BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konstruksi Pompa Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut [15]. Adapun konstruksi komponen-komponen pompa yang melahirkan getaran, seperti pada gambar 2.1. Gambar 2.1 Konstruksi pompa sentrifugal (Dokumentasi) 1. Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontinyu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya. 2. Casing merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar. 3. Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya. 4. Bearing (bantalan) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. 6

2 Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil [15] Impeller Berdasarkan arah aliran fluida maka impeller dibedakan atas: 1. Impeller jenis radial Impeller jenis ini mempunyai arah aliran masuk fluida searah dengan sumbu poros (aksial) dan keluar dengan arah radial. Impeller jenis ini digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi. Gambar 2.2 Impeller jenis radial [13] 2. Impeller jenis francis Pada impeller jenis ini, arah aliran masuk fluida dan arah keluar aliran fluida sama yaitu pada arah radial impeler. Impeller jenis ini akan menghasilkan head yang lebih rendah tetapi dengan kapasitas yang besar. Gambar 2.3 Impeller jenis francis [13] 3. Impeller jenis aliran campuran Pada impeller tipe ini, fluida memasuki impeler sejajar dengan poros dan keluar dalam arah campuran radial dan aksial. Gambar 2.4 Impeller jenis aliran campuran [13] 7

3 4. Impeller jenis aksial Impeller jenis ini mempunyai arah aliran fluida masuk dan keluar secara aksial. Head yang dihasilkan relatif kecil dengan kapasitas aliran yang relatif lebih besar. Gambar 2.5 Impeller jenis aksial [13] Pompa sentrifugal untuk skala rumah tangga biasanya menggunakan jenis impeller francis, seperti pada gambar 2.3. Desain pompa jenis ini menggunakan impeller francis yang bertujuan agar diperoleh kapasitas pompa yang besar. Hal ini dirancang sesuai dengan kebutuhan skala rumah tangga yaitu kapasitas aliran fluida besar dengan head yang tidak terlalu tinggi. Berdasarkan kontruksi impeller jenis francis tersebut maka dapat dibuat model dinamik dari impeller yang akan merujuk pada model getaran, seperti pada gambar 2.6. U Y x F s F T Gambar 2.6 Model dinamik impeller (Dokumentasi) Sudu impeller mengalami gaya tangensial F T pada arah x yang dapat di hitung dengan persamaan F T = m. a T = m R... (2.1)[13] 8

4 dan gaya sentrifugal dapat di hitung dengan persamaan F s = m. a s = m... (2.2)[13] F T M z x F s Gambar 2.7 Gaya-gaya pada sudu impeller (Dokumentasi) Pada sudu impeller mengalami tegangan geser pada arah x yang dapat dihitung dengan persamaan =...(2.3) Dengan M adalah momen yang diperoleh dari hasil kali gaya tangensial terhadap lebar impeller. Sedangkan tegangan pada sumbu y terjadi tegangan tarik yang dapat dihitung dengan persamaan =...(2.4) Dengan adalah gaya sentrifugal yang di hasilkan dari perubahan arah aliran fluida dan A adalah luas sisi impeller yang merupakan hasil kali tebal impeller dengan lebar impeller sehingga diperoleh =...(2.5) Sudu impeller dapat di analogikan sebagai benda pejal yang ditumpu dengan tumpuan jepit pada satu sisi dan dalam keadaan bebas pada sisi lainnya, sehingga diagram benda bebas dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.8 Diagram benda bebas sudu (Dokumentasi) 9

5 Untuk menghitung besar defleksi yang terjadi dapat dilakukan dengan menurunkan persamaan (2.3) E. =...(2.6) M =...(2.7) = x"...(2.8) x" =...(2.9) untuk memperoleh besar defleksi dilakukan dengan menghitung turunan kedua dari persamaan (2.9) x' = d x" dy...(2.10) x = d x' dy...(2.11) Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan (stiffness) dari sudu dengan menggunakan persamaan hukum Hook. k =...(2.12) persamaan getaran dapat dituliskan m + c + k x = F (t)...(2.13) maka dapat diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan (single degree of freedom) f =...(2.14) Poros (shaft) Poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari motor selama pompa beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya. Gambar poros diperlihatkan pada gambar 2.9. Gambar 2.9 Poros (shaft) (Dokumentasi) 10

