Agung B.S.U, Ikhsan Setiawan Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada Yogyakarta

OPTIMALISASI POSISI STACK BERPORI LINGKARAN PADA SISTEM TERMOAKUSTIK RESONATOR TERBUKA

Eko Nursulistiyo

Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Ahmad Dahlan, Yogyakarta Jurusan Pendidikan Fisika, Universitas Ahmad Dahlan, Yogyakarta

Kampus III, Jl. Prof. Dr. Soepomo, SH, Yogyakarta 55164 e-mail : wajah_rembulan@yahoo.com

Agung B.S.U, Ikhsan Setiawan

Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada Yogyakarta

Telah dilakukan penelitian mengenai posisi stack berpori lingkaran pada resonator terbuka. Resonator terbuka didapatkan melalui percobaan variasi panjang kepala resonator agar resonator bersifat seperti resonator terbuka. Didapatkan panjang kepala resonator minimum agar resonator bersifat bersifat seperti resonator terbuka adalah 35 cm. Stack berpori lingkaran berbahan plastik berdiameter 3,61  0,05 mm (sedotan air mineral kemasan gelas) digunakan untuk mengetahui posisi optimum stack pada resonator terbuka.

Resonator terbuka dengan panjang resonator 70 cm dan panjang kepala resonator 35 cm mempunyai posisi optimum pada jarak stack 25 cm dan 45 cm dari sumber bunyi. Posisi stack 45 cm menghasilkan beda suhu 17,4 C pada frekuensi 240 Hz. Sedangkan posisi stack 25 cm menghasilkan beda suhu 12,8C pada frekuensi 239 Hz. Ternyata pada resonator terbuka juga terjadi proses termoakustik seperti pada resonator tertutup. Perbedaanya terletak pada frekuensi resonansi dan posisi stack optimumnya. Arah transfer kalor selalu menuju ke tekanan yang lebih tinggi.

Kata kunci : stack berpori lingkaran, resonator terbuka, posisi stack, perbedaan suhu. I. Pendahuluan

Bunyi sebenarnya adalah osilasi-osilasi tekanan, gerak, dan suhu. Dalam penjalarannya bunyi memerlukan medium yaitu benda padat, benda cair, maupun gas. Pada medium gas, bunyi berupa osilasi tekanan gas dan gerak molekul/atom gas tersebut. Osilasi tekanan ini apabila terjadi pada kanal-kanal kecil akan menyebabkan kalor mengalir ke dan dari dinding-dinding kanal. Gabungan dari semua osilasi ini menghasilkan fenomena yang disebut sebagai efek termoakustik.

Termoakustika sebenarnya adalah suatu tema atau bidang yang berkaitan dengan fenomena fisis dimana perbedaan suhu dapat menyebabkan bunyi (gelombang akustik), atau sebaliknya bunyi dapat menghasilkan perubahan suhu. Termoakustik

merupakan konversi aliran energi dan aliran panas (Biwa, 2004)1.

Pada prinsipnya banyak sekali potensi aplikasi yang dapat dihasilkan dari fenomena termoakustik. Piranti termoakustik dapat digunakan sebagai pendingin keping elektronik. Piranti termoakustik dapat juga digunakan sebagai pengganti pendingin konvensional yang menggunakan freon atau CFC. Adapun keunggulan teknologi termoakustik ini antar lain :  Medium kerja ramah lingkungan yaitu udara atau gas mulia.

 Bahan yang digunakan sederhana dan mudah ditemukan dalam jumlah besar.

 Memiliki reabilitas tinggi.

 Kontrol gerakan dan kebisingan mudah dilakukan.

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 45 Sampai saat ini penelitian

tentang piranti termoakustik masih dilakukan. Pada penelitian ini resonator yang digunakan adalah pipa organa terbuka, dengan sejumlah volume udara pada salah satu ujungnya. Stack yang digunakan dalam penelitian ini memiliki pori berbentuk lingkaran dan berbahan dari plastic. Bentuk gelombang dalam resonator terbuka dan resonator tertutup berbeda, sehingga dapat diduga bahwa terdapat juga perbedaan pada posisi optimum stack dan beda suhu maksimumnya.

