STUDI AWAL EMISI KEBISINGAN KNALPOT DENGAN PROFIL SILINDER YANG DIBUAT DARI MATERIAL TITANIUM DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA

(1)

TUGAS SARJANA

TEKNIK PENGENDALIAN KEBISINGAN

STUDI AWAL EMISI KEBISINGAN KNALPOT DENGAN

PROFIL SILINDER YANG DIBUAT DARI MATERIAL

TITANIUM DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI

METODE ELEMEN HINGGA

OLEH :

MASTRIA SUANDIKA

0 3 0 4 0 1 0 3 0

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

MEDAN

2007

TUGAS SARJANA

TEKNIK PENGENDALIAN KEBISINGAN

STUDI AWAL EMISI KEBISINGAN KNALPOT

DENGAN PROFIL SILINDER YANG DIBUAT DARI

MATERIAL TITANIUM DENGANMENGGUNAKAN

SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA

OLEH :

MASTRIA SUANDIKA

NIM : 03 0401 030

Disetujui Oleh

Dosen Pembimbing,

Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri

NIP. 132 018 668

(3)

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

MEDAN

2007

TUGAS SARJANA

TEKNIK PENGENDALIAN KEBISINGAN

STUDI AWAL EMISI KEBISINGAN KNALPOT

DENGAN PROFIL SILINDER YANG DIBUAT DARI

MATERIAL TITANIUM DENGANMENGGUNAKAN

SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA

OLEH :

MASTRIA SUANDIKA NIM : 03 0401 030

Telah disetujui dari hasil Seminar Tugas Sarjana

Periode 488, Tanggal 01 September 2007

Dosen Pembanding I

Dosen Pembanding II

Ir. Alfian Hamsi, M.Sc

Ir.SyahrulAbda,Msc

(4)

TUGAS SARJANA

NAMA : MASTRIA SUANDIKA

NIM : 03 0401 030

MATA PELAJARAN : TEKNIK PENGENDALIAN KEBISINGAN

SPESIFIKASI : Lakukanlah simulasi untuk mengamati perubahan noise yang terjadi pada knalpot motor bensin jenis empat langkah yang berbentuk bulat yang di buat dari material titanium dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga.

Analisa meliputi :

- Distribusi panas sepanjang knalpot. - Kecepatan aliran gas buang.

- Distribusi noise sepanjang knalpot dengan data distribusi panas dari kecepatan aliran gas buang - Pengaruhnya terhadap perubahan dimensi knalpot

DIBERIKAN TANGGAL : 08 / Januari / 2007 SELESAI TANGGAL : 22 / agustus / 2007

MEDAN, 22 Agustus 2007 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,

Ir. ALFIAN HAMSI, MSc Dr..–Ing.IKHWANSYAH ISRANURI NIP. 131 654 258 NIP. 132 018 668

(5)

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

No : 913 / TS / 2007

Sub. Program studi : Teknik Produksi

Bidang Tugas : Teknik Pengendalian Kebisingan.

Judul tugas : Studi awal emisi kebisingan knalpot dengan profil silider yang dibuat dari material tinanium dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga

Diberikan Tanggal : 02 Februari 2007 Selesai Tanggal : 22 Agustus 2007 Dosen Pembimbing : Dr. Ing. Ikhwansyah Nama Mahasiswa : Mastria Suandika Isranuri NIM : 03 0401 030

NO Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen 1 02-02-2007 Pemberian Tugas Dan Diskusi ide

Riset

2 05-02-2007 Studi Literatur noise

3 06-02-2007 Studi literature untuk simulasi 4 12-03-2007 Pengenalan Pemakaian Software 5 12-04-2007 Pembuatan Model Pada Software

Simulasi

3 25-04-2007 Diskusi hasil Pengambilan Data 6 02-05-2007 Diskusi Hasil Simulasi Model 7 12-05-2007 Asistensi BAB 1 dan BAB 2 8 23-06-2007 Perbaiki BAB 1 dan BAB 2 9 15-07-2007 Asistensi BAB 3 dan BAB 4 10 05-08-2007 Perbaiki BAB 3 dan BAB 4 11 16-08-2007 Asistensi BAB 5

12 20-08-2007 Tambahkan lampiran, daftar isi 13 22-08-2007 Siap Di seminarkan

CATATAN : diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan,

bila kegiatan asistensi telah selesai, Ir. Alfian Hamsi, MSc NIP. 131 654 258

(6)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui distribusi temperatur, kecepatan aliran gas buang, kebisingan, serta pengaruh dimensi dan putaran terhadap perubahan kebisingan dari knalpot yang dibuat dari material titanium dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga.

Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu, pengambilan data gas buang kendaraan, simulasi menggunakan Metode Elemen Hingga melalui penggunaan perangkat lunak Ansys V 9.0, dan analisis teoritis tingkat kebisingan yang terjadi pada knalpot.

Hasil yang diperoleh adalah pada spesimen standar dengan putaran 745 rpm distribusi temperaturnya yaitu 91o C menjadi 83,179o C. Pada putaran 1500 rpm yaitu 157o _{C menjadi 85,138}o _{C dan pada putaran 2000 rpm yaitu 220}o _{C menjadi 210,224}o _C. Kecepatan aliran gas buang pada putaran 745 Rpm dengan spesimen standar adalah 0,1564 m/s, untuk spesimen yang diperbesar adalah 0,1000 m/s dan untuk spesimen yang diperkecil adalah 0,2781 m/s. Kebisingan pada putaran 745 dengan ukuran standar yaitu 83,475 dB menjadi 45,657 dB; dengan ukuran yang diperbesar yaitu 80,031 dB menjadi 31,990 dB dan dengan ukuran yang diperkecil yaitu 88,941 dB menjadi 67,491 dB. Kebisingan yang terjadi yaitu pada putaran 745 Rpm untuk spesimen standar adalah 45,657 dB, pada putaran 1500 Rpm untuk spesimen standar adalah 47,133 dB dan pada putaran 2000 Rpm untuk spesimen standar adalah 49,893 dB.

Berdasarkan hasil penelitian ini kesimpulan yang diperoleh bahwa material titanium dapat mengurangi kebisingan yang terjadi didalam knalpot.

(7)

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan nikmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Penelitian ini.

Tugas sarjana ini merupakan salah satu syarat bagi setiap mahasiswa Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara untuk menyelesaikan studi di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU

Adapun judul dari tugas sarjana ini adalah “Studi Awal Emisi Kebisingan Knalpot Dengan Profil Silinder Yang Dibuat Dari Material Titanium Dengan Menggunakan Simulasi Metode Elemen Hingga”

Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu penulis dalam penelitian ini terutama kepada :

1. Ayahanda Sutio dan ibunda Masriati yang selalu memberikan dukungan moril dan materil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya.

2. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing yang selalu membimbing dan memberi motivasi kepada saya..

3. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc dan Bapak Tulus B Sitorus, ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin FT-USU.

4. Segenap staf pengajar Dept. Teknik Mesin FT-USU yang telah banyak memberikan ilmunya kepada saya.

5. Abang saya Waras Ditia-Betty, kakak saya Sefti Mastilayanti-Oktafiandi Dwi Sandi, dan adik saya Sarifah Farrah Fadhila, serta ponakan saya Aurelya Salsabila Aditia yang selalu memberikan dorongan, motivasi dan doa kepada saya.

6. Seluruh staf Administrasi Dept. Teknik Mesin FT-USU. 7. Rekan-rekan saya khususnya stambuk 2003.

(8)

8. Meimi Adriana, Amd yang selalu menemani penulis baik dalam keadaan suka maupun duka dan selalu memberikan semangat kepada penulis.

