BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. Bunyi secara fisis adalah penyimpangan tekanan akibat pergeseran partikel benda

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bunyi Bunyi secara fisis adalah penyimpangan tekanan akibat pergeseran partikel benda pada medium udara. Adapun tiga elemen utama yang perlu diperhatikan dalam setiap situasi akustik adalah sumber, jejak perambatan, telinga si penerima, contoh bunyi yang sampai ketelinga kita tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Situasi Akustik Tiga Elemen Peristiwa penyimpangan tekanan tersebut biasanya disebabkan oleh benda yang bergetar seperti garpu tala yang dipukul. Penjalaran gelombang bunyi yang diakibatkan oleh pukulan tersebut di udara akan berubah tekanan dan getarannya. Penjalaran bunyi, perambatan, serta tekanan dari bunyi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Perubahan Tekanan Garpu Tala

2 Pada sumber bunyi yang ditransmisikan di udara terdapat tekanan dan frekwensi, dimana frekuensi yang dapat ditangkap oleh telinga kita adalah Hz, dengan panjang gelombang m. Frekuensi diatas Hz disebut frekuensi Ultra Sonic [10]. Pada frekuensi ultra sonic tersebut telinga manusia tak dapat menerima maupun mendengarkan bunyi tersebut. Secara umum tingkat frekuensi yang dipakai dalam pengukuran akustik lingkungan adalah 125, 250, 500, 1000, 2000 dan 4000 Hz atau 128, 256, 512, 1024, 2048 Hz. Tekanan bunyi sangat membawa pengaruh kebisingan kepada telinga kita bila dibandingkan dengan frekuensi. Kenaikan tingkat tekanan bunyi sampai mencapai 30 db akan sangat berpengaruh sekali terhadap pendengaran. Kenaikan frekuensi bila tidak diikuti dengan kenaikan tingkat tekanan bunyi maka kurang berpengaruh sekali terdadap pendengaran kita, walaupun kenaikan frekuensi mempunyai pengaruh terhadap sensasi pendengaran di telinga kita. Sebagai contoh bunyi yang mempunyai frekuensi 1000 Hz, jika tekananannya rendah sebesar 4 db hampir tidak terdengar oleh kita, tetapi bunyi yang mempunyai frekuensi 63 Hz dengan tekanan bunyi 35 db dapat didengar. Dari penjelasan di atas bahwa tekanan bunyi mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap tingkat kebisingan. Tingkat tekanan bunyi yang diukur dengan satuan decible, apabila terlalu besar akan dapat membahayakan pada sistem pendengaran kita dan kenaikan tekanan darah dan kepanikan, yang pada akhirnya dapat mengurangi aktivitas dan produktivitas kerja.

3 Hubungan frekuensi dan tingkat tekanan bunyi dapat dilihat pada Gambar 2.3 yakni grafik gelombang kekerasan bunyi atau equal loudness countours. Gambar 2.3. Grafik Gelombang Kekerasan Bunyi Pada grafik gelombang kekerasan bunyi dengan nada 63 Hz mempunyai TTB (Tingkat Tekanan Bunyi) sebesar 53. Untuk nada 125 Hz mempunyai TTB sebesar 40 db Bising Bising adalah suara keras yang mengganggu, ini umumnya disebabkan oleh kenaikan tekanan bunyi itu sendiri. Kebisingan dapat dirasakan apabila pada bunyi tersebut mempunyai tekanan diatas 60 db, sebuah penelitian telah dilakukan pada berbagai sumber

4 bunyi yang terjadi pada lingkungan hidup kita sehari hari. Kondisi berbagai sumber bunyi tersebut dapat kita lihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1. Kondisi Akustik Lingkungan Kita No Uraian Tingkat Tekanan Bunyi (db) Keterangan 1 Jet tinggal landas Menulikan Tembakan meriam Mengeling 2 Sonic boom Sangat Keras Musik orkestra Band rock 3 Truk tanpa knalpot Keras Bising lalu lintas Semprit polisi 4 Kantor yang bising Sedang Mesin tik yang tenang Radio pada umumnya 5 Kantor pribadi Lemah Rumah yang tenang Percakapan yang tenang 6 Gemersik daun Orang berbisik Napas manusia Sangat lemah 2.3. Mesin Sebagai Sumber Kebisingan Temperatur gas yang keluar dari saluran buang mesin (Exhaust port) dapat mencapai C (pada putaran langsam), dan pada putaran tinggi temperatur gas buang dapat mencapai 700 s/d 1000 C [11]. Tekanan gas yang keluar dari saluran gas buang tersebut berkisar antara 1 5 bar yang masuk dalam knalpot dapat menimbulkan suara kebisingan. Penyebab naik dan turunnya tingkat kebisingan tersebut sangat tergantung oleh putaran mesin. Semakin tinggi putaran mesin, maka kecepatan gerakan