Penelitian ini memiliki batasan penyelidikan mengenai posisi optimum

stack yang menghasilkan beda suhu

maksimum pada resonator terbuka dengan diameter 4,6 cm dan panjang resonator 70 cm yang dihubungkan dengan sebuah kepala resonator pada ujungnya (diameter 8,6 cm). Stack yang digunakan termasuk kategori stack pori sejajar yang berbahan dari plastik dengan diameter (3,61  0,05) mm.

Stack ini diperoleh dari sedotan air

mineral kemasan gelas.

Sebelumnya, dilakukan percobaan variasi panjang kepala

resonator untuk mengetahui panjang minimum kepala resonator agar resonator bersifat seperti resonator terbuka. Panjang minimum kepala resonator yang membuat resonator bersifat seperti resonator terbuka ini kemudian dipakai untuk mengetahui posisi optimum stack yang menghasilkan beda suhu maksimum. Akan diamati pula arah transfer kalor pada proses termoakustik resonator terbuka.

1. Menentukan panjang minimum kepala resonator agar resonator bersifat seperti resonator terbuka.

2. Mengamati arah transfer kalor pada proses termoakustik resonator terbuka. 3. Menentukan posisi optimum stack pada resonator terbuka yang

menghasilkan beda suhu yang maksimum.

Manfaat dari penelitian ini antara lain:

1. Menambah pengetahuan dan wawasan mengenai fenomena yang terjadi pada piranti termoakustik.

2. Memperoleh informasi tentang proses termoakustik pada pompa kalor termoakustik yang menggunakan resonator terbuka.

3. Memberikan informasi tentang posisi optimum stack dalam resonator terbuka pada piranti termoakustik.

4. Memperkenalkan dan mengembangkan teknologi sederhana

berbasis termoakustik yang berguna bagi masyarakat luas.

II. Dasar Teori

Teknologi termoakustik merupakan teknologi baru yang dirintis

oleh para peneliti di Los Alamos

National Laboratory for United state Departement of Energy. Swift (1988)9

melakukan penelitian tentang fenomena termoakustik dan diperoleh bentuk resonator termudah yang dapat dibuat piranti termoakustik adalah berbentuk silinder. Dan kemudian banyak penelitian yang dilakukan baik oleh Swift sendiri maupun oleh peneliti lainya.

Tijani10 (2001) telah

mendemonstrasikan proses termoakustik dengan menggunakan

stack berbahan sedotan minuman

dengan diameter 2 mm. Demonstrasi ini menghasilkan perbedaan suhu sekitar 30 0C.

Elyanita3 (2006) melakukan penelitian mengenai optimalisasi posisi

stack berbahan kardus di dalam

resonator tertutup Diperoleh posisi

stack terbaik yaitu pada jarak 11 cm

atau berada pada jarak sekitar /20 dari ujung resonator tertutup.

Optimalisasi diameter resonator terhadap kinerja piranti termakustik

(a) (b)

Gambar 1. (a) Gelombang tekanan bunyi pada pipa organa terbuka pada n = 1 dan n = 2 (harmonik pertama dan harmonik kedua). (b) Gelombang tekanan bunyi pada resonator tertutup pada n = 1 dan n = 3 (harmonik pertama dan harmonik kedua).

dilakukan oleh Sampurna (2006)8. Hasil penelitianya adalah bahwa diameter tabung resonator optimum menggunakan stack bahan film

fotografi maupun kardus adalah berdiameter 4,6 cm (1,5 inc).

Penelitian mengenai optimalisasi panjang stack dilakukan

oleh Wagiyanti (2007)12. Penelitian tersebut menggunakan stack berbahan kertas manila dan stack kardus, tegangan input 15 volt, dan panjang resonator 70 cm. Panjang stack optimum yang menghasilkan perbedaan suhu maksimum yang diperoleh pada penelitian tersebut adalah 10 cm. Stack berbahan kardus menghasilkan perbedaan suhu antara tandon panas dan tandon dingin sebesar 20,8 0C. Sedangkan untuk stack berbahan kertas manila menghasilkan perbedaan suhu antara tandon panas dan tandon dingin sebesar 23 0C.

a. Tinjauan Bunyi

Gelombang pada dasarnya adalah getaran (gangguan) yang menjalar. Gelombang bunyi adalah gelombang mekanis longitudinal. Disebut demikian karena gelombang bunyi memiliki arah getar yang sejajar dengan arah rambatnya. Gelombang bunyi pada pipa yang salah satu ujungnya terbuka dan ujung yang lain tertutup apabila dilihat sebagai gelombang tekanan maka pada ujung yang terbuka tersebut akan terbentuk

simpul dan pada ujung yang tertutup akan terbentuk perut. Hal ini terjadi karena udara pada ujung yang terbuka bebas bergerak sehingga tekanannya minimum, dan sebaliknya pada ujung tertutup udara tidak bebas bergerak sehingga tekanannya maksimal.

