POLA RESONANSI LOKAL PADA PEREDAM BUNYI DENGAN INKLUSI SONIK KRISTAL BERBENTUK TABUNG
Disusun Oleh:
MUSTIKA CAHYA FITRIANI M0212054
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS ILMU MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA November, 2016
ii
POLA RESONANSI LOKAL PADA PEREDAM BUNYI DENGAN INKLUSI SONIK KRISTAL BERBENTUK TABUNG
Disusun Oleh:
MUSTIKA CAHYA FITRIANI M0212054
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS ILMU MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA November, 2016
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Pola Resonansi Lokal Pada Peredam Bunyi Dengan Inklusi Sonik Kristal Berbentuk Tabung
Yang ditulis oleh Nama NIM
: :
Mustika Cahya Fitriani M0212054
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada Hari Tanggal : : ... ... Dewan Penguji 1. Ketua Penguji
Dr. Fahru Nurosyid, S.Si.,M.Si. NIP.197210132000031002 2. Sekretaris Penguji
Dra. Riyatun, M.Si
NIP.196802261994022001 3. Anggota Penguji I Drs. Harjana, M.Si, M.Sc, Ph.D. NIP.195907251986011001 4. Anggota Penguji II Ubaidillah, S.T, M.Sc.,Ph.D. NIP.198408252010121004 ... ... ... ...
Disahkan pada tanggal ... Oleh
Kepala Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Fahru Nurosyid S.Si., M.Si NIP. 197210132000031002
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual dari penelitian saya dengan judul “POLA RESONANSI LOKAL PADA PEREDAM BUNYI DENGAN INKLUSI SONIK KRISTAL BERBENTUK TABUNG” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi penelitian orang lain maupun telah dipublikasikan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi Negeri lainnya kecuali yang tertulis dalam daftar pustaka dalam Skripsi ini dan ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau diperbanyak secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta,25-11-2016
v
HALAMAN MOTTO
“Educating the mind without educating the heart is no educating at all.” (Aristotle)
“Anyone who has never made a mistake has never tried anything new.” (Einstein)
“Dimanapun engkau berada selalulah menjadi yang terbaik dan berikan yang terbaik dari yang bisa kita berikan.”
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Karya ini dipersembahkan kepada orang tua, teman, anggota lab. iARG dan semua yang membaca karya ini
vii
POLA RESONANSI LOKAL PADA PEREDAM BUNYI DENGAN INKLUSI SONIK KRISTAL BERBENTUK TABUNG
MUSTIKA CAHYA FITRIANI
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Penelitian ini berfokus pada pengujian laboratorium dari sampel peredam bunyi dengan inklusi sonik kristal berbentuk tabung. Kajian mengenai sampel tersebut bertujuan untuk mempelajari karakteristik redaman sampel pada bentang frekuensi rendah hingga medium (150-1600 Hz). Pengujian koefisien serap bunyi dan intensitas bunyi menggunakan metode tabung impedansi 2 dan 4 mikrofon dari B&K 4206 dengan standar ASTM E-1050. Sampel peredam merupakan bahan nonwoven berupa felt. Pada permukaan sampel felt diberikan lapisan aquaproof. Lapisan ini meningkatkan koefisien serap bunyi felt yaitu semula 0,21 menjadi 0,76 pada frekuensi 930 Hz, dikarenakan adanya mekanisme elastis membran. Pemberian sonik kristal berupa tabung pada permukaan felt akan meningkatkan koefisien serap bunyi dari 0,76 pada frekuensi 930 Hz menjadi 0,9 pada frekuensi 600 Hz, dikarenakan setiap unit tabung sonik kristal berperilaku sebagai resonator Helmholtz. Hasil dari pengujian adalah sonik kristal memiliki mekanisme resonansi lokal dari resonator Helmholtz, efek hamburan yang kuat, serta multi resonansi dengan sampel peredam.
