BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Gelombang Ultrasonik Pemakaian gelombang ultrasonik telah digunakan sejak abad ke 19 dimana pertama kali digunakan untuk mendeteksi kapal selam. Sumber ultrasonik dihasilkan oleh Kristal kuarsa, pertama kali dibuat oleh paul langevin dengan menerapkan prinsip gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh Kristal tersebut kemudian hasil pantulannya dideteksi. Akibat berkembangnya dunia industri, maritime, kedokteran dan bidang lain maka penggunaan gelombang ultrasonik pun mengalami kemajuan pesat. Aplikasi yang sering kita dengar yakni untuk pengukuran jarak, ultrasonografi (USG), pengukur jarak kamera, membuka pintu garasi, mendeteksi keretakan, dan lain lain. 2.1.1 Pengertian Gelombang Akustik Dan Gelombang Ultrasonik Gelombang akustik adalah gelombang yang dirambatkan sebagai gelombang mekanik yang dapat menjalar dalam medium padat, cair, dan gas. Gelombang bunyi ini merupakan getaran molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun demikian zat tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta mentransmisikan energi bahkan tanpa terjadi perpindahan partikel. Apabila gelombang bunyi merambat mencapai batas permukaan maka gelombang bunyi tersebut akan mengalami transmisi dan refleksi. Di dalam suatu gelombang akustik kita harus mengetahui dua fakta tentang getaran. Yaitu:
8
1. Getaran Bolak Balik. 2. Getaran Energi Bergerak.
Gambar 2.1 Gambaran Permukaan Dari Posisi Normal Yang Disebut Perpindahan Ultrasonik adalah suara atau getaran dengan frekuensi yang terlalu tinggi untuk bisa didengar oleh telinga manusia, yaitu kira-kira di atas 20 KHz. Hanya beberapa hewan, seperti lumba-lumba menggunakannya untuk komunikasi, sedangkan kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik untuk navigasi. Dalam hal ini, gelombang ultrasonik merupakan gelombang ultra (diatas) frekuensi gelombang
suara
(sonik).
Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas. Reflektivitas dari gelombang ultrasonik ini di permukaan cairan hampir sama dengan permukaan padat, tapi pada tekstil dan busa, maka jenis gelombang ini akan
diserap.
Frekuensi yang diasosiasikan dengan gelombang ultrasonik pada aplikasi elektronik dihasilkan oleh getaran elastis dari sebuah kristal kuarsa yang diinduksikan oleh resonans dengan suatu medan listrik bolak-balik yang
9
dipakaikan (efek piezoelektrik). Kadang gelombang ultrasonik menjadi tidak periodik yang disebut derau (noise), dimana dapat dinyatakan sebagai superposisi gelombang-gelombang periodik, tetapi banyaknya komponen adalah sangat besar. Kelebihan gelombang ultrasonik yang tidak dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Jarak suatu benda yang memanfaatkan delay gelombang pantul dan gelombang datang seperti pada system radar dan deteksi gerakan oleh sensor
pada
robot
atau
hewan.
Hewan-hewan tertentu, seperti anjing, kucing, dan lumba-lumba dapat mendengar gelombang ultrasonik. Kelelawar dapat menghasilkan dan mendengar frekuensi setinggi 100.000 Hz untuk mengetahui posisi makanan dan menghindari bendabenda saat terbang di kegelapan. Gelombang ultrasonik digunakan pada sonar di samping
pada
diagnosis
kesehatan
dan
pengobatan.
. Gelombang ultrasonik merambat dalam dua bagian. Jika gelombang bolak balik terjadi terus menerus secara periodik maka akan menghasilkan deretan gelombang periodik, dimana pada setiap gerak periodik partikel partikel yang berada pada titik titik yang sama pada gelombang tersebut akan berada dalam fase yang sama. Visualisasi Ilustrasi getaran yang melewati bahan padat sebagai media pemindahan partikel dapat dilihat pada gambar 2.2 di bawah.