Pada pipa yang ujung-ujungnya terbuka akan terjadi simpul tekanan pada kedua ujungnya. Hubungan antara panjang pipa (L) dengan panjang gelombang bunyi tegak (



_n) adalah

n L n 2 



dengan n = 1, 2, 3,... (1) Sedangkan frekuensi gelombang tegaknya adalah L nv v f n 2    dengan n = 1, 2, 3,.. (2)

dengan frekuensi dasar f₁ untuk n = 1 dan frekuensi semua harmonic f_n nf₁. Sehingga frekuensi harmonik terjadi pada semua nilai n bilangan bulat positif.

Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena getaran benda lain. Adanya pengaruh dari sederet denyut periodik yang sama atau hampir sama pada suatu sistem akan menyebabkan sistem tersebut berosilasi juga dengan amplitudo yang relatif besar (Halliday dan Resnick,1996)4. Frekuensi resonansi pada pipa organa terbuka terjadi pada frekuensi mengikuti persamaan (2). Daerah sekitar frekuensi

f= v/2L f = v/L n = 1 n = 2 f = v/4L

f = 3v/4L

n = 1 n = 3

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 47 resonansi akan menghasilkan beda suhu

yang maksimum pada piranti termoakustik.

b. Tinjauan Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu tentang suhu, kalor, dan pertukaran energi. Sedang suhu adalah ukuran panas atau dinginya suatu benda (Tipler,1998)11. Hukum ke nol termodinamika yaitu kesetimbangan

yang terjadi apabila temperatur di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga yang sama. Hukum ke nol termodinamika pada proses termoakustik terjadi pada saat paket gas menyerap kalor pada tandon dingin dan melepas kalor pada tandon panas. Penyerapan kalor terjadi karena suhu paket gas lebih rendah dari suhu tandon dingin sehingga paket gas menyerap kalor dari lingkungan tandon dingin menuju ke temperatur setimbangnya dengan tandon dingin. Demikian juga pada waktu berada di tandon panas, suhu paket gas lebih tinggi dari suhu tandon panas sehingga terjadi pelepasan kalor menuju ke temperatur setimbangnya dengan tandon panas.

Dalam termodinamika dikenal rumus

dW dQ

dU   (3) dimana U adalah energi internal, Q adalah panas dan W adalah usaha. Karena suatu sistem menjalani suatu proses daur (proses siklis) maka energi internal pada awal dan akhir proses akan tetap sama.

Walaupun efisensi setiap mesin panas berbeda, tidak ada satupun mesin panas yang mempunyai efisiensi termal 100%. Tidak satupun mesin-mesin itu menyerap panas dan mengubah seluruhnya menjadi usaha. Mesin pendingin termokustik memindahkan kalor dari tandon dingin ke tandon panas dengan sumber bunyi sebagai usahanya.

c. Sistem Termoakustik

Telah diketahui bahwa gelombang bunyi dapat menghasilkan osilasi-osilasi tekanan dan gerak. Adanya osilasi tekanan menyebabkan terjadinya osilasi suhu. Suatu gelombang akustik (gelombang bunyi) berkaitan dengan perubahan tekanan, suhu, dan rapat medium yang dilaluinya. Medium ini bergerak di sekitar titik setimbangnya.

Apabila fluktuasi tekanan suhu ataupun rapat medium ini melewati kanal-kanal kecil maka kalor yang berosilasi juga mengalir ke dan dari dinding-diding kanal. Gabungan semua osilasi ini menghasilkan fenomena yang disebut efek termoakustik.

Piranti termoakustik terutama terdiri dari sebuah sistem resonator dengan stack di dalamnya dengan didukung oleh sistem sumber bunyi.

Stack merupakan jantung dari sebuah

sistem termoakustik. Di dalam stack terjadi proses transfer kalor dari tandon panas ke tandon dingin. Bahan inilah bagian terpenting dalam piranti termoakustik. Stack terdiri dari

sejumlah kanal-kanal yang arahnya sejajar dengan sumbu tabung resonator.

