Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume IV Nomor 2 November 2020              P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780

## SIMULASI PENGARUH  UKURAN PIEZOELEKTRIK DAN KEBISINGAN KERETA REL DIESEL TERHADAP TEGANGAN DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS
Ilham Satrio Utomo 1 , ilham.satrio@ppi.ac.id Henry Widya Prasetya 2 , henry@ppi.ac.id Moch. Aziz Kurniawan 3 , aziz@pktj.ac.id
1,2 Teknologi Mekanika Perkeretaapian, 3 Teknologi Otomotif
1,2 Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun, 3 Politeknik Keselamatan Transportasi Jalan Tegal

## ABSTRAK
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  variasi  ukuran piezoelektrik dan  kebisingan lokomotif  kereta  terhadap  tegangan  yang  dihasilkan  dengan  menggunakan  ANSYS.  Variasi  Ukuran Pezoelektrik yang digunakan adalah 1x1, 3x3, 5x5 (cm). Sedangkan untuk variasi kebisingan yang digunakan adalah 93, 96, 98, 100 (dB). Metode yang  digunakan  adalah dengan metode  numerik; dalam  hal  ini Finite Element Analysis (FEA) dengan bantuan program  struktural  Statis  ANSYS. Hasil penelitian menunjukkan dengan  menggunakan piezoelektrik 5x5  cm  dan  pada  kebisingan  100  dB  dihasilkan  tegangan  maksimal 158,12 mV.
Kata Kunci : Kebisingan, Tekanan, Piezoelektrik , Lokomotif, Kereta, tegangan .

## ABSTRACT
The purpose of this study was to determine the effect of variations in electrical piezo size and train locomotive noise to the voltage generated using ANSYS. Pezoelectric Size variations used are 1x1, 3x3, 5x5 (cm). As for the  noise  variations  used  are  93, 96,  98, 100  (dB).  The  method used  is  the  numerical  method;  in  this  case Finite  Element  Analysis  (FEA)  with  the  help  of  ANSYS  Static  structural  program.  The  results  showed  that using piezoelectric 5x5 cm and at 100 dB noise produced a maximum voltage of 158.12 mV.
Keywords: Noise, Pressure, Piezoelectric, Locomotive, Train, Voltage .

