Studi Eksperimental Kebisingan dan Simulasi Kontur Kebisingan Pesawat Tanpa Awak Prototipe NVC USU
6
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pesawat Tanpa Awak UAV Unmanned Aerial Vehicle
Pandangan yang paling sederhana dari sebuah pesawat tanpa awak adalah
sebuah pesawat dengan aircrew yang dihilangkan dan digantikan oleh sistem
komputer dan radio-link. Pada kenyataannya pesawat tanpa awak lebih kompleks
dari itu dan pesawat tersebut harus dirancang dengan baik dari awal tanpa aircrew,
akomodasi, dan yang lainnya. Pesawat hanyalah bagian, meskipun bagian penting
dari keseluruhan sistem.
Gambar 2.1 Struktur fungsional sistem UAV [1]
Manfaat seluruh sistem yang sedang dirancang, sebagai kesatuan sistem
yang lengkap seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1, secara singkat terdiri dari :
1. stasiun kontrol (CS) yang merupakan tempat operator sistem, antarmuka antara
operator dan sisa sistem lainnya.
2. pesawat yang membawa muatan yang memiliki banyak jenis.
3. sistem komunikasi antara CS yang mentransmisikan input kontrol ke pesawat
dan kembali payload dan data lainnya dari pesawat ke CS (ini biasanya dicapai
dengan transmisi radio).
4. peralatan pendukung yang dapat mencakup pemeliharaan dan transportasi
barang [1].
Universitas Sumatera Utara
7
Gambar 2.2 Puna Wulung [2]
Gambar 2.2 menunjukkan salah satu pesawat tanpa awak milik Indonesia
yang dibuat oleh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) yang
diberi nama Puna Wulung. Puna Wulung memiliki panjang 4320 mm dengan
bentang sayap 6360 mm dan memiliki berat terbang maksimum 120 kg [2].
2.2
Propeller
Propeller berasal dari dua kata bahasa latin yakni Pro dan Pellere. Pro yang
berarti di depan, dan pellere yang berarti untuk menggerakkan. Propeller atau
baling–baling adalah kitiran untuk menjalankan pesawat terbang. Kitiran ini
memindahkan tenaga dengan mengkonversi gerakan rotasi menjadi daya dorong
untuk menggerakkan sebuah pesawat terbang melalui suatu massa seperti udara
atau air, dengan memutar dua atau lebih bilah kembar dari sebuah poros utama.
2.2.1
Sejarah Perkembangan Teori Propeller
Teori propeller telah dikenal beberapa ratus tahun yang lalu oleh ilmuwan-
ilmuwan pada masa itu. Beberapa teori yang telah dikenal diantaranya adalah teori
momentum dan teori elemen bilah. Axial Momentum Theory diperkenalkan oleh W.
J. M. Rankine pertama kali pada tahun 1865 dan mengalami beberapa
perkembangan sampai disempurnakan oleh Betz pada tahun 1920 yang hingga
sekarang lebih dikenal dengan General Momentum Theory. Sedangkan teori elemen
bilah klasik diteliti pertama kali oleh Lanchester pada tahun 1907 dan
disempurnakan dengan Vortex-Blade Element Theory oleh Joukowsky (1912) dan
Betz (1919).
Universitas Sumatera Utara
8
2.2.2
Desain Propeller Untuk Mengurangi Kebisingan
Pada dasarnya, baling-baling pada propeller merupakan sayap kecil yang
menghasilkan gaya resultan aerodinamis yang dibagi menjadi gaya yang bekerja
sepanjang sumbu aksis dari pesawat (gaya dorong) dan gaya yang bekerja pada
baling-baling propeller (momen torsi). Torsi berlawanan arah dengan pergerakan
rotasi dari mesin yang terjadi seperti adanya tarikan terhadap propeller. Dalam
keadaan setimbang, propeller berputar secara konstan yang digerakkan oleh torsi
mesin yang mempunyai besar yang sama tetapi arah berbeda seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Gaya dorong dan torsi pada propeller [3]
Propeller terdiri dari bagian yang berbentuk air foil dengan ukuran yang
bervariasi. Sudut antara kecepatan relatif dan rotasi propeller disebut helix angel
dan angle of advance. Untuk kecepatan partikuler pesawat, helix angle bervariasi
dari dasar hingga ujung propeller dimana bagian ujung propeller berputar lebih
cepat dibandingkan bagian dasar propeller. Bagian sudut propeller ditunjukkan
pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4 Helix angle dalam pendekatan mempunyai nilai
90o.
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.4 Bagian baling–baling pada propeller [3]
Ada hal-hal utama yang dapat mengurangi kebisingan pada propeller, yaitu:
1. Low tip speed. (kecepatan rendah pada ujung blade)
2. Large number of blades. (besarnya jumlah blade)
3. Low disc loading. (muatan udara yang rendah pada area perputaran blade)
4. Large blade chord. (lebar dari blade propeller )
5. Minimum interference with rotor flow. (sedikitnya ganguan pada aliran udara
dari propeller ).
Mendesain propeller rendah bising merupakan sebuah kajian khusus yang
sangat kompleks. Dimana perhitungan aerodinamika harus diselaraskan dengan
perhitungan kebisingan. Desain dari aerodinamika sendiri memiliki cakupan yang
sangat luas,akan tetapi pada pembahasan kali ini permasalahan aerodinamika ketika
mendisain propeller dapat di uraikan sesederhana mungkin. Dalam pengoperasian
propeller terdapat 3 jenis beban yang terjadi, yaitu:
1. Beban tarik (FT) disebabkan oleh gaya sentrifugal yang cenderung bergerak
menjauhi pusat sumbu putar (hub) propeller.
2. Beban lentur/bending (FB) disebabkan oleh gaya dorong yang terjadi pada
pesawat.
3. Beban torsi (T) disebabkan oleh putaran yang cenderung terjadi pada ujung
propeller.
Ketiga tegangan yang bekerja dapat dilihat pada Gambar 2.5 dibawah ini.
Universitas Sumatera Utara
10
Gambar 2.5 Beban yang terjadi pada propeller [3]
2.2.3
Kebisingan pada Propeller
Kebisingan yang bersumber dari propeller merupakan kebisingan yang
diakibatkan oleh konfigurasi dan kondisi operasi propeller . Secara umum, jumlah
baling-baling propeller diperlihatkan seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Jumlah baling-baling pada propeller pesawat tanpa awak [3]
Gambar 2.6 menunjukkan beberapa jenis propeller dengan jumlah balingbalingnya. Jumlah baling-baling pada propeller dan sudut twist-nya dapat
mempengaruhi nilai kebisingan yang dihasilkan oleh propeller UAV.
Struktur dan lokasi propeller yang menimbulkan kebisingan disebabkan
getaran pada baling-baling dan aliran asimetrik yang terinduksi terjadi secara tidak
normal. Pada mulanya terjadi efek tekanan, baik kebisingan yang terjadi akibat
Universitas Sumatera Utara
11
vortex (pusaran) maupun kebisingan akibat putaran lebih banyak ditimbulkan oleh
baling-baling dan putaran propeller . Hal ini mengakibatkan banyak riset
berkembang pada propeller terutama akibat beban dan putaran (torsi) pada
propeller dengan tujuan untuk mengurangi kebisingan yang terjadi pada propeller .
Akan tetapi, kebisingan akibat pusaran juga penting dipertimbangkan terutama
pada penerbangan dengan kecepatan tinggi. Hal ini dapat dijelaskan pada Gambar
2.7 dibawah ini.
Gambar 2.7 Aliran udara melalui propeller [3]
2.2.4
General Momentum Theory
General momentum theory mempelajari tentang gaya – gaya yang
dihasilkan oleh propeller . Propeller dianggap sebagai sebuah piringan, dan udara
melewati piring – pirangan tersebut. Gaya dorong dihasilkan dari perubahan
momentum dari aliran udara sebelum dan sesudah melewati piringan tersebut. Hal
ini dapat dijelaskan pada Gambar 2.8 dibawah ini.
Universitas Sumatera Utara
12
Gambar 2.8 Aliran udara yang melewati propeller [3]
Asumsi-asumsi yang digunakan pada teori ini yaitu :
1. Propeller dianggap sebagai piringan.
2. Aliran udara yang melewati piringan berbentuk tabung.
3. Kecepatan dan tekanan terdistribusi secara seragam pada setiap seksi tabung.
4. Gerakan rotasional diabaikan
2.2.5 Vortex – Blade Element Theory
Teori ini adalah gabungan dari teori elemen bilah yang disempurnakan
dengan vortex teory. Teori elemen bilah mempelajari tentang gaya-gaya di tiap-tiap
bilah baling-baling dengan cara mem-breakdown bilah tersebut menjadi beberapa
bagian. Tiap-tiap bagian dari bilah tersebut akan membentuk cincin dalam dua
dimensi sehingga pada keadaan tiga dimensi akan membentuk tabung yang
kemudian dihitung per bagian.
Daya dorong yang dihasilkan oleh sebuah baling baling ditentukan oleh lima
hal-hal, bentuk dan area dari airfoil, sudut serang (angle of attack), massa jenis
udara, dan kecepatan dimana gerakan airfoil melalui udara .Sebelum
mendiskusikan cara memvariasikan gaya angkat yang dihasilkan oleh propeller ,
kita harus mengerti beberapa karakteristik desain propeller .
Asumsi-asumsi yang digunakan adalah :
1. Sifat-sifat dari sebuah elemen tidak terpengaruh oleh unsur-unsur yang
berdekatan pada bilah yang sama.
2. Yang akan diadopsi pada tiap-tiap elemen adalah karakteristik airfoil
3. Kecepatan efektif elemen melewati udara merupakan resultan dari kecepatan
aksial, kecepatan putar bilah dan kecepatan induksi.
Universitas Sumatera Utara
13
Gambar 2.9 Kecepatan efektif elemen melewati udara [3]
Pada Gambar 2.9 dapat dilihati aplikai dari teori elemen bilah
disempurnakan dengan teori vortex. Teori vortex tersebut berdasarkan atas
keberadaan tip vortex yang dihasilkan oleh ujung bilah yang berputar. Vorteksvorteks tersebut lalu mengalir ke belakang membentuk lintasan berbentuk helikal.
Konsep trailing edge vortices dan tip vortices pada propeller tersebut mirip dengan
konsep-konsep pada finite wing [3].
2.3
2.3.1
Suara
�
Suara didefinisikan sebagai serangkain gelombang yang merambat dari
suara sumber getar sebagai akibat perubahan kerapatan dan juga tekanan udara atau
perubahan tekanan yang dapat dideteksi oleh telinga Gelombang suara pada fluida
kebanyakan dihasilkan melalui permukaan zat padat yang bergetar di dalam fluida
tersebut. Satuan desibel menunjukkan tingkat tekanan suara [4]. Besarannya di atas
acuan 20 x 10-6 N/� . Decibel juga merupakan satuan unit logaritmik untuk
mendesripsikan suatu rasio.
Universitas Sumatera Utara
14
Gambar 2.10 Gelombang suara pada material [5]
Pada Gambar 2.10, permukaan benda yang bergetar mengakibatkan fluida
yang berdekatan dengan permukaan tersebut terkompresi. Kompresi ini
mengakibatkan efek menjauh dari permukaan yang bergetar. Efek ini disebut
dengan gelombang suara, gelombang suara tersebut akan bergerak menjauhi
permukaan yang bergetar dengan kecepatan yang bervariasi bergantung terhadap
material yang dilalui. Untuk gas ideal, kecepatan suara adalah fungsi dari tempertur
absolut [6].
Suara yang dapat didengar oleh manusia hanya pada rentang frekuensi
tertentu yang dapat menimbulkan respon serta tidak mengganggu fungsi dari indra
pendengaran. Rentang frekuensi yang dapat didengar oleh manusia berkisar antara
20 Hz – 20.000 Hz. Suara berdasakan frekuensinya dapat dikelompokkan menjadi
beberapa kategori sebagai berikut :
1. Infrasonic : frekuensi < 20 Hz
2. Audiosonic : frekuensi 20-20.000 Hz
3. Supersonic : frekuensi > 20.000 Hz
2.3.2
Kebisingan
Kebisingan atau noise adalah bunyi atau suara yang tidak dikehendaki dan
dapat mengganggu kesehatandan kenyamanan lingkungan yang dinyatakan dalam
satuan decibel (dB). Seiring berkembangnya waktu, kebanyakan dari mesin mesin
produksi, mesin–mesin transportasi, dan segala sesuatu yang dapat meningkatkan
Universitas Sumatera Utara
15
taraf hidup manusia selalu berdampingan dengan masalah kebisingan. Kebisingan
dapat merambat melalui banyak jalur yang disebut sebagai path of noise [7].
