Pengaruh Fraksi Abu Onggok Aren dan Konfigurasi Resonator pada Kinerja Serapan Akustik Batako Ekspose

## Zulfa Kamila R, Iwan Yahya*, Utari
Lab Riset Akustik (iARG) – Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret iwanyy@yahoo.com
Received 08-03-2013, Revised 10-05-2013, Accepted 10-07-2013, Published 30-04-2014

## ABSTRACT
Sound absorption performance optimization of expose brick has been conducted in associated with the fraction of sugar palm ash in its raw material and configuration of Helmholtz resonators inside the brick structure. The testing was conducted experimentally refer to ASTM E-1050-98 standard procedure. In this case there are three variations sugar palm ash fractions of 0%, 5%, and 10%, as well as two array resonator configurations. The results showed that the brick with fraction of 10% sugar  palm  ash  has  the  best  sound  absorption  performance.  As  for  the  configuration  of  array identical Helmholtz resonator giving better performance improvement at low frequency span than complex  resonator  structure  with  coupled  cavity  where  the  best  performance  occur  on(376-488) Hz frequency range with the absorption coefficient α of 0.54.
Keywords: exposed brick, sugar palm ash, Helmholtz resonator, the sound absorption coefficient

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  optimasi  kinerja  serapan  akustik  batako expose dikaitkan  dengan  fraksi  abu onggok aren sebagai bahan baku serta konfigurasi resonator Helmholtz di dalam struktur batako. Pengujian  kinerja  dilakukan  secara  eksperimen  mengacu  kepada  prosedur  ASTM  E-1050-98. Dalam hal ini terdapat tiga variasi fraksi abu onggok aren yakni sebesar  0%, 5%, dan 10%, serta dua ragam konfigurasi resonator jamak. Hasil penelitian menunjukkan bahwa batako dengan fraksi abu  onggok  sebesar  10%  memiliki  kinerja  serapan  akustik  terbaik.  Adapun  konfigurasi  jamak resonator Helmholtz identik mampu memberikan peningkatan kinerja yang lebih baik di bentang frekuensi rendah dibandingkan struktur resonator kompleks dengan rongga ganda yang terkoneksi. Serapan  akustik  terbaik  diperoleh  pada  bentang  frekuensi  376-488  Hz  dengan  nilai  koefisien serapan α sebesar 0,54.
Kata kunci : batako expose, onggok aren, Resonator Helmholtz, koefisien serapan bunyi

