LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA

Transkripsi

1 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel Asrofi Khoirul Huda, Diana Ainun Nisa, Ning Rosianah, Diky Anggoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Anggoro@physics.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel dengan tujuan untuk membandingkan kekerasan beberapa amplas mesh dan kertas HVS dengan tisu melalui metode pencitraan spekel. Bahan uji kekerasan pada percobaan ini adalah amplas 24 mesh, 5 mesh, 1 mesh, mesh 2, kertas HVS, dan tisu. Sedangkan sudut polarisator yang digunakan adalah, 3, 6, dan 9. Pada percobaan ini, cahaya laser He-Ne dilewatkan melalui polarisator dan mengenai bahan uji. Pola hamburan cahaya laser setelah mengenai bahan uji, lalu di tangkap web cam dan dilakukan analisa dengan software image j untuk memperoleh sudut deviasi pada percobaan. Gambar yang ditangkap oleh web cam adalah pola spekel dari pemantulan cahaya laser yang merambat lurus melalui polarisator dang mengenai bahan uji. Pemantulan cahaya laser dari bahan uji ini dipengaruhi oleh nilai kekerasan suatu bahan uji yang di akibatkan adanya interferensi cahaya pantul akibat frekuensi yang sama, sedangkan amplitudo dan fasenya berbeda. Data hasil percobaan ini adalah nilai sudut deviasi dan mean. Selanjutnya, data ini digunakan untuk menentukan nilai kontras. Nilai kontras, berbanding terbalik dengan nilai kekerasan suatu bahan uji. Hasi percobaan menunjukan bahwa kekerasan dari semua bahan uji dari nilai terbesar adalah amplas mesh 24, amplas mesh 5, amplas mesh 1, amplas mesh 2, kertas HVS, dan tisu. Kata Kunci Citra Spekel, Leser He-Ne, Polarisator D I. PENDAHULUAN I berbagai aplikasi penggunaan alat, kualitas suatu bahan sangat penting, Guna menguji kualitas dari suatu alat tersebut dilakukan suatu metode khusus. Salah satu metode yang digunakan untuk menguji kekerasan bahan adalah dengan,enggunakan metode citra spekel dengan memanfaatkan cahaya pantul yang mengalami interferensi. Manfaat kekerasan suatu bahan adalah untuk menentukan kegunaan bahan dengan kekerasan ertentu tersebut, seperti mengasah pisau dibutuhkan batu yang memiliki permukaan yang rata untuk mengasahnya. Ada pula untuk pembuatan batu permata yang cantik dan elegan diperlukan keahlian untuk membuatnya. Pemanfaatan permukaan yang memiliki banyak tingkat kekasaran sangat banyak. Untuk mendapatkan seberapa kekasaran yang dimiliki oleh suatu benda inilah diperlukan suatu metode identifikasi kekerasan suatu bahan yang mudah untuk digunakan. Salah satu metode identifikasi kekerasan yang sering digunakan adalah metode citra spekel. Pola Spekel (Speckle Pattern) ialah pola intensitas acak yang dihasilkan oleh interferensi dari muka gelombang. Efek spekel adalah hasil interferensi dari banyak gelombang dengan frekuensi yang sama, tetapi memiliki fase dan amplitudo yang berbeda, yang mana jika disatukan akan menghasilkan gelombang resultan dari amplitudo, sehingga variasi intensitasnya menjadi acak. Jika setiap gelombang di peragakan oleh sebuah vektor, sehingga dapat dilihat jika angka dari vektor dengan sudut yang acak disatukan, panjang dari vektor resultan dapat bermacam-macam dari nol sampai jumlah panjang vektor itu sendiri (jalan acak 2 dimensi) atau biasa dikenal seperti pemabuk yang sedang berjalan. Pola spekel yang dibentuk ketika sinar laser dihamburkan dari permukaan plastik menuju dinding [1]. Suatu permukaan yang disinari oleh gelombang cahaya, berdasarkan teori difraksi, setiap titik pada permukaan yang disinari akan bertindak sebagai sebuah sumber dari gelombang lingkaran sekunder [2]. Pola interferensi cahaya dari dua sumber atau lebih dapat diamati jika sumber-sumber tersebut bersifat koheren, yaitu bila sumber-sumber tersebut sefase atau memiliki perbedaan fase yang konstan terhadap waktu [5]. Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun disebut juga interferensi konstruktif, yaitu jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut. Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 18 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan dan disebut interferensi Destruktif. Pada pola frinji interferensi, interferensi konstruktif menghasilkan pola cahaya terang, sedangkan interferensi destruktif ditandai dengan tidak adanya cahaya atau disebut gelap [4]. Cahaya juga dapat mengalai polarisasi. Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya. Akibat adanya polarisasi cahaya, arah getar suatu cahaya yang semula acak dapat menjadi satu arah getar saja. Oleh karenaa itulah, polarisasi dapat disebu sebagai penyerapan arah bidang getar suatu gelombang. Fakta bahwa cahaya dapat mengalami polarisasi, menunjukan bahwa cahaya adalah gelombang transversal [1]. Cahaya pada titik manapun dalam hamburan medan cahaya berasal dari gelombang yang telah terhambur dari tiap titik pada permukaan yang disinari. Pada percobaan ini dapat di amati pada bahan uji yang digunakan. Jika permukaan yang cukup kasar untuk menciptakan panjang garis yang berbedabeda melebihi satu panjang gelombang, dengan menambah fase maka akan mengubahnya menjadi lebih besar dari 2π, amplitudo dan intensitas dari variasi resultan cahaya juga akan menjadi acak [2]. Cahaya juga dapat mengalai polarisasi. Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya. Akibat adanya polarisasi cahaya, arah getar suatu cahaya yang semula acak dapat menjadi satu arah getar saja. Oleh karenaa itulah, polarisasi dapat disebu sebagai penyerapan arah bidang getar suatu gelombang. Fakta bahwa cahaya dapat mengalami

