BAB II DASAR TEORI. 2.1 Dasar Teori Serat Alami

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Dasar Teori Serat Alami Secara umum serat alami yang berasal dari tumbuhan dapat dikelompokan berdasarkan bagian tumbuhan yang diambil seratnya. Berdasarkan hal tersebut pengelompokan dibedakan menjadi 3, yaitu : 1. Serat dari batang ( Bast Fiber ); contohnya serat rami dan serat kenaf. 2. Serat dari daun ( Leaf Fiber ); contohnya serat nanas dan serat abaka. 3. Serat dari buah ( Seed Fiber ); contohnya serat kelapa. Gambar 2.1 Pengelompokan umum serat alami Berdasarkan susunan seratnya, serat alami yang berasal dari tumbuhan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu : 1. Multi continous filament, yaitu serat panjang yang tersusun atas kumpulan microfibril atau serat elementer. Contoh seratnya adalah serat rami. 2. Single filament, yaitu serat yang hanya tersusun atas satu serat saja. Serat jenis ini umumnya memiliki diameter yang lebih besar dibandingkan serat jenis multi continous filament. Contoh seratnya adalah serat kelapa. [5]

2 Sebagai bahan penguat ( reinforcement ) pada struktur komposit, serat alami memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan serat sintetis yang selama ini digunakan, yaitu : 1. Biodegradable, yaitu kemampuan untuk dapat terurai secara alami sehingga tidak menimbulkan masalah berkepanjangan dalam hal limbah. 2. Merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui. 3. Harganya relatif murah dan ketersediannya cukup melimpah di alam. Dari segi sifat mekanik, serat alami ini memiliki variasi yang besar yang terjadi karena keberagaman pola tumbuh, seperti lokasi tumbuh, kondisi tanah, dan umur saat dipanen. Sehingga sifat mekanik serat yang berasal dari daerah yang berlainan untuk jenis serat yang sama bisa saja berbeda. Selain itu serat alam juga memiliki sifat hidrofil yaitu mudah menyerap air. Hal ini dapat mempengaruhi sifat mekanik dari serat tersebut. 2.2 Dasar Teori Komposit Komposit didefinisikan sebagai material yang terdiri dua atau lebih material penyusun yang berbeda, umumnya matriks dan penguat (reinforcement). Matriks adalah bagian komposit yang secara kontinyu melingkupi penguat dan berfungsi mengikat penguat yang satu dengan yang lain serta meneruskan beban yang diterima oleh komposit ke penguat. Sedangkan penguat adalah komponen yang dimasukkan ke dalam matriks yang berfungsi sebagai penerima atau penahan beban utama yang dialami oleh komposit. Berdasarkan jenis penguatnya komposit dibagi: 1. Komposit berpenguat serat ( fiber ), baik serat panjang maupun pendek 2. Komposit berpenguat struktural, baik laminar maupun sandwich 3. Komposit berpenguat partikel atau granule. Saat ini jenis komposit yang paling banyak digunakan adalah komposit berpenguat serat. Hal ini karena serat sebagai penguat memiliki keuntungan sebagai berikut: [6]