Stack adalah suatu jenis penukar kalor.

TC TH Sistem Qin Qout W TC TH Sistem Qin Qout W (a) (b)

Gambar. 2. (a) Diagram mesin kalor. (b) Diagram mesin pendingin.

(McCarty, 2005)5

Gambar 2. (b) Memperlihatkan operasi dasar sebuah pendingin atau pompa panas, dimana suatu usaha dari luar memindahkan panas Q dari tandon (reservoir) suhu rendah TC ke tandon suhu tinggi TH. Dalam hal ini usaha W

dilakukan oleh gelombang bunyi tegak di dalam tabung resonator. Gelombang bunyi longitudinal tegak menyebabkan partikel-partikel gas berosilasi bolak-balik sejajar dengan dinding-dinding

stack.

Gambar 3. (a) Diagram P –V yang memperlihatkan empat tahap dalam siklus pendingin (refrigerator) termoakustik. (b) Proses transfer kalor antara stack dan paket gas.

( Russell dan Weibull, 2002)7

Proses pendinginan pada pendingin termoakustik terjadi pada

stack (Gambar 3). Akibat adanya osilasi

gelombang bunyi, paket gas dari arah tandon dingin bergerak ke arah tandon panas (1-2). Volume paket gas berkurang (memampat) akibat tekanan yang lebih tinggi di dekat tandon panas. Jika suhu paket gas ini lebih panas dari permukaan stack yang bersisihan

dengan tandon panas maka paket gas tersebut akan mengeluarkan panas, terjadilah perpindahan kalor dari paket gas ke lapisan stack (2-3). Selanjutnya paket gas tersebut melanjutkan siklus osilasi dengan bergerak kembali ke arah tandon dingin yang mempunyai tekanan lebih rendah, dalam hal ini volumenya mengembang (3-4). Apabila paket gas ini mempunyai suhu lebih dingin dari suhu permukaan stack yang bersisihan dengan tandon dingin maka paket gas tersebut akan menyerap kalor dari stack (4-1). Siklus ini terjadi berulang-ulang sehingga akumulasi dari pemindahan

kalor oleh kanal-kanal kecil yang berjumlah banyak akan memindahkan kalor dari tandon dingin ke tandon panas.

III. Metode Penelitian a. Alat yang Digunakan

Alat alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1. Sistem sumber bunyi Terdiri dari :

 Loudspeaker (dan kotaknya) dari Woofer, ACR, Model : C 610 WH, Max. POWER : 60 watts, IMPEDANCE : 80 OHMS ( 1 buah).  Audio Function Generator (AFG) Model GFG-8016 G.

 Power Amplifier, Karaoke AV System, MV_8000 (MEGAFOX).  Multimeter SANWA (AC). 2. Sistem Deteksi Suhu

Terdiri dari dua buah termometer batang yang berbahan cair alkohol.

3. Sistem Deteksi Bunyi Terdiri dari :

 MIC Kondensor + Pre-Amp + Kabel

 Komputer + sound card + perangkat lunak Winscope 2.51.

b. Bahan Penelitian

Bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah :

1. Tabung Resonator, terbuat dari pipa PVC dengan panjang 70 cm (Wagiyanti, 2006)12 dan berdiameter 4,6 cm (Sampurna, 2006)8. Kepala resonator terbuat dari pipa PVC dengan panjang 35 cm diameter 8,6 cm (Gambar 4. c ).

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 49 2. Stack, terbuat dari bahan plastic

berdiameter pori (3,61  0,05) mm (sedotan air mineral kemasan gelas) (Cahyono, 2007)2. Stack ditempatkan di dalam kerangka pipa besi berdiameter 4,4 cm dengan panjang 10 cm yang dilapisi solatip pipa. Panjang stack sama dengan panjang pipa besi. Gambar 4 (a) memperlihatkan stack yang digunakan dalam penelitian ini.

3. Udara dengan tekanan udara bebas sebagai medium kerja.

c. Prosedur Percobaan 1. Tahap Persiapan

a. Menyiapkan pipa PVC diameter 4,6 cm dengan panjang 70 cm serta pipa PVC diameter 8,6 cm dengan panjang 35 cm.

b. Menyiapkan stack dari bahan bahan yang telah disebutkan di atas.

c. Merangkai alat yang terdiri dari sistem sumber bunyi, sistem deteksi bunyi, sistem deteksi suhu, dan sistem resonator.