10
Gambar 2.2 Struktur Material Sebenarnya Yang Memiliki Partikel Kecil Atau Kelompok Atom Partikel-partikel ini berada dalam posisi normal atau diam, dan juga dapat dipindahkan dari posisi diam ini dengan secara paksa. Ketika gaya dihapus, partikel akan cenderung untuk kembali ke posisi semula. Energi ditransmisikan melalui bahan padat oleh serangkaian pemindahan materi kecil yang terdapat didalam material tersebut. Pengiriman getaran ultrasonik ini melalui materi yang berhubungan dengan suatu sifat ke elastis-an suatu bahan, jika kita menekan suatu permukaan logam, maka permukaan nya akan bergerak kedalam yang menyebabkan sebuah perpindahan.
Gambar 2.3 Gambar Permukaan Logam Yang Diuji Karena permukaan logam yang elastis maka akan cenderung bergerak kembali ke posisi semula (diam), permukaan juga akan bergerak melalui posisi
11
asli dan pindah ke jarak maksimum dalam arah yang berlawanan. Urutan lengkap dari gerakan tersebut didefinisikan dengan siklus gelombang sebagai berikut.
Gambar 2.4 Definisi Gelombang Dari Suatu Pergerakan Waktu yang dibutuhkan untuk benda melakukan suatu pergerakan melalui satu kali putaran penuh disebut Periode. Contoh jika kita mengayunkan bola diatas dengan sekali pergerakan dari a ke b, c, d dan e dalam satu detik, maka periode dari 1siklus adalah satu detik. Sedangkan jumlah getaran dalam suatu periode tertentu disebut frekwensi. 2.1.2 Cepat Rambat Bunyi Jika kita memukul batu di dalam air, kita akan mendengar suara pukulan tersebut. Demikian juga, ikan yang berenang di dalam kolam yang jernih, kita tentu akan beranggapan ikan-ikan tersebut tidak bersuara. Akan tetapi, jika kita menyelam ke dalam air, kita akan mendengar suara kibasan ekor dan sirip ikan tersebut. Hal ini membuktikan bahwa bunyi dapat merambat di dalam zat cair. Bukan hanya itu. Dengan bantuan alat seismograf, para ahli gempa dapat mendeteksi getaran gempa bumi. Getaran lebih kuat jika jaraknya lebih dekat pada sumber getar. Dari 12
contoh-contoh tersebut, kita dapat menyimpulkan bahwa bunyi yang terdengar bergantung pada jarak antara sumber bunyi dan pendengar. Jarak yang ditempuh bunyi tiap satuan waktu disebut cepat rambat bunyi (v). Secara matematis, hal itu dituliskan sebagai berikut: dengan : v = cepat rambat gelombang bunyi (m/s), s = jarak yang ditempuh (m), t = waktu tempuh (s). Pernahkah kita mendengarkan bunyi rel kereta api pada saat kereta api mau lewat? Jika pernah, kita harus berhati-hati. Ketika kereta api akan tiba, terdengar suara gemuruh dari kereta, walaupun keretanya belum terlihat. Suara kereta yang belum kelihatan juga dapat kita dengar melalui rel kereta api. Hal ini membuktikan bahwa cepat rambat bunyi di udara berbeda dengan cepat rambat bunyi pada rel kereta api (zat padat). Manakah yang lebih cepat? Bunyi yang merambat melalui rel kereta api (yang merupakan zat padat) lebih cepat dibandingkan dengan bunyi yang merambat melalui udara. Mengapa demikian? Suatu eksperimen yang telah dilakukan oleh para ahli membuktikan bahwa sebuah bunyi nyaring membutuhkan waktu lima sekon untuk sampai ke telinga kita melalui udara. Jika bunyi tersebut merambat melalui air, ternyata lebih cepat dan hanya membutuhkan waktu empat sekon. Jika bunyi tersebut melalui besi, ternyata hanya membutuhkan tiga sekon, atau satu sekon lebih cepat daripada
13
dalam zat cair. Hal ini membuktikan bahwa di dalam medium yang berbeda, cepat rambat bunyi akan berbeda pula. Zat padat merambatkan bunyi lebih cepat daripada zat cair dan zat cair lebih cepat merambatkan bunyi daripada gas. Kita bisa bermain-main untuk membuktikannya dengan membuat telepon mainan. 2.1.3 Sifat-Sifat Dasar Gelombang Bunyi 1. Gelombang Bunyi Memerlukan Medium Dalam Perambatannya. Karena gelombang bunyi merupakan gelombang mekanik, maka dalam perambatannya bunyi memerlukan medium. Hal ini dapat dibuktikan saat dua orang astronout berada jauh dari bumi dan keadaan dalam pesawat dibuat hampa udara,
astronout
tersebut
tidak
dapat
bercakap-cakap
langsung
tetapi
menggunakan alat komunikasi seperti telepon. Meskipun dua orang astronout tersebut berada dalam satu pesawat. 2.
