JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 1 MODEL ANALITIK MUFFLER ABSORPTIVE PADA VENTILASI UDARA Rilwanu Ahmad P, Wiratno Argo Asmoro, Andi Rahmadiansah Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: wiratno@ep.its.ac.id Abstrak Pada saat ini energi sangat dibutuhkan dalam segala bidang, maka untuk menjaga agar energi tidak cepat habis maka dilakukan penghematan energi. Salah satu langkah untuk penghematan energi listrik yaitu dengan mengurangi atau mengganti penggunaan AC (Air Conditioner) dengan menggunakan exhaust fan. Namun exhaust fan memiliki kekurangan yaitu menghasilkan bising pada ruangan. Untuk mengatasi bising yang dihasilkan exhaust fan yaitu dengan salah satunya dengan memberi muffler absorptive. Untuk menguji kemampuan muffler absorptive dapat dilihat dari variable TL (Transmission Loss), NR (Noise Reduction), IL (Insertion Loss) dan tekanan hisap exhaust fan. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah bahwa muffler absorptive tipe 22 memiliki ketebalan 2,5 cm pada sisi kanan dan kiri muffler absorptive dan memiliki 2 bahan penyerap yang terletak di tengah dengan ketebalan 7 cm, merupakan muffler absorptive yang cocok digunakan dengan nilai variable TL sebesar 0,3 db, NR sebesar 5,8 db, IL sebesar 5,8 db dan penurunan tekanan hisap sebesar 8,1 pascal. Kata Kunci IL (Insertion Loss), muffler absorptive, NR (Noise Reduction), TL (Transmission Loss) I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada saat ini energi sangat dibutuhkan dalam bidang mana pun, baik untuk bidang transportasi, ekonomi, pendidikan bahkan pertahanan suatu negara. Maka perlu dilakukan penghematan energi, yaitu salah satunya dengan penghematan menggunakan listrik. Hal ini pun menggugah kampus ITS untuk menyelenggarakan program ECO KAMPUS dimana program ini mengarah pada green building. Dengan konsep green building ini lah diharapkan penggunaan AC (Air Conditioner) dapat berkurang atau bahkan sudah tidak menggunakan AC lagi. Maka untuk mengganti peran AC sebagai penghilang panas, digantikan dengan exhaust fan. Namun dengan penggantian AC ke exhaust fan, menimbulkan masalah baru yaitu bising yang dihasilkan dari exhaust fan tersebut dimana hal ini dapat mengganggu kenyamanan belajar mengajar di kelas. Dengan gangguan bising tersebut maka dilakukan penelitian tugas akhir ini dengan mendesain peredam bising untuk meredam bising yang dihasilkan oleh exhaust fan tanpa mengganggu fungsi exhaust fan itu sendiri yaitu mengambil udara panas pada ruangan kelas dan membuangnya ke lingkungan. 1.2 Permasalahan Permasalahan yang diangkat dalam tugas akhir ini ialah bagaimana mengurangi tingkat kebisingan pada ventilasi udara yang diakibatkan bising dari exshaust fan dengan mendapatkan kinerja parameter noise reduction(nr), transmission loss(tl) dan insertion loss(il) yang optimal tanpa mengurangi kinerja exhaust fan. 1.3 Tujuan Tujuan yang akan diperoleh dari pengerjaan tugas akhir ini mengurangi tingkat kebisingan pada ventilasi udara yang diakibatkan bising dari exshaust fan dengan mendapatkan kinerja parameter noise reduction(nr), transmission loss(tl) dan insertion loss(il) yang optimal tanpa mengurangi laju aliran udara pada ventilasi secara signifikan. 1.4 Batasan Masalah Batasan batasan masalah yang terdapat di dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : Tidak ada gaya gesek di dalam pipa Tidak ada penurunan kecepatan dan temperatur sepanjang muffler absorptive. Menggunakan busa polyrethane sebagai bahan penyerap bunyi Tidak mengkaitkan akustik dengan mekanika fluida karena tidak terdapatnya variabel tekanan statik. II. DASAR TEORI 2.1 Ventilasi Mekanik Ventilasi mekanik merupakan suatu sistem ventilasi yang digunakan untuk membuang udara panas pada ruangan secara paksa dengan menggunakan alat mekanik yaitu exhaust fan. 2.2 Exhaust Fan Exhaust fan merupakan suatu alat yang digunakan untuk menghisap udara panas dari ruangan ke lingkungan atau menghisap udara segar dari lingkungan ke ruangan. Untuk mengetahui kapasitas exhaust fan yang akan digunakan maka dapat digunakan persamaan (2.1) sebagai berikut [1].