2. Tahap Uji Operasi Alat

Tahapan ini berfungsi untuk mengetahui apakah alat berfungsi dengan baik atau tidak. Pada tahapan ini alat telah dirangkai dan dihidupkan. Alat berfungsi dengan baik ditandai dengan berfungsinya semua alat yang telah dirangkai.

d. Tahap Pengambilan Data

1. Menentukan Frekuensi Resonansi Resonator Terbuka

Frekuensi resonansi diketahui dengan menggunakan dua cara yaitu dengan menggunakan perhitungan secara matematis L v f 2  dan dengan menggunakan perangkat lunak Winscope 2.51 melalui puncak-puncak spektrumnya. Perhitungan secara matematis menggunakan v (kecepatan bunyi di udara) = 343 m/s dan L (panjang resonator) yang tetap yaitu 70 cm. Tegangan input speaker yang digunakan adalah 15 volt.

(b) (a)

Gambar 4. (a) Stack pori lingkaran berasal dari sedotan air mineral kemasan gelas. (b) Sistem sumber bunyi. Dari gambar terlihat AFG, Amplifier dan multimeter yang berturut-turut digunakan sebagai perangkat pengatur frekuensi, penguat gelombang bunyi dan pendeteksi tegangan input speaker. (c) Sistem resonator terbuka (atas) dan resonator tertutup (bawah).

Frekuensi diatur pada frekuensi sekitar frekuensi resonansi resonator, kemudian sinyal keluaran dari mikrofon dilihat melalui winscope. Frekuensi resonansi ditandai dengan terlihatnya puncak-puncak harmonik 1, 2, 3, dan seterusnya pada tampilan winscope.. 2. Menyelidiki Pengaruh Panjang Kepala Resonator ( l ) Terhadap Bentuk Gelombang Tekanan Bunyi pada Resonator Terbuka.

Panjang kepala resonator divariasi dan untuk setiap variasi letak mikrofon digeser dengan pergeseran 5 cm di dalam resonator terbuka dan dicatat tinggi puncak spektrum pada frekuensi sesuai dengan frekuensi pada AFG. Variasi panjang kepala resonator dilakukan mulai dari 5 cm hingga 35 cm untuk setiap 5 cm.

Gambar 5. Skema peralatan deteksi gelombang tekanan bunyi dalam resonator terbuka.

Dengan memplot grafik tinggi puncak spektrum versus letak mikrofon, maka diperoleh gambaran bentuk gelombang tekanan bunyi dalam resonator. Sehingga pada panjang kepala resonator tertentu diperoleh bentuk gelombang tekanan yang sesuai dengan bentuk gelombang tekanan pada resonator terbuka pada kedua ujungnya. Tegangan input speaker menggunakan tegangan 15 volt. Diagram peralatan eksperimen ini dapat dilihat pada Gambar 5.

3. Menyelidiki Pengaruh Posisi Stack pada Resonator Terbuka Terhadap Perbedaan Suhu Antara Tandon Panas dan Tandon Dingin.

Stack yang telah disiapkan

diletakkan pada resonator terbuka. Panjang kepala resonator dibuat tetap pada panjang kepala resonator yang menghasilkan bentuk gelombang tekanan bunyi sesuai dengan resonator terbuka kedua ujungya.

Variasi posisi stack dilakukan untuk mengetahui posisi optimum yang menghasilkan suhu maksimum. Variasi ini dilakukan setiap 5 cm mulai dari 10 cm hingga 60 cm diukur dari speaker. Frekuensi divariasi di sekitar frekuensi resonansi untuk setiap posisi stack. Tegangan input speaker yang digunakan adalah 15 volt. Diagram sistem termoakustik resonator terbuka dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Diagram sistem termoakustik resonator terbuka.

IV. Hasil dan Pembahasan

Panjang resonator terbuka pada penelitian ini adalah 70 cm. diameter resonator mengacu pada penelitian Sampurna8 (2006) yaitu 4,6 cm. Dari penelitian terdahulu diperoleh pula panjang stack optimum adalah 10 cm (Wagiyanti, 2007)12. Dengan merujuk pada hasil penelitian tersebut maka

stack yang digunakan pada penelitian

ini adalah 10 cm. Pada penelitian ini

Volume

l

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 51 digunakan stack pori lingkaran yang

berdiameter pori (3,61  0,05) mm (sedotan air mineral kemasan gelas) mengacu pada penelitian Cahyono (2007)2.