Semoga Allah SWT membalas perbuatan baik yang telah mereka lakukan. Kiranya penelitian ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan, 22 Agustus 2007 Penulis,

Mastria Suandika NIM 03 0401 030

(9)

DAFTAR ISI

SPESIFIKASI TUGAS...i

KARTU BIMBINGAN ...ii

ABSTRAK ...iii

KATA PENGANTAR ...iv

DAFTAR ISI...vi i DAFTAR TABEL... x

DAFTAR GAMBAR... xii

DAFTAR NOTASI...xv BAB I. PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ...3 1.4 Manfaat Penelitian ...3 1.5 Sistematika Penulisan...3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 5

2.1 Konsep Dasar Tentang Bunyi...5

2.1.1 Perambatan Bunyi ... 5 2.1.2 Frekuensi ... 6 2.1.3 Kecepatan Perambatan... 7 2.1.4 Panjang Gelombang... 8 2.1.5 Intensitas... 8 2.1.6 Kecepatan Partikel ... 9

2.1.7 Tekanan Bunyi dan Tingkat Tekanan Bunyi ... 10

2.1.8 Tingkatan Intensitas Bunyi ... 11

2.1.9 Daya Bunyi dan Tingkat Daya Bunyi ... 11

(10)

2.2 Hubungan Antara Tingkat Daya, Tingkat Intensitas dan Tingkat

Tekanan Bunyi ...12

2.2.1 Tingkat Tekanan Suara ... 13

2.2.1.1 Tingkat Tekanan Suara dan Tingkat Tekanan Suara Berbobot A (Tingkat Kebisingan) ... 13

2.2.1.2 Tingkat Tekanan Suara Berbobot A Yang Sepadan Dan continue ... 14

2.3 Pengertian Kebisingan ...15

2.3.1 Sumber-Sumber Kebisingan ...15

2.3.2 Efek Pendengaran dan Pengaruh Kebisingan Terhadap Manusia ... ... 16 2.4 Propagasi Bunyi ...21 2.4.1 Solid Borne ...22 2.4.2 Air Borne ... .23 2.5 Radiasi Bunyi...24 2.5.1 Pulsating Sphere... 25 2.5.2 Efisiensi Radiasi... 27

2.6 Teknik Pengendalian Kebisingan... ... 27

2.7 Kebisingan Knalpot...30

2.8 Material Akusitk... 33

2.8.1 Penyerapan Dan Pemantulan Akustik...33

2.9 Material titanium Sebagai Materail Knalpot ... 36

2.10 Metode Elemen Hingga ... ..37

BAB III.METODE PENELITIAN ... .42

3.1 Tahap Penelitian ...42

3.2 Pengambilan Data Pengukuran...42

3.3 Prosedur Pengambilan Data Pengukuran...44

(11)

3.5 Flow Chart Simulasi ... 48

3.6 Penentuan Sifat Fisis Dan Mekanis Material Komposit ... 50

3.7 Prosedur Simulasi... 50

BAB IV. HASIL SIMULASI DAN PERHITUNGAN TEORITIS...54

4.1 Penjelasan ... 54

4.2 Analisa Simulasi ... 55

4.3 Hasil Simulasi ... 57

4.4 Analisa Perhitungan Kebisingan... 65

4.5 Hasil Analisa Metarial Titaniuml ... 69

4.6 Kecepatan Aliran Gas Buang ... 80

4.7 Verifikasi Hasil Analisa... 83

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN...85

5.1 Kesimpulan...85

5.2 Saran...86

DAFTAR PUSTAKA...87 LAMPIRAN

(12)

DAFTAR TABEL

1. Tabel 2.1 Jarak frekuensi yang ditransmisikan dan diterima

oleh sumber dan penerima bunyi... 6

2. Tabel 2.2 Baku Tingkat Kebisingan Indonesia... 20

3. Tabel 2.3 Tingkat Bising Umum... 20

4. Tabel 2.4 Spektrum Kebisingan Akustik... 21

5. Tabel 2.5 Koefisien Serapan... 35

6. Tabel 3.1 Hasil Data Pengukuran... 45

7. Tabel 3.2 Sifat Fisis dari Gas CO2... 49

8. Tabel 3.3 Sifat Fisis dari Gas CO2... 49

9. Tabel 3.4 Sifat Fisis dan Mekanis Material titanium... 50

10. Tabel 3.5 Dimensi Knalpot... 52

11. Tabel 4.1 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot dengan ruang kosong tanpa pipa... 69

12. Tabel 4.2 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot dengan pipa... 69

13. Tabel 4.3 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot dengan 1 sekat... 70

16. Tabel 4.6 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot dengan 3 sekat yang berlubang... 72 11. Tabel 4.7 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot

(13)

dengan ruang kosong tanpa pipa... 73 11. Tabel 4.8 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot

dengan ruang kosong... 77 18. Tabel 4.14 Hasil Tabulasi konversi temperatur untuk knalpot

dengan ruang kosong... 78 19. Tabel 4.15 Hasil Tabulasi Noise Dengan Temperatur Untuk

Semua Putaran... 79 20. Tabel 4.16 Tabulasi Kecepatan Gas Buang untuk spesimen

standar yang ruang kosong tanpa pipa untuk putaran

745 Rpm... 80 21. Tabel 4.17 Tabulasi Kecepatan Gas Buang untuk spesimen

diperbesar yang ruang kosong tanpa pipa untuk putaran 745 Rpm... 81 22. Tabel 4.18 Tabulasi Kecepatan Gas Buang untuk spesimen

diperkecil yang ruang kosong tanpa pipa untuk putaran 745 Rpm... 82 22. Tabel 4.19 Hasil Tabulasi Noise Dengan Temperatur... 82

(14)

DAFTAR GAMBAR

1. Gambar 1.1

kerangka konsep...2

2. Gambar 2.1 Karakteristik Frekuensi ... 13

3. Gambar 2.2 Hubungan Tingkat Tekanan Suara dengan Waktu ... 15

4. Gambar 2.3 Kurva Fletcher-Munson ...17

5. Gambar 2.4 Kurva ambang kemampuan didengar dan ambang rasa sakit ... 18

6. Gambar 2.5 Sumber Bunyi Umum Pada Frekuensi Dominan Dan Tingkatannya ... 19

7. Gambar 2.6 Skematik Radiasi Bunyi ... 25

8. Gambar 2.7 Skematik Pengendalian Kebisingan ... 28

9. Gambar 2.8 Bentuk Knalpot. ... 31

10. Gambar 2.9 Bentuk Knalpot yang Dimesh ... 31

11. Gambar 2.10 Hasil Simulasi dengan PATRAN...32

12. Gambar 2.11 Hasil Simulasi dengan Menggunakan PATRAN... 32

13. Gambar 2.12 Pemantulan dan penyerapan bunyi pada suatu muka dataran dari dua media akustik... 33

14. Gambar 2.13 Pemantulan dan penyerapan energi bunyi pada media akustik ...34

15. Gambar 2.14 Diskritisasi dari suatu tower kontrol dengan 48 buah elemen Beam dan 28 buah Node... 38

16. Gambar 2.15 Bentuk-bentuk elemen dasar ... 39

17 Gambar 3.1 Knalpot...42

18 Gambar 3.2 Mesin Motor Bensin...43

19 Gambar 3.3 Thermocouple...43

20 Gambar 3.4 Tachometer...44

(15)

22 Gambar 3.6 Titik-titik Pengukuran...45

23 Gambar 3.7 Flow Chart Simulasi Menggunakan Ansys V 9.0...48

24 Gambar 3.8 Tampilan Layar Pembuka Software Ansys V 9.0 ...50

25 Gambar 3.9 Tampilan Layar Proses Preferensi...51

26 Gambar 3.10 Tampilan Hasil Geometry Material...51

27 Gambar 3.11 Tampilan Layar Menentukan Sifat Elemen dan Material Properties...52

28 Gambar 3.12 Tampilan Hasil Masukkan Ukuran Mesh...54

29 Gambar 3.13 Tampilan Hasil Proses Meshing...54

30 Gambar 4.1 Kotak Dialog Tipe Analisis...55

31 Gambar 4.2 Kotak Dialog Temperatur ...55

33 Gambar 4.3 Kotak Dialog Heat flux...56

34 Gambar 4.4 Kotak Dialog Solving...56

35 Gambar 4.5 Distribusi temperatur untuk knalpot ruang kosong...57

36 Gambar 4.6 Distribusi temperatur untuk knalpot dengan pipa...57

37 Gambar 4.7 Distribusi temperatur untuk knalpot dengan penambahan 1 sekat...58

38 Gambar 4.8 Distribusi temperatur untuk knalpot dengan penambahan 2 sekat ...58

40 Gambar 4.9 Distribusi temperatur untuk knalpot dengan penambahan 3 sekat...59

41 Gambar 4.10 Distribusi temperatur untuk knalpot dengan penambahan 3 sekat yang berlubang...59

(16)

48 Gambar 4.17 Distribusi temperatur untuk knalpot ruang kosong ... 64

50 Gambar 4.19 Hubungan sound power level dengan temperatur...69

62 Gambar 4.31 Hubungan sound power level dengan temperatur ...77

64. Gambar 4.33 Hubungan temperatur dengan noise...79

65 Gambar 4.34 Hubungan temperatur dengan kecepatan ...81

66 Gambar 4.35 Hubungan temperatur dengan kecepatan...81

67 Gambar 4.36 Hubungan temperatur dengan kecepatan...82

(17)