6 Diagram benda bebas poros pompa dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.10 Diagram benda bebas poros (Dokumentasi) Untuk menghitung besar defleksi yang terjadi dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan 2.10 dan Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan (stiffness) dari poros dengan menggunakan persamaan hukum Hook seperti pada persamaan Maka dapat diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan (single degree of freedom) dengan persamaan Bantalan(Bearing) Bantalan (bearing) merupakan komponen pompa yang berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil [11]. Diagram benda bebas dari bearing dapat dilihat pada gambar 2.12 Gambar 2.11 Bearing [11] Getaran yang terjadi pada bearing dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu tebal lapisan film pelumas, aliran pelumas, power loss dan temperatur pelumas. Sedangkan kekakuan bantalan dan redaman bantalan dipengaruhi oleh tipe 11

7 bantalan, diameter bantalan, kekentalan pelumas, beban, kecepatan bantalan, dan sommerfeld number dari bantalan. Sommerfeld number dapat dihitung dengan persamaan berikut: S =...(2.15) [11] = kekentalan pelumas (lb - sec/in) n = kecepatan rotor (rps) D = diameter bantalan (in) L = lebar bearing (in) W = beban bantalan (lbs) R = jari-jari bantalan (in) C = radial machined clearance (in) Jenis bantalan yang digunakan pada pompa skala rumah tangga yaitu jenis bantalan bola (ball bearing). Berdasarkan konstruksi bantalan jenis ball tersebut maka dapat dibuat model benda bebas dari sebuah bola bantalan yang akan merujuk pada model getaran, seperti pada gambar 2.12 Gambar 2.12 Diagram benda bebas ball bearing Gaya yang bekerja pada sebuah bola dari bantalan yaitu gaya aksial. Gaya aksial tersebut diperoleh dari beban tumpuan poros pompa. Sehingga untuk menghitung deformasi elastis dari sebuah bola bentalan dapat dirumuskan sebagai berikut: =...(2.16) Kemudian dapat dihitung nilai kekakuan (stiffness) dari poros dengan menggunakan persamaan hukum Hook seperti pada persamaan Maka dapat diperoleh frekuensi sudu dari satu derajat kebebasan (single degree of freedom) dengan persamaan Fluida 12

8 Ketika pompa beroperasi maka didalam rumah pompa akan terjadi aliran turbulance. Aliran turbulance ini terjadi diantara sudu-sudu impeller dan volute pompa. Aliran turbulance akan menghasilkan tekanan dinamis yang mengakibatkan terjadinya getaran pada impeller dan poros pompa [11]. Frekuensi getaran yang terjadi karena fluktuasi aliran fluida tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut : f =...(2.17) [14] Keterangan: n = putaran spesifik pompa N = jumlah sudu impeller Aliran turbulensi fluida juga dapat terjadi didalam pipa. Fluktuasi yang terjadi dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida didalam pipa dan geometri pipa. Fluktuasi ini menyebabkan resonansi ke bagian-bagian lain dari sistem perpipaan. Fluktuasi aliran fluida didalam pipa akan menghasilkan getaran dan kebisingan. Frkuensi getaran yang dihasikan oleh aliran fluida didalam pipa dapat berdampak pada frekuensi getaran yang terjadi di dalam rumah pompa. Pengukuran eksperimental menunjukkan bahwa aliran turbulance fluida didalam rumah pompa akan semakin besar ketika terjadi resonansi akustik antar frekuensi getaran di rumah pompa dengan frekuensi getaran pada pipa [11]. Frekuensi yang dihasilkan oleh aliran turbulen di dalam pipa dirumuskan sebagai berikut: f =...(2.18) [11] Keterangan: = Strouhal number (0,2-0,5) V = kecepatan aliran fluida (m/s) D = Diameter pipa (m) 2.2 Putaran Spesifik Pompa Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menghasilkan head 1 m dengan kapasitas 1 m 3 /s. Putaran spesifik digunakan untuk menentukan jenis impeler yang akan digunakan. Dengan kata lain, nilai putaran spesifik dapat dipakai sebagai parameter untuk menyatakan jenis pompa [14]. Putaran spesifik dapat dihitung dengan persamaan: 13

