8
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Gelombang Bunyi
Bunyi adalah bentuk energi yang merambat dalam bentuk gelombang longitudinal. Gelombang longitudinal sering disebut gelombang tekanan (Giancoli, 2014). Gelombang akustik atau gelombang bunyi dapat menjalar dalam medium padat, cair dan gas. Gelombang bunyi ini merupakan getaran molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain. Namun demikian zat tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta mentransmisikan energi bahkan tanpa terjadi perpindahan energi (Resnick dan Halliday, 1997). Syarat terjadinya bunyi ada tiga.
Pertama, harus ada sumber bunyi dan sumber bunyi merupakan benda yang bergetar. Kedua, energi dipindahkan dari sumber dalam bentuk gelombang bunyi longitudinal melalui medium. Ketiga, bunyi dideteksi oleh telinga atau alat yang menerima. Apabila gelombang bunyi merambat mencapai batas permukaan maka gelombang bunyi tersebut akan mengalami tansmisi dan refleksi (Sutrisno, 2011)
Berdasarkan jangkauan frekuensi tersebut, maka gelombang akustik atau bunyi dapat diklasifikasikan menjadi tiga bagian, yaitu gelombang infrasonik, gelombang sonik dan gelombang ultrasonik. Gelombang infrasonik (infrasonic waves) memiliki frekuensi yang sangat rendah dengan frekuensi di bawah 20 Hz.
Gelombang sonic (sonic waves) mempunyai jangkauan frekuensi yang dapat didengar manusia pada rentang 20 Hz sampai 20 kHz. Gelombang ultrasonik (ultrasonic waves) merupakan gelombang dengan jangkauan frekuensi sangat tinggi, yaitu di atas 20 kHz. Gelombang ultrasonik tidak dapat didengar oleh manusia (Bueche, 1989).
Laju bunyi berbeda dalam material yang berbeda. Pada material padat, laju bunyi di pengaruhi oleh sifat elastisitas bahan. Di udara pada suhu 0oC dan 1 atm, bunyi berjalan pada kecepatan 331 m/s (Giancoli, 2014). Laju bunyi pada gas dipengaruhi oleh suhu, terutama untuk gas. Misalnya, pada suhu kamar laju bunyi meningkat sekitar 0,60 m/s untuk setiap peningkatan temperatur satu derajat Celcius:
9 𝑉 ≈ (331 + 0,60𝑇) 𝑚/𝑠 ... (2.1) dengan T merupakan temperatur yang terukur dalam satuan derajat Celcius (Giancoli, 2014).
Gambar 2.1 merupakan spektrum gelombang akustik. Bising merupakan bentuk gelombang akustik Bising merupakan suara gangguan yang tidak dikehendaki. Bising seringkali tidak dapat dihindari untuk terjadi dalam suatu sistem. Tingkat kebisingan mesin yang beroperasi baik dalam lingkungan pendidikan, pemerintahan, industri kecil, industri menengah, dan industri besar memiliki nilai paparan tingkat tekanan ekuivalen yang tinggi, yaitu dari rentang 100 dB hingga 136 dB (Khan dan Izhar, 2015). Kebisingan mesin generator set (genset) ITK berada pada frekuensi rata-rata 223,62 Hz (Penulis, 2020).
Ungkapan besar kecilnya suatu bunyi biasa disebut kenyaringan.