DAFTAR NOTASI

C = Cepat rambat bunyi m/s

g = Rasio panas spesifik ----

Pa = Tekanan atmosfer pascal

ρ = Kerapatan Kg/m3

T = Suhu K

E = Modulus Young Pascal

l = Panjang gelombang bunyi ---

f = Frekuensi Hz

I = Intensitas bunyi W/m2

W = Daya akustik Watt

A = Luas Area m2

V = Kecepatan partikel m/det

P = Tekanan pascal

p

_l = Tekanan bunyi pascal

t

P = Tekanan bunyi ditransmisikan pascal

r

P = Tekanan bunyi dipantulkan pascal

a

P = Amplitudo tekanan bunyi pascal

t = Waktu detik

x = Jarak dari sumber m

Lp = Tingkat tekanan bunyi (Sound Pressure Level/SPL), dB

ref

P = Tekanan bunyi referensi N/m2

rms

p2 _{= akar tekanan bunyi} _Pa

I = Intensitas bunyi W/m2

ref

(18)

s

W =Total daya bunyi watts

I_s = Maksimum intensitas udara pada jarak radius r

w

L = Tingkat daya bunyi dB

W = Daya bunyi watts

W0 = Daya bunyi referensi Watts

V = Poison Ratio ---

l = Konstanta Elastis Lame’s ---

G = Koefisien Kekakuan ---

Ia = Intensitas bunyi yang diserap W/m2

Ii = Intensitas bunyi yang terjadi W/m2

Vm = Kecepatan rata-rata gerakan piston m/det

S = Langkah Piston m

D = Diameter Piston m

N = Putaran Rpm

•

m = Laju aliran Massa Gas Kg/s

•

q = Heat Fluks W/m2

kW = Energi atau tenaga mesin kwatts

lin = Panjang pipa m

Ni = Tenaga mesin PS

P = Tekanan efektif rata-rata kg/cm3

VL = Volume langkah torak cm3

z = Jumlah piston -

a = Jumlah siklus perputaran -

(19)

= efisiensi -

Q = kalor yang masuk Kcal

VL = Volume langkah torak cm3

J = Faktor pengubah satuan m kg/kcal

r = compresi ratio -

TL = transmission loss dB

Se = Luas daerah masuk atau keluar m2

Sc = Luas daerah kanlpot m2

Lc = panjang knalpot m2

BAB I

(20)

1.1. Latar Belakang

Orang yang hidup dalam kebisingan lalu lintas cendrung memiliki tekanan darah tinggi dibandingkan mereka yang tinggal di lingkungan yang lebih tenang. Orang yang tinggal dilingkungan dengan rata-rata tingkat kebisingan malam hari sebesar 55 desibel atau lebih, memiliki resiko dua kali lebih besar untuk dirawat karena tekanan darah tinggi dibanding mereka yang tinggal dilingkungan dengan rata-rata tingkat kebisingan malam hari sebesar 50 desibel. Polusi suara meningkatkan tekanan darah dan karena itu memiliki dampak kesehatan jangka panjang. [1]

Selain berpengaruh terhadap tekanan darah tinggi, kebisingan dan getaran juga mempengaruhi fungsi keseimbangan dan pendengaran dimana kebisingan dan getaran dapat merusak koklea ditelinga dalam menyebabkan gangguan keseimbangan. Seiring dengan kebutuhan pembangunan, penggunaan peralatan Industri yang menimbulkan bising dan getaran di negara berkembang, termasuk Indonesia makin lama akan makin bertambah. Hal ini perlu diantisipasi untuk mencegah kerugian sumber daya manusia, salah satu yaitu dengan meredam getaran dan suara. [2 ]

Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No. 48 tahun 1996 tentang baku tingkat kebisingan menyatakan pembagian wilayah untuk beberapa zona yang antara lain perkantoran, pertokoan, perdagangan dan pasar dengan tingkat kebisingan sekitar 55 ÷ 60 dB. [3] Pada zona ini Khususnya di kota-kota besar penyebab utama kebisingan adalah dari knalpot kendaraan, khususnya mobil. Selain itu Badan Standarisasi Internasional ISO 5130;2002 menetapkan suatu prosedur test Instrumentasi dan lingkungan yang berhubungan dengan kebisingan knalpot. [4]

Penurunan tingkat kebisingan knalpot selain dipengaruhi bentuk struktur juga dipengaruhi oleh bahan/material knalpot.

(21)

Di kota-kota besar penyebab utama kebisingan adalah knalpot kendaraan, khususnya mobil. Dengan tingkat kebisingan sekitar 55 hingga 60 dB. Ini telah menjadi sebuah permasalahan karena tingkat kebisingan yang baik adalah dibawah 50 dB. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian untuk mengurangi tingkat kebisingan yang ditimbulkan oleh knalpot mobil tersebut.

Kerangka Konsep.

Gambar 1.1 Kerangka Konsep

1.3. Tujuan penelitian Permasalahan : Kebisingan (polusi suara) Dampak : - Manusia - Mesin Peraturan : - Menteri Lingkungan hidup. - Standart ISO Sumber Kebisingan : Kendaraan bermotor dengan jenis 5K

Knalpot profil silinder dari material Titanium

-Dimensi

Simulasi:

Menggunakan ANSYS

Hasil penelitian :

- Karakteristik Kebisingan Noise Level

Kesimpulan Penelitian

(22)

1.3.1. Tujuan Umum

Tujuan umum penelitian ini untuk mengetahui emisi kebisingan knalpot dengan profil silinder yang dibuat dari material titanium

1.3.2 Tujuan khusus

1. Mendapatkan distribusi panas sepanjang knalpot.

2. Mendapatkan kecepatan aliran gas buang sepanjang knalpot.

3. Mengetahui distribusi noise sepanjang knalpot dengan data distribusi panas dari kecepatan aliran gas buang.

4. Mengetahui pengaruh dimensi terhadap perubahan noise. 5. Mengetahui pengaruh putaran terhadap perubahan noise.

1.4 Manfaat Penelitian

1. Diharapkan dapat memberi kontribusi yang positif terhadap usaha penurunan kebisingan knalpot.

2. Dapat mengetahui tingkat kebisingan yang dikeluarkan knalpot yang terbuat dari material titanium.

3. Memberikan informasi kepada industri.

4. Memberikan informasi untuk digunakan sebagai pengembangan pengetahuan pada penelitian lanjutan.

1.5 Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini meliputi 5 bab. Bab I memuat latar belakang permasalahan, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Bab II berisikan landasan teori yang memuat konsep dasar tentang bunyi, hubungan antara tingkat daya, tingkat intensitas dan tingkat bunyi serta metode elemen hingga. Bab III meliputi tahap penelitian. Bab IV yang mencakup hasil simulasi dan perhitungan teoritis. Bab V merupakan kesimpulan yang didapat dari tugas sarjana ini.

(23)

BAB II

(24)

2.1 Konsep Dasar Tentang Bunyi

Bunyi adalah hasil getaran sebuah benda. Getaran dari sumber bunyi menggetarkan udara sekitarnya, dan merambat ke segala arah sebagai gelombang longitudinal. Bunyi secara psikologis, didefenisikan sebagai hasil dari variasi-variasi tekanan di udara yang berlaku pada permukaan gendang telinga mengubah tekanan ini menjadi sinyal-sinyal elektrik dan diterima otak sebagai bunyi. Bunyi juga dapat didefenisikan sebagai gangguan fisik dalam media yang dapat dideteksi oleh telinga manusia. Pengertian ini menetapkan kebutuhan akan adanya media yang memiliki tekanan dan elastisitas sebagai media pemindah gelombang bunyi.

Bunyi termasuk gelombang mekanis longitudinal. Gelombang bunyi tersebut dapat dijalarkan didalam benda padat, benda cair, dan gas. Bunyi tidak merambat melalui ruang hampa udara (vakum). Bunyi merambat melalui suatu medium dengan cara memindahkan energi kinetik dari satu molekul lainnya dalam medium tersebut.

Bunyi dapat didengar oleh telinga manusia, apabila mempunyai frekuensi antara 16 Hz sampai 6 kHz. Jangkauan frekuensi ini disebut frekuensi audio (audible range). Frekuensi bunyi dibawah ambang batas pendengaran manusia (< 16 Hz) disebut frekuensi infrasonik. Sedangkan frekuensi diatas ambang batas pendengaran manusia (>16 kHz) disebut frekuensi ultrasonik.

2.1.1 Perambatan Bunyi

Bunyi hanya dapat merambat melalui medium. Gelombang-gelombang bunyi, jika tidak dirintangi akan menyebar didalam semua arah dari sebuah sumber. Sebagai contoh, getaran pengeras suara menghasilkan gelombang bunyi di udara. Getaran-getaran pengeras suara menghasilkan variasi tekanan pada udara. Gelombang bunyi di udara secara normal adalah getaran dari udara yang memaksa gendang telinga kita untuk bergetar. Akan tetapi, gelombang bunyi juga dapat menjalar ke bahan-bahan lainnya. Jelas sekali bahwa bunyi tidak dapat berpindah tanpa adanya bahan atau medium

(25)

perantara. Bunyi memerlukan waktu untuk merambat dari suatu tempat ke tempat yang lain. Kecepatan bunyi pada setiap bahan berbeda-beda.

