metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan pengujian ultrasonik

7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik

1/13

INTERAKSI MESIN DENGAN BAHAN PERTANIAN

Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik

le!"

Mu!a##ad A$!irul Nanda %&'(''()*+',

TEKNIK MESIN PERTANIAN DAN PANGAN

&AKU-TAS TEKN-GI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BGR

*)'(


2/13

Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik

Abstrak:

Penelitian ini menyajikan mengenai metode baru berdasarkan teoritis, numerik, dan

eksperimen untuk menduga kondisi kayu menggunakan gelombang ultrasonik. Metode

pengujian dengan menggunakan ultrasonik secara konvensional pada dasarnya hanyamenggunakan parameter pengukuran kecepatan gelombang. Sedangkan pada penelitian ini

menggunakan metode pengukuran baru untuk menduga kondisi kayu meliputi kuantitas

statistik dan indeks dissimilarityyang dihitung dari pengukuran ultrasonik. Pengukuran ini

termasuk juga menghitung compressional wave velocity, transmission factor, dan modulus

elastisitas secara radial dan tagensial. Nilai indeks dissimilarity dihitung dengan

membandingkan pengukuran bagian parameter batang pohon dengan nilai yang diduga dan

standart deviasi. Pada penelitian ini menggunakan empat buah transmiter ultrasonik dengan

frekuensi ! k"#, setiap transmiter akan menuju pada lima receiver yang disusun dengan

sudut tertentu yang diletakkan pada sekeliling dari batang pohon. Sehingga, akan didapatkan

$% jalur dari pergerakan gelombang transmiter ke receiver. "asil penelitian menunjukkan

bah&a area yang rusak pada kayu adalah sebesar '!(, kecepatan gelombang ultrasonik dantransmission factor adalah sebesar $( dan )*(. Sedangkan nilai rata + rata modulus

elastisitas radial dan tangensial secara berurutan adalah !( dan %'( lebih kecil daripada

nilai yang diduga pada batang pohon pinus standart sebagai acuan pengukuran. -leh karena

itu metode baru ini sangat baik untuk menduga kondisi pada kayu.

'. Penda!uluan

Sejak dimulai elektrifikasi di amerika utara, kayu sudah digunakan untuk distribusi listrik.

Pada umumnya, kayu lebih diminati dibandingkan besi dan beton karena harga dan

pemasangannya yang lebih murah, mudah dikendalikan, elektrikal kondutifiti yang rendah,

ramah lingkungan, dan tersedia di amerika utara.

ondisi kayu sangat tergantung pada lingkungan yang dapat menyebabkan kerusakan,

serangan serangga, dan kerusakan karena iklim. /ata + rata umur kayu tersebut adalah sekitar

' sampai ! tahun tergantung jenis kayu, bahan penga&et, kondisi, dan pemeliharaan.

Propinsi ontario memiliki lebih dari 0 juta kayu, dan mencapai !( diantaranya memiliki

umur lebih dari ' tahun. 1ntuk menjamin bah&a tingkat realibilitas dari distribusi jaringan

listrik menggunakan kayu, maka diperlukan inspeksi untuk mengetahui kondisi kayu dari

tahun ke tahun.

Pemeriksaan kayu merupakan salah satu cara pemeliharaan untuk mendeteksi tingkat

kerusakan kayu dan deteksi dini pada kerusakan. Pemeriksaan secara visual merupakan salah

satu metode pemeriksaan yang murah dan mudah. 2iasanya pemeriksaan tersebut

menggunakan palu 3mengetahui suara4 dan mengukur tanahan penetrasi 3metode resistograp4.Meskipun pemeriksaan dengan metode visual dan suara adalah subjektif dan memiliki

kesalahan yang besar5 Selain itu metode adalah dengan merusak objek, dan metode tersebut

tidak dapat mendeteksi dini kerusakan pada kayu. -leh karena itu sangat diperlukan metode

untuk menduga kondisi kayu.

1ltrasonik merupakan metode tanpa merusak objek (nondestructive testing) yang

digunakan sebagai pemeriksaan kayu. Selain itu, pendugaan kondisi kayu didasarkan dari

pengukuran kecepatan gelombang 3 Vp 4 yang diperoleh dari pengukuran pada kayu.

Metode sederhana ini tidak dapat digunakan untuk mendeteksi kerusakan a&al pada kayu

karena variasi yang tinggi pada nilaiVp . 1ntuk memahami perambatan kecepatan

gelombang pada sebuah medium diperlukan sifat mekanik dari kayu.