5 piston, tempratur, tekanan gas buang semakin tinggi pula, dan akibatnya pada mesin akan mengeluarkan suara kebisingan yang dapat menulikan telinga kita (mobil tanpa knalpot). Informasi tentang tekan kerja motor, temperatur, derajat poros engkol dan temperatur pembakaran serta proses kerja pada motor bensin 4 tak (Gasoline four strokes engine) dapat dilihat pada Gambar 2.4 dan Tabel 2.2. Sedangkan untuk aliran gas buang yang keluar dari mesin menuju ke knalpot mobil dapat dilihat pada Gambar 2.5, Gambar 2.4. Proses Kerja Motor Bensin 4 Tak Tabel 2.2. Kondisi Proses Kerja Motor 4 Tak Uraian Langkah Isap Langkah Kompresi Langkah Usaha Langkah Buang Temperatur Gas 120 C Temperatur C Pembakaran C Gas buang C Tekanan Gas 0.9 bar 8-15 bar bar 1-5 bar

6 Gambar 2.5. Gas Buang yang Masuk dalam Tabung Knalpot 2.4. Knalpot Knalpot merupakan alat untuk mereduksi kebisingan pada kendaraan. Knalpot yang dipasang pada kendaraan mempunyai banyak macam dan jenis serta ukuran. Masing masing pabrik knalpot merancang sedemikian rupa bentuk dan modelnya, sehingga sesuai dengan jenis kendaraan dan tipe kendaraan yang dipesan oleh pabrik pemesanannya. Tinggi dan rendahnya suara kebisingan pada knalpot akan tergantung pada faktor dibawah ini : 1. Volume knalpot. 2. Bentuk dan konstruksi knalpot. 3. Panjang saluran keluar antara mesin ke knalpot. 4. Bahan yang dipakai pada knalpot Knalpot Komposit Komposit adalah material yang dibentuk dari dua atau lebih material dasar,

7 yang mempunyai sifat berbeda dari material pembentuknya. Sifat dan karakteristik komposit akan berbeda satu dengan lain, hal ini akan tergantung pada bahan yang dipakai pada komposit itu sendiri. Knalpot komposit yang akan dibuat dari bahan rockwool dengan pengikat resin dari jenis thermoset. Dengan bahan tersebut diharapkan knalpot mampu menurunkan tingkat kebisingan dan tahan terhadap panas serta dapat dipakai. Tabung knalpot komposit saluran tunggal dan knalpot komposit saluran ganda tersebut menggunakan resin BTQN 157. Tabung knalpot tersebut dibuat dengan 3 lapis serat, dengan tebal dinding 6 mm. Metode pengerjaan pembuatan knalpot tersebut, yakni dengan menggunakan sistem penguasan (Hand-lay up). Sebagaimana penjelasan diatas, bahwa knalpot komposit saluran tunggal dan knalpot komposit saluran ganda yang dibuat dari bahan komposit, yakni hanya pada tabung pembungkus luarnya saja, sedangkan isi dalamnya seperti sekat dan pipa masuk, pipa keluar, dibuat dari logam sebagaimana knalpot standar. Bahan komposit yang umumnya mempunyai koefisien penyerapan yang besar bila di banding dengan logam, tentunya mampu menyerap tingkat tekanan bunyi yang besar, sehingga knalpot tersebut dapat menurunkan tingkat kebisingan yang begitu besar pula. Khusus saluran masuk yang berada didalam knalpot komposit saluran ganda dibuat dengan pipa berlubang berdiameter luar 4,2 cm (pipa 1). Pada bagian tengah pipa1 dibuat banyak lubang. Selain pipa1 yang terdapat pada saluran masuk juga dilengkapi dengan pipa 2. Pipa 2 yang tersebut membungkus pipa 1. Tujuan dibuatnya saluran ganda tersebut yakni