2.1.2 Frekuensi

Frekuensi bunyi dapat didefenisikan sebagai jumlah periode siklus kompresi dan regangan yang muncul dalam satu satuan waktu.

f = 1/t (1)

dimana : f = Frekuensi (Hz) t = Waktu (detik)

Dalam tabel 2.1 berikut dapat dilihat jarak frekuensi yang dapat ditransmisikan dan diterima oleh beberapa sumber dan penerima bunyi

Tabel 2.1 Jarak frekuensi yang ditransmisikan dan diterima oleh sumber dan penerima bunyi.[5]

Sumber Bunyi Jarak Frekuensi (Hz)

Manusia 85 - 5.000

Anjing 450 - 1080

Kucing 780 - 1520

Piano 30 - 4100

Pitch Musik Standar 440

Terompet 190 - 990

Drum 95 - 180

Kelelawar 10.000 - 120.000

Jangkrik 7.000 - 100.000

Burung Nuri 2.000 - 13.000

Burung Kakak Tua 7.000 - 120.000

Mesin Jet 5 - 50.000

Mobil 15 - 30.000

Penerima Bunyi

(26)

Anjing 15 - 50.000

Kucing 60 - 65.000

Kelelawar 1000 - 120.000

Jangkrik 100 - 15.000

Burung Nuri 250 - 21.000

Burung Kakak Tua 150 - 150.000

2.1.3 Kecepatan Perambatan

Bunyi bergerak pada kecepatan berbeda pada tiap media. Pada media gas atau udara, cepat rambat bunyi bergantung pada kerapatan, suhu, dan tekanan. [5]

c =

ρ

γ.Ρa ₍₂₎

atau dalam bentuk sederhannya dapat ditulis :

c = 20,05 T (3)

dimana : c = Cepat rambat bunyi (m/s)

= Rasio panas spesifik (untuk udara = 1.41) Pa = Tekanan atmosfer (pascal)

ρ = Kerapatan (Kg/m3₎ T = Suhu (K)

sedangkan pada media padat bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan.[5]

c =

ρ

E ₍₄₎

dimana : E = Modulus Elastisitas (Pascal) = Kerapatan (Kg/m3)

(27)

Pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan [5]

c =

ρ

K

(5)

dimana : K = Modulus bulk

ρ = Kerapatan (Kg/m3)

2.1.4 Panjang Gelombang

Panjang gelombang bunyi dapat didefenisikan sebagai jarak antara dua muka gelombang berfase sama. Hubungan antara panjang gelombang, frekuensi dan cepat rambat bunyi dapat ditulis [5]

f c

=

λ (6)

Dimana : λ= Panjang gelombang bunyi(m) c = Cepat rambat bunyi (m/s) f = Frekuensi (Hz)

2.1.5 Intensitas

Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam suatu daerah per satuan luas. Intensitas bunyi pada tiap titik dari sumber dinyatakan dengan[5]

I =

A

W ₍₇₎

Dimana : I = Intensitas bunyi (W/m2) W = Daya akustik (Watt) A = Luas Area (m2)

Ambang batas pendengaran manusia, yaitu nilai minimum intensitas daya bunyi yang dapat dideteksi telinga manusia adalah 10-6_W/cm2_{. Intensitas maksimum bunyi yang} dapat diterima tanpa menyebabkan kerusakkan adalah sekitar 10-3_W/cm2_.

(28)

2.1.6 Kecepatan Partikel

Radiasi bunyi yang dihasilkan suatu sumber bunyi akan mengelilingi udara sekitarnya. Radiasi bunyi ini akan mendorong dan partikel udara yang dekat dengan permukaan luar sumber bunyi. Hal ini akan menyebabkan bergeraknya partikel-partikel disekitar radiasi bunyi yang disebut dengan kecepatan partikel.

Hubungan tekanan dengan kecepatan partikel sebagai berikut : [6]

V =

c

. (8)

Dimana : V = Kecepatan partikel (m/det) P = Tekanan (pascal)

ρ = Massa jenis bahan (kg/m3₎

c = Kecepatan rambat gelombang (m/det)

Untuk permasalahan solidborne dapat dianalogikan menjadi persamaan .

= c.V (9)

Dengan asumsi :

1. Gelombang yang terjadi di solid adalah gelombang bidang 2. Persamaan diatas dapat diturunkan menjadi gerak di benda solid

3. Reaksi medium solid berupa tegangan, sedangkan pada udara berupa tekanan

2.1.7 Tekanan Bunyi dan Tingkat Tekanan Bunyi

Tekanan bunyi adalah variasi tekanan diatas dan dibawah tekanan atmosfer, dalam satuan pascal. Variasi tekanan ini sifatnya periodik, satu variasi tekanan komplit disebut

(29)

juga sebagai satu siklus frekuensi. Secara umum persamaan gelombang tekanan bunyi datang dapat dituliskan sebagai :

) . 2 sin( f t k1.x P Pl = a π − (10)

Dan persamaan untuk gelombang ditransmisikan dan dipantulkan adalah : ) . 2 sin( f t k₂t P P_t= _a π − (11) ) . 2 sin( f t k₁x P P_r= _a π + (12)

Dimana : P = Tekanan bunyi (N/m_l 2 atau Pal)

P = Tekanan bunyi ditransmisikan (N/mt 2 atau Pa) Pr = Tekanan bunyi dipantulkan (N/m2 atau Pa) P = Amplitudo tekanan bunyi (N/m_a 2 atau Pa) f = Frrekuensi (Hz)

t = Waktu (detik)

k1,k2 = Bilangan gelombang pada media 1 dan media 2 =

c f

π

2

x = Jarak dari sumber

Tingkat tekanan bunyi didefenisikan dalam persamaan berikut :

Lp = 10 log 2 ) (         ref P t p dB (13)

Dimana : Lp = Tingkat tekanan bunyi (Sound Pressure Level/SPL), dB P = Tekanan bunyi referensi, 2 x 10-_ref 5 N/m2 untuk bunyi udara p (t) = Tekanan bunyi, Pa

2.1.8 Tingkatan Intensitas Bunyi

Intensitas bunyi sangat penting diperhatikan untuk mengetahui radiasi total yang menuju udara oleh sumber bunyi dan untuk mengetahui tekanan bunyi. Intensitas bunyi

(30)

tergantung pada posisi dalam daerah persatuan luas dimana gelombangnya bergerak secara pararel. Intensitas bunyi akan bernilai maksimum jika arah gelombangnya tegak lurus dari sumber bunyi.

Hubungan intensitas bunyi, tekanan bunyi, kecepatan bunyi dan kerapatan udara adalah sebagai berikut [18]

p2rms =I_mas.ρ.c (14)

Dimana : p = akar tekanan bunyi, Pa rms ρ= Kerapatan udara, Kg/m3 c = kecepatan bunyi di udara, m/s

Tingkatan intensitas bunyi didefenisikan dalam rumus berikut :

Lt = 10 log ref

I

I ₍₁₅₎

Dimana : I = Intensitas bunyi, W/m2

I = Intensitas referensi, 10_ref -12 W/m2

2.1.9 Daya Bunyi dan Tingkatan Daya Bunyi

Daya bunyi adalah daya radiasi sumber bunyi yang menuju ke sekitar udara, dalam satuan watts. Hubungan daya bunyi dengan intensitas bunyi ditulis dalam persamaan berikut : ) ( ) 4 ( _r2 _I _r W_s = π _s (16)

Dimana Ws = Total daya bunyi, watts

Is = Maksimum intensitas udara pada jarak radius (r)

r = Jarak dari titik tengah akustik sumber bunyi ke permukaan imajiner sphere, m

(31)

w

L = 10 log W/W0 (17)

Dimana : L = Tingkat daya bunyi, dB w W = Daya bunyi, watts

W0 = Daya bunyi referensi, 10-12 Watts

2.2 Hubungan Antara Tingkat Daya, Tingkat Intensitas dan Tingkat Tekanan Bunyi

Intensitas pada suatu ketika berhubungan dengan tekanan bunyi pada titik dalam daerah bebas seperti pada persamaan dengan mengkombinasikan persamaan maka diperoleh tingkat intensitas bunyi sebagai berikut :

I L = 10 log         ref I I = 10 log         ref cI P ρ 2 = 10 log         2 2 ref P P +10 log 2 2         ref ref cI P ρ I L = Lp – 10 log K (18) Dimana : K = konstanta = _I _c/_P2 _c/400 ref refρ = ρ

Dengan cara yang sama terhadap tingkat tekanan bunyi, maka :

Lp = LI + 10 log K (19)

Pada kondisi dimana intensitas adalah seragam dalam sebuah daerah S, daya bunyi dan intensitas berhubungan pada persamaan :

W = I.A (20)

Selanjutnya hubungan antara tingkat intensitas dan tingkat daya bunyi sebagai berikut:

10 log 0 12 12 10log₁₀ 10log 10 A A I W ₌ ₊ − − Lw = LI+10 log A (21)

Dimana : A = Luas permukaan daerah (m2₎ A0 = 1 m2

(32)

2.2.1 Tingkat Tekanan Suara

2.2.1.1.Tingkat Tekanan Suara dan Tingkat Tekanan Suara Berbobot A ( Tingkat kebisingan).