3/13

Metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan gelombang ultrasonik

merupakan metode baru tanpa merusak objek. Metode tersebut didasarkan atas rambatan

gelombang ultrasonik didalam medium berbentuk silinder seperti kayu. 6aktor kadar air dan

suhu sangat berpengaruh pada modulus elastisitas kayu.

Pada penelitian ini menggunakan kayu pinus merah sebagai objek penelitian, sifat

mekanik dari kayu pinus merah dilakukan sebelum pendugaan kondisi kayu. Prosespendugaan kondisi pinus merah meliputi beberapa tahap yakni metodologi, susunan

eksperimen, pembahasan hasil dan analisa, dan penarikan kesimpulan.

0. Si/at Mekanik Kayu Pinus Mera!

Air merupakan faktor yang sangat berpengaruh pada sifat mekanis suatu kayu. Air

terbagi menjadi dua yakni air yang terikat dan air bebas. Air terikat terdapat di antara

dinding sel dan akan berpengaruh terhadap perubahan nilai kadar air atau moisture

content3M74. Sedangkan air bebas terdapat pada rongga sel. NilaiFiber Saturation Point

36SP4 merupakan nilai dari kadar air ketika tidak ada air bebas di dalam kayu, namun di

dalam dinding sel masih terdapat kandungan air sebesar $!!(. Nilai 6SP bergantung

pada jenis kayu5 rata + rata nilai 6SP 8 0(.ondisi kayu pada udara kering berhubungan dengan nilai yakni sebesar M7 8 $0(

sedangkan pada kondisi kayu basah dapat mengakibatkan nilai M7 9 6SP. Apabila nilai

M7 lebih besar dibandingkan nilai 6SP maka tidak akan ada pengaruh terhadap sifat

mekanik pada kayu. Nilai spesifik gravitasi untuk kondisi kayu kering 3S n4 dan kondisi

kayu basah 3Sb4 dihitung dengan menggunakan oven hingga kering. Nilai M7 6SP,

bah&a volume kayu akna bertambah ketika nilai M7 bertambah dan sebaliknya5 Sb Sn.Nilai massa jenis 3densitas4 adalah fungsi dari nilai M7 yang dapat ditentukan dengan

persamaan :

................................................................................................3$4

Nilai modulus elastisitas pada kondisi longitudinal didalam kayu tergantung pada

tingkat stress 3kompresi, El, atau pembengkokan, M-;4 dan tipe muatan 3 statis atau

dinamis4. Pada umumnya nilaiEl adalah $! + 0!( lebih besar dibandingkan nilai M-;5

dan nilai modulus elastisitas diukur dengan metode dynamic testadalah sebesar + $ (

lebih besar dibandingkan dengan metode static test. Selain itu, nilai El lebih besar

dibandingkan nilai modulus elastisitas pada posisi radial (Er)dan tangensial (Et),Er> Et;

selanjutnyaEl> M-; > Er> Et3rata + rataEl/ Er $0 dan Er/ Et

$.%4 . Nilai

spesifik grafity adalah (Sn, Sb). dan nilai modulus elastisitas pembengkokan 3M-;4 untuk

kondisi kayu kering dan kayu basah pada pinus merah adalah sebesar Sn !.%*, M-; 8$$.0


4/13

.................................................................................................304

dimana nilaiEn dan Ebadalah modulus elastisitas pada kondisi kayu kering dan basah.

Nilai apparent fiber saturation point 3MP4 ditentukan oleh kurva intersep dari variasi nilai

modulus elastisitas dengan M7 dan nilai 6SP5 nilai MP 8 0(.Suhu merupak faktor yang berpengaru terhadap nilai modulus elastisitas pada kayu.

Modulus elastisitas akan turun apabila suhu naik dan sebaliknya. adar air juga

berhubungan dengan suhu dan modulus elastisitas. 1ntuk M7 8 !(, hubungan antara

suhu dan modulus elastisitas adalah linier. ?inieritas akan berubah apabila M7 naik.

"ubungan pengaruh suhu pada modulus elastisitas antara suhu 0! + * !7.

.................................................................................................3'4

@imana nilai ;3t04dan ;3t$4adalah modulus elastisitas pada suhu 8 t0dan 8 t$5 Bmadalah koefisien variasi M7, Bm8 !.!!!% untuk M7 8 !( dan B m8 !.!!' untuk M7 8

0%(.

