BAB 2 DASAR TEORI. Setiap kendaraan membutuhkan sesuatu yang menghasilkan

BAB 2 DASAR TEORI

2.1 Sistem Propulsi

Setiap kendaraan membutuhkan sesuatu yang menghasilkan gerak,sesuatu yang mendorong kendaraan tersebut dan memberikan percepatan. Sistem propulsi merupakan mekanisme penggerak pada setiap pesawat udara. Ada dua jenis sistem propulsi yang dipakai,yakni sistem penggerak propeler dan sistem penggerak jet expansi. Setiap sistem propulsi dihasilkan berdasarkan hukum ketiga Newton. Pada sistem propulsi,udara sebagai fluida kerja diakselerasikan oleh sistem, dan reaksi dari akselerasi atau percepatan ini menghasilkan gaya pada sistem yang disebut dengan thrust atau gaya dorong. Gaya yang bekerja pada sistem propulsi sebagaimana yang terlihat pada gambar 2.1 merupakan penerapan dari hukum kedua Newton.

Gambar 2.1. Defenisi gaya pada gerak pesawat

Dimana force atau gaya merupakan perubahan momentum berdasarkan perubahan waktu. Persamaan ini dapat diuraikan sehingga akan diperoleh persamaan gaya yang mengacu kepada hukum ke dua Newton

Diturunkan dari persamaan

F =

(2.1)

Dengan nilai massa yang konstan maka persamaan diatas dapat di ubah menjadi

F =

F = m .a (2.2)

2.1.1 Defenisi Propeler

Propeler berasal dari dua kata bahasa latin yakni Pro dan Pellere . Pro yang berarti di depan,dan pellere yang berarti untuk menggerakkan. Lebih jauh lagi menurut Shivell dalam bukunya fundamentals of flight, propeler adalah sekumpulan dari bilah atau “sayap” yang berputar, yang di orientasikan pada arah

dari resultan gaya angkat yang pada hakikatnya mengarah ke depan (Shivell, 1983).

2.1.2 Sejarah Perkembangan Teori Propeler

Penjelasan secara detail tentang teori bagaimana propeler bekerja sehingga menghasilkan thrust atau gaya dorong sangatlah rumit dan kompleks. Hal ini dikarenakan propeler merupakan sayap yang berputar dengan perubahan bentuk airfoil yang sulit untuk dianalisa. Teori propeler telah dikenal beberapa ratus tahun yang lalu oleh ilmuwan-ilmuwan pada masa itu. Beberapa teori yang telah dikenal diantaranya adalah teori momentum dan teori elemen bilah. Axial momentum theory diperkenalkan oleh William. J. M. Rankine pertama kali pada tahun 1865 dan mengalami beberapa perkembangan sampai disempurnakan oleh Betz pada tahun 1920 yang hingga sekarang lebih dikenal dengan General

Momentum Theory. Sedangka n teori elemen bilah klasik diteliti pertama kali oleh Lanchester pada tahun 1907 dan disempurnakan dengan Vortex-Blade Element Theory (Ardhianto, 2011)

2.1.3 General Momentum Theory

Teori ini mempelajari tentang gaya-gaya yang dihasilkan oleh propeler. Propeler dianggap sebagai sebuah piringan, dan udara melewati piringan piringan tersebut. Gaya dorong dihasilkan dari perubahan momentum dari aliran udara sebelum dan sesudah melewati piringan tersebut.

2.1.4 Vortex-Blade Element Theory

Teori ini adalah gabungan dari teori elemen bilah yang disempurnakan dengan vortex teory. Teori elemen bilah mempelajari tentang gaya-gaya di tiap-tiap bilah baling-baling dengan cara mem-breakdown bilah tersebut menjadi beberapa bagian. Tiap-tiap bagian dari bilah tersebut akan membentuk cincin dalam dua dimensi sehingga pada keadaan tiga dimensi akan membentuk tabung yang kemudian dihitung per bagian.