Gelombang
Bunyi
Mengalami
Pemantulan
(refleksi).
Salah satu sifat gelombang adalah dapat dipantulkan sehingga gelombang bunyi juga dapat mengalami hal ini. Hukum pemantulan gelombang: sudut datang = sudut pantul juga berlaku pada gelombang bunyi. Hal ini dapat dibuktikan bahwa pemantulan
bunyi
dalam
ruang
tertutup
dapat
menimbulkan
gaung.
Yaitu sebagian bunyi pantul bersamaan dengan bunyi asli sehingga bunyi asli terdengar tidak jelas. Untuk menghindari terjadinya gaung maka dalam bioskop, studio radio dan televisi, dan gedung konser musik dindingnya dilapisi zat peredam suara yang biasanya terbuat dari kain wol, kapas, gelas, karet, atau besi.
14
3.
Gelombang
bunyi
mengalami
pembiasan
(refraksi).
Salah satu sifat gelombang adalah mengalami pembiasan. Peristiwa pembiasan dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada malam hari bunyi petir terdengar lebih keras daripada siang hari. Hal ini disebabkan karena pada pada siang hari udara lapisan atas lebih dingin daripada dilapisan bawah. Karena cepat rambat bunyi pada suhu dingin lebih kecil daripada suhu panas maka kecepatan bunyi dilapisan udara atas lebih kecil daripada dilapisan bawah, yang berakibat medium lapisan atas lebih rapat dari medium lapisan bawah. Hal yang sebaliknya terjadi pada malam hari. Jadi pada siang hari bunyi petir merambat dari lapisan udara atas kelapisan udara bawah. 4.
Gelombang
bunyi
mengalami
pelenturan
(difraksi).
Gelombang bunyi sangat mudah mengalami difraksi karena gelombang bunyi diudara memiliki panjang gelombang dalam rentang sentimeter sampai beberapa meter. Seperti yang kita ketahui, bahwa gelombang yang lebih panjang akan lebih mudah didifraksikan. Peristiwa difraksi terjadi misalnya saat kita dapat mendengar suara mesin mobil ditikungan jalan walaupun kita belum melihat mobil tersebut karena terhalang oleh bangunan tinggi dipinggir tikungan. 5.
Gelombang
bunyi
mengalami
perpaduan
(interferensi).
Gelombang bunyi mengalami gejala perpaduan gelombang atau interferensi, yang dibedakan menjadi dua yaitu interferensi konstruktif atau penguatan bunyi dan interferensi destruktif atau pelemahan bunyi. Misalnya waktu kita berada diantara dua buah loud-speaker dengan frekuensi dan amplitudo yang sama atau hampir sama maka kita akan mendengar bunyi yang keras dan lemah secara bergantian.