Kenyaringan (loudness) adalah kuantitas intensitas gelombang yang terukur secara fisik. Intensitas merupakan energi yang dibawa oleh gelombang per satuan waktu per satuan luas yang tegak lurus terhadap aliran energi (Giancoli, 2014). Intensitas kebisingan merupakan ukuran energi bunyi yang dinyatakan dengan skala decibel (dB). Skala ini merupakan skala logaritmik dan alasan pemakaiannya karena besarnya rentang tekanan dan intensitas suara di lingkungan. Alasan lain adalah bahwa respon telinga manusia terhadap dua bunyi didasarkan pada pengaruh intensitas yang merupakan bentuk perilaku logaritmik (Gumelar, 2018). Intensitas atau arus energi per satuan luas dinyatakan dalam deciBel (dB) dengan membandingkannya dengan kekuatan dasar 0,0002 dyne/cm2, yaitu kekuatan dari
Gambar 2. 1 Spektrum gelombang akustik (Maadi, 2013)
10 bunyi dengan frekuensi 1000 Hz yang dapat didengar oleh telinga manusia, dinyatakan dengan rumus
𝑆𝑃𝐿 = 20𝑙𝑜𝑔 𝑃
𝑃0 ... (2.2) dengan SPL (Sound Pressure Level) merupakan arus tekanan suara (dB), P merupakan tekanan suara saat itu (Pa) dan P0 adalah tekanan suara standar (0,0002 dyne/cm2 atau 2x10-5 Pa) (Gumelar, 2018).
Intensitas kebisingan rata-rata mesin genset yang beroperasi di Kampus Institut Teknologi Kalimantan sesuai dengan data yang direkam senilai 103,5 dB (Penulis, 2020). Nilai ini cukup berbahaya bila didengar manusia secara terus menerus. Untuk rentang 88 dB saja, bising hanya boleh diperdengarkan secara terus menerus tanpa istirahat maksimal selama 4 jam (Chandra, 2010). Sedangkan bila suplai listrik PLN ke ITK terputus, mesin genset dapat beroperasi hingga 5 jam.
Ketika suatu sistem fisis mengalami getaran akibat pengaruh sistem fisis lainnya yang bergetar dengan frekuensi tertentu, maka sistem fisis tersebut akan mengalami resonansi (Tipler, 1998). Resonansi merupakan peristiwa ikut bergetarnya uatu sistem fisis yang diakibatkan oleh suatu sistem fisisnya yag bergetar dengan frekuensi tertentu (Tipler, 1998). Pada penelitian ini, resonator akustik akan bergetar ketika diberi pengaruh getaran dari mesin genset. Mesin genset yang menyala akan menghasilkan getaran dan bunyi bising, kemudian kotak resonator akustik akan ikut bergetar saat kotak didekatkan dengan sumber bising dari mesin. Resonansi akan terjadi jika frekuensi sumber gelombang yang diberikan sama dengan frekuensi pada kolom udara. Akibat dari resonansi ini, amplitudo bisa menjadi besar (Giancoli, 2014).
2.2 Alat Pemanen Energi (Energy Harvesting)
Energi listrik yang diperoleh dari kebisingan mesin tidak bisa langsung digunakan begitu saja. Hal ini disebabkan karena kebisingan salah satu energi limbah dari mesin itu sendiri, sehingga daya untuk satu detiknya yang dihasilkan dari kebisingan mesin belum mampu menghidupkan komponen listrik yang ada.
Untuk dapat memanfaatkan energi suara yang datang tersebut, maka perlu dilakukan pengumpulan energi yang sering disebut dengan memanen energi (energy harvesting). Energy harvesting bertujuan mengumpulkan daya yang
11 muncul dari kebisingan ke dalam media penyimpanan tertentu hingga siap untuk dipakai sesuai dengan kebutuhan (Chandra, 2010). Metode memanen energi berbeda-beda, tergantung sumber energi apa yang dimanfaatkan. Sebagai contoh pada sel surya, cahaya matahari harus diserap oleh sebuah panel surya yang yang kemudian diteruskan ke dalam baterai. Pada kebisingan, sumber kebisingan di kumpulkan dalam suatu resonator yang berfungsi mengumpulkan suara. Kemudian, didalam resonator direkatkan material piezoelektrik yang dapat menghasilkan listrik dari frekuensi suara yang terkumpul dalam resonator tersebut (Ge, 2017).
2.3 Resonator Akustik
Resonator akustik merupakan komponen yang biasa digunakan untuk menyerap suara, peningkatan suara dan melemahkan bising (Tarsh, 2017).