## PENDAHULUAN
Pohon  Aren  ( Arenga  pinnata  merr )  tumbuh  tersebar  di  semua  wilayah  Indonesia  terutama kawasan  yang  mempunyai  kelembaban  relatif  tinggi.  Pemanfaatannya  antara  lain  untuk industri  tepung  aren  yang  umumnya  masih  dilaksanakan  secara  tradisional.  Dari  proses pengolahan  tepung  aren  tersebut  dihasilkan  limbah  padat  maupun  cair.  Limbah  padatnya sendiri terbagi menjadi dua ragam yakni serbuk dan serat aren. Serbuk aren biasanya diolah kembali  untuk  pakan  ternak  sapi,  sedangkan  serat  aren  dapat  dimanfaatkan  dalam  industri papan  semen  sebagai  komposit  atau  penguat  material,campuran  genteng,  campuran  beton, dan pengisi gypsum [1] .
Pemanfaatan  lain  dari  limbah  padat  berupa  abu  onggok  aren  sebagai  campuran  bahan pembuatan  batako  eskpose  disajikan  dalam  makalah  ini.  Pengaruh  fraksi  abu  onggok  dan konfigurasi  resonator  Helmholtz  terhadap  kinerja  akustik  batako  ekspose  telah  dikaji berdasarkan  pengujian  eksperimental.  Pilihan  kajian  atas  dampak  perubahan  pada  kinerja akustik  batako  ekspose  didasarkan  pertimbangan  bahwa  batako  ekspose  merupakan  bahan konstruksi  dinding  bangunan  yang  aplikasinya  tanpa  menyertakan  lapisan  semen  penutup atau acian. Oleh karena itu, maka pemahaman yang baik atas perilaku dan respon akustiknya menjadi  sangat  penting  untuk  memenuhi  standar  yang  berlaku  untuk  batas  kenyamanan secara  akustik.  Adapun  strategi  yang  dipilih  untuk  memperbaiki  kinerja  serapan  adalah dengan penerapan prinsip resonator Helmholtz di dalam struktur batako ekspose.
Penambahan  Resonator  Helmholtz  adalah  salah  satu  metode  yang  sangat  lazim  dilakukan untuk  reduksi  bising  khususnya  pada  bentang  frekuensi  rendah.  Struktur  dasarnya menyerupai  botol  dimana  rongganya  dapat  berbentuk  bola,  kotak  atau  bahkan  bentuk sembarang.  Ketika  terdapat  fluktuasi  tekanan  bunyi  di  permukaan  resonator,  maka  massa udara  yang  bereda  di  dalam  leher  resonator  akan  berayun  dengan  perilaku  yang  analog dengan gerakan massa pada ayunan pegas sementara kerja rongga resonator itu sendiri analog dengan dengan perilaku pegasnya.
Untuk kepentingan penelitian, telah dikembangkan dua model rangkaian resonator Helmholtz yakni jajaran resonator sejenis yang bekerja secara mandiri serta struktur resonator komplek yang memiliki rongga ganda yang terkoneksi satu sama lain melalu kanal penghubung antar rongga.
Pilihan  atas  ragam  rancangan  resonator  seperti  tersebut  di  atas  didasarkan  pada  penelitian terdahulu antara lain oleh Wang et al . yang menyajikan kajian bersifat teoretik atas respon untaian resonator jamak di dalam pipa yang mana diperoleh hasil bahwa pemakaian resonator jamak dapat memberikan kemampuan reduksi bising yang lebih efektif dibandingan dengan dengan  resonator  tunggal [2] .  Adapun  Chanaud  meneliti  dampak  dari  geometri  dan  dimensi struktur  leher  dan  rongga  resonator  terhadap  frekuensi  kerja  resontor  Helmholtz [3] .  Hasil analisanya sejalan dengan pemodelan teoretik berdasarkan analogi terhadap ayunan mekanik dimana  dimensi  leher  dan  rongga  mengubah  frekuensi  resonan  dari  resonator  sementara perubahan geometri tidak menghasilkan perubahan pada respon akustiknya.
Dari  sudut  pandang  aplikasi  khususnya  berkait  dengan  struktur  permukaan  peredam  bising untuk  bangunan,  hasil  penelitian  Zulfian et  al .  pada  panel  beton  busa  menunjukkan  bahwa perlakuan  pada  permukaan  panel  dinding  beton  mempengaruhi  besarnya  nilai  penyerapan bunyi terutama pada bentang frekuensi rendah 125 Hz – 500 Hz [4] . Permukaan panel dinding beton  yang  dilapisi  dengan  cata  hanya  memiliki  nilai  koefisien  serapan  sebesar  0.05  pada frekuensi 125 Hz, semantara permukaan berpori nilai keofisien serapan meningkat signifikan pada bentang frekuensi yang sama.

## METODE

## Pembuatan Model Batako Ekspose
Model  batako  ekspose  yang  digunakan  dalam  penelitian  disajikan  pada  Gambar  1. Strukturnya  terbuat  dari  komposisi  semen,  pasir,  abu  onggok  aren  dan  air.  Setiap  bahan ditimbang  sesuai  dengan  proporsi  yang  direncanakan.  Perbandingan  semen-pasir  yang digunakan  adalah  (1:4)  sesuai  hasil  penelitian  Simbolon [5] dengan  nilai  fas  0,48.  Adapun variasi  fraksi  abu  onggok  berturut-turut  0%,  5%,  10%,  dan  20%  terhadap  massa  semen. Bahan yang sudah tercampur kemudian dimasukkan ke dalam cetakan berdiameter 100 mm
dan  ketebalam  30  mm.  Model  dibiarkan  mengering  secara  alami  selama  sehari  kemudian diikuti proses perendaman dalam air selama lima hari lalu dikeringkan kembali selama satu hari.
Dimensi  dari  struktur  resonator  di  dalam  model  yang  telah  dikembangkan  adalah  sebagai berikut.  Volume  resonator  tunggal  adalah  12,38  cm 3 ,  panjang  dan  tampang  lintang  leher berturut-turut 10 mm dan 5 mm.
Gambar 1. Model sampel batakodengan Resonator Helmholtz