2 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA polarisasi, menunjukan bahwa cahaya adalah gelombang transversal [1]. Gambar 1. Pola Interferensi pada dua sumber cahaya Efek spekel ialah hasil dari interferensi banyak gelombang yang koheren. Interferensi koheren yang dimaksud disini, artinya memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama namun boleh memiliki fase yang berbeda. Gelombang-gelombang tersebut kemudian bergabung untuk memberikan variasi internsitas secara acak karena amplitudo gelombang resultan. Gelombang inilah yang disebut sebagai pola spekel [5]. Apabila cahaya yang digunakan mempunyai koherensi rendah (yaitu terdiri dari banyak panjang gelombang), pola spekel biasanya tidak teramati karena pola spekel dari panjang gelombang yang dihasilkan dari masing-masing gelombang memiliki dimensi yang berbeda. Namun pola spekel dapat diamati dalam cahaya polikromatik hanya dalam beberapa kondisi [2]. Dalam bebeapa kasus yang sering terjadi, titik gelap lebih sering terlihat daripada titik terangnya. Sehingga, dapat diasumsikan bahwa sebuah cahaya koheren yang searah dari panjang gelombang yang menyinari permukaan optik yang tidak rata, yang berarti panjang gelombang yang dipilih adalah jauh lebih kecil daripada variasi tinggi permukaannya yang biasa disebut dengan mean (rata-rata). Akibat tinggi dari variasi permukaan yang acak, maka gelombang lingkarannya direfleksikan oleh permukaan yang juga menghasilkan distribusi fase secara acak [3]. I. METODOLOGI Pada percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini digunakan beberapa alat dan bahan. Bahan uji yang diunakan adalah tisu, kertas HVS, dan mesh. Mesh sendiri yang digunakan adalah mesh 24, mesh 5, m3sh 1, dan mesh 2. Sedangkan alat yang digunakan adalah seperti polarisator yang berfungsi untuk menyaring arah getar gelombang, laser He Ne sebagai penghasil cahaya, statip sebagai tempat meletakan bahan uji, web cam sebagai camera pengambil gambar, dan laptop sebagai interface web cam untuk mengambil data pola spekel. Gambar 2. Bahan pengujian kekerasan Gambar 3. Rangkaian Percobaan Pola Spekel terdapat dua tahap yaitu tahap pengambilan data dan pengolohan data. Pada tahap pengambilan data peralatan yang telah disediakan disusun seperti Gambar 1.1. setelah disusun posisi leser, polarisator diusahakan sejajar agar cahaya terfokuskan. Selanjutnya sinar dari leser diatur agar tepat mengenai mesh atau kertas. Untuk mendapatkan berkas cahaya yang jatuh di mesh atau kertas, dipasang web camera berdekatan dengan bahan yang diamati agar mudah merekam hasil spekel dalam hal ini menggunakan web camera pada usb laptop. Digunakan variasi sudut yakni o, 3 o, 6 o, dan 9 o. Percobaan ini diulangi dengan sampel yang berbeda dari amplas 24 mesh, 5 mesh, 1 mesh, 2 mesh, kertas hvs dan tisu. Analisa dilakukan dengan menggunakan software image pada laptop untuk mendaptkan sudut deviasi. start Alat dan bahan dirangkai seperti pada gambar Posisi laser, polarisator, dan beam expander diatur lurus Sinar laser diatur agar mengenai bahan Webcam dipasang berdekatan dengan bahan Dilakukan variasi sudut Diulangi dengan sampel Menghitung standar deviasi menggunakan software imagej finish Gambar 4. Flow Chart metodologi Percobaan Pola Spekel Pada tahap pengolahan data ini gambar foto hasil percobaan dengan web camera, dibuka dengan menggunakan software imagej. Gambar dipotong dan cari nilai histogramnya. Dari nilai yang diperoleh berupa mean data dan standar deviasi. Kemudian dihitung nilai dari contrast dengan membagi antara sudut deviasi dengan mean.

