Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA UnmulVol. 1 No. 1 Juli 2016, Samarinda, Indonesia

ISSN : 2528 - 0988

8

KAITAN VISKOSITAS COUPLANT DENGAN SENSITIVITAS SENSORULTRASONIK UNTUK UJI TAK RUSAK

Cici Purnawati1,*, Adrianus Inu Natalisanto2, Supriyanto2

1Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi, Fakultas MIPA, Universitas Mulawarman2Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Mulawarman

*Corresponding Author: cicipurnawati.11@gmail.com

Abstrak Kaitan viskositas couplant dengan sensitivitas sensor ultrasonik dalam uji tak rusak telahditurunkan secara teoretis dan dibuktikan secara empiris. Kajian teori dilakukan dengan menebakpola matematis sebaran data dan mengajukan asumsi yang mengaitkan intensitas ultrasonikterhadap rapat massa couplant dan eksponensial dari viskositas couplant, ketebalan material dankoefisien redaman. Dari kajian teori diperoleh kaitan berbentuk persamaan logaritmik. Eksperimendilakukan dengan mengaktifkan tranduser ultrasonik untuk mengirimkan gelombang pulsaultrasonik ke dalam benda uji yang dilapisi couplant dan merekam intensitas gelombang ultrasonikpantul. Dari hasil eksperimen dengan beragam couplant diperoleh konstanta redaman couplant.Konstanta redaman couplant gliserin berturut-turut adalah (0,421 ± 0,263) untuk ketebalan bendauji 12,5 mm; (0,472 ± 0,236) untuk ketebalan benda uji 10 mm; (0,648 ± 0,243) untuk ketebalanbenda uji 7,5 mm; (0,926 ± 0,232) untuk ketebalan benda uji 5 mm; dan (1,732 ± 0,217) untukketebalan benda uji 2,5 mm. Konstanta redaman couplant CMC berturut-turut adalah (0,404 ±0,252) untuk ketebalan benda uji 12,5 mm; (0,504 ± 0,252) untuk ketebalan benda uji 10 mm;(0,672 ± 0,252) untuk ketebalan benda uji 7,5 mm; (1,007 ± 0,252) untuk ketebalan benda uji 5mm; dan (2,017 ± 0,252) untuk ketebalan benda uji 2,5 mm.

Kata kunci Ultrasonik NDT, Sensitivitas Sensor, Viskositas Couplant, Intensitas Ultrasonik,Koefisien Redaman.

PendahuluanDalam konstruksi tangki penyimpanan

dan pemipaan kerap dilakukan prosespengelasan (welding). Namun sering terjadipenyambungan dalam proses pengelasantersebut tidak sempurna, seperti terdapatcacat las crack (CR), incomplete fusion (IF),incomplete penetration (IP), dan elongatedindication (EI) [7].

Cacat las pada suatu konstruksi apabilatidak segera ditangani dapat menimbulkanpenjalaran retak yang lebih meluas sehinggadapat menyebabkan patah getas yangmerugikan. Untuk mengetahui keberadaancacat di bawah permukaan konstruksi dapatdilakukan dengan metode uji ultrasonik.

Dalam makalah ini akan diungkap kaitansensitivitas pendeteksian metode ultrasonikterhadap pengaruhi variasi couplant yangdigunakan dalam pengujian.

Pengujian UltrasonikPenelitian yang berhubungan dengan

penggunaan energi suara telah dimulai lebihdari satu abad yang lalu dan terusmengalami pengembangan hingga kini.Langkah awal penelitian tersebut dimulaipada tahun 1870-an lewat publikasi LordRayleigh yang berjudul “The Theory of

Sound”. Karya tersebut mengungkap sifatdan karakteristik gelombang suara dalam zatpadat, zat cair dan gas. Pemahaman akansifat dan karakteristik gelombang, khususnyagelombang frekuensi tinggi (ultrasonik), telahmendorong pengembangan teknik-teknikyang digunakan dalam pengujian takmerusak [1].