## Analogi Listrik Untaian Resonator Jamak
Analogi  listrik  sebuah  resonator  Helmholtz  disajikan  dalam  Gambar  2  yang  dalam  hal  ini berupa sebuah rangkaian RLC. Rongga resonator ( na ) analog dengan kapasitor C , impedansi pada  tabung  terbuka  ( ma )  analog  dengan  induktor L ,  dan  resistansinya  ( ra )  analog  dengan resistor R .
Gambar 2. Resonator Helmholtz dan analogi listriknya
(1)
dimana dalam hal ini   adalah kerapatan udara (kg/m 3 ),   adalah kecepatan bunyi (m/s), adalah volume rongga (m 3 ), dan   adalah tampang lintang leher resonator (m 2 ). Tekanan yang terjadi pada resonator tersebut adalah [7] :
(2)
sementara impedansi akustik resonator tunggal adalah [8] :
, dimana (3)
Adapun  analogi  untuk  resonator  kompleks  disajikan  dalam  Gambar  3  dalam  hal  ini digunakan  model  pohon  untuk  menggambarkan  interkoneksitas  rongga  pada  struktur resonator.
Model B ra ma na Model C Model A
Gambar 3 . Resonator Tree dan analogi listriknya
Impedansi yang reonator pada Gambar 3 diberikan oleh hubungan berikut,
(4)

## Pengujian Koefisien Serapan Bunyi
Untuk  tujuan  pengujian  koefisien  serapan  bunyi  dari  model  batako  ekspose  yang  telah dikembangkan  maka  ditempuh  prosedur  pengujian  dengan  metode  tabung  impedansi  dua mikrofon.  Metode  ini  mengacu  kepada  prosedur  standar  ASTM  E-1050-98  yang  berbasis analisis  fungsi  tranfer  terhadap  sinyal  yang  terindera  oleh  kedua  mikrofon.  Rangkaiannya disajikan dalam Gambar 4.
Gambar 4 . Konfigurasi dalam pengujian koefisien serapan bunyi dengan ASTM E-1050-98
Bunyi berupa random noise dibangkitkan dengan Generator Modul B&K  3160-A-042 yang kemudian  diperkuat  dengan  amplifier  B&K  2716C.  Gelombang  bunyi  tersebut  kemudian akan merambat dan mengenai model batako ekspose yang wujudnya disajikan dalam Gambar 5.
Sebagian gelombang akan diserap dan sebagian lagi akan terpantulkan kembali. Gelombang datang  dan  gelombang  pantul  akan  diindera  dengan  dua  buah  mikrofon  B&K  4187  yang merupakan  free  field  microphone  dengan  diameter  ¼  inchi.  Setelah  diperkuat,  sinyal  yang ditangkap oleh kedua mikrofon akan diteruskan ke 4-ch microphone module B&K 3160-A- 042  dimana  akan  dilakukan  analisis  frekuensi  untuk  mendapatkan  fungsi  respons  frekuensi H 1 , fungsi respons frekuensi gelombang datang, H i , dan fungsi respons frekuensi gelombang pantul H r .    Pada  tahap  ini  dilakukan  perhitungan  koefisien  refleksi  yang  diberikan  oleh hubungan sebagai berikut,
Z k-1,1 Z k-1,N Z k
) ( 2 1 1 s l k j r i e H H H H R (5)
dengan k adalah  bilangan  gelombang. l dan s berturut-turut  merupakan  jarak  mikrofon pertama ke sampel uji dan jarak antar mikrofon.
Dengan menggunakan hubungan nisbah impedansi ternormalisasi maka diperoleh,
R R c z 1 1
(6)
sehingga koefisien serapan   dapat dihitung dengan persamaan
2 1 R (7)
Pengolahan  data  pada  eksperimen  sepenuhnya  dikerjakan  dengan  komputer  menggunakan perangkat lunak B&K Labshop Software versi 16 serta Pulse Material Testing yang memang diperuntukkan untuk analisis serapan akustik.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Variasi Resonator Helmholtz
Pengujian  dampak  variasi  konstruksi  resonator  dilakukan  terhadap  dua  kategori  dasar konfigurasi  yakni  model  dengan  tiga  resonator  seragam  yang  independen  (Model  A)  dan model dengan struktur rongga kompleks yang meliputi untaian rongga terpasang seri (Model B) dan untaian rongga terpasang parallel (Model C).

