ANALISA POSISI DETEKTOR AKUSTIK PADA RESONATOR FOTOAKUSTIK TIPE SILINDER

Anita Wahyuni; Prof. Dr.rer.nat.Agus Rubiyanto, M.Eng.Sc.; M. Arief Bustomi, M.Si.

Jurusan Fisika

Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Email: anita.anita.wahyuni@gmail.com

Abstrak Telah dianalisis sel fotoakustik berupa resonator silinder tipe azimuth dan longitudinal

dengan variasi diameter rongga 5 mm, 10 mm, dan 15 mm. Piezoelektrik digunakan sebagai sumber gelombang akustik yang dimodulasi dengan function generator pada daerah kerja 1kHz sampai dengan 40kHz. Sebuah mikrofon yang berfungsi sebagai detektor dipasang pada dinding resonator dengan jarak yang bervariasi yaitu 3 mm, 19 mm, dan 35 mm dari transduser piezoelektrik untuk resonator longitudinal. Jarak detektor terhadap piezoelektrik pada resonator azimuth adalah 19 mm, dan jarak antar detektor dalam posisi azimuth adalah 3 cm. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa frekuensi karakteristik resonator azimuth untuk diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 20 kHz, 14 kHz, dan 13 kHz. Frekuensi karakteristik resonator longitudinal untuk diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 24 kHz, 25 kHz, dan 18 kHz. Posisi detektor pada jarak 34 mm dan 35 mm dari piezoelektrik mendeteksi sinyal akustik maksimum. Hal ini mendekati hasil perhitungan persamaan tekanan akustik, dimana 𝑃 akan mencapai maksimum ketika 𝑧 bernilai 35,3 mm.

Kata kunci : Sel Fotoakustik, Resonator, Piezoelektrik, Detektor

Abstract

Cylindrical photoacoustic resonator consisting of azimuthal and longitudinal type with diameters of cavity are 5 mm, 10 mm, and 15 mm have been analyzed. A piezoelectric transducer used as a source of acoustic waves which modulated by a function generator at frequency range 1 kHz to 40 kHz. A microphone was used as a detector with a varying distances at 3 mm, 19 mm, and 35 mm from the piezoelectric transducers for longitudinal resonator. The distance of detector position on azimuthal resonator is 19 mm from the piezoelectric transducers. The result show characteristic frequency of azimuth resonator for 15 mm, 10mm, and 5 mm are 20 kHz, 14 kHz, and 13 kHz. While, characteristic frequency of longitudinal resonator for diameter 15 mm, 10mm, and 5 mm are 24 kHz, 25 kHz, and 18 kHz. The detector position at 34 – 35 mm from piezoelectric could detect the maximum acoustic signal. Keywords: Photo-acoustic cell, Resonator, Piezoelectric, Detector

I. Pendahuluan Spektroskopi didefinisikan sebagai ilmu

yang mempelajari interaksi antara materi dengan cahaya. Spektroskopi fotoakustik berdasarkan efek fotoakustik, yaitu timbulnya gelombang akustik bila suatu bahan baik padat, cair maupun gas dikenai cahaya termodulasi.

Efek fotoakustik pertama kali dikembangkan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 ketika ia mengamati terbentuknya gelombang bunyi dari suatu bahan padat yang disinari oleh cahaya matahari. Intensitas cahaya matahari diarahkan pada bejana kaca tertutup berisi cuplikan padat yang menyerap radiasi infra merah. Dengan stetoskop

(semacam mikrofon) ia dapat mendengar bunyi yang sangat lemah akibat serapan radiasi oleh padatan. Allan Rosencweig dan Gresho (1973) menemukan wadah sampel berukuran kecil dan berbentuk silinder yang disebut sel.

Pada spektroskopi fotoakustik zat padat, cahaya termodulasi dilewatkan pada sampel padatan yang terletak di dalam sel fotoakustik. Energi cahaya akan diserap oleh molekul –molekul sampel. Serapan tersebut mengakibatkan molekul gas tereksitasi. Ketika molekul sampel tereksitasi, energi cahaya yang diserap berubah menjadi energi kinetik. Akibatnya, sampel akan mengalami kenaikan suhu yang selanjutnya akan menaikkan tekanan dan akhirnya dihasilkan sinyal akustik yang

2

dideteksi oleh mikrofon. Seorang ilmuwan, A. Hordvik telah berhasil mengaplikasikan efek fotoakustik spektroskopi pada zat padat dengan menggunakan laser [14].

Gelombang bunyi didefinisikan sebagai gelombang mekanik longitudinal berfrekuensi antara 20 – 20000 Hz yang menjalar melalui medium elestis dan dapat ditangkap oleh indra dengar manusia [5].