viii
THE PATTERN OF THE LOCAL RESONANCE IN SOUND ABSORBER WITH SONIC CRYSTAL INCLUSION OF TUBULAR
MUSTIKA CAHYA FITRIANI
Physics Department, Faculty of Mathematic and Natural Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT
This study focused on laboratory testing of absorber by using sonic crystal tubular inclusion. The study of the sample aimed at studying absorption characteristics of the sample at the low - medium frequency band (150-1600 Hz). The sound absorption coefficient and the sound intensity test are using the impedance tube method two and four microphones of B & K 4206 with ASTM E-1050 standards. The Absorber uses a nonwoven material such as felt. The felt surface given aquaproof layer. This layer increases the sound absorption coefficient of the felt that before had 0.21 into 0.76 at a frequency of 930 Hz, and it is because of the elastic membrane mechanism. Given sonic crystal tubular on the felt surface improved the sound absorption coefficient of 0.76 at a frequency of 930 Hz becomes 0.9 at a frequency of 600 Hz, it is because each unit tube of the sonic crystal behaves as a Helmholtz resonator. The test result was sonic crystals had local resonance mechanism of the Helmholtz resonators, a strong scattering effect, and multi-resonance with absorber.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW sebagai pembimbing seluruh umat manusia.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “POLA RESONANSI LOKAL PADA PEREDAM BUNYI DENGAN INKLUSI SONIK KRISTAL BERBENTUK TABUNG”. Terselesaikannya skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi penulis. Setelah hampir satu tahun penulis harus berjuang untuk menuntaskan Skripsi ini. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis mengucapkan terimakasih. Atas bantuan yang begitu besar selama proses Skripsi ini, ucapan terimakasih secara khusus penulis sampaikan kepada:
1. Bapak Harjana selaku Dosen Pembimbing I atas saran dan masukan positif untuk menunjang kesuksesan penulis selama proses studi hingga memperoleh gelar sarjana.
2. Bapak Ubaidillah selaku Dosen Pembimbing II atas bimbingan, bantuan dan dukungan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Iwan Yahya selaku kepala lab iARG dan pendidik, yang dengan sangat sabar dan ikhlas selalu membantu penulis dalam setiap kesulitan, memberikan dukungan serta motivasi, memberikan banyak pengalaman yang sangat berkesan dan berarti, juga sebagai sandaran inspirasi bagi setiap anak didiknya.
4. Bapak Fahru dan Ibu Riyatun selaku Dosen Penguji I dan II atas saran dan masukkan secara detail pada penulis dalam penulisan skripsi ini.
5. Kedua orang tua penulis Bapak Dasa Srimulyono dan Ibu Nanik Chomaryani, serta adik penulis Hanggaresa Cahya Farizqi, yang selalu senantiasa bersabar, menberikan doa dan memberikan semangat kepada penulis.
6. Restu Kristiani yang telah membatu, memberikan semangat dan ide-ide kepada penulis.
x
7. Keluarga iARG, atas semangat dan keceriaan yang telah diberikan kepada penulis.
8. Agfa Herison, yang selalu senantiasa memberikan motivasi dan bantuannya kepada penulis.
9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu demi satu yang selalu mendukung penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
Surakarta, 25-11-2016
xi PUBLIKASI
No. Judul Penulis Jenis Publikasi
1. Sound Absorption
Enhancement of
Nonwoven Felt by Using Coupled Membrane - Sonic Crystal Inclusion
Mustika C. Fitriani, Iwan Yahya, Harjana, Ubaidillah, Farri Aditya, Yusniar Siregar, Moekarto Moeliono, Sony Sulaksono The 8TH International Conference on Physics and Its Application (ICOPIA) 2016.
2. Attenuation of
Multilocal Resonant Coupled Cylindrical-shaped Sonic Crystal with Various Slit Position and Axis Orientation Angle
Restu Kristiani, Iwan Yahya, Harjana, Suparmi, Mustika Cahya Fitriani Engineering Physics International Conference (EPIC) 2016.
3 Analisis Kinrja Akustik
Komposit Limbah Serbuk Bambu dengan Bahan Perekat Tepung Sagu M.C. Fitriani, R. Kristani, E. Muqowi, I. Yahya, Harjana Prosiding, Seminar Nasional Bamboo Bienale 2014.