8 mengurangi kecepatan gas yang masuk pada kamar 4 dan kamar 5 pada ruang knalpot. Kecepatan gas yang tinggi tentunya akan menghasilkan gaya pemukulan yang semakin besar pada dinding knalpot, sehingga menghasilkan tingkat kebisingan yang besar pula. Bentuk knalpot dan Aliran gas pada knalpot standar, knalpot komposit saluran tunggal dan knalpot komposit saluran ganda tersebut dapat dilihat pada Gambar Gambar 2.6. Knalpot Standar Gambar 2.7. Aliran Gas pada Knalpot Standar Gambar 2.8. Aliran Gas Knalpot Komposit Saluran Tunggal Gambar 2.9. Aliran Gas Knalpot Komposit Saluran Ganda 2.6. Komposit Klasifikasi komposit Bahan komposit yang pada umumnya terdiri dari serat dan matrik, secara umum dapat dibagi atas:

9 1. Komposit serat atau fibricus composite, yaitu komposit yang terdiri dari serat dan matriks (bahan dasar) yang diproduk secara fabrikasi, misalnya serat + resin sebagai bahan perekat.sebagai contoh adalah FRP (Fiber Reinforce Plastic), atau plastik diperkuat dengan serat, yang sering disebut fiber glass. 2. Komposit lapis atau laminated composite, yaitu komposit yang terdiri dari lapisan dan matriks, yaitu lapisan yang diperkuat oleh resin sebagai contoh plywood, laminated glass yang sering digunakan sebagai bahan bangunan dan kelengkapannya. 3. Komposit partikel atau particulate composite, yaitu komposit yang terdiri dari partikel dan matriks yaitu butiran (batu, pasir) yang diperkuat dengan semen yang kita jumpai sebagai bahan untuk beton Keungulan bahan komposit Sifat-sifat mekanikal dan fisikal: 1. Pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. 2. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang

10 dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri pembuatan, seperti mobil dan pesawat ruang angkasa. Hal ini sangat berhubungan erat dengan penghematan bahan bakar. 3. Banyak bahan komposit yang digunakan pada industri angkasa, industri otomotif, dunia kedokteran dan lain sebagainya. Mengingat bahan komposit dapat mempunyai sifat tahanan terhadap pengikisan, temperatur yang tinggi, anti korosi, anti kimia dan mampu menurunkan tingkat kebisingan pada suara knalpot, dan lain sebagainya. 4. Bahan komposit juga digunakan dalam industri otomotif, pembuatan komponen tersebut terutama pada blok silinder mesin dan kepala silinder, dan komponen lainya kmoponen mesin lainya. Bahan yang disebutkan tersebut tahan terhadap panas yang tingi dan tahan terhadap tekanan dan pengikisan Penyerapan Bunyi Pada Material Gas yang masuk pada knalpot akan menjadi gaya pukul pada dinding knalpot, besar kecilnya gaya pukul dan penyerapan energi gelombang bunyi akan menentukan tingkat kebisingan bunyi yang keluar. Penyerapan dan pantulan bunyi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.10.

11 ρ1c 1 ρ 2 c2 Gambar Pemantulan dan Penyerapan Bunyi pada Dua Media Akustik Misalkan dua media akustik dengan sifat impedansi ρ c dan ρ c , dimana gelombang bunyi datang dari arah kiri merambat tegak lurus terhadap permukaan datar, jika ρ c lebih kecil dari ρ c , maka sebagian energi gelombang bunyi akan diserap atau ditramisisikan kedalam material akustik dan sebagian lagi akan dipantulkan. Semakin besar perbedaan nilai ρ c dan 1 1 ρ c 2 2 semakin besar daya penyerapan gelombang bunyi oleh material akustik. Benda Padat 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 selalu sama dengan sudut pantulan bunyi. Jumlah energi bunyi yang dipantulkan oleh suatu permukaan bergantung pada luas permukaan yang dikenainya. Dinding lantai, dan langit-langit datar dapat menjadi pemantul yang baik maupun sebaliknya. Bahan-bahan yang kurang tegar dan berpori seperti kain, tirai dan taplak perabotan merupakan bahan penyerap bunyi yang sangat baik, besar tingkat penyerapan bunyi akan tergantung dari sifat material, frekuensi dan sudut gelombang bunyi

12 ketika mengenai permukaan material akan memantul dan sebagian akan terserap, tetapi secara teoritis ada bunyi yang seluruh nya terpantul, sehingga tak ada yang terserap. Semakin besar koefisien serap bunyi maka bunyi yang akan keluar semakin kecil. Koefisien serap bunyi berbagai macam material tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.3. Tabel 2.3 Koefisien Serap Bunyi (α) dari Beberapa Material Material Sound Absorption Coefficient - α Plaster walls Unpainted brickwork Painted brickwork mm plywood panel mm cork sheet mm porous rubber sheet mm fiberboard on battens mm wood wool cement on battens mm slag wool or glass silk mm acoustic belt Hardwood mm sprayed asbestos Rumus untuk memperoleh koefisien serapan bunyi (α) adalah : α = I a / I i ( 2.1) Ia = Intensitas bunyi yang diserap (watt/m2). Ii = Intensitas bunyi yang terjadi (watt/m2).