9 n s =...(2.19) [14] Keterangan: n s = Putaran spesifik n p = Putaran pompa (rpm) Q = Kapasitas pompa (m 3 /s) H = Head pompa (m) 2.3 Teori Gelombang Pada bagian ini akan diberikan beberapa definisi dan pengertian dasar mengenai gelombang dan bunyi serta hal-hal yang berkaitan dengan teori ini. Gerak gelombang muncul di dalam hampir tiap-tiap cabang fisika, seperti gelombang air, gelombang bunyi, gelombang cahaya, gelombang radio, dan gelombang elektromagnetik lainnya. Sebuah perumusan mengenai atom dan partikel-partikel sub-atomik dinamakan mekanika gelombang. Jelaslah bahwa sifat-sifat gelombang sangat penting di dalam fisika. Gelombang dapat didefenisikan sebagai getaran yang merambat melalui medium yang dapat berupa zat padat, cair, dan gas. Gelombang terjadi karena adanya sumber getaran yang bergerak terus-menerus. Medium pada proses perambatan gelombang tidak selalu ikut berpindah tempat bersama dengan rambatan gelombang. Misalnya bunyi yang merambat melalui medium udara, maka partikel-partikel udara akan bergerak osilasi (lokal) saja. Gelombang berdasarkan medium perambatannya dapat dikategorikan menjadi gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang mekanik terdiri dari partikel-partikel yang bergetar, dalam perambatannya memerlukan medium. Contohnya gelombang bunyi, gelombang pada air, gelombang tali. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Perambatan gelombang ini tidak memerlukan medium dan bergerak mendekati kelajuan cahaya [6]. Berdasarkan arah getar dan arah rambat, gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatannya tegak lurus terhadap arah 14

10 getarnya, contohnya gelombang pada tali, gelombang permukaan air, gelombang cahaya. Sedangkan gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah merambatnya searah dengan arah getarnya, contohnya gelombang bunyi dan gelombang pada pegas. Gelombang ini terdiri dari rapatan dan regangan. Rapatan adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan mendekat selama sesaat. Regangan adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan menjauh selama sesaatl. Gelombang transversal dan gelombang longitudinal dapat digambarkan secara grafis pada gambar 2.13 dan gambar 2.14 Gambar 2.13 Gelombang Transversal [6] Gambar 2.14 Gelombang Longitudinal [6] Besaran-besaran yang digunakan untuk mendiskripsikan gelombang antara lain panjang gelombang (λ) adalah jarak antara dua puncak yang berurutan, frekuensi (ƒ) adalah banyaknya gelombang yang melewati suatu titik tiap satuan waktu, periode (T) adalah waktu yang diperlukan oleh gelombang melewati suatu titik, amplitudo (A) adalah simpangan maksimum dari titik setimbang, kecepatan gelombang (v) adalah kecepatan dimana puncak gelombang (atau bagian lain dari gelombang) bergerak. Pada waktu merambat gelombang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain. Saat gelombang merambat melalui medium maka energi dipindahkan sebagai energi getaran antar partikel dalam medium tersebut. 2.4 Teori Bunyi Bunyi, secara harafiah dapat diartikan sebagai sesuatu yang kita dengar. Bunyi merupakan hasil getaran dari partikel-partikel yang berada di udara dan 15

11 energi yang terkandung dalam bunyi dapat meningkat secara cepat dan dapat menempuh jarak yang sangat jauh. Bunyi diidentikkan sebagai pergerakan gelombang di udara yang terjadi bila sumber bunyi mengubah partikel terdekat dari posisi diam menjadi partikel yang bergerak. [6] Bunyi mempunyai dua defenisi, yaitu: 1. Secara fisis, bunyi adalah penyimpangan tekanan, pergeseran partikel dalam medium elastik seperti udara. Definisi ini dikenal sebagai bunyi objektif. 2. Secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran yang disebabkan penyimpangan fisis yang digambarkan pada bagian atas. Hal ini disebut sebagai bunyi subjektif [4]. Secara singkat, Bunyi adalah suatu bentuk gelombang longitudinal yang merambat secara perapatan dan perenggangan terbentuk oleh partikel zat perantara serta ditimbulkan oleh sumber bunyi yang mengalami getaran. Rambatan gelombang bunyi disebabkan oleh lapisan perapatan dan peregangan partikel-partikel udara yang bergerak ke luar, yaitu karena penyimpangan tekanan. Hal serupa juga terjadi pada penyebaran gelombang air pada permukaan suatu kolam dari titik dimana batu dijatuhkan. Gelombang bunyi adalah gelombang yang dirambatkan sebagai gelombang mekanik longitudinal yang dapat menjalar dalam medium padat, cair dan gas. Gelombang bunyi ini merupakan vibrasi/getaran molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun demikian zat tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta mentransmisikan energi bahkan tidak pernah terjadi perpindahan partikel. Berbicara, tentang substansi yang menjalar apabila gelombang bunyi mencapai tapal batas maka gelombang bunyi tersebut akan terbagi dua yaitu sebagian energi diteruskan dan sebagian lagi direfleksikan/dipantulkan. Suatu penelitian mengenai terjadinya penjalaran bunyi, mendeteksi dan penggunaan bunyi sangat penting untuk mengetahui lebih lanjut akan pengalihan energi mekanik. Pada udara, variasi-variasi tekanan ini berbentuk kompresi (compressions) dan regangan (rarefactions) yang periodik. Amplitudo gelombang dibawa serta oleh tekanan, yang mana semakin besar amplitudo maka semakin besar juga 16