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2 V = volume ruangan Q = kapasitas exhaust fan total ACH = pertukaran udara per jam (2.1) 2.3 Aliran Udara Hal-hal yang berpengaruh pada aliran fluida yaitu diameter pipa(d), kecepatan (V), viskositas fluida(, massa jenis fluida ( ), laju aliran massa( ). Persamaan yang digunakan untuk mengetahui kecepatan pada pipa yaitu persamaan (2.3) berikut ini [2]. atau (2.3) atau Q = laju aliran udara (debit) (m 3 /jam) = kecepatan udara pada pipa (m/detik) A = Luas pipa (m 2 ) Q 1 = laju aliran udara masuk Q 2 = laju aliran udara keluar (2.4) Untuk mengetahui laju aliran massa ( ) udara pada pipa dapat menggunakan persamaan kontinuitas sebagai berikut [2]. ( (2.5) atau ( (2.6) = massa jenis udara (kg/m 3 ) = tingkat tekanan bunyi dititik 2 (db) Sedangkan untuk menentukan nilai R (konstanta ruang) menggunakan persamaan (2.32) berikut ini. (2.32) (2.28) R = konstanta pipa = luasan dalam total pipa (luasan sisi kanan, kiri, atas dan bawah) = koefisien absorpsi bahan = koefisien absorpsi bahan rata-rata 2.5 Insertion Loss Insertion Loss adalah Hilangnya daya suara atau gelomang lainnya karena perambatan[3]. (2.34) 2.6 Transmission Loss Transmission Loss (TL) atau rugi transmisi bunyi menyatakan besarnya sebagian energi yang hilang karena gelombang bunyi melewati suatu penghalang (Hemond, 1983). Untuk mendapatkan nilai TL pada penelitian ini dapat menggunakan persamaan empiris (2.33) (sumber: Dr. V K Goel, Indian Institute of Technology Roorkee,Sound In Duct, hal 39) berikut ini [4]: 2.4 NR (Noise Reduction) NR (Noise Reduction) adalah angka yang menunjukkan seberapa jauh efisiensi bahan dalam mereduksi pada frekuensi 250, 500, 1000, dan 2000 Hz. Untuk mendapatkan nilai NR pada frekuensi tertentu dapat menggunakan persamaan (2.29) berikut ini [3]. (2.29) atau Dimana : P = luas keseluruhan S = luas area yang tidak terkena absorbent (kg/m 2 /cm) L = panjang pipa = koefisien absorpsi III. METODOLOGI PENELITIAN (2.33) NR = TL 10 log [(1/4) + (Sw/R)] (2.30) Dari persamaan 2.29 dan 2.30 maka dapat ditentukan nilai Lp2 dengan menggunakan persamaan berikut : = - TL + 10 log [(1/4) + (Sw/R)] (2.31) Dimana : NR = Noise Reduction (db) TL = Transmission Loss (db) S w = Luas diameter pipa (m 2 ) R = Konstanta pipa (m 2 ) = tingkat tekanan bunyi dititik 1 (db) 3.1 Prosedur Penelitian Berikut ini adalah langkah-langkah yang akan dilakukan dalam tugas akhir agar mencapai tujuan yang diinginkan: 1. Studi literatur, mempelajari berbagai literatur untuk menunjang tugas akhir ini. 2. Pengukuran dan pengambilan data, melakukan pengukuran pada ruangan tersebut yaitu mengukur parameter luas ruangan, temperatur lingkungan dan ruang. Dan mengambil data karakteristik dari exhaust fan dan mengambil data karakteristik bahan penyerap. 3. Perhitungan density, viscositas, laju aliran massa, bilangan reynold number dan kecepatan udara pada setiap muffler absorptive dan variasinya.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 3 4. Perhitungan data, melakukan perhitungan nilai noise reduction(nr), transmission loss(tl) dan insertion loss(il) pada setiap muffler absorptive dan variasinya. 5. Simulasi aliran udara, melakukan simulasi untuk aliran udara pada ventilasi udara dengan dilewati pada muffler absorptive menggunakan bantuan CFD (Computation Fluid Dynamic). 