gambar 2.7 Simulasi akustik pada speaker
(AACTx_R150_Workshops3 - Audio Speaker And Plate)
2.7.3 Acoustic ACT (Application Customization Toolkit) Extension
Acoustic ACT Extension adalah fitur tambahan dari Ansys yang dapat
memaparkan fitur-fitur akustik yang cukup lengkap. Fitur-fitur Ansys Acoustic
ACT Extension yaitu:
1. Menentukan sifat-sifat akustik.
2. Menentukan kondisi batas dan beban akustik.
3. Menentukan hasil proses akustik.
Pada analisis akustik yang tersedia di ANSYS, biasanya melibatkan
pemodelan media cairan dan struktur sekitarnya. Yang sering menjadi perhatian
pada analisis akustik distribusi tekanan pada cairan pada frekuensi yang berbeda,
gradien tekanan, kecepatan partikel, SPL (sound pressure level), serta hamburan,
difraksi, transmisi, radiasi, redaman, dan dispersi gelombang akustik.
Acoustic ACT dapat digunakan untuk melakukan simulasi sensor parkir
mobil yang mendeteksi benda-benda di sekitar mobil. Sensor ini bekerja dengan
menggunakan gelombang ultrasonik dan gema yang dihasilkannya. Simulasi
26
Gambar 2.8 Simulasi sensor parkir mobil
27 BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
Dalam penelitian ini diterapkan metode penelitian dengan membangun
kaidah numerik yang akan mensimulasikan kebisingan pompa kemudian hasil
simulasi dibandingkan dengan hasil pengujian secara eksperimental yang
dilakukan oleh peneliti lainnya.
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 Laboratorium Prestasi Mesin Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara. Kajian eksperimental ini akan dilaporkan
oleh saudara Edi Halpita Putra. Sementara simulasi dilakukan di ruang
Computational And Experimental System Mechanics (CESM).
3.2 Bahan dan Alat Penelitian
3.2.1 Objek Penelitian
Data awal penelitian ini adalah pompa sentrifugal dengan spesifikasi
28
Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal DAP Skala Rumah Tangga (Dokumentasi)
Gambar 3.2 Gambar Komponen-Komponen Pompa DAP Model DB-125A
(Dokumentasi)
Keterangan :
1: Pump Body
4 : Impeller
7 : Shaft
10 : Motor Body
11 : Motor end Cover
12 : Fan
13 : Fan Cover
14 : Terminal Cover
15 : Splash Guard
16 : Mechanical Seal
17 : Shaft Key
19 : Ball Bearing
20 : Ball Bearing
21 : Spring Washer
22 : Terminal Block
29
24 : Tie Bolt
25 : Filling Plug
27 : “O” Ring
32 : Locking Ring
33 : End Cover
45 : Screw
3.2.2 Alat Penelitian
Dalam melakukan simulasi komutasional diperlukan beberapa alat seperti :
Perangkat Keras (Hardware)
4. Personal Computer (PC)
Personal Computer (PC) digunakan dalam penelitian ini yaitu dengan
spesifikasi sebagai berikut :
Processor : Intel Core i5
RAM : 4 GB
CPU : 1,6 GHz
System : Windows 7 64–bit
VGA : NVIDIA GEFORCE
Berikut adalah gambar personal computer (PC).
30
Perangkat Lunak (Software)
1. AutoCad
AutoCad adalah software yang digunakan untuk membangun model
pompa. Berikut adalah tampilan dari software AutoCad.
Gambar 3.4 Tampilan Software AutoCad (Dokumentasi)
2. Ansys 15.0
Ansys 15.0 adalah software yang digunakan untuk membangun model
empirik dan numerik pompa untuk kemudian dapat dilakukan simulasi
uji kebisingan (noise). Berikut adalah gambar tampilan software Ansys
15.0.
31 3.3 Metode Penelitian
Pada mulanya peneliti membangun geometri pompa dalam komputer
dengan menggunakan perangkat lunak AutoCad 2011 dan kemudian simulasi
kinerja pompa dilakukan dengan membangun komputasi numerik menggunakan
perangkat lunak Ansys 15.0 pada poros, impeller, bearing dan pada pompa secara
utuh. Sedangkan pengujian secara eksperimental dilakukan secara langsung di
lapangan dengan cara mengukur kebisingan pompa menggunakan “Sound Level
Meter” yang telah dilakukan peneliti lainnya. Pengukuran sinyal noise yang timbul akibat putaran pompa yaitu pada arah horizontal, vertikal, dan diagonal
dengan kecepatan 1956 rpm. Kemudian seluruh data yang diperoleh dicatat.