12 kompresi dan regangan yang terjadi. Perubahan tekanan yang membawa informasi bunyi ini bergerak pada arah yang sama dengan muka gelombang, yaitu secara longitudinal, sehingga dapat dikatakan bunyi merupakan gerakan gelombang mekanis yang longitudinal.[6] Frekuensi Bunyi Frekuensi merupakan gejala fisis obyektif yang dapat diukur oleh instrumen-instrumen akustik. Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil perhitungan ini dinyatakan dalam satuan hertz (Hz) yaitu nama pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali. Frekuensi adalah banyaknya getaran per banyaknya waktu pada waktu lampau satuan dari ukuran sebuah frekuensi didefinisikan sebagai banyaknya siklus perdetik (cps). Sekarang, frekuensi ditentukan dalam satuan yang disebut Hertz (Hz). Satu Hertz sama dengan satu siklus perdetik. Frekuensi yang dapat didengar oleh Manusia berkisar 20 sampai Hz dan jangkauan frekuensi ini dapat mengalami penurunan pada batas atas rentang frekuensi sejalan dengan bertambahnya umur manusia. Jangkauan frekuensi audio manusia akan berbeda jika umur manusia juga berbeda. Frekuensi bunyi dapat didefinisikan sebagai jumlah periode siklus kompresi dan regangan yang muncul dalam satu satuan waktu.[6] f =...(2.20)[7] f = Frekuensi (Hz) T = Waktu (detik) Sedangkan periode adalah banyaknya waktu per banyaknya getaran, sehingga periode berbanding terbalik dengan frekuensi. T =...(2.21)[7] f = Frekuensi (Hz) T = periode (detik) 17

13 Dalam tabel 2.1 berikut dapat dilihat perbedaan dari jarak rentang frekuensi yang dapat ditransmisikan dan diterima oleh beberapa sumber dan penerima bunyi. Tabel 2.1 Rentang frekuensi dari beberapa sumber bunyi [6] Sumber Bunyi Rentang Frekuensi (Hz) Manusia Anjing Kucing Piano Pitch Music Standart Cepat Rambat Bunyi Bunyi bergerak pada kecepatan berbeda-beda pada tiap media yang dilaluinya. Pada media gas udara, cepat rambat bunyi tergantung pada kerapatan, suhu, dan tekanan. [6] c =...(2.22)[7] atau dalam bentuk yang sederhana dapat ditulis : c = 20,05...(2.23)[7] c = Cepat rambat bunyi (m/s) γ = Rasio panas spesifik (untuk udara = 1,41) P a = Tekanan atmosfir (Pascal) ρ = Kerapatan (Kg/m3) T = Suhu (K) Pada media padat bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan, sedangkan pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan. c =...(2.24)[7] E = Modulus young (N/m2) ρ = Kerapatan (Kg/m3) 18

14 Pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan. c =...(2.25)[7] K = Modulus bulk (N/m2) = Kerapatan (Kg/m3) Karena bunyi merupakan gelombang maka bunyi mempunyai cepat rambat yang dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu : 1. Kerapatan partikel medium yang dilalui bunyi. Semakin rapat susunan partikel medium maka semakin cepat bunyi merambat, sehingga bunyi merambat paling cepat pada zat padat. Tabel 2.2 disajikan beberapa kecepatan bunyi dalam material tertentu. Tabel 2.2 Cepat rambat bunyi pada berbagai [6] Material Kecepatan bunyi (ft/s) Kecepatan bunyi (m/s) Udara Timah Air Beton Kayu Kaca Baja Suhu medium, semakin panas suhu medium yang dilalui maka semakin cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam persamaan matematis (v = v 0 + 0,6 t) dimana v 0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium Panjang Gelombang 19