Suara adalah gejala dimana partikel-pertikel udara bergetar dan menyebabkan perubahan-perubahan dalam tekanan udara, intensitasnya dinyatakan sebagai tekanan suara. Energi yang yang diperlukan untuk getaran (Pa), tenaga suara dari sumber (W). Tekanan suara sebesar 20 Pa adalah tekanan suara minimum yang dapat ditangkap oleh telinga manusia, atau tekanan suara refrensi efektif.

Tekanan suara juga diukur dalam dB (decibel). Alat-alat ukur tingkat kebisingan menggunakan rangkaian penyesuaian refrensi yang mengassimilasikan kepekaan telinga manusia terhadap kenyaringan. Karakteristik penyesuaian frekuensi ini adalah seperti terlihat pada gambar 2.1

Gambar 2.1 Karakteristik Frekusensi

Tingkat kenyaringan yang di dapat sesudah penyesuaian frekuensi ini dinamakan ”Tingkat tekanan suara berbobot A (tingkat kebisingan)”. Dimana tingkat tekanan suara

berbobot A = ₂ 0 2 log 10 P

PA _{dan tingkat tekanan suara =} 2 0 2 log 10 P P , dimana : P0 = 20 Pa (21)

(33)

2.2.1.2 Tingkat Tekanan suara Berbobot A yang Sepadan dan Kontinyu

Didefinisikan sebagai ”tingkat tekanan suara berbobot A dari kebisingan yang fluktuasi selama satu periode waktu T, yang dinyatakan sebagai jumlah energi rata-rata”.

Dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

        + =       − =

_∫

10 10 1 2 0 1 2 2 1 10 10 1 log 10 , , 1 log 10 A a L L Aeq A Aeq n L dan dt P P t t L (22)

dimana : P0 = Tekanan suara referensi ( 20 Pa )

PA = Tekanan suara berbobot A (untuk waktu A) dari kebisingan target (PA).

Periode waktu adalah dari t1 sampai t2, jumlah contoh-contoh tekanan suara berbobot A adalah n. Tingkat tekanan suara berbobot A dari kebisingan yang fluktuasi selama satu periode waktu T dapat dilihat seperti pada gambar 2.2. berikut.

Gambar 2.2 Hubungan Tingkat Tekanan Suara dengan Waktu 2.3 Pengertian Kebisingan

(34)

Bising (noise) diartikan sebagai bunyi yang tidak diinginkan dan dapat merusak pendengaran manusia. Bunyi dinilai sebagai bising sangatlah relatif sekali, suatu contoh misalnya : bunyi mesin-mesin di pabrik merupakan hal yang biasa bagi operatornya, tetapi tidak demikian pada orang-orang lain disekitarnya. Itu adalah suara yang tidak diinginkan, suara itu adalah kebisingan. Tetapi hampir semua mesin-mesin yang dihasilkan, baik itu untuk industri maupun pada kendaraan bermotor selalu disertai dengan kebisingan.

2.3.1 Sumber-Sumber Kebisingan

Secara garis besar sumber-sumber kebisingan dapat dibagi atas tiga yaitu : 1. Air Borne

2. Solid Borne / Structur Borne 3. Fluid Borne

Air borne merupakan penyebab kebisingan akibat fenomena turbulen, shock dan pulsasi

di dalam media udara atau gas. Solid borne / struktur borne adalah fenomena kebisingan yang terjadi pada benda solid akibat dari impak, medan magnet dan lainnya. Sedangkan fluid borne adalah kebisingan pada fluida yang disebabkan oleh gejala-gejala turbulen, kavitasi dan pulsasi.

Pada sistem teknik mesin, gejala-gejala penyebab kebisingan yang sering timbul dapat digolongkan atas tiga yaiut :

1. Mechanical Noise : Kebisingan akibat fenomena mekanikal, antara lain pada roda gigi, impeller, suatu fan ataupun sistem yang terkena beban luar.

2. Electro Noise : Kebisingan akibat fenomena elektro, antara lain pada trafo, generator dan lainya.

3. Hydro Noise : Kebisingan akibat fenomena hydro, antar lain aliran turbulen, instalasi pipa dan lainya.

(35)

2.3.2 Efek Pendengaran dan Pengaruh Kebisingan Terhadap Manusia

Pada sistem pendengaran manusia memiliki batas dan reaksi terhadap pendengaran yang berpengaruh terhadap aspek psikologi, fisik dan biologis.

Kebisingan yang terjadi dapat mempengaruhi kemampuan pendengaran manusia, selain itu juga dapat mempengaruhi kemampuan berkomunikasi dan tingkah lakunya. Kebisingan yang cukup tinggi, diatas 70 dB dapat mengakibatkan kegelisahan, kurang enak badan dan gangguan peredaran darah. Kebisingan diatas 85 dB dapat menyebabkan kemunduran serius pada kondisi kesehatan seseorang.

Bila tingkat kebisingan melampui tingkat kebisingan yang membahayakan maka harus diambil suatu tindakan pencegahan untuk mereduksi sumber kebisingan. Dan apabila hal ini berlangsung terus menerus dapat merusak pendengaran yang sifatnya sementara atau permanen. Sayangnya hal ini tidak disadari oleh semua orang, sebab pengaruh atau efek yang ditimbulkan tidak terjadi saat itu juga, bisa beberapa tahun atau saat memasuki hari tuanya.

Pada sistem pendengaran manusia memiliki batas dan reaksi terhadap penerimaan pendengaran yang berpengaruh terhadap aspek psikologi, fisik dan biologis. Para peneliti kesehatan menyimpulkan bahwa bising dapat mempengaruhi pendengaran, detak jantung, gangguan tidur dan lain sebagainya.

Telinga manusia memberikan respon berbeda pada tiap frekuensi bunyi yang berbeda. Agar dapat menginterpretasikan respon telinga terhadap sumber bunyi tertentu, kita harus mengetahui distribusi bunyi disepanjang spektrum frrekuensi. Respon non-linier telinga telah menghasilkan kurva-kurva Fletcher-Munson untuk kenyaringan yang sama sebagaimana ditunjukkan apada gambar 2.3.

Pendengaran normal manusia dapat menerima bunyi dalam jarak frekuensi dari 20 – 20.000 Hz yang disebut juga sebagai batas normal frekuensi pendengaran audible. Dalam jarak ini sendiri, pendengaran manusia lebih peka terhadap frekuensi sedang dibandingkan pada frekuensi rendah atau tinggi.

(36)

Pendengaran manusia sangat sensitif pada frekuensi 3000 – 6000 Hz, yang mana pada jarak ini terdapat takikan kurva yang sangat signifikan karena pada jarak frekuensi tersebut merupakan frekuensi kritis untuk pendengaran manusia.

Gambar 2.3 Kurva Fletcher-Munson [7]

Tingkat tekanan bunyi minimum yang mampu membangkitkan sensasi pendengaran pada telinga penerima disebut ambang kemampuan didengar (treshold of

hearing). Tingkat tekanan bunyi minimum yang merangsang telinga sampai suatu

keadaan dimana rasa tidak nyaman menyebabkan rasa sakit tertentu disebut ambang rasa sakit (treshold of pain). Kurva ambang kemampuan didengar dan ambang rasa sakit yang membatasi daerah sensasi pendengaran dapat dilukiskan pada gambar 2.4

(37)

Gambar 2.4 Kurva ambang kemampuan didengar dan ambang rasa sakit [7]

Secara umum pengaruh kebisingan pada pendengaran dapat dibagi menjadi tiga kategori 1. Trauma akustik, yaitu kerusakkan organik yang bersifat cepat pada telinga

akibat adanya energi suara yang diluar batas.

2. Kehilangan pendengaran sementara (nois-induced tempory treshold shift), yaitu bila telinga pendengar segera dapat kembali normal setelah terkena bising pada jangka waktu tertentu.

3. Kehilangan pendengaran tetap (noise-induced permanent treshold shift), yaitu bila telinga pendengar tidak dapat kembali normal setelah terkena bising pada jangka waktu tertentu.

Tingkat tekanan bunyi yang diterima oleh pendengar juga bergantung pada jangka waktu penerimaannya. Hubungan antara sumber bunyi, frekuensi, waktu, ambang batas pendengaran, dan ambang batas sakit dapat digambarkan pada gambar 2.5

(38)

Gambar 2.5 Sumber Bunyi Umum Pada Frekuensi Dominan Dan Tingkatannya [7]

Pemerintah Indonesia, melalui keputusan menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor : KEP-48/MENLH/11/1996 tentang baku tingkat kebisingan, membuat aturan mengenai baku tingkat kebisingan yang diizinkan di Indonesia. Baku tingkat kebisingan ini adalah pada tabel 2.2 sebagai berikut :

Tabel 2.2 Baku Tingkat Kebisingan Indonesia [3]

Peruntukkan Kawasan/Lingkungan

Kegiatan Tingkat Kebisingan a. Peruntukkan Kawasan

1.Perumahan dan Pemukiman 55

2. Perdagangan dan Jasa 70

3. Perkantoran dan Perdagangan 65

4. Ruang Terbuka Hijau 50

5. Industri 70

6. Pemerintahan dan Fasilitas Umum 60

7. Rekreasi 70

8. Khusus

a. Bandara Udara*

b. Stasiun Kereta Api*

c. Pelabuhan Laut 70

d. Cagar Budaya 60

b. Lingkungan Kegiatan

1. Rumah Sakit atau sejenisnya 55

2. Sekolah atau sejenisnya 55

(39)

Berbagai nilai umum untuk tingkatan tekanan bunyi (SPL), bunyi tipikalnya, serta penampakkan subjektifnya dapat dilihat pada tabel 2.3. Sedangkan tabel 2.4 memberikan hubungan tingkat tekanan bunyi dan tekanan bunyi serta situasi tipikalnya.