Sumber kebisingan dapat dikelompokkan dalam tiga kategori:
1. Sumber kebisingan intrinsic yang muncul dari fluktuasi acak di dalam
suatu sistem fisik seperti thermal dan tembakan kebisingan.
2. Sumber kebisingan buatan manusia seperti motor, switch, elektronika digital.
3. kebisingan karena gangguan alamiah seperti petir dan bintik matahari.
Pada Tabel 2.1 dapat dilihat contoh tingkat kebisingan maksimum yang
diizinkan pada beberapa sumber suara.
Tabel 2.1 Contoh tingkat kebisingan suara berdasarkan sumbernya [8]
2.3.3
Jenis–jenis Kebisingan
Kebisingan atau noise dapat dikelompokkan dalam dua jenis, yaitu :
1. Kebisingan korelasi : hubungan antara sinyal dan kebisingan masuk dalam
kategori ini. Karena itu, kebisingan korelasi hanya muncul saat ada sinyal.
Universitas Sumatera Utara
16
2. Kebisingan tidak terkorelasi : kebisingan yang dapat muncul kapanpun, saat
terdapat sinyal maupun tidak ada sinyal. Kebisingan tidak terkorelasi muncul
tanpa memperhatikan adanya sinyal atau tidak. kebisingan dalam kategori ini
dapat dibagi lagi menjadi dua kategori umum, yaitu :
A. Kebisingan eksternal : adalah kebisingan yang dihasilkan dari luar alat atau
sirkuit. Kebisingan tidak disebabkan oleh komponen alat dalam sistem
komunikasi tersebut. Ada 3 sumber utama kebisingan eksternal :
a. Kebisingan atmosfirik : Gangguan elektris yang terjadi secara alami,
disebabkan oleh hal – hal yang berkaitan dengan atmosfer bumi.
Kebisingan atmosfer biasanya disebut juga static electricity. Kebisingan
jenis ini bersumber dari kondisi elektris yang bersifat alami,
seperti kilat dan halilintar.
Static
electricity
berbentuk impuls yang
menyebar ke dalam energi sepanjang lebar frekuensi
b. Kebisingan extraterrestrial : kebisingan ini terdiri dari sinyal elektris yang
dihasilkan dari luar atmosfer bumi. Terkadang disebut juga kebisingan
deep-space. kebisingan ekstra terrestrial bisa disebabkan oleh Milky
Way, galaksi yang lain, dan matahari. Kebisingan ini dibagi menjadi 2
kategori, yaitu surya dan kosmik :
1) Kebisingan surya : kebisingan surya dihasilkan langsung dari panas
matahari. Ada dua bagian kebisingan surya, yaitu saat kondisi dimana
intensitas radiasi konstan dan tinggi, gangguan muncul karena
aktivitas sun-spot dan solar flare-ups. Besar gangguan yang jarang
terjadi ini (bersifat sporadis) bergantung pada aktivitas sun spot
mengikuti pola perputaran yang berulang setiap 11 tahun.
2) Kebisingan kosmik : kebisingan kosmik didistribusikan secara
berlanjut di sepanjang galaksi. Intensitas kebisingan cenderung kecil
karena sumber kebisingan galaksi terletak lebih jauh dari matahari.
Kebisingan kosmik sering juga disebut kebisingan black-body dan
didistribusikan secara merata di seluruh angkasa.
c. Kebisingan man-made : secara sederhana diartikan sebagai kebisingan
yang dihasilkan manusia. Sumber utama dari kebisingan ini adalah
Universitas Sumatera Utara
17
mekanisme spark-producing, komutator dalam
sistem
pembakaran
kendaraan bermotor, alternator, dan aktivitas peralihan alat oleh manusia
(switching equipment) Misalnya, setiap saat di rumah, penghuni sering
mematikan dan menyalakan lampu melalui saklar, otomatis arus listrik
dapat tiba-tiba muncul atau terhenti. Tegangan dan arus listrik berubah
secara mendadak, perubahan ini memuat lebar frekuensi yang cukup besar.
Beberapa frekuensi itu memancar/menyebar dari saklar atau listrik rumah,
yang bertindak sebagai miniatur penghantar dan antena.
Kebisingan karena aktivitas manusia ini disebut juga kebisingan impuls,
karena
bersumber
dari
aktivitas
on/off
yang
bersifat
mendadak. Spektrum kebisingan cenderung besar dan lebar. Frekuensi
bisa sampai 10 MHz. Kebisingan jenis ini lebih sering terjadi pada
daerah metropolitan dan area industri yang padat penduduknya, karena itu
disebut juga kebisingan industri.
B. Kebisingan internal : kebisingan internal juga menjadi faktor yang penting
dalam sistem komunikasi. Kebisingan internal adalah gangguan elektris yang
dihasilkan alat atau sirkuit. Kebisingan muncul berasal dari komponen alat
dalam sistem komunikasi bersangkutan. Ada 3 jenis kebisingan utama yang
dihasilkan secara internal, yaitu:
a. Kebisingan thermal : berhubungan dengan perpindahan elektron yang
cepat dan acak dalam konduktor akibat digitasi thermal. Perpindahan yang
bersifat random ini pertama klai ditemukan oleh ahli tumbuh-tumbuhan,
Robert Brown, yang mengamati perpindahan partikel alami dalam
penyerbukan biji padi.
Perpindahan random elektron pertama kali dikenal tahun 1927 oleh JB.
Johnson di Bell Telephone Laboratories. Johnson membuktikan bahwa
kekuatan
kebisingan
thermal
proporsional
dengan bandwidth dan
temperatur absolut.
b. Tembakan kebisingan : kebisingan jenis ini muncul karena penyampaian
sinyal yang tidak beraturan pada keluaran (output) alat elektronik yang
digunakan, seperti pada transistor dua kutub. Pada alat elektronik,
Universitas Sumatera Utara
18
jumlah partikel pembawa
energi
menghasilkan fluktuasi pada
arus
(elektron)
elektrik
yang
konduktor.
terbatas
Tembakan
kebisingan juga bisa terjadi pada alat optik, akibat keterbatasan foton pada
alat optik. Pada tembakan kebisingan, penyampaian sinyal tidak bergerak
secara kontinu dan beraturan, tapi bergerak berdasarkan garis edar yang
acak. Karena itu, gangguan yang dihasilkan acak dan berlapis pada sinyal
yang ada. Ketika tembakan kebisingan semakin kuat, suara yang
ditimbulkan kebisingan ini mirip dengan butir logam yang jatuh di atas
genteng timah.
Tembakan kebisingan tidak berlaku pada kawat logam, karena hubungan
antar elektron pada kawat logam dapat menghilangkan fluktuasi acak.
Tembakan kebisingan disebut juga kebisingan transitor dan saling
melengkapi dengan kebisingan thermal. Penelitian tembakan kebisingan
pertama kali dilakukan pada kutub positif dan kutub negatif tabung
pesawat vakum (vacuum-tube amplifier ) dan dideskripsikan secara
matematis oleh W. Schottky tahun 1918.
c. Kebisingan transit-time : Arus sinyal yang dibawa melintasi sistem
masukan dan keluaran pada alat elektronik, misalnya dari penyampai
(emitter )
ke
pengumpul
(collector)
pada transistor
menghasilkan
kebisingan yang tidak beraturan dan bervariasi. Inilah yang disebut dengan
kebisingan
transit-time.
Kebisingan
transit-time
terjadi
pada frekuensi tinggi ketika sinyal bergerak melintasi semikonduktor dan
membutuhkan waktu yang cukup banyak untuk satu perputaran sinyal.
Kebisingan transit-time
pada transistor ditentukan oleh mobilitas
data yang dibawa, bias tegangan, dan konstruksi transistor. Jika perjalanan
data tertunda dengan frekuensi yang tinggi saat perlintasan semi
konduktor, kebisingan akan lebih banyak dibandingkan dengan sinyal
aslinya [5].
Universitas Sumatera Utara
19
2.3.4
Sinyal �ebisingan
Untuk suatu peristiwa pentransmisian data, sinyal yang diterima akan
berisikan sinyal – sinyal yang ditransmisikan, dimodifikasi oleh berbagai distorsi
yang terjadi melalui sistem transmisi, ditambah sinyal – sinyal tambahan yang tidak
diinginkan yang diselipkan di suatu tempat diantara transmisi dan penerimaan.
Sinyal – sinyal tambahan yang tidak diharapkan tersebut disebut kebisingan.
Kebisingan merupakan faktor utama yang membatasi performansi sistem
komunikasi. Contoh grafik kebisingan dapat dilihat pada Gambar 2.11 [9].
Gambar 2.11 Grafik sinyal kebisingan [9]
2.3.5
Kontur Kebisingan
Sebuah kontur kebisingan adalah garis pada peta yang mewakili tingkat
yang sama dari paparan kebisingan. Kebisingan berkurang dari daerah terdalam
dalam garis kontur luar. Pada masa yang akan datang, kontur garis kebisingan
diproyeksikan dengan menggabungkan runway persentase pemanfaatan, campuran
armada, koridor penerbangan, dan proyeksi paparan kebisingan termasuk pada
penggunaan tambahan landasan pacu paralel yang direncanakan.
Pada Gambar 2.12 ditunjukkan contoh kontur kebisingan pada simulasi
menggunakan model kebisingan terintegrasi sesuai dengan tiga minggu puncak lalu
lintas pada bandara Bologna [10].
Universitas Sumatera Utara
20
Gambar 2.12 Kontur kebsiingan [10]
2.3.6
Sumber Kebisingan Aerodinamis
Sumber kebisingan pada komponen aerodinamis diketahui sebagai bunyi
akibat pergerakan antara udara terhadap medium lingkungannya. Sumber
kebisingan secara umum dikenal dengan istilah sebagai Kebisingan Generation
Mechanism, adalah mekanisme sumber kebisingan yang disebabkan oleh adanya
operasi atau kegiatan serta peralatan yang menimbulkan kebisingan seperti kegiatan
crushing, pengetokan, pengeboman, punch-press, penempaan, drilling, dan juga
pada pemutaran suatu propeller . Secara umum, Kebisingan Generation Mechanism
terbagi menjadi tiga jenis yaitu:
1. Turbulensi : Disebabkan oleh pergerakan aliran udara yang acak karena
melewati perubahan bentuk suatu daerah.
2. Pulsasi : Merupakan tekanan bidang yang disebabkan adanya perubahan
kecepatan yang signifikan sehingga mengakibatkan perubahan tekanan yang
drastis, pada umumnya disebut sebagai pressure field.
3. Shock : Disebabkan adanya benturan secara cepat oleh aliran udara [11].
Sumber kebisingan pada komponen aerodinamis secara skematik dapat
dilihat pada Gambar 2.13.
Universitas Sumatera Utara
21
Gambar 2.13 Sumber-sumber kebisingan pada komponen aerodinamis [7]
Menurut Harris, Cyrill M didalam bukunya Handbook of Noise Control,
menyebutkan bahwa kebisingan dari propeller yang menggerakkan pesawat terbagi
menjadi dua jenis sumber bising yang utama. Yaitu kebisingan yang bersumber dari
motor penggerak dan kebisingan yang bersumber dari propeler itu sendiri.
Kebisingan generation mechanism pada propeller yang berputar dihasilkan
dari tiga jenis faktor yang berbeda. Yang pertama dihasilkan melalui bending
vibration dari bilah propeller . Yang kedua adalah kebisingan dari rotasi propeller
yang dihasilkan oleh tekanan bidang (pulsasi) yang mengelilingi setiap blade
sebagai konsekuensi dari setiap pergerakannya, dimana keadaan ini sangat
dipengaruhi oleh sudut dari blade atau bilah propeller dan chamber pada airfoil.
