POLA SPEKEL AKUSTO-OPTIK UNTUK PENDETEKSIAN GETARAN (VIBRASI) AKUSTIK PADA OBJEK YANG BERGETAR

POLA SPEKEL AKUSTO-OPTIK UNTUK PENDETEKSIAN GETARAN

Physics

POLA SPEKEL AKUSTO-OPTIK UNTUK PENDETEKSIAN GETARAN (VIBRASI) AKUSTIK PADA OBJEK YANG BERGETAR Harmadi1, Gatut Yudoyono2, Mitrayana3, Agus Rubiyanto2, dan Suhariningsih4 1

Departemen Fisika FMIPA UNAND, 2Departemen Fisika FMIPA ITS Surabaya, 3Departemen Fisika FMIPA UGM Yogyakarta, 4Departemen Fisika FST UNAIR Surabaya. [email protected], [email protected], [email protected].

Abstrak Telah dilakukan penelitian untuk mendeteksi getaran (vibrasi) akustik pada suatu objek yang bergetar dari pola spekel akusto-optik. Penelitian ini dilakukan dengan menggetarkan suatu objek material. Ketika modulasi tegangan diberikan pada transduser, transduser mengkonversi sinyal listrik ke dalam objek material, sehingga terjadi perambatan gelombang bunyi pada material, dan seberkas cahaya koheren dari sebuah laser He-Ne (Ȝ=632.8nm) diberikan pada material maka terjadi interaksi akusto-optik di dalam material yang menghasilkan pola radiasi dalam bentuk spekel. Pemberian frekuensi getar dimulai dari 1 Hz sampai dengan 10 Hz dengan tegangan 20 Vpp dari Function Generator. CCD camera 30 fps dapat mendeteksi pola spekel akusto-optik dari objek material yang digetarkan. Perubahan intensitas terhadap waktu dianalisa dengan menggunakan Software Matlab 7.0, sehingga dapat menggambarkan frekuensi getaran akustik dari objek material yang bergetar pada titik posisi pengamatan yang sama yaitu arah horizontal diatur pada 101 piksel, dan arah vertikal diatur pada 216 strip berupa video klip avi dengan ukuran gambar 320 x 240 piksel. Kata kunci : Pola spekel, interaksi gelombang akustik dan optik, getaran akustik.

1.

PENDAHULUAN Léon Brillouin pada tahun 1922 ahli fisika perancis, adalah orang pertama berteori

bahwa cahaya dapat dibawa oleh gelombang bunyi di suatu medium untuk menerangkan efek akusto-optik yang dianalogikan seperti suatu kisi difraksi. Ia mengadakan percobaan dengan menggunakan tabung akustik yang dilewati oleh cahaya, sehingga terjadi penghamburan gelombang cahaya oleh gelombang bunyi. Suatu gelombang akustik menghasilkan

suatu

tekanan

periodik

dari

suatu

material

yang

berpropagasi,

mempengaruhi suatu perubahan sesuai dengan indeks bias dari medium. Setelah penemuan laser pada periode tahun 1960-an sampai sekarang mengalami kemajuan yang pesat dalam riset, teknologi serta aplikasi dalam bidang akusto-optik, yaitu dengan menggunakan berkas cahaya yang koheren. Suatu peralatan akusto-optik tersusun atas tiga komponen utama yaitu transduser piezoelektrik, medium akusto-optik, dan sumber laser. Transduser mengkonversi sinyal

