Fisika akustik baru (2)

Fisika Akustik Perancangan Resonator Helmholtz Sebagai Pereduksi Bising (Analogi Resistor) Disusun oleh : Isni Suryani M0205031 Muhammad Khairu Rais M0205040 Rudi Susanto M0205044 Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta 2009 Perancangan Resonator Helmholtz Sebagai Pereduksi Bising (Analogi Resistor) Pendahuluan Resonansi Helmholtz adalah peristiwa resonansi udara dalam satu rongga. Resonator tersebut terdiri dari suatu badan yang berbentuk bola dengan satu volume udara dengan sebuah leher. Salah satu contoh peristiwa resonansi Helmholtz adalah bunyi yang diciptakan ketika satu hembusan melintasi puncak satu botol kosong. Ketika udara masuk ke dalam suatu rongga, tekanan di dalam meningkat gaya luar yang menekan udara menghilang, udara di bagian dalam akan mengalir keluar. Udara yang mengalir keluar akan mengimbangi udara yang ada di dalam leher. Proses ini akan berulang dengan besar tekanan yang berubah semakin menurun. Efek ini sama seperti suatu massa yang dihubungkan dengan sebuah pegas. Udara yang berada dalam rongga berlaku sebagai sebuah pegas dan udara yang berada dalam leher Resonator yang berisi udara identik dengan sebuah massa, sebuah rongga yang yang lebih besar dengan volume udara yang lebih banyak akan membuat suatu pegas menjadi lebih lemah dan sebaliknya. Udara dalam leher yang berfungsi sebagai suatu massa, karena sedang bergerak maka pada massa terjadi suatu momentum. Apabila leher semakin panjang akan membuat massa lebih besar demikian sebaliknya. Diameter leher sangat berkaitan dengan massa udara dalam leher dan volume udara dalam rongga. Diameter yang terlalu kecil akan mempersempit aliran udara sedangkan diameter yang terlalu besar akan mengurangi momentum udara dalam leher. Pada penelitian ini dilakukan penelitian untuk membandingkan antara suara yang melewati suatu ruang (pipa) tanpa dan dengan diberi helmholtz resonator. Selain itu juga dibandingkan antara penggunaan satu HR dan 2 HR yang dipasang seri dan parallel. Rancangan Alat Gambar 1. Merancang Alat II.a. Alat dan Bahan Speaker Microphone Oscilloscope Function Generator Solder Pipa PVC Suntikan bekas inject tinta printer Software cool edit Seperangkat PC II.b. Skema Alat Gambar 2. Skema Alat HR Pembahasan III.a. Cara kerja. Mengatur frekuensi awal function generator sebagai sumber suara. Data pertama diambil dengan pipa tanpa helmholtz resonator dengan perekam suara (mp3/mp4). Data kedua diambil dengan mengunakan helmholtz resonator dengan berbagai variasi (volume konstan 10 cc tiap HR) Tanpa menggunakan HR Gambar 3. Pipa Tanpa HR Menggunakan 1 HR Menggunakan 2 HR yang disusun secara parallel Gambar 4. Pipa Dengan 2 HR (Paralel) Menggunakan 2 HR yang disusun secara seri Gambar 4. Pipa Dengan 2 HR (Seri) Mengolah hasil record dengan mengunakan software cool edit proV2.1 kemudian dianalisa. III.b. Hasil Percobaan Tanpa HR Freq (Hz) Left (dB) Right (dB) 5340.234 -72.79585266 -70.32234192 5383.3 -74.93478394 -69.13048554 5426.367 -81.68482208 -74.47206879 5469.433 -69.5976181 -77.95899963 5512.5 -67.34597015 -74.56826019 5555.566 -78.19220734 -88.83125305 5598.632 -89.57360077 -81.13191223 5641.699 -78.80558014 -71.87981415 5684.765 -79.1865921 -68.75511932 5727.832 -73.94795227 -70.79033661 5770.898 -69.95153046 -76.73703766 5813.964 -72.22115326 -73.44979858 5857.031 -80.81015778 -69.58120728 5900.097 -71.91790009 -68.51287079 5943.164 -70.71899414 -73.96367645 5986.23 -68.19103241 -69.03888702 Dengan 1 HR Freq (Hz) Left (dB) Right (dB) 5340.234 -73.2506485 -68.88967133 5383.3 -77.20063782 -76.5072937 5426.367 -78.16836548 -78.57366943 5469.433 -71.51243591 -80.45354462 5512.5 -83.04358673 -91.80965424 5555.566 -74.77565002 -72.20672607 5598.632 -72.44820404 -69.73878479 5641.699 -74.84185791 -69.40364838 5684.765 -80.71218109 -72.42718506 5727.832 -76.35822296 -70.63213348 5770.898 -79.38323975 -70.56677246 5813.964 -70.45526886 -69.18775177 5857.031 -75.08074188 -69.98152161 5900.097 -72.1889267 -69.76983643 5943.164 -80.08098602 -74.85481262 5986.23 -73.39603424 -79.69461823 Dengan HR seri Freq (Hz) Left (dB) Right (dB) 10938.87 -75.57488251 -89.27191162 10981.93 -73.86167908 -74.2144928 11025 -80.84835815 -77.04550171 11068.07 -72.42194367 -86.63431549 11111.13 -71.23970795 -78.35852051 11154.2 -72.03167725 -74.92349243 11197.27 -76.96842957 -77.72146606 11240.33 -81.09559631 -75.54877472 11283.4 -74.88755798 -70.54271698 11326.46 -72.10993958 -67.77327728 11369.53 -71.74635315 -71.45244598 11412.6 -69.13378143 -76.83231354 11455.66 -71.79827118 -75.33364105 11498.73 -68.85643768 -69.50921631 11541.8 -69.99302673 -70.63736725 11584.86 -83.02281952 -80.93022156 Dengan HR paralel Freq (Hz) Left (dB) Right (dB) 2540.917 -75.80623627 -75.80008698 2583.984 -68.83966827 -68.85070038 2627.05 -69.17713165 -69.16104126 2670.117 -65.18377686 -65.17942047 2713.183 -63.24002838 -63.23705673 2756.25 -61.78553009 -61.78927231 2799.316 -61.66035843 -61.66368485 2842.382 -61.88998032 -61.88808441 2885.449 -66.49175262 -66.48439789 2928.515 -65.4280777 -65.42601013 2971.582 -71.69438171 -71.67081451 3014.648 -78.09646606 -77.99634552 3057.714 -62.97149277 -62.95373154 3100.781 -50.95452881 -50.95198822 3143.847 -53.00174332 -53.00154114 III.c. Analisa Prinsip kerja helmholtz resonator adalah sebagai berikut. Pada saat gelombang menabrak ruang, maka sebagian akan diteruskan ke dalam ruangan dan sebagian akan dipantulkan. Gelombang berjalan dalam ruangan dan kemudian menabrak dinding bagian belakang dari resonator dipantulkan menembus lubang. Panjang dari ruang resonator ini harus dihitung sehingga gelombang pantulan meninggalkan ruang resonator harus tepat pada saat gelombang suara berikutnya datang ke ruang resonator. Idealnya, bagian tekanan tinggi dari gelombang yang datang ke ruang resonator beriringan dengan bagian tekanan rendah dari gelombang yang meninggalkan ruang resonator, sehingga kedua gelombang suara tersebut dapat saling meniadakan. Frekuensi resonan helmholtz resonator tergantung pada volumenya, dan sebuah resonator harmonik dapat diubah volumenya dengan cara menggeser tabung penutup (tabung keluar masuk). Fungsi dari helmholtz resonator adalah digunakan untuk mengurangi bunyi yang tidak diinginkan, dengan membangun resonator yang dirancang sesuai dengan frekuensi yang ingin dihapus, biasanya digunakan dalam gelombang dengan frekuensi yang rendah. Persamaan yang digunakan dalam perhitungan frekuensi pada helmholtz resonator ini yaitu, pertama, diasumsikan bahwa panjang gelombang sumber suara adalah lebih panjang daripada dimensi resonator. Untuk ruang resonator yang khas, suara yang dihasilkan mempunyai panjang gelombang beberapa meter. Hasil tersebut