SUHARDIMAN / TM

Transkripsi

1 PENYELIDIKAN KARAKTERISTIK AKUSTIK (ACOUSTICAL PROPERTIES) MATERIAL KOMPOSIT POLIMER YANG TERBUAT DARI SERAT BATANG KELAPA SAWIT MENGGUNAKAN VARIABEL KOMPOSISI DAN KETEBALAN TESIS Oleh SUHARDIMAN / TM PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 PENYELIDIKAN KARAKTERISTIK AKUSTIK (ACOUSTICAL PROPERTIES) MATERIAL KOMPOSIT POLIMER YANG TERBUAT DARI SERAT BATANG KELAPA SAWIT MENGGUNAKAN VARIABEL KOMPOSISI DAN KETEBALAN TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik OLEH SUHARDIMAN /MTM PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

3 Judul Tesis : PENYELIDIKAN KARAKTERISTIK AKUSTIK (ACOUSTICAL PROPERTIES) MATERIAL KOMPOSIT POLIMER YANG TERBUAT DARI SERAT BATANG KELAPA SAWIT MENGGUNAKAN VARIABEL KOMPOSISI DAN KETEBALAN Nama Mahasiswa : Suhardiman Nomor Pokok : Program Studi : Teknik Mesin Menyetujui Komisi Pembimbing (Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri) Ketua (Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D) (Anggota) (Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc) (Anggota) Ketua Program Studi, Dekan, (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng) Tanggal Lulus: 03 Juli 2010

4 Telah Diuji pada Tanggal: 03 Juli 2010 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri Anggota : 1. Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D 2. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc 3. Ir. Tugiman, MT 4. Drs. Akhiruddin, MSc

5 ABSTRAK Karakteristik suatu material penyerap bunyi dinyatakan dengan besarnya koefisien serap untuk setiap frekuensi yang dikeluarkan. Material yang berpori, berserat dan lunak (porous) pada umumnya merupakan jenis material dengan sifat penyerap bunyi yang baik. Batang kelapa sawit memiliki sifat lembut, struktur yang berpori dan berserat. Dalam tesis ini akan diteliti kinerja akustik dari limbah serat batang kelapa sawit yang dapat dimanfaatkan sebagai material akustik alternatif untuk menggantikan serat sintetis. Untuk mendapatkan nilai koefisien serap material ini digunakan impedance tube dengan ukuran diameter tabung 8.9 cm dan frekuensi maksimum 2000 Hz. Range frekuensi yang diambil adalah frekuensi standar dalam penelitian akustik yaitu 250 Hz, 500 Hz, 750 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz, dan 2000 Hz. Sedangkan perbandingan komposisi serat batang kelapa sawit dan polyurethane dibuat 3 (tiga) variasi yaitu 50%:50% (1:1), 33%:67% (1:2), dan 25%:75% (1:3). Setiap komposisi dibentuk dengan variasi ketebalan yaitu tebal 2 cm, 3 cm, 4 cm dan 5 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai koefisien serap yang tertinggi yaitu pada ketebalan 5 cm frekuensi 1000 Hz, komposisi serat batang kelapa sawit 50% polyurethane 50%. Sedangkan nilai koefisien serap yang terendah adalah pada ketebalan 5 cm frekuensi 250 Hz, komposisi serat batang kelapa sawit 50% polyurethane 50%. Kata kunci: Serat batang kelapa sawit, polyurethane, akustik, koefisien serap, frekuensi, komposisi, ketebalan.

6 ABSTRACT The characteristic of a sound absorbing material is shown by the magnitude of absorption coefficient of each frequency produced. Porous material with pores and fibers is generally a material which can absorb sound very well. Oil palm stem is a porous material with pored and fibrous structure. The purpose of this study was to analyze the acoustic performance of oil palm stem fiber wastes which can be used as an alternative acoustic material to substitute synthetic fiber. To obtain the absorption coefficient value of this material, an impedance tube with the tube diameter of 8.9 cm and maximum frequency of 2000 Hz was used. Range of frequency taken was the standard frequency in acoustic research such as 250 Hz, 500 Hz, 750 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz, and 2000 Hz, where the comparison of oil palm stem fibers and polyurethane composition was made in 3 (three) variations of 50%:50% (1:1), 33%:67% (1:2), and 25%:75% (1:3). Each composition was formed with thickness variations of 2 cm, 3 cm, 4 cm and 5 cm. The result of this study showed that the highest absorption coefficient value was at the thickness of 5 cm, frequency of 1000 Hz, composition of 50% oil palm stem fibers 50% polyurethane. The lowest absorption coefficient value was at the thickness of 5 cm, frequency of 250 Hz, composition of 50% oil palm stem fibers 50% polyurethane. Keywords: Oil palm stem fibers, polyurethane, acoustic, absorption coefficient, frequency, composition, thickness.