Sokolov dari Rusia merupakan orangpertama yang meneliti tentang gelombangultrasonik. Ia menerapkan gelombangtersebut untuk mendeteksi keretakan padalogam. Sejak tahun 1929 tercatat sejumlaheksperimen telah dilakukannya. Pada tahun1935 ia berhasil mendisain piezoelectrictranducer yang dapat membangkitkan danmendeteksi gelombang ultrasonik. Kemudiansekitar tahun 1942 ia berhasil menemukanteknik pulse echo (teknik gema) untukmemperoleh kurva karakteristik gelombangultrasonik pantul yang berisi informasikeretakan logam. Sementara itu, di Inggris,penelitian tentang gelombang ultrasonikdipelopori oleh D. O. Sproule dan di AmerikaSerikat dipelopori oleh F.Firestone.Penelitian tentang gelombang ultrasonikdapat memberikan pemahaman akan sifatdan karakteristik gelombang ultrasonik.Pemahaman itu yang melandasi perumusan

Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA UnmulVol. 1 No. 1 Juli 2016, Samarinda, Indonesia

ISSN : 2528 - 0988

9

prinsip kerja sistem pengujian tak rusakberbasis ultrasonik (UT-NDT, UltrasoundTest – Non Destructive Testing) [1].

Ultrasonik merupakan gelombang suaradengan panjang gelombang yang cukup kecil(10-5 cm s.d. 0,1 cm). Panjang gelombangyang cukup kecil tersebut menjadikannyacukup signifikan untuk dimanfaatkan secaraluas dalam bidang industri, yaitudimanfaatkan untuk pengujian tak merusak/Nondestructive Testing (NDT) material.Pemanfaatan untuk uji material tersebutdimungkinkan karena dengan panjanggelombang ultrasonik yang kecil tersebutakan memudahkannya dipantulkan olehsuatu cacat yang kecil dalam material. Cacatkecil itu, misalnya retakan, yang memilikiimpedansi akustik yang menyebabkangelombang ultrasonik terpantul [6].

Pengujian ultrasonik didasari atasadanya peristiwa deformasi yang bervariasiterhadap waktu dan getaran pada materialyang biasa disebut sebagai gelombangakustik. Gelombang akustik terjadi padapartikel yang atom-atomya bergerakserempak untuk menghasilkan gelombangmekanik. Bila suatu material tidak beradadalam kondisi di atas batas keelastisannya,maka partikel-partikel penyusun materialtersebut akan mengalami perpindahanterhadap titik kesetimbangannya dan akanmendapat dorongan berlawanan arah olehsuatu gaya yang disebut gaya pembalik.Gaya tersebut yang menimbulkan gerakosilasi di suatu medium berperan dalamperambatan gelombang suara.

CouplantCouplant merupakan gel ultrasonik yang

digunakan sebagai media perantara antaratranduser (elemen piezoelektrik) dan materialuji. Dengan bantuan media tersebut berkasgelombang ultrasonik yang diteruskan kedalam material uji akan lebih banyak [2].

Bila sebuah tranduser hanya ditempelkanpada material yang akan diperiksa, makasebagian besar gelombang yang berasal daritranduser akan direfleksikan kembali. Hal initerjadi karena adanya celah udara antarpermukaan transduser dan material tersebutwalaupun sangat sempit. Celah udaratersebut merupakan media yang tidak dapatdilewati oleh gelombang ultrasonik.

Untuk mengatasi masalah terdapatnyacelah udara antara transduser dan materialuji, disisipkanlah media lain, yaitu couplant,yang bersifat elastik dan berfungsi untuk

menghubungkan antara tranduser denganmaterial yang akan diperiksa tersebut.

Penggunaan couplant dapatmeningkatkan transmisi energi gelombangultrasonik ke dalam suatu material. Denganmenggunakan couplant, berkas gelombangultrasonik yang masuk ke dalam materialdapat lebih ditingkatkan karena couplantmemiliki impedansi akustik 104 kali lebihtinggi dari impedansi akustik udara [5].