15 Panjang suatu gelombang bunyi dapat didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh oleh perambatan bunyi selama tiap siklus. Hubungan antara panjang gelombang, frekuensi, dan cepat rambat bunyi dapat ditulis sebagai berikut sesuai. =...(2.26)[8] λ = Panjang gelombang bunyi (m) c = Cepat rambat bunyi (m/s) f = Frekuensi (Hz) Intensitas Bunyi Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam suatu daerah per satuan luas. Intensitas bunyi dalam arah tertentu di suatu titik adalah laju energi bunyi rata-rata yang ditransmisikan dalam arah tersebut melewati satu-satuan luasan yang tegak lurus arah tersebut di titik bersangkutan. Untuk tujuan praktis dalam pengendalian kebisingan lingkungan, tingkat tekanan bunyi sama dengan tingkat intensitas bunyi. Intesitas bunyi pada tiap titik dari sumber dinyatakan dengan : [6] I =...(2.27)[8] I = Intensitas bunyi (W/m 2 ) W = Daya akustik (Watt) A = Luas area yang ditembus tegak lurus oleh gelombang bunyi (m 2 ) Ambang batas pendengaran manusia, yaitu nilai minimum intensitas daya bunyi yang dapat dideteksi telinga manusia, adalah 10-6 W/cm 2. Tingkat tekanan bunyi beberapa macam bising dan bunyi tertentu ditunjukkan dalam tabel 2.3. Tabel 2.3 Skala intensitas Kebisingan [6] Jenis Bising/Bunyi Desibel Kriteria Jet tinggal landas, meriam, uap, Menulikan halilintar, band rock Bising lalu lintas, peluit polisi, Sangat keras knalpot truck Kantor yang bising, radio pada Keras 20

16 umumnya, perusahaan Percakapan pada umumnya, radio perlahan, rumah bising Kantor pribadi, ruang tenang, percakapan yang tenang. Gemerisik daun, bisikan, nafas manusia Sedang Lemah s/d 20 Sangat lemah Kecepatan Partikel Radiasi bunyi yang dihasilkan suatu sumber bunyi akan mengelilingi udara sekitarnya. Radiasi bunyi ini akan mendorong patikel udara yang dekat dengan permukaan luar sumber bunyi. Hal ini akan menyebabkan bergeraknya partikelpartikel di sekitar radiasi bunyi yang disebut dengan kecepatan partikel pada persamaan. [6] V =...(2.28)[8] v = Kecepatan partikel (m/s) p = Tekanan (Pa) ρ = Massa jenis bahan (Kg/m 3 ) c = cepat rambat bunyi (m/s) Dengan menggunakan kesetimbangan momentum antara momentum linear dan impuls gaya pada gelombang longitudinal untuk permasalahan solid borne maka dapat dianologikan menjadi persamaannya adalah : [6] = c v...(2.29)[8] = Tegangan pada solid (N/m 2 ) = Massa jenis bahan (Kg/m 3 ) c = Kecepatan bunyi merambat pada batang (m/s) v = Kecepatan partikel (m/s) dengan asumsi bahwa : 21

17 1. Gelombang yang terjadi di solid adalah gelombang bidang 2. Persamaan di atas dapat diturunkan menjadi gerak di benda solid 3. Reaksi medium solid berupa tegangan, sedangkan pada udara berupa tekanan Tekanan Bunyi dan Tingkatan Tekanan Bunyi Tekanan bunyi adalah variasi tekanan diatas dan dibawah tekanan atmosfer dalam satuan pascal. Tekanan bunyi dapat dirumuskan dari persamaan kecepatan partikel yaitu: = 2 fx c... (2.30)[8] Variasi tekanan ini sifatnya periodik, satu variasi tekanan komplit disebut juga sebagai satu siklus (frekuensi). Secara umum persamaan gelombang tekanan bunyi datang dapat dituliskan sebagai : [6] = sin (2 ft k 1 x)...(2.31)[6] dan persamaan untuk gelombang ditransmisikan dan dipantulkan adalah : = sin (2 ft k 2 x)...(2.32)[6] = sin (2 ft + k 1 x)...(2.33)[6] P i P t P r = Tekanan bunyi (N/m 2 atau Pa) = Tekanan bunyi ditransmisikan (N/m 2 atau Pa) = Tekanan bunyi dipantulkan (N/m 2 atau Pa) Pa = Amplitudo tekanan bunyi (N/m 2 ) f = Frekuensi (Hz) t = Waktu (detik) k1,k2 = Bilangan gelombang pada media 1 dan media 2 = x = jarak dari sumber gelombang (m) Penyimpangan dalam tekanan atmosfir yang disebabkan getaran partikel udara karena adanya gelombang bunyi disebut tekanan bunyi. Tingkat tekanan bunyi diukur oleh sound level meter yang terdiri atas mikrofon, penguat, dan instrument output (keluaran) yang mengukur tingkat tekanan bunyi dalam decibel. Nilai tingkat tekanan bunyi ini sangat bervariasi, yaitu pada rentang 2 x 10-5 N/m 2 hingga 600 N/m 2. Bermacam-macam alat/ piranti tambahan dapat disambungkan atau digabungkan pada instrumen dasar ini, sesuai dengan kebutuhan, seperti 22