15
2.1.4 Kenyaringan Dan Desibel Bunyi kereta lebih nyaring daripada bunyi bisikan, sebab bunyi kereta menghasilkan getaran lebih besar di udara. Kenyaringan bunyi juga bergantung pada jarak kita ke sumber bunyi. Kenyaringan diukur dalam satuan desibel (dB). Bunyi pesawat jet yang lepas landas mencapai sekitar 120 dB. Sedang bunyi desiran daun sekitar 33 dB. Kebanyakan suara adalah merupakan gabungan berbagai sinyal, tetapi suara murni secara teoritis dapat dijelaskan dengan kecepatan osilasi atau frekuensi yang diukur dalam Hertz (Hz) dan amplitudo atau kenyaringan bunyi dengan pengukuran dalam desibel. Manusia mendengar bunyi saat gelombang bunyi, yaitu getaran di udara atau medium lain, sampai ke gendang telinga manusia. Batas frekuensi bunyi yang dapat didengar oleh telinga manusia kira-kira dari 20 Hz sampai 20 kHz pada amplitudo umum dengan berbagai variasi dalam kurva responsnya. Suara di atas 20 kHz disebut ultrasonik dan di bawah 20 Hz disebut infrasonik. 2.1.5 Perambatan Gelombang Ultrasonik Ada dua jenis perambatan gelombang akustik, yaitu gelombang longitudinal dan gelombang transversal. Pada gelombang longitudinal, getaran partikel dalam medium sejajar dengan arah rambat. Pada gelombang transversal, arah getar partikel tegak lurus arah rambatnya. Perambatan gelombang ultrasonik dalam medium gas, cair, dan tubuh manusia disebabkan oleh getaran bolak balik partikel melewati titik keseimbangan searah dengan arah rambat gelombangnya. Maka
16
gelombang bunyi lebih dikenal dengan gelombang longitudinal seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Gambar 2.5 Rambatan Gelombang Longitudinal Dan Transversal Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapatan (strain) dan tegangan (stress). Proses kontinyu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan didalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya. Gelombang suara merambat dalam medium dengan panjang gelombang λ, yang dapat ditulis :
17
λ = v/f
(2.1)
dimana : f = frekwensi v = cepat rambat gelombang dalam medium 2.2 Karakteristik Gelombang Ultrasonik Panjang gelombang (λ) adalah jarak yang ditempuh gelombang suara dalam dalam waktu satu detik yang diberi satuan Hertz. Frekwensi ultrasonik yang digunakan untuk mendeteksi berkisar antara 1 sampai 10 MHz. Periode adalah waktu yang dibutuhkan gelombang menempuh satu panjang gelombang dan sebanding dengan 1/f. Kecepatan ultrasonik (v) adalah jarak yang dilalui oleh gelombang per satuan waktu dan sebanding dengan panjang gelombang dibagi dengan periode. Karena periode dan frekwensi berbanding terbalik, maka hubungan antara kecepatan, panjang gelombang, dan frekwensi untuk gelombang ultrasonik adalah:
V=λ.f
(2.2)
Dimana v (cm/s) adalah kecepatan gelombang ultrasonik dalam medium, λ (mm) adalah panjang gelombang, dan f (MHz) adalah frekwensi. Kecepatan gelombang ultrasonik didalam medium diperlihatkan pada tabel berikut.
18
Tabel 2.1 Impedansi, Kecepatan Suara, dan Densitas Dalam Berbagai Médium
Pada tabel 2.1 memperlihatkan kecepatan bunyi melalui beberapa medium, dimana kecepatan bunyi bergantung kepada kerapatan medium (densitas). 2.3 Interaksi Gelombang Ultrasonik Dengan Materi Gelombang ultrasonik memiliki sifat memantul, diteruskan, dan diserap oleh suatu medium. Interaksi gelombang ultrasonik dengan jaringan mempengaruhi sinyal yang diterima oleh Receiver. 2.3.1 Impedansi Akustik Impedansi akustik suatu materi didefinisikan sebagai perkalian antara rapat jenis (ρ) rho, dan kecepatan gelombang akustik (v).
