perancangan sistem ultrasonik dengan program pspice untuk

JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
PERANCANGAN SENSOR ULTRASONIK
UNTUK PENGUJIAN KEKERASAN BAHAN BERBASIS PSPICE
(Zulkifli )
Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Keputih Sukolilo-Surabaya 60111
E-mail : kiflym6@ yahoo.com
zulab@ ep.its.ac.id
Abstrak : Untuk mengetahui sifat kekerasan dapat dilakukan pengujian secara Non
Destruction Test (NDT) . Pengujian ini menggunakan gelombang ultrasonic yang dihasilkan oleh
kristal piezoelektrik sebagai transduser.Penggunaan analogi listrik untuk simulasi pembangkitan
gelombang dan perambatan pada ultrasonik transduser telah berhasil dibuktikan dengan
PSPICE. Simulasi dibuat untuk 5 bahan logam dengan range frekuensi transduser 0,5 – 25 MHz.
Dari hasil simulasi berupa tegangan output dapat diketahui besarnya tekanan akustik yang
menyebabkan terjadinya perubahan pada ketebalan transduser yang dianalogikan sebagai
kedalaman indentasi pada bahan untuk mengetahui angka kekerasannya. Pendekatan simulasi
dibuat dengan mengacu alat uji Sono Hard 75 A. Simulasi ini berhasil dibuat dengan adanya
perubahan antara tegangan input
( Vin ) sebesar 180 Volt yang diberikan dengan tegangan
output yang dihasilkan untuk setiap bahan uji yang berbeda Untuk Baja : 0,248 volt,Nikel :0,088
volt,Besi : 0,160 volt,Alumunium : 0,794 volt,Magnesium : 0,997 volt.
______________________________________________________________________
1. PENDAHULUAN
2.
Pengujian kekerasan, salah satu sifat
mekanik bahan yang dapat di-lakukan secara
Destruction Test
(DT) dan Non-destruction
Test (NDT). Kekerasan merupakan ukuran
ketahanan bahan terhadap deformasi tekan. Cara
pengujian Destruction Test , mula-mula indentor
yang keras ditekankan kepermukaan logam uji
kemudian besar jejak indentasi diukur dengan
teliti menggunakan mikroskop. Sedangkan
pengujian secara Nondestruction Test yaitu
menggunakan gelombang ultrasonik yang
dibangkitkan oleh transduser piezoelektrik
kemudian dirambatkan pada permukaan logam
uji.
Hasil pengujian simulasi NDT analogi
kedalaman dengan angka kekerasan untuk
beberapa logam, seperti : Baja (HBN = 305,855;
kedalaman  = 0,833 m), Aluminium (HBN =
13,499; kedalaman  = 13,499 m), Magnesium
(HBN = 9,409; kedalaman  = 27,078 m).
Semakin besar nilai HBN dan semakin kecil
nilai kedalaman  menunjukkan bahan uji
tersebut semakin keras.
TEORI DASAR
Kekerasan
Pengujian kekerasan yang banyak
dilakukan adalah yang berdasarkan indentasi
permanen atau deformasi plastik akibat beban
statis. Hasil pengujian kekerasan ini tidak dapat
langsung digunakan dalam desain seperti halnya
hasil pengukuran tarik. Namun demikian
pengujian kekerasan bahan dilakukan, sebab
hasilnya dapat digunakan sebagai berikut :
●Pada bahan yang sama dapat diklasifikasikan
berdasarkan kekerasannya. Dengan kekerasan
tersebut dapat ditentukan penggunaan dari
bahan tersebut.
●Sebagai kontrol kualitas suatu produk , seperti
mengetahui homogenitas akibat suatu proses
pembentukan dingin, heat treatment , case
hardening dll.