Bunyi memiliki sifat dapat ditransmisikan atau dipantulkan apabila mengenai suatu bidang batas. Suatu penelitian mengenai terjadinya penjalaran bunyi, deteksi dan penggunaan bunyi sangat penting dilakukan untuk mengetahui lebih lanjut akan pengalihan energi mekanik [3].

Hasil percobaan fotoakustik berupa sinyal akustik yang ditangkap oleh mikrofon. Sinyal akustik yang dihasilkan sampel adalah sinyal yang dihasilkan dari perubahan tekanan yang timbul dalam sel fotoakustik akibat radiasi laser. Besarnya sinyal akustik yang dihasilkan sebanding dengan daya radiasi dan jumlah cuplikan sampel. Sinyal yang tertangkap oleh mikrofon bukan hanya sinyal akustik dari sampel saja akan tetapi ada sinyal lain yang ikut tertangkap yaitu sinyal latar timbul akibat serapan energi sumber radiasi oleh jendela dan dinding sel fotoakustik dan Sinyal derau yang timbul dari gerakan ataupun suara di luar sel fotoakustik, misalnya getaran gedung, getaran modulator mekanik, juga bunyi dari sekitar lingkungan pekerjaan.

Gelombang yang terbentuk di dalam resonator silinder dengan ruji a dan panjang l, dapat dianalisa dengan menggunakan persamaan tekanan akustik adalam koordinat silinder (𝑟,𝜙, 𝑧). Penyelesaian persamaan pola tekanan akustik ini diberikan oleh Morse (1968). Dari persamaan pola tekanan akustik ini frekuensi karakteristik dari resonator juga dapat ditentukan [10].

II. Eksperimen Pada penelitian tugas akhir ini akan diukur

sinyal akustik yang dihasilkan dari sel fotoakustik berupa resonator silinder. Digunakan 3 buah resonator azimuth dan 3 buah resonator longitudinal dengan variasi diameter 5 mm, 10 mm, dan 15 mm. Transduser piezoelektrik dihubungkan dengan generator. Frekuensi generator divariasi mulai 1 kHz

sampai 40 kHz. Mikrofon kondensor digunakan sebagai detektor akustik diletakkan pada dinding resonator dengan posisi yang berbeda – beda. Acrylic dengan dimensi 4,9x4,9x1,6 mm digunakan sebagai sampel dalam penelitian.

Gambar 4.1 Gambar Resonator Azimut dengan

diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm

Gambar 4.2 Gambar Resonator Longitudinal dengan diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm

Peralatan dan bahan yang digunakan dirangkai seperti Gambar 4.3 di bawah ini :

Gambar 4.3 Rangkaian peralatan penelitian

fotoakustik

Setelah setup peralatan dirangkai seperti Gambar 4.3 di atas, pengambilan data dilakukan dengan mengubah – ubah frekuensi generator dan posisi mikrofon. III. Hasil dan Diskusi

Berdasarkan ekperimen yang telah dilakukan tentang analisa fotoakustik pada resonator silinder dengan variasi letak mikrofon mengunakan sel fotoakustik, generator VOM seri VFG-3060 dengan frekuensi maksimal 60 MHz, tranduser piezoelektrik yang dilekati sampel, amplifier, dan sebuah osiloskop digital Protek2010, dan mikrofon sebagai pendeteksi

3

sinyal akustik diletakkan di dinding resonator yang jarak dengan tranduser piezoelektrik telah diatur, diperoleh data eksperimen sebagai berikut :

Resonator azimuth pertama memiliki diameter rongga 15 mm, panjang resonator yang diukur dari transduser piezoelektrik hingga ujung resonator sebesar 47 mm, ketebalan dinding resonator 7 mm. Tempat untuk meletakkan mikrofon pada resonator berupa 4 buah lubang yang dibuat pada dinding resonator dengan masing – masing lubang berjarak 3 cm. Jarak piezoelektrik terhadap keempat lubang mikrofon tersebut sama yaitu 19 mm. Keempat lubang tersebut ditandai dengan huruf a, b, c, dan d. Dihasilkan data sebagai berikut:

Gambar 5.1 Hubungan frekuensi generator terhadap sinyal akustik yang dihasilkan pada resonator I

(a) Posisi mikrofon I (b) Posisi mikrofon II (c) Posisi mikrofon III (d) Posisi mikrofon IV

Frekuensi karakteristik resonator

azimuth untuk diameter sel 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 20 kHz, 14 kHz, dan 13 kHz. Sedangkan sinyal akustik yang dihasilkan pada resonator dengan diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 4,16 Volt, 4,24 Volt, dan 4,46 Volt.