Stack yang digunakan pada

penelitian ini diletakkan pada pipa besi. Besi merupakan konduktor panas yang baik tapi pada percobaan ini tidak terdapat aliran balik kalor karena luasan pipa besi yang menyentuh tandon panas yang kecil sehingga dapat diabaikan. Pengambilan data pada percobaan penentuan diameter pori yang menghasilkan beda suhu maksimum dan optimalisasi posisi stack pada resonator terbuka menggunakan waktu operasi alat 10 menit. Dalam jangka waktu 10 menit tersebut suhu tandon panas maupun tandon dingin cenderung sudah konstan.

a. Frekuensi Resonansi Resonator Terbuka

Transfer kalor yang paling optimal didapat pada saat frekuensi sumber bunyi sama dengan frekuensi resonansi resonator. Oleh karena itu penentuan frekuensi resonansi menjadi penting pada sistem termoakustik baik pada resonator terbuka maupun tertutup.

Perhitungan frekuensi resonansi resonator terbuka menggunakan rumus

L nv f

2

 untuk n = 1. Dengan menggunakan koreksi ujung sebesar





3 4 3 8_{R } D (Rafi’ie, 2004 )6 maka

persamaan ini menjadi

       



3 4 2 L D nv

fn dimana R adalah

jari-jari resonator. Dari perhitungan untuk panjang resonator (L) 70 cm dan diameter resonator (D) 4,6 cm didapat nilai frekuensi resonansi sekitar 238,6 Hz atau dibulatkan menjadi 239 Hz. Kemudian dengan menggunakan

Winscope 2.51 dapat dilihat bahwa spectrum gelombang bunyi pada frekuensi 240 Hz dapat memperlihatkan dengan jelas harmonic pertama, kedua, ketiga dan seterusnya yang menunjukkan bahwa frekuensi tersebut merupakan frekuensi resonansi.

Dari kedua hasil pendekatan frekuensi resonansi resonator terbuka tersebut maka pengambilan data untuk menentukan posisi optimum dalam resonator dilakukan pada frekuensi antara 238-242 Hz.

b. Pengaruh Panjang Kepala Resonator ( l ) Terhadap Bentuk Gelombang Tekanan Bunyi.

Untuk mendapatkan resonator terbuka maka dibuatlah sebuah volume yang ditempatkan pada ujung resonator, dalam hal ini disebut kepala resonator. Percobaan ini dilakukan untuk mengetahui panjang minimum kepala resonator agar resonator bersifat seperti resonator terbuka.

Frekuensi bunyi pada percobaan ini dipilih pada frekuensi 240 Hz karena frekuensi ini berada di sekitar frekuensi resonansi dari perhitungan dan pada winscope terlihat jelas puncak-puncak harmonik 1, 2, 3, dan seterusnya. Frekuensi yang digunakan pada percobaan ini (240 Hz) dianggap mewakili frekuensi 238 Hz sampai dengan 242 Hz untuk menentukan bentuk gelombang tekanan bunyi pada resonator terbuka.

Grafik tinggi puncak spektrum pada Winscope versus jarak mikrofon dalam resonator akan menggambarkan gelombang tekanan bunyi dalam resonator terbuka. Pada saat menggunakan kepala resonator dengan panjang 35 cm diperoleh grafik gelombang tekanan bunyi yang paling mendekati gelombang tekanan bunyi resonator terbuka (lihat Gambar 7). Dalam grafik tersebut terlihat amplitudo sinyal minimum di posisi 0 cm dan 70

cm dan amplitudo sinyal yang lebih tinggi antara 10 cm hingga 55 cm. Amplitudo minimum mengindikasikan simpul tekanan dan sebaliknya amplitudo maksimum mengindikasikan perut tekanan. Panjang kepala resonator (35 cm) inilah yang mengubah resonator menjadi resonator terbuka, terlihat melalui bentuk gelombang tekanan bunyinya.