3 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA (1) Dimana : C = kontras s = sudut deviasi m = mean Selanjutnya dibuat dua grafik antara kekasaran dan contrast, dimana untuk grafik pertama yakni kekasaran antara mesh satu dengan yang lain dan untuk grafik kedua antara kekasaran tisu dengan kertas HVS. II. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel yang telah dilakukan, didapat data berupa foto yang selanjutnya di olah dengan menggunakan software image j. Software ini berfungsi untuk menentukan nilai sudut deviasi dan mean dari pola spekel yang didapat pada gambar. Gambar pla spekel sendiri didapatkan dari pengambilan gambar dengan menggunakan salah satu alat pada percobaan ini, yaitu dengan menggunakan web cam eksternal. Data hasil perolehan mean dan kontras Pada berbagai sudut polarisator disajikan dalam tabel berikut. Tabel 1. Hasil pengukuran Sudut Deviasi dan Mean pada polarisator Bahan Sudut Deviasi Mean Amplas Amplas Amplas Amplas Kertas HVS Tisu Tabel di atas adalah hasil perhitungan kontras pada berbagai bahan uji dengan menggunakan nilai sudut polarisator. Sedangkan pada tabel yang lain disajikan pada tabel berikut. Tabel 2. Hasil pengukuran Sudut Deviasi dan Mean pada polarisator 3 Bahan Sudut Deviasi Mean Amplas Amplas Amplas Amplas Kertas HVS Tisu Tabel di atas adalah hasil perhitungan kontras pada berbagai bahan uji dengan menggunakan nilai sudut polarisator 3. Sedangkan pada tabel yang lain disajikan pada tabel berikut. Tabel 3. Hasil pengukuran Sudut Deviasi dan Mean pada polarisator 6 Bahan Sudut Deviasi Mean Amplas Amplas Amplas Amplas Kertas HVS Tisu Tabel di atas adalah hasil perhitungan kontras pada berbagai bahan uji dengan menggunakan nilai sudut polarisator 6. Sedangkan pada tabel yang lain disajikan pada tabel berikut. Tabel 4. Hasil pengukuran Sudut Deviasi dan Mean pada polarisator 9 Bahan Sudut Deviasi Mean Amplas Amplas Amplas Amplas Kertas HVS Tisu Tabel empat di atas adalah hasil pengukuran mean dan sudut deviasi nilai sudut polarisator Sembilan puluh derajat. Dari keempat tabel di atas, selanjutnya dihitung nilai kontras dengan menggunakan persamaan (1). Berikut adalah contoh perhitungan kontras dengan menggunakan persamaan (1). Dengan mengambil contoh hasil perhitungan kontras pada percobaan pertama, yaitu dengan menggunakan mesh 24 dan dengan mengggunakan nilai sudut polarisator Data perhitungan selengkappnya disajikan dalam tabel berikut Tabel 5. Hasil Hasil perhitungan kontras dengan variasi mesh N Mesh o o 3 o 6 o 9 o rata-rata 1 Amplas Amplas Amplas Tabel 6. Hasil Hasil perhitungan kontras dengan variasi bahan No Bahan o 3 o 6 o 9 o rata-rata 1 Mesh HVS Tisu Dari data nilai kontras pada tabel 5 dan tabel 6 di atas, selanjutnya dibuat grafik kontras terhadap berbagaai bahan uji. Grafik yang dibuat adalah nilai kontras terhadap bahan uji pada berbagai nilai sudut polarisasi yang terlampir, dan nilai rata-rata yang dijelaskan di bawah ini Variasi Mesh pada nilai rata-rata y =.23x + 45 R² = Jenis Mesh Gambar 5. Grafik kontras terhadap berbagai jenis Mesh Grafik di atas, menjelaskan nilai kontras dari berbagai nilai mesh yang mempunyai nilai kekerasan yang berbeda. Bahan 1, 2, dan 3 berturut-turut adalah amplas mesh 24, mesh 5, dan mesh 1. Nilai kontras pada percobaan spekel menunjukan nilai kekerasan suatu bahan dimana nilai kontras suatu bahan berbanding terbalik dengan nilai kontras suatu