Yang ketiga adalah kebisingan yang dihasilkan oleh vortex kebisingan yang
dihasilkan oleh vortisitas udara pada aliran lintasan baling yang terkumpul pada
bilah propeler selama perputaran.
Secara skematik, penjabaran tentang mekanisme pembentukan kebisingan
dapat dilihat pada Gambar 2.14 [7].
Universitas Sumatera Utara
22
Gambar 2.14 Kebisingan Generation Mechanisme pada propeller [7]
2.3.7
Parameter Kebisingan
Pada buku Industrial Noise Control and Acoustics dapat ditemukan
beberapa persamaan dan parameter kebisingan Kebisingan memiliki banyak
parameter yang bisa dijadikan sebagai acuan dalam menentukan skala kebisingan
tersebut sebagaimana banyaknya parameter untuk menentukan bunyi. Namun,
parameter yang sering dijadikan acuan dalam mengukur suatu kebisingan untuk
mempersempit pembahasan biasanya di tentukan oleh parameter berikut :
1. Karakteristik impedansi,
Z0 = pc / gc = (1,184)(346,1)/(1) = 409,8 Pa-s/m = 409,8 rayl = p/u ……... 2.1
2. Suara yang di transmisikan lewat udara,
R= 287 J/ kg-K
3. Kecepatan suara di udara,
c = 346,1 m/s
4. Persamaan kecepatan partikel akustik,
u = Prms /
0
………………………………………………………………. 2.2
Universitas Sumatera Utara
23
Dimana :
Prms = Tingkat kebisingan
Z0
= Karakteristik impedansi
5. Persamaan intensitas akustik,
I = P2 /Pc …………………………………………………………………… 2.3
Dimana :
P = Tingkat kebisingan
Pc = Karakteristik impedansi
6. Persamaan densitas energi akustik,
D = P2 /Pc2 = P2 /Z0 c ……………………………………………………..... 2.4
7. Persamaan kenaikan temperatur udara,
dT = D/pcp ………………………………………………………………… 2.5
Dimana :
pcp = kapasitas thermal per unit volume
8. Kapasitas thermal per unit volume,
pCp = (1,184)(1005,7) = 1190,7 J/� -°C ………………………………..... 2.6
9. Tingkat Kebisingan
Pada Tabel 2.2 ditunjukkan referensi kuantitas dari level akustik kebisingan
yang distandarisasi ANSI S1.8, 1989 :
Universitas Sumatera Utara
24
Tabel 2.2 Referensi kuantitas level akustik kebisingan [12]
Quantity
Defenition, dB
Reference
Sound pressure level
Lp = 20 log (�/�r )
�r = 20 µPa
L� = 10 log (�/�r )
�r = 1 pW/m
Power level
Intensity level
Lw = 10 log (�/�r )
Energy density level
Vibratory acceleration level
2.3.8
�� = 10 log (�/�r )
�� = 10 log ( /
r
)
�r = 1 pW
�r = 1 pJ/m
r
= 10 µm/s
Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan
Untuk menentukan perlakuan pengendalian kebisingan yang tepat untuk
permasalahan kebisingan pada propeller terdapat beberapa langkah yang harus
diikuti, yaitu :
1. Pengukuran sumber kebisingan.
Pengukuran dilakukan secara akurat dan tepat untuk mengidentifikasi distribusi
kebisingan yang terjadi. Setelah itu control kebisingan yang tepat dapat diukur
pada setiap sumber yang memungkinkan.
2. Penentuan sasaran penurunan kebisingan
Apabila terdapat beberapa sumber kebisingan maka total output kebisingan
melebihin 1 sumber. Pada saat pengaturan sasaran desain kebisingan harus
dipertimbangkan tingkat pengurangan kebisingan dari masing-masing sumber
sehingga sasaran desain dapat tercapai.
3. Penjelasan kebutuhan penurunan kebisingan
Kebutuhan penurunan kebisingan sangat diperlukan karena terdapat perbedaan
kelebihan kebisingan terhadap sasaran desain penurunan kebisingan.
4. Aplikasi control kebisingan.
Pemilihan perlakuan penurunan kebisingan untuk membatasi radiasi, transmisi,
dan kebisingan yang dibangkitkan pada beberapa sumber yang diidentifikasi dan
dihitung berdasarkan langkah 1. Semua perlakuan harus dipilih sehingga efek
keseluruhan dapat dikembangkan menjadi tingkat sasaran desain penurunan
kebisingan seperti yang dijelaskan pada langkah 2, dalam kondisi biaya yang
sedikit, tanpa interferensi dari operator, perawatan, dan tingkat keamanan [6].
Universitas Sumatera Utara
25
2.4
Airfoil
Airfoil merupakan suatu bentuk geometri yang dibuat untuk menghasilkan
gaya langkat yang lebih besar dari gaya drag pada saat ditempatkan pada sudut
tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil mempunyai bentuk ujung yang lancip untuk
menjamin aliran udara sedapat mungkin sealiran. Airfoil mempunyai bagian seperti
leading edge, trailing edge, chord dan chamber . Leading edge berbentuk tumpul
untuk memastikan aliran lancar, trailing edge lancip agar wake terjaga tipis dan
dijaga agar terjadi separasi sekecil mungkin. Chord line adalah garis yang
menghubungkan antara pusat leading edge dengan trailing edge. Camber line
adalah garis yang membelah airfoil menjadi dua buah permukaan. Maximum
Camber adalah jarak maksimum dari chamber line dengan chord line, dijelaskan
dengan perbandingan dari besarnya chord. Camber dianggap positif apabila
maksimum camber line terletak diatas chord line. Untuk tipe airfoil low- speed
mempunyai positif camber antara 2-3 %, untuk supersonic biasanya simetris.
Maximum thickness adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan
bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line. Sudut serang adalah
letak airfoil yang ditentukan berdasarkan besarnya sudut antara chord line dengan
vektor kecepatan aliran free stream.
Airfoil dapat menghasilkan gaya angkat (Lift) yang dibutuhkan untuk
mempertahankan pesawat terbang tetap di udara. Untuk menghasilkan gaya angkat
ini maka airfoil tersebut perlu terus bergerak di udara. Harus diingat pula bahwa
kita tidak mungkin hanya mendapatkan lift saja, tanpa menghasilkan gaya hambat
pula.
Drag ini harus diperkecil agar tenaga pendorong airfoil tidak mengalami hambatan
yang besar. Lift dan Drag dipengaruhi oleh :
1.
Bentuk airfoil.
2.
Luas permukaan airfoil.
3.
Pangkat dua dari kecepatan aliran udara.
4.
Kerapatan (densitas) udara [11].
Universitas Sumatera Utara
26
2.5
Kayu Balsa
Kayu balsa biasa digunakan di dalam bentuk lembaran dan rods. Berbentuk
seperti kayu berbutir, tan, dan bertekstur berat. Kayu balsa lebih mudah untuk
dipotong dan lebih ringan dari basswood, tetapi jauh lebih sulit untuk
membentuknya dengan baik. Gabah kayu balsa terus balsa kebanyakan di Massing
atau menjadi sketsa model. Karena kayu sangat ringan, kayu balsa juga di potong
menggunakan pisau yang sangat tajam, membuat sambungan yang baik lebih sulit
untuk dibuat. Kayu balsa dapat dipotong laser.
Pohon kayu balsa yang dapat dipanen dapat ditemukan di utara Amerika
Selatan, dan 90% dari semua kayu balsa berasal dari Ekuador. Pohon-pohon ini
tidak tumbuh di ladang, dan cenderung dipanen langsung dari hutan. Kayu balsa
memiliki tingkat pertumbuhan kembali yang relatif cepat dari 6-10 tahun. Kayu
yang tidak diolah sepenuhnya akan terurai tanpa masalah. Gambar 2.15
menunjukkan contoh dari serat kayu balsa 13.
Gambar 2.15 Kayu Balsa [13]
2.6
�
Mesin dua langkah hanya memerlukan satu kali putaran poros engkol untuk
menyelesaikan satu siklus di dalam silinder. Usaha (langkah tenaga) dihasilkan
pada setiap putaran poros engkol.
Universitas Sumatera Utara
27
Gambar 2.16 Mesin dua langkah sederhana [14]
Pada Gambar 2.16 dapat dilihat bagian-bagian dari mesin dua langkah
sederhana. Pada mesin dua langkah campuran udara-bahan bakar dikompresi dua
kali setiap putaran. Kompresi pertama (kompresi pendahuluan di dalam crankcase).
Campuran ditarik kedalam crankcase dan dikompresi, selanjutnya masuk ke dalam
ruang pembakaran. Kompresi kedua (kompresi di dalam silinder dan ruang
pembakaran). Campuran yang dikompresi sangat mudah dinyalakan dan terbakar
sehingga menghasilkan tekanan yang tinggi. Campuran yang dikompresikan di
dalam crankcase mengalir ke dalam silinder melalui lubang transfer mendorong
sisa-sisa gas pembakaran keluar dari silinder dan ini disebut sebagai langkah
transfer.
Secara jelasnya cara kerja mesin dua langkah di perlihatkan pada Tabel 2.3
berikut ini.
Universitas Sumatera Utara
28
Tabel 2.3 Cara Kerja Mesin Dua Langkah [14]
Proses
Penjabaran Langkah dan Gambar
Langkah Isap
Di bawah piston
dan Kompresi
Sewaktu piston bergerak ke atas menuju TMA ruang engkol akan
memperbesar dan menjadikan ruang tersebut hampa (vakum).
Lubang pemasukan terbuka. Dengan perbedaan tekanan ini, maka
udara luar dapat mengalir dan bercampur dengan bahan bakar di
karburator yang selanjutnya masuk ke ruagn engkol (disebut langkah
isap atau pengisian ruang engkol).
Setengah
putaran
pertama atau
180°
Piston
bergerak dari
TMB ke
TMA
Di atas piston
Di sisi lain lubang pemasukan dan lubang buang tertutup oleh piston,
sehingga terjadi proses langkah kompresi di sini. Dengan gerakan
piston yang terus ke atas mendesak gas baru yang sudah masuk
sebelumnya, membuat suhu dan tekanan gas meningkat. Beberapa
derajat sebelum piston mencapai TMA busi akan melentikkan bunga
api dan mulai membakar campuran gas tadi (langkah ini disebut
kompresi).
Ketika piston mencapai TMA campuran gas segar dikompresikan
dinyalakan oleh busi. Gas yang terbakar mengakibarkan ledakan yang
menghasilkan tenaga sehingga mendorong piston memutar poros
Universitas Sumatera Utara
29
Langkah Usaha engkol melalui connecting rod sewaktu piston bergerak ke bawah
dan Buang
menuju TMB (langkah usaha).
Beberapa derajat setelah piston bergerak ke TMB lubang buang
terbuka oleh kepala piston, gas – gas bekas keluar melalui saluran
buang (langkah buang).
Setelah
putaran ke
dua atas 360°
Piston
bergerak dari
TMA ke
TMB
Di bawah piston
Beberapa derajat selanjutnya setelah saluran buang dibuka, maka
saluran bias (saluran transfer) mulai terbuka oleh tepi piston. Ketika
piston membuka lubang transfer segera langkah pembuangan telah
dimulai. Gas baru yang berada di bawah piston terdesak, campuran
yang dikompresikan tersebut mengalir melalui lubang saluran bilas
menuju puncak ruang bakar sambil membantu mendorong gas bekas
keluar (proses ini disebut pembilasan).
Ringkasan materi tabel:
1. Titik mati atas (TMA) adalah tempat berhentinya piston bergerak pada bagian
atas silinder.
2. Titik mati bawah (TMB) adalah tempat berhentinya gerak piston di bagian
bawah silinder.
Universitas Sumatera Utara
30
3. Pada setengah putaran poros engkol pertama (1800) dari TMA ke TMB
a. Di bawah piston : Langkah isap atau pengisian ruang engkol
b. Di atas piston : Langkah kompresi
4. Pada ½ putaran poros engkol berikutnya (3600) dari TMA ke TMB
a. Di atas piston : Langkah usaha dan langkah buang
b. Di bawah piston : Pembilasan
c. Prinsip pembilasan dinamakan dengan pembilasan berputar yaitu lubang
transfer berada di kanan dan di kiri saluran knalpot. Udara segar masuk
bersamaan melalui kedua lubang tersebut yang berada berlawanan didinding
cylinder dan membelok keatas. Kemudian aliran berputar kebawah ke lubang
pengeluaran mendorong gas sisa pembakaran keluardari cylinder.