Z= ρ.v
(2.3)
Dimana : Z adalah impedansi akustik (gram/cm2s).
19
ρ(rho) adalah massa jenis (gram/cm3). v adalah cepat rambat gelombang (cm/sec). Ketika medium yang berdekatan memiliki impedansi akustik yang sama, hanya sedikit energi yang direfleksikan. Namun jika memiliki impedansi akustik yang berbeda maka akan banyak energi yang direfleksikan. Impedansi akustik memiliki peran menetapkan transmisi dan refleksi gelombang di batas antara medium yang memiliki impedansi akustik yang berbeda terlihat pada gambar dibawah ini (gambar 2.6).
Gambar 2.6 Interaksi Ultrasonik Dalam Dua Medium Dengan Impedansi Akustik Yang Sama (gambar atas) Dan Impedansi Akustik Yang Berbeda (gambar bawah)
20
2.3.2 Atenuasi Ketika gelombang suara melewati suatu medium, intensitasnya semakin berkurang
dengan
bertambahnya
kedalaman
suatu
material.
Hal
yang
menyebabkan pelemahan gelombang adalah proses refraksi, hamburan dan absorbsi. Absorbsi adalah penyerapan energi suara oleh medium dan diubahnya menjadi energi bentuk lain. Hal ini akan menyebabkan pulsa ultrasonik yang bergerak melewati suatu zat akan mengalami kehilangan energi. Besarnya energi yang diabsorbsi sebanding dengan koefisien pelemahan dan tebalnya medium yang dilalui. Setiap medium memiliki koefisien pelemahan yang berbeda-beda. Semakin kecil koefisien pelemahan maka semakin baik medium itu sebagai media penghantar. Penyerapan energi gelombang ultrasonik akan mengakibatkan berkurangnya amplitudo gelombang ultrasonik. Secara umum, atenuasi sebanding dengan kuadrat frekwensi gelombang. 2.3.3 Refraksi Ketika gelombang ultrasonik melalui dua medium yang berbeda dengan sudut tertentu maka gelombang ultrasonik mengalami refraksi. Refraksi adalah perubahan arah gelombang ultrasonik yang ditransmisikan pada batas antara medium yang berbeda ketika berkas gelombang tidak datang tegak lurus terhadap batas jaringan. Refraksi terjadi pada dua medium yang memiliki perbedaan impedansi akustik. Hukum Snells menggambarkan hubungan antara sudut (sudut datang dan sudut bias) dan kecepatan gelombang. Persamaan hukum snell menggambarkan
21
perbandingan antara kecepatan gelombang di medium pertama (VL1) dan kecepatan gelombang di medium 2 (VL2) dengan sinus sudut datang (θ1) dan sinus sudut bias (θ2). VL1
VL1’
θ1
θ1
θ2 VL2
Gambar 2.7 Refraksi
untuk sudut yang datang dan transmisi, maka:
(2.4)
Ketika VL2>VL1, sudut transmisi lebih besar daripada sudut datang dan sebaliknya jika VL2
22
2.3.4 Hamburan Peristiwa hamburan yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berinteraksi dengan batas antara dua medium. Jika batas dua medium relatif rata, maka pulsa ultrasonik dapat disebut dengan specular reflection (seperti pemantulan pada cermin) dimana semua pulsa ultrasonik akan dipantulkan kearah yang sama. Permukaan yang tidak rata menyebabkan gelombang echo dihamburkan ke segala arah. Hamburan ke segala arah ini menyebabkan hanya sedikit gelombang echo yang ditangkap kembali oleh tranduser dan akan berperan dalam menampilkan citra.
