PEMANENAN ENERGI BISING LALU LINTAS

MENGGUNAKAN MATERIAL PZT DALAM

RESONATOR HELMHOLTZ

TUGAS AKHIR

Oleh:

Chandra Salim

13305088

PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2010

PEMANENAN ENERGI BISING LALU LINTAS

MENGGUNAKAN MATERIAL PZT DALAM

RESONATOR HELMHOLTZ

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi syarat kelulusan tahap pendidikan strata-1 pada

Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

Oleh:

Chandra Salim

13305088

Pembimbing:

Ir. Ida Bagus Ardhana Putra, Ph.D

Ir. Ahmad Nuruddin, Ph.D

PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2010

ABSTRAK

Pengukuran bising lalu lintas yang dilakukan pada jalan raya kota Bandung,

menunjukkan bahwa tingkat bising yang terjadi berada pada rentang cukup tinggi

(Leq = 80-90dB). Hal ini menunjukkan energi suara yang tidak dikehendaki

(bising) dapat dikondisikan menjadi energi yang berguna. Upaya ini dikenal

dengan acoustic energy harvesting atau pemanenan energi akustik.

Penelitian ini dimaksudkan untuk menyusun konsep pemanfaatan bising sebagai

sumber suara melalui metode simulasi menggunakan piranti lunak Comsol

Multiphysics 3.5 Kasus yang digunakan dalam penelitian ini adalah jalan layang

Pasopati Bandung dengan penambahan enclosure berbentuk setengah silinder.

Rancangan resonator disesuaikan untuk memanen energi bising maksimum yang

distribusi terhadap frekuensinya diukur melalui pengukuran lapangan.

Dengan konsep pemanenan energi, energi bising jalan layang Pasopati dapat

dimanfaatkan untuk aplikasi sederhana seperti pengisian ulang energi batu baterai.

Untuk ukuran baterai AAA (750mAh) dengan menggunakan PZT-4

membutuhkan 80.22 jam, menggunakan PZT-5H membutuhkan 38.77 jam,

menggunakan PZT-5A membutuhkan 61.59 jam dan PZT-8 membutuhkan 108.20

jam waktu pengisian.

Kata kunci:

Energi suara, bising, enclosure, resonator Helmholtz, pemanenan energi, piezo

keramik.

DAFTAR ISI

ABSTRAK i

KATA PENGANTAR ii

DAFTAR ISI iv

DAFTAR SIMBOL vi

DAFTAR GAMBAR viii

DAFTAR TABEL x

BAB 1 PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Rumusan Masalah 3

1.3 Tujuan 4

1.4 Batasan Masalah 4

1.5 Metodologi Pelaksanaan 5

BAB 2 DASAR TEORI 7

2.1 Suara 7

2.1.1 Sumber Suara 8

2.1.1.1 Sumber Titik 8

2.1.1.2 Sumber Garis 10

2.1.1.3 Sumber Bidang 11

2.1.2 Energi Suara 12

2.1.3 Intensitas Suara 13

2.1.4 Daya Suara 13

2.1.5 Tingkat Tekanan Suara (Sound Pressure Level) 14

2.1.6 Perubahan Terhadap Jarak 15

2.1.7 Gelombang Berdiri 17

2.2 Bising 19

2.3 Resonansi dan Resonator 21

2.4 Pemanenan Energi 26

2.4.1 Piezoelektrik 27

2.4.2 Matematis Piezoelektrik 29

2.4.3 Material Piezoelektrik 34

2.5 Comsol Multiphysics 34

BAB 3 PENGUKURAN DAN PENGOLAHAN DATA 36

3.1 Peralatan Yang Digunakan 38

3.2 Prosedur Perekaman Bising Jalan Layang Pasopati 38

3.3 Pengolahan Data Bising 39

3.4 Perhitungan Energi Suara 41

3.5 Desain Barier 44

3.6 Penentuan Volume Resonator 46

3.7 Data Kepadatan Lalu Lintas DLLAJR 47

3.8 Pembagian Rentang Waktu 49

BAB 4 SIMULASI DAN ANALISIS 51

4.1 Karakteristik Bising Jalan Layang Pasopati Aktual 51

4.2 Uji Room Mode Ruang Kosong Enclosure 54

4.3 Uji Karakteristik Tekanan Suara Dalam Resonator 58

4.4 Visualisasi Penempatan Resonator Pada Ruang Enclosure 61

4.5 Tekanan Suara Pada Resonator Selama 24 Jam 65

4.6 Perhitungan Pembangkitan Energi Elektrik 66

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 69

5.1 Kesimpulan 69

5.2 Saran 70

DAFTAR PUSTAKA 71

LAMPIRAN A 73

LAMPIRAN B 77

KESIMPULAN DAN SARAN

1.1 Kesimpulan

Dari semua yang dilakukan pada penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa:

1. Karakteristik bising jalan layang Pasopati Bandung yaitu bahwa bising

jalan layang Pasopati memiliki energi yang besar pada rentang frekuensi

rendah (25Hz-315Hz), yaitu sebesar 83.32% dari keseluruhan energi pada

rentang 25Hz sampai dengan 20kHz.