Dalam menentukan motor starter yang tepat menurut kebutuhan suatu mesin,
terdapat beberapa faktor yang perlu diperhatikan, antara lain :
a. Sifat starter
Tenaga putar (torque) yang dihasilkan motor starter akan menambah kadar arus
yang mengalir pada starter secara proporsional (sepadan). Makin rendah putaran,
makin besar arus yang mengalir pada starter sehingga menghasilkan tenaga putar
yang besar. Begitu pula dengan tegangan yang disuplai pada starter , jika
tegangannya bertambah besar, maka kapasitasnya akan menurun. Oleh karena
itu kapasitas starter sangat erat hubungannya dengan baterai.
b. Kecepatan putar dari mesin
Mesin tidak akan start (hidup) sebelum melakukan siklus kerjanya berulangulang, yaitu langkah hisap, kompresi, pembakaran (usaha) dan buang. Langkah
pertama untuk menghidupkan mesin, lalu memutarkannya dan menyebabkan
siklus pembakaran awal (pendahuluan). Motor starter minimal harus dapat
memutarkan mesin pada kecepatan minimum yang diperlukan untuk
memperoleh pembakaran awal. Kecepatan putar minimum yang diperlukan
untuk menghidupkan mesin berbeda tergantung pada konstruksi (banyaknya
silinder, volume silinder, bentuk ruang bakar) dan kondisi kerjanya (suhu dan
tekanan udara, campuran udara dan bensin dan lonctan bunga api busi), tetapi
pada umumnya untuk motor bensin berkisar antara 40 sampai 60 rpm.
Universitas Sumatera Utara
31
c. Torque yang dihasilkan starter untuk menggerakkan mesin Torque yang
dihasilkan starter merupakan faktor penting dalam menentukan apakah starter
dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Setiap mesin mempunyai torque
maksimum yang dihasilkan, misal suatu mesin dengan 100 cc maksimum
torquenya adalah 0,77 kg-m. Untuk dapat menggerakkan mesin dengan
kapasitas tersebut, diperlukan torque yang melebihi kapasitas tersebut (sampai 6
kali). Tetapi pada umumnya starter hanya mempunyai torque yang yang tidak
jauh berbeda dari torque maksimum mesin [14].
2.7
Tiga Kriteria Kebisingan Pesawat yang dapat Diterima
Ada tiga kriteria yang dapat diterima dari kebisingan pesawat, diantaranya
adalah :
1. Kriteria 1
Sebuah kebisingan lingkungan baru atau memiliki nilai kebaruan yang
sebanding pada dasar kebisingan untuk suara lingkungan dikenal dan dianggap
oleh kebanyakan orang untuk secara signifikan dapat dipertimbangkan di tempat
tinggal juga dianggap signifikan dapat diterima di tempat tinggal. Ekspresi
"kebanyakan orang" dan "secara signifikan dapat diterima" membuat kriteria ini
terbuka untuk interpretasi dan ajudikasi. Namun pendekatan yang mungkin
memiliki beberapa manfaat dalam yang memungkinkan orang untuk
mengevaluasi kebisingan lingkungan yang relatif tidak mereka pahami
dibanding yang mereka pahami.
Banyak orang membuat kesimpulan tentang efek dari kebisingan pesawat
terbang pada komunitas orang di dekat bandara yang berulang kali terkena
seperti kebisingan lingkungan. Gambar saya menyarankan bahwa suara pesawat
yang memiliki tingkat kebisingan yang dirasakan (3) lebih dari 100 PNdB
mungkin dianggap oleh sejumlah besar orang menjadi tidak dapat diterima di
rumah mereka, karena itu adalah tingkat kebisingan perkiraan 50 ft (15 m) dari
truk atau sepeda motor di jalan raya pada kecepatan maksimum atau dalam
perjalanan akselerasi 200 ft dari sebuah kereta api diesel dengan kecepatan 30
sampai 50 mph. Perbandingan ini menjadi sangat penting, harus termasuk tidak
Universitas Sumatera Utara
32
hanya puncak tingkat PNdB tetapi juga jumlah dan durasi kejadian. Dalam hal
ini eksposur ke pesawat, truk, sepeda motor, dan kebisingan kereta api sangat
berbeda, tidak selalu mendukung kebisingan pesawat seperti pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Tingkat intermiten khas yang dihasilkan oleh kendaraan transportasi.
Peningkatan 10 PNdB biasanya setara dengan peningkatan Ioo%, atau dua kali lipat
dalam kebisingan subjektif [dari (3)]. Perkiraan tingkat di rumah masyarakat yang
biasanya sumber terdekat dari kebisingan [15].
2. Kriteria 2
Sebuah kebisingan lingkungan memiliki penilaian komposit kebisingan (CNR)
(4) yang menunjukkan bahwa banyaknya keluhan dan perilaku kelompok
terhadap kebisingan mungkin membuatnya dianggap tidak dapat diterima. Ini
adalah respon yang diharapkan untuk CNR dari 100 hingga 115. Tabel 2.4,
Universitas Sumatera Utara
33
kolom 3, menunjukkan puncak tingkat PNdB rata-rata untuk berbagai jumlah
kejadian dari kebisingan pesawat terbang (kolom 1) yang terjadi di antara jam 7
pagi hingga 10 malam, akan memberikan nilai dari 100.
Tabel 2.4 Jumlah kejadian dari kebisingan pesawat terbang dan rata-rata untuk
puncak PNB melebihi 80 yang diperlukan untuk mencapai sebuah kebisingan dan
dengan nomor indeks 45 atau peringkat kebisingan komposit 100, untuk
pesawat sipil yang beroperasi pada jam 7 pagi ke 10 malam [15]
Number of
Average peak PNdB
Average peak PNdB
Occurrences
N.N.I. = 45
C.N.R. = 100
1
125,0
115
2
120,5
112
4
116,0
109
8
111,5
106
16
107,0
103
32
102,5
100
64
98,0
97
128
93,5
94
3. Kriteria 3
Sebuah kebisingan lingkungan memiliki kebisingan dengan nomor indeks
NNI (5) yang menunjukkan bahwa sekitar 50% dari orang-orang akan
melaporkan bahwa mereka terganggu oleh suara dengan berbagai cara, atau
cenderung dinilai sebagai aspek terburuk dari linkungan perumahan dan
dianggap tidak dapat diterima. Angka 2, 3, 4, dan 5 menunjukkan bahwa
lingkungan seperti itu akan memiliki NNI darii 45. Tabel 2.4 kolom 2,
menunjukkan rata-rata tingkat puncak PNdB per kejadian yang akan
memberikan NNI dari 45. Singkatnya, disiimpulkan bahwa suara, diulang cukup
sering selama setiap hari, memiliki puncak tingkat 100 PNdB (kriteria 1) atau
CNR dari 100 (kriteria 2) atau NNI dari 45 (kriteria 3) akan dinilai tidak dapat
diterima oleh sekitar 50% dari orang-orang di perumahan masyarakat. Hal ini
Universitas Sumatera Utara
34
disimpulkan berdasarkan tiga kriteria dari 30 hingga 40 pengulangan setiap hari
dari kebisingan pesawat di 100 PNdB mungkin tidak dapat diterima oleh banyak
orang seperti yang terlihat pada Gambar 2.18 [15].
Gambar 2.18 Kebisingan dan number index (NNI) [15]
2.8
�
�
Masalah kebisingan di lingkungan industri telah tumbuh dengan
peningkatan penggunaan peralatan industri seperti mesin, kipas, transformer dan
ventilator. Untuk mengurangi masalah kebisingan, metode pengurangan kebisingan
pasif telah digunakan seperti kedekatan, penghalang, dan peredam. jenis peralatan
suara pasif memiliki lebar pita frekuensi. Tapi, peralatan suara pasif besar, mahal,
dan tidak efisien pada pita frekuensi rendah. Active Noise Cancellation (ANC) telah
disarankan untuk mengatasi keterbatasan metode pengurangan kebisingan pasif.
Teknologi aktif pengurangan kebisingan adalah untuk mengurangi tingkat
kebisingan dan frekuensi dengan menghasilkan kebisingan dengan stasiun yang
sama dengan mengubah fase frekuensi target suara oleh 180˚, yang diperkenalkan
oleh Liga (1936). Teknologi pembatalan kebisingan aktif telah diterapkan untuk
berbagai bidang kendaraan, jalan, pesawat, bangunan dan perangkat suara. Namun,
hasil penelitian dari pembatalan kebisingan aktif untuk daerah jalan tidak sebanyak
bidang lain. Contoh dari penggunaan teknologi ANC di dunia internasional adalah:
Universitas Sumatera Utara
35
1. ANC untuk Interior Mobil
Toyota dari Jepang mengembangkan ANC pertama untuk interior mobil
menggunakan 3 mikrofon. Sasaran pembangunan ini adalah bahwa mesin
mahkota hybrid yang ditransfer suara pada interior mobil untuk kecepatan
mengemudi rendah. Perkembangan ini menunjukkan pengurangan kebisingan
5dB (A) ke 8dB (A) di dalam mobil seperti terlihat pada Gambar 2.19 [16].
Gambar 2.19 Sistem ANC Toyota [17]
2. ANC untuk Peralatan Akustik
Diterapkan ANC pada alat bantu dengar untuk mengurangi kebisingan di ruang
terbuka. Penelitian ini menggunakan Fx LMS algoritma dan Wiener Filter
multichannel untuk mengontrol kebisingan di alat bantu dengar. Perusahaan
headphone asing terkenal sudah diterapkan ANC untuk produk mereka dan
banyak pasar headphone ANC telah terbentuk. Contoh penerapan ANC untuk
peralatan akustik dapat dilihat pada Gambar 2.20. [18]
Universitas Sumatera Utara
36
Gambar 2.20 Sistem ANC Headphone [19]
3. ANC untuk Transportasi Publik
NASA telah mempelajari cara mengurangi kebisingan mesin pesawat selama 70
tahun. NASA dan industri melakukan (Advanced subsonik Teknologi) Program
AST. Titik kunci dari AST ini adalah untuk menerapkan pembatalan kebisingan
aktif ke penggemar sebuah mesin pesawat. Ini adalah teknologi yang sulit untuk
menerapkan ANC dalam pesawat karena variasi kecepatan pesawat dan band
frekuensi tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.21 , mereka fokus
pada transmisi suara dari kipas dengan memasang aktuator di kipas angin [20].
Gambar 2.21 ANC Operator of fan [20]
Dipelajari kebisingan pembatalan aktif dari pesawat jet ringan. Pita frekuensi
suara dalam pesawat jet cahaya band frekuensi rendah dari 50 sampai 200Hz,
Universitas Sumatera Utara
37
dan tingkat tekanan suara total adalah 85 dB (A) ke 95 dB (A). Mereka
diterapkan dimodifikasi algoritma Fx LMS dan melakukan simulasi kebisingan
pembatalan aktif dalam pesawat model seperti yang ditunjukkan pada Gambar
2.22. Juga, 8 mikrofon dan 6 speaker keras yang digunakan dalam simulasi.
Bidang kebisingan yang dihasilkan dalam interior pesawat. Hasil penelitian ini
menunjukkan pengurangan kebisingan di band frekuensi rendah [21].
Gambar 2.22 Simulasi ANC pesawat Jet [22]
4. Pembatas ANC
Di Jepang, penelitian penghalang ANC telah dilakukan sebelumnya. Penghalang
ANC dipasang dan dioperasikan di atas penghalang yang ada. Akibatnya,
kebisingan antara 160Hzand 630Hz Band berkurang 2dB (A) ke 5dB (A)
dibandingkan dengan hambatan yang ada. Namun pengurangan kebisingan pada
1 kHz oleh ANC penghalang mirip dengan penghalang yang ada. Saat ini, Jepang
sedang mempersiapkan untuk mengupayakan suatu penghalang ANC. Gambar
2.23 menunjukkan tampilan dari pembatas ANC yang ada di Jepang [23].