13 Total luas daerah yang diserap (total room sound absorption): α = S 1 α 1 + S 2 α S n α n = S i α i (2.2) α = Luas permukaan bahan yang diserap (m 2 ) S n = Luas daerah permukaan bahan (m 2 ) α n = Koefisien serapan dari permukaan bahan 2.8. Hubungan Kecepatan Gas Terhadap Bahan dan Tempratur Gas Proses pemindahan daya bunyi atau pengurangan tingkat tekanan bunyi dalam ruangan tertentu disebut penyerapan bunyi. Proses ini berkaitan dengan penurunan jumlah energi di udara yang menjalar hingga mengenai suatu media berpori atau fleksibel. Energi terserap ketika gelombang bunyi yang dipantulkan disebut koefisien serapan bunyi. Harga koefisien serapan bunyi akan berbeda berbeda pada suatu benda, hal ini akan sangat tergantung pada jenis materialnya. Kecepatan rambat bunyi pada media gas atau udara dipengaruhi oleh kerapatan, suhu, dan tekanan : c = γ.ρ ρ a (2.3)

14 c = Cepat rambat bunyi di udara (m/s) γ = Rasio panas spesifik (Untuk udara = 1,41) Pa = Tekanan udara luar (Pascal) ρ = Rapat masa udara (kg/m 3 ) Pada media udara kecepatan rambat bunyi bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan bahan yang dipakai, sedangkan pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan. Kecepatan rambat bunyi pada bahan dapat dihitung dengan menggunakan rumus ini : c = E ρ (2.4) E = Modulus elasitas young bahan (Mpa) ρ = Massa jenis bahan (kg/m 3 ) 2.9. Hubungan Radiasi dan Intensitas bunyi Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam suatu daerah per satuan luas. Intensitas bunyi pada tiap titik dari sumber dinyatakan dengan rumus : I = A W (2.5)

15 I = Intensitas bunyi (watt/m 2 ) W = Daya akustik (watt) A = Luas area (m 2 ) Untuk menghitung Intensitas bunyi rata-rata adalah : ( Ii 120 ) / 10 I = 10 (2.6) Intensitas bunyi sangat penting diperhatikan untuk mengetahui radiasi total yang menuju udara oleh sumber bunyi dan untuk mengetahui tekanan bunyi. Intensitas bunyi 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 rambat bunyi dan kerapatan partikel di udara adalah sebagai berikut adalah : p rms = Sumber tekanan bunyi (Pa) I = Intensitas bunyi (watt/m 2 ). p = I. ρ c (2.7) 2 rms mas. ρ = Kerapatan partikel di udara (kg/m 3 ). c = Kecepatan bunyi di udara (m/s).

16 2.10 Hubungan Kecepatan Gas, Frekwensi,Tekanan Bunyi dan Daya Bunyi Kecepatan gas yang keluar dari hasil pembakaran menimbulkan gelombang aliran gas yang menyebabkan timbulnya frekuensi yang akan menjalar pada dinding knalpot, rumus untuk menghitung frekuensi : T=1 / f (2.8) f = Frekuensi (cycle/s). T = Waktu (s). Frekuensi mempunyai hubungan erat terhadap panjang gelombang dan kecepatan rambat bunyi dalam tabung knalpot. Panjang gelombang bunyi pada knalpot tersebut dapat dilihat pada Gambar Gambar Gelombang Longitudinal Panjang gelombang bunyi pada sumber bunyi akan semakin kecil apabila angka frekuensi semakin besar. Hubungan antara kecepatan rambat gelombang dan frekuensi dapat dicari melalui rumus ini :