Efektivitas couplant yang diberikantergantung pada impedansi akustik,penyerapan akustik, ketebalan danviskositas. Masing-masing dapat memilikipengaruh yang kuat pada respon sensitivitassensor dan akhirnya dapat mengubah carasensor merespon mode gelombang yangberbeda. Penelitian ini mempertimbangkanbeberapa jenis couplant ultrasonik danmembandingkan respon sensor pada setiapcouplant yang digunakan.

MetodePenelitian ini dilaksanakan di

PT.Sucofindo Muara Badak dan diLaboratorium Fisika Dasar FakultasMatematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Mulawarman. Pengambilan dataprimer pengujian ketebalan plat logamcarbon steel dilakukan di PT. Sucofindodengan menggunakan couplant yangberagam, yaitu: air, gliserin dancarboxymethyl cellulose (CMC). Kemudianpengukuran nilai koefisien viskositas masing-masing couplant tersebut dilakukan diLaboratorium Fisika Dasar FakultasMatematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Mulawarman (Fakultas MIPA).

Tahapan dalam pengukurandikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu:pertama, pengukuran intensitas ultrasonikdengan pengujian ketebalan plat logammenggunakan panametric Epoch 650 dan,kedua, pengukuran viskositas couplantdengan teknik bola jatuh menggunakan satuunit alat pengukur koefisien viskositas miliklaboratorium fisika dasar Fakultas MIPA.

Penentuan nilai intensitas ultrasonikdimulai dengan mengumpulkan datapengujian berupa data parameter untukpenghitungan intensitas dari masing-masingcouplant. Parameter tersebut adalahimpedansi akustik (Z), frekuensi ultrasonik(f), dan amplitude ultrasonik (A). Nilaiintensitas I (bersatuan W/m2) ditentukandengan menggunakan persamaan:= ( 2 ) . (1)

Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA UnmulVol. 1 No. 1 Juli 2016, Samarinda, Indonesia

ISSN : 2528 - 0988

10

Penentuan nilai koefisien viskositascouplant dimulai dengan mengumpulkandata parameter yang digunakan dalampenghitungan koefisien viskositas, meliputi:massa jenis bola (ρ), massa jenis fluida (ρ‘),jari-jari bola (r), waktu tempuh bola saat jatuh(t), dan jarak jatuh bola (d). Nilai koefisienviskositas (bersatuan Pa.s) untuk masing-masing couplant ditentukan denganmenggunakan persamaa:= ʹ/ . (2)

Langkah terakhir adalah penganalisaankaitan antara intensitas dan viskositascouplant. Penganalisaan tersebut adalahdengan menggunakan perangkat uji statistik,yakni: diagram pencar, uji penolakan datamenurut kriteria chauvenet, uji hipotesis nol,dan analisa regresi. Dari uji tersebutdiperoleh formula empiris sensitivitas ujiultrasonik. Formula yang telah diperolehtersebut digunakan untuk acuan dalampengajuan asumsi teoretis penurunan kaitanintensitas gelombang ultrasonik dansensitivitas uji ultrasonik secara teoritis.

Hasil dan Analisa EksperimenHasil eksperimen kaitan viskositas

couplant terhadap intensitas ultrasonikdiperlihatkan pada Gambar 1 untuk variasicouplant CMC (Carboximethyl Cellulose) danpada Gambar 2 untuk variasi couplantglyserin. Kedua gambar tersebutmemperlihatkan bahwa semakin kecil nilaikoefisien viskositas couplant, maka semakinkecil intensitas ultrasonik yangditransmisikannya. Sebaliknya, semakinbesar nilai koefisien viskositas couplant,maka semakin besar intensitas ultrasonikyang ditransmisikannya.

Gambar 1. Grafik kaitan viskositas couplant CMCterhadap intensitas bunyi yang ditransmisikan kedalam plat 12.5 mm

Gambar 2. Grafik kaitan viskositas couplantgliserin terhadap intensitas bunyi yangditransmisikan ke dalam plat 12.5 mm

Hasil dan Analisa TeoriHukum fisika merupakan generalisasi

ilmiah dari hasil pengamatan empiris atassuatu peristiwa alam. Generalisasi tersebutberupa kaitan antar konsep yang terdapatpada peristiwa tersebut. Richard Feynmanmenambahkan bahwa generalisasi berupairama dan pola tersebut hanya dapat dilihatdengan mata analitis. Selanjutnya, Einsteinmenambahkan bahwa hukum tersebut dapatditurunkan dengan berlandaskan padaasumsi yang dibangun sejalan denganperistiwa tersebut.