Universitas Sumatera Utara
38
Gambar 2.23 Pembatas ANC Jepang [23]
Universitas Sumatera Utara
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pesawat Tanpa Awak UAV Unmanned Aerial Vehicle
Pandangan yang paling sederhana dari sebuah pesawat tanpa awak adalah
sebuah pesawat dengan aircrew yang dihilangkan dan digantikan oleh sistem
komputer dan radio-link. Pada kenyataannya pesawat tanpa awak lebih kompleks
dari itu dan pesawat tersebut harus dirancang dengan baik dari awal tanpa aircrew,
akomodasi, dan yang lainnya. Pesawat hanyalah bagian, meskipun bagian penting
dari keseluruhan sistem.
Gambar 2.1 Struktur fungsional sistem UAV [1]
Manfaat seluruh sistem yang sedang dirancang, sebagai kesatuan sistem
yang lengkap seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1, secara singkat terdiri dari :
1. stasiun kontrol (CS) yang merupakan tempat operator sistem, antarmuka antara
operator dan sisa sistem lainnya.
2. pesawat yang membawa muatan yang memiliki banyak jenis.
3. sistem komunikasi antara CS yang mentransmisikan input kontrol ke pesawat
dan kembali payload dan data lainnya dari pesawat ke CS (ini biasanya dicapai
dengan transmisi radio).
4. peralatan pendukung yang dapat mencakup pemeliharaan dan transportasi
barang [1].
Universitas Sumatera Utara
7
Gambar 2.2 Puna Wulung [2]
Gambar 2.2 menunjukkan salah satu pesawat tanpa awak milik Indonesia
yang dibuat oleh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) yang
diberi nama Puna Wulung. Puna Wulung memiliki panjang 4320 mm dengan
bentang sayap 6360 mm dan memiliki berat terbang maksimum 120 kg [2].
2.2
Propeller
Propeller berasal dari dua kata bahasa latin yakni Pro dan Pellere. Pro yang
berarti di depan, dan pellere yang berarti untuk menggerakkan. Propeller atau
baling–baling adalah kitiran untuk menjalankan pesawat terbang. Kitiran ini
memindahkan tenaga dengan mengkonversi gerakan rotasi menjadi daya dorong
untuk menggerakkan sebuah pesawat terbang melalui suatu massa seperti udara
atau air, dengan memutar dua atau lebih bilah kembar dari sebuah poros utama.
2.2.1
Sejarah Perkembangan Teori Propeller
Teori propeller telah dikenal beberapa ratus tahun yang lalu oleh ilmuwan-
ilmuwan pada masa itu. Beberapa teori yang telah dikenal diantaranya adalah teori
momentum dan teori elemen bilah. Axial Momentum Theory diperkenalkan oleh W.
J. M. Rankine pertama kali pada tahun 1865 dan mengalami beberapa
perkembangan sampai disempurnakan oleh Betz pada tahun 1920 yang hingga
sekarang lebih dikenal dengan General Momentum Theory. Sedangkan teori elemen
bilah klasik diteliti pertama kali oleh Lanchester pada tahun 1907 dan
disempurnakan dengan Vortex-Blade Element Theory oleh Joukowsky (1912) dan
Betz (1919).
Universitas Sumatera Utara
8
2.2.2
Desain Propeller Untuk Mengurangi Kebisingan
Pada dasarnya, baling-baling pada propeller merupakan sayap kecil yang
menghasilkan gaya resultan aerodinamis yang dibagi menjadi gaya yang bekerja
sepanjang sumbu aksis dari pesawat (gaya dorong) dan gaya yang bekerja pada
baling-baling propeller (momen torsi). Torsi berlawanan arah dengan pergerakan
rotasi dari mesin yang terjadi seperti adanya tarikan terhadap propeller. Dalam
keadaan setimbang, propeller berputar secara konstan yang digerakkan oleh torsi
mesin yang mempunyai besar yang sama tetapi arah berbeda seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Gaya dorong dan torsi pada propeller [3]
Propeller terdiri dari bagian yang berbentuk air foil dengan ukuran yang
bervariasi. Sudut antara kecepatan relatif dan rotasi propeller disebut helix angel
dan angle of advance. Untuk kecepatan partikuler pesawat, helix angle bervariasi
dari dasar hingga ujung propeller dimana bagian ujung propeller berputar lebih
cepat dibandingkan bagian dasar propeller. Bagian sudut propeller ditunjukkan
pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4 Helix angle dalam pendekatan mempunyai nilai
90o.
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.4 Bagian baling–baling pada propeller [3]
Ada hal-hal utama yang dapat mengurangi kebisingan pada propeller, yaitu:
1. Low tip speed. (kecepatan rendah pada ujung blade)
2. Large number of blades. (besarnya jumlah blade)
3. Low disc loading. (muatan udara yang rendah pada area perputaran blade)
4. Large blade chord. (lebar dari blade propeller )
5. Minimum interference with rotor flow. (sedikitnya ganguan pada aliran udara
dari propeller ).
Mendesain propeller rendah bising merupakan sebuah kajian khusus yang
sangat kompleks. Dimana perhitungan aerodinamika harus diselaraskan dengan
perhitungan kebisingan. Desain dari aerodinamika sendiri memiliki cakupan yang
sangat luas,akan tetapi pada pembahasan kali ini permasalahan aerodinamika ketika
mendisain propeller dapat di uraikan sesederhana mungkin. Dalam pengoperasian
propeller terdapat 3 jenis beban yang terjadi, yaitu:
1. Beban tarik (FT) disebabkan oleh gaya sentrifugal yang cenderung bergerak
menjauhi pusat sumbu putar (hub) propeller.
2. Beban lentur/bending (FB) disebabkan oleh gaya dorong yang terjadi pada
pesawat.
3. Beban torsi (T) disebabkan oleh putaran yang cenderung terjadi pada ujung
propeller.
Ketiga tegangan yang bekerja dapat dilihat pada Gambar 2.5 dibawah ini.
Universitas Sumatera Utara
10
Gambar 2.5 Beban yang terjadi pada propeller [3]
2.2.3
Kebisingan pada Propeller
Kebisingan yang bersumber dari propeller merupakan kebisingan yang
diakibatkan oleh konfigurasi dan kondisi operasi propeller . Secara umum, jumlah
baling-baling propeller diperlihatkan seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Jumlah baling-baling pada propeller pesawat tanpa awak [3]
Gambar 2.6 menunjukkan beberapa jenis propeller dengan jumlah balingbalingnya. Jumlah baling-baling pada propeller dan sudut twist-nya dapat
mempengaruhi nilai kebisingan yang dihasilkan oleh propeller UAV.
Struktur dan lokasi propeller yang menimbulkan kebisingan disebabkan
getaran pada baling-baling dan aliran asimetrik yang terinduksi terjadi secara tidak
normal. Pada mulanya terjadi efek tekanan, baik kebisingan yang terjadi akibat
Universitas Sumatera Utara
11
vortex (pusaran) maupun kebisingan akibat putaran lebih banyak ditimbulkan oleh
baling-baling dan putaran propeller . Hal ini mengakibatkan banyak riset
berkembang pada propeller terutama akibat beban dan putaran (torsi) pada
propeller dengan tujuan untuk mengurangi kebisingan yang terjadi pada propeller .
Akan tetapi, kebisingan akibat pusaran juga penting dipertimbangkan terutama
pada penerbangan dengan kecepatan tinggi. Hal ini dapat dijelaskan pada Gambar
2.7 dibawah ini.
Gambar 2.7 Aliran udara melalui propeller [3]
2.2.4
General Momentum Theory
General momentum theory mempelajari tentang gaya – gaya yang
dihasilkan oleh propeller . Propeller dianggap sebagai sebuah piringan, dan udara
melewati piring – pirangan tersebut. Gaya dorong dihasilkan dari perubahan
momentum dari aliran udara sebelum dan sesudah melewati piringan tersebut. Hal
ini dapat dijelaskan pada Gambar 2.8 dibawah ini.
Universitas Sumatera Utara
12
Gambar 2.8 Aliran udara yang melewati propeller [3]
Asumsi-asumsi yang digunakan pada teori ini yaitu :
1. Propeller dianggap sebagai piringan.
2. Aliran udara yang melewati piringan berbentuk tabung.
3. Kecepatan dan tekanan terdistribusi secara seragam pada setiap seksi tabung.
4. Gerakan rotasional diabaikan
2.2.5 Vortex – Blade Element Theory
Teori ini adalah gabungan dari teori elemen bilah yang disempurnakan
dengan vortex teory. Teori elemen bilah mempelajari tentang gaya-gaya di tiap-tiap
bilah baling-baling dengan cara mem-breakdown bilah tersebut menjadi beberapa
bagian. Tiap-tiap bagian dari bilah tersebut akan membentuk cincin dalam dua
dimensi sehingga pada keadaan tiga dimensi akan membentuk tabung yang
kemudian dihitung per bagian.
Daya dorong yang dihasilkan oleh sebuah baling baling ditentukan oleh lima
hal-hal, bentuk dan area dari airfoil, sudut serang (angle of attack), massa jenis
udara, dan kecepatan dimana gerakan airfoil melalui udara .Sebelum
mendiskusikan cara memvariasikan gaya angkat yang dihasilkan oleh propeller ,
kita harus mengerti beberapa karakteristik desain propeller .
Asumsi-asumsi yang digunakan adalah :
1. Sifat-sifat dari sebuah elemen tidak terpengaruh oleh unsur-unsur yang
berdekatan pada bilah yang sama.
2. Yang akan diadopsi pada tiap-tiap elemen adalah karakteristik airfoil
3. Kecepatan efektif elemen melewati udara merupakan resultan dari kecepatan
aksial, kecepatan putar bilah dan kecepatan induksi.
Universitas Sumatera Utara
13
Gambar 2.9 Kecepatan efektif elemen melewati udara [3]
Pada Gambar 2.9 dapat dilihati aplikai dari teori elemen bilah
disempurnakan dengan teori vortex. Teori vortex tersebut berdasarkan atas
keberadaan tip vortex yang dihasilkan oleh ujung bilah yang berputar. Vorteksvorteks tersebut lalu mengalir ke belakang membentuk lintasan berbentuk helikal.
Konsep trailing edge vortices dan tip vortices pada propeller tersebut mirip dengan
konsep-konsep pada finite wing [3].
2.3
2.3.1
Suara
�
Suara didefinisikan sebagai serangkain gelombang yang merambat dari
suara sumber getar sebagai akibat perubahan kerapatan dan juga tekanan udara atau
perubahan tekanan yang dapat dideteksi oleh telinga Gelombang suara pada fluida
kebanyakan dihasilkan melalui permukaan zat padat yang bergetar di dalam fluida
tersebut. Satuan desibel menunjukkan tingkat tekanan suara [4]. Besarannya di atas
acuan 20 x 10-6 N/� . Decibel juga merupakan satuan unit logaritmik untuk
mendesripsikan suatu rasio.
Universitas Sumatera Utara
14
Gambar 2.10 Gelombang suara pada material [5]
Pada Gambar 2.10, permukaan benda yang bergetar mengakibatkan fluida
yang berdekatan dengan permukaan tersebut terkompresi. Kompresi ini
mengakibatkan efek menjauh dari permukaan yang bergetar. Efek ini disebut
dengan gelombang suara, gelombang suara tersebut akan bergerak menjauhi
permukaan yang bergetar dengan kecepatan yang bervariasi bergantung terhadap
material yang dilalui. Untuk gas ideal, kecepatan suara adalah fungsi dari tempertur
absolut [6].
Suara yang dapat didengar oleh manusia hanya pada rentang frekuensi
tertentu yang dapat menimbulkan respon serta tidak mengganggu fungsi dari indra
pendengaran. Rentang frekuensi yang dapat didengar oleh manusia berkisar antara
20 Hz – 20.000 Hz. Suara berdasakan frekuensinya dapat dikelompokkan menjadi
beberapa kategori sebagai berikut :
1. Infrasonic : frekuensi < 20 Hz
2. Audiosonic : frekuensi 20-20.000 Hz
3. Supersonic : frekuensi > 20.000 Hz
2.3.2
Kebisingan
Kebisingan atau noise adalah bunyi atau suara yang tidak dikehendaki dan
dapat mengganggu kesehatandan kenyamanan lingkungan yang dinyatakan dalam
satuan decibel (dB). Seiring berkembangnya waktu, kebanyakan dari mesin mesin
produksi, mesin–mesin transportasi, dan segala sesuatu yang dapat meningkatkan
Universitas Sumatera Utara
15
taraf hidup manusia selalu berdampingan dengan masalah kebisingan. Kebisingan
dapat merambat melalui banyak jalur yang disebut sebagai path of noise [7].