xii DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ... HALAMAN PENGESAHAN ... HALAMAN PERNYATAAN ... HALAMAN MOTTO ... HALAMAN PERSEMBAHAN ... HALAMAN ABSTRAK ... HALAMAN ABSTRACT ... KATA PENGANTAR ... HALAMAN PUBLIKASI ... DAFTAR ISI ... DAFTAR TABEL ... DAFTAR GAMBAR ... DAFTAR SIMBOL... DAFTAR LAMPIRAN... i iii iv v iv vii viii ix xi xii xv xvi xix xx BAB I BAB II PENDAHULUAN ... 1.1. Latar Belakang ... 1.2. Batasan Masalah ... 1.3. Perumusan Masalah ... 1.4. Tujuan Penelitian ... 1.5. Manfaat Penelitian ... TINJAUAN PUSTAKA... 2.1. Bunyi ... 2.2. Gelombang Bunyi ... 2.3. Interaksi Gelombang Bunyi pada Medium ... 2.3.1. Pemantulan ... 2.3.2. Penyerapan ... 2.3.3. Transmisi ... 2.3.4. Hamburan ... 1 1 3 4 4 5 6 6 6 9 9 10 11 11
xiii BAB III BAB IV 2.4. Material Akustik ... 2.4.1. Material Penyerap ... 2.4.2. Material Penghambur ... 2.5. Material Non-woven ... 2.6. Resonator Helmholtz ... 2.7. Mekanisme Akustik Pada Peredaman ... 2.8. Metode Tabung Impedansi Dua Mikrofon (Two Microphone Impedance Tube Method) ... 2.9. Metode Tabung Impedansi Empat Mikrofon (Four Microphones Impedance Tube Method)... 2.10. Metamaterial ... 2.11. Phononic Crystal ... 2.12. Sonik Kristal... 2.13. Kristalografi ... 2.14. Resonansi Lokal pada Metamaterial... 2.15. Atenuasi Bunyi ... METODE PENELITIAN ... 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... 3.2. Alat dan Bahan ... 3.2.1. Alat ... 3.2.2. Bahan ... 3.3. Prosedur Penelitian ... 3.3.1. Persiapan Alat dan Bahan ... 3.3.2. Pembuatan Sampel ... 3.3.3. Pengujian ... 3.3.4. Analisa ... HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 4.1. Elektro – Akustik Pada Sonik Kristal ... 4.1.1. Sampel Sonik Kristal dengan Resonator Helmholtz
Satu Leher ... 4.1.2. Sampel Sonik Kristal dengan Resonator Helmholtz
12 12 13 14 14 15 17 18 20 21 22 23 25 25 26 26 26 26 26 28 28 29 32 33 34 34 34
xiv BAB V
Dua Leher... 4.1.3. Sampel Kisi Sonik Kristal dengan Resonator
Helmholtz Satu Leher... 4.1.4. Sampel Kisi Sonik Kristal dengan Resonator
Helmholtz Dua Leher... 4.2. Sampel Peredam Felt dengan Aquaproof... 4.3. Sampel Sonik Kristal...
4.3.1. Perbandingan Variasi Tabung... 4.3.2. Penambahan kisi... 4.3.3. Perbandingan Jarak kisi... 4.4. Sampel Peredam dengan Inklusi Sonik Kristal... 4.5. Koefisien Transmisi dan Atenuasi Bunyi... PENUTUP ... 5.1. Kesimpulan ... 5.2. Saran ... 34 35 36 37 39 39 42 44 46 48 52 52 53 DAFTAR PUSTAKA ... LAMPIRAN ... 54 57
xv DAFTAR TABEL Halaman Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel 3.1. Variasi Tabung ... 3.2. Variasi Kisi ... 3.3. Variasi Jarak Antara Tabung ... 3.4. Variasi Sampel Non-woven Inklusi Sonik Kristal ... 4.1. Koefisien serap bunyi penambahan jarak pada sampel A..
29 30 30 31 46
xvi DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar
2.1. Tekanan dan Peregangan Partikel Fluida... 2.2. Interaksi Gelombang Melalui Bidang Batas Dua Medium 2.3. Gejala refleksi, transmisi dan absorpsi... 2.4. Scattering... 2.5. Material Berpori... 2.6. Membran Absorber... 2.7. Material Penghambur ... 2.8. Resonator Helmholtz Sederhana Digambarkan dengan a) Gelombang Bunyi b) Gaya Mekanik... 2.9. Analogi Komponen Akustik, Dengan Sistem Listrik Dan
Sistem Mekanik ... 2.10. (a) Resonator Helmholtz dengan Material Peredam dan
(b) analogi listriknya (Blauert & Xiang, 2009)... 2.11. Set-Up Tabung Impedansi Dua Mikrofon ... 2.12. Set-Up Tabung Impedansi Empat Mikrofon ... 2.13. (a) Susunan Silinder Secara Persegi, (b) Sifat dari Silinder Secara Mekanik, (c) Rangkaian Resonansi LC.... 2.14. Ilustrasi dari Refraksi Negatif, a) keadaan normal dan b)
terjadi refreksi negatif... 2.15. Phononic Crystal... 2.16. Dua Buah Silinder Dikenai Gelombang Datang, a)
Normal, dan b) Penambahan Jarak Silinder... 2.17. Struktur Ideal Kristal ... 2.18. Struktur Ideal Kristal Berdasarkan Teori Pengelompokan
2.19. 5 Daerah Kisi Bravais 2-Dimensi (a) Square, (b) Oblique, (c) Rectangular, (d) Centered Rectangular dan (e) Hexagonal... 2.20. Ilustrasi dari Arah Titik Kisi (Titk Hitam), Titik Kisi
7 9 10 12 12 13 13 15 16 17 18 19 20 21 21 22 23 23 24
xvii Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar
Timbal Balik (Titik Abu) dan Arsiran Merupakan Daerah Indikasi Daerah Timbal Balik... 2.21. Ilustrasi dari Peran Resonansi pada Metamaterial... 3.1. Flowchart Prosedur Penelitian ... 3.2. Variasi Tabung ... 3.3. Susunan Sonik Kristal Variasi Kisi... 3.4. Susunan Tabung 2x2 dengan Jarak d... 3.5. Skema Sampel Peredam... 3.6. Felt (nonwoven) dan Sampel Peredam Inklusi Sonik Kristal Berbentuk Tabung... 3.7. Konfigurasi Pengujian Tabung Impedansi Dua Mikrofon. 3.8. Konfigurasi Pengujian Intensitas Bunyi...