Prosiding Seminar Nasional Sains III; Bogor, 13 November 2010

322


Physics

listrik ke dalam material akusto-optik, sehingga terjadi perambatan gelombang bunyi pada material, dan jika seberkas cahaya kohern dari suatu sumber laser diberikan pada material maka akan terjadi interaksi akusto-optik di dalam material, yaitu interaksi gelombang akustik dengan gelombang optik menghasilkan berkas radiasi optis dalam bentuk peristiwa modulasi, difraksi, dan defleksi [Dennis T.G. & T.C. Poon, 2002]. Di dalam penelitian-penelitian yang dilakukan pola radiasi yang teramati adalah dalam bentuk speckle imaging (pencitraan bintik) dari hamburan (scattering) berkas laser yang melewati medium akusto-optik [M. Kempe, et al., 1997]. Minat penelitian yang bersifat eksperimen ini makin terus meningkat dan berkembang, seiring meningkatnya perkembangan yang luar biasa di bidang desain dan fabrikasi peralatan-peralatan industri dan peralatan medis (medical devices) yang andal, yang dapat mendeteksi dini (awal) material, biomaterial, biomolekuler, sel, jeringan (tissue), atau organisme. Adapun beberapa penelitian yang telah dilakukan dan kegunaan dari penelitian tersebut, di antaranya adalah untuk mengetahui karakteristik dan pencitraan dari hamburan kembali (backscattering) in-situ local tissue [Sandrine L.F., et al., 2001], pencitraan 3D di dalam media biologi [Juliette SELB, et al., 2001],

menguji dan

mendeteksi kerusakan di dalam struktur heterogen [A. Ghoshal, et al., 2003], menentukan pola radiasi akustik pada material fused quartz [Harmadi, et al., 2004], mendeteksi phantom tissues (kelainan jaringan) [Claude F.B., et al., 2003], dan pencitraan (imaging) biophotonik dengan metode AOT dan PAT [Lihong V.W., 2004]. 2.

TINJAUAN PUSTAKA Interaksi antara gelombang bunyi dan gelombang cahaya disebut dengan interaksi

akusto-optik. Efek akusto-optik

adalah merupakan strain (regangan) mekanik yang

dihasilkan di dalam material oleh perambatan gelombang akustik, menyebabkan perubahan indeks bias di dalam material melalui efek photoelastik. Suatu peralatan akusto-optik tersusun dari suatu medium akustik, seperti blok kristal atau kaca kecil dan suatu transduser piezoelektrik Transduser mengkonversi sinyal listrik ke dalam perambatan gelombang bunyi dalam medium akusto-optik. Tekanan dalam gelombang bunyi menyebabkan suatu gangguan dalam indeks bias dari material (seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1).


323


Physics

Gambar 2.1 Variasi spasial indeks bias perambatan gelombang bunyi [Yarif A., (1984)]

Pada Gambar 2.1 diperlihatkan variasi sinusoidal atau variasi spasial indeks bias dari perambatan gelombang bunyi yang mempunyai suatu perioda kisi / sama dengan panjang gelombang bunyi di material, dan bergerak sepanjang arah gelombang bunyi dengan kecepatan

X

: K

: / 2S

(2.1)

Persamaan (2.1) adalah kecepatan bunyi dalam material. Peralatan akusto-optik (seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2), bertindak sebagai kisi tipis dengan separasi garis, ini sama dengan panjang gelombang dari bunyi / dalam medium akustik. Hal ini dapat ditunjukkan dengan menguji hamburan berkas cahaya di dalam suatu sel bunyi, sehingga terjadi phase pemisahan kisi cahaya datang kedalam beberapa orde difraksi, seperti ditunjukkan di dalam persamaan kisi berikut

sin I m

sin Iinc

mO0 , /

m

0,r1,r2,......... .

(2.2)

dimana I m adalah sudut dari orde ke m berkas hamburan cahaya, Iinc sudut datang, dan

O 0 panjang gelombang cahaya, semua ini di dalam medium akustik. Sehingga sudut antara orde-orde yang berdekatan (dari Gambar 2.2) sama dengan O0 / di dalam sel.


324


Physics

Gambar 2.2 Peralatan dasar akusto-optik [Banerjee (1991)]

3.