Resonator akustik dapat pula disebut kolom udara. Prinsip kerja resonator akustik yaitu apabila diberi pengaruh bunyi, molekul udara dalam resonator akan bergetar sehingga akan menghasilkan bunyi. Gelombang bunyi yang terbentuk berupa gelombang longitudinal (Wisesa, 2019). Ada tiga jenis resonator akustik, yaitu resonator Helmholtz, resonator setengah panjang gelombang, dan resonator seperempat panjang gelombang. Resonator setengah panjang gelombang atau biasa disebut pipa organa terbuka, merupakan resonator akustik berbentuk kolom tabung/kotak yang kedua ujungnya terbuka. Resonator akustik seperempat panjang gelombang atau biasa disebut pipa organa tertutup, merupakan resonator akustik berbentuk kolom tabung/kotak dimana salah satu ujungnya tertutup dan ujung lainnya terbuka. Resonator Helmholtz adalah resonator akustik yang mirip dengan
S
S
V a)
L=1/2 λ
b)
L=1/4 λ
c)
Gambar 2. 2 Skema resonator dari kiri ke kanan: a) Resonator Helmholtz, b) Resonator setengah panjang gelombang, c)
Resonator seperempat panjang gelombang (Tarsh, 2017)
12 resonator akustik seperempat panjang gelombang, namun pada ujung terbuka berbentuk leher.
Gambar 2.2 merupakan skema ketiga kotak resonator akustik. Resonator seperempat gelombang dipilih dalam penelitian ini. Pada resonator seperempat panjang gelombang, ujung tertutup akan membentuk simpul, karena molekul udara tidak bebas bergerak. Sisi ujung terbuka resonator akan membentuk perut karena molekul udara bebas bergerak (Giancoli, 2014). Disebut seperempat panjang gelombang (1/4 λ) karena jarak antara simpul dengan perut adalah 1/4 λ (Giancoli, 2014). Jika sumber bunyi diberikan, maka akan dihasilkan pola gelombang stasioner di mana ujung kotak resonator menjadi simpulnya.
Gambar 2.3 merupakan modus getaran pada kotak resonator akustik 1/4 λ.
Resonator 1/4 λ dipilih karena berdasarkan studi yang telah dilakukan sebelumnya (Deenadayalan, 2014) menunjukkan bahwa resonator 1/4 λ dapat menghasilkan energi tiga kali lipat dibanding resonator setengah panjang gelombang (1/2 λ) pada frekuensi masukan yang sama (Tarsh, 2017). Pada penelitian lebih lanjut, resonator 1/4 λ terbukti memanen lebih banyak energi daripada resonator Helmholtz pada volume dan frekuensi yang sama (Tarsh, 2017).
Penjalaran gelombang pada kotak resonator 1/4 λ ditentukan oleh kondisi batas pada titik ujung tabung. Kondisi batas tergantung pada tekanan akustik,
l
1/4 λ
5/4 λ l
l
3/4 λ
Gambar 2. 3 Modus getaran kotak resonator 1/4 λ
13 kecepatan gelombang longitudinal atau impedansi (Tarsh, 2017). Pada ujung tabung resonator yang tertutup, kecepatan gelombang longitudinal dan tekanannya 0, sedangkan pada ujung terbuka kecepatan dan tekanannya maksimal (Tarsh, 2017).
Frekuensi resonansi yang sesuai ditunjukkan pada persamaan (2.2).
𝑓 =(2𝑛−1)𝑣
4𝐿 ... (2.2) dimana v adalah kecepatan bunyi di udara (340 m/s), n adalah nada dasar bilangan bulat (1, 2, 3, …) dan L adalah panjang tabung (m) (Li, 2013). Persamaan 2.2 dapat disebut frekuensi fundamental resonator 1/4 λ. Frekuensi resonansi lainnya (overtone) adalah harmonik ganjil dari frekuensi fundamentalnya (3, 5, 7, …) (Giancoli, 2014).
