2.9.1.1. GELOMBANG ULTRASONIK Berdasarkan frekuensi, bunyi dapat diklasifikasikan sebagai berikut : Infrasonic : f < 16 Hz Audible sonic : 16 Hz < f < 20 kHz Ultrasonic : f > 20 kHz Hypersonic : f > 1 GHz A. Mekanisme Gelombang Ultrasonik merupakan gelombang mekanis dimana partikel-partikel (atom atau molekul) bergetar atau beroskilasi disekitar posisi kesetimbangannya. Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium elastis seperti padat, cair atau gas, tetapi tidak dalam ruang hampa. Ketika partikel-partikel suatu bahan elastic berpindah dari posisi kesetimbangan karena adanya gaya luar, tegangan-dalam akanbekerja untuk mengembalikan partikel tersebut ke posisi asalnya. Karena adanya gaya antar-atom antara partikel-partikel yang berdekatan, perpindahan satu partikel akan menyebabkan perpindahan partikel didekatnya, demikian seterusnya sehingga terjadi perambatan gelombang. Amplitudo, model getaran dan kecepatan dari gelombang berbeda-beda untuk padat, cair dan gas dikarenakan perbedaan jarak antara partikel-partikelnya yang menyebabkan gaya tarik antara partikel dan sifat elastis bahan akan berbeda. B. Jenis Gelombang Ada 4 jenis gelombang:1) gelombang longitudinal, 2) gelombang transversal, 3) gelombang permukaan, dan 4) gelombang Lamb. Dari keempat jenis gelombang diatas, yang paling banyak digunakan adalah gelombang longitudinal dan transversal. Gelombang longitudinal dikenal juga sebagai gelombang kompresi dimana partikel bergerak maju dan mundur searah dengan perambatan gelombang. Gelombang longitudinal dapat merambat pada semua media padat, cair dan gas.

Gambar 2.51. Gelombang longitudinal Gelombang transversal atau gelombang geser mempunyai gerakan partikel yang tegak lurus dengan arah gerakan gelombang. Gelombang ini mempunyai kecepatan kirakira 1/2 kecepatan gelombang longitudinal. Gelombang transversal tidak dapat merambat pada media cair dan gas, kecuali cairan yang sangat kental atau cairan yang merupakan lapisan yang sangat tipis.

Gambar 2.52. Gelombang transversal pertikel berbentuk clip. Gelombang ini mempunyai kecepatan 0.9 kecepatan gelombang transversal dan merambat pada permukaan dengan kedalaman aman tidak lebih besar dari panjang gelombangnya. Oleh karena itu biasanya gelombang permukaan digunakan untuk memeriksa benda uji yang berbentuk rumit.

Gambar 2.53. Gelombang permukaan

Catatan : Vl : kecepatan gelombang longitudinal Vt : kecepatan gelombang transversal Vs : kecepatan gelombang permukaan C. Frekuensi Hubungan antara kecepatan (V) dengan frekuensi gelombang () diberikan oleh persamaan berikut :

frekuensi

(f)

dan

panjang

V = f. Kecepatan gelombang akan bergantung pada media yang dilaluinya. Jadi kecepatan adalah tetap untuk bahan yang sama. Sedang frekuensi adalah bergantung pada transduser yang dipergunakan. Dimana tiap transduser mempunyai frekuensi yang tertentu. Kepekaan, atau kemampuan untuk mendeteksi cacat yang sangat kecil semakin besar dengan semakin besarnya frekuensi yang dipergunakan, akan tetapi atenuasi akan semakin besar pula. Oleh karena itu dalam pemeriksaan dengan ultrasonik hal-hal tersebut mesti dipertimbangkan, terutama dalam pemeriksaan bahan-bahan yang mempunyai homogenitas yang rendah atau ukuran butir yang relatifbesar. Mempertimbangkan hal tersebut, maka bahan-bahan tertentu akan sesuai untuk diperiksa dengan menggunakan frekuensi yang tertentu, yaitu:

D. Impedansi Akustik Impedansi akustik digunakan untuk menghitung jumlah energi yang dipantulkan maupun yang diteruskan (ditransmisikan) pada batas-permukaan (interface) dari 2 media. Jika 2 media mempunyai impedansi akustik yang hampir sama, maka tidak akan terjadi pantulan, hampir semua energi 2 gelombang akan ditransmisikan. Sebaliknya jika impedansi akustik dari 2 media jauh berbeda. Maka hampir semua energi gelombang akan dipantulkan. Impedansi akustik (Z) suatu media berbanding lurus dengan berat jenis ( ) dan kecepatan gelombang (V) melewati media tersebut. Z = v Untuk sudut datang 0 (tegak lurus permukaan), prosentase energi yang dipantulkan (R) dan yang ditransmisikan (T) dapat dihitung dari persamaan berikut : R = (Z2 Z1)2 /.(Z2 + Z1)2 T = 4Z2Z1 / (Z2 + Z1)2 E. Pelemahan (Atenuasi) Terdapat 3 faktor utama yang menyebabkan terjadinya atenuasi energy ultrasonik, yaitu: penyerapan (absorption), scattering dan difraksi (diffraction). a) Penyerapan (absorption) : Sebagian energi ultrasonik diubah menjadi panas ketika melewati suatu media. b) Scattering Ketidak-homogenan bahan seperti adanya inklusi, porositas, grafit dalam besi tuang, perbedaan jenis kristal atau fasa akan menyebabkan terjadinya scattering. c) Difraksi Pembelokan gelombang pada ujung reflektor (interface). Dipengaruhi oleh kekasaran, ukuran dan bentuk interface. F. Perubahan Bentuk Gelombang ( Mode of Conversion)

Ketika gelombang, ultrasonik datang pada suatu interface dengan sudut datang 0 ( tegak-lurus permukaan), maka gelombang tersebut akan dipantulkan atau diteruskan tanpa terjadi perubahan arah. Akan tetapi jika sudut datang gelombang bukanah 0 , maka akan terjadi perubahan bentuk gelombang ( mode of conversion ) dimana akan dihasilkan gelombang pantul dan gelombang bias yang dapat, berupa gelombang longitudinal, transversal maupun permukaan (lihat gambar 2.54). Hubungan antara sudut dan gelombang datang, pantul dan bias pada gambar 2.54 dapat diberikan berdasarkan hukum Snellius, yaitu: sin 1/V1(1) : sin 1/V1(1) = sin t/Vt(1) = sin 1/V1(2) = sin t/Vt(2)0 0

2.9.1.2. Proses Pemeriksaan Terdapat beberapa metode untuk membangkitkan gelombang ultrasonik, tetapi yang paling banyak dipakai dalam bidang NDT adalah metode yang berdasarkan pada prinsip PIEZOELECTRIC EFFECT, yaitu jika suatu jenis kristal dibebani (tarik atau tekan), maka akan dihasilkan muatan listrik pada permukaan kristal tersebut akan terjadi deformasi/vibrasi, merenggang atau menyempit bergantung pada jenis muatan yang diberikan. Piezoelectric effect dapat dihasilkan oleh kristal-kristal berikut : quartz, barium titanat, turmalin, lithium sulfat, plumbum metaniobat, dan plumbum zirkonat titanat. Terdapat beberapa jenis probe (piezoelectric) yang biasa digunakan dalam pemeriksaan ultrasonik, yaitu (lihat gambar 2.55) a) Straight Beam (pancaran langsung) Gelombang ultrasonik yang dipancarkan tegak lurus permukaan benda uji. Probe ini dapat dipergunakan untuk metode pulse-echo (pulsa gema) atau transmisi. Untuk metode pulsa-gema dapat digunakan satu atau 2 probe, dimana pemakaian 2 probe digunakan ketika memeriksa benda uji yang bentuknya tidak beraturan. b) Angle Beam (pancaran menyudut) Gelombang ul t r asonik yang dipancarkan membentuk sudut terhadap permukaan benda uji. Probe ini biasanya digunakan untuk memeriksa plat, pipa atau bejana, dan benda uji dengan bentuk yang t idak dapat diper iksa dengan probe straight beam. c) Dual Element (berkristal dua) Dengan memiliki dua buah kristal pada satu probe (yang satu berfungsi sebagai transmi ter dan yang lainnya sebagai receiver), maka akan terbebas dari pengaruh pulsa t ransmitte s ehingga dapat memeriksa cacat yang berada di dekat perrmukaan. d) Delay Tip (mempunyai penunda) Dengan adanya batang penunda akan menghilangkan pengararuh "dead zon e " (d a e r ah yan g t idak dapat diperiksa) sehingga biasanya probe ini digunakan untuk pengukuran ketebalan plat yang tipis. e) Immersion (rendam)