Teori elemen bilah disempurnakan dengan teori vortex. Teori vortex tersebut berdasarkan atas keberadaan tip vortex yang dihasilkan oleh ujung bilah yang berputar sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.2. Vorteks-vorteks tersebut lalu mengalir ke belakang membentuk lintasan berbentuk helikal. Konsep trailing edge vortices dan tip vortices pada propeler tersebut mirip dengan konsep-konsep pada finite wing. Hanya saja konsep ini dipakai untuk propeler dengan perubahan penampang serta perubahan sudur serang. Pada gambar 2.2

juga dapat menunjukkan bahwa penyederhanaan permasalahan dengan mengasumsikan aliran putaran hanya dihasilkan ujung bilah saja.

Gambar 2.2. Konsep vortex pada propeler

2.2 Airfoil

Airfoil merupakan suatu bentuk geometri yang dibuat untuk menghasilkan gaya angkat yang lebih besar dari gaya drag pada saat ditempatkan pada sudut tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil mempunyai bentuk ujung yang lancip untuk menjamin aliran udara sedapat mungkin sealiran (Clancy, 1975).

Airfoil dapat menghasilkan gaya angkat (lift) yang dibutuhkan untuk mempertahankan pesawat terbang tetap di udara. Untuk menghasilkan gaya angkat ini maka airfoil tersebut perlu terus bergerak di udara. Harus diingat pula bahwa kita tidak mungkin hanya mendapatkan lift saja, tanpa menghasilkan gaya hambat.

Gaya hambat ini harus diperkecil agar tenaga pendorong airfoil tidak mengalami hambatan yang besar. lift dan drag dipengaruhi oleh:

1. Bentuk airfoil

2. Luas permukaan airfoil

3. Pangkat dua dari kecepatan aliran udara 4. Kerapatan (densitas) udara

Persamaan untuk menghitung Lift dan Drag dapat dinyatakan dengan (Anderson,1999) (2.3) (2.4) Dimana : CL = Coefficient of Lift = Densitas Udara S = Kecepatan Udara CD = Coefficient of Drag 2.3 Suara

Suara merupakan perubahan tekanan yang bergerak sepanjang material dengan kecepatan yang bergantung kepada karakteristik material tersebut (Beranek, 2006). Gelombang suara pada fluida kebanyakan dihasilkan melalui permukaan zat padat yang bergetar di dalam fluida tersebut. Untuk mempermudah pemahaman terhadap proses terjadinya suara yang berkaitan dengan adanya permukaan zat padat yang bergetar dapat dilihat pada gambar 2.3.

Pada gambar 2.3, permukaan benda yang bergetar mengakibatkan fluida yang berdekatan dengan permukaan tersebut terkompresi. Kompresi ini 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 temperatur absolut.

c = (2.5)

dimana gc = fator konversi satuan = 1 kgm/N-s2 = spesfic heat ratio = cp/cv

= konstanta gas spesifik = 287 J/kg-K T = temperatur absolut ( K )

2.4 Kebisingan (Noise)

Noise atau bising merupakan suara atau bunyi yang tidak diinginkan keberadaannya (Harris,1957). 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. Karena sifat dari kebisingan adalah keberadaannya tidak diinginkan, maka ada usaha usaha yang dilakukan untuk meniadakan atau meminimalisir kebisingan tersebut. Konsep dari minimalisasi kebisingan tersebut terbagi kedalam noise reduction dan noise control.

Kebisingan dapat merambat melalui banyak jalur yang disebut sebagai path of noise yang secara skematik ditunjukkan pada gambar 2.4.

Gambar 2.4. Skema transmisi kebisingan

2.5 Tingkat Kebisingan

Untuk mempermudah penentuan nilai kebisingan, maka ada metode yang digunakan dengan menggunakan skala level atau tingkat kebisingan suara dalam satuan desibel (db) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level dan sound power level.

a. Sound Power level

Sound power level dapat di definisikan dalam persamaan

Lw = 10 log10 (db) (2.6)

Dimana W = Sound Power

Wreff = sound power referensi dengan standar 10-12 wattt b. Sound Pressure Level (SPL)

