SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
ANALISA AKUSTIK UJI STATIS MOTOR ROKET MENGGUNAKAN ALGORITMA FFT Sri Kliwati Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Pusat Teknologi Roket Jalan Raya LAPAN Rumpin Bogor Indonesia email:
[email protected] ABSTRAK Tulisan ini membahas analisa spektrum audio yang ditimbulkan oleh motor roket untuk mengetahui kestabilan pembakaran motor roket. Analisa ini berbasis algoritma FFT (Fast Fourier Transform) dari rekaman audio pada saat uji statis motor roket. Uji statis semua tipe motor roket dilakukan selama kurang dari 15 detik. Untuk mengetahui perform motor roket, perlu dilakukan uji dengan berbagai parameter, termasuk efek suara yang ditimbulkannya. Implementasi sistem inimenggunakan microphone dan sebuah PC dengan software Matlab untuk memproses data akuisisi sinyal suara dan untuk menghitung spektrogram. Hasil yang diperoleh menunjukkan frekuensi dominan yang dihasilkan selama motor masih terbakar dapat diamati dan hasil ini akan digunakan untuk parameter analisa performa kestabilan pembakaran motor roket. Kata kunci : spectrum suara, motor roket, FFT, kestabilan pembakaran motor.
PENDAHULUAN Teknologi roket dikembangkan untuk keperluan kemajuan ilmu pengetahuan antariksa, serta untuk pertahanan dan keamanan. Kunci dari keberhasilan performa roket adalah majunya teknologi motor roket. Untuk mengetahui performa tersebut, berbagai cara telah dilakukan dengan menggunakan sensor. Sebagai contoh adalah sensor “load cell” saat uji statik dan uji terbang yang diukur dengan sensor gerak (GPS, accelerometer). Pada saat uji static dan uji terbang, motor roket akan mengeluarkan suara. Suara tersebut timbul karena adanya pembakaran propelan dan hamburan partikel material yang keluar melalui nozel. Seperti pada bidang-bidang yang lain, suara dapat digunakan untuk sebagai parameter uji dengan mengukur nilai frekuensi dan powernya. Frekuensi tersebut timbul karena adanya gerak dan vibrasi yang periodic maupun yang tidak. Dari karakter spectrum frekuensi suara motor roket pada saat pembakaran, diharapkan dapat mengetahui performa motor roket tersebut [Hart 1962, Bird 1960]. Oleh karena itu perlu dilakukan pengukuran dan analisa spectrum suara tersebut dengan melihat frekuensi mana yang dominan muncul pada saat motor roket menyala. Frekuensi tersebut mungkin dapat berjumlah lebih dari satu, selain itu kadang juga terjadi letupan yang menandakan adanya perubahan yang tidak homogen. Hal ini terkait dengan kualitas struktur propelan yang dibuat. Tulisan ini membahas mengenai analisa spectrum suara motor roket berbasis FFT (Fast Fourier Transform) untuk menentukan kualitas motor roket pada saat uji statik. Untuk mempermudah analisa dan pemrograman, maka digunakan software Matlab sebagai tools. Analisa spectrum frekuensi ini dilakukan secara periodic
waktu dengan bentuk spectrogram, sehingga dapat memonitor perubahan spectrum dengan mudah. Hardware yng digunakan adalah microphone dan komputer PC yang terinstall program Matlab. AKUSTIK MOTOR ROKET Sebelum dilakukan uji terbang, maka sebuah motor roket yang telah dikembangkan diuji statik. Secara umum menggunakan sensor tekanan atau load cell untuk mengukur daya dorong total motor roket saat terbakar. Gambar 1 berikut adalah skema uji statik motor roket. Motor roket dipasang pada dudukan dengan pengait dan pada ujungnya dipasang sensor load cell.
Gambar 1. Peta lokasi daerah penelitian Saat motor roket terbakar, maka akan timbul daya dorong pada sensor. Profil daya dorong tersebut digunakan untuk analisa performanya. Selain metoda tersebut dapat juga dengan cara tidak
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
M 86
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
langsung mengukur efek suara yang ditimbulkan oleh motor roket. Selain frekuensi signal juga perlu diukur amplitudo signal tersebut. Pembakaran yang tidak merata dan terjadinya ledakan kecil atau letupan akan terdengar. Oleh karena itu untuk tambahan parameter analisa performa roket seperti terlihat pada gambar 1 di atas. Sebuah microphone ditempatkan dekat tempat uji untuk mengukur signal suara. Dari signal tersebut diukur kestabilan parameter dan amplitudo. Kestabilan parameter tersebut dapat mencerminkan kestabilan proses pembakaran pada motor roket. Gambar kondisi uji static dapat dilihat pada gambar 2 berikut.
Di sini f=1/T,dan maksimum frekuensifmax = 1/(2t).
DATA DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan algoritma FFT (Fast Fourier Transform), maka suara pembakaran motor roket dapat dianalisa karakteristik frekuensi dan amplitudonya. Sensor yang digunakan adalah microphone. Tipe microphone disini adalah elektrik dengan jumlah satu buah. Data akuisisi yang digunakan adalah seperti gambar 3 berikut.