6. Analisa data, setelah dilakukan perhitungan nilai noise reduction(nr), transmission loss(tl) dan insertion loss(il) pada muffler absorptive didapatkan maka dilakukan simulasi aliran udara pada ventilasi dengan dilewati pada muffler absorptive.analisa yang bisa didapatkan adalah apakah dengan mendapatkan nilai noise reduction(nr), transmission loss(tl) dan insertion loss(il) pada muffler absorptive yang sesuai tidak mengurangi laju aliran pada ventilasi udara atau bias disebut tidak mengurangi kemampuan exshaust fan. 3.2 Hasil skema low pass filter muffler absorptive Viskositas udara Nilai viskositas dapat menggunakan persamaan(2.9): Menentukan laju aliran massa ( ) udara pada muffler absorptive dapat menggunakan persamaan (2.4) ( 4.1.1 Pipa dengan low pass filter muffler absorptive (acuan pada gambar 3.3) ketebalan absorben 5cm =0,05m panjang pipa 0,5 meter. Menentukan kecepatan pada pipa dengan low pass filter muffler absorptive dapat menggunakan persamaan (2.4) Bilangan Reynold Untuk menentukan suatu aliran turbulen atau tidak, dapat menggunakan persamaan bilangan Reynolds (2.10) sebagai berikut: Karena Re lebih besar dari 2300 maka aliran dikatakan turbulent Gambar 3.3 Gambar skema low pass filter muffler absorptive. 3.3 Hasil skema high pass filter muffler absorptive Menentukan nilai NR(noise reduction), IL(Insertion Loss) dan TL (Transmission Loss) pada low pass filter muffler absorptive. (beracuan pada gambar skema di sub bab 3.2). Bising yang dihasilkan exhaust fan adalah 44 db. TL (Transmission Loss) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai TL dapat menggunakan persamaan (2.33) yaitu sebagai berikut : = 0,066 db 4.1 Hasil Gambar 3.6 Gambar skema high pass filter muffler absorptive. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Menentukan Kapasitas Exhaust fan = 215,8 x 8 = 1726,4 = 1016,8 CFM Massa jenis udara Nilai massa jenis udara ( sebesar karena suhu ruangan sebesar 33 0 C maka (diperoleh dari hasil interpolasi linear pada tabel 2.3) NR(noise reduction) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai NR(noise reduction) dapat menggunakan persamaan (2.31) yaitu sebagai berikut : Sw=0,12 m 2 = - TL + 10 log [(1/4) + (Sw/R)] Untuk koefisien absorpsi rata-rata pada pipa hanya menggunakan bagian kanan sisi pipa dan bagian sisi kiri pipa, karena bagian depan dan belakang pipa merupakan udara(koefisien absorpsi udara dianggap = 0) Maka :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 4 Maka NR : NR = = 2,8 db IL(Insertion Loss) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai IL (Insertion Loss) dapat menggunakan persamaan (2.34) yaitu sebagai berikut : Karena panjang pipa tidak terlalu panjang maka dianggap tidak ada penurunan tekanan bunyi dari sumber bising exhaust fan maka: Sw=0,1 m 2 = - TL + 10 log [(1/4) + (Sw/R)] Untuk koefisien absorpsi rata-rata pada pipa hanya menggunakan bagian kanan sisi pipa dan bagian sisi kiri pipa, karena bagian depan dan belakang pipa merupakan udara(koefisien absorpsi udara dianggap = 0) Maka R : Maka IL (Insertion Loss): = 2,8 db. 4.1.3 Pipa dengan high pass filter muffler absorptive (acuan pada gambar 3.6) ketebalan absorben 5cm =0,05m dan 2,5 cm =0,025 m panjang pipa 0,5 m Menentukan kecepatan pada pipa dengan high pass filter muffler absorptive dapat menggunakan persamaan (2.4) Maka R total = 0,93 Maka : Maka NR : Bilangan Reynold Untuk menentukan suatu aliran turbulen atau tidak, dapat menggunakan persamaan bilangan Reynolds (2.10) sebagai berikut: Untuk menentukan D pada pipa dengan high pass filter muffler absorptive dapat menggunakan persamaan (2.11). NR = = 4,42 db IL(Insertion Loss) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai IL(Insertion Loss) dapat menggunakan persamaan (2.34) yaitu sebagai berikut : Karena Re lebih besar dari 2300 maka aliran dikatakan turbulent