Sumber kebisingan dapat dikelompokkan dalam tiga kategori:
1. Sumber kebisingan intrinsic yang muncul dari fluktuasi acak di dalam
suatu sistem fisik seperti thermal dan tembakan kebisingan.
2. Sumber kebisingan buatan manusia seperti motor, switch, elektronika digital.
3. kebisingan karena gangguan alamiah seperti petir dan bintik matahari.
Pada Tabel 2.1 dapat dilihat contoh tingkat kebisingan maksimum yang
diizinkan pada beberapa sumber suara.
Tabel 2.1 Contoh tingkat kebisingan suara berdasarkan sumbernya [8]
2.3.3
Jenis–jenis Kebisingan
Kebisingan atau noise dapat dikelompokkan dalam dua jenis, yaitu :
1. Kebisingan korelasi : hubungan antara sinyal dan kebisingan masuk dalam
kategori ini. Karena itu, kebisingan korelasi hanya muncul saat ada sinyal.
Universitas Sumatera Utara
16
2. Kebisingan tidak terkorelasi : kebisingan yang dapat muncul kapanpun, saat
terdapat sinyal maupun tidak ada sinyal. Kebisingan tidak terkorelasi muncul
tanpa memperhatikan adanya sinyal atau tidak. kebisingan dalam kategori ini
dapat dibagi lagi menjadi dua kategori umum, yaitu :
A. Kebisingan eksternal : adalah kebisingan yang dihasilkan dari luar alat atau
sirkuit. Kebisingan tidak disebabkan oleh komponen alat dalam sistem
komunikasi tersebut. Ada 3 sumber utama kebisingan eksternal :
a. Kebisingan atmosfirik : Gangguan elektris yang terjadi secara alami,
disebabkan oleh hal – hal yang berkaitan dengan atmosfer bumi.
Kebisingan atmosfer biasanya disebut juga static electricity. Kebisingan
jenis ini bersumber dari kondisi elektris yang bersifat alami,
seperti kilat dan halilintar.
Static
electricity
berbentuk impuls yang
menyebar ke dalam energi sepanjang lebar frekuensi
b. Kebisingan extraterrestrial : kebisingan ini terdiri dari sinyal elektris yang
dihasilkan dari luar atmosfer bumi. Terkadang disebut juga kebisingan
deep-space. kebisingan ekstra terrestrial bisa disebabkan oleh Milky
Way, galaksi yang lain, dan matahari. Kebisingan ini dibagi menjadi 2
kategori, yaitu surya dan kosmik :
1) Kebisingan surya : kebisingan surya dihasilkan langsung dari panas
matahari. Ada dua bagian kebisingan surya, yaitu saat kondisi dimana
intensitas radiasi konstan dan tinggi, gangguan muncul karena
aktivitas sun-spot dan solar flare-ups. Besar gangguan yang jarang
terjadi ini (bersifat sporadis) bergantung pada aktivitas sun spot
mengikuti pola perputaran yang berulang setiap 11 tahun.
2) Kebisingan kosmik : kebisingan kosmik didistribusikan secara
berlanjut di sepanjang galaksi. Intensitas kebisingan cenderung kecil
karena sumber kebisingan galaksi terletak lebih jauh dari matahari.
Kebisingan kosmik sering juga disebut kebisingan black-body dan
didistribusikan secara merata di seluruh angkasa.
c. Kebisingan man-made : secara sederhana diartikan sebagai kebisingan
yang dihasilkan manusia. Sumber utama dari kebisingan ini adalah
Universitas Sumatera Utara
17
mekanisme spark-producing, komutator dalam
sistem
pembakaran
kendaraan bermotor, alternator, dan aktivitas peralihan alat oleh manusia
(switching equipment) Misalnya, setiap saat di rumah, penghuni sering
mematikan dan menyalakan lampu melalui saklar, otomatis arus listrik
dapat tiba-tiba muncul atau terhenti. Tegangan dan arus listrik berubah
secara mendadak, perubahan ini memuat lebar frekuensi yang cukup besar.
Beberapa frekuensi itu memancar/menyebar dari saklar atau listrik rumah,
yang bertindak sebagai miniatur penghantar dan antena.
Kebisingan karena aktivitas manusia ini disebut juga kebisingan impuls,
karena
bersumber
dari
aktivitas
on/off
yang
bersifat
mendadak. Spektrum kebisingan cenderung besar dan lebar. Frekuensi
bisa sampai 10 MHz. Kebisingan jenis ini lebih sering terjadi pada
daerah metropolitan dan area industri yang padat penduduknya, karena itu
disebut juga kebisingan industri.
B. Kebisingan internal : kebisingan internal juga menjadi faktor yang penting
dalam sistem komunikasi. Kebisingan internal adalah gangguan elektris yang
dihasilkan alat atau sirkuit. Kebisingan muncul berasal dari komponen alat
dalam sistem komunikasi bersangkutan. Ada 3 jenis kebisingan utama yang
dihasilkan secara internal, yaitu:
a. Kebisingan thermal : berhubungan dengan perpindahan elektron yang
cepat dan acak dalam konduktor akibat digitasi thermal. Perpindahan yang
bersifat random ini pertama klai ditemukan oleh ahli tumbuh-tumbuhan,
Robert Brown, yang mengamati perpindahan partikel alami dalam
penyerbukan biji padi.
Perpindahan random elektron pertama kali dikenal tahun 1927 oleh JB.
Johnson di Bell Telephone Laboratories. Johnson membuktikan bahwa
kekuatan
kebisingan
thermal
proporsional
dengan bandwidth dan
temperatur absolut.
b. Tembakan kebisingan : kebisingan jenis ini muncul karena penyampaian
sinyal yang tidak beraturan pada keluaran (output) alat elektronik yang
digunakan, seperti pada transistor dua kutub. Pada alat elektronik,
Universitas Sumatera Utara
18
jumlah partikel pembawa
energi
menghasilkan fluktuasi pada
arus
(elektron)
elektrik
yang
konduktor.
terbatas
Tembakan
kebisingan juga bisa terjadi pada alat optik, akibat keterbatasan foton pada
alat optik. Pada tembakan kebisingan, penyampaian sinyal tidak bergerak
secara kontinu dan beraturan, tapi bergerak berdasarkan garis edar yang
acak. Karena itu, gangguan yang dihasilkan acak dan berlapis pada sinyal
yang ada. Ketika tembakan kebisingan semakin kuat, suara yang
ditimbulkan kebisingan ini mirip dengan butir logam yang jatuh di atas
genteng timah.
Tembakan kebisingan tidak berlaku pada kawat logam, karena hubungan
antar elektron pada kawat logam dapat menghilangkan fluktuasi acak.
Tembakan kebisingan disebut juga kebisingan transitor dan saling
melengkapi dengan kebisingan thermal. Penelitian tembakan kebisingan
pertama kali dilakukan pada kutub positif dan kutub negatif tabung
pesawat vakum (vacuum-tube amplifier ) dan dideskripsikan secara
matematis oleh W. Schottky tahun 1918.
c. Kebisingan transit-time : Arus sinyal yang dibawa melintasi sistem
masukan dan keluaran pada alat elektronik, misalnya dari penyampai
(emitter )
ke
pengumpul
(collector)
pada transistor
menghasilkan
kebisingan yang tidak beraturan dan bervariasi. Inilah yang disebut dengan
kebisingan
transit-time.
Kebisingan
transit-time
terjadi
pada frekuensi tinggi ketika sinyal bergerak melintasi semikonduktor dan
membutuhkan waktu yang cukup banyak untuk satu perputaran sinyal.
Kebisingan transit-time
pada transistor ditentukan oleh mobilitas
data yang dibawa, bias tegangan, dan konstruksi transistor. Jika perjalanan
data tertunda dengan frekuensi yang tinggi saat perlintasan semi
konduktor, kebisingan akan lebih banyak dibandingkan dengan sinyal
aslinya [5].
Universitas Sumatera Utara
19
2.3.4
Sinyal �ebisingan
Untuk suatu peristiwa pentransmisian data, sinyal yang diterima akan
berisikan sinyal – sinyal yang ditransmisikan, dimodifikasi oleh berbagai distorsi
yang terjadi melalui sistem transmisi, ditambah sinyal – sinyal tambahan yang tidak
diinginkan yang diselipkan di suatu tempat diantara transmisi dan penerimaan.
Sinyal – sinyal tambahan yang tidak diharapkan tersebut disebut kebisingan.
Kebisingan merupakan faktor utama yang membatasi performansi sistem
komunikasi. Contoh grafik kebisingan dapat dilihat pada Gambar 2.11 [9].
Gambar 2.11 Grafik sinyal kebisingan [9]
2.3.5
Kontur Kebisingan
Sebuah kontur kebisingan adalah garis pada peta yang mewakili tingkat
yang sama dari paparan kebisingan. Kebisingan berkurang dari daerah terdalam
dalam garis kontur luar. Pada masa yang akan datang, kontur garis kebisingan
diproyeksikan dengan menggabungkan runway persentase pemanfaatan, campuran
armada, koridor penerbangan, dan proyeksi paparan kebisingan termasuk pada
penggunaan tambahan landasan pacu paralel yang direncanakan.
Pada Gambar 2.12 ditunjukkan contoh kontur kebisingan pada simulasi
menggunakan model kebisingan terintegrasi sesuai dengan tiga minggu puncak lalu
lintas pada bandara Bologna [10].
Universitas Sumatera Utara
20
Gambar 2.12 Kontur kebsiingan [10]
2.3.6
Sumber Kebisingan Aerodinamis
Sumber kebisingan pada komponen aerodinamis diketahui sebagai bunyi
akibat pergerakan antara udara terhadap medium lingkungannya. Sumber
kebisingan secara umum dikenal dengan istilah sebagai Kebisingan Generation
Mechanism, adalah mekanisme sumber kebisingan yang disebabkan oleh adanya
operasi atau kegiatan serta peralatan yang menimbulkan kebisingan seperti kegiatan
crushing, pengetokan, pengeboman, punch-press, penempaan, drilling, dan juga
pada pemutaran suatu propeller . Secara umum, Kebisingan Generation Mechanism
terbagi menjadi tiga jenis yaitu:
1. Turbulensi : Disebabkan oleh pergerakan aliran udara yang acak karena
melewati perubahan bentuk suatu daerah.
2. Pulsasi : Merupakan tekanan bidang yang disebabkan adanya perubahan
kecepatan yang signifikan sehingga mengakibatkan perubahan tekanan yang
drastis, pada umumnya disebut sebagai pressure field.
3. Shock : Disebabkan adanya benturan secara cepat oleh aliran udara [11].
Sumber kebisingan pada komponen aerodinamis secara skematik dapat
dilihat pada Gambar 2.13.
Universitas Sumatera Utara
21
Gambar 2.13 Sumber-sumber kebisingan pada komponen aerodinamis [7]
Menurut Harris, Cyrill M didalam bukunya Handbook of Noise Control,
menyebutkan bahwa kebisingan dari propeller yang menggerakkan pesawat terbagi
menjadi dua jenis sumber bising yang utama. Yaitu kebisingan yang bersumber dari
motor penggerak dan kebisingan yang bersumber dari propeler itu sendiri.
Kebisingan generation mechanism pada propeller yang berputar dihasilkan
dari tiga jenis faktor yang berbeda. Yang pertama dihasilkan melalui bending
vibration dari bilah propeller . Yang kedua adalah kebisingan dari rotasi propeller
yang dihasilkan oleh tekanan bidang (pulsasi) yang mengelilingi setiap blade
sebagai konsekuensi dari setiap pergerakannya, dimana keadaan ini sangat
dipengaruhi oleh sudut dari blade atau bilah propeller dan chamber pada airfoil.