Simulasi analisa numerik (finite elements numerical) dari rambatan gelombang padakayu pinus merah digynakan untuk menghitung kecepatan gelombang (#p) pada

perbedaan suhu dan kadar air. Nilai modulus elastisitas dari suhu dan kadar air diperoleh

melalui persamaan 304 dan 3'4. Persamaan nilai modulus elastisitas adalah

/vp 3M7,4 8 CDp 3M7,4 E CDp 3$0, 0!4, dimana CDp 3$0, 0!4 merupakan nilai kecepatan

gelombang pada Dp untuk M7 8 $0( dan 8 0! !7. 6aktor kadar air dan suhu terhadap

kecepatan gelombang diperoleh persamaan sebagai berikut:

................................................................3%4

Dariasi /vp 3M7,4 diantara $.!) dan !.$ untuk perubahan M7 dari ( ke 0(

380!!74, dan $.!0 dan !.) untuk perubahan suhu dari !!7 ke %!!7 3M78$0(4.

0. Metodologi

0.' -okasi tranduser ultrasonik

?okasi tranduser gelombang ultrasonik pada kayu dipasang melintang yang ditunjukkan

pada gambar $. ransmitter diletakkan pada empat posisi pada bagian permukaan kayu

3titik A, 2, 7, dan @ gambar $4. Masing + masing posisi transmitter, lima receiver

diletakkan pada sudutr 8 F)!,

r 8 F$',r 8$!. Sudut receiver

r

merupakan sudut diantara transmitter dan receiver. Susunan lima receiver dan posisi

transmitter ditentukan untuk mengkur kecepatan gelombang pada penampang melintang

kayu pinus merah.

0.* Para#eter ultrasonik

Pendugaan konsisi kayu didasarkan pada empat parameter yakni kecepatan gelombang,

transmission faktor 3timbal balik dari atenuasi gelombang4, dan modulus elastisitas pada

radial dan tangensial. Parameter tersebut diperoleh pada kondisi M7 8 $0( dan suhu 8

00 !7.

0.0 Ke$e1atan gelo#2ang (wave velocity)

6ungsi probabilitas densitas dari kecepatan gelombang #ppada perbedaan masing +

masing letak receiver dihitung dengan menggunakan metode simplified dari rambatan

gelombang di dalam kayu. Metode simplified divalidasi menggunakan rambatan

gelombang dari *0 simulasi finite elemen. Nilai maksimum perbedaan antara

menggunakan metodesimplified dengan simulasi finite elemen lebih kecil dari '(.


5/13

Ga#2ar '.?etak tranduser gelombang ultrasonik untuk analisa numerik dan eksperimen

dan susunan jalur dengan % buah transmitter 3A, 2, 7, dan @4 dan receiver 3 2,b,@,d,

dan 7 untuk transmitter di A4

Ga#2ar *.ecepatan gelombang Dp 3 pinus merah, M7 8 0!(, 8 0!!74

0.+ Modulus ElastisitasModel simplified dari rambatan gelombang didalam kayu yang dikembangkan oleh

allavo digunakan untuk menentuan nilai modulus elastisitas Er dan Et dari pengujian

gelombang ultrasonik. Modulus elastisitas ditentukan oleh penyelesaian masalah dari

rambatan gelombang pada lokasi tiga receiver3 r 8 )!,

r 8 $',r 8$!4.

3.5 Transmission Factor

Sistem faktor transmisi merupakan proses transmitterGreceiver dan transmitterG&oodG

receiver. -leh karena itu 6reHuensi /esponse function 36/64 dari kayu dapat ditentukan

dari


6/13


7/13

.............................................................................................34

@imana "31AE&oodE124merupakan pengukuran 6/6 pada masing + masing lokasi termasuk

pengaruh dari tranduser (transmitter dan receiver), dan "1A2merupakan pengukuran 6/6

dari sistem transmitter ke receiver.


8/13

Ga#2ar (."asil pengukuran ultrasonik pada pinus merah baru /PGN : 6/6s 3Persamaan

4 pada receiver dir 8 F)! 3a4,

r 8 F$' 3b4,r 8$! 3c4 5 nilai transmisiion

factorpada receiver dir 8 F)! 3d4,

r 8 F$' 3e4,r 8$! 3f4

3.7Pendugaan Kondisi Kayu (Condition Assessment)

eseluruhan nilai dissimilarity indicespada masing + masing receiver dihitung dari

nilai dissimilarity indices dari kecepatan gelombang dan transmission factoradalah sebagai

berikut:

........................................................................34

@imana persamaan berat = adalah sebagai berikut:


9/13

............................................................................................................3)4

'#v dan '#% merupakan koefisien dari variasi kecepatan gelombang #p dan transmission

factor%f . Pendugaan kayu didasarkan baik pada seluruh dissimilarity indices serta pada

dissimilarity indices dariErdanEt.