## 1 LATAR BELAKANG
Kereta  api  saat ini  dianggap  salah  satu moda  transportasi  paling  signifikan  karena volume  penumpang  yang  besar  dan  ketepatan waktu yang cukup baik. Permintaan penumpang  kereta  api  mengalami  peningatan dari  tahun  ke  tahun.  Peningkatan  kebutuhan kereta  untuk  moda  transportasi  berbanding lurus  dengan  peningkatan  energy.  Saat  ini, sektor transportrasi memiliki peran besar dalam konsumsi bahan bakar fosil yakni sekitar 20% [1].    Oleh  karena  itu  kebutuhan  akan  energy terbarukan pada kereta menjadi menarik untuk di bahas.
Hukum  kekekalan  energi  menyatakan bahwa  “energy  tidak  dapat  diciptakan  dan dimusnahkan”,  Energi  hanya  berubah  bentuk. Dengan hukum tersebut, pada dasarnya energy suara  dapat  berubah  bentuk  menjadi  energy listrik yang dapat dimanfaatkan untuk
kebutuhan  pada  kereta  api.  Hal  tersebut diharapkan dapat mengurangi beban generator, yang  berakibat  menurunnya  konsumsi  bahan bakar.  Kereta  rel  diesel  elektrik  pada pengukuran kebisingan menghasilkan kebisingan  diantaranya  pada  knalpot engine , engine ,  generator,  kipas  pendingin  radiator, kipas  rem  dinamis,  blower,  motor  traksi,  dan kompresor penampung debu. [2].
Banyak upaya penelitian telah dikhususkan  untuk  teknologi  yang  berfokus pada pemanenan energi alternatif atau konversi energi.    Zhang  et  al.  merancang  system pemanenan energi kinetik untuk memanen daya yang  terbuang  dari  kendaraan  yang  melewati terowongan jalan  [3]. Untuk digunakan dalam kendaraan  listrik  jarak  jauh,  Zhang  et al.  membuat  sebuah  peredam  kejut  untuk mengumpulkan energi suspensi  yang terbuang dari  kendaraan  yang  bergerak  secara  dinamis
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume IV Nomor 2 November 2020              P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
[4].  Teknologi  pemanenan  energy  menjadi alternative  baru  untuk  memenuhi  kebutuhan energy [5]. Zhang et al. mengembangkan desain pemanenan  energi elektro-magnetik portabel yang mengubah getaran jalur kereta api menjadi listrik melalui transmisi mekanis, dan pemanen energi  yang  diteliti  terbukti  efektif  dengan menghasilkan  efisiensi  55,5%  [6].  Guan  et al. meneliti sistem piezoelektrik untuk memanen  energi  dari  gerakan  rotasi,  seperti generator yang terintegrasi ke permukaan.  Selama  rotasi  pemanen  energi, deformasi berulang, elemen piezoelektrik akan dirubah menjadi listrik, dan energi output yang dihasilkan  83,5-825  μW  diperoleh  pada frekuensi rotasi 7-13,5 Hz. [7].
Meskipun
berbagai teknologi pemanenan  sumber  daya  energi  telah  ditelitii secara  luas,  ada  energi  yang  terbengkalai  dan terbuang di sekitar kita. Sebagai contoh, energi akustik  adalah  sumber  energi  yang  signifikan yang  dihasilkan  terus-menerus  tetapi  tidak digunakan  [8].  Dengan  kebisingan  yang dihasilkan  oleh  lokomotif  penelitian  ini meneliti  pemanenan  energy  suara  yang dihasilkan  oleh  lokomotif  sebagai  penggerak kereta .

## 2 METODE PENELITIAN

## 2.1 Data Kebisingan
Data kebisingan kereta pada lokomotif didapat dari  lokomotif  Prambanan Expres (Paramex). Pada penelitian Fayyadl [9] didapat kebisingan pada lokomotif pada engine room adalah 95,4 dB-99,2 dB. Berdasar data sekunder penelitian tersebut maka pada penelitian ini menggunakan rentang  variasi  93,  96,  98,  100  (dB).    Dari kebisingan  tersebut  kemudian  di  konversi menjadi  tekanan(Pa)  dengan  menggunakan formulasi.  Formulasi  yang  digunakan  adalah dengan menggunakan formula di bawah ini
Dari Formula rumus tersebut maka didapatkan hasil pada tabel 1
Tabel 1 Konversi Tingkat  Kebisingan (dB) ke Tingkat Tekanan Bunyi (Pa) No Tingkat Kebisingan (dB) Tingkat Tekanan Bunyi (Pa) 1 93 0.89 2 96 1.26 3 98 1.58 4 100 2
Selain menggunakan variasi dengan kebisingan penelitian ini juga menggunakan variasi ukuran piezoelektrik .  Variasi  ukuran piezoelektrik ini digunakan  untuk  mengetahui  karakteristik piezoelektrik pada  setiap  ukuran.  Selain  hal tersebut juga untuk mengetahui besaran voltase setiap variasi yang digunakan tersebut. Variasi ukuran Piezoelektrik pada penelitian ini adalah 1x1 (cm), 3x3 (cm), dan 5x5 (cm).
Berdasarkan  rancangan  variasi  tersebut  maka penelitian  ini  akan  diselesaikan  dengan menggunakan simulasi ANSYS. Secara umum proses simulasi CFD dibagi menjadi 3 yaitu Pre Prosesing, Prosesing, dan Pos-Processing.