7 RIWAYAT HIDUP Nama : Suhardiman Tempat/Tgl. Lahir : Medan, 13 Mei 1972 Agama : Islam Alamat : Jl. Wonosari Tengah, Kabupaten Bengkalis Riau Hp suhardiman_72@yahoo.com Jenis Kelamin : Laki-laki Pendidikan : Sekolah Dasar Negeri (SDN) Medan : Sekolah Menengah Pertama (SMP) PAB 15 Medan : Sekolah Menegah Atas Negeri (SMAN) 11 Medan : Institute Agama Islam Negeri (IAIN) Medan : Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin UNSYIAH Banda Aceh : Politeknik Perkapalan ITS Surabaya Pekerjaan 2001 Sekarang : Staf Pengajar Politeknik Bengkalis Riau

8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena berkat limpahan rahmat dan karunianya dapat menyelesaikan tesis ini yang berjudul: PENYELIDIKAN KARAKTERISTIK AKUSTIK (ACOUSTICAL PROPERTIES) MATERIAL KOMPOSIT POLIMER YANG TERBUAT DARI SERAT BATANG KELAPA SAWIT MENGGUNAKAN VARIABEL KOMPOSISI DAN KETEBALAN. Proses penulisan dan penyelesaian tesis ini tidak terlepas dari mekanisme yang ada di Fakultas Pascasarjana Program Studi Magister Teknik Mesin, yang telah memberikan banyak saran dan masukan untuk kesempurnaan penulisan. Kesemuanya ini terwujud berkat bimbingan yang cukup intensif oleh Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, Prof. Basuki W. MS. PhD, dan Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc, selaku komisi pembimbing dimana telah banyak memberikan arahan, petunjuk dan nasehat yang bermanfaat dalam menentukan langkah-langkah penelitian dan penulisan, sehingga dapat selesainya penelitian ini. Pada kesempatan ini juga penulis menyampaikan terimakasih yang sedalamdalamnya kepada Prof. Dr. Bustami Syam MSME dan Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Program dan Sekretaris Program Magister Teknik Mesin FT. USU, yang telah memberikan tanggapan serta saran-saran perbaikan demi kesempurnaan tulisan tesis ini.

9 Bapak bapak dosen serta rekan-rekan yang telah membantu dan berpartisipasi dalam penulisan tesis ini, dan semua pihak yang telah membantu sehingga dapat selesainya tulisan ini. Kedua orang tua, istri dan anak penulis yang telah banyak memberikan dorongan, semangat, perhatian serta toleransi waktu yang telah digunakan untuk kegiatan belajar penulis. Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari tesis ini, namun penulis mengharapkan tesis ini dapat menjadikan masukan bagi kemajuan penelitian di. Kiranya Allah SWT selalu dan tidak berkesudahan memberikan bimbingan, berkat dan anugerahnya kepada kita sekalian dalam menggali dan mengembangkan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi yang dapat disumbangkan bagi kemajuan negeri tercinta. Amin. Medan, 22 Agustus 2010 Penulis, Suhardiman NIM

10 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTRACT... RIWAYAT HIDUP... ii iii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vi DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR LAMPIRAN... xvii DAFTAR ISTILAH... xviii BAB 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Peta Jalan Penelitian Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Tujuan Umum Tujuan Khusus Manfaat... BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA Terjadinya Bunyi Gelombang Bunyi Superposisi Gelombang Perambatan Bunyi Bunyi pada Udara Bunyi pada Zat Padat Frekuensi Tekanan Bunyi dan Tingkat Tekanan Bunyi Kebisingan Pengendalian Kebisingan Pada Perambatan Koefisien Serap (Absorbsi) Bunyi Material Akustik Material Komposit

11 2.12. Polyurethane Batang Tanaman Kelapa Sawit Kerangka Konsep Penelitian BAB 3. METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Metode Peralatan dan Bahan Spesimen Pembuatan Spesimen Set Up Peralatan Pengambilan Data dengan Menggunakan Impedance Tube 3.5. Persiapan dan Pembuatan Tabung Impedance Tube 3.6. Peletakan Spesimen Pengaturan Frekuensi Pengaturan Penerima Bunyi Pengaturan Bentuk Gelombang Proses Validasi Alat... BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengolahan Data Hasil Perhitungan dan Pengamatan Setiap Frekuensi Pada Frekuensi 250 Hz Pada Frekuensi 500 Hz Pada Frekuensi 750 Hz Pada Frekuensi 1000 Hz Pada Frekuensi 1500 Hz Pada Frekuensi 2000 Hz Hasil Perhitungan dan Pengamatan Komposisi Material Komposisi Serat Batang Kelapa Sawit 50% dan Polyurethane 50% Komposisi Serat Batang Kelapa Sawit 33% dan Polyurethane 67% Komposisi Serat Batang Kelapa Sawit 25% dan Polyurethane 75% Hasil Perhitungan dan Pengamatan Tebal Material Ketebalan Material 2 cm Ketebalan Material 3 cm Ketebalan Material 4 cm Ketebalan Material 5 cm Hasil Simulasi