4 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA bahan. Dari pernyataan tersebut, dapat disimpulkan bahwa kekerasan mesh 24 lebih dari kekerasan mesh 5 dan kekerasan mesh 1. Sedangkan kekerasan mesh 5 kurang dari mesh 24 dan lebih dari mesh 1. Dari gambar di atas, terlihat bahwa Perbandingan ketiga bahan uji dengan mengambil nilai kontras rata-rata terlihat bahwa nilai kontrasnya membentuk regresi linier denga persamaan garis y=,23x+,445. Sedangkan nilai regresi liniernya, Variasi Bahan pada nilai rata-rata y =.88x + 16 R² = Gambar 6. Grafik kontras terhadap berbagai jenis Bahan Grafik di atas, menjelaskan nilai kontras dari berbagai bahan yang mempunyai nilai kekerasan yang berbeda. Bahan 1, 2, dan 3 berturut-turut adalah amplas mesh 2, kertas HVS, dan tisu. Nilai kontras pada percobaan spekel menunjukan nilai kekerasan suatu bahan dimana nilai kontras suatu bahan berbanding terbalik dengan nilai kontras suatu bahan. Dari pernyataan tersebut, dapat disimpulkan bahwa kekerasan mesh 2 lebih dari kekerasan kertas HVS dan kekerasan Tisu. Sedangkan kekerasan kertas HVS kurang dari mesh 2 dan lebih dari tisu. Dari gambar di atas, terlihat bahwa Perbandingan ketiga bahan uji dengan mengambil nilai kontras rata-rata terlihat bahwa nilai kontrasnya membentuk regresi linier denga persamaan garis y=,88x+,316. Sedangkan nilai regresi liniernya,8696. Secara fisis, nilai kekerasan pada pola spekel didapatkan dengan memanfaatkan cahaya yang berasal dari sinar laser. Hal ini dikarenakan sifat cahaya leser adalah cahaya yang koheren yang mana tingkat koherennisasi suatu cahaya yang digunakan menyebabkan berkas cahaya yang dihasilkan yang telah mengenai bidang bahan akan mengalami innterferensi dengan cahaya yang terhambur pada bagian titik yang lain tersebut dari permukaan bahan uji. Saat suatu bahan uji disinari dengan cahaya leser maka cahaya yang dihasilkan berupa distribusi intensitas tertentu, sehingga tampak bahwa permukaan seperti tertutupi struktur butiran halus yang mana akan berbentuk pola gelap terang yang secara acak akibat adanya interferes cahaya laser setelah dipantukan ileh bahan uji yang mempunyai amplitude dan fase berbeda, namun frekuensinya sama. Pola pantulan ini, menunjukkan nilai dari kontras yang dihasilkan, dan berbanding terbalik dengan nilai kekerasan suatu bahan uji. Untuk menambah validasi percobaan ini, maka cahaya dari laser yang merambat lurus akan dilewatkan dengan polarisator dengan nilai sudut yang berbeda beda. Polarisator disini berfungsi untuk mengurangi arah getar dari gelombang cahaya yang dihasilkan oleh laser. Sudut polarisator di atur sedemikian rupa dengan nilai yang berbeda, yaitu, 3, 6, dan 9. III. KESIMPULAN Setelah melakukan percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini, didapat kesimpulan bahwasanya nilai kekerasan semua bahan uji di urutkan dari bahan dengan nilai kekerasan tertinggi adalah amplas mesh 24, amplas mesh 5, amplas mesh 1, amplas mesh 2, kertas HVS, dan tisu. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan ijin atas berlangsungnya pelaksanaan praktikum Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini, kepada asisten Fisika Laboratorium pada percobaan ini yaitu Diana Ainun Nisa dan Ning Rosianah yang telah membantu baik sebelum praktikum, saat praktikum, dan setelah praktikum. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada anggota kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan percobaan ini sehingga terlaksananya praktikum Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel dengan lancar.. DAFTAR PUSTAKA [1] Dainty, J. C., (1984), Laser Speckle and Related Phenomena, 2nd ed., Dainty, J. C., Ed.,Springer Verlag, New York. [2] McKechnie, T.S Image-plane speckle in partially coherent illumination. Optical and Quantum Electronics 8:61-67 [3] Rabal, H. J., Braga R. A., (29), Dynamic Laser Speckle and Applications, Optical science and engineering:139, Taylor & Francis Group, LLC. [4] Tienkartina. 21. Interferensi Cahaya. Diakses pada 1 Desember 215 [5] Tipler, P. A Fisika Untuk Sains dan Tehnik Jilid 2, Jakarta:Erlangga