18 penganalisis frekuensi atau perekam grafis. Meter tingkat bunyi yang dibuat dalam berbagai ukuran oleh beberapa perusahaan, dapat digunakan untuk sejumlah tujuan dalam akustik lingkungan. Ini merupakan instrumen yang penting dalam menilai dan mengendalikan bunyi bising dan getaran. Tingkat tekanan bunyi di definisikan dalam persamaan berikut sesuai dengan: [6] L p = 10 log...(2.34)[8] L p = Tingkat tekanan bunyi (Sound Pressure Level (SPL)) (db) P ref = Tekanan bunyi referensi, 10-5 N/m 2 untuk bunyi udara. P t = Tekanan bunyi ditranmisikan (Pa) Pada umumnya, suatu instrumen sound level meter dilengkapi dengan fitur pembobotan frekuensi A, B, C, dan flat-weighting (pembobotan datar). 1. Frekuensi Pembobotan A A-weighted sound level (tingkat pembobotan bunyi A) ini memberikan hubungan tingkat tekanan bunyi dengan respon manusia untuk berbagai jenis sumber bunyi (Hemond, 1983). Akibatnya, tingkat pembobotan jenis ini paling sering digunakan dalam keperluan pengendalian kebisingan. Satuan tingkat pembobotan bunyi A adalah decibel dengan simbol db(a). 2. Frekuensi Pembobotan B Pembobotan B ini tidak digunakan lagi dalam instrument untuk pengukuran akustik. 3. Frekuensi Pembobotan C Respon pembobotan C ini cukup uniform dari 50 hingga 5000 Hz. Oleh karenanya, pembobotan jenis ini sering digunakan bila pembobotan datar tidak terdapat dalam instrumen sound level meter. Ketika pembobotan C digunakan, satuan yang digunakan adalah decibel dengan symbol db(c). 4. Flat-weighting (Pembobotan datar db) Pembobotan jenis ini memiliki jangkauan frekuensi yang sangat luas sehingga kadang disebut all pass respons. Pembobotan ini digunakan bila pemakaian sound level meter dilengkapi dengan band filter. [6] 23

19 Nilai tingkat tekanan bunyi yang didapat dari hasil pengukuran sound lever meter dalam skala decibel (db), dapat dikonversikan ke dalam satuan db(a) melalui suatu skala koreksi pada tabel 2.4 berikut: Tabel 2.4 Skala koreksi pembobotan A [6] Frekuensi Skala Koreksi 31,5-39, , , , , , , 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 bergantung pada posisi dalam daerah persatuan luas dimana gelombangnya bergerak secara paralel. 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: [6] P 2 rms = I max c... (2.35)[8] P rms = Akar kuadrat tekanan bunyi rata-rata (Pa) I max = Intensitas maksimum (W/m 2 ) ρ = Kerapatan udara (Kg/m 3 ) c = Cepat rambat bunyi di udara (m/s) Tingkatan Intensitas bunyi didefinisikan dalam rumus berikut: L 1 = 10 log...(2.36)[7] 24