Gambar 2.8 Hamburan Pada Beberapa Permukaan 2.3.5 Refleksi Apabila gelombang ultrasonik mengenai permukaan antara dua medium yang memiliki perbedaan impedansi akustik (Z), maka sebagian dari gelombang ultrasonik
ini
akan
direfleksikan/dipantulkan
dan
sebagian
lagi
akan
ditransmisikan/diteruskan. Pulsa yang mengenai cacat akan direfleksikan dan ditangkap oleh receiver
23
Untuk diolah menjadi pulsa. Refleksi yang sangat kuat terjadi pada batas cacat dan dapat digunakan untuk mengetahui keabnormalan pada logam. Energi ultrasonik yang direfleksikan pada perbatasan antara dua jaringan terjadi karena perbedaan dari impedansi akustik dari kedua.
Gambar 2.9 Transmisi dan Refleksi Keterangan gambar : Angle of Incidence adalah Amplitudo gelombang ultrasonik yang datang. Refracted Shear Wave adalah Gelombang ultrasonik yang ditransmisikan pada probe sudut. Longitudinal Wave adalah gelombang tegak lurus yang ditransmisikan pada proobe normal.
24
Gambar 2.10 Reflected Longitudinal Wave Adalah Gelombang Ultrasonik Yang Dipantulkan
Proses perjalanan gelombang ultrasonik adalah sebagai berikut, mula mula gelombang ultrasonik dengan amplitudo tertentu mengenai medium, kemudian gelombang ultrasonik tersebut akan dipantulkan permukaan medium. Perbandingan amplitudo pantulan (R) terhadap amplitudo datang (Ao) bergantung pada impedansi akustik (Z) dari dua medium itu. Hubungan pernyataan itu adalah Medium 1 = Z1 . V1 Medium 2 = Z2 . V2
(2.5)
Dengan Z1 dan Z2 adalah impedansi akustik dari kedua medium (kg/m2s). Telah dikemukakan diatas bahwa gelombang ultrasonik sebagian akan ditransmisikan. Perbandingan antara amplitudo transmisi (T) dan amplitudo gelombang datang (Ao) adalah : 25
(2.6)
Koefisien intesitas pantulan (RI), didefinisikan sebagai perbandingan dari intensitas pantulan dan intensitas yang datang:
2
(2.7)
dan koefisien intensitas transmisi adalah:
TI =
(2.8)
Pada logam yang lunak, hanya sebagian kecil pulsa yang direfleksikan. Untuk logam yang keras, energi yang direfleksikan sangat besar. Amplitudo pulsa dilemahkan adanya absorbsi medium dan energi yang direfleksikan. Hal ini menyebabkan gelombang echo yang dikirimkan kembali ke tranduser sangat kecil dibandingkan dengan pulsa awal yang dihasilkan tranduser. 2.4 Tranduser Tranduser adalah sebuah alat yang jika digerakkan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya. Transmisi energi ini bisa berupa energi listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi), atau thermal (panas). Ultrasonik dihasilkan dan dideteksi oleh tranduser.