Tabel 2.3 Tingkat Bising Umum [7] Tingkat

Tekanan Bunyi (dBA)

Bunyi Tipikal Penampakkan Subjektif

140

Pesawat jet yang take off

Pemaparan singkat dapat menyebabkan gangguan pendengaran

130 Tembakkan artileri Ambang batas sakit

120 Sirene pada 100 ft, petir, sonic boom Menulikan telinga

110 Akselerasi sepeda motor, band hard rock Ambang batas _{ketidaknyamanan}

100

Kereta api bawah tanah, jalan raya yang ribut, mesin pemotong rumput

Sangat ribut, percakapan, sangat

sulit ; diperlukan 90

Pabrik yang sibuk, truck tak berknalpot, peluit kereta api, bor palu tangan pneumatik

Penutup telinga untuk kesehatan

80 Percetakkan, kantor yang sibuk, kebanyakkan

pabrik

70

Bising jalan raya rata-rata, mesin tik, kereta api

barang pada 100 ft.

Ribut, harus keras berbicara agar bisa didengar

60 Rumah yang bising, lobby hotel, restoran,

percakapan normal

50 kantor umumnya, rumah sakit, bank rata-rata,

jalanan yang lengang

Percakapan normal dapat didengar dengan mudah

40 Kantor pribadi, rumah yang sunyi

30 Percakapan rahasia Sunyi

20 Bisikan

10 Nafas manusia Sangat sunyi

0 Ambang batas pendengaran

Tabel 2.4 Spektrum Kebisingan Akustik [8]

Tekanan Bunyi Wilayah

Kebisingan decibels Lp,

N/m2 _Atm. _lb/in2 Tipikal Situasi

200 2 x 105 _2.03 _29,4 200 yd dari peluncuran

misil

180 2 x 104 _{2.03 x 10}-1 _2.94 _{Ketulian instan}

Kerusakkan Fisik

160 2 x 102 2.03 x 10-2 _{2.94 x 10}-1_{Ambang batas kerusakkan}

fisik Rasa sakit

pada

telinga 140 2 x 10

2 _{2.03 x 10}-3 _{2.94 x 10}-2_{Ambang batas rasa sakit,}

(40)

120 20 2.03 x 10-4 _{2.94 x 10}-3_Guntur

100 2 2.03 x 10-5 _{2.94 x 10}-4_{Pabrik mesin berat}

80 2 x 10-1 _{2.03 x 10}-6 _{2.94 x 10}-5_{Pabrik umumnya}

60 2 x 10-2 _{2.03 x 10}-7 _{2.94 x 10}-6_{Pabrik kecil}

40 2 x 10-3 _{2.03 x 10}-8 _{2.94 x 10}-7_{Percakapan, Perumahan}

20 2 x 10-4 _{2.03 x 10}-9 _{2.94 x 10}-8_{Bisikan, gesekan daun}

Daerah Gangguan

0 2 x 10-5_{2.03 x 10}-10 _{2.94 x 10}-9_{Ambang batas}

pendengaran 2.4 Propagasi Bunyi

Dalam teknik pengendalian kebisingan identifikasi propagasi atau jalanya rambatan bunyi mencakup komponen mana saja yang berpotensial meneruskan dan merefleksikan kembali bunyi pada suatu kontruksi. Gelombang bunyi berpropagasi dalam bentuk gelombang kompresi yang berjalan dengan kecepatan bunyi dalam medium sekitarnya. Gelombang longitudinal sebagai penghantar energi bunyi berpropagasi pada medium-medium yang memiliki tekanan dan elastisitas seperti plasma, gas, fluida dan solid. Gelombang bunyi menjalar di udara bergantung pada elastisitas dan kerapatan udara. Propagasi bunyi/kebisingan dari sumber bunyi/kebisingan dapat dikategorikan atas tiga bagian utama, yaitu :

1. Solid/structure borne 2. Air Borne

3. Fluid Borne

2.4.1 Solid Borne

Rambatan gelombang bunyi benda/material solid sangat tergantung dari dimensi dan material mediumnya. Pada material solid akan terjadi fenomena gelombang transversal yang sangat berpengaruh pada kecepatan rambat gelombangnya.

(41)

ρ

E

c₀ = m/det (23)

Dimana : E = Modulus Elastisitas, Gpa ρ =Kerapatan, Kg/m3

Kecepatan rambat gelombang longitudinal dibenda solid dipengaruhi dimensi model yang ditinjau dan menyebabkan tekanan atau tarikan dan pergeseran dalam bentuk tegangan sebagai reaksi material yang bersifat lateral. Hal ini dikarenakan jika media solid diberi beban akan menyebabkan gelombang longitudinal dan transversal. Telah diketahui bahwa rapatan longitudinal menyebabkan regangan yang besarnya

dx

ξ

∂ _{dan disertai pergeseran sudut sebesar}

dy K

∂ _{dengan anggapan gelombang menjalar}

sepanjang sumbu x. Harga K adalah perpindahan dalam arah y dan merupakan fungsi dari x dan y. Perbandingan antara kedua regangan ini disebut poisson’s ratio yang besarnya [18] v x y K = ∂ ∂ ∂ ∂ − / / ξ (24)

Harga poissons’s ratio v, merupakan bentuk dari konstanta elastic lame’s λ dan koefisien kekakuan G untuk benda solid sebagai :

v = ) ( 2 λ+G λ (25)

harga λ dan G adalah positif sehingga nilai v selalu <1/2 atau sering kali berada sekitar 1/3

pengaruh dari kekakuan transversal G menyebabkan kekakuan material dan meningkatkan konstanta elastis selama gelombang longitudinal beroperasi. Kecepatan rambat gelombang dipengaruhi oleh kekakuan transversal sehingga menjadi :

=

1

c

ρ

(42)

2.4.2 Air Borne

Bunyi dapat ditransmisikan lewat udara disebut bunyi di udara (air borne sound). Percakapan manusia, bunyi musik, dan bunyi-bunyian lainnya sampai pada telinga pendengar melalui media udara.

Dari sudut pandang penerima, bunyi struktur tidak dapat dibedakan dari bunyi di udara. Bunyi struktur yang ditransmisikan langsung lewat bangunan tertentu, seperti tembok, balok, panel, langit-langit gantung, plesteran berbulu, dan papan-papan bangunan dan akhirnya mencapai pendengar sebagai bunyi di udara.

Bising di udara yang berasal dari ruang sumber dapat ditransmisikan ke ruang penerima dengan cara-cara sebagai berikut :

1. Sepanjang jejak udara yang sinambung lewat buka-bukaan, seperti pintu dan jendela yang terbuka, pipa ventilasi dan kisi-kisi, lubang-lubang udara, daerah yang berpusar (crawl space), celah dan retakan sekitar pintu, pipa kabel listrik, peralatan listrik dan elemen yang tertanam (built-in).

2. Lewat getaran paksa yang diberikan pada permukaan batas (dinding, lantai, langit-langit) oleh sumber bunyi dan ditransmisi ke permukaan batas ruang penerima. Sebenarnya apa yang diterima pendengar dalam ruang penerima bukan bagian dari bunyi asli tetapi reproduksi bunyi tersebut. Bila ruang sumber dan ruang penerima mempunyai bidang batas yang sama (dinding pemisah atau lantai), maka bunyi yang diradiasikan kembali dapat menjadi sangat jelas kecuali bidang batas yang bersangkutan menyediakan cukup hambatan (resistance) pada getaran, yaitu massanya cukup besar.

2.5 Radiasi Bunyi

Radiasi bunyi adalah terpancarnya kebisingan dari batas sistem/unit/mesin ke lingkungan. Identifikasi radiasi sangat tergantung dari bentuk geometri dari suatu struktur mesin/komponen, serta bagian mana saja yang berpotensial dan bersifat dominan. Radiasi juga dipengaruhi oleh situasi disekitar objek yang menjadi

(43)

permasalahan, seperti tipe medan bunyi, ruang terbuka datau ruang tertutup dan emisi dari mesin-mesin yang berdekatan.