Kaitan intensitas terhadap koefisienviskositas dapat dilihat pada Gambar 1 danGambar 2. Dari gambar tersebut terlihatbahwa pola kaitan secara empiris mengikutibentuk kurva eksponensial, yaitu =(1 − ). [4].

Bentuk persamaan empiris tersebutakan dibuktikan lewat penurunan sebagaiberikut. Diasumsikan bahwa diferensial dariintensitas ultrasonik terhadap koefisienviskositas sebanding dengan rapatmassa couplant ( ) dan eksponensial darikoefisien viskositas couplant ( ), ketebalanmaterial ( ) dan tetapan redaman ( ).Pernyataan tersebut memenuhi persamaan:~ (3)= (4)

Dengan mengintegrasikan persamaan (4)dikedua sisi, maka diperoleh= 1 − (5)

yang untuk → ∞ maka

∞ = (6)

Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA UnmulVol. 1 No. 1 Juli 2016, Samarinda, Indonesia

ISSN : 2528 - 0988

11

sehingga diperoleh= ∞(1 − ) (7)

Dari persamaan (7) dapat diturunkanpersamaan yang mengaitkan nilai sensitivitasdari pengujian ultrasonik dengan viskositascouplant, yaitu: = 10 1 − . (8)

Penentuan Nilai TetapanPenentuan nilai tetapan dalam

persamaan (7) dan (8) dilakukan denganmembuat grafik kaitan antara intensitas dankoefisien viskositas. Dengan nilai intensitaspada sumbu Y sebagai variabel terikat dankoefisien viskositas pada sumbu X sebagaivariabel bebas. Berdasarkan pola yangterbentuk, digunakanlah perhitungan denganmenggunakan proses reduksi eror (regresilinear). Berdasarkan bahan yang digunakan,maka perhitungan regresi dibagi menjadi duayaitu data CMC dan data Gliserin.Berdasarkan ketebalan benda uji, makaperhitungan regresi dibagi menjadi 10 datayaitu 5 data CMC dan 5 data gliserin denganketebalan benda uji masing-masing yaitu12,5 mm; 10 mm; 7,5 mm, 5 mm dan 2,5mm.

Untuk penenetuan nilai k2 padapersamaan (7), dilakukan pengelompokkansehingga diperoleh:

∞= 1 − . (9)

Persamaan (9) disusun ulangmemberikan persaman= 1 −

∞. (10)

Logaritma dari persamaan (10) adalah= 1 −∞

(11)

Persamaan (11) kemudian menghasilkan1 −∞= − (12)

Gradient garis dari regresi linear antaralogaritma intensitas terhadap koefisienviskositas merupakan nilai dari (− ) dandiperoleh

= − (13)

sehingga diperoleh pula nilai yaitu:= ∞ (14)

Grafik-grafik regresi linear yang terkaitdiperlihatkan pada Gambar 3 dan Gambar 4.

Gambar 3. Regresi linear antara logaritmaintensitas dengan viskositas dengan couplantCMC

Gambar 4. Regresi linear antara logaritmaintensitas dengan viskositas dengan couplantgliserin

Berdasarkan Gambar 3 terlihat bahwanilai koefisien determinasi (R2) yaitu 0,670atau 67 %. Sedangkan pada gambar (4)koefisien determinasinya (R2) bernilai 0,706atau 70,6 %. Nilai koefisien determinasi yanglebih dari 50 % menandakan adanya korelasiyang kuat dan erat antara dua variabel Xdan Y [3]. Hal tersebut berarti bahwa terdapatkorelasi yang kuat antara logaritmaperbandingan intensitas dengan koefisienviskositas atau dapat disimpulkan bahwapersamaan regresi linear eksperimen telahsesuai dengan model persamaan regresilinear teori.