Gambar 7. Grafik gelombang tekanan bunyi pada resonator terbuka dengan panjang kepala

tabung 35 cm

Transfer kalor pada proses termoakustik selalu mengarah ke tekanan yang lebih tinggi. Apabila posisi stack berada disebelah kiri perut tekanan maka transfer kalor akan mengarah ke kanan dan tandon panas akan berada pada sebelah kanan stack. Sebaliknya apabila stack dipasang pada sebelah kanan perut tekanan maka transfer kalor akan mengarah ke kiri dan tandon panas akan berada pada sebelah kiri stack.

c. Pengaruh Posisi Stack pada Proses Termoakustik Resonator Terbuka

Hasil eksperimen pengaruh posisi stack dalam resonator terbuka diperlihatkan oleh Gambar 8. Tampak bahwa posisi optimum stack berpori lingkaran yang menghasilkan suhu maksimum pada resonator terbuka berada pada posisi 45 dan 25 cm dari speaker. Posisi-posisi ini berjarak 10 cm dari perut tekanan yang berada pada

posisi 35 cm. Beda suhu antara tandon panas dan tadon dingin pada posisi

stack 45 cm mencapai 17,4 0C dengan penurunan suhu 4,6 0C dan kenaikan suhu 12,8 0C. Sedangkan posisi stack 25 cm menghasilkan beda suhu 12,8 0C dengan penurunan suhun 3,4 0C dan kenaikan suhunya 9,4 0C.

Gambar 8. Grafik beda suhu maksimum untuk setiap posisi stack pada resonator terbuka

dengan panjang kepala resonator 35 cm.

Beda suhu antara tandon panas dan tandon dingin saat stack berada pada posisi 45 cm lebih besar daripada saat stack berada pada posisi 25 cm. Volume tandon panas dimana kalor dilepaskan untuk posisi 45 cm lebih kecil daripada volume tandon panas untuk posisi 25 cm. Dengan kalor yang sama, untuk volume yang kecil dengan kalor yang terdistribusi merata akan menghasilkan suhu yang lebih tinggi daripada kalor yang dilepaskan ke volume yang lebih besar.

Gambar 9 menunjukan beda suhu pada frekuensi 238-242 Hz yang digunakan pada percobaaan ini untuk posisi stack 45 cm dan 25 cm. Pada posisi stack 45 cm beda suhu

maksimum berada pada frekuensi 240 Hz sedang pada posisi stack 25 cm beda suhu maksimum berada pada frekuensi 239 Hz. Beda suhu maksimum terjadi pada frekuensi di sekitar frekuensi resonansi. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 jarak mikrofon (cm) in te n s it as ( .a. u ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 posisi stack (cm ) b e da s uhu ( °C )

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 53

(a)

(b)

Gambar 9. Grafik beda suhu versus frekuensi bunyi (a) posisi stack 25 cm

(b) posisi stack 45 cm

Laju kenaikan dan penurunan suhu pada posisi stack 25 cm dan 45 cm terlihat juga pada Gambar 10. Dari gambar tersebut juga terlihat suhu yang konstan terjadi pada menit-menit tertentu. Suhu yang konstan dapat terjadi pada tandon panas maupun tandon dingin pada menit-menit setelah suhu tandon panas dan tandon dingin mencapai suhu maksimum dan minimum. Hal ini disebabkan karena suhu paket gas yang termampatkan suhunya hampir sama dengan suhu tandon panas sehingga pelepasan kalor ke tandon panas kecil atau tidak terjadi sama sekali. Hal sama terjadi pada tandon dingin dimana suhu paket gas hampir sama dengan suhu tandon dingin sehingga penyerapan kalor kecil atau tidak menyerap kalor.

(a)

(b)

Gambar 10. Grafik laju kenaikan dan penurunan suhu tandon panas dan tendon

dingin (a) posisi 25 cm. (b) posisi 45 cm.

Suhu tandon panas dan tandon dingin yang konstan ini juga disebabkan karena terjadi kesetimbangan antara kalor yang diterima tandon panas dan kalor yang dilepaskan ke lingkungan oleh tandon panas. Pada tandon dingin juga demikian, kalor yang ditransfer ke tandon panas mengalami kesetimbangan dengan kalor yang diterima oleh tandon dingin dari lingkungan

VI. Kesimpulan Dan Saran

a. Kesimpulan

Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa

1. Panjang minimum kepala resonator (diameter 8,6 cm) yang dapat mengubah resonator (diameter 4,6 cm) bersifat seperti resonator terbuka adalah 35 cm.