Pengamatan terhadap posisi mikrofon dalam arah azimuth membentuk kurva atau garis yang hampir berimpit menunjukkan bahwa sinyal akustik yang dihasilkan oleh mikrofon adalah sama walaupun posisi mikrofon berbeda.

Resonator longitudinal pertama memiliki diameter rongga 15mm, panjang resonator yang diukur dari transduser piezoelektrik 47 mm, dan tebal 7 mm. Mikrofon yang berfungsi sebagai detektor diletakkan pada dinding resonator dalam arah longitudinal resonator silinder (sumbu z). Jarak mikrofon

diukur dari piezoelektrik yaitu 3 mm, 19 mm, dan 34 mm. Dihasilkan data sebagai berikut:

Gambar 5.2 Hubungan frekuensi generator terhadap sinyal akustik yang dihasilkan pada resonator I

(a) Jarak mikrofon-piezo 3 mm (b) Jarak mikrofon-piezo 18 mm (c) Jarak mikrofon-piezo 35 mm

Sinyal akustik yang dihasilkan pada resonator longitudinal dengan diameter 15 mm, 10 mm, dan 15 mm berturut – turut adalah 3,67 Volt, 3,72 Volt, dan 3,76 Volt. Pengamatan terhadap posisi mikrofon dalam arah longitudinal menunjukkan bahwa sinyal akustik yang dihasilkan tidak sama ketika posisi mikrofonnya berbeda. Sinyal akustik tertinggi diperoleh pada saat jarak mikrofon dari transduser piezoelektrik sebesar 34 atau 35 mm. Frekuensi karakteristik resonator longitudinal dengan posisi mikrofon 34 – 35 mm pada diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm adalah 24 kHz, 25 kHz, dan 18 kHz.

IV. Kesimpulan Berdasarkan serangkaian penelitian

yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Sinyal akustik maksimum pada resonator longitudinal dihasilkan oleh mikrofon dengan jarak 35 – 35 mm dari piezoelektrik.

2. Frekuensi karakteristik resonator azimuth untuk diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 20 kHz, 14 kHz, dan 13 kHz.

3. Frekuensi karakteristik resonator longitudinal untuk diameter 15 mm, 10 mm, dan 5 mm berturut – turut adalah 24 kHz, 25 kHz, dan 18 kHz.

V. Referensi

[1] Bicanic, D., 1987, “Some Applications of

Photoacoustic and Related Sensing Methods Relevant to Agriculture in

4

General”, Winter College on Atomic and Molecular Physics, Trieste, Italy.

[2] Bijnen, F. G. C., 1995, “Refined CO – Laser Photoacoustic Trace Gas Detection; Observation of Anaerobic Process in Insect, Soil and Fruits”, Disertasi Doktor, Catholic University, Nijmegen, Belanda.

[3] Giancoli, C. Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1”, Erlangga, Jakarta

[4] Groot, T. T., 2002, “Trace Gas Exchange by Rice, Soil and Pear. A Study Based on Laser Photoacoustic Detection”. Katholieke Universiteit Nijmegen, Duth.

[5]Hallyday, D., and Resnick, R., 1993, “Fundamentals of Physics”, John Willey and Sons, Inc., New York, USA.

[6]Harren, F. J. M., 1988, “Geometrical Optimization of Deteksi Gas Polusi Amonia”, Thesis, Program Pasca Sarjana, Fisika, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.

[7] Harsono, S., 2006, “Penentuan Koefisien Difusi Gas SF6 pada Tanaman Padi dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO2”, Skripsi S1 Jur.Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.

[8] Hidayanto, Eko, 1997,”Optimalisasi Kinerja Sel fotoakustik Resonan Untuk Mendeteksi Gas Amonia pada λ = 10,6 μm”, Skripsi S1 Jur. Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.

[9] Mitrayana, dkk, 1999, “Jalur Transmisi Akustik”, Jurnal Fisika Indonesia, Nomor 10, Vol. III, Juni 1999, Yogyakarta.

[10] Morse, P. M., dan Ingard, K., U., 1968, “Theoretical Acoustic”, Mc Graw – Hill Book Company, New York.

[11]Pao, Y. H., 1977, “Optoacoustic Spectroscopy and Detection”, Academic Press, New York, USA.

[12] Rosencweig, A., 1980, “Photoacoustic and Photoacoustic Spectroscopy”, John Willey and Sons, New York, USA.

[13] Zahara, M.,dkk, 1994, “Pembuatan Sistem Pelacak Fotoakustik Kepekaan Tinggi untuk Gas Etilen bagi Bidang Pertanian”, disajikan dalam Seminar Hasil Penelitian Basic Sciences, DIKTI, Januari 1994, Bandung.

[14] Zharov, V. P.; and Lethokov, V.S., 1986, “Laser Optoacoustic Spectroscopy”, Springer, Berlin, Germany.