+. Susunan Eks1eri#en (Experimental et!p)

Pengujian ultrasonik dilakukan pada dua pinus merah 3pinus baru, /PGN dan pinus tua,

/PGA4. ondisi kayu pinus tua tidak diketahui kondisi di dalamnya. 2ahan dan alat yang

digunakan adalah: dau tranduser ultrasonik ! k"# 37NS6arnel 1/!k"#4, dua corong

alumunium, vacuum grease, pembangkit sinyal (pysical acoustic %*++-), amplifier,

sistem akuasi bentuk gelombang dengan $ M"# 3&avebook $*;4, .$Pole device, dan

soft&are untuk analisis sinyal 3=PN@oolboJ4.

(. Hasil dan 1e#2a!asan

Metode pendugaan kondisi kayu terdiri atas pinus merah baru 3sound pole4 dan pinus

merah tua 3aged pole4. =aktu yang dibutuhkan dari kompresi rambatan gelombang ultrasonik

mele&ati penampang melintang kayu digunakan untuk menghitung kecepatan gelombang #p!

ecepatan gelombang berhubungan terhadap kecepatan dari kompresi gelombang.

5." Pinus Mera! Baru (o!nd #ole)

@iameter pinus merah baru adalah '$.* cm dan tranducer diletakkan pada ketinggia !

cm dari ba&ah. Penelitian dilakukan pada musim panas bulan juni dengan transmitterdiletakkan pada titik A. Suhu dan kelembaban di dalam laboratorium dicatat selama berbulan

+ bulan 3agustus4. "asil suhu pada ruangan hampir konstan pada 0!!75 Namun terjadi

perubahan pada kondisi kelembaban antara %!( dan *)(. "asil kadar air ditentukan dari

suhu dan kelembaban adalah pada ( dan $'(.

Pengujian ultrasonik dilakukan pada musim dingin 3november4, bah&a telah terjadi

keretakan baru bagian radial kayu dari musim panas. Pengukuran kecepatan gelombang pada

musim dingin semakin meningkat, hal ini dikarenakan turunnya kadar air. Peningkatan

maksimum dari kecepatan gelombang #p adalah $!( 3 r 8 $'!4.

Pada gambar %. Menunjukkan tipe konfigurasi dari sistem transmitter menuju receiver

selama pengujian ultrasonik pada kayu pinus merah baru 3/PGN45 proses pengukuran

kecepatan gelombang #p ditunjukkan pada gambar %3c4. ecepatan gelombang dihitung

selama receiver diletakkan pada sudut yang positif 3gambar $4. @emikian juga pada bagian

kanan digunakan untuk pengukuran kecepatan gelombang yang dihitung dari sudut negatif

r 8 $!!. Pengukuran kecepatan gelombang #p adalah untuk menduga kondisi kayu

3perbedaan F(4. "asil nilai minimal dissimilarity inde& untuk kecepatan gelombang #p

adalah @ID3G)!48 G !.0>.

/asio modulus elastisitas adalahEr/Et8 $.>, dan nilai dissimilarity inde& 3@I;r 8 !.! ,@I;t 8 $.%!4 mengindikasikan kondisi yang lebih baik. Nilai 6/6s 3persamaan 4


10/13

menunjukkan distribusi energi yang konsisten pada frekuensi pada lebar kayu 3gambar 4.

;mpat puncak frekuensi terjadi pada 0.% k"#, $ h#, 0.' k"#m dan *.* k"#. Panjang

gelombang minimum dan maksimum pada adalahmin . 8 0.0 cm dan

maks. 8 *. cm.

Nilai transmission factordiantara nilai positif dan negatif dengan standart deviasi 3gambar

3d4G3f44.

Pengujian evaluasi ultrasonik pada transmitter di titik 2, 7, dan @ dilakukan 3gambar $4.

Pada dasarnya, rata + rata rasioEr/Etdidapatkan hasil lebih kecil yakni $( dibandingkan

dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya 3Er/Et8 04. !( Nilai -@I diba&ah rata +

rata minimum yakni sebesar G!.'. Nilai maksimum -@I adalah sebesar !.>$. Sehingga,

untuk dapat menduga kondisi kayu pinus merah lain yang belum diketahui kondisinya

digunakan kayu pinus merah baru atausound polesebagai acuan (standart condition).

5.$ Kayu Pinus Tua atauA%ed #ole (&lind Test)

Pada pengujian ultrasonik digunakan kayu pinus tua 3/PGA4 dengan tidak diketahui

kondisi kayu sebelumnya. ayu yang digunakan memiliki diameter 0. cm dan panjang

kayu $!! cm. Pengujian ultrasonik ditunjukkan pada gambar *. ondisi keretakan pada kayu

pinus tua tidak diketahui pada bagian permukaan.


