PENGUKURAN POROSITAS BATUAN DENGAN METODE ULTRASONIK
OLEH
Ni Komang Tri Suandayani, SSi. MSi
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA
TAHUN 2016
Lembar Pengesahan
PENGUKURAN POROSITAS BATUAN DENGAN METODE ULTRASONIK
Mengetahui Penulis Dekan Fakultas MIPA UNUD
Drs Ida Bagus Made Suaskara, MSi Ni Komang Tri Suandayani, SSi.MSi NIP 196606111997021001 NIP 197017121996032001
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 kualitas beton.
- 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.
Gambar 1. Diagram blok dari pengukuran kecepatan
Di bawah ini membahas beberapa metode untuk mengukur kecepatan gelombang ultrasonic, yaitu:
1. Metode pantulan pulsa 2. Metode sing-around 3. Metode superposisi 4. Metode tumpang tindih
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
` V = 2.1
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. 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 = (2.2) Ini berarti kecepatan yang akan diukur adalah :
V = = LF (2.3)
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.
2.3. 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 (2.4)
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 + (2.5) 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 + (2.6)
P2 = p T + (2.7) Maka dapat ditentukan harga n, yaitu :
n =
(2.8)
Kemudian kecepatan dapat dihitung dari
V =
(2.9)
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 = (2.10) 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 = (2.11)
T = (2.12) Dari kedua persamaan diatas akan diperoleh :
n = (2.13) Sehingga :
T = (2.14) Dengan demikian kecepatan dapat dihitung :
V = 2 L (f2 – f1 ) (2.15)
BAB III- PEMBAHASAN
Pada bagian inio dibahas beberapa hal mengenai kesalahan-kesalahan yang mungkin dapat terjadi dan usaha –usaha yang dapat dilakukan untuk menanggulanghinya.
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 spektro
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).
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
