TUGAS AKHIR STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG BEAM, POSISI PIEZOELECTRIC, AMPLITUDO DAN FREKUENSI GETARAN TERHADAP VOLTASE BANGKITAN PADA MEKANISME BEAM
DISUSUN OLEH BUDI YULI PRIANTO NRP. 2104100132 Dosen Pembimbing Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST. M.Eng LABORATORIUM DESAIN JURUSAN TEKNIK MESIN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2010
1
Latar Belakang Piezoelectric Menghasilkan energi listrik
Aktivitas shaking menghasilkan energi listrik
Perlu eksperimen untuk mengetahui energi listrik bangkitan
Peralatan mobile charger
2
Memodelkan mekanisme beam pembangkit energi listrik
1 Perumusan Masalah
2 Melakukan percobaan untuk mengetahui energi listrik bangkitan
3 Melakukan perhitungan untuk mengetahui energi listrik bangkitan
3
Batasan Masalah Percobaan dilakukan untuk mengetahui voltase listrik
1
Percobaan tidak dilakukan untuk mengetahui arus listrik
2
Variasi parameter (panjang beam, posisi piezoelectric, amplitudo getaran, frekuensi getaran)
3 4
Tujuan Penelitian Mengetahui pengaruh panjang beam dan posisi piezoelectric terhadap energi listrik bangkitan
1
Mengetahui pengaruh amplitudo dan frekuensi getaran terhadap energi listrik bangkitan
2
5
Dasar Teori Piezoelectric adalah material yang dapat menghasilkan energi listrik apabila diberi tegangan mekanik & dapat menghasilkan deformasi mekanik bila diaplikasikan tegangan listrik (reverse effect)
Gambar 2.1
6
Macam macam piezoelectric
Bentuk bentuk piezoelectric
1. Kristal seperti Quartz (SiO2), Galium Orthoposphate (GaPO4) 2. Keramik seperti Barium Titanate (BaTiO3), Lead Zirconate Titanate (PZT) 3. Polimer seperti Polyvinilidene Diflouride (PVDF) Strip, disc, bar, cylindrical, cubic, column
7
Voltase Listrik yang dibangkitkan
Tabel 2.1
8
Mode Coupling Terdapat 2 mode coupling pada prakteknya
Tabel 2.2
9
Teori Getaran Getaran : gerakan bolak balik melalui titik kesetimbangan Parameter getaran 1. Amplitudo : simpangan terbesar 2. Frekuensi : banyaknya getaran dalam satu detik 3. Periode : waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran Macam-macam getaran
Berdasarkan sumber getaran 1. getaran bebas 2. getaran paksa Berdasarkan jumlah DOF 1. getaran single DOF 2. getaran multi DOF Berdasarkan ada/tidaknya redaman 1. getaran teredam 2. getaran tak teredam
10
Penentuan Frekuensi Natural Kondisi equilibrium kΔ = w kΔ = mg Dengan memberi simpangan x
F m x w – k ( Δ+x ) = m x Solusi umum
k Δ - k ( Δ+x ) = m x
x = A sin ωt
m x kx 0 ......( 2 . 1)
x A cos t
m 2 A sin t kA sin t
x A sin t 2
m ( 2 A sin t ) k ( A sin t ) 0
k m k m k m 2
Mensubstitusikan ke pers (2.1) (2.2)
2
11
Getaran Bebas Persamaan getaran
mx cx kx F (t ) Tidak ada rangsangan dari luar
m x c x kx 0 ......( 2 . 3 ) Solusi umum
x = e st …. (2.4) Dengan mensubstitusikan pers 2.4 ke pers 2.3
Persamaan 2.6 mempunyai dua akar :
(ms2 + cs + k) est = 0 …. (2.5) Yang dipenuhi untuk semua nilai t apabila
s2
c k s 0......( 2.6) m m
2
s1, 2
c k c 2m m 2m
Sehingga pers 2.4 menjadi
x Ae s1t Be s2t
A dan B ditentukan dari kondisi awal
12
Metodologi Penelitian Pemodelan Mekanisme
piezoelectric
h
w
beam T
b p
L
13
Metodologi Percobaan Bahan & Alat Percobaan
3 2
1
penjepit Untuk menjepit beam piezoelectric penggaris Berfungsi sebagai beam
Sebagai pembangkit energi listrik. Terbuat dari PZT
14
Alat penggetar 4
Berfungsi untuk menggetarkan beam. Terdiri dari motor DC dan disc penggetar Disc penggetar : terdiri dari 3 lubang untuk menentukan amplitudo getaran Adaptor Berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC dan mengubah putaran motor ω1 = 362,8 rpm = 37,98 rad/s
5
Putaran motor diukur oleh tachometer dimana pada percobaan ini terdiri dari 3 putaran yaitu :
ω2 = 537 rpm = 56,22 rad/s ω3 = 797,8 rpm = 83,54 rad/s
15
Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan dengan menggetarkan beam pada ujungnya dengan variasi parameter sbb : A = 2 cm, 3 cm, 4cm a = 2 cm, 4 cm, 6 cm L = 16 cm, 18 cm, 20 cm ω = 37,98 rad/s ; 56,22 rad/s ; 83,54 rad/s Dimana A = amplitudo a = posisi piezoelectric L = panjang beam ω = frekuensi getaran
Gambar skema percobaan
16
Flowchart Percobaan
17
Metodologi Perhitungan
h
Beam
b L
w
T
piezoelectric p
A piezo = w. T Momen inersia :
bh3 I 12
Momen tahanan bending :
Wb
Parameter yang dirubah : L = panjang beam A = amplitudo a = posisi piezoelectric ω = frekuensi getaran
2I h
18
Gaya eksitasi pada ujung beam : Psin ωt
Gaya pada piezo : F = σ. Apiezo
P sin ωt = k A sinωt
Voltase yang dibangkitkan : V
Momen bending di a : M = P sinωt (L-a)
V
tegangan bending di a :
M Wb
g 31.F w
(Dari tabel 2.1)
g31 = konstanta tegangan listrik (Vm/N)
19
Flowchart Perhitungan
20