11/13

ecepatan gelombang #pmenuju pada titikr 8 F$'!dan

r 8 $!!adalah !( lebih

kecil dibandingkan nilai yang diduga pada kondisi kayu acuan (sound pole) 3gambar *3c44.ecepatan belokan gelombang menunjukkan hubungan dimana #p (

r 8 )!!4 K #p ( r 8

$'!4 K #p ( r 8 $!!4. NilaiEr>Etpada kayu menunjukkan bah&a 3#p (

r 8 )!!4 #p (

r 8 $'!4 #p ( r 8 $!!4. ecepatan gelombang #ppada bagian kiri 3

r 8 G )!!dan

r 8 G$'!4 adalah $( dan 00( lebih kecil dibandigkan pada bagian kanan.

Nilai rata + rata modulus elastisitas pada pengukuran ultrasonik ketika transmitter

diletakkan pada titik A adalah Er 8 !.'' 3a4 menunjukkan puncak frekuensi pada >.% k"#.

6rekuensi ini terjadi attenuasi yang besar pada receiver sudutr 8 )!!. 6aktor

transmission ditunjukkan pada gambar >3d4G3f4. Nilai faktortransmissionterendah tejadi padar 8 $'!5 dan tertinggi pada

r 8 G)!!. Nilai tersebut selanjutnya digunakan sebagai

pengukuran kecepatan gelombang #p . "ubungan dari minimum dan maksimum dari indeks

dissimilarity adalah @IAmin8 G%.*' dan @IAmaks8 G$.*).

;valuasi pengukuran ultrasonik dilakukan dengan memasang transmitter pada titik

2,7, dan @. Pada gambar 3a4 menunjukkan bagian yang retak pada kayu 3/PGA4. "altersebut dapat ditentukan dengan nilai indeks dissimilarity 3gambar 3b44. 2ah&a $! jalur

(raypat)menunjukkan nilai diba&ah EG0. Pada jalur ke ) menunjukkan nilai G'. 3lokasi 2

receiver antara @ dan 74 . /ata + rata nilai modulus elastisitas pada posisi radial dan rasio

elastisitas dari semua pengukuran ultrasonik adalah ;r 8 !.'0 + !.>


12/13

Ga#2ar 6."asil pengukuran ultrasonik pada pinus tua /PGA : 6/6s 3Persamaan 4 pada

receiver dir 8 F)! 3a4,

r 8 F$' 3b4,r 8$! 3c4 5 nilai transmisiion factor

pada receiver dir 8 F)! 3d4,

r 8 F$' 3e4,r 8$! 3f4

Setelah pengujian ultrasonik dianalisa, kayu dipotong melintang horisontal untuk

melihat dan membandingkan hasil pengukuran dengan metode ultrasonik.


13/13

sebesar $. cm dari bagian luar, dan empulur kayu memiliki eccentricity sebesar %( daridiameter kayu secara keseluruhan. Sehingga dari hasil tersebut dengan menggunakan metode

ultrasonik ini sudah dapat menduga kondisi di dalam kayu.

Ga#2ar 7.Pendugaan kondisi kayu pinus tua /PGA5 3a4 dugaan area kerusakan dengan

pengujian ultrasonik, 3b4 indeks dissimilaritypada masing + masing jalur, dan 3c4

pemotongan melintang horisontal setelah pengujian dengan ultrasonik.

3. Kesi#1ulan

Pada penelitian ini menunjukkan metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan

ultrasonik. Metode ini menggunakan rambatan gelombang untuk menduga kondisi pada

kayu,signal processing, simulasi numerik, analisis statistik, dan karakteristik tranduser

ultrasonik. Pendugaan kondisi kayu didasarkan oelh perhitungan indeks dissimilaritypada

$% jalur (raypat) dan kecepatam gelombang ultrasonik, modulus elastisitas, dan

transmission factor. Nilai keseluruhan indeks dissimilarity (te overall) mempunyai arti

statistik dan menggunakan faktor pembobotan yang berbanding terbalik dengan koefisien

variasi.

Nilai transmisiion factor dihitung dari pengukuran respon frekuensi daro masing +

masing jalur. 6rekuensi diantara 0 k"# dan ** k"# dirambatkan melalui kayu secaramelintang dengan panjang gelombang

. 8 0.0 cm dan

8 *. cm.

Area kerusakan pada kayu adalah sebesar '!(, kecepatan gelombang #p dan

transmission factor menurun sebesar $( dan )*(. Sehingga dari hasil tersebut dengan

menggunakan metode ultrasonik ini sudah dapat menduga kondisi di dalam kayu.

metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan pengujian ultrasonik

Documents