Seperti halnya propagasi bunyi, radiasi bunyi juga dapat dibedakan atas tiga jenis, yaitu : air borne radiation, solid/structure borne radiation, dan liquid borne

radiation. Secara umum peristiwa radiasi bunyi dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.6 Skematik Radiasi Bunyi [9]

2.5.1 Pulsating Sphere

Pulsating sphere mewakili sebuah idealisasi model yang menggambarkan karakteristik radiasi bunyi dari beberapa sumber bunyi yang bergetar dalam sebuah cara yang menghasilkan dalam perpindahan volume. Asumsikan bola berjari-jari r bergetar dengan

kecepatan permukaan normal v^(r)pada frekuensi f =ω/2π. Tekanan bunyi p (x) ^

berkurang dengan bertambahnya jarak x, sehingga :

      = r x r p x p^( ) ^( ) e-jk0x N/m2. (27)

(44)

Kecepatan partikel v(x), yang titiknya dalam arah radial adalah       ₊ = = jk x x j r p dx dp j x v ₂ ₀ 0 ^ 0 ^ ₁ ₁ ) ( 1 ) ( ωρ ωρ e-jk0x m/s. (28) Dimana k0 = 0 c

ω_{adalah nomor gelombang dan}

0

ρ dan c₀ adalah kerapatan dan

kecepatan bunyi. Evaluasi 2 persamaan ini pada permukaan bola (x=r) dan pemecahan untuk p(r) didapat 2 ^ 2 0 2 0 0 0 ^ 0 0 0 ^ ^ / ) ( ) ( 1 ) ( ) ( / 1 / 1 ) ( ) ( v r Z N m r k jkr r k c r v r j c r v r p ₊ = rad + = + = ρ ωρ ρ (29)

Dimana Zrad adalah impedansi radiasi dari pulsating sphere mengindikasikan bahwa pada frekuensi rendah dimana ka<< 1(ωρ₀r<<ρ₀c₀)kecepatan getaran

) ( ^

r

v menghasilkan tekanan bunyi ^p(r)<<v^(r)ρ₀c₀dan bahwa hanya sebuah fraksi dari tekanan bunyi kecil ini adalah dalam fase dengan kecepatan, alasan-alasan fisik untuk sifat ini adalah sebagai berikut [19] :

1. Pada frekuensi rendah fluida di dorong keluar dari arahnya dengan lambat dan berpisah sepanjang garis radial karena itu kecepatan partikel berkurang dengan pertambahan jarak hanya saja ini untuk aliran steady state dalam simpangan saluran. Reaksi gaya kecil dan umumnya dapat disebabkan oleh inersia dari fluida dan kompresi yang rendah.

2. Dengan pertambahan frekuensi proses pengelakkan harus mengambil tempat lebih cepat dan reaksi gaya bertambah karena fraksi darinya dapat disebabkan oleh kompresi.

3. Pada frekuensi tinggi, menjadi lebih ringan untuk menekan fluida dari pada untuk mengakselerasinya untuk menyelesaikan proses pemisahan dan gaya reaksi menjadi penuh disebabkan oleh efek kompresi

(45)

Hal ini menyebabkan pulsating body (dari beberapa bentuk) kecil dibandingkan dengan panjang gelombang. Energi bunyi di radiasi oleh sphere pulsating dengan

kecepatan permukaan puncak v^(r)adalah :

Wrad = ₂ 0 2 0 0 0 2 ^ 2 ^ 2 ) . ( 1 ) . ( . . . . . 2 1 ) ( ) 4 ( 2 1 r K r K S C v Z r v r rad + = ρ π (30) Dimana : r = Jarak permukaan (m)

0C0 = karakteristik impedance untuk udara v = kecepatan partikel untuk tiap jarak (m/s) S = merupakan luas permukaan radiasi (m2) K0 = bilangan gelombang 2 f/c

2.5.2 Efisiensi Radiasi

Biasanya untuk menentukan efisiensi radiasi bagian yang bergetar digunakan persamaan

A c v W n rad rad 0 0 2 ) ( ρ σ = (31)

dimana (vn2) adalah komponen normal dari kecepatan getaran kuadrat rata-rata dari radiasi permukaan dari luas A dan Wrad adalah energi radiasi bunyi. Dengan defenisi

ini, persamaan (31) menjadi

[

2

]

0 2 0 ) ( 1 ) ( a k a k rad = ₊ σ (32)

2.6 Teknik Pengendalian Kebisingan (Engeneering Noise Control)

Pengendali kebisingan merupakan tindakan penurunan/pengurangan kebisingan di sumber-sumber kebisingan, mengontrol jalannya kebisingan dan perlindungan terhadap

(46)

Penurunan kebisingan dengan metode aplikasi akustik pada permesinan sejak tahap desain merupakan hal yang paling efektif mengingat besarnya cost yang harus dikeluarkan. Persoalan pengendalian kebisingan bersifat multi dimensi atau lintas ilmu.

Untuk mendapatkan suatu rancangan komponen mesin yang bersifat low noise

design, ada hal-hal tertentu yang harus dilakukans alah satunya adalah identifikasi. Source atau Noise Generation Mechanism harus diketahui terlebih dahulu. Bersifat

apakah NGM-nya, apakah air borne, solid borne, ataupun fluid borne. Identifikasi ini mencakup sumber, propagasi dan radiasi dan berdasarkan data-data kulitatif, eksperimen dan pengalaman.

Gambar 2.7 Skematik Pengendalian Kebisingan. [8]

Sumber bunyi (accoustic source) dilukiskan sebagai fluktuasi gaya-gaya dalam medium/media. Fluktuasi gaya-gaya dapat berupa gerakan permukaan pada benda solid atau fluktuasi fluida seperti aliran turbulen.

Teknik yang dipakai untuk mengendalikan kebisingan pada sumber, yaitu :

1. Menghindari atau mengurangi sumber Air Borne, misalnya pada peristiwa turbulensi, shock dan pulsasi.

2. Menghindari atau mengurangi sumber Fluid Borne, misalnya pada peristiwa turbulensi, shock, pulsasi dan kavitasi.

3. Menghindari atau mengurangi sumber Solid Borne, misalnya pada peristiwa impak dan gesekan. Propagasi merupakan rambatan kebisingan yang akan diterima telinga. Dalam banyak situasi sumber, propagasi dan penerima dapat berupa interaksi-interaksi diantara mereka, namun pendekatan pemecahan permasalahan kebisingan adalah dengan cara yang sama. Dalam identifikasi

(47)

sumber-sumber kebisingan suatu sistem haruslah diketahui komponen-komponen mana saja yang bersifat aktif maupun pasif. Identifikasi propagasi atau jalanya rambatan bunyi mencakup komponen mana saja yang berpotensial meneruskan dan merefleksikan kembali dalam suatu material.

Teknik yang dipakai untuk mengendalikan kebisingan propagasi suara, yaitu : 1. Pembungkusan (capsuling)

Pengertian dari capsuling yang umum dipakai adalah menutup sistem secara penuh untuk mencegah terjadinya refleksi suaru dari mesin ke dinding rumah mesin. 2. Menggunakan plat akustik

3. Menyerap bising melalui material akustik/damper.

Identifikasi radiasi sangat tergantung dari bentuk geometri dari suatu struktur mesin/komponen. Bagian mana saja yang berpotensial dan bersifat dominan. Radiasi juga dipengaruhi oleh situasi disekitar objek yang menjadi permasalahan, seperti tipe medan bunyi, ruang terbuka atau ruang tertutup dan emisi dari mesin-mesin yang berdekatan.

Secara prinsip peristiwa radiasi dapat terjadi melalui bukaan (opening) pada mesin/sistem atau getaran/vibrasi dari luasan permukaan luar mesin/sistem tersebut. Teknik yang dapat digunakan untuk mengatasi/mengendalikan kebisingan radiasi suara dibagi dua, yaiu :

a. Teknik pengendalian radiasi suara melalui opening

1. Menentukan/merancang arah radiasi pada posisi/arah yang paling tidak mengganggu, dengan cara memodifikasi opening tersebut.

2. Mempergunakan damping atau dinding plat akustik pada opening tersebut. b. Teknik pengendalian radiasi suara pada luasan permukaan mesin.

(48)

1. Luas permukaan yang berpotensi terjadinya radiasi, dibuat sekecil mungkin. 2. Permukaan mesin yang rentan getaran dihindari

3. Luas permukaan yang terpaksa besar dibuat kecil.

4.Terapkan prinsip permukaan bagian luar dari struktur mesin mempunyai efisiensi radiasi yang kecil/rendah.

5. Redam permukaan tempat terjadinya radiasi suara 2.7 Kebisingan Knalpot (Noise Silencer)

Silencer atau Knalpot adalah alat pereduksi suara dan panas pada kendaraan atau

Mesin - mesin internal combustion , khusus pada mobil bensin atauDiesel penyerapan panas yang diambil oleh knalpot atau exhaust kurang lebih 30-35%.