26
Gambar 2.11 Tranduser Tranduser ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip piezoelektrik yang ditemukan pada tahun 1880. Sifat bahan piezoelektrik adalah menghasilkan muatan listrik jika diberi perlakuan mekanik. Sebaliknya, jika bahan ini diberikan tegangan listrik maka akan terjadi perubahan ketebalan (mengembang dan mengkerut). Material yang biasa digunakan sebagai elemen tranduser adalah zirconate titanate (PZT). Elemen piezoelektrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk menghasilkan ultrasonik dan energi mekanik menjadi energi listrik untuk mendeteksi ultrasonik. Tranduser memiliki dua fungsi yaitu: a. Menghasilkan pulsa ultrasonik b. Menerima atau mendeteksi echo yang kembali 2.4.1 Elemen Aktif Elemen aktif atau dikenal dengan elemen piezoelektrik adalah komponen fungsional tranduser. Piezoelektrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik ketika mengirim gelombang ultrasonik dan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik ketika menerima gelombang ultrasonik. Energi ultrasonik 27
dihasilkan melalui tranduser yang melibatkan efek atau fenomena piezoelektrik. Efek piezoelektrik adalah sifat dari kristal tertentu jika diberikan tekanan akan menghasilkan muatan-muatan elektrik positif dan negatif pada kedua belah permukaan. Ketika tekanan luar memberikan efek tegangan mekanik pada permukaan piezoelektrik, dipole-dipole akan terganggu dari posisi keseimbangannya. Hal ini mengakibatkan adanya ketidakseimbangan distribusi muatan. Kemudian akan mengakibatkan perbedaan potensial dimana satu sisi akan bermuatan positif dan yang lainnya bermuatan negatif. Elektroda yang berada di permukaan akan segera mengukur besarnya tegangan tersebut, dimana nilainya akan proporsional dengan amplitudo mekanik yang timbul. Begitupun sebaliknya, pemberian tegangan pada permukaan piezoelektrik akan menyebabkan ekspansi dan kontraksi mekanik dari elemen tranduser. Efek satu dengan yang lainnya (mutually effect) dari kristal akan terjadi jika diberikan beda potensial pada permukaan kristal maka kristal tersebut akan mengalami pengecutan atau pengembangan mekanik. Keadaan ini akan menghasilkan tekanan dalam bentuk energi ultrasonik. Andaikan beda potensial bolak-balik (alternative voltage) yang diberikan, maka kristal piezoelektrik tersebut akan mengembang dan mengecut mengikuti besarnya beda potensial yang diberikan, dan proses ini akan menghasilkan gelombang ultrasonik. 2.4.2 Damping Block Damping block adalah lapisan dibelakang elemen piezoelektrik yang akan menyerap energi ultrasonik yang datang dan melemahkan sinyal ultrasonik yang
28
merambat pada casing tranduser. Komponen ini juga berfungsi mengurangi vibrasi tranduser untuk menghasilkan pulsa ultrasonik dengan lebar pulsa yang pendek. 2.4.3 Wear Plate Penggunaan wear plate bertujuan untuk melindungi tranduser. Biasanya wear plate ini adalah kandungan plastik yang dapat melindungi tranduser dari gesekan antar permukaan plat. Wear plate ini juga berguna mengurangi grass yang timbul pada layar CRT. 2.4.4 Bandwidth Bandwidth adalah lebar distribusi frekwensi yang dilibatkan pulsa. Vmax
bw
Frekwensi Gambar 2.12 Bandwidth 2.5 Prinsip Kerja Ultrasonik Prinsip kerja ultrasonik memanfaatkan hasil pantulan pantulan (echo) dari gelombang ultrasonik apabila ditransmisikan pada jaringan tertentu. Gelombang suara frekwensi tinggi dikirimkan ke dalam medium dan akan dipantulkan kembali ketika sampai pada batas medium yang berbeda. Echo dari gelombang
29
tersebut akan kemudian dideteksi dengan tranduser yang mengubah gelombang akustik ke sinyal elektronik untuk diolah dan ditampilkan. Ultrasonik bekerja dengan cara memancarkan gelombang suara frekwensi tinggi ke logam melalui tranduser. Gelombang suara ini menembus material logam dan mengenai batas batas perbedaan impedansi didalam logam, misal antara logam dan rongga cacat ataupun dengan keretakan. Sebagian gelombang suara ini dipantulkan kembali ke tranduser , sebagian lain akan terus menembus bagian bagian lain didalam logam tersebut sampai kemudian juga dipantulkan.
Gambar 2.13 Sistem Pulse Echo Ultrasonic Gelombang –gelombang suara pantulan ini akan ditangkap kembali oleh tranduser dan diteruskan ke alat ultrasonik, yang akan menghitung berapa jarak indikasi pemantul dengan probe berdasarkan kecepatan suara didalam jaringan. Lalu mesin ultrasonik menampilkan pantulan gelombang suara itu di layar dalam bentuk sinyal.