12 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran... DAFTAR PUSTAKA... LAMPIRAN

13 DAFTAR TABEL No Judul Halaman 2.1. Kecepatan gelombang suara pada beberapa media Interval frekuensi yang diterima oleh sumber dan penerima bunyi Tingkat kebisingan dan lama paparan yang diijinkan/hari Pembagian zona-zona peruntukan Peraturan Menteri Kesehatan No. 781/Menkes/Per/XI/ Koefisien penyerapan bunyi bahan-bahan bangunan Karakteristik sifat fisik dan mekanis batang kelapa sawit Bahan yang digunakan dalam pembuatan spesimen Peralatan yang digunakan dalam pembuatan spesimen Berat masing-masing spesimen Peralatan pengujian Pengukuran validasi alat untuk material polyurethane foam Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 250 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 250 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 250 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 500 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 500 Hz... 65

14 4.6. Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 500 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 750 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 750 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 750 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 1000 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 1000 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 1000 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 1500 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 1500 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 1500 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% frekuensi 2000 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 33% dan polyurethane 67% frekuensi 2000 Hz Hasil pengukuran dan perhitungan material serat batang kelapa sawit 25% dan polyurethane 75% frekuensi 2000 Hz Hasil perhitungan komposisi serat batang kelapa sawit 50% polyurethane 50% Hasil perhitungan komposisi serat batang kelapa sawit 33% polyurethane 67% Hasil perhitungan komposisi serat batang kelapa sawit 25% polyurethane 75% Hasil perhitungan tebal material 2 cm... 81

15 4.23. Hasil perhitungan tebal material 3 cm Hasil perhitungan tebal material 4 cm Hasil perhitungan tebal material 5 cm... 85

16 DAFTAR GAMBAR No Judul Halaman 1.1. Skematik peta jalan penelitian Tanaman kelapa sawit di Tanjung Merahe yang tidak produktif Situasi akustik: sumber bunyi, path dan receiver a. Gelombang longitudinal b. Gelombang transversal Superposisi dua gelombang Perbedaan panjang gelombang pada frekuensi rendah dan tinggi Proses perubahan medium perambatan dari suatu sumber impact sound mesin generator pada bangunan berlantai Penggunaan material akustik pada jalur rambatan pada dinding ruang mesin (a) Pemantulan bolak-balik dari pagar ke dinding muka bangunan akibat penggunaan mateial dengan sifat memantul yang kuat (b) Pemantulan terdifusi di dinding muka bangunan karena Penggunaan material dengan sifat difus, energi tersebar merata Penggunaan material penyerap suara pada bagian mobil Pemantulan dan penyerapan bunyi pada suatu muka dataran dari dua media akustik Papan olahan berpori kotak dan bulat Selimut mineral wool yaitu rockwool dan glasswool a. Isocyanate b. Polyol Ikatan uretan dan reaksi pembentukan polyurethane

17 2.14. Bentuk dan penampang inti batang kelapa sawit Kerangka konsep penelitian Serat batang kelapa sawit, polyol dan isocyanate Gergaji, penggaris, pisau, mangkok, sendok, sarung tangan, gelas ukur Pengirisan inti serat batang kelapa sawit (a) Gambar pemotongan pipa untuk cetakan (b) Hasil pemotongan cetakan untuk spesimen tebal 2 cm, 3 cm, 4 cm dan 5 cm (a) Penimbangan serat (b) Penimbangan polyurethane dengan tabung ukur (a) Pengadukan cairan polyol dan isocyanate (b) Pengadukan polyurethane dengan serat batang kelapa sawit (a) Memasukkan campuran polyurethane dengan serat kedalam cetakan (b) Spesimen tebal 5 cm masih dalam cetakan (a) Spesimen yang telah dibuka (b) Pengukuran tebal spesimen (c) Spesimen yang telah selesai dicetak (a) Pencatatan berat material (b) Berat spesimen komposisi 50% : 50% tebal 2 cm Proses skematik Peralatan Impedance Tube Set Up Peralatan Impedance Tube Perpindahan energi gelombang datang dan gelombang pantul Resultan bentuk gelombang di dalam Tabung Impedance Tube Jarak P max dan P min