20 I = Intensitas bunyi (W/m 2 ) I ref = Intensitas referensi (10-12 W/m 2 ) Daya Bunyi dan Tingkatan Daya Bunyi Daya bunyi adalah radiasi sumber bunyi yang menuju ke sekitar udara, dalam satuan Watts. Intensitas merupakan besaran yang setara dengan daya gelombang yang merambat per satuan luas muka gelombang. Berbeda dengan gelombang bidang, gelombang speris yang berpropagasi ke segala arah dengan bidang berbentuk bola (speris) seperti yang disajikan pada gambar Gambar 2.15 Gelombang bunyi berbentuk bola (speris) [6] Sebagaimana yang berlaku untuk gelombang bidang, maka intensitas gelombang speris dapat dihitung dengan prinsip yang sama. Hanya saja karena muka gelombang berbentuk sperik (bola) maka luasnya adalah 4. Sehingga hubungan daya bunyi dengan intensitas bunyi dapat ditulis dalam persamaan : [6] W s = (4 r 2 ) I s...(2.37)[7] W s = Total daya bunyi (Watt) I s = Intensitas bunyi maksimum pada jarak radius (W/m 2 ) r = Jarak dari titik tengah akustik sumber bunyi ke permukaan imajiner sphere (m) Tingkat daya bunyi didefinisikan dalam persamaan : L w = 10 log...(2.38)[7] dimana : Lw = Tingkatan daya bunyi (db) W = Daya bunyi (Watts) W o = Daya bunyi referensi (10-12 Watts) 25

21 Hubungan Antara Tingkat Daya, Tingkat Intensitas dan Tingkat Tekanan Bunyi Intensitas pada suatu ketika berhubungan dengan tekanan bunyi pada titik dalam daerah bebas dengan mengkombinasikan persamaan pada [6, hal 15 dan 17], maka diperoleh tingkat intensitas bunyi sebagai berikut: [6] = 10 log = 10 log = 10 log + 10 log... (2.39) = + 10 log K... (2.40) K = Konstanta = = Dengan cara yang sama terhadap tingkat tekanan bunyi, maka : = + 10 log K...(2.41)[7] Pada kondisi dimana intensitas adalah seragam dalam sebuah daerah S, daya bunyi dan intensitas berhubungan pada persamaan : W = I. A...(2.42)[7] Selanjutnya hubungan antara tingkat intensitas dan tingkat daya bunyi adalah : 10 log = 10 log + 10 log...(2.43) A = Luas permukaan daerah (m 2 ) A 0 = 1 m 2 Maka diperoleh persamaan berikut: = + 10 log A...(2.44)[7] 2.5 Kebisingan Pompa Sumber Kebisingan Pompa Pada pompa sentrifugal, terdapat dua sumber kebisingan, yaitu : [11] 1. Sumber kebisingan mekanikal Sumber mekanik umum yang dapat menghasilkan noise termasuk membuat komponen pompa bergetar dikarenakan oleh variasi tekanan yang dihasilkan oleh cairan atau udara. Impeller atau seal rusak, bantalan yang rusak, bergetarnya dinding pipa dan rotor tidak seimbang adalah contoh sumber mekanik. 26

22 Pada pompa sentrifugal, instalasi yang tidak tepat pada kopling sering menyebabkan kebisingan mesin pada 2 kali kecepatan pompa (misalignment). Jika kecepatan pompa dekat dengan kecepatan kritis lateral, kebisingan dapat dihasilkan oleh getaran yang tinggi yang dihasilkan dari ketidakseimbangan atau keausan bantalan, seal, atau impeller. Jika terjadi keausan,itu dapat ditandai dengan tingkat kebisingan yang tinggi. Suara bising dapat dihasilkan oleh motor dan pasak poros. Kerusakan elemen ball bearing menghasilkan suara kebisingan tinggi yang dipengaruhi oleh geometri bearing dan kecepatannya. 2. Sumber kebisingan fluida Fluktuasi tekanan fluida dihasilkan oleh gerakan cairan. Kebisingan pada fluida dapat dihasilkan oleh turbulensi, kavitasi, tumbukan air, pemisahan aliran dan interaksi impeller pada saat memotong air. Jika frekuensi yang dihasilkan mempengaruhi setiap bagian dari struktur termasuk pipa atau pompa pada vibrasi mekanikal, maka suara bising akan terpancar ke lingkungan. Jenis sumber kebisingan yang terjadi umumnya pada pompa sentrifugal. a. Frekuensi diskrit yang dihasilkan oleh impeller pompa sama dengan frekuensi kipas, dan kelipatan. b. Gelombang induksi aliran disebabkan oleh turbulensi seperti restriksi aliran dan percabangan dalam sistem perpipaan. c. Energi turbulen dihasilkan dari kecepatan aliran yang tinggi. d. Aliran air yang terputus-putus disebabkan oleh kavitasi dan tumbukan air. Berbagai pola aliran sekunder yang menghasilkan fluktuasi tekanan yang mungkin terjadi dalam pompa sentrifugal, yaitu : [11] 1. resirkulasi (aliran sekunder) 2. sirkulasi 3. kebocoran 4. Fluktuasi aliran 5. vortisitas 6. turbulensi 7. kavitasi Perhitungan Analitis Kebisingan pada Pompa 27