Hampir setiap pemikiran umum mendefenisikan kata desibel (db) dengan mengaitkan terhadap sound pressure level. Hal seperti ini telah menjadi suatu kesimpulan tersendiri bahwa apabila berbicara tentang

skala desibel berbarti merupakan suatu hasil perhitungan dari sound pressure level. Contoh contoh bentuk tingkat daya suara yang dihasilkan oleh sumber kebisingan ditunjukkan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya

Sound Souces (Noise) Sound Pressure Level Examples with distance (dB)

Jet Aircraft,50 m Away Threshold of pain 140 130 Threhold of discomfort Chainsaw,1 m distance 120 110 Disco, 1 m from speaker

Diesel truck, 10 m away

100 90 kerbside of busy road, 5 m

vacuum cleaner,1 m distance 80 70 conversational speech 1 m avarage home 60 50 quiet library

quiet bedroom at night

40 30 background in tv studio rustling leaves 20 10 threshold of hearing 0 (Sumber: http://www.sengpielaudio.com/TableOfSoundPressureLevels.htm) 2.6 Impedansi

Impedansi dapat diartikan sebagai gangguan yang terjadi pada proses propagasi dari suara. Hal ini dikarenakan sifat sifat yang dimiliki oleh media. Ada

tiga jenis impedansi yang lazim digunakan di dalam analisa akustik yakni (Barron, 2001):

1. Impedansi mekanis

Impedansi mekanis biasanya digunakan di dalam analisa akustik untuk menggambarkan beban radiasi akustik yang diberi oleh medium kepada permukaan yang bergetar.

2. Impedansi Akustik

Impedansi akustik merupakan properties akustik yang sangat berguna didalam menganalisa propagasi pada peralatan penyaring suara.

3. Impedansi akustik spesifik

Properties ini sangat penting didalam menggambarkan keadaan propagasi suara pada area terbuka atau luar ruangan dan secara terus menerus memotong diantara media. Satuan SI untuk impedansi akustik spesifik adalah Pa-s/m. kombinasi dari satuan ini secara khusus dinyatakan dengan satuan rayl sebagai penghargaan terhadapa Rayleigh yang telah menulis buku yang terkenal dalam bidang akustik, 1 rayl = 1 Pa-s/m.

Untuk gelombang akustik bidang, impedansi akustik spesifik adalah fungsi dari sifat sifat fluida saja. Impedansi akustik spesifik pada gelombang bidang disebut dengan impedansi karakteristik yang dirumuskan dengan:

=

(2.7)

2.7 Koefisien Attenuation

Attenuation atau bisa juga disebut dengan dissipasi energi akustik sebagai gelombang suara yang bergerak melewati media dapat disebabkan oleh tiga mekanisme dasar:

1. Efek viskositas,yaitu dissipasi yang terjadi berdasarkan gesekan fluida dimana secara termodinamika,propagasi dari gelombang suara bersifat irreversible.

2. Efek konduksi panas, yaitu terjadi akibat perpindahan panas antara temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah yang akan menghasilkan propagasi suara yang tidak adiabatis.

3. Efek relaksasi molekul energi,yaitu terjadi akibat perbahan tempat dari molekul internal energi yang mengakibatkan perlambatan waktu diantara perubahan energi kinetik translasi dengan energi yang berasosiasi dengan putaran dan getaran dari molekul.

Untuk semua jenis fluida kecuali gas monoatomik,ada batasan perlambatan waktu untuk perubahan energi putaran dan getaran molekul. Selama rentang waktu ini, gelombang akustik dapat bergerak melampaui molekul dan meninggalkan beberapa energi akustik dibelakang.

Attenuation berdasarkan penjumlahan dari dua buah mekanisme disipasi pertama yakni viskositas dan konduksi panas,dinamakan dengan clasical attenuation yang dapat ditulis dengan mengikuti persamaan:

classical = (2.8)

Sedangkan relaksasi clasical dapat dinyatakan dengan

classical = (2.9)

Secara teoritis yang diverifikasi secara experimen,dapat ditunjukkan bahwa koefisien attenuasi dapat ditulis dalam bentuk persamaan dari penjumlahan kontribusi perbagian dari attenuation tersebut

= classical + (2.10) Dimana adalah kontribusi dari setiap efek relaksasi energi yang bergetar yang dapat dinyatakan dengan

= (2.11)

Kuantitas dari ω = 2 .f , sedangkan adalah waktu relaksi yang terjadi ketika

energi mengalami getaran. Dan adalah harga limit dari kontribusi attenuation getaran.