3 1. Memiliki perbandingan panjang dengan diameter (aspect ratio) yang besar. Hal ini menggambarkan bahwa bila digunakan sebagai penguat dalam komposit, serat akan memiliki luas daerah kontak yang luas dengan matriks dibanding bila menggunakan penguat lain. Dengan demikian diharapkan akan terbentuk ikatan yang baik antara serat dengan matriks. 2. Size effect. Serat memiliki ukuran yang kecil sehingga jumlah cacat per satuan volume serat akan lebih kecil dibandingkan material lain. Dengan demikian serat akan memiliki sifat mekanik yang baik dan konsisten. 3. Serat memiliki densitas yang rendah sehingga memilki sifat mekanik spesifik (sifak mekanik per satuan densitas) yang tinggi. 4. Fleksibilitas serat dan diameternya yang kecil membuat proses manufaktur serat menjadi mudah. Berdasarkan matriksnya, komposit dibagi menjadi: 1. Metal matrix composites (MMC) yaitu komposit yang menggunakan matriks logam 2. Ceramic matrix composites (CMC) yaitu komposit yang menggunakan matriks keramik 3. Polymer matrix composites (PMC) yaitu komposit yang menggunakan matriks polimer Ditinjau dari matriks yang digunakan, komposit yang paling banyak digunakan adalah komposit bermatriks polimer. Hal ini karena polimer memiliki proses manufaktur yang relatif sederhana, sifat mekanik yang baik, dan membentuk ikatan yang baik dengan sebagian besar penguat. Polimer yang lebih banyak digunakan sebagai matriks komposit adalah polimer termoset, walaupun polimer termoplastik juga dapat digunakan. Penggunaan polimer termoset lebih umum karena proses manufaktur polimer termoset lebih sederhana. Manufaktur komposit termoset biasanya tidak memerlukan temperatur dan tekanan yang tinggi. Viskositas polimer termoset yang rendah pada suhu kamar juga membuat impregnasi (kemampuan meresap) polimer tersebut ke dalam serat lebih baik dibanding termoplastik. Namun termoset juga memiliki kelemahan antara lain sifatnya yang pada umumnya beracun dan kesulitan pendaur-ulangan polimer termoset. [7]

4 2.3 Dasar Teori Suara Suara adalah suatu gangguan yang merambat melalui suatu medium pada kecepatan karakteristik dari medium yang bersangkutan [1], dan juga merupakan suatu gelombang longitudinal sehingga molekul-molekul medium bergerak maju dan mundur searah dengan rambatan gelombang [2]. Melalui fenomena inilah energi akustik dipancarkan dari sumber suara ke lingkungan sekitar. Dalam tinjauan akustik, tekanan yang terjadi di udara terdiri dari tekanan atmosfir (atmospheric pressure) dan tekanan suara (sound pressure). Dibandingkan dengan tekanan atmosfir, tekanan suara besarnya sangatlah kecil yaitu kurang dari 1 Pa. Namun tekanan suara inilah yang menentukan parameter-parameter dari besaran akustik. Telinga manusia dapat mendengar suara dengan frekuensi pada rentang Hz, dan pada rentang tekanan suara yang sangat besar. Oleh karena itu, untuk menyatakan besaran akustik dari suatu suara digunakan skala desibel, yaitu logaritma dari perbandingan antara besaran yang diukur dengan referensi besaran tersebut, karena skala desibel akan memperkecil panjangnya rentang nilai numerik yang dihasilkan dengan menggunakan besaran intensitas atau tekanan. Berdasarkan variasi tekanan suara terhadap waktu, jenis suara digolongkan menjadi dua, yaitu suara diskrit dan suara acak (random/broadband) [2]. Pada suara diskrit, tekanan suara bervariasi sinusoidal terhadap waktu dan mengandung sebuah frekuensi. Sedangkan suara acak, amplitudo tekanan suara yang terjadi berfluktuasi terhadap waktu dan tidak mengalami pengulangan bentuk gelombang. Karena suara merupakan suatu gelombang, maka suara juga memiliki karakteristik gelombang secara umum yaitu bila bertemu dengan suatu permukaan maka akan dapat dipantulkan, diserap, atau diteruskan. Besaran yang dipantulkan, diserap, atau diteruskan adalah energi yang dikandung oleh gelombang tersebut. 2.4 Koefisien Absorbsi Suara Bila suatu gelombang suara bertemu atau menumbuk suatu permukaan bahan, maka suara tersebut akan dipantulkan, diserap, dan diteruskan atau [8]