3.4 Identifikasi Parameter
Secara komputasi pembangunan model dan pengujian dilakukan untuk
identifikasi karakteristik kebisingan yang terjadi pada pompa. Pada saat impeller
berputar akan disimulasi kebisingan yang dihasilkan oleh impeller dengan
menggunakan metode empirik yaitu dengan menggunakan software Ansys 15.0.
Hasil eksperimental yang digunakan sebagai validasi data untuk
komputasional secara lengkapnya dilakukan diset-up peralatan pengujian yaitu
sebagai berikut :
1. Hubungkan pompa dengan power supplay.
2. Hidupkan sound level meter.
3. Setting rentang ukur kebisingan diantara 40 dB – 120 dB.
4. Ukur jarak antara sound level meter ke propeller menggunakan meteran
dengan jarak 5, 10, 15 cm.
5. Arahkan microphone yang ada pada sound level meter ke arah impeller.
6. Hidupkan motor.
7. Lakukan pengambilan data pada arah vertikal, horizontal dan aksial.
8. Lihat hasil kebisingan yang tertera di sound level meter dan olah data
32 3.5 Variabel Yang Diamati
Sesuai dengan performansi pompa secara eksperimen, variabel tertentu
menjadi fokus perhatian yang perlu dikondisikan untuk pengolahan data guna
mendapatkan hasil yang mendekati sempurna. Adapun variabel yang diamati
dalam studi eksperimental dan simulasi numerik ini adalah sebagai berikut:
Secara eksperimental :
1. Jarak sound level meter Bruel & Kjaer type 2238 fulfils ke impeller.
2. Noise pada pompa dengan arah horizontal, vertikal, aksial.
Secara simulasi Numerik :
1. Noise pada poros dengan arah horizontal, vertikal, aksial
2. Noise pada impeller horizontal, vertikal, aksial
3. Noise pada cashing horizontal, vertikal, aksial
3.6 Parameter Fluida
Parameter fluida pada saat melakukan komputasi adalah sifat-sifat fisik
daripada air tanah. Parameter fluida yang dimaksud dapat dilihat pada tabel 3.1. di
33 3.7 Design Of Experimental
Dalam mengidentifikasi gejala getaran pada konstruksi pompa perlu
dibangun model eksperimental dari struktur yang melahirkan kebisingan (noise).
Adapun komponen-komponen yang mempengaruhi lahirnya kebisingan (noise)
pompa adalah :
1. Instalasi pipa
2. Konstruksi pompa
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.
34 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,
viskositas zat cair, diameter pipa, panjang pipa hisap, roughness pipa dan jumlah
elbow.
Semakin panjang pipa hisap semakin berat kerja pompa oleh karena itu
semakin besar noise yang dihasilkan. Kekasaran pipa juga berpengaruh pada
vibrasi instalasi pipa dimana semakin tinggi nilai kekasaran pipa maka semakin
35
tinggi viskositas zat cair yang melalui pipa maka semakin besar noise yang terjadi
pada pipa karena kerja pompa yang semakin berat.
2. Konstruksi Pompa
Berikut adalah gambar instalasi pompa DAP skala rumah tangga.
Gambar 3.7 Instalasi 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 kontinyu 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
36
3 Bearing untuk menumpu dan menahan beban dari
poros agar dapat berputar, baik berupa beban
radial maupun beban axial
1. Impeller
Berikut gambar impeler pompa DAP.
Gambar 3.8 Impeler pompa DAP (Dokumentasi)
37
Berdasarkan diagram DOE impeler diatas dapat dijelaskan bahwa saat
impeler 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.
Semakin besar debit air yang menumbuk impeler maka noise impeler
semakin tinggi. Semakin tinggi viskositas zat cair yang diputar impeler akan
menimbulkan noise yang tinggi pada impeler. Material-material lain yang
terkandung dalam air seperti logam, pasir, lumpur juga akan menimbulkan noise
yang tinggi pada impeler karena akan terjadi tumbukan antara impeler dan
material-material tersebut ketika impeler berputar. Gelembung-gelembung udara
yang timbul akibat tekanan fluida pada sisi hisap turun mendekati teknan uap dari
fluida akan menyebabkan terjadinya tumbukan antara impeler dan gelembung.
Jika keadaan ini terjadi pada waktu yang lama impeler akan menjadi rusak (patah)
sehingga impeler akan terjadi unbalance.
2. Poros
Berikut gambar poros pompa DAP.
38 DOE Poros
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
unbalance yang akan menimbulkan noise hal dapat terjadi karena beberapa sebab
40
Berdasarkan diagram DOE bearing diatas dapat dijelaskan bahwa saat
poros berputar ketika pompa beroperasi terdapat beberapa parameter yang
mempengaruhi noise yang terjadi pada bearing seperti : inner race bearing, ball
bearing, geometri bearing.