Pengujian kekerasan yang berdasarkan
penetrasi beban statis , diantaranya :
Brinell : Pengujian kekerasan Brinell dilakukan
dengan penekanan bola baja yang telah
dikeraskan dengan diameter D(mm) dan beban
P(kg) terhadap suatu spesimen. Diameter
Kedalaman indentasi permukaan setelah beban
dibebaskan adalah t(mm). Angka kekerasan
Brinnel dirumuskan :
1
JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
HBN 
2P
Dt
C (V  V2 ) 2
P
2 A(d   )
( 2.1 )
Pembangkit gelombang ultrasonik
( 2.6 )
Transmisi Line Elektronik
Simulasi pembangkitan gelombang dan
perambatan
gelombang pada
transduser
ultrasonic telah berhasil dibuktikan melalui
pendekatan PSPICE ( Simulation Program with
Circuit Emphasis ). Analoginya antara
perambatan gelombang akustik dan perambatan
gelombang dalam transmisi line listrik yang
diberikan pada gambar dibawah ini,
Pembangkit
gelombang
ultrasonik
ditimbulkan oleh transduser ultrasonik Dimana
transduser mengubah energi bunyi menjadi
energi akustik. Salah satunya Transduser
elektromekanik, transduser yang mengubah
listrik menjadi energi mekanik.
Gambar 2.1 Transduser Elektromekanik
Gambar 2.2 Transmisi Line
Elektrik
Dari gambar diatas dapat dijabarkan persamaanpersamaan sebagai berikut;
L  A
( 2.7 )
1
C
( 2.8 )
A c 2
2L
( 2.9 )
R
LC
Energi yang mengalir pada rangkaian diatas
:
W = ½CV2
( 2.2 )
Dengan : W = Energi listrik
C = Kapasitansi
V = Tegangan
Medan listrik yang terjadi sebesar :
E = F.d
( 2.3 )
dengan :
L = Induktansi (Henry);
R = Resistansi (ohm)
C = Kapasitansi (Farad);
G = Konduktansi
A = Luas transduser ;
 = kerapatan massa
c = kecepatan longitudinal
 = attenuasi
Sehingga diturunkan menjadi :
E W CV 2

F= 
( 2.4 )
d
d
2d
Dimana : F = Gaya mekanik
d = Panjang membran
Jika persamaan diatas didiffrensialkan
terhadap perbahan tegangan dan panjang
membran maka diperoleh :
3.
dF 
C (V  V2 )
2(d   )
PERANCANGAN
SIMULASI
SISTEM ULTRASONIK
Prosedur
rangkaian
analog
yang
disimulasikan yaitu pada gambar dibawah
dengan sub rangkaian transduser Keterangan
dari gambar diatas,
1.Pulser / Receiver
Rangkaian elektronik yang dihubungkan
pada pulser / receiver ultrasonik adalah bagian
yang penting dalam system ini. Rangkaian
pulser terdiri dari generator pulsa ( Vin ) diikuti
2
(2.5 )
dengan : V2 = Perubahan tegangan
 = Perubahan membran
dF=Perubahangaya mekanik
dF
Tekanan akustiknya, P 
sehingga
ds
diperoleh persamaan tekanan akustik :
2
JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
dengan Kapasitor Ci ( 2nF ). Pulsa dimulai pada
tegangan 220 V dan menurun sampai 0 V dalam
5 ns. Output kapasitor dihubungkan dengan
pangkal elektrik transduser dan paralel dengan
Resistor peredam ( Rdamp = 18  ). Pada
pangkal ini echo akan dihitung ( V2 ) dan
diambil contoh setiap 5 ns.
Tabel 3.2 Data Material Bahan Uji Logam
[9]

No Logam
c
3
(kg/m ) (m/s
)
1.
Alumunium 2.700
6.320
2.
Besi
7.700
5.900
3.
Baja
7.930
5.084
4.
Nikel
8.890
5.630
5.
Magnesium 1740
6310
Metode Penentuan Kekerasan
Langkah-langkah
untuk
menentukan
kekerasan bahan sebagai berikut :
1. Memasukkan data-data yang diperoleh
dari hasil perhitungan dari persamaanpersamaan yang ada untuk transduser ke
dalam program simulasi PSPice.
2. Mencatat
tegangan
output
(V2)
maksimum dan menghitung tekanan
akustik (P2) yang merupakan selisih
antara tekanan akustik pada node 3 (P3)
dengan tekanan akustik pada setiap
bahan uji (node 5) dari hasil simulasi.
3. Menghitung perubahan membran (  )
pada transduser setelah diketahui harga
(P2).
4. Menghitung angka kekerasan dengan
menggunakan.
Dimana
perubahan
membran (  ) pada transduser sebagai
kedalaman indentasi.
Gambar 3.1 Sistem Ultrasonik dengan PSPICE
Bahan transduser yang digunakan dalam
simulasi ini adalah piezokeramik PZT-5.