BAHAN DAN METODE Rancangan penelitian yang dilakukan adalah eksperimental laboratorik, yaitu

pengamatan pola speckle imaging akusto-optik untuk pendeteksian getaran (vibrasi) akustik pada media material akrilik yang digunakan untuk bahan pembuatan desain dan fabrikasi dari peralatan-peralatan industri dan medis, serta penelitian ini dilakukan di laboratorium. Untuk mewujudkan harapan dari penelitian ini maka dilakukan tahapan penelitian seperti pada Gambar 3.1 berikut ini :

Tahap Penelitian

Proses Penelitian

Eksperimen Tahap I

Mendisain atau merancang peralatan akusto-optik yang digunakan pada media akrilik

Eksperimen Tahap II

Mendeteksi dan menganalisa objek yang bergetar pada frekuensi akustik dengan menggunakan CCD camera dan software Matlab 7.0

Hasil Penelitian

Memperoleh pola speckle imaging

Memperoleh parametr fisis Amplitudo, Pergeseran, Frekuensi

Gambar 3.1 Skema Kerangka Operasional Penelitian

Pengukuran intensitas pola spekel akusto-optik peralatan disusun (seperti Gambar 3.2), dengan melihat pola bintik (spot) berkas laser pada layar berupa pola spekel dapat digunakan dengan menggunakan camera digital (CCD Camera), yang kemudian dianalisa


325


Physics

intensitas pola radiasi akustiknya dengan menggunakan software computer, sehingga bisa dilihat berapa besar perubahan intensitas. Pembangkit Frekuensi Akustik (Function Generator/Osilator)

Transduser Piezoelektrik

Beam Ekspander

Detektor CCD Camera

Sumber Laser

Medium Akustooptik / Media Material Akrilik

Lensa Pemfokus

Lensa Pemfokus PC Computer Detektor CCD Camera

Gambar 3.2 Susunan peralatan penelitian.

4.

HASIL DAN PEMBAHASAN Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh data pengamatan terhadap material

akusto-optik yaitu menggunakan bahan akrilik dengan pemberian frekuensi 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, 5 Hz, 6 Hz, 7 Hz, 8 Hz, 9 Hz, dan 10 Hz yang dibangkitkan oleh Function Generator pada tegangan 20 Vpp, sehingga diperoleh intensitas pola spekel untuk menentukan getataran dari suatu objek material yang bergetar tersebut. Secara berturutturut data hasil pengamatan dideteksi dengan menggunakan CCD camera 30 frame perdetik, dan dianalisa dengan menggunakan software Matlab 7.0 ditampilkan sebagai berikut :


326


Physics


327


Physics

Gambar 4.1 Hasil pengamatan intensitas pola spekel

Terlihat dengan posisi pengamatan yang sama yaitu pada arah horizontal diatur pada 101 piksel, dan arah vertikal diatur pada 216 strip dari suatu gambar berupa video klip avi dengan ukuran gambar 320 x 240 piksel. Setelah dianalisa didapatkan adanya perubahan secara dinamik intensitas pola spekel terhadap waktu, yaitu terlihat perubahan getaran atau frekuensi yang ditimbulkan oleh objek material yang bergetar, sesuai dengan frekuensi yang dipelihatkan pada masing-masing gambar dari hasil pengamatan, walaupun dipengaruhi oleh ganguan-gangguan (noise) dari lingkungan.


328


5.

KESIMPULAN DAN PROSPEK

5.1.

Kesimpulan

Physics

Berdasarkan hasil pengamatan di dalam penelitian, maka diperoleh beberapa kesimpulan yaitu : -

Pola spekel akusto-optik dapat terbentuk dengan cara menembakkan berkas laser Helium Neon (Ȝ=632.8nm) pada objek material akrilik yang digetarkan pada frekuensi akustik.

-

Pola spekel akusto-optik dapat dideteksi dengan menggunakan CCD camera 30fps dan dengan menggunakan software Matlab 7.0 dapat dianalisa frekuensi getaran akustik dengan cara melihat perubahan intensitas terhadap waktu.

-

Dapat menggambarkan frekuensi akustik dari objek material yang bergetar pada titik posisi pengamatan yang sama, yaitu pada titik arah horizontal 101 dan arah vertikal 216 dari gambar video klip avi 320 x240 piksel.

5.2.

Prospek

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan maka: -

Perlu disempurnakan peralatan pendeteksi CCD camera dengan spesifikasi yang lebih tinggi, untuk penangkapan pola spekel akusto-optik dengan frekuensi getar yang lebih tinggi.