## 2.2 Geometri
Geometri  yang  digunakan  dalam  simulasi  ini dimodelkan  sebagai  domain  padat  kontinu, terdiri  dari  3  bagian  yang  terpisah,  tetapi dihubungkan  oleh  daerah  kontaknya  untuk mentransfer  data  (tegangan,  defleksi,  tegangan, dll.). Setiap bagian didefinisikan oleh bahan yang berbeda, ada (1) Steel atau Brass, (2) keramik dan (3) karbon aktif. Ini adalah model-model berikut :
(a) (b)                                                              (c)
Gambar 1 Geometri Piezoelektrik (a) 1x1 (b) 3x3 (c) 5x5 (cm)

## 2.3 Meshing
Meshing atau diskretisasi adalah proses mengubah domain padat kontinu menjadi domain komputasi  diskrit,  sehingga  solusinya  dapat diselesaikan dengan metode numerik; dalam hal ini Finite  Element  Analysis (FEA)  dengan bantuan program struktural Statis ANSYS.
Pengaturan mesh yang digunakan adalah (1) body sizing : untuk memastikan ukuran elemen minimum
tidak  melebihi  ukuran  minimum  yang  ditentukan, dalam hal ini 0,5 mm,  sehingga hasil  yang akurat dapat  diperoleh,  dan  (2) mesh  hexahedral :  untuk menghasilkan  hexahedral,  yang  merupakan  tipe mesh  paling  ringkas  dalam  hal  efisiensi  dan kecepatan  komputasi,  bahkan  mesh heksahedral yang  lebih  banyak  adalah  pilihan  terbaik  untuk mendapatkan resolusi hasil terbaik
(a) (b)
(c)
Gambar 2 Meshing (a) 1x1 (b) 3x3 (c) 5x5 (cm).
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume IV Nomor 2 November 2020              P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
3 ANALISIS HASIL
Permodelan piezoelektrik dilakukan  dengan  cara memvariasikan  ukuran piezoelektrik diantaranya 1x1, 3x3, dan 5x5 (cm). Setiap variasi diteliti pada nilai tekanan 0.89, 1,26, 1,58 dan 2 (Pa).
Tabel 2 Hasil Simulasi Piezoelektrik pada berbagai ukuran .
Ukuran Tekanan (Pa) Tegangan output (mV) 1x1 cm 0.89 63 1.26 89 1.58 111.8 2 141.51 3x3 cm 0.89 70 1.26 99 1.58 123.82 2 156.74 5x5 cm 0.89 70 1.26 100 1.58 124.91 2 158.12
Tabel  2  menunjukkan  nilai  tegangan  yang dihasilkan  oleh piezoelektrik pada  variasi  ukuran dan  variasi  nilai  tekanan.  Pada  variasi  ukuran piezoelektrik 1x1 cm tegangan maksimal didapatkan dari variasi tekanan 2 Pa yaitu sebesar 141.51 mV. Pada variasi ukuran 3x3 cm tegangan maksimal  didapatkan  pada  variasi  2  Pa  yaitu sebesar  156.74  mV.  Pada  variasi  ukuran  5x5  cm tegangan  maksimal  didapatkan  pada  variasi  2  Pa yaitu sebesar 158.12 mV.
0,8 1,2 1,6 2,0 60 80 100 120 140 160 Te ga ng an (m V) Tekanan (Pa) 1x1 cm 3x3 cm 5x5 cm
Gambar 3 Hubungan Tekanan dengan Tegangan pada variasi ukuran.