2. Untuk enclosure dengan geometri seperti pada penelitian yang

dikombinasikan dengan resonator Helmholtz, frekuensi yang paling efisien

untuk dilakukan penanganan adalah pada 50Hz, 63Hz, 80Hz, 100Hz dan

125Hz.

3. Besar arus listrik total yang dihasilkan oleh keseluruhan resonator di

sepanjang badan enclosure adalah 224.4 mA/day jika bahan pembuat

resonator menggunakan bahan PZT-4; 292.2 mA/day jika menggunakan bahan

PZT-5A; 464.3 mA/day jika menggunakan bahan PZT-5H (paling efisien) dan

166.4 mA/day jika menggunakan PZT-8.

1.2 Saran

Untuk pengembangan Tugas Akhir ini, beberapa hal yang disarankan untuk

dilakukan adalah:

1. Dilakukan pengukuran data bising dan komposisi aktual jumlah kendaraan

yang beraktivitas sepanjang jalan layang Pasopati selama 24.

2. Dilakukan penelitian pada jenis material lain yang efisiensi konversi

energinya lebih besar.

3. Dilakukan penelitian pada bahan enclosure yang lain.

4. Dilakukan penelitian terhadap pembuatan rangkaian rectifier dan piranti

penyimpanan energi yang telah dihasilkan.

5. Dilakukan pemikiran bentuk lain resonator Helmholtz sehingga

memungkinkan dilakukan maintenance terhadap debu yang masuk ke

dalam ruang resonator untuk waktu yang lama.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Trisnobudi, Amoranto. Fenomena Gelombang, Bagian Pertama. Penerbit

ITB: Bandung. 62-70. 2006.

[2] Crocker, Malcolm J. Handbook of Acoustics. John Wiley & Sons, Inc.: New

York. 1998.

[3] Fahy, Frank. Foundation of Engineering Acoustics 2nd

Ed. London:

Academic Press. 2001.

[4] Beranek, Leo L. Noise And Vibration Control. Institute of Noise Control

Engineering, Washington D.C. 1988.

[5] F. Alton Everest. The Master Handbook of Acoustic. USA: McGraw Hill.

2001.

[6] Kinsler, Lawrence E. and Frey, Austin R. Fundamental of Acoustics. John

Wiley & Sons, Inc.: New York. 198. 1950.

[7] http://www.phys.unsw.edu.au/jw/Helmholtz.html

[8] Everest, F. Alton. Master Handbook of Acoustics. 4th

Ed. New York:

McGraw Hill. 2001.

[9] Sodano, Henry A., Gyuhae Park and Daniel J. Inman. Review of Power

Harvesting Advances and Application. Center of Intelligent Materials

Systems and Structures. Blakcsburg: Virginia Polytechnic Institute and State

University. 2003.

[10] Sherrit, Stewart. The Physical Acoustics of Energy Harvesting. Jet

Propulsion Laboratory, California Institute of Technology. 2008

[11] Bernstein, Julius. Piezoelectric Helmholtz Resonator for Energy Conversion.

US Patent no. 3215078.

[12] Holler, F. James; Skoog, Douglas A; Crouch, Stanley R. Principles of

Instrumental Analysis (6th ed.). Cengage Learning. 9. 2007.

[13] Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications.

[14] Damjanovic, Dragan. Reports on Progress in Physics. 61: 1267–1324. 1998.

[15] Lakes, Roderic. Electrical Properties of Bone: A Review. University of

Wisconsin–Madison.

[16] Becker, Robert O; Marino, Andrew A. Electromagnetism & Life. New York:

State University of New York Pres. Chapter 4.1982.

[17] Saito, Yasuyoshi, dkk (2004-11-04). Lead-free piezoceramics. Nature

Publishing Group. 432: 81–87. 2004.

[18] http://en.wikipedia.org/wiki/COMSOL_Multiphysics

[19] Fahy, Frank & John Walker. Advanced Application in Acoustics, Noise &

Vibration. UK: Spon Press. 259. 2004.

[20] Sodano, Henry A. & Daniel J. Inman. “Comparison of Piezoelectric Energy

Harvesting Devices for Recharging Batteries”. Journal of Intelligent

Material Systems and Structure, 16(10), 799-807. 2005