-

Perlu penyempurnaan bagaimana cara supaya mudah untuk penentuan titik posisi pengamatan dalam menentukan arah horizontal dan arah vertikal dari ukuran piksel gambar video klip avi.

-

Dapat di terapkan pada industri dan teknologi di bidang pertanian maupun medis.

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada penyelenggara BPPS Pascasarjana UNAIR 2007/2010, Hibah Penelitian Program Doktor 2009 DP2M DIKTI, dan Hibah Penelitian Guru Besar ITS, yang telah memfasilitasi dan membiayai penelitian ini. Semoga penelitian ini dapat bermanfat untuk pengembangan dunia ilmu pengetahuan dan teknologi.

DAFTAR PUSTAKA Banerjee, P. P., Poon, Ting-Chung, (1991), “Principles of Applied Optics”, Richard D. Irwin, Inc., Boston. Das, P.K., DeCusatis, C.M., (1991), “Acousto-Optic Signal Processing: Fundamentals & Aplications”, Artech House, Inc., Boston. Dennis, T.G., T.C. Poon, (2002), “Measurement of acoustic radiation pattern in an acousto optics modulator”, SEC on.


329


Physics

Dixon, R.W, (1967), “Photoelastic Properties of Selected Materials and Their Relevance for Applications to Acoustic Light Modulator and Scanners”, J.of App. Phys. (Dec.) 38:5149. Ghoshal, A., et al., (2003), “Eksperimental Investigation of Damage Detection in Composite Material Structures using a Laser Vibrometer and Piezoelectric Actuators”, J. of Inteligent Material System and Structures, 14 ; 521. Harmadi, Imam Taufiq, Wildian, Agus Rubiyanto, & Gatut Yudoyono, (2007), “Acoustooptic Effect of an Modulator and Deflector Acoustooptic Utilized to Determine Acoustic Radiation Pattern and to Measure Vibration on High Frequency Using Heterodyne Laser Vibrometer Method”, Laporan Penelitian PEKERTI, DP2M DIKTI. Harmadi, & Rubiyanto, A, (2004), “Pengukuran Pola Radiasi Akustik dari Suatu Modulator Akusto-Optik dengan Menggunakan Laser He-Ne”, Prosiding Sem. Nas. Pasacasarjana IV, Vol. 1-267. Juliette SELB, et al., (2001), “3D Acousto-optic modulated-speckle imaging in biological tissues”, Applied Physics Biophysics C. R. Acad. Sci. Paris, t.2, serie IV, p.12131225. Kempe, M., et al., (1997), “Acousto-optic tomography multiply scattered light”, J. Opt. Soc. Am., Vol. 14, No. 5. Lihong V.W., (2004), “Ultrasound-mediated Biophotonic Imaging: A review of Acoustooptical tomography and photo-acoustic tomography”, IOS Press, 123-138. Misto, & Rubiyanto, A., (2003), “Pengukuran Frekuensi Getaran dengan Teknik yang Berbasis pada Interferometer Michelson”, pp.A5.1-A5.4. Morris, T., (1992), Optoelectronics: Fiber Optics and Laser A Text- Lab Manual, Second Edition, Glencoe, Singapore. Sandrine L.F., et al., (2001), “In Situ local Tissue Characterization and Imaging by Backscattering Acousto-optic Imaging”, Elsevier Science, Optics communications 196 : 127-131. Vairac, P., & Cretin, B., (1996), “New Structures for heterodyne Interferometric Probes Using Double-pass”, Optics Communications, 132, 19-32. Whitaker, J. C., (1996), “The Electronics Handbook”, Technical Press, inc., Beaverton, Oregon. Yariv, A., Yeh, P., (1984), “Optical Waves in Crystals. Propagation and Control of Laser Radiation”, John Wiley & Sons,inc., New York.


330

POLA SPEKEL AKUSTO-OPTIK UNTUK PENDETEKSIAN GETARAN (VIBRASI) AKUSTIK PADA OBJEK YANG BERGETAR

Recommend Documents