5 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA Lampiran 2. Data hasil percobaan Gambar 1. Mesh 24, sudut Gambar 2. Mesh 24, sudut Gambar 11. Tisu, sudut Gambar 12. Tisu, sudut Gambar 3. Mesh 5, sudut Gambar 4. Mesh 5, sudut Gambar 13. Mesh 24, sudut 3 Gambar 14. Mesh 24, sudut 3 Gambar 5. Mesh 1, sudut Gambar 6. Mesh 1, sudut Gambar 15. Mesh 5, sudut 3 Gambar 16. Mesh 5, sudut 3 Gambar 7. Mesh 2, sudut Gambar 8. Mesh 2, sudut Gambar 17. Mesh 1, sudut 3 Gambar 18. Mesh 1, sudut 3 Gambar 9. HVS, sudut Gambar 1. HVS, sudut Gambar 19. 2, sudut 3 Gambar 2. 2, sudut 3

6 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA Gambar 21. HVS, sudut 3 Gambar 22. HVS, sudut 3 Gambar 31. Mesh 2, sudut 6 Gambar 32. Mesh 2, sudut 6 Gambar 23. Tisu, sudut 3 Gambar 24. Tisu, sudut 3 Gambar 33. HVS, sudut 6 Gambar 33. HVS, sudut 6 Gambar 25. Mesh 24, sudut 6 Gambar 26. Mesh 24, sudut 6 Gambar 35. Tisu, sudut 6 Gambar 35. Tisu, sudut 6 Gambar 27. Mesh 5, sudut 6 Gambar 28. Mesh 5, sudut 6 Gambar 37. Mesh 24, sudut 9 Gambar 37. Mesh 24, sudut 9 Gambar 29. Mesh 1, sudut 6 Gambar 3. Mesh 1, sudut 6 Gambar 39. Mesh 5, sudut 9 Gambar 39. Mesh 5, sudut 9

7 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA Gambar 4. Mesh 1, sudut 9 Gambar 4. Mesh 1, sudut 9 Gambar 42. Mesh 2, sudut 9 Gambar 42. Mesh 2, sudut 9 Gambar 44. HVS, sudut 9 Gambar 44. HVS, sudut 9 Gambar 46. Tisu, sudut 9 Gambar 46. Tisu, sudut 9

8 Knntras Konras LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA Lampiran 3. Grafik Percobaan Variasi Mesh pada y = -.339x R² = Jenis Mesh Gambar 1. Hubunngan kontras terhadap Variasi Mesh pada.6 Variasi Mesh pada 3 y =.73x + 93 R² = Gambar 2. Hubunngan kontras terhadap Variasi Mesh pada Gambar 5. Hubunngan kontras terhadap Variasi bahan pada.7.6 Variasi Bahan pada y = 865x R² = Variasi Bahan pada 3 y = 184x R² = Gambar 6. Hubunngan kontras terhadap Variasi bahan pada 3.6 Variasi Mesh pada 6.6 Variasi Bahan pada 6 y =.518x R² = 676 y =.748x R² = Gambar 3. Hubunngan kontras terhadap Variasi Mesh pada 6.6 Variasi Mesh pada 9 y =.36x + 97 R² = Jenis Mesh Gambar 4. Hubunngan kontras terhadap Variasi Mesh pada Gambar 7. Hubunngan kontras terhadap Variasi bahan pada 6.6 Variasi Bahan pada 9 y = -.566x R² = Gambar 8. Hubunngan kontras terhadap Variasi Bahan pada 9