Pada saat bearing berputar ball bearing akan mengalami kontak langsung
dengan inner race yang akan menimbulkan gesekan dan jika kondisi tersebut
terjadi pada waktu yang lama, maka kedua komponen tersebut akan mengalami
keausan pada permukaannya sehingga akan menimbulkan noise. Parameter
geometri bearing yang menentukan frekuens noise yaitu diameter bola, jumlah
bola, diameter pitch dan sudut kontak.
3.8 Kerangka Konsep Pemodelan Numerik
Adapun kerangka konsep pemodelan numerik ini dapat dilihat seperti
ditunjukan pada gambar 3.11.
Gambar 3.11 Kerangka konsep pemodelan numerik
Permasalahan 1. Fenomena kebisingan pada pompa
Pengamatan
1. Data kebisingan yang ditimbulkan pompa secara simulasi
41
Ya Tidak
3.9 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian dimulai dari studi literatur, persiapan,
pengumpulan data, pengolahan data, analisa data dan kesimpulan, secara garis
besar dapat dilihat Gambar 3.12 diagram alir proses pelaksanaan sebagai berikut:
Desaign Of Experimental (DOE)
Masukan Parameter-Parameter
Membangun Model Empirik
Eksekusi Hasil Simulasi
Selesai Mulai
Membangun Model CAD
Membangun Model Numerik
42
Gambar 3.12 Diagram alir proses pelaksanaan
3.10 Setup Komputasi
3.10.1 Tahap Pre-Processing
Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum
pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, penentuan domain
dan pembuatan mesh (meshing).
1. Pembuatan Model
Pembuatan model pompa sentrifugal DAP dalam simulasi ini sesuai dengan
bentuk dan dimensi yang sebenarnya. Pembuatan model CAD dilakukan dengan
menggunakan perangkat lunak AutoCAD (Gambar 3.13).
Gambar 3.13 Pembuatan Model Pompa Sentrifugal DAP dengan Perangkat Lunak
AutoCAD (Dokumentasi)
2. Menentukan Domain Komputasi
Computational domain merupakan bidang batas simulasi yang akan
dipengaruhi oleh fluida di sekitar mesin. Domain komputasi ditentukan oleh
43
Gambar 3.14 Domain Komputasi (Dokumentasi)
3. Pembuatan Mesh
Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan
pembentukan mesh atau grid. Dalam penelitian ini element size pada mesh diatur
pada 0.01 m. Bentuk mesh dapat dilihat pada Gambar 3.15.
44
4. Menginput Properties Dari Domain
Pada bagian ini diinput data properties dari acoustic body yaitu udara
(Gambar 3.16). Properties udara yang diinput adalah massa jenis, cepat rambat
suara, viskositas, konduktivitas termal dan panas jenis. Data properties dari udara
diperoleh dari Tabel 3.1.
Gambar 3.16 Input properties domain (Dokumentasi)
5. Menginput Bidang Akustik
Pada bagian ini diinput bidang permukaan dari geometri akustik. Untuk
pengaturan lainnya digunakan pengaturan default seperti terlihat pada Gambar
3.17.
Gambar 3.17 Input tekanan akustik (Dokumentasi)
6. Mendefenisikan Eksitasi Gelombang Planar
Pada bagian ini dimasukkan pengaturan gelombang yang tereksitasi ke
45
atmosfir yaitu 101.325 Pa. Nilai rapat massa adalah nilai rapat massa udara yaitu
1,2041 kg/m3. Nilai cepat rambat suara pada udara adalah 343,24 m/s.
Gambar 3.18 Input data sumber gelombang akustik (Dokumentasi)
7. Mendefenisikan Kontrol Hamburan
Pada bagian ini dimasukkan pengaturan jenis hamburan dari gelombang.
Scattered Field Output diatur pada Scattered seperti terlihat pada Gambar 3.19.
Gambar 3.19 Input kontrol hamburan
3.10.2 Tahap Post-Processing
Pada tahap ini ditentukan hasil yang ingin didapatkan dari proses simulasi.
Untuk penelitian ini hasil yang ingin didapat dari simulasi adalah nilai SPL (sound
pressure level).
3.10.3 Menjalankan Simulasi
Setelah tahap post-processing dan solution telah selesai diatur, maka
simulasi dimulai (solve). Proses running simulasi merupakan tahap akhir dari
46 3.11 Diagram Alir Simulasi
Secara garis besar, proses simulasi akan dilaksanakan seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.20.
tidak
ya
Gambar 3.20 Diagram alir simulasi
Pembuatan geometri di AutoCAD
Proses import model pada ANSYS 15.0.
Proses meshing
Pendefenisian bidang batas
Solve
Plot kontur kebisingan
MULAI
SELESAI