Tabel 3.1 Data Material Transduser PZT-5A[4]
Parameter
 ( Kg / m )
Qm
c(m/s)
s ( c2 / Nm2 )
e33( c / m )
PZT-5A
7750
75
4350
7,3510
15,8
4.
PENGUJIAN DAN ANALISA
Hasil simulasi dari setiap bahan uji
ditunjukkan pada gambar dibawah ini. ( diwakili
1 macam logam )
BAJA
Bahan Perantara Kedua ujung transduser
dihubungkan satu pada bahan perantara yaitu
intan dan yang lainnya dihubungkan dengan
Resistor ( Rb =. 2k  ). Intan merupakan salah
satu bahan yang mempunyai ikatan kovalen.
Intan disini sebagai bahan perantara yang
mempunyai sifat kekerasan bahan tanpa batas.
Tabel 3.2 Data Material Intan [8]
Bahan Uji ; Bahan uji yang digunakan dalam
penelitian ini adalah 5 bahan logam yang
mempunyai konduktifitas yang tinggi pada suhu
kamar dengan data material sebagai berikut :
Gambar 4.1 Tegangan output (V2) bahan uji
baja dari hasil simulasi
3
JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
Tabel 4.1 Tegangan maksimum ( V2 )
bahan uji dari hasil simulasi
1.
Baja
Tegangan
Maksimum
( V2 )
0,248 volt
2.
3.
4.
5.
Nikel
Besi
Alumunium
Magnesium
0,088 volt
0,160 volt
0,794 volt
0,997 volt
No
Gambar 4.2 Tegangan pada node ( 3 ) antara
transduser dengan intan
Material uji
Sedangkan besar tegangan antara transduser
dengan intan untuk semua bahan uji sama yaitu
179,169 Volt.
Tabel 4.2 Tegangan maksimum node (5)
dan node (6) pada semua bahan uji
No.
1.
2.
3.
4.
5.
Gambar 4.3 Tegangan di Node ( 5 ) antara
intan dan baja
Tegangan
Bahan uji
( Volt )
pada
node ( 5 )
Baja
144,634
Nikel
163,593
Besi
154,937
Alumunium 79,835
Magnesium 55,776
Tegangan
( Volt )
pada
node ( 6 )
135,297
145,885
139,329
104,159
80,832
Perhitungan Kekerasan
Untuk menghitung angka kekerasan
khususnya pada penelitian ini adalah kekerasan
Brinnel, terlebih dahulu dilakukan langkahlangkah perhitungan pada sub bab 3.3 dengan
data-data yang diperoleh dari hasil rancangan
simulasi yang sudah dibuat seperti berikut :
1. Perhitungan Tekanan akustik pada node ( 3 )
antara transduser dengan intan.
Diket : Cintan ( Tabel 3.4 ) = 7,9 nF
V(maks pada node 3 ) = 179,169 Volt
d = Len Intan = 5 mm
A = 1 um
Gambar 4.4 Tegangan pada node (6)
Ditanya:P(3)=
F CV 2 7,9n(179,169) 2
=
=25.36

A 2dA 2(5mm)(1um)
2.Perhitungan Tekanan akustik pada node ( 5 )
antara transduser dengan bahan uji.
Berdasarkan table 3.4 ( C [kapasitansi] , len = d
dan table 4.2 (Tegangan maksimum) dimana A
4
JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
= 1 um, diperoleh harga tekanan akustik pada
node (5) {dengan melakukan perhitungan,yang
sama pada node ( 3 ) }dengan perubahan
tegangan ( V5 + V6 ).
Tabel 4.6 Perbandingan Kekerasan antara Hasil
Simulasi dengan referensi
No. Bahan Uji
HBN
HBN
( Hasil
(Referensi
Simulasi )
)
1. Baja
305,855
300
2. Nikel
97,953
100
3. Besi
97,732
82 – 100
4. Alumunium 15,499
16
5. Magnesium 9,409
10 – 32
Tabel 4.3 Tekanan Akustik ( P5 ) Semua
Bahan Uji pada node ( 5)
No. Bahan uji
P node ( 5 )
1.
Baja
2.360
2.
Nikel
2.308
3.
Besi
2.272
4.
Alumunium 1.555
5.