4.1. Analogi Elektroakustik pada Sonik Kristal dengan Resonator Helmholtz Satu Leher... 4.2. Analogi Elektroakustik pada Sonik Kristal dengan Resonator Helmholtz Dua Leher... 4.3. Analogi Elektroakustik pada Sampel Kisi Sonik Kristal
dengan Resonator Helmholtz Satu Leher... 4.4. Analogi Elektroakustik pada Sampel Kisi Sonik Kristal
dengan Resonator Helmholtz Dua Leher... 4.5. Koefisien Serap Bunyi pada Material Felt dan Felt dengan Penambahan Aquaproof... 4.6. Koefisien Serap Bunyi pada Masing-Masing Variasi
Tabung Sonik Kristal... 4.7. Koefisien Serap Bunyi Pengaruh Perubahan Ketinggian Lubang... 4.8. Koefisien Serap Bunyi Pengaruh Penambahan Lubang
(a) pada Sampel A dan C, dan (b) pada sampel B dan D... 4.9. Koefisien Serap Bunyi Perbandingan Posisi Kedua Lubang... 24 25 28 29 30 30 31 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 40 42
xviii Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar
4.10. Koefisien Serap Bunyi Penambahan Kisi (a) pada Sampel A dan (b) pada sampel B... 4.11. Koefisien Serap Bunyi Penambahan Kisi (a) pada Sampel C dan (b) pada sampel D... 4.12. Koefisien Serap Bunyi Penambahan Jarak Antar Struktur Pembentuk Sonik Kristal (a) sampel A, (b) sampel B, (c) sampel C, dan (d) sampel D... 4.13. Koefisien Serap Bunyi Peredam Bunyi Inklusi Sonik
Kristal (a) sampel A, (b) sampel B, (c) sampel C, dan (d) sampel D... 4.14. Koefisien serap bunyi peredam bunyi inklusi sonik
kristal pada masing-masing variasi tabung... 4.15. (a) Koefisien Transmisi dan (b) Atenuasi Bunyi sonik kristal 2x2 dan 4x4 pada sampel A... 4.16. (a) Koefisien Transmisi dan (b) Atenuasi Bunyi sonik kristal 2x2 dan 4x4 pada sampel B... 4.17. (a) Koefisien Transmisi dan (b) Atenuasi Bunyi sonik kristal 2x2 dan 4x4 pada sampel C... 4.18. (a) Koefisien Transmisi dan (b) Atenuasi Bunyi sonik kristal 2x2 dan 4x4 pada sampel D...
43 44 45 47 48 49 49 50 51
xix DAFTAR SIMBOL : Simpangan : Waktu : Kecepatan sudut
: Kecepatan gelombang bunyi : Kecepatan gelombang menjalar : Amplitudo : Bilangan gelombang : Frekuensi : Impedansi di permukaan : Impedansi di udara : Impedansi Akustik : Tekanan Akustik
: Tekanan bunyi terefleksi : Tekanan bunyi datang : Tekanan bunyi di udara : Rapat massa
: Rapat massa udara : Koefisien refleksi
: Intensitas dari gelombang bunyi : Intensitas dari gelombang datang : Intensitas dari gelombang pantul : Intensitas dari gelombang transmisi : Intensitas dari gelombang terserap : Koefisien Serap bunyi
: Koefisien Transmisi bunyi : Koefisien Serap bunyi spekular : Luas permukaan
: Volume
: Perubahan volume per waktu : Massa akustik
: Konstanta pegas akustik : Resistansi peredaman akustik : Bilangan imajiner : Kecepatan partikel : Posisi, perpindahan : Gaya
xx
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran
Lampiran
1. Data hasil pengujian ... 2. Gambar Sampel...
57 60