Gambar  3  menunjukkan  hubungan  antara tekanan  dengan  tegangan.  Grafik  tersebut menunjukkan  nilai  tegangan  yang  naik  seiring dengan kenaikan  tekanan dan ukuran piezoelektrik ukuran 1x1 (cm) mendapatkan nilai tertinggi pada tekanan 2 Pa yaitu sebesar 141,51 mV.  Sedangkan pada tekanan 0.89 Pa memiliki nilai tegangan yaitu sebesar 63 mV. Nilai tegangan  pada tekanan  1.26 Pa  dan 1.58 Pa berturut-turut adalah 89 mV dan 111,8  mV.  Untuk  gambar  distribusi  tegangan (mV) bisa dilihat pada gambar 4.
Piezoelektrik dengan  ukuran    3x3  cm mendapatkan  nilai tertinggi pada tekana 2 Pa yaitu sebesar 156,7 mV. Sedangkan  mendapat tegangan terkecil pada tekanan 0.89 Pa yaitu sebesar 70 mV. Nilai tegangan pada tekanan 1.26 Pa dan 1.58 Pa berturut  turut  adalah    99  mV  dan    123.8  mV. Piezoelektrik dengan  dimensi  ukuran  3x3  cm mengalami  kenaikan  tegangan  rata-rata  sebesar 11.18  %    jika  dibandingkan  dengan  ukuran  1x1 cm.  Hal  ini  disebabkan  pertambahan  dimensi merupakan satu hal yang bisa menyebabkan efek piezo.  Untuk  gambar  distribusi  tegangan    (mV) bisa dilihat pada gambar 5.
Piezoelektrik dengan ukuran 5x5 cm mendapatkan nilai  tertingi  pada  tekanan  2  Pa  yaitu  sebesar 158.12  mV.  Sedangkan  mendapat  tegangan terkecil  pada  0.89  Pa  yaitu  sebesar  70  mV.  Nilai tegangan  pada  tekanan  1.26  Pa  dan  1.58  Pa berturut  turut  adalah    100  mV  dan    124.91  mV. Piezoelektrik dengan  dimensi  ukuran  5x5  cm mengalami  kenaikan  yang  tidak  signifikan  jika dibandingkan  dengan  3x3  cm.  Padahal  dengan pertambahan  dimensi  2  cm,  namun  mengalami kenaikan yang berbeda jika dibandingkan dengan ukuran piezoelektrik ukuran  3x3  cm  dengan  1x1 cm.  Hal itu terjadi karena efek luasan piezolektrik hampir  mengalami  tegangan  maksimal,  sehingga tidak terjadi kenaikan seperti pada ukuran 3x3 cm .  Untuk  gambar  distribusi  tegangan    (mV)  bisa dilihat pada gambar 6.
Tegangan output yang dihasilkan oleh piezoelektrik ini terjadi karena efek piezo . Hal itu terjadi  karena  saat  terjadi  tegangan  (Pa)  maka susunan kristal non-centrosmyteric tidak dapat
mempertahankan posisi atom pusat saat dikenanakan  gaya  eksternal  atau  seperti  halnya tekanan yang mengenai permukaan piezoelektrik .
(a) (b)                                        (c)                                      (d)
Gambar 4 Distribusi Tegangan Piezoelektrik Pada Variasi ukuran 1x1 cm (a) 0.89 Pa (b) 1,26 Pa
(b) 1.58 Pa (d) 2 Pa
Gambar 5 Distribusi Tegangan Piezoelektrik Pada Variasi ukuran 3x3 cm (a) 0.89 Pa (b) 1,26 Pa