Hubungan panjang gelombang dengan frekuensi diperoleh dari persamaan 𝜆 =𝑣
𝑓 ... (2.3) dengan λ adalah panjang gelombang (m), v adalah kecepatan bunyi di udara (m/s), dan f adalah frekuensi resonansi (Hz) (Giancoli, 2014). Pada persamaan (2.4) frekuensi resonansi adalah fungsi dari panjang tabung. Oleh karena itu, mengubah panjang tabung dapat mengubah frekuensi resonansi. Terlebih lagi, ketika frekunesi resonansi pertama terjadi ketika n=1 (Tarsh, 2017).
Pemilihan bahan resonator akustik didasarkan pada nilai transmission loss (TL) dari material akustik, yaitu kemampuan suatu bahan untuk tidak meneruskan bunyi atau menginsulasi bunyi dari ruang sumber bunyi ke ruang lainnya (Lubis, 2016). TL diungkapkan dalam satuan dB dengan persamaan
𝑇𝐿 = 10𝑙𝑜𝑔1
𝜏 𝑑𝐵 ... (2.4) dimana τ adalah koefisien transmisi bunyi yang diperoleh dari persamaan
𝜏 =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑘𝑎𝑛
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛𝑔 ... (2.5) Koefisien transmisi bunyi menyatakan seberapa besar energi yang terbuang saat suatu sumber bunyi masuk dalam suatu ruang dengan material tertentu. Nilai τ dan TL saling berhubungan. Semakin besar nilai τ (mendekati 1), maka nilai TL mendekati 0. Akibatnya energi bunyi yang ditransmisikan dari bahan tersebut semakin besar, sehingga bunyi semakin sering menembus benda tersebut. Jika hal itu terjadi maka resonansi tidak terjadi karena energi yang ditransmisikan semakin besar dan bunyi tidak terkumpul dalam ruang tersebut. Pada penelitian ini, bahan
14 akrilik dipilih sebagai bahan resonator akustik. Bahan ini termasuk memiliki nilai TL yang lebih rendah jika dibandingkan dengan bahan kaca dan polikarbonat (Harun, 2012). Namun, bahan akrilik lebih ringan, mudah ditemui, dan sukar untuk pecah jika dibandingkan dengan kaca.
2.4 Piezoelektrik
Gambar 2.4 merupakan gambar piezoelektrik PZT. Piezoelektrik merupakan bahan material (kristal dan keramik tertentu) untuk menghasilkan medan listrik atau tegangan listrik dalam responnya terhadap tekanan mekanik (Bremerman, 2017). Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1- 100 pC/N (William, 2010). Piezoelektrik sesuai kelasnya pada umumnya disebut feroelektrik. Salah satu karakteristik bahan feroelektrik yaitu struktur molekul penyusunnya berorientasi sedemikian rupa sehingga material memiliki muatan yang terpisah, yang dikenal sebagai dipol listrik (Sodano, 2004). Piezoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini yaitu peizoelektrik keramik berjenis PZT.
Piezoelektrik PZT terdiri dari 5 bagian, yaitu pelat logam, piezoelektrik keramik, elektroda, kabel (+), dan kabel (-). Piezoelektrik keramik bersifat kaku, berat dan dihasilkan dalam bentuk balok sehingga terdapat penambahan massa dan kekakuan struktur. Namun, dielektrik piezoelektrik keramik besar.
Efek piezoelektrik adalah suatu efek yang reversible, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) dan efek piezoelektrik terbalik (converse piezoelektrik effect). Efek piezoelektrik langsung adalah produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik. Efek langsung diterapkan pada piezoelektrik sebagai sensor atau pemanen energi. Efek piezoelektrik terbalik
Kabel (+) Pelat logam
Piezoelektrik keramik Elektroda
Gambar 2. 4 Piezoelektrik PZT Kabel (-)
15 adalah produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik, contohnya pada kristal lead zirconate titanate (PZT) yang akan mengalami perubahan dimensi sampai maksimal 0,1 % jika diberi tegangan listrik. Pada sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrik negatif adalah terpisah, tetapi tersebar secara simetris. Hal tersebut menyebabkan secara keseluruhan kristal piezoelektrik bersifat netral.