## model A                              model B                                   model C
Gambar 5. ( color online ) Sampel batako dengan variasi posisi resonator
Hasil  pengujian  disajikan  pada  Gambar  6  yang  menyajikan  perbandingan  kinerja  ketiga model uji pada keadaan fraksi abu onggok sebesar 0%.Tampak bahwa Model A menyajikan kinerja redaman terbaik  dimana koefisien serapan bernilai lebih dari 0,4 dapat dicapai pada bentang  frekuensi  (360-480)  Hz.  Adapun  Model  B  memiliki  kinerja  serapan  maksimal sebesar 0,29 dengan nilai serapan yang lebih dari 0,2 tercapai pada bentang frekuensi (234- 716) Hz. Sementara itu nilai koefisien tertinggi yang dapat dicapai oleh Model C adalah 0,35 yang terjadi pada bentang (264-402) Hz.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.0 0.2 0.4 0.6 KO EF ISI EN SER AP BU N YI FREKUENSI (Hz) 0A, Komposisi 0% abu pada sampel Model A 0B, Komposisi 0% abu pada sampel Model B 0C, Komposisi 0% abu pada sampel Model B
Gambar 6. Grafik koefisien serapan bunyi variasi konfigurasi Resonator Helmholtz
Hasil  tersebut  sejalan  dengan  penelitian  terdahulu  oleh  Wang  and  Mak  dimana  pemakaian resonator  jamak  dapat  memberikan  kinerja  serapan  yang  lebih  baik.  Dalam  hal  ini  ketiga struktur  resonator  tunggal  yang  terpasang  pada  model  A  telah  bekerja  dengan  sangat  baik. Konfigurasi  tiga  resonator  tunggal  memberi  peluang  yang  lebih  baik  bagi  terjadinya penyerapan  energi  bunyi  melalui  mekanisme  redaman  viskous  karena  terdapat  tiga  elemen massa  udara  yang  berayun  di  dalam  struktur  leher  resonator  tersebut.  Mekanisme  yang demikian menghasilkan redaman  yang lebih efektif di bentang frekuensi tinggi secara lebih baik dibandingkan dengan Model B dan Model C.
Sejalan  dengan  rumusan  di  dalam  Persamaan  4,  bertambahnya  nilai  R  akan  berdampak bertambah  besarnya  mekanisme  redaman  viskous  yang  mengubah  energi  bunyi  menjadi panas.  Mekanisme  itulah  yang  terjadi  pada  gerakan  ayunan  elemen  udara  di  dalam  leher ketiga resonator pada Model A.
Adapun  untuk  Model  B  dan  Model  C,  sebagaimana  halnya  yang  juga  tersaji  dalam Persamaan 4, bahwa perubahan nilai induktansi dan kapasitansi pada analogi listrik untaian resonator  jamak  akan  berdampak  pada  berubahnya  reaktansi  struktur  resonator.  Perubahan reaktansi  ini  berhubungan  langsung  dengan  perubahan  frekuensi  resonan  dari  struktur resonator  yang  dikembangkan.  Maka  tampak  jelas  dari  hasil  pengujian  dalam  Gambar  6 bahwa terjadi perubahan respon resonator ke bentang frekuensi yang lebih rendah.
Namun demikian, perubahan volume resonator yang semula bernilai 12,38 cm 3 untuk sebuah resonator  tunggal  pada  Model  A  menjadi  terakumulasi  sesar  btiga  kali  lipat  pada  Model  B dan  Model  C  belum  memberikan  dampak  yang  signifikan  untuk  memicu  perubahan  besar pada  reaktansi  struktur  resonator  kompleks  tersebut.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  karena keterbatasan  ruang  untuk  menciptakan  rongga  yang  besar  di  dalam  struktur  sebuah  batako ekspose,  maka  strategi  reduksi  bising  dengan  konfigurasi  resonator  kompleks  berongga jamak belum mampu memberikan kinerja maksimal.