17 λ = c / f (2.9) λ = Panjang gelombang (m) ƒ = Frekuensi sumber bunyi (Hz) c = Kecepatan rambat bunyi di udara (340 m/s) Tingkat tekanan bunyi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus : SPL = 20 Log 10 ( Ps / P ref ) (2.10) P ref = Tekanan referensi ( Pa). Ps = Tekanan sumber bunyi (Pa) Tingkat tekanan bunyi rata-rata (Lav) adalah : Lav N 1 = 10 log 10 N i = 1 Li / 10 (2.11) N = Jumlah titik pengukuran = 16. L i = Tingkat tekanan bunyi pada titik ke i (db). Tingkat daya bunyi total (Lw total ) : S = Luas area setengah bola = 2πR 2. L + 10 log S + Lw av C total = T (2.12)

18 R = Jarak pengukuran dari tabung knalpot (m). Faktor koreksi (C T ) : C T = log (2.13) ρc c = Kecepatan bunyi di udara (m/s). ρ = Kerapatan udara (kg/m 3 ). Tingkat daya bunyi pada Sumber : W = I S (2.14) I = Intensitas (watt/m 2 ). S = Luas penampang pipa (m 2 ). Perhitungan tingkat intensitas bunyi dapat digunakan rumus (L I ): L I = L av + 10logC (2.15) T L I = Tingkat daya bunyi rata-rata (db). Lav = Tingkat tekanan tekanan bunyi rata-rata (db). C T = Faktor koreksi. Daya akustik pada sumber bunyi (Wa) dalam tabung knalpot dapat dihitung dengan menggunakan rumus dibawah ini yakni Wa = Δ P A v (2.16)

19 ΔP = Tekanan gas (pa). A = Luas penampang pipa (m 2 ). V = Kecepatan gas masuk (m) Intensitas bunyi sumber (I) dalam tabung knalpot adalah : Wa Intensitas bunyi I = 2 4 π r (2.17) ΔP = Tekanan gas (pa)π A = Luas penampang pipa (m 2 ) V = Kecepatan gas masuk (m) π = 3,14 r = Radius tabung / pipa (m) Untuk menghitung tingkat daya bunyi pada sumber (Lw m ) : Wa Lw in = 10 Log Wo (2.18) Wo = Daya akustik referensi (10-12 watt). Tingkat tekanan bunyi bunyi dalam tabung knalpot dapat dihitung dengan menggunakan rumus dibawah ini :

20 p Lp in = 20 log p 0 (2.19) P = Tekanan gas keluar (pa). Po = Tekanan referensi ( pa). TL = 10 log 10 [ 1 + 0,25( Sc Se πlc - ) sin ] db (2.20) Se Sc λ Dimana TL = Transmission loss (db) Se = Luas daerah masuk atau keluar (m 2 ) Sc = Luas daerah knalpot (m 2 ) Lc = Panjang knalpot (m) λ = Panjang gelombang (m) 2πLc = Sudut pantul, dalam radians λ Penurunan tingkat kebisingan (noise reduction) akibat penyerapan suara oleh material mild steel pada knalpot standar : NR (α) = 1,05 x 1,4 α L p S (2.21) L = Panjang knalpot (0,52 m). P = Keliling penampang knalpot (m).

21 S = Luas penampang knapot (m 2 ). α = Koefisien absorpsi mild steel. Frekuensi kritis yang diperoleh pada bahan : f c = 2 2 c (1 μ ) 1,81c h l 1/ 2 (2.22) c = Kecepatan bunyi di udara (m/s) = 20,04 T. Kecepatan bunyi pada mild steel c l = ρ E = (m/s ). ρ = Massa jenis mild steel ( kg/m 3 ). E = Modulus elastisitas mild steel (Gpa). μ = Angka poisson rasio mild steel. h = Tebal mild steel (m). Transmission loss mild steel pada bahan adalah : TL 1 = 20log (f c m) +10logη - 45 (2.23) m = Massa bahan (kg). fc = Frekuensi kritis (Hz).

22 2.11. Kerangka Konsep Untuk lebih jelasnya dalam penelitian ini, maka alur penelitian yang akan dilakukan seperti Gambar 2.12 pada bagan dibawah ini : Permasalahan Suara Kebisingan Variable Variasi Putaran Mesin Mobil Suara Kebisingan Knalpot Standar Knalpot Komposit Saluran Tunggal Knalpot Komposi Saluran Ganda Kontrol Variable Engine Tune up Tester Exhaust Gas Analyzer Data Penelitian Tingkat Tekanan Bunyi Kecepatan Gas Buang Tekanan Gas Buang Temperatur Gas Buang Pengolahan Data (Program Excell ) Kesimpulan dan Saran Gambar 2.12 Kerangka Konsep Penelitian