Efek piezoelektrik terjadi karena dipol listrik yang terjadi pada material (Telba, 2012). Dipol direpresentasikan sebagai vektor yang menunjuk dari muatan positif ke muatan negatif. Kelompok dipol selaras disebut domain Weiss. Meskipun piezokeramik bukan merupakan bahan yang persis seperti piezoelektrik alaminya, piezokeramik dapat dimanipulasi agar memiliki perilaku seperti piezoelektrik. Pada
piezokeramik, domain Weiss tidak selaras dan keseluruhan material penyusunannya tidak memiliki total polarisasi.
Gambar 2. 5 Prinsip kerja piezoelektrik, 1: Saat tidak diberi pengaruh tekanan, 2: Saat medan listrik diberikan, 3: Saat medan listrik dilepas, 4: Saat tekanan
mekanik diberikan (Bremerman, dkk., 2017)
Gambar 2. 6 Demonstrasi efek langsung piezoelektrik saat: A: tidak diberi tekanan, B: Saat tertekan, C: Saat teregang (Phipps, 2010)
16 Gambar 2.5 menunjukkan demonstrasi efek langsung dan gambar 2.6 merupakan prinsip kerja piezoelektrik berdasarkan efek yang terjadi pada piezoelektrik dalam muatan. Saat kondisi awal, dipol-dipol yang terdapat pada material piezoelektrik memiliki arah yang acak dan tidak beraturan. Ini menyebabkan polarisasi tidak terjadi antar-muatan partikel dalam material piezoelektrik (Gambar 2.5 (1)). Akibatnya beda potensial tidak terjadi (Gambar 2.6 (A). Pada alat pemanen energi akustik, gelombang suara memberikan gaya mekanik berupa tekanan pada piezoelektrik keramik. Akibatnya dipol-dipol pada piezoelektrik mengalami gangguan dan menyebabkan arah dipol menjadi teratur dan sejajar (Gambar 2.5 (4)). Jika tekanan tidak diberikan, dipol menyelaraskan kembali acak seperti saat medan listrik tidak diberikan pada piezoelektrik (Gambar 2.5 (1)). Keselarasan antar dipol menyebabkan munculnya polarisasi, dan perbedaan potensial dalam material terjadi (Gambar 2.6 (B)). Perbedaan potensial ini memungkinkan muatan mengalir di antara dua kutub untuk kembali mengatur posisi dipol sehingga menghasilkan arus.
2.5 Tegangan
rmsRangkaian Arus Bolak-Balik
Tegangan yang dihasilkan piezoelektrik merupakan tegangan bolak balik atau AC (alternate current). Hal itu disebabkan karena tegangan yang dihasilkan dari piezoelektrik berubah-ubah secara sinusoidal terhadap waktu.
t
Vmax
V
Gambar 2. 7 Grafik tegangan bolak-balik (AC) (Iftitah, 2017)
17 Gambar 2.7 merupakan grafik tegangan bolak-balik (AC) yang dihasilkan dari piezoelektrik. Tegangan piezoelektrik berdasarkan fungsi waktu dapat ditulis sebagai berikut
𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 ... (2.6) 𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑠𝑖𝑛2𝜋𝑓 = ∆𝑉𝑚𝑎𝑥2𝜋
𝑇... (2.7) dengan Vmax adalah tegangan maksimum pada rangkaian AC atau amplitudo tegangan, f adalah frekuensi dan T adalah periode (Iftitah, 2017).
Saat piezoelektrik dihubungkan oleh sebuah resistor beban, tegangan yang keluar dari piezoelektrik sama dengan tegangan pada resistor tersebut. Pada rangkaian listrik AC, arus dan tegangan dikatakan sefase (Iftitah, 2017). Arus akan bernilai 0 ketika tegangan 0, dan arus akan maksimum ketika tegangan maksimum.