## Variasi Fraksi Abu Aren
Pemakaian  abu  serat  aren  dimaksudkan  untuk  mereduksi  pemakaian  semen  dalam  struktur batako ekspose. Untuk tujuan dimaksud maka sangat penting untuk terlebih dahulu dilakukan
analisis  kandungan  silika  (Si)  di  dalam  abu  seran  aren.  Pengujian  dengan  teknik atomic absorption  spectroscopy (AAS)  menunjukkan  bahwa  kandungan  silika  dalam  abu  onggok aren adalah sebesar 27,89%. Apabila dibandingkan dengan bahan lain selama ini juga telah digunakan sebagai campuran beton seperti silica fume (75,54 %) , abu sekam padi (80,25%) , blast  furnace  slag (35,85%) ,  fly  ash (56,25%)dan trass (25,71%),  maka  abu  onggok  aren berpotensi untuk digunakan sebagai bahan campuran batako [8] .
Untuk  kepentingan  pengujian  kinerja  akustik,  maka  telah  digunakan  tiga  ragam  fraksi  abu onggok aren yakni 0%, 5%, dan 10%. Ketiga ragam fraksi tersebut diujikan pada konstruksi batako  ekspose  Model  A  dengan  pertimbangan  karena  model  tersebut  memiliki  kinerja akustik terbaik. Hasil pengujiannya disajikan pada Gambar 7.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.0 0.2 0.4 0.6 KO EF ISI EN SER AP BU N YI FREKUENSI (Hz) 0A, Komposisi 0% abu pada sampel Model A 5A, Komposisi 5% abu pada sampel Model A 10A, Komposisi 10% abu pada sampel Model A 20A, Komposisi 20% abu pada sampel Model A
Gambar 7. Grafik koefisien serap bunyi variasi komposisi
Tampak  dari  Gambar  7    bahwa  sampel  5A  mampu  memberikan  kinerja  yang  baik  dengan nilai  koefisien  serapan  lebih  dari  0,6  pada  bentang  frekuensi  450-520  Hz  lalu  kemudian berkurang  secara  signifikan  pada  frekuensi  yang  lebih  tinggi.  Secara  keseluruhan,  semua sampel  uji  mengalami  mekanisme  resonasi  dalam  bentang  frekuensi  yang  relatif  sama. Artinya ketiga resonator pada struktur yang mengacu kepada Model A tersebut bekerja secara akumulatif menghasilkan redaman efektif yang serupa.
Perbedaan  yang  menarik  pada  perilaku  model  5A  yang  menunjukkan  perbedaan  respon mencolok di frekuensi tinggi. Perbedaan ini diduga terpicu oleh keadaan dimana pada jumlah fraksi abu onggok 5% mampu menyajikan ikatan antar elemen semen, pasir, dan silika dalam serat  onggok  dengan  sangat  baik  sehingga  modulus  elastisitas  dari  campuran  tersebut mencapai keadaan maksimal. Peningkatan modulus elastisitas ini berdampak pada perubahan mekanisme peredaman oleh model batako yang dikembangkan.
Perubahan densitas yang mengecil seiring dengan pertambahan fraksi abu onggok berdampak pada penurunan kekakuan dari model  yang dikembangkan. Penuruan inilah  yang kemudian dicirikan oleh bertambahnya nilai koefisien serapan bunyi pada bentang frekuensi lebih tinggi sebagaimana  dihasilkan  oleh  Model  5A  dengan  fraksi  abu  onggok  10%  dan  20%.  Hasil pengujian  pada  Gambar  7  juga  menunjukkan  bahwa  keadaan  tanpa  abu  onggok  bukan merupakan model dengan modulus elastisitas terbaik. Hal inilah  yang menyebabkan respon akustik model dengan fraksi abu onggok 0% serupa dengan respon pada model dengan fraksi
10%  dan  20%.  Hal  tersebut  diperkuat  dengan  hasil  uji  kuat  tekan  secara  mekanik  dengan universal testing machine (UTM) tipe DBBMTCL-5000Kg seri 36751 sebagaimana disajikan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Hasil uji kuat tekan Sampel Diameter (mm) Luas (mm 2 ) Gaya (N) Tekanan (MPa) 0A 99 7693.785 17511.5 2.276058 5A 99 7693.785 25013 3.251066 10A 98.5 7616.463 21643.5 2.841674 20A 98 7539.14 17728 2.351462
Selanjutnya,  jika  dikaitkan  dengan  ISO  11654:1997  untuk Acoustical  Sound  AbsorbersFor Use  In  Buildings-Rating  of  Sound  Absorption sebagaimana  tersaji  dalam  Gambar  8,  maka jelas  bahwa  model  batako  eskpose  yang  dikembangkan  berada  pada  kelas  D  dimana  nilai koefisien  serapan  akustik  berkisar  antara  0,1  hingga  0,6  pada  rentang  frekuensi  (250-2000) Hz [9] .
Gambar 8. Kinerja akustik building sound absorber mengacu ISO 11654 1997

## KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  tersebut  diatas  dapat  dikemukakan  kesimpulan  bahwa  pemakaian rancangan  resonator  jamak  dapat  memberikan  peningkatan  kinerja  akustik  yang  lebih  baik pada struktur batako ekspose. Akumulasi kinerja akustik dan mekanik terbaik dapat dicapai pada  struktur  yang  mengacu  pada  rancangan  Model  A  dengan  fraksi  abu  onggok  sebesar 10%.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Firdayati, M. dan M. Handajani. 2005. Studi Karakteristik Limbah Industri Tepung Aren. Jurnal Infrastructure and Environtment ,Vol. 1 No. 2, Hal. 22-2.
2 Wang,  X.  dan  C.  Mak.  2994.  Wave  Propagation  in  A  Duct  with  A  Periodic  Helmholtz Resonators Array. Journal Acoustical Society of America, Vol. 131, Hal. 1-3.
3 Chanaud,  R.C.  1994.  Effects  of  Geometry  on  The  Resonance  Frequency  of  Helmholtz Resonator. Journal Sound and Vbration , Vol. 178, Hal. 341-347.
4 Zulfian,  Abdullah,  dan  Fahridhal.  2011.  Penentuan  Nilai  Penyerapan  Suara  Pada  Panel Dinding Beton Busa sebagai Panel Alternatif yang Ramah Lingkungan. Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan ISSN 1412-5064 , Vol. 8, No. 1, Hal. 44-45.
5 Simbolon, Tiurma. 2009. Pembuatan dan Karakterisasi Batako Ringan yang Terbuat dari Styrofoam-Semen . Thesis Ilmu Fisika, Universitas Sumatera Utara.
6 Blauert, J. dan Ning Xiang. 2009. Acoustics for Engineers . India: Scientific Publishing.
7 Paiva, Rafael C. D. dan Valimaki, V. 2012. The Helmholtz Resonator Tree. Proc. Of the 15th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx-12) .
8 Haryono, S. dan  Sudjatmiko, A. 2011. Kajian Kandungan Pozzolan pada  Limbah Abu Ampas  Tebu  (Baggase  Ash)  dengan  Suhu  Pembakaran  secara  Terkontrol. Simposium Nasional RAPI X FT UMS .
9 Watson, R. dan Downey, O. 2008. The Little Red Book of Acoustics . Inggris: Blue Tree Acoustics.