Yang ketiga adalah kebisingan yang dihasilkan oleh vortex kebisingan yang
dihasilkan oleh vortisitas udara pada aliran lintasan baling yang terkumpul pada
bilah propeler selama perputaran.
Secara skematik, penjabaran tentang mekanisme pembentukan kebisingan
dapat dilihat pada Gambar 2.14 [7].
Universitas Sumatera Utara
22
Gambar 2.14 Kebisingan Generation Mechanisme pada propeller [7]
2.3.7
Parameter Kebisingan
Pada buku Industrial Noise Control and Acoustics dapat ditemukan
beberapa persamaan dan parameter kebisingan Kebisingan memiliki banyak
parameter yang bisa dijadikan sebagai acuan dalam menentukan skala kebisingan
tersebut sebagaimana banyaknya parameter untuk menentukan bunyi. Namun,
parameter yang sering dijadikan acuan dalam mengukur suatu kebisingan untuk
mempersempit pembahasan biasanya di tentukan oleh parameter berikut :
1. Karakteristik impedansi,
Z0 = pc / gc = (1,184)(346,1)/(1) = 409,8 Pa-s/m = 409,8 rayl = p/u ……... 2.1
2. Suara yang di transmisikan lewat udara,
R= 287 J/ kg-K
3. Kecepatan suara di udara,
c = 346,1 m/s
4. Persamaan kecepatan partikel akustik,
u = Prms /
0
………………………………………………………………. 2.2
Universitas Sumatera Utara
23
Dimana :
Prms = Tingkat kebisingan
Z0
= Karakteristik impedansi
5. Persamaan intensitas akustik,
I = P2 /Pc …………………………………………………………………… 2.3
Dimana :
P = Tingkat kebisingan
Pc = Karakteristik impedansi
6. Persamaan densitas energi akustik,
D = P2 /Pc2 = P2 /Z0 c ……………………………………………………..... 2.4
7. Persamaan kenaikan temperatur udara,
dT = D/pcp ………………………………………………………………… 2.5
Dimana :
pcp = kapasitas thermal per unit volume
8. Kapasitas thermal per unit volume,
pCp = (1,184)(1005,7) = 1190,7 J/� -°C ………………………………..... 2.6
9. Tingkat Kebisingan
Pada Tabel 2.2 ditunjukkan referensi kuantitas dari level akustik kebisingan
yang distandarisasi ANSI S1.8, 1989 :
Universitas Sumatera Utara
24
Tabel 2.2 Referensi kuantitas level akustik kebisingan [12]
Quantity
Defenition, dB
Reference
Sound pressure level
Lp = 20 log (�/�r )
�r = 20 µPa
L� = 10 log (�/�r )
�r = 1 pW/m
Power level
Intensity level
Lw = 10 log (�/�r )
Energy density level
Vibratory acceleration level
2.3.8
�� = 10 log (�/�r )
�� = 10 log ( /
r
)
�r = 1 pW
�r = 1 pJ/m
r
= 10 µm/s
Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan
Untuk menentukan perlakuan pengendalian kebisingan yang tepat untuk
permasalahan kebisingan pada propeller terdapat beberapa langkah yang harus
diikuti, yaitu :
1. Pengukuran sumber kebisingan.
Pengukuran dilakukan secara akurat dan tepat untuk mengidentifikasi distribusi
kebisingan yang terjadi. Setelah itu control kebisingan yang tepat dapat diukur
pada setiap sumber yang memungkinkan.
2. Penentuan sasaran penurunan kebisingan
Apabila terdapat beberapa sumber kebisingan maka total output kebisingan
melebihin 1 sumber. Pada saat pengaturan sasaran desain kebisingan harus
dipertimbangkan tingkat pengurangan kebisingan dari masing-masing sumber
sehingga sasaran desain dapat tercapai.
3. Penjelasan kebutuhan penurunan kebisingan
Kebutuhan penurunan kebisingan sangat diperlukan karena terdapat perbedaan
kelebihan kebisingan terhadap sasaran desain penurunan kebisingan.
4. Aplikasi control kebisingan.
Pemilihan perlakuan penurunan kebisingan untuk membatasi radiasi, transmisi,
dan kebisingan yang dibangkitkan pada beberapa sumber yang diidentifikasi dan
dihitung berdasarkan langkah 1. Semua perlakuan harus dipilih sehingga efek
keseluruhan dapat dikembangkan menjadi tingkat sasaran desain penurunan
kebisingan seperti yang dijelaskan pada langkah 2, dalam kondisi biaya yang
sedikit, tanpa interferensi dari operator, perawatan, dan tingkat keamanan [6].
Universitas Sumatera Utara
25
2.4
Airfoil
Airfoil merupakan suatu bentuk geometri yang dibuat untuk menghasilkan
gaya langkat yang lebih besar dari gaya drag pada saat ditempatkan pada sudut
tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil mempunyai bentuk ujung yang lancip untuk
menjamin aliran udara sedapat mungkin sealiran. Airfoil mempunyai bagian seperti
leading edge, trailing edge, chord dan chamber . Leading edge berbentuk tumpul
untuk memastikan aliran lancar, trailing edge lancip agar wake terjaga tipis dan
dijaga agar terjadi separasi sekecil mungkin. Chord line adalah garis yang
menghubungkan antara pusat leading edge dengan trailing edge. Camber line
adalah garis yang membelah airfoil menjadi dua buah permukaan. Maximum
Camber adalah jarak maksimum dari chamber line dengan chord line, dijelaskan
dengan perbandingan dari besarnya chord. Camber dianggap positif apabila
maksimum camber line terletak diatas chord line. Untuk tipe airfoil low- speed
mempunyai positif camber antara 2-3 %, untuk supersonic biasanya simetris.
Maximum thickness adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan
bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line. Sudut serang adalah
letak airfoil yang ditentukan berdasarkan besarnya sudut antara chord line dengan
vektor kecepatan aliran free stream.
Airfoil dapat menghasilkan gaya angkat (Lift) yang dibutuhkan untuk
mempertahankan pesawat terbang tetap di udara. Untuk menghasilkan gaya angkat
ini maka airfoil tersebut perlu terus bergerak di udara. Harus diingat pula bahwa
kita tidak mungkin hanya mendapatkan lift saja, tanpa menghasilkan gaya hambat
pula.
Drag ini harus diperkecil agar tenaga pendorong airfoil tidak mengalami hambatan
yang besar. Lift dan Drag dipengaruhi oleh :
1.
Bentuk airfoil.
2.
Luas permukaan airfoil.
3.
Pangkat dua dari kecepatan aliran udara.
4.
Kerapatan (densitas) udara [11].
Universitas Sumatera Utara
26
2.5
Kayu Balsa
Kayu balsa biasa digunakan di dalam bentuk lembaran dan rods. Berbentuk
seperti kayu berbutir, tan, dan bertekstur berat. Kayu balsa lebih mudah untuk
dipotong dan lebih ringan dari basswood, tetapi jauh lebih sulit untuk
membentuknya dengan baik. Gabah kayu balsa terus balsa kebanyakan di Massing
atau menjadi sketsa model. Karena kayu sangat ringan, kayu balsa juga di potong
menggunakan pisau yang sangat tajam, membuat sambungan yang baik lebih sulit
untuk dibuat. Kayu balsa dapat dipotong laser.
Pohon kayu balsa yang dapat dipanen dapat ditemukan di utara Amerika
Selatan, dan 90% dari semua kayu balsa berasal dari Ekuador. Pohon-pohon ini
tidak tumbuh di ladang, dan cenderung dipanen langsung dari hutan. Kayu balsa
memiliki tingkat pertumbuhan kembali yang relatif cepat dari 6-10 tahun. Kayu
yang tidak diolah sepenuhnya akan terurai tanpa masalah. Gambar 2.15
menunjukkan contoh dari serat kayu balsa 13.
Gambar 2.15 Kayu Balsa [13]
2.6
�
Mesin dua langkah hanya memerlukan satu kali putaran poros engkol untuk
menyelesaikan satu siklus di dalam silinder. Usaha (langkah tenaga) dihasilkan
pada setiap putaran poros engkol.
Universitas Sumatera Utara
27
Gambar 2.16 Mesin dua langkah sederhana [14]
Pada Gambar 2.16 dapat dilihat bagian-bagian dari mesin dua langkah
sederhana. Pada mesin dua langkah campuran udara-bahan bakar dikompresi dua
kali setiap putaran. Kompresi pertama (kompresi pendahuluan di dalam crankcase).
Campuran ditarik kedalam crankcase dan dikompresi, selanjutnya masuk ke dalam
ruang pembakaran. Kompresi kedua (kompresi di dalam silinder dan ruang
pembakaran). Campuran yang dikompresi sangat mudah dinyalakan dan terbakar
sehingga menghasilkan tekanan yang tinggi. Campuran yang dikompresikan di
dalam crankcase mengalir ke dalam silinder melalui lubang transfer mendorong
sisa-sisa gas pembakaran keluar dari silinder dan ini disebut sebagai langkah
transfer.
Secara jelasnya cara kerja mesin dua langkah di perlihatkan pada Tabel 2.3
berikut ini.
Universitas Sumatera Utara
28
Tabel 2.3 Cara Kerja Mesin Dua Langkah [14]
Proses
Penjabaran Langkah dan Gambar
Langkah Isap
Di bawah piston
dan Kompresi
Sewaktu piston bergerak ke atas menuju TMA ruang engkol akan
memperbesar dan menjadikan ruang tersebut hampa (vakum).
Lubang pemasukan terbuka. Dengan perbedaan tekanan ini, maka
udara luar dapat mengalir dan bercampur dengan bahan bakar di
karburator yang selanjutnya masuk ke ruagn engkol (disebut langkah
isap atau pengisian ruang engkol).
Setengah
putaran
pertama atau
180°
Piston
bergerak dari
TMB ke
TMA
Di atas piston
Di sisi lain lubang pemasukan dan lubang buang tertutup oleh piston,
sehingga terjadi proses langkah kompresi di sini. Dengan gerakan
piston yang terus ke atas mendesak gas baru yang sudah masuk
sebelumnya, membuat suhu dan tekanan gas meningkat. Beberapa
derajat sebelum piston mencapai TMA busi akan melentikkan bunga
api dan mulai membakar campuran gas tadi (langkah ini disebut
kompresi).
Ketika piston mencapai TMA campuran gas segar dikompresikan
dinyalakan oleh busi. Gas yang terbakar mengakibarkan ledakan yang
menghasilkan tenaga sehingga mendorong piston memutar poros
Universitas Sumatera Utara
29
Langkah Usaha engkol melalui connecting rod sewaktu piston bergerak ke bawah
dan Buang
menuju TMB (langkah usaha).
Beberapa derajat setelah piston bergerak ke TMB lubang buang
terbuka oleh kepala piston, gas – gas bekas keluar melalui saluran
buang (langkah buang).
Setelah
putaran ke
dua atas 360°
Piston
bergerak dari
TMA ke
TMB
Di bawah piston
Beberapa derajat selanjutnya setelah saluran buang dibuka, maka
saluran bias (saluran transfer) mulai terbuka oleh tepi piston. Ketika
piston membuka lubang transfer segera langkah pembuangan telah
dimulai. Gas baru yang berada di bawah piston terdesak, campuran
yang dikompresikan tersebut mengalir melalui lubang saluran bilas
menuju puncak ruang bakar sambil membantu mendorong gas bekas
keluar (proses ini disebut pembilasan).
Ringkasan materi tabel:
1. Titik mati atas (TMA) adalah tempat berhentinya piston bergerak pada bagian
atas silinder.
2. Titik mati bawah (TMB) adalah tempat berhentinya gerak piston di bagian
bawah silinder.
Universitas Sumatera Utara
30
3. Pada setengah putaran poros engkol pertama (1800) dari TMA ke TMB
a. Di bawah piston : Langkah isap atau pengisian ruang engkol
b. Di atas piston : Langkah kompresi
4. Pada ½ putaran poros engkol berikutnya (3600) dari TMA ke TMB
a. Di atas piston : Langkah usaha dan langkah buang
b. Di bawah piston : Pembilasan
c. Prinsip pembilasan dinamakan dengan pembilasan berputar yaitu lubang
transfer berada di kanan dan di kiri saluran knalpot. Udara segar masuk
bersamaan melalui kedua lubang tersebut yang berada berlawanan didinding
cylinder dan membelok keatas. Kemudian aliran berputar kebawah ke lubang
pengeluaran mendorong gas sisa pembakaran keluardari cylinder.