Dengan adanya media air sebagai penunda dan sebagai kuplan, maka jenis ini dapat digunakan untuk pemeriksaan benda uji yang tipis dan mempunyai kecepatan pemeriksaan yang tinggi serta pemeriksaan dapat diotomatisasi. 2.9.1.3. Metode Pemeriksaan Pemeriksaan dengan ultrasonik dilakukan dengan memonitor/memantau hal-hal berikut : Pantulan energi dari interface antara logam dan gas, logam dan cairan, atau diskontinuitas yang ada di dalam benda uji. Waktu tempuh gelombang bunyi ke t ika melewati benda uji, dari transmitter ke receiver. Atenuasi pancaran gelombang bunyi ketika melewati benda uji. Frekuensi resonansi benda uji. Pada prinsipnya terdapat 3 macam metode pemeriksaan dengan ultrasonik, yaitu : A. Metode transmisi (transmission method). B. Metode pulsa-gema (pulse-echo method). C. Metode resonansi (resonance method) . A. Metode Transmisi Metode transmisi di dasarkan pada pengukuran perubahan intensitas gelombang bunyi yang ditransmisikan melewati benda uji. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan 2 buah probe, satu probe berfungsi sebagai pemancar (transmitter) dan satu probe sebagai penerima (receiver) pengurangan intensitas gelombang setelah melewati benda uji dikarenakan sebagian gelombang dibelokkan, dipantulkan dan sebagian lagi diteruskan yang kemudian diterima oleh receiver (lihat gambar 2.56). Gambar 2.56. Metode transmisi Kekurangan dari metode ini adalah : Kepekaan rendah. Letak dan bentuk cacat tidak dapat diketahui, hanya mengetahui ada tidaknya cacat didalam benda uji. Transmitter dlan receiver harus saling berhadapan. Permukaan benda uji dimana transmitter dan receiver ditempatkan harus paralel/sejajar. Permukaan benda uji harus bebas dari deposit B. Metode Pulsa-gema (pulse-echo) Pada metode pulsa-gema, pulsa gelombang ultrasonic dipancarkan oleh probe kedalam