23 Menurut Bernoully ada tiga macam energi (head) fluida yaitu energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dinyatakan pada persamaan (2.45) sebagai berikut [] : E tekan = E k + E p...(2.45) Energi tekanan dihasilkan oleh impeller yang berputar. Dengan demikian jika terjadi kerugian tekanan maka disebabkan oleh kondisi impeler yang kurang baik atau terjadi fenomena kavitasi. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut: E tekan = E k + E p...(2.46) E Putaran Impeler - E bunyi = E k + E p...(2.47) E bunyi = E Putaran Impeler - E k + E p...(2.48) Pada pompa sentrifugal dengan skala rumah tangga menggunakan penggerak motor listrik tanpa kopling. Dengan demikian untuk menghitung energi pada impeller pompa dapat menggunakan persamaan berikut : E Putaran Impeler =...(2.49)[3] = Daya motor = Efisiensi transmisi = Faktor koreksi cadangan daya (0,1 0,2) Untuk menghitung energi kinetik dan energi potensial dengan persamaan berikut: E k = m...(2.50) E p = mgh...(2.51) m = Massa aliran fluida (Kg/s) v = Kecepatan aliran fluida (m/s) h = Tinggi head (m) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) dengan mensubstitusikan persamaan (2.49), (2.50) dan (2.51) ke persamaan (2.48), maka diperoleh persamaan berikut: E bunyi = - m + mgh...(2.52) Untuk menghitung daya bunyi yang dihasilkan oleh pompa dapat digunakan persamaan sebagai berikut: 28

24 P = (2.53) Untuk menghitung Intensitas bunyi dapat digunakan persamaan sebagai berikut: I =...(2.54)[7] I = Intensitas bunyi (W/m 2 ) P = Daya bunyi (W) A = Luas medium rambat bunyi (m 2 ) Tekanan bunyi dapat dirumuskan sebagai berikut : p =...(2.55)[7] p = Tekanan bunyi (Pa) = Massa jenis medium rambat bunyi (m 3 /kg) c = Cepat rambat bunyi pada medium (m/s) I = Intensitas bunyi (W/m 2 ) Sound pressure level dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: SPL = 20 Log...(2.56)[7] p = Tekanan bunyi (Pa) p o = Tekanan bunyi reference (Pa) 2.6 Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan Untuk menentukan perlakuan pengendalian kebisingan yang tepat untuk permasalahan kebisingan pada impeller terdapat beberapa langkah yang harus diikuti, yaitu: [4] 1. Pengukuran sumber kebisingan. Pengukuran dilakukan secara akurat dan tepat untuk mengidentifikasi distribusi kebisingan yang terjadi. Setelah itu kontrol kebisingan yang tepat dapat diukur pada setiap sumber yang memungkinkan. 2. Penentuan sasaran penurunan kebisingan Apabila terdapat beberapa sumber kebisingan maka total output kebisingan melebihin 1 sumber. Pada saat pengaturan sasaran desain kebisingan harus 29

25 dipertimbangkan tingkat pengurangan kebisingan dari masing-masing sumber sehingga sasaran desain dapat tercapai. 3. Penjelasan kebutuhan penurunan kebisingan Kebutuhan penurunan kebisingan sangat diperlukan karena terdapat perbedaan kelebihan kebisingan terhadap sasaran desain penurunan kebisingan. 4. Aplikasi kontrol kebisingan. Pemilihan perlakuan penurunan kebisingan untuk membatasi radiasi, transmisi, dan kebisingan yang dibangkitkan pada beberapa sumber yang diidentifikasi dan dihitung berdasarkan langkah 1. Semua perlakuan harus dipilih sehingga efek keseluruhan dapat dikembangkan menjadi tingkat sasaran desain penurunan kebisingan seperti yang dijelaskan pada langkah 2, dalam kondisi biaya yang sedikit, tanpa interferensi dari operator, perawatan, dan tingkat keamanan. 30