Dalam menentukan motor starter yang tepat menurut kebutuhan suatu mesin,
terdapat beberapa faktor yang perlu diperhatikan, antara lain :
a. Sifat starter
Tenaga putar (torque) yang dihasilkan motor starter akan menambah kadar arus
yang mengalir pada starter secara proporsional (sepadan). Makin rendah putaran,
makin besar arus yang mengalir pada starter sehingga menghasilkan tenaga putar
yang besar. Begitu pula dengan tegangan yang disuplai pada starter , jika
tegangannya bertambah besar, maka kapasitasnya akan menurun. Oleh karena
itu kapasitas starter sangat erat hubungannya dengan baterai.
b. Kecepatan putar dari mesin
Mesin tidak akan start (hidup) sebelum melakukan siklus kerjanya berulangulang, yaitu langkah hisap, kompresi, pembakaran (usaha) dan buang. Langkah
pertama untuk menghidupkan mesin, lalu memutarkannya dan menyebabkan
siklus pembakaran awal (pendahuluan). Motor starter minimal harus dapat
memutarkan mesin pada kecepatan minimum yang diperlukan untuk
memperoleh pembakaran awal. Kecepatan putar minimum yang diperlukan
untuk menghidupkan mesin berbeda tergantung pada konstruksi (banyaknya
silinder, volume silinder, bentuk ruang bakar) dan kondisi kerjanya (suhu dan
tekanan udara, campuran udara dan bensin dan lonctan bunga api busi), tetapi
pada umumnya untuk motor bensin berkisar antara 40 sampai 60 rpm.
Universitas Sumatera Utara
31
c. Torque yang dihasilkan starter untuk menggerakkan mesin Torque yang
dihasilkan starter merupakan faktor penting dalam menentukan apakah starter
dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Setiap mesin mempunyai torque
maksimum yang dihasilkan, misal suatu mesin dengan 100 cc maksimum
torquenya adalah 0,77 kg-m. Untuk dapat menggerakkan mesin dengan
kapasitas tersebut, diperlukan torque yang melebihi kapasitas tersebut (sampai 6
kali). Tetapi pada umumnya starter hanya mempunyai torque yang yang tidak
jauh berbeda dari torque maksimum mesin [14].
2.7
Tiga Kriteria Kebisingan Pesawat yang dapat Diterima
Ada tiga kriteria yang dapat diterima dari kebisingan pesawat, diantaranya
adalah :
1. Kriteria 1
Sebuah kebisingan lingkungan baru atau memiliki nilai kebaruan yang
sebanding pada dasar kebisingan untuk suara lingkungan dikenal dan dianggap
oleh kebanyakan orang untuk secara signifikan dapat dipertimbangkan di tempat
tinggal juga dianggap signifikan dapat diterima di tempat tinggal. Ekspresi
"kebanyakan orang" dan "secara signifikan dapat diterima" membuat kriteria ini
terbuka untuk interpretasi dan ajudikasi. Namun pendekatan yang mungkin
memiliki beberapa manfaat dalam yang memungkinkan orang untuk
mengevaluasi kebisingan lingkungan yang relatif tidak mereka pahami
dibanding yang mereka pahami.
Banyak orang membuat kesimpulan tentang efek dari kebisingan pesawat
terbang pada komunitas orang di dekat bandara yang berulang kali terkena
seperti kebisingan lingkungan. Gambar saya menyarankan bahwa suara pesawat
yang memiliki tingkat kebisingan yang dirasakan (3) lebih dari 100 PNdB
mungkin dianggap oleh sejumlah besar orang menjadi tidak dapat diterima di
rumah mereka, karena itu adalah tingkat kebisingan perkiraan 50 ft (15 m) dari
truk atau sepeda motor di jalan raya pada kecepatan maksimum atau dalam
perjalanan akselerasi 200 ft dari sebuah kereta api diesel dengan kecepatan 30
sampai 50 mph. Perbandingan ini menjadi sangat penting, harus termasuk tidak
Universitas Sumatera Utara
32
hanya puncak tingkat PNdB tetapi juga jumlah dan durasi kejadian. Dalam hal
ini eksposur ke pesawat, truk, sepeda motor, dan kebisingan kereta api sangat
berbeda, tidak selalu mendukung kebisingan pesawat seperti pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Tingkat intermiten khas yang dihasilkan oleh kendaraan transportasi.
Peningkatan 10 PNdB biasanya setara dengan peningkatan Ioo%, atau dua kali lipat
dalam kebisingan subjektif [dari (3)]. Perkiraan tingkat di rumah masyarakat yang
biasanya sumber terdekat dari kebisingan [15].
2. Kriteria 2
Sebuah kebisingan lingkungan memiliki penilaian komposit kebisingan (CNR)
(4) yang menunjukkan bahwa banyaknya keluhan dan perilaku kelompok
terhadap kebisingan mungkin membuatnya dianggap tidak dapat diterima. Ini
adalah respon yang diharapkan untuk CNR dari 100 hingga 115. Tabel 2.4,
Universitas Sumatera Utara
33
kolom 3, menunjukkan puncak tingkat PNdB rata-rata untuk berbagai jumlah
kejadian dari kebisingan pesawat terbang (kolom 1) yang terjadi di antara jam 7
pagi hingga 10 malam, akan memberikan nilai dari 100.
Tabel 2.4 Jumlah kejadian dari kebisingan pesawat terbang dan rata-rata untuk
puncak PNB melebihi 80 yang diperlukan untuk mencapai sebuah kebisingan dan
dengan nomor indeks 45 atau peringkat kebisingan komposit 100, untuk
pesawat sipil yang beroperasi pada jam 7 pagi ke 10 malam [15]
Number of
Average peak PNdB
Average peak PNdB
Occurrences
N.N.I. = 45
C.N.R. = 100
1
125,0
115
2
120,5
112
4
116,0
109
8
111,5
106
16
107,0
103
32
102,5
100
64
98,0
97
128
93,5
94
3. Kriteria 3
Sebuah kebisingan lingkungan memiliki kebisingan dengan nomor indeks
NNI (5) yang menunjukkan bahwa sekitar 50% dari orang-orang akan
melaporkan bahwa mereka terganggu oleh suara dengan berbagai cara, atau
cenderung dinilai sebagai aspek terburuk dari linkungan perumahan dan
dianggap tidak dapat diterima. Angka 2, 3, 4, dan 5 menunjukkan bahwa
lingkungan seperti itu akan memiliki NNI darii 45. Tabel 2.4 kolom 2,
menunjukkan rata-rata tingkat puncak PNdB per kejadian yang akan
memberikan NNI dari 45. Singkatnya, disiimpulkan bahwa suara, diulang cukup
sering selama setiap hari, memiliki puncak tingkat 100 PNdB (kriteria 1) atau
CNR dari 100 (kriteria 2) atau NNI dari 45 (kriteria 3) akan dinilai tidak dapat
diterima oleh sekitar 50% dari orang-orang di perumahan masyarakat. Hal ini
Universitas Sumatera Utara
34
disimpulkan berdasarkan tiga kriteria dari 30 hingga 40 pengulangan setiap hari
dari kebisingan pesawat di 100 PNdB mungkin tidak dapat diterima oleh banyak
orang seperti yang terlihat pada Gambar 2.18 [15].
Gambar 2.18 Kebisingan dan number index (NNI) [15]
2.8
�
�
Masalah kebisingan di lingkungan industri telah tumbuh dengan
peningkatan penggunaan peralatan industri seperti mesin, kipas, transformer dan
ventilator. Untuk mengurangi masalah kebisingan, metode pengurangan kebisingan
pasif telah digunakan seperti kedekatan, penghalang, dan peredam. jenis peralatan
suara pasif memiliki lebar pita frekuensi. Tapi, peralatan suara pasif besar, mahal,
dan tidak efisien pada pita frekuensi rendah. Active Noise Cancellation (ANC) telah
disarankan untuk mengatasi keterbatasan metode pengurangan kebisingan pasif.
Teknologi aktif pengurangan kebisingan adalah untuk mengurangi tingkat
kebisingan dan frekuensi dengan menghasilkan kebisingan dengan stasiun yang
sama dengan mengubah fase frekuensi target suara oleh 180˚, yang diperkenalkan
oleh Liga (1936). Teknologi pembatalan kebisingan aktif telah diterapkan untuk
berbagai bidang kendaraan, jalan, pesawat, bangunan dan perangkat suara. Namun,
hasil penelitian dari pembatalan kebisingan aktif untuk daerah jalan tidak sebanyak
bidang lain. Contoh dari penggunaan teknologi ANC di dunia internasional adalah:
Universitas Sumatera Utara
35
1. ANC untuk Interior Mobil
Toyota dari Jepang mengembangkan ANC pertama untuk interior mobil
menggunakan 3 mikrofon. Sasaran pembangunan ini adalah bahwa mesin
mahkota hybrid yang ditransfer suara pada interior mobil untuk kecepatan
mengemudi rendah. Perkembangan ini menunjukkan pengurangan kebisingan
5dB (A) ke 8dB (A) di dalam mobil seperti terlihat pada Gambar 2.19 [16].
Gambar 2.19 Sistem ANC Toyota [17]
2. ANC untuk Peralatan Akustik
Diterapkan ANC pada alat bantu dengar untuk mengurangi kebisingan di ruang
terbuka. Penelitian ini menggunakan Fx LMS algoritma dan Wiener Filter
multichannel untuk mengontrol kebisingan di alat bantu dengar. Perusahaan
headphone asing terkenal sudah diterapkan ANC untuk produk mereka dan
banyak pasar headphone ANC telah terbentuk. Contoh penerapan ANC untuk
peralatan akustik dapat dilihat pada Gambar 2.20. [18]
Universitas Sumatera Utara
36
Gambar 2.20 Sistem ANC Headphone [19]
3. ANC untuk Transportasi Publik
NASA telah mempelajari cara mengurangi kebisingan mesin pesawat selama 70
tahun. NASA dan industri melakukan (Advanced subsonik Teknologi) Program
AST. Titik kunci dari AST ini adalah untuk menerapkan pembatalan kebisingan
aktif ke penggemar sebuah mesin pesawat. Ini adalah teknologi yang sulit untuk
menerapkan ANC dalam pesawat karena variasi kecepatan pesawat dan band
frekuensi tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.21 , mereka fokus
pada transmisi suara dari kipas dengan memasang aktuator di kipas angin [20].
Gambar 2.21 ANC Operator of fan [20]
Dipelajari kebisingan pembatalan aktif dari pesawat jet ringan. Pita frekuensi
suara dalam pesawat jet cahaya band frekuensi rendah dari 50 sampai 200Hz,
Universitas Sumatera Utara
37
dan tingkat tekanan suara total adalah 85 dB (A) ke 95 dB (A). Mereka
diterapkan dimodifikasi algoritma Fx LMS dan melakukan simulasi kebisingan
pembatalan aktif dalam pesawat model seperti yang ditunjukkan pada Gambar
2.22. Juga, 8 mikrofon dan 6 speaker keras yang digunakan dalam simulasi.
Bidang kebisingan yang dihasilkan dalam interior pesawat. Hasil penelitian ini
menunjukkan pengurangan kebisingan di band frekuensi rendah [21].
Gambar 2.22 Simulasi ANC pesawat Jet [22]
4. Pembatas ANC
Di Jepang, penelitian penghalang ANC telah dilakukan sebelumnya. Penghalang
ANC dipasang dan dioperasikan di atas penghalang yang ada. Akibatnya,
kebisingan antara 160Hzand 630Hz Band berkurang 2dB (A) ke 5dB (A)
dibandingkan dengan hambatan yang ada. Namun pengurangan kebisingan pada
1 kHz oleh ANC penghalang mirip dengan penghalang yang ada. Saat ini, Jepang
sedang mempersiapkan untuk mengupayakan suatu penghalang ANC. Gambar
2.23 menunjukkan tampilan dari pembatas ANC yang ada di Jepang [23].
Universitas Sumatera Utara
38
Gambar 2.23 Pembatas ANC Jepang [23]
Universitas Sumatera Utara