benda uji yang diperiksaa. Jika pulsa tersebut mengenai cacat atau permukaan lain, maka pulsa gelombang akan dipantulkan kembali ke probe yang selanjutnya dimonitor/dianalisa besarnya energi pulsa dan waktu tempuh pulsa yang diterima. Pulsa gelombang (pulsa mekanis) yang kembali ke probe diubah menjadi pulsa listrik yang ditunjukkan sebagai titik tetapi karena kecepatannya sangat tinggi maka pada layar akan terlihat sebagai garis. Untuk menunjukkan pulsa gelombang yang dipantulkan oleh cacat atau permukaan yang lain, pulsa listrik dibelokkan ke arah vertikal dan dibelokkan kembali ke bawah, ke garis dasar layar. Titik yang dibelokkan terasebut dinamakan ECHO Ketika pulsa listrik dikirimkan ke kristal untuk membangkitkan pulsa gelombang, terdapat pulsa listrik yang dipantulkan kembali, sehingga di layar akan terlihat adanya transmitter echo. Jadi, jika terjadi suatu pemeriksaan benda uji terdapat cacat, maka di layar akan terdapat 3 macam echo yaitu (lihat Gambar 2.57). Transrmitter echo : akibat pemancaran pulsa listrik. Defect echo : dari cacat. Back echo : dari dinding/sisi belakang. Kelebihan dari metode puIsa-gema adalah: - Untuk pemeriksaan hanya diperlukan satu permul:aan. - Lokasi, bentuk, dan ukuran cacat dapat ditentukan. Selain kelebihan di atas, metod e ini mempunyai kekurangan yaitu kemampuan resolusi yang kecil, hanya dapa t memeriksa benda uji dengan ketebalan lebih besar dari 5 mm, kecuali dengan T - R (transmitter-receiver) probe yang mampu memeriksa benda uji dengan tebal 1 mm. C. Metode Resonansi Resonansi adalah berkaitan dengan sifat fisik yang dimilikik oleh benda uji karena dimensinya. Sifat tersebut me n y e b a b k a n b e n d a u j i bergetar pada frekuensi-diri ketika didekati suatu benda yang bergetar pada frekuensi tersebut. Pada metode ultrasonik, resonansi terjadi ketika panjang lintasan gelombang merupakan kelipatan setengah panjang gelombang. Jadi resonansi akan terjadi jika: d = n ./2 atau d = n.V/2f Dimana d = P anjang lintasan gelombang n = Bilangan bulat = Panjang gelombang V = Cepat rambat gelombang bunyi f = frekuensi

Resonansi dipengaruhi oleh bahan, bentuk dan dimensi benda uji. Metode ini biasanya hanya digunakan untuk pengukuran ketebalan benda uji. KALIBRASI Kalibrasi dilakukan setiap kali sebelum dilakukan pemeriksaan. Tujuan kalibrasi adalah untuk: - Menentukan karaktaristik operasi peraIatan dan probe. - Memberikan kondisi pengujian yang dapat diu1angi kembali. - Membandingkan t i n g g i dan lokasi echo dari cacat di dalam benda uji dengan echo cacat buatan di dalam tes blok. Sesuai dengan penggunaannya, terdapat beberap macam tes blok: Blok kalibrasi IIW (K1 atau V1) Blok DIN 54122 (K2 atau V2) Blok IOW Blok acuan ASME Blok area-amplitude Blok distance-amplitude Kalibrasi Pemakaian Normal Probe Sesuai dengan tujuan praktikum ini, kalibrasi pemakaian normal probe bertujuan untuk memperoleh nilai skala pada layar iloskop disesuaikan dengan kondisi pemeriksaan yang akan dilakukan. Untuk melakukan kalibrasi digunakan blok kalibrasi (K1 atau V1).

Gambar 2.58. Peralatan Kalibrasi Pemakaian Probe Misal untuk pengujian 200 mm, dan diketahui bahwa layar osiloskop mempunyai 10 skala kearah horisontal, maka: 20 mm/SKT 10 SKT 200 mm jumlah maksimum skala (SKT)

K = Lintasan gelombang daerah pengujia = = s = K.T atau T = s/K dimana: T : jumlah skala (SKT) s : lintasan gelombang K : faktor perhitungan 2.9.1.4. Pemeriksaan dengan Normal Probe Dalam praktikum ini hanya dibatasi pengenalan pemakaian normal probe, yaitu untuk mendeteksi dan mengetahui posisi cacat buatan (lubang bor) didalam suatu benda uji dan mengukur ketebalan suatu benda uji, untuk mendeteksi cacat dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: (1) Melakukan kalibrasi sesuai dengan 5.1. (2) Melakukan pemeriksaan benda uji dengan menggcser-geser probe pada permukaan benda uji sampai diperoleh echo cacat (defect echo). Echo cacat akan selalu terletak diantara transmitter echo dan back echo. (3) Posisi cacat dapat dihitung, yaitu sebagai hasil perkalian antara faktor K dengan jumlah SKT dari posisi echo cacat pada layar. S = K.T (mm) = jarak dari permukaan benda uji dengan permukaan cacat. Hasil pemeriksaan akan nampak seperti ditunjukkan pada gambar

Gambar 2.59. Tampilan layar dengan adanya cacat