5 ditransmisikan oleh bahan tersebut [2]. Besarnya energi suara yang dipantulkan, diserap, atau diteruskan bergantung jenis dan sifat dari bahan atau material tersebut. Pada umumnya bahan yang berpori (porous material) akan menyerap energi suara yang lebih besar dibandingkan dengan jenis bahan lainnya, karena dengan adanya pori-pori tersebut maka gelombang suara dapat masuk kedalam material tersebut. Energi suara yang diserap oleh bahan akan dikonversikan menjadi bentuk energi lainnya, pada umumnya diubah menjadi energi kalor. Gambar 2.2 Reflection, Dissipation and Transmision of sound [2] Perbandingan antara energi suara yang diserap oleh suatu bahan dengan energi suara yang datang pada permukaan bahan tersebut didefinisikan sebagai koefisien absorbsi (α). Absorbed Sound Energy α = (2.1) Incident Sound Energy Bila permukaan bahan tersebut tidak seragam, maka koefisien absorbsi lokal (α i ) pada suatu tempat di permukaan bahan tersebut dengan luas permukaan S i akan memiliki nilai tertentu pada setiap tempat di permukaan bahan tersebut. Maka koefisien absorbsi rata-rata dari bahan tersebut didefinisikan sebagai berikut: α 1 S = α S i i (2.2) [9]

6 dengan S adalah luas total permukaan tersebut [2]. Besarnya koefisien absorbsi suara pada suatu bahan bervariasi terhadap frekuensi dan arah sudut datang dari suara dan juga sangat bergantung pada tipe dari permukaan bahan. Berdasarkan arah datangnya gelombang suara, koefisien absorbsi suara ini dibedakan menjadi dua macam, yaitu koefisien absorbsi suara normal (α n ) dan koefisien absorbsi suara sabine/acak (α). Koefisien absorbsi suara normal untuk gelombang suara yang datang tegak lurus terhadap permukaan bahan, sedangkan koefisien absorbsi suara sabine untuk gelombang suara yang datang dari berbagai arah. Diantara kedua jenis tersebut, yang lebih menggambarkan keadaan sebenarnya dari kemampuan bahan dalam menyerap suara adalah yang jenis sabine. Hal ini karena secara umum dalam kenyataanya pada kehidupan sehari hari gelombang suara yang datang pada suatu bahan berasal dari berbagai arah. Terdapat dua metode untuk mengukur koefisien absorbsi suara tersebut, yaitu pengukuran dengan tabung impedansi (impedance tube), yang dapat mengukur koefisien absorbsi suara normal, dan pengukuran dengan ruang dengung (reverberation room), yang dapat mengukur koefisien absorbsi suara sabine. Pada tugas akhir kali ini metode yang digunakan adalah dengan menggunakan Tabung Impedansi. 2.5 Absorber Absorber adalah suatu bahan yang dapat menyerap energi suara yang datang dari sumber suara. Pada dasarnya semua bahan dapat menyerap energi suara, namun besarnya energi yang diserap berbeda-beda untuk tiap bahan. Energi suara tersebut dikonversi menjadi energi panas, yang merupakan hasil dari friksi dan resistansi dari berbagai material untuk bergerak dan berdeformasi. Sama halnya dengan besar energi suara yang sangat kecil bila dilihat dalam satuan Watt, energi panas yang dihasilkan juga sangat kecil sehingga secara makroskopis tidak akan terlalu terasa perubahan temperatur pada bahan tersebut. [10]

7 Secara umum absorber dikelompokkan sebagai bahan yang memiliki kemampuan menyerap suara yang baik dengan koefisien absorbsi suara yang relatif besar. Secara umum absorber digolongkan menjadi tiga macam, yaitu [7]: a. Porous Absorber Porous absorber merupakan bahan yang memiliki pori atau lubang-lubang yang sangat kecil. Melalui pori pori ini gelombang suara masuk dan menggetarkan molekul-molekul udara di dalam pori tersebut. Molekul-molekul udara yang bergetar tersebut akan bergesekan dengan permukaan bahan dan menghasilkan panas. Porous absorber ini lebih efektif pada gelombang suara dengan frekuensi tinggi atau panjang gelombang yang pendek. Bila bahan berpori diletakan pada jarak tertentu dari dinding maka akan memiliki koefisien absorbsi yang lebih baik daripada diletakan tanpa jarak. Dengan meletakannya pada jarak tertentu maka akan memiliki efek yang relatif sama dengan bahan yang lebih tebal dalam hal menyerap suara yang datang. Perbandingan koefisien absorbsi suara kedua kasus tersebut dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 2.3 Porous Absorber [7] b. Membrane Absorber Membrane absorber dapat berupa lembaran atau pelat tipis fleksibel yang diletakan pada jarak tertentu dari dinding. Konversi energi suara menjadi panas terjadi karena resistansi dari membran untuk melentur atau bergetar secara cepat dan juga karena resistansi udara di bawah membran untuk terkompresi. Kemampuan membrane absorber dalam menyerap suara bergantung pada [11]