Nilai dari berhubungan dengan spesific heat ratio

( )

untuk gas dan

kontribusi getaran terhadap panas spesifik

(c

vib

)

.

=

(2.12)

Vibrational spesific heat dapat dikalkulasi dari persamaan

= yj

(2.13)

Dimana yj merupakan fraksi mol dari gas, defenisi (j) sendiri merupakan variabel dari berbagai macam komponen campuran gas. merupakan konstanta yang

bergantung kepada gas. Untuk nitrogen dan oksigen, konstanta adalah :

(N2) = 3352K (2.14)

Waktu relaksasi untuk udara atmosfir sangat dipengaruhi oleh jumlah dari uap air yang terkandung di udara. Molekul O2 atau N2 bertubrukan dengan molekul H2O yang mana akan lebih mengakibatkan perubahan di dala energi vibrasi daripada ketika molekul molekul ini (O2 atau N2)saling bertabrakan atau bertabrakan dengan sesamanya. Untuk menyatakan estimasi dari watu relaksasi untuk oksigen dan nitrogen di udara atmosfir dapat mengikuti persamaan

= 24 + (4,41)(106)

h

(2.16)

=

[9 + (3,5)(104) h –F ]

.

(2.17)

F = 6,142

- 1

(2.18)

Tekanan referensi dan temperatur refernsi memiliki harga Pref = 101,325 kPa dan Treff = 293,16 K. nilai h adalah fraksi dari molekul yang berhubungan dengan relative humidity (RH) dinyatakan dalam bentuk desimal (sebagai contoh RH=0,2 untuk menyatakan RH = 20%). Dimana h dapat dinyatakan dengan

h = (RH).

(2.19)

dimana Psat adalah tekanan saturasi dari uap air pada suhu udara.

2.8 Sumber Noise Aerodinamis

Sumber noise pada komponen aerodinamis dapat didefinisikan sebagai bunyi yang ditimbulkan akibat efek langsung dari pergerakan relatif antara fluida

terhadap medium lingkungannya. Sumber sumber kebisingan ini merupakan gabungan dari kebisingan dalam skala periode dan kebisingan dalam skala acak dari sekumpulan perambatan kebisingan. Kebisingan aerodinamik yang terjadi dalam skala periodik cenderung lebih banyak hal yang mempengaruhinya.

Sumber noise pada komponen aerodinamis secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis

2.9 Noise pada Propeler

Pada pesawat terbang dengan propeler sebagai penggerak memiliki prilaku yang berbeda dibandingkan dengan turbofan atau turbojet sebagai pendorong. Pada pesawat yang menggunakan propeler, aliran kebisingan relatif menyebar, sedangkan pada turbofan atau turbo jet, telah memiliki cerobong pendorong yang berfungsi sebagai pendorong atau bisa dikatakan pengarah gaya dorong sehingga dapat juga dipergunakan sebagai pengarah kebisingan.

Noise yang bersumber dari propeler merupakan noise yang diakibatkan oleh konfigurasi dan kondisi operasi dari propeler. Struktur dan lokasi propeler yang menimbulkan noise disebabkan oleh getaran pada baling-baling dan aliran asimetrik yang terinduksi terjadi secara tidak normal.

Menurut Harris,Cyrill M didalam bukunya Handbook of Noise Control, menyebutkan bahwa noise dari propeler yang menggerakkan pesawat terbagi menjadi dua jenis sumber bising yang utama.

Yakni kebisingan yang bersumber dari motor penggerak dan kebisingan yang bersumber dari propeler itu sendiri.

Kebanyakan dari orang orang yang belum mendalami permasalahan kebisingan pada propeler pesawat selalu beranggapan bahwa kebisingan itu disebabkan oleh adanya suara motor yang berisik. Padahal dari kondisi praktik, kebisingan yang diakibatkan oleh propeler merupakan sumber kebisingan yang paling penting yang secara umum melampaui kebisingan yang dihasilkan oleh motor penggerak (Harris, 1957).