10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 237 238 239 240 241 242 243 frekuensi bunyi (Hz) be da s u h u (° C ) 12 13 14 15 16 17 18 237 238 239 240 241 242 243 frekuensi bunyi (Hz) be da s u hu ( °C ) 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 waktu (menit) Su h u ( °C )

suhu tandon panas suhu tandon dingin

20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 waktu (menit) s uhu ( °C )

suhu tandon dingin suhu tandon panas

2. Transfer kalor pada sistem termoakustik resonator terbuka selalu mengarah ke tekanan yang lebih tinggi (perut tekanan).

3. Pada penelitian optimalisasi posisi

stack pada resonator terbuka dengan

panjang resonator 70 cm, diameter resonator 4,6 cm, diameter kepala resonator 8,6 cm dan panjang kepala resonator 35 cm diperoleh dua posisi optimum yaitu

a) 25 cm dari sumber bunyi yang memberikan beda suhu maksimum 12,8 0C. Pada posisi ini tandon panas berada di daerah antara ujung kepala resonator hingga ujung stack yang menyentuh tandon panas. Tandon dingin berada di daerah depan speaker hingga ujung stack yang menyentuh tandon dingin.

b) 45 cm dari sumber bunyi yang memberikan beda suhu maksimum 17,4 0C. Pada posisi ini tandon panas berada pada daerah depan speaker hingga ujung stack yang menyentuh tandon panas. Tandon dingin berada pada daerah antara ujung kepala resonator hingga ujung stack yang menyentuh tandon dingin.

b. Saran

1. Perlu dilakukan penelitian mengenai optimalisasi diameter pori stack atau jarak antar dinding stack dan panjang

stack pada resonator terbuka.

2. Pada penelitian ini didapatkan dua posisi optimal yang menghasilkan beda suhu maksimal namun hanya menggunakan satu stack. Diharapkan pada masa yang akan datang dilakukan penelitian dengan menggunakan stack ganda yang ditempatkan pada kedua posisi optimal tersebut dengan harapan suhu tandon panas semakin besar.

DAFTAR PUSTAKA

1. Biwa, T., Yashirc, Y., Kozuka, M., Yazaki, T. dan Mizutani, U., 2004, Experimental demonstration of thermoacoustic energy conversion in a resonator, Phys. Rev.E 69, 066304.

2. Cahyono, A, 2007, Analisa Perbandingan beda suhu maksimum pada frekuensi Harmonik Orde 1, 3, 5, 7 dengan menggunakan stack pori lingkaran, Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta

3. Elyanita, M.S., 2006. Pengaruh

Variasi Frekuensi dan Posisi Stack Bahan Kardus Terhadap Perubahan Suhu pada Sistem Termoaakustik,

Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.

4. Halliday, D., dan Resnick, R., 1996,

Fisika, Jilid 1, Edisi Ketiga,

Erlangga, Jakarta.

5. McCarty, M., 2007, An Introduction to Thermoacoustic Refigerator., School of Mechanical and Aerospace Engineering,132.236.67.210/EngrW ords/issues/ew02/McCarty_slides.pdf , 11 februari 2007.

6. Rafi’ie, A.S, 2004 , Pengaruh Diameter pada frekuensi resonansi gelombang

akustik dan Faktor Kualitas pada frekuensi resonansi tertentu dalam resonator pipa silindris terbuka,

Skripsi S-1 Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta

7. Russell, D.A. dan Weibull, P., 2002, Tabletop thermoacoustic refrigerator for demonstration, Am. J. Phys. 70, 1231-1233.

Prosiding Seminar Nasional Pendidikan Fisika dan Fisika 2011 55 8. Sampurna, D, 2006, Studi

Eksperimen Untuk Mengetahui Pengaruh Diameter Tabung Resonator Terhadap Kinerja Piranti Termoakustik, Jurusan Fisika FMIPA

UGM, Yogyakarta.

9. Swift, G. W., 1988, Thermoacoustic engines, J. Acoust. Soc. Am. 84, 1145-1180.

10. Tijani, M.E.H, 2001, Loudspeaker-driven thermo-acoustic refrigeration, page 32-37, Technische Universiteit Eindhoven

11. Tipler, P.A., 1998, Fisika untuk

Sains dan Teknik, Jilid 1, Edisi

Ketiga, Erlangga, Jakarta.

12. Wagiyanti, 2006, Kajian Pengaruh

Panjang Stack Dan Panjang Alumunium Foil Pada Stack Terhadap Perbedaan Suhu Pada Kinerja Pompa Kalor Termoakustik,

Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.