Gambar 3. Data akuisisi 16 bit 16 kHz. Sedangkan sensor suara atau microphone yang digunakan adalah seperti gambar 4 berikut. Gambar 2. Uji statik motor roket. Pembakaran motor roket menyebabkan timbulnya suara yang sangat keras dalam waktu beberapa detik (< 20 detik). Transformasi dari domain waktu ke domain frekuensi (dan kembali lagi) didasarkan pada Transformasi Fourier dan kebalikannya, yang didefinisikans ebagai
1 j t dt s(t )e 2
(1)
1 j t S ( ) e d 2
(2)
S ( ) s(t )
Di sini, s (t), S (), dan f adalah sinyal waktu, sinyal frekuensi dan frekuensi, dan j 1 . Untuk menghitung Fourier transform numeric pada komputer, diperlukan diskritisasi ditambah integrasi numerik.
S (mf )
T N 1 s(nt )e j 2 mf nt N n0
(3)
Gambar 4. Sensor microphone untuk deteksi akustik motor roket. Microhpne yang digunakan adalah tipe elektret, dengan data akuisisi yang digunakan pada gambar 3 diats. Data akuisis ini mempunyai jumlah kanal 8 buah, sehingga nantinya dapat digunakan secara parallel untuk mengukur sinyal suara di delapan titik, sehingga data akan semakin banyak untuk analisa lebih lanjut. Dengan menggunakan peralatan di atas selama uji statik, dari roket
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
M 87
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
menyala hingga habis bahan bakar, suara yang timbul direkam. Hasil rekaman data dapat dilihat pada gambar 5 berikut.
pada gambar 11 sampai gambar 18. Spektrum frekuensi secara total waktu dapat dihitung nilai dominannya dengan menggunakan jendela waktu tiap-tiap detik. Hasil perhitungan frekuensi dapat dilihat pada gambar 19. Terlihat frekuensi dari700 Hz sampai1600 Hz.
Gambar 5. Plot data suara uji motor statis. Dengan menggunakan persamaan (1) sampai (3), maka spectrum frekuensi secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar 6 berikut.
Gambar 6. Spektrum frekuensi total semua data. Pada gambar 6 terlihat, frekuensi domain pada rentang 100Hz hingga 5000Hz. Hasil perhitungan spectrum tersebut dapat dianalisis secara bagianbagian atau dapat dipecah-pecah hingga tiap detik. Hasil tersebut dapat dilihat seperti pada gambar berikut. Pada detik pertama (0-1), sinyal suara dari diam kemudian tiba-tiba membesar hingga sinyal sampai pada kemampuan maksimum microphone. Pada saat itu frekuensi yang dominan terlihat pada nilai sekitar 1 kHz. Kemudian pada detik ke (1-2), sinyal terlihat konstan pada level tertentu. Pada saat ini kemampuan microphone harus lebih besar atau jarak ke roket dapat dipilih lebih jauh. Spectrum frekuensi yang diperoleh terlihat pada gambar 10. Frekuensi yang dominan pada detik ini terlihat sedikit menurun pada level sekitar 900 kHz. Kemudian untuk detik ke 3 sampai detik ke 6 dapat dilihat hasil analisis frekuensinya seperti terlihat
Gambar 7. Detik ke 0-1 (sinyal suara).
Gambar 8. Detik ke 0-1 (spectrum frekuensi).
Gambar 9. Detik ke 1-2 (sinyal suara).
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
M 88
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
Gambar 10. Detik ke 1-2 (spectrum frekuensi).
Gambar13. Detik ke 3-4 (sinyal suara).
Gambar 11. Detik ke 2-3 (sinyal suara).
Gambar 14. Detik ke 3-4 (spectrum frekuensi).
Gambar 12. Detik ke 2-3 (spectrum frekuensi).
Gambar 15. Detik ke 4-5 (sinyal suara).
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
M 89
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
karakteristik yang berbeda-beda. Perlu digunakan microphone dengan sensitivitas yang lebih rendah agar profil tekanan suara dapat terlihat kestabilannya.
Gambar16. Detik ke 4-5 (spectrum frekuensi).
Gambar 19. Frekuensi dominan selama uji statik (6 detik).
KESIMPULAN
Gambar 17. Detik ke 5-6 (sinyal suara).
Telah dilakukan analisa suara motor roket untuk analisa kestabilan pembakaran motor roket. Ujicoba dilkukan pada uji statik motor roket tipe RX250. Hasil yang diperoleh menunjukkan karakteristik frekuensi dominan pada 800-1500 kHz. Power spektrum juga terjadi selama total roket menyala dalam waktu 6 detik. Hasil ini masih perlu dibandingkan dengan uji roket tipe yang sama beberapa kali, serta perbandingan dengan jenis motor roket lainnya. UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Pustekroket LAPAN yang telah mendanai penelitian. DAFTAR PUSTAKA
Gambar 18. Detik ke 5-6 (spectrum frekuensi). Hasil analisis berbasis FFT ini masih menggunakan data satu buah roket dengan tipe RX 100. Untuk roket-roket tipe lain seperti RX 200, RX 250 dan lain-lain belum dilakukan. Masing-masing roket dengan tipe yang sama, hasilnya belum tentu mirip. Sedangkan untuk tipe yang lain pasti mempunyai
Hart,R. W. ; Cantrell,R. H.,"Amplification and attenuation of sound by burning propellants", April 1962. J. F. Bird, L. Haar, R. W. Hart, and F. T. McClure ,"Effect of Solid Propellant Compressibility on Combustion Instability",Journal of Chemical Physics / Vol. 32 / Issue 5 1960. HTTP://http://oai.dtic.mil:,"ACOUSTIC WAVEBURNING ZONE INTERACTION IN SOLID PROPELLANTS "
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
M 90