merupakan perkiraan dengan konsekuensi dimana tekanan dalam helmholtz resonator dimana mana sama. Misalkan panjang leher pada helmholtz resonator adalah L, dan S adalah luas penampang leher helmholtz resonator. Sehingga, jika dihitung massa yang tertampung dalam leher helmholtz resonator adalah dengan adalah massa jenis udara. Volume dapat dicari dengan persamaan sehingga . Saat memasukkan leher helmholtz resonator pada pipa, ada sedikit pemampatan udara ke dalam ruang helmholtz resonator dengan jarak x. Hal tersebut otomatis mengubah V menjadi . Konsekuensi selanjutnya yaitu tekanan berubah dari PA menjadi PA+p. Dari hal tersebut dapat diamati bahwa semakin kecil volume maka tekanan semakin besar. Namun hal itu bisa terjadi asalkan terjadi secara perlahan dan suhu tidak berubah. Perlu diketahui ketika suara dibangkitkan, maka akan menimbulkan getaran dan secara cepat juga menaikkan suhu dan tekanan. Secara teknis, sistem ini merupakan adiabatis yang berarti bahwa panas tidak punya waktu untuk bergerak sehingga melibatkan suatu konstanta rasio panas spesifik . Sebagai hasilnya, tekanan kecil yang dihasilkan akibat perubahan volume sebesar adalah : Sekarang massa m dipindahkan perbedaan tekanan antara leher bagian atas dan leher bagian bawah. Digunakan hukum newton untuk percepatan : Ingat bahwa tekanan adalah gaya persatuan luas, sehingga bila disubtitusikan antara F dan m maka : Dapat diketahui dari persamaan yang diperoleh bahwa gaya pemulih adalah sebanding dengan perpindahan jarak. Ini merupakan kondisi gerak harmonik sederhana, dan mempunyai frekuensi yaitu : Kecepatan suara ditentukan oleh massa jenis, tekanan dan rasio panas spesifik, jadi dapat kita tulis : Misalkan skema HR adalah seperti pada gambar 5 (a), maka leher HR (L) berfungsi sebagai penghambat sumber suara dan ruang HR (V) berfungsi sebagai kapasitor seperti ditunjukkan gambar 5 (b). (a) (b) Gambar. 5 : (a) Helmholtz Resonator (b) Korespondensi Rangkaian Listrik Pengambilan data dilakukan dengan random noise frekuensi. Data tersebut diperoleh setelah suara output yang terekam oleh mp4 dalam ekstensi (*.mp3), kemudian diolah dengan software cool edit. Dari software cool edit tersebut, data yang masih berupa file ekstensi (*.mp3) dicari frekuensi tiap waktu ketika suara terekam. Caranya dengan klik menu ”Analyze” kemudian ”Show Frequency Analysis”, dan untuk mengetahui angka angka dalam grafik tinggal klik ”Copy to Clipboard” dan paste di notepad untuk nanti diambil range frekuensi sesuai dengan daerah kerja dari HR. Dari eksperimen filter akustik dengan HR ini dilakukan dalam beberapa variasi. Data awal dimbil dengan tanpa mengunakan HR sebagai suatu data pembanding dalam eksperimen ini, sehingga akan di ketahui keekfektifan HR dalam memfilter frekuensi yang sesuai dengan daerah kerjanya. Data percobaan diambil dengan random noise frekuensi dengan 1 buah HR dan 2 HR yang disusun paralel dan seri. Daerah kerja HR yang digunakan adalah 5,6 KHz , nilai ini di dapatkan dari yang mengambil Diameter= 0,4 . 10-2 meter, Jari –jari(a)=0,2. 10-2 meter, L = 0,83 .10-2 meter, Sb= 0,1256 . 10-4 meter2 (luas lingkaran), Leff=1,17 . 