Menentukan nilai NR(noise reduction), IL(Insertion Loss) dan TL (Transmission Loss) pada high pass filter muffler absorptive. (beracuan pada gambar skema di sub bab 3.3) Bising yang dihasilkan exhaust fan adalah 44 db. TL (Transmission Loss) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai TL dapat menggunakan persamaan (2.33) yaitu sebagai berikut : = 0,079 db = 0,08 db NR(noise reduction) pada frekuensi 500 Hz Untuk menentukan nilai NR(noise reduction) dapat menggunakan persamaan (2.30) yaitu sebagai berikut : Karena panjang pipa tidak terlalu panjang maka dianggap tidak ada penurunan tekanan bunyi dari sumber bising exhaust fan maka: Maka IL (Insertion Loss): = 4,4 db 4.2 Grafik Dari hasil perhitungan yang telah diperoleh maka didapatkan grafik sebagai berikut: Grafik 4.1 grafik kecepatan terhadap variasi muffler absorptive
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 5 Berikut ini grafik penurunan bunyi terhadap variasi muffler absorptive pada frekuensi 500 Hz dimana telah diketahui bahwa bising yang dihasilkan oleh exhaust fan sebesar 44 db. Grafik 4.2 grafik bunyi terhadap variasi muffler absorptive Keterangan : Low Pass Filter Muffler Absorptive Tipe 1 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben 5cm) 2 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben 8 cm) 3 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben 10 cm) 4 Panjang pipa 0,8 meter (ketebalan absorben 8 cm) 5 Panjang pipa 0,8 meter (ketebalan absorben 10 cm) 6 Panjang pipa 1 meter (ketebalan absorben 8 cm) 7 Panjang pipa 1,2 meter (ketebalan absorben 8 cm) 8 Panjang pipa 1,4 meter (ketebalan absorben 8 cm) 9 Panjang pipa 1,6 meter (ketebalan absorben 8 cm) 10 Panjang pipa 1 meter (ketebalan absorben 10 cm) 11 Panjang pipa 1,2 meter (ketebalan absorben 10 cm) 12 Panjang pipa 1,4 meter (ketebalan absorben 10 cm) 13 Panjang pipa 1,6 meter (ketebalan absorben 10 cm) Grafik 4.2 menjelaskan bahwa variasi muffler absorptive tipe 1 menghasilkan bunyi sebesar 41,2 db berarti variasi muffler absorptive tipe 1 hanya mampu menurunkan bising exhaust fan sebesar 2,8 db sedangkan variasi muffler absorptive tipe 26 menghasilkan bunyi sebesar 38 db berarti variasi muffler absorptive tipe 26 mampu menurunkan bising exhaust fan sebesar 6 db. Hal ini diakibatkan oleh penebalan pada bahan penyerap dan penambahan panjang pipa. Maka semakin tebal High Pass Filter Muffler Absorptive 14 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 5 cm) bahan penyerap dan semakin panjang pipa akan 15 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) menyebabkan penurunan bising exhaust fan yang besar pula. 16 Panjang pipa 0,5 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) 17 Panjang pipa 0,7 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) Berikut ini grafik penurunan tekanan terhadap 18 Panjang pipa 0,7 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) variasi muffler absorptive berdasarkan perhitungan. 19 Panjang pipa 1 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) Grafik 4.3 grafik penurunan tekanan terhadap variasi muffler 20 Panjang pipa 1,2 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) absorptive 21 Panjang pipa 1,4 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) 22 Panjang pipa 1,6 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 7 cm) 23 Panjang pipa 1 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) 24 Panjang pipa 1,2 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) 25 Panjang pipa 1,4 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) 26 Panjang pipa 1,6 meter (ketebalan absorben : 2,5 cm, 9 cm) Grafik 4.1 menjelaskan bahwa pada grafik hasil perhitungan variasi muffler absorptive tipe 1 memiliki kecepatan yang rendah yaitu 2,7 m/s dan