30
2.5.1 A-Mode
Gambar 2.14 A-Mode A-mode display digunakan untuk menggambarkan hubungan amplitudo pulsa echo dengan kedalaman indikasi cacat dalam logam. Posisi sinyal echo di kedalaman logam dipengaruhi oleh interval waktu pulsa yang dikirimkan dan diterima. Gambar 3.3 menjelaskan proses terbentuknya A-mode. Pantulan pertama terjadi sebagai pulsa yang dikirim oleh transmitter. Pulsa ultrasonik merambat kedalam logam sampai pada batas indikasi cacat yang memiliki impedansi akustik berbeda. Hal ini menyebabkan sebagian pulsa ultrasonik dipantulkan dan diterima oleh receiver sehingga menghasilkan pulsa echo A. Sebagian pulsa ultrasonik yang telah melewati batas indikasi cacat akan diteruskan pada sampai batas perbedaan impedansi kembali, sehingga dihasilkan echo kembali.
31
2.6 Couplant Couplant adalah media perantara antara tranduser dengan permukaan logam, couplant harus bisa melindungi permukaan plat dari udara, karena udara adalah adalah penghantar yang buruk bagi sinyal ultrasonik. Couplant harus zat yang halus sehingga memudahkan tranduser untuk bergerak di permukaan logam. Oli atau air bercampur dengan glycerine direkomendasikan untuk setiap pengujian ultrasonik. Cairan couplant tidak boleh tebal dan tidak boleh terlalu tipis. Karena akan berpengaruh pada gaya mekanis tranduser.
Gambar 2.15 Couplant
Gambar 2.16 Permukaan Logam Yang Kasar dan Halus Diberikan Lapisan Couplant Mempengaruhi Sinyal Ultrasonik
32
Gambar 2.17 Tampilan Pulsa Pada Alat Ultrasonik
2.7 Calibration Block Blok kalibrasi terdiri dari beberapa unit dengan masing masing standard prosedur sesuai
peraturan (ASME, AWS). Didalam pengujian menggunakan
ultrasonik, setiap indikasi di ilustrasikan kedalam blok kalibrasi sesuai dengan tipe standard blok ASTM. Masing masing block memiliki standar yang berbeda beda. Tebal standar kalibrasi block dapat berbentuk datar atau melengkung untuk aplikasi pipa dan tubing. Area standar amplitudo memanfaatkan lobang bawah sisi datar atau lobang di bor untuk menetapkan ukuran reflektor yang dikenal dengan perubahan bentuk permukaan. Standar kualifikasi berbeda dari standar kalibrasi, yang menerapkan tujuan dari berbagai operasi dengan peralatan dan kualifikasi penggunaan peralatan yang tepat untuk kode tertentu dan standar. 33
. Gambar 2.18 Kalibrasi Block V1
Gambar 2.19 Kalibrasi Block V2 Kedua block diatas adalah block standar untuk pengujian ultrasonik, biasa digunakan untuk mengkalibrasi sudut, jarak dan keakuratan reflektor.
34
Gambar 2.20 Kalibrasi Block IOW Gambar block kalibrasi diatas adalah block standar untuk ASME prosedur. Umumnya untuk pengujian pada bejana tekan, piping process, dan piping power yang mengikuti standar ASME 1, ASME VIII, ASME IX.
Gambar 2.21 Dc-Db Accuracy Block Gambar block kalibrasi diatas untuk keakuratan dalam mendeteksi laminasi pada benda uji.
Gambar 2.22 Block BCB/RC
35
Block BCB adalah block untuk standar AWS D1.1 yang dipakai pada pengujian structure (T, Y, K) sambungan. Serta berfungsi meningkatkan resolusi dan sensitivity.
Gambar 2.23 Jenis Jenis Blok Kalibrasi Lainnya
36