Hubungan arus yang mengalir pada resistor terhadap waktu ditampilkan pada gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8 (a) merupakan grafik arus pada resistor sebagai fungsi waktu pada rangkaian AC. Gambar 2.8 (b) merupakan grafik arus kuadrat pada resistor sebagai fungsi waktu. Pada gambar 2.8 (b) warna abu-abu mewakili area di bawah kurva dan di atas kurva sinus. Warna abu-abu di bawah kurva memiliki nilai I2max/2 dan warna abu-abu di atas kurva juga bernilai I2max/2. Hal ini menunjukkan bahwa nilai rata-rata i2 adalah I2max/2. Nilai akar kuadrat rata-rata pada rangkaian AC
Gambar 2. 8 Grafik arus pada resistor sebagai fungsi waktu dan (b) Grafik arus kuadrat pada resistor sebagai fungsi waktu (Iftitah,
2017)
18 disebut rms (root mean square). Satuan ini yang digunakan pada multimeter yang digunakan pada penelitian ini. Nilai Vrms dapat diperoleh berdasarkan uraian berikut. Dari persamaan (2.4), tegangan kuadrat dari piezoelektrik diperoleh sebagai
𝑉2 = 𝑉𝑚𝑎𝑥2 sin2𝜔𝑡 ... (2.8) maka persamaan kuadrat tegangan efektif dapat ditulis sebagai berikut.
𝑉𝑒𝑓2 = 𝑉𝑒𝑓𝑚𝑎𝑥2 sin2𝜔𝑡 ... (2.9) 𝑉𝑒𝑓2 = 𝑉𝑚𝑎𝑥2 sin2𝜔𝑡 ... (2.10)
Menggunakan persamaan trigonometri persamaan 2.8 dapat ditulis sebagai berikut.
𝑉𝑒𝑓2 = 𝑉𝑚𝑎𝑥2 1
2(1 − 𝑐𝑜𝑠2(𝜔𝑡)) ... (2.11)
Menghitung besar rata-rata tegangan efektif dalam satu periode 𝑉𝑒𝑓2 =∫ 𝑉𝑚𝑎𝑥
2 1
2(1−𝑐𝑜𝑠2(𝜔𝑡)) 𝑇
0
𝑡 𝑑𝑡 ... (2.12)
𝑉𝑒𝑓2 =𝑉𝑚𝑎𝑥2
2𝑡 ∫ 1
2(1 − 𝑐𝑜𝑠2(𝜔𝑡))𝑑𝑡
𝑇
0 ... (2.13)
𝑉𝑒𝑓2 𝑉𝑚𝑎𝑥2
2𝑡 (𝑡 − 1
2𝜔𝑠𝑖𝑛2(𝑤𝑡))𝑇0| ... (2.14)
𝑉𝑒𝑓2 =𝑉𝑚𝑎𝑥2
2𝑇 (𝑇 − 0)... (2.15)
𝑉𝑒𝑓2 =𝑉𝑚𝑎𝑥2
2 ... (2.16)
maka diperoleh tegangan rms dari piezoelektrik adalah sebagai berikut.
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑒𝑓 =𝑉𝑚𝑎𝑥
√2 = 0,707∆𝑉𝑚𝑎𝑥 ... (2.17)
19
2.6 Penelitian Terdahulu
Penelitian terdahulu terkait laporan tugas akhir ditunjukan pada tabel 2.1 Tabel 2. 1 Penelitian Terdahulu
No. Nama dan Tahun Publikasi
Hasil
1 Bin Li dkk, 2013 Metode: Menggunakan tabung resonator panjang yang di dalamnya terdapat 4 piezoelektrik PZT untuk menampung frekuensi suara
Hasil: Tegangan output yang dihasilkan 5,089 V dan daya 1,148 mW dari tekanan suara 100 dB 2 Hee-Min Noh
dkk, 2018
Metode: Menggunakan resonator Helmholtz sebagai media penampung frekuensi
Hasil: Tegangan yang dihasilkan 0,7 V pada tekanan suara 100 dB
3 Yuan Wang dkk, 2018
Metode: Menggunakan perangkap kebisingan (noise barrier) untuk menangkap suara bising dan diteruskan ke dalam resonator yang dilengkapi piezoelektrik PVDF
Hasil: Tegangan maksimum dan daya adalah 52,20 mV dan 0,59 μW pada tekanan suara 100 dB
*) Penulis (2020)
20
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