variasi muffler absorptive tipe 14 memiliki kecepatan 4,8 m/s. Hal ini diakibatkan oleh penebalan bahan penyerap (absorbent) pada muffler absorptive dimana akibat dari penebalan ini akan mempersempit luasan atau area untuk dilewati oleh udara, hal ini lah yang menyebabkan kecepatan udara bertambah. Dari hasil CFD variasi muffler absorptive tipe 1 memiliki kecepatan yang rendah yaitu 2,8 m/s dan variasi muffler absorptive tipe 14 memiliki kecepatan 4,7 m/s. Maka dapat disimpulkan bahwa tidak terdapat selisih hasil dari perhitungan dengan CFD. Grafik 4.3 menjelaskan bahwa variasi muffler absorptive tipe A menghasilkan penurunan tekanan sebesar 6,17 pascal sedangkan variasi muffler absorptive tipe J menghasilkan penurunan tekanan 147,3 pascal. Hal ini diakibatkan oleh penebalan pada bahan penyerap dan penambahan panjang pipa. Ketika terjadi penebalan pada bahan penyerap maka
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 6 luasan yang dilewati udara akan semakin sempit maka daya hisap exhaust fan pun tidak maksimal. Begitu pula ketika terjadi penambahan panjang pipa. 4.3 CFD (Computation Fluid Dynamic) (a) Gambar 4.2 diatas menjelaskan bahwa kecepatan yang masuk pada variasi muffler absorptive tipe 14 terjadi kenaikan kecepatan, dari kecepatan yang masuk sekitar 2 m/s menjadi sekitar 3,4 m/s. Dan terjadi penurunan tekanan 4,5 pascal 4.4 Pembahasan Dari hasil perhitungan dan grafik yang telah diperoleh maka didapatkan suatu analisa bahwa variasi muffler absorptive tipe 26 memang memiliki kemampuan yang maksimal untuk meredam bising exhaust fan namun variasi muffler absorptive tipe 26 pun memiliki penurunan tekanan yang besar pula. Ketika variasi muffler absorptive memiliki nilai penurunan tekanan yang besar maka hal ini akan mengurangi kemampuan daya hisap exhaust fan untuk menghisap udara panas di ruangan. Dari hasil simulasi CFD menunjukan bahwa muffler absorptive yang cocok digunakan yaitu muffler absorptive tipe 22 karena tipe ini mampu menurunakan bunyi 5,8 db dan hanya mengalami penurunan tekanan sebesar 8,1 pascal. Tipe muffler absorptive tipe 22 memiliki ketebalan 2,5 cm pada sisi kanan dan kiri muffler absorptive dan memiliki 2 bahan penyerap yang terletak di tengah dengan ketebalan 7 cm. (b) Gambar 4.1 Contour kecepatan (a) dan tekanan (b) pada variasi muffler absorptive tipe 1 Gambar 4.1 diatas menjelaskan bahwa kecepatan yang masuk pada variasi muffler absorptive tipe 1 terjadi kenaikan kecepatan, dari kecepatan yang masuk sekitar 2 m/s menjadi sekitar 2,8 m/s. Dan terjadi penurunan tekanan 2,4 pascal. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah muffler absorptive tipe 22 memiliki ketebalan 2,5 cm pada sisi kanan dan kiri muffler absorptive dan memiliki 2 bahan penyerap yang terletak di tengah dengan ketebalan 7 cm, merupakan muffler absorptive yang cocok digunakan dengan nilai variable TL (Transmission Loss) sebesar 0,3 db, NR(Noise Reduction) sebesar 5,8 db, IL sebesar 5,8 db dan penurunan tekanan hisap sebesar 8,1 pascal. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir.Wiratno Argo Asmoro, MSc dan bapak Andi Rahmadiansah,ST., MT selaku pembimbing tugas akhir saya. (a) DAFTAR PUSTAKA [1] SNI 03-6572-2001,Tata cara perancangan system ventilasi dan pengkondisian udara pada bangunan gedung [2] Munson, Young, Okiishi, Fundamental of Fluid Mechanics, Ames, Lowa, U.S.A, Departement of Aerospace Enginnering and Engineering Mechanics, Departement of Mechanical Engineering (2006).. [3] Barron, Randall F, Industrial Noise Control and Acousti, Ruston,Louisiana, U.S.A., Louisiana Tech University (2001). [4] Dr. V.K Goel, Indian Institute of Technology Roorkee,Sound In Duct, hal 39 (b) Gambar 4.2 Contour kecepatan (a) dan tekanan (b) pada variasi muffler absorptive tipe 14