10-2 meter. HR apabila disusun seri menjadi 11,2 KHz dan disusun paralel menjadi 2,8 KHz perhitungan ini analog dengan hambatan yang disusun seri dan paralel. Dari data yang didapatkan kemudian di buat grafik untuk masing amsing data di dapatkan sebagai berikut: Tanpa HR Dengan 1 HR Dengan HR seri Dengan HR paralel Dari analisis grafik diatas dapat diketahui bahwa HR bekerja dengan efektif pada daerah kerja masing-masing. Pada ekspesimen pertama dengan 1 HR yang mempunyai daerah efektif 5,6 KHz dari grafik terlihat penurunan intensitas bunyi pada daerah tersebut. Demikian pula 2 HR yang disusun seri maupun paralel yang bekerja pada daerah 2,8 KHz dan 11,2 KHz terjadi penurunan pula pada intensitas bunyi tersebut menurun. Pemvariasian jumlah HR dan Posisi HR (paralel dan seri) dilakukan untuk mengetahui kerja HR pada beberapa daerah efektif atau daerah kerja. Diketahui bahwa dari eksperimen yang dilakukan dalam daerah kerja 2,8 KHz, 5,6 KHz dan 11,2 KHz HR bekerja secara efektif ditunjukkan dengan penurunan intensitas frekuensi pada masing-masing eksperiman yang ditunjukkan oleh grafik di atas. Hal di atas sesuai dengan analogi mekanika, helmholtz resonator kerjanya dipengaruhi oleh volume dan jumlah HR. Hal ini di karena HR seperti pegas dan di dalamnya udara yang dianggap seperti hambatan. Meskipun demikian kerja HR juga dipengaruhi oleh Insertion Loss (selisih intensitas akustik tanpa filter dengan dengan filter) dan juga Trasmition Loss (selisih daya yang datang ke sistem dengan yang di trasmisikan). Penutup IV.a. Kesimpulan Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa helmholtz resonator adalah tabung penyaluran atau ruang resonator yang dirancang agar menimbulkan gelombang balik (hasil refleksi) sehingga menimbulkan interferensi yang saling meniadakan. Helmholtz resonator mempunyai desain volume tertentu dan panjang tertentu yang dihitung agar gelombang yang dikeluarkan dapat meniadakan suara pada gelombang tertentu. Hal tersebut dapat dituliskan persamaan frekuensinya dengan, Dengan c adalah kecepatan suara, S adalah luas penampang leher HR, V adalah volume HR dan L adalah panjang effektif leher HR. Helmholtz resonator ini berfungsi untuk meniadakan frekuensi suara tertentu yang diinginkan, salah satunya dengan cara mengatur besar volume helmholtz resonator menambah atau menguranginya. IV.b. Saran Pada percobaan selanjutnya diharapkan lebih disiapkan ruangan yang benar-benar steril dari bising luar yang dapat mengganggu keluaran yang diharapkan, selain itu sebelumnya mahasiswa dibekali lebih dalam lagi mengenai persamaan-persamaan yang berkaitan dengan materi dan cara mengolah datanya sehingga mahasiswa tidak terlalu kesulitan dalam melakukan percobaan. Literatur Ferdinand, W., 2003, Design of an Acoustic Muffler Prototype for an Air Filtration System Inlet on International Space Station. Noise-Con 2003: Cleveland, Ohio. Zheji Liu., 2006, Centrifugal Compressor Noise Reduction By Using Helmholtz Resonator Arrays. Dresser-Rand : New York. Ludwigsen, O., 2006, Better Understanding of Resonance through Modeling and Visualization. The Proceedings of the COMSOL Users Conference: Boston. Andrei, D., 2004, Helmholtz Equation. http://eqworld.ipmnet.ru/en/solutions/lpde/lpde303.pdf [akses pada tanggal 28 Oktober 2008] J. Mohring, 1998, Helmholtz Resonators With Large Aperture. Institut für Techno– und Wirtschaftsmathematik : Jerman. Satoshi Konishi, 1998, Tunable Acoustic Absorbing System Using A Deep Hole Array. Faculty of Science and Engineering : Ritsumeikan University. PAGE 11