Propeler yang berputar dapat menghasilkan kebisingan melalui tiga Noise generation mechanisme yang berbeda. Yang pertama dihasilkan melalui bending vibration dari bilah propeler. Dikatakan oleh Harris, Cyril bahwa kebisingan yang dihasilkan oleh bending vibration ini tidak begitu penting karena tidak begitu mempengaruhi total kebisingan pada kenyataannya.

Yang kedua dan mekanisme penghasil kebisingan yang paling penting adalah noise dari rotasi propeler yang dihasilkan oleh tekanan bidang yang mengelilingi setiap blade sebagai konsekuensi dari setiap pergerakannya. Keadaan ini sangat dipengaruhi oleh sudut dari blade atau bilah propeler dan chamber pada airfoil.

Noise generation mekanisme yang ketiga adalah kebisingan yang dihasilkan oleh vortex noise yang dihasilkan oleh vortisitas udara pada aliran lintasan baling yang terkumpul pada bilah propeler selama perputaran. Vortisitas juga terjadi sebagai akibat dari adanya pembentukan aliran udara setalah melewati profil airfoil dari propeler.

Secara skematik, penjabaran tentang mekanisme pembentukan kebisingan dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Noise Generation Mechanisme pada propeler

Perhitungan level kebisingan pada mekanisme Presure field merupakan perhitungan berdasarkan laju aliran volumetrik dan tekanan fluida yang terjadi pada permukaan bilah propeler. Sound power level untuk setiap oktav band dapat di estimasikan dengan mengikuti korelasi Graham (Barron,Randall F. 2001).

Lw = Lw(B) + 10 log10 + 20 log10 + BT (2.20)

Dimana Lw(B) = basic sound level (diperoleh dari tabel Q = laju aliran volumetric

P = tekanan melalui Propeler P0 = tekanan referensi = 248,8 Pa

BT = Blade tone komponen (diperoleh dari table 2.2)

Setiap baling baling menghasilkan bunyi (tone) berdasarkan Blade pass frequency (BPF) yang di peroleh dari persamaan

BPF = Nb x (2.21)

Diman Nb adalah jumlah bilah propeler.

(Sumber: Baron, 2001)

Karena propeler pesawat beroperasi ketika pesawat terbang di udara, maka noise yang dihasilkan pada kondisi kerja propeler tergolong kedalam jenis transmisi outdoor. untuk menghitung level tekanan suara tersebut dapat di peroleh dari persamaan (Barron, 2001)

Dimana DI = directivity index

r = jarak penentuan tingkat tekanan suara m = 2 dimana = koefisien energi attenuation = Karakteristik impedansi

2.10 Disain Propeler untuk Noise Reduction

Mendisain propeler rendah bising merupakan sebuah kajian khusus yang sangat kompleks. Dimana perhitungan aerodinamika harus diselaraskan dengan perhitungan kebisingan. Disain dari aerodinamika sendiri memiliki cakupan yang sangat luas,akan tetapi pada pembahasan kali ini permasalahan aerodinamika ketika mendisain propeler akan diuraikan sesederhana mungkin.

Secara umum, beberapa parameter yang mempengaruhi kebisingan yang disebabkan oleh propeler adalah sebagai berikut:

1. Geometri dasar pembentuk propeler (airfoil) 2. Diameter propeler

3. Jumlah blades tiap prpeller

4. RPM atau kecepatan ujung propeler

5. Ketajaman/kekasarn perubahan bentuk bilah propeler 6. Sudut puntir bilah propeler

7. Kecepatan pesawat 8. Jumlah propeler 9. Material propeler

Sebagaimana disebutkan sebelumnya bahwa secara umum propeler yang berputar akan memberikan tiga macam kebisingan yakni:

2. Bising yang disebabkan oleh turbulensi dan voteks udara

3. Bising yang disebabkan karena adanya presure field disekitar tiap tiap blade akibat pergerak dan perputaran bilah propelernya