Noise silencer merupakan kebisingan yang terjadi pada knalpot. Kebisingan terjadi

akaibat gas pembakaran yang dihasilkan dari mesin masuk ke knalpot dengan tekanan yang sangat tinggi. Untuk itu silencer atau knalpot dirancang khusus untuk meredam kebisingan yang terjadi pada kendaraan bermotor. Oleh karena, itu material yang baik untuk knalpot adalah material yang baik dalam menyerap bunyi (material akustik). Panas yang diterima knalpot dari hasil pembakaran dari motor berkisar 130 °C sampai dengan 160 °C dan suara yang sangat keras ketika terjadi pembakaran diruang bakar, maka knalpot harus mempunyai syarat–syarat tertentu apalagi pada saat sekarang lingkungan sangat di perhatikan dalam rangka menunjang program langit biru dimana gas buang dapat menjadikan kerusakan pada lingkungan maka mau tak mau pembuangan gas bekas menjadi perhatian sangat serius dan harus memenuhi kriteria tertentu. Adapun syarat utama pada knalpot:

1. Kemampuan bahan terhadap panas 2. Mereduksi suara atau kebisingan 3. Tidak mengganggu kinerja motor

(49)

Dibawah ini adalah contoh bentuk knalpot dan knalpot yang telah di mesh kan untuk membantu melakukan simulasi. Ini dapat terlihat jelas pada gambar 2.8 dan gambar 2.9 seperti dibawah ini.

Gambar 2.8 Bentuk Knalpot.

(50)

Gambar 2.10 Hasil Simulasi dengan PATRAN

Berdasarkan hasil studi literatur yang ada pada gambar 2.10 dapat dilihat hasil simulasi yang telah ada. Pada gambar terlihat jelas hasil simulasi bentuk knalpot yang telah dimesh dengan menggunakan software PATRAN pada frekuensi 2900 Hz . pada gambar 2.10 terlihat terjadi distribusi kebisingan pada solid borne.

(51)

Berdasarkan hasil studi literatur yang ada pada gambar 2.11 dapat dilihat hasil simulasi yang telah ada. Pada gambar terlihat jelas hasil simulasi bentuk knalpot yang telah di-mesh dengan menggunakan software PATRAN pada frekuensi 700 Hz. Pada gambar 2.11 terjadi distribusi suara pada gas borne dengan 3 zona.

2.8 Material Akustik

Bila suatu gelombang bunyi datang pada suatu permukaan batas yang memisahkan dua daerah dengan laju gelombang berbeda, maka kemungkinan yang terjadi adalah

1.Dipantulkan semua 2.Ditransmisikan semua

3.Sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian lagi akan ditransmisikan Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.12 berikut :

1 1c

ρ ρ2c2

Gambar 2.12 Pemantulan dan penyerapan bunyi pada suatu muka dataran dari dua media akustik

Misalkan dua media akustik dengan sifat impedansi ρ₁c₁ dan ρ₂c₂, dimana dataran gleombang dari arah kiri merambat tegak lurus terhadap antar muka. Jika ρ₁c₁ lebih kecil dari ρ2c2, kemudian energi dari gelombang datang tak dapat ditransmisikan melewati dataran antar muka, setiap energi yang tersisa akan menjadi gelombang pantul.

(52)

2.8.1 Penyerapan dan Pemantulan Akustik

Pemantulan bunyi adalah fenomena dimana gelombang bunyi dibalikkan dari suatu permukaan yang memisahkan dua media. Pemantulan bunyi ini juga mengikuti kaidah pemantulan, dimana sudut datangnya bunyi (i0) selalu sama dengan sudut pantulan bunyi (r0). Jumlah energi bunyi yang dipantulkan oleh suatu permukaan bergantung pada permukaan yang dikenainya. Dindinga lantai, dan langit-langit datar dapat menjadi pemantul yang baik; sebaliknya bahan-bahan yang kurang tegar dan berpori seperti kain, tirai dan taplak perabotan akan banyak menyerap bunyi.

Gambar 2.13 Pemantulan dan penyerapan energi bunyi pada media akustik

Proses pemindahan daya bunyi dari suatu ruangan tertentu, dalam mengurangi tingkat tekanan bunyi dalam volume tertentu, dikenal sebagai penyerapan bunyi. Proses ini berkaitan dengan penurunan jumlah energi dari udara yang menjalar hingga ia mengenai suatu media berpori atau fleksibel. Bagian energi terserap ketika gelombang bunyi dipantulkan darinya disebut dengan koefisien serapan bunyi dari material. Harga

(53)

koefisien serapan bunyi ini bergantung dari sifat material, frekuensi bunyi dan sudut gelombang bunyi ketika mengenai permukaan material tersebut. Secara matematis dapat ditulis :

= Ia / Ii (36)

dimana :

Ia = Intensitas bunyi yang diserap (W/m2)

Ii = Intensitas bunyi yang terjadi (W/m2)

Koefisien penyerap bunyi atau untuk beberapa material dapat dilihat tabel di bawah ini.

Tabel 2.5 Koefisien Serapan (10)

Material Sound Absorption _{Coefficient -}

Plaster walls 0.01 - 0.03

Unpainted brickwork 0.02 - 0.05

Painted brickwork 0.01 - 0.02

3 mm plywood panel 0.01 - 0.02

6 mm cork sheet 0.1 - 0.2

6 mm porous rubber sheet 0.1 - 0.2

12 mm fiberboard on battens 0.3 - 0.4

(54)

50 mm slag wool or glass silk 0.8 - 0.9 12 mm acoustic belt 0.5 - 0.5 Hardwood 0.3 25 mm sprayed asbestos 0.6 - 0.7 Persons, each 2.0 - 5.0 Acoustic tiles 0.4 - 0.8

Total Luas Daerah yang Diserap (Total Room Sound Absorption)

A = S1 1 + S2 2 + .. + Sn n = Si i (37)

dimana :

A =Luas Permukaan yang diserap (m2) Sn = Luas daerah permukaan (m2)

n = koefisien serapan dari permukaan material

Koefisien Serapan Rata-Rata (Mean Absorption Coefficient )

am = A / S (38)

dimana :

am = Koefisien Serapan Rata-Rata

A = Luas Daerah Yang Diserap (m2 sabine) S = Luas Daerah Permukaan (m2)

(55)

2.9 Material Titanium Sebagai Material Knalpot.

Titanium merupakan salah satu material yang baik untuk knalpot dan biasa digunakan sebagai material knalpot. Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ti dan nomor atom 22. Dia merupakan logam transisi yang ringan, kuat, tahan panas, tahan korosi, termasuk tahan terhadap air laut dan chlorine dengan warna putih-metalik-keperakan. Titanium digunakan dalam alloy kuat dan ringan (terutama dengan besi dan aluminum) dan merupakan senyawa terbanyaknya, titanium dioxide, diguankan dalam pigmen putih.

Unsur ini terdapat di banyak mineral dengan sumber utama adalah rutile dan ilmenite, yang tersebar luas di seluruh Bumi. Ada dua bentuk allotropic dan lima isotop alami dari unsur ini; Ti-46 sampai Ti-50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di alam (73,8%). Salah satu karakteristik Titanium yang paling terkenal adalah dia sama kuat dengan baja tapi hanya dengan 60% berat baja. Sifat Titanium mirip dengan zirconium secara kimia maupun fisika.

2.10 Metode Elemen Hingga

Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis dari suatu gejala phisis. Tipe masalah teknis dan matematis phisis yang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu kelompok analisa struktur dan kelompok masalah-masalah non struktur.

Tipe-tipe permasalahan struktur meliputi :

1. Analisa tegangan/Stress, meliputi analisa Truss dan Frame serta masalah-masalah yang berhubungan dengan tegangan-tegangan yang terkonsentrasi. 2. Buckling

(56)

3. Analisa getaran

Masalah non struktur yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode ini meliputi :

1.Perpindahan panas dan massa

2.Mekanika fluida, termasuk aliran fluida lewat media porus 3.Distribusi dari potensial listrik dan potensial magnet

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada umumnya sulit dipecahkan melalui matematis analisis. Hal ini disebabkan karena matematis analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji.

Penyelesaian analisis dari suatu persamaan diferensial suatu geometri yang kompleks, pembebanan yang rumit, tidak mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.

Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap-harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan permodelan dari suatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagian yang kecil (diskritisasi).

Berikut ini adalah contoh diskritisasi dari suatu struktur yang kompleks. Diskritisasi bergantung pada struktur yang akan dianalisa.

(57)

Langkah-langkah menggunakan metode eleman hingga : 1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi.

Amatilah benda atau struktur yang akan dianalisa, apakah satu dimensi (contoh batang panjang), dua dimensi (plate datar) atau tiga dimensi (seperti balok).

Macam dan tipe elemen dasar yang digunakan :

Gambar 2.15Bentuk-bentuk elemen dasar

(a) : elemen garis (1 dimensi)