Perbandingan Hasil Eksperimen dan TeoriBerdasarkan gambar tersebut dapat

dilihat bahwa nilai intensitas yang diperolehsecara eksperimen dapat didekati dengannilai intensitas teori. Hal ini berarti bahwakaitan antara koefisien viskositas couplant

Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA UnmulVol. 1 No. 1 Juli 2016, Samarinda, Indonesia

ISSN : 2528 - 0988

12

dan intensitas ultrasonik maupun sensitivitasalat uji ultrasonik dapat diperoleh denganmetode ilmiah.

Gambar 5. Grafik perbandingan intensitasgelombang ultrasonik secara eksperimen dan teoridata gliserin

Gambar 6. Grafik perbandingan nilai kepekaansensor ultrasonik secara eksperimen dan teoridata gliserin

Faktor lain yang juga diperhitungkan dalammencari kepekaan sensor ultrasonik yaitukonstanta redaman couplant yag digunakan.Dengan hasil perhitungan formula secaraeksperimen menggunakan metode kuadratterkecil diperoleh suatu kaitan intensitasgelombang ultrasonik yang sebandingdengan eksponensial koefisien viskositasdan konstanta redaman couplant yangdigunakan tersebut. Konstanta redaman (k)untuk data CMC dan gliserin berdasarkanhasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Nilai konstanta redaman couplantKetebalan Benda

Uji (mm)Konstanta redaman (k)CMC Gliserin

12.5107.55

2.5

0.404 ± 0. 2520.504 ± 0.2520.672 ± 0.2521.007 ± 0.2522.017 ± 0.252

0.421 ± 0.2630.472 ± 0.2360.648 ± 0.2430.926 ± 0.2321.732 ± 0.217

Kesimpulan

Telah diperoleh secara teori kaitankoefisien viskositas couplant denganintensitas ultrasonik berbentuk persamaaneksponensial dan secara eksperimen telah

dibuktikan keberlakuannya. Secara teori jugatelah diperoleh kaitan viskositas couplantdengan sensitivitas ultrasonik berbentukpersamaan logaritmik dan secara ekperimentelah dibuktikan keberlakuannya.

Ucapan Terima KasihPenulis mengucapkan terima kasih

kepada Bapak Nevan Rovane,ST dari PTSucofindo yang telah mengijinkan penulisuntuk melakukan penelitian uji ultrasonik diPT.Sucofindo dan Tim UT-Man yang telahberbagi ilmu kepada penulis. Bapak KepalaLaboratorium Fisika Dasar dan KepalaLaboratorium Elektronika dan InstrumentasiFMIPA Unmul yang telah memberikan sarandan mengijinkan menggunakan alat-alatlaboratorium.

Daftar Pustaka[1] Edwin, Rhyan. 2010. Analisis Sinyal

Sistem UT-NDT Sonact-X UntukPendeteksian Keretakan Tabung CNG.Skripsi Fisika, Universitas Indonesia:Depok.

[2] Fathoni, MH.,Pirngadi, Harris.,dan RivaiMuhammad. 2013. Perancangan,Pembuatan dan KarakterisasiTranduser Ultrasonik 3,5 MHz untukPengujian Bahan Padat. Jurnal Teknik.Fakultas Teknologi Industri. ITS:Surabaya.

[3] Furqon. 2009. Statistika Terapan UntukPenelitian. Alfabet: Bandung

[4] Stroud, K.A. 2003. Matematika TeknikEdisi Kelima Jilid 2. Erlangga: Jakarta.

[5] Theobald, Pete.,Bajram Zeqiri.,JanineAvison. 2008. Couplants and TheirInfluence On AE Sensor Sensitivity.Journal National Physical Laboratory,Teddington, Middlesex, UnitedKingdom.

[6] Widharto, Sri. 2007. Diktat NDT NonRadiasi. Jakarta.

[7] ASME. 2010. NondestructiveExamination V. ASME International:USA