Aspek disain yang mempengaruhi bising yang disebabkan oleh bergetarnya bilah propeler adalah modulus elastisitas bahan dan masa jenisnya. Hal ini disebabkan kebisingan yang diakibatkan bergetarnya bilah propeler sangat dipengaruhi oleh cepat rambat suara pada bilah tersebut. Dimana cepat rambat suara pada benda padat dinyatakan dengan persamaan

c

pdt

=

(2.23)

dimana cpdt = Cepat rambat pada zat padat (m/s) E = Modulus young (Pa)

= Massa jenis zat (kg/m3)

Sehingga untuk permasalahan reduksi kebisingan yang diakibatkan oleh getaran pada bilah propeler (bending vibration) sangat bergantung pada pemilihan materialnya. Bersamaan dengan penelitian ini juga tengah dikembangkan penelitian material dari campuran Al-Mg. pemilihan campuran Mg disebabkan oleh karakteristik material Mg yang ternyata memiliki kemampuan yang sangat baik dalam menyerap suara. Lebih jauh lagi bahwa pengembangan dari segi kajian material untuk propeler ini yang tengah dikembangkan adalah material dengan porositas didalamnya.

Aspek disain selanjutnya yang perlu diperhatikan untuk mereduksi kebisingan yang diakibatkan oleh adanya turbulensi dan vorteks udara. Yakni dengan memperhatikan airfoil sebagai geometri dasar pembentuk airfoil. Aspek

disain ini perlu menguji beberapa jenis airfoil yang memiliki tingkat turbulensi dan vortisitas yang rendah akan tetapi tetap memiliki unjuk kerja aerodinamis yang tinggi.

Sedangkan aspek disain untuk mereduksi kebisingan yang disebabkan oleh mekanisme pressure field yang diakibatkan gerakan perputaran propeler sangat erat kaitannya dengan sudut puntir serta kekasaran perubahan bentuk geometri hasil disain yang dimiliki oleh bilah propeler. Sudut puntir ini akan berpengaruh terhadap tekanan dinamis fluida yang berputar seiring dengan perputaran bilah propeler.

Sedangkan kekasaran perubahan bentuk akan meningkatkan tekanan dinamis parsial yang ada di dekat bilah propeler. Oleh karena itu sangat penting memperhatikan kelembutan perubahan bentuk penampang dari propeler.

2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD) 2.11.1 Defenisi CFD

CFD adalah singkatan dari Computational Fluid Dynamics, yang jika diterjemahkan kedalam bahasa Indonesia adalah Perhitungan Dinamika Fluida. Bagi engineer perhitungan dinamika fluida dilakukan untuk mendapatkan medan kecepatan dan distribusi tekanan. Karena dengan mengetahui kedua hal ini maka perhitungan lanjutan seperti perhitungan gaya, perpindahan panas dan lain lain dapat dilakukan. Parameter-parameter ini diperlukan untuk keperluan analisa, evaluasi, atau disain suatu struktur yang melibatkan fluida.

2.11.2 CFD dan Noise

Computational Fluid Dynamic bukanlah metode yang dapat menyelesaikan permasalahan permasalahan Aerocoustic secara langsung. Akan tetapi,sehubungan dengan Noise generation Mechanisme pada Airborne berupa

turbulensi dan pressure field, maka CFD merupakan salah satu jalan untuk memprediksi sumber kebisingan melalui pola laju aliran fluida dengan mengetahui parameter parameter alirannya.

Parameter parameter aliran yang diperoleh dari hasil komputasi CFD inilah yang kemudian akan dimasukkan kedalam persamaan persamaan kebisingan. Sehingga pada dasarnya analisa kebisingan yang dilakukan dengan CFD dapat dikatakan semi penyelesaian. Namun keadaan ini sudah cukup memenuhi kebutuhan dalam analisa tersebut.

Untuk melakukan analisa kebisingan dengan komputasi secara menyeluruh dari awal hingga akhir, maka dibutuhkan software khusus untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Alur dari analisa kebisingan dapat ditunjukkan pada gambar 2.7.