## 1.58 Pa (d) 2 Pa
Gambar 6 Distribusi Tegangan Piezoelektrik Pada Variasi ukuran 5x5 cm (a) 0.89 Pa (b) 1,26 Pa
1.58 Pa (d) 2 Pa
Merujuk hasil simulasi penelitian yang dilakuakan oleh Yuan Wang [5]. Yuan wang meneliti tentang pengaruh kebisingan pada High Speed Train pada piezoelektrik dengan  menggunakan Helmholtz resonator terhadap tegangan yang dihasilkan baik secara  simulasi  dan  eksperimen.  Hasil  yang diperoleh  pada  penelitian  tersebut  adalah  pada kebisigan 110 dB piezoelektrik mampu menghasilkan  tegangan  maksimal  sebesar  74.6 mV.    Sehingga  dari  penelitian  ini  membuktikan bahwa  energi  bunyi  mampu  menghasilkan
tegangan  yang  bisa  diaplikisan  untuk  kebutuhan listrik pada kereta

## 4 KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  serta  analisa  data bagimana  pengaruh  variasi  ukuran piezoelektrik serta kebisingan yang dihasilkan oleh kereta dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut.
a. Nilai  tegangan  mengalami  kenaikan seiring  dengan  kenaikan  kebisingan  dan
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume IV Nomor 2 November 2020              P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
ukuran piezoelektrik . Namun pada penamabahan ukuran piezoelektrik dengan dimensi 5x5 cm mengalami kenaikan yang tidak signifikan jika dibandingkan dengan 3x3  cm.  Ukuran  Pirzoelektrik  3x3  cm mengalami kenaikan 11% jika dibandingkan dengan ukuran 1x1 cm.
b. Hasil simulasi menunjukkan nilai tegangan maksimal yang dihasilkan pada penelitian ini adalah 158.12 mV pada kebisinga 100 dB dan ukuran 5x5 cm.

## Saran
Simulasi  dengan  menggunakan piezoelektrik dengan  variasi  nilai  kebisingan  dan  ukuran piezoelektrik ini    merupakan  bahasan  penelitian yang  cukup  menarik,  karena  voltase  yang dihasilkan masih sangat kecil. Penelitian selanjutnya  juga  dapat  dilakukan  dengan  variasi beberapa  material piezoelektrik dan  penambahan honeycomb untuk  memperbesar  tekanan  yang mengenai piezoelektrik .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  p3m  PPI Madiun  yang  telah  memberikan  hibah  penelitian seingga dapat terselesaikannya penelitian ini.

## REFERENSI
K.  Riahi,  V.  Krey,  D.  McCollum,  P.  Kolp,  and  Y. Nagai,  “Transport  electrification:  A  key  element for  energy  system  transformation  and  climate stabilization,” Clim. Change , vol. 123, no. 3–4, pp. 651–664, 2013.
P.  J.  Remington  and  M.  J.  Rudd,  “Measurement  and diagnosis  of  locomotive  noise,” J.  Acoust.  Soc. Am. , vol. 59, no. S1, pp. S80–S81, 2005.
Y. Yuan, B. Du, Y. Rasim, X. Zhang, C. Wang, and Z. Zhang, “Design, modelling and practical tests on a high-voltage  kinetic  energy  harvesting  (EH) system for a renewable road tunnel based on linear alternators,” Appl.  Energy ,  vol.  164,  no.  October 2015, pp. 152–161, 2015.
Z. Zhang et al. , “A high-efficiency energy regenerative shock absorber using supercapacitors for renewable  energy  applications  in  range  extended electric vehicle,” Appl. Energy , vol. 178, pp. 177– 188, 2016.
Y. Wang et al. , “A renewable low-frequency acoustic energy  harvesting  noise  barrier  for  high-speed railways using a Helmholtz resonator and a PVDF film,” Appl. Energy , vol. 230, no. July, pp. 52–61, 2018.
X. Zhang, Z. Zhang, H. Pan, W. Salman, Y. Yuan, and Y. Liu, “A portable high-efficiency electromagnetic  energy  harvesting  system  using supercapacitors for renewable energy applications in  railroads,” Energy  Convers.  Manag. ,  vol.  118, pp. 287–294, 2016.
M.  Guan  and  W.  H.  Liao,  “Design  and  analysis  of  a piezoelectric energy harvester for rotational motion system,” Energy  Convers.  Manag. ,  vol.  111,  pp. 239–244, 2016.
B.  Li,  A.  J.  Laviage,  J.  H.  You,  and  Y.  J.  Kim, “Harvesting  low-frequency  acoustic  energy  using multiple PVDF beam arrays in quarter-wavelength acoustic resonator,” Appl. Acoust. , vol. 74, no. 11, pp. 1271–1278, 2013.
M. Fayyadl, J. Fisika, and F. Uns, “Sound Level Meter Extech RS-232 .”