8 kerapatan dari membran dan jarak membran dari dinding. Membrane absorber ini lebih efektif pada gelombang suara dengan frekuensi rendah. Bila gelombang suara yang datang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi alami dari membran maka akan terjadi resonansi sehingga amplitudo getaran dari membran akan maksimum dan koefisien absorbsi suara juga akan maksimum pada frekuensi tersebut. Gambar 2.4 Membrane Absorber [7] c. Cavity Absorber Cavity Absorber atau dikenal juga dengan nama Helmholtz Absorber secara sederhana merupakan rongga udara yang permukaannya dibatasi oleh dinding tegar dan terhubung dengan udara luar melalui celah yang kecil atau disebut juga leher rongga. Bila gelombang suara datang pada leher rongga tersebut maka molekul udara pada leher rongga tersebut akan bergetar maju dan mundur seperti pada sistem massa dan pegas dengan molekul udara pada leher rongga sebagai massa dan molekul udara pada rongga udara sebagai pegas. Sama halnya dengan membrane absorber, cavity absorber juga memiliki frekuensi resonansi tertentu, sehingga bila gelombang suara yang datang sama dengan frekuensi tersebut maka kemampuan absorbsi suaranya akan maksimum pada frekuensi tersebut. Kemampuan cavity absorber dalam menyerap suara bergantung pula pada luas cross sectional dari leher rongga, volume rongga udara, dan panjang leher rongga. [12]

9 Gambar 2.5 Cavity Absorber [7] 2.6 Pengukuran Koefisien Absorbsi Suara Menggunakan Tabung Impedansi Tabung impedansi adalah suatu tabung yang dirancang untuk mengukur parameter akustik suatu bahan dengan ukuran meterial uji yang kecil sesuai dengan ukuran tabung dan dengan arah datang suara pada arah normal permukaan bahan uji. Secara sederhana tabung impedansi dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.7 Skematik diagram rancang tabung impedansi Pada tabung impedansi koefisien absorbsi suara yang dapat dihitung adalah koefisien absorbsi suara normal. Koefisien absorbsi suara ini dihitung dengan cara mengukur tekanan suara yang datang pada permukaan bahan dan [13]

10 yang dipantulkan oleh permukaan bahan tersebut. Koefisien tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut [4]: 2 α = 1 R (2.10) n dengan R adalah koefisien refleksi suara, yang didefinisikan sebagai perbandingan tekanan gelombang suara yang dipantulkan terhadap tekanan gelombang suara yang datang. Persamaan tersebut menggunakan asumsi bahwa tidak ada suara yang ditransmisikan atau diteruskan. Untuk menentukan harga koefisien refleksi suara tersebut digunakan fungsi transfer. Dengan menggunakan tabung impedansi, bila fungsi transfer antara mic 1 dengan mic 2 (H 12 ) telah diketahui dengan menggunakan Multiple Channel Analiser atau software akuisisi data, maka koefisien refleksi suara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : R H e e jks 12 j2k ( L+ s) e jks H12 = (2.11) dengan L adalah jarak antara permukaan material uji dengan mikrofon pertama, s adalah jarak antara kedua mikrofon, dan k = 2πf / c dengan f adalah frekuensi. Kemudian untuk fungsi transfer antara kedua mikrofon dapat dihitung dengan persamaan : S 12 H 12 = (2.12) S11 dengan S 11 adalah autospectrum dari mikrofon 1 dan S 12 adalah cross corelation antara mikrofon 1 dan 2. Maka dengan mensubtitusikan persamaan (2.11) ke persamaan (2.10), maka akan didapat persamaan koefisien absorbsi suara normal adalah sebagai berikut : jks H 12 e j 2k ( L+ s) e jks e H12 2 α n = 1 (2.13) [14]