18 3.15. Pipa untuk ruang penangkap gelombang bunyi Speaker dan ruang sumber bunyi Holder sebagai penutup dan tempat spesimen Landasan tabung Impedance Tube Impedance Tube diameter 89 mm Proses peletakan spesimen di holder Pengaturan frekuensi oleh Function Generator Amplifier sebagai pembangkit penerima bunyi Oscilloscope sebagai tampilan bentuk perubahan gelombang Cacat gelombang akibat resonansi Tampilan menu Software Easyscope (a) Spesimen Polyurethane (b) Permukaan Polyurethane (c) Pembesaran 50x permukaan Polyurethane Frekuensi pada layar Oscilloscope harus sesuai dengan frekuensi yang di keluarkan Function Generator Bentuk gelombang pada frekuensi 250 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% Grafik koefisien serap pada frekuensi 250 Hz Bentuk gelombang pada frekuensi 500 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% Grafik koefisien serap pada frekuensi 500 Hz Bentuk gelombang pada frekuensi 750 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% Grafik koefisien serap pada frekuensi 750 Hz Bentuk gelombang pada frekuensi 1000 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50%... 69

19 4.9. Grafik koefisien serap pada frekuensi 1000 Hz Bentuk gelombang pada frekuensi 1500 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% Grafik koefisien absorbsi pada frekuensi 1500 Hz Bentuk gelombang pada frekuensi 2000 Hz dengan serat batang kelapa sawit 50% dan polyurethane 50% Grafik koefisien serap pada frekuensi 2000 Hz Foto pada permukaan material dan pembesaran 50x dengan komposisi 50%:50% Grafik koefisien serap pada komposisi 50%:50% Foto pada permukaan material dan pembesaran 50x dengan komposisi 33%:67% Grafik koefisien serap pada komposisi 33%:67% Foto pada permukaan material dan pembesaran 50x dengan komposisi 20%:80% Grafik koefisien serap pada komposisi 25%:75% Grafik koefisien serap pada ketebalan 2 cm Grafik koefisien serap pada ketebalan 3 cm Grafik koefisien serap pada ketebalan 4 cm Grafik koefisien serap pada ketebalan 5 cm Kotak dialog lokasi titik awal penggambaran Kotak dialog ukuran diameter material Kotak dialog Boundary Surface Kotak dialog Extrusion Option Material yang telah diextrude... 88

20 4.29. Kotak dialog Automatic Mesh Sizing Kotak dialog properties material Kotak dialog Automesh Solid Material setelah dimeshkan Kotak dialog Function Definition Kotak dialog luas permukaan tumpuan Kotak dialog Create Constraints on Geometry Kotak dialog Create or Activate Load Set Kotak dialog luas permukaan beban Kotak dialog Create Load on Surface Material setelah diberi tekanan suara Kotak dialog Load Set Options for Dynamic Analysis Kotak dialog Analysis Control Kotak dialog Message Review Kotak dialog melihat tampilan material Kotak dialog PostProcesing data Distribusi tekanan transmisi bunyi material komposit polymer komposisi 50% serat batang kelapa sawit dan 50% polyurethane dengan ketebalan 5 cm pada frekuensi 1000 Hz... 96

21 DAFTAR LAMPIRAN No Judul Halaman 1 Gambar Dua Dimensi Impedance Tube Gambar Tiga Dimensi Impedance Tube Dimensi Spesimen 50%:50% ASTM D Perhitungan Analisis Regresi Logaritma

22 DAFTAR ISTILAH Simbol Besaran Satuan phi c kecepatan rambat gelombang bunyi (m/s) f frekuensi bunyi (Hz) panjang gelombang bunyi (m) P s tekanan atmosfir (N/m 2 ) ρ kerapatan udara dan padat (kg/m 3 ) T perioda gelombang (s) C o cepat rambat gelombang media padat (m/s) E modulus elastisitas (N/m 2 ) P l tekanan bunyi datang (N/m 2 ) P t tekanan bunyi transmisi (N/m 2 ) P r tekanan bunyi pantul (N/m 2 ) P a amplitudo tekanan bunyi (N/m 2 ) k 1,2 bilangan gelombang A1 amplitudo maksimum (m) A2 amplitudo minimum (m)

23 y simpangan (m) t waktu (s) x jarak dari sumber/posisi (m) L p tingkat tekanan bunyi, SPL (db) P ref tekanan bunyi referensi untuk bunyi udara 2 x 10-5 (N/m 2 ) P(t) tekanan bunyi (N/m 2 ) d diameter dalam tabung (cm) f o frekuensi maksimum pengukuran (Hz) ( ) Koefisien serap (absorbsi)