Magnesium 1.181
Dari tabel 4.6 diatas terdapat perbedaan
nilai yang dihasilkan oleh simulasi dengan data
referensi. Dari hasil simulasi yang dilakukan
dengan program PSPICE diperoleh tingkat
penyimpangan lebih kecil dari 2 %.
3.Perhitungan Tekanan Akustik (P2) yang
Merupakan Selisih Antara Tekanan Akustik
(P3 ) dengan Tekanan Akustik ( P5 ) untuk
Semua Bahan Uji
5.
Tabel 4.4 Tekanan Akustik ( P2 ) untuk
semua Bahan Uji
No. Bahan Uji
P2=(P3-P5)
1.
Baja
15.879
2.
Nikel
15.931
3.
Besi
15.967
4.
Alumunium 16.684
5.
Magnesium 17.058
KESIMPULAN
Dari pengujian dan analisis diatas dapat
disimpulkan :
●Tegangan listrik & tekanan akustik
maksimum terjadi pada bahan uji yang
mempunyai kerapatan rendah .
●Nilai Angka kekerasan hasil simulasi
terhadap referensi masuk dalam range yang
distandarkan dengan penyimpangan < 2 %.
6.
4.Perhitungan  (perubahan/defkeksi membran
pada transduser ) dengan persamaan ( 2.12 )
sebagai kedalaman indentasi untuk menghitung
kekerasan bahan dengan persamaan ( 2.1 ).
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Ir.
Sriati
Djaprie,
M.E,M.Met,
Lawrence.H.VanVlack, “ ILMU dan
TEKNOLOGI BAHAN ( ILMU LOGAM
dan BUKAN LOGAM ) “ , Erlangga,1989.
[2] E.J.Bradbury, “ DASAR METALURGI
untuk REKAYASAWAN “ , Gramedia,
Jakarta, 1991.
[3] William D , Callister . Jr , “ MATERIAL
SCIENCE and ENGINEERING , AN
INTRODUCTION “ , John WILEY &
Sons, Inc. 1985.
[4] Štefan Kočiš, Zdenko Figura, “
ULTRASONIC MEASUREMENT and
TECHNOLOGIES “ , Chapman & Hall ,
1996.
[5] John P.Bentley, “ PRINCIPLES of
MEASUREMENT SYSTEMS “ , third
Edition, 1995.
[6] William Sinnema, “ ELECTRONIC
TRANSMISSION
TECHNOLOGY
LINES WAVES and ANTENNAS “ ,
Prentice Hall, Inc. New Jersey , 1979.
Tabel 4.5 Kekerasan Bahan Uji dari hasil
Simulasi
No. Bahan Uji
 ( um HBN
)
1.
Baja
0,833
305,855
2.
Nikel
2,601
97,953
3.
Besi
2,808
90,732
4.
Alumunium 18,873
13,499
5.
Magnesium 27,078
9,409
Analisa Kekerasan Bahan Uji
Pengujian validitas dilakukan dengan
membandingkan hasil simulasi dengan data
sekunder / referensi [10].
5
JURNAL INDUSTRI FTI-ITS 2005
[7] W.M.Leach,Jr.,
“
CONTROLLED
SOURCE ANALOGUES CIRCUITS and
SPICE MODELS for PIEZOELECTRIC
TRANSDUCERS “ , IEEE Trans.
Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol.41,
pp.60-66, Jan.1994.
[8] Charless A. Herper, “ HAND BOOK of
CERAMICS, GLASSES and DIAMONDS
“ , Mc GrawHill, 2001.
[9] Center for Nondestructive Evalution , “
NONDESTRUCTIVE TEST SERIES,
ULTRASONIC TESTING HANDBOOK
“ ,IOWA State University,AMES.
[10] Robert B.Ross, “ HAND BOOK OF
METAL
TREATMENTS
AND
TESTING “ , Second Edition, Chapman
and Hall,1998.
[11] Roger Conant , “ ENGINEERING
CIRCUIT ANALYSIS with PSPICE and
PROBE “ , Mc Graw Hill , 1993.
[12] Jan van Deventer, Torbjörn Löfqvist and
Jerker Delsing, “ PSPice SIMULATION
OF ULTRASONIC SYSTEMS “ , IEEE,
Juli 2000.
[13] Nurhadiani, Zulkifli, Perancangan Sistem
Ultrasonik dengan Simulasi
PSPICE , Tugas Akhir TF FTI ITS 2002.
6