## Modifikasi Permukaan Elemen Peredam Bising dengan Profil Berbentuk Prisma
Julius Indra Kusuma, Harjana, dan Iwan Yahya* Laboratorium Riset Akustik (iARG), Jurusan Fisika, Universitas Sebelas Maret (UNS), Jl. Ir.Sutami 36A Kentingan, Surakarta *email:iyahya@mipa.uns.ac.id
Received 05-01-2016, Revised 28-02-2016, Accepted 15-03-2016, Published 20-04-2016

## ABSTRACT
The influence of surface modification by using prism shaped profile on the sound absorption of absorber element was investigated experimentally. A prime number based configuration of the two types opened and closed type rism shaped profile inclusion was tested by using impedance tube  according  ASTM  E1050  standard.  The  result  shows  that  sound  absorption  at  low frequency  band  below  200  Hz  increased  with  the  increasing  of  closed  prism  number.  It  is related to the coupling effect between the cavities of the absorber element and the prisms that changes reactance of the coupled structure. In the other side, a half wave resonance like effect occur  on  the  use  of  opened  prisms  inclusion,  which  is  increase  the  sound  absorption performance at mid to high frequency range between 800 Hz to 1.25 kHz.
Keywords: prism-shaped inclusion, absorption coefficient, resonance, impedance tube method.

## ABSTRAK
Dampak  teknik  modifikasi  permukaan  elemen  peredam  dengan  struktur  berbentuk  prisma terhadap perubahan kinerja serapan bunyi disajikan dalam paper ini. Dua ragam prisma dengan tepi tertutup dan terbuka yang ditata dengan variasi dalam jumlah bilangan prima, 2, 5, dan 7 telah diuji secara eksperimental menggunakan metode tabung impedansi sesuai standar ASTM E-1050.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  efek  dari  rongga  terkopel  pada  pemakaian prisma tertutup dapat meningkatkan kinerja serapan pada bentang frekuensi di bawah 200 Hz, sementara prilaku yang menyerupai respon resonator setengah panjang gelombang terpicu pada pemasangan  prisma  terbuka  yang  memperbaiki  kinerja  serapan  pada  bentang  frekuensi  800 Hz–1,25 kHz.
Kata  Kunci:  struktur  prisma,  koefisien  serap,  resonansi  setengah  panjang  gelombang,  tabung impedansi.

## PENDAHULUAN
Struktur  permukaan sound  diffuser dapat  meningkatkan  kinerja  peredam  yang dipicumekanisme hamburan. Kajian teoretik maupun eksperimental  tentang hal  ini  antara lain disajikan oleh Cox and d’Antonio dan Berkhout et  al ,  yang  kemudian  menjadi  salah satu  acuan  utama  dalam  perancangan  peredam  maupun sound  diffuser [1-2] . Kajian  oleh Pogson et  al menyajikan  teknik  modifikasi  permukaan  dimana  aspekdifusi  yang  ditinjau dikaitkan  dengan  dampak  penempatansejumlahelemenberbentuk  bola  di  depan quadratic residue diffuser (QRD) [3] . Sejumlah peneliti lain melakukan beberapa pendekatan berbeda untuk  maksud  serupa.  Yang et  al misalnya  mengkaji  pengaruh  kombinasi  dari  beberapa rancangan  diffuser  yang  disatukan  terhadap  kemampuannya  menyerap  bunyi.  Analisis serupa  juga  dilakukan  oleh  Nutter et  al yang  menggunakan  pendekatan energy  density . Sementara  Hanyu  serta  Groby et  al berturut-turut  melakukan  pendekatan  teoretik  dan eksperimental  atas  dampak  pemakaian  bingkai  padat  sebagai  penopang sound  diffuser terhadap kinerja redamannya [4-7] .
Selain  beragam  teknik  tersebut  di  atas,  paduan  teknik  resonansi,  struktur  berlubang  dan pemakaian membran merupakan pilihan yang andal dalam peningkatan kinerja peredaman sound  diffuser.  Resonator  Helmholtz  maupun  resonator  seperempat  panjang  gelombang dapat  menyajikan  kinerja  yang  baik  jika  dipadukan  dengan  mekanisme  redaman  oleh membran [8-11] . Keutamaan yang dapat diperoleh dari pemakaian resonator adalah memberi peluang  untuk  mengatur  respon  frekuensi  peredam  baik  dengan  cara  modifikasi  jumlah struktur maupun panjang leher, atau perubahan volume rongga resonator [12-15] .
Paper  ini  menyajikan  hasil  kajian  ekperimental  atas  teknik  modifikasi  elemen  peredam dengan  menempatkan  struktur  berbentuk  prisma  di  permukaannya.  Dalam  hal  ini digunakan  dua  ragam  prisma  dengan  tepi  tertutup  dan  terbuka  yang  ditata  dalam  tiga konfigurasi  berbeda  mengikuti  jumlah  bilangan  prima.  Dengan  cara  itu  diharapkan  akan terpicu  mekanisme  hamburan  dan  efek  resonansi  secara  serempak  dan  menghasilkan kinerja  serapan  dalam  bentang  frekuensi  yang  lebih  lebar.  Fokus  kajian  adalah  kinerja serapan sementara respon spasialnya tidak disajikan dalam paper ini.

## METODOLOGI

## Pembuatan Desain Peredam
Sampel  peredam  yang  dikaji  terbuat  dari  bahan yellow  board dengan  ketebalan  0.2  cm yang kemudian dibentuk menjadi kubus dengan dimensi panjang, lebar, dan tinggi masing- masing 5cm. Struktur berbentuk prisma yang juga terbuat dari bahan yang sama kemudian direkatkan di permukaan elemen peredam dalam konfigurasi sebagaimana disajikan dalam Gambar 1. Jumlah struktur yang direkatkan mengikuti aturan bilangan prima.
Pertimbangan  yang  mendasarinya  adalah  mengacu  kepada  konfigurasi  dan  prinsip  kerja QRD.  Dalam  hal  ini  mekanisme  resonansi  seperempat  panjang  gelombang  pada  QRD digantikan  oleh  peran  resonansi  Helmholtz  yang  terpicu  oleh  gabungan  struktur  prisma dengan  elemen  kubus  peredam  yang  menopangnya.  Dengan  demikian,  diharapkan  dapat diperoleh  rancangan  sound  diffuser  yang  lebih  ramping  namun  tetap  memiliki  respon spasial  yang  setara  dengan  QRD.  Detil  konfigurasi  elemen  peredam  yang  diuji  disajikan dalam Tabel 1.
A B C
Gambar 1. Desain Peredam Dengan Penambahan Struktur Prisma
Tabel 1. Data Variasi Jumlah Struktur Prisma, Jumlah Resonator dan Kondisi Resonator
No. Jumlah Struktur Prisma Jumlah Resonator Kondisi Resonator 1. 2 4 Terbuka 2. 2 4 Tertutup 3. 5 10 Terbuka 4. 5 10 Tertutup 5. 7 14 Terbuka 6. 7 14 Tertutup

## Pengujian Koefisien Serapan Bunyi
Pengujian  koefisien  serapan  bunyi  dilakukan  secara  eksperimental  menggunakan  tabung impedansi  dua  mikrofon  mengacu  kepada  prosedur  standar  ASTM  E  1050.  Set  up  alat pengujian disajikan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Konfigurasi pengujian tabung impedansi dua mikrofon. Nomor (1) merupakan posisi sampel  dan (2) adalah loudspeaker.  Sementara  Nomor  (3),  (4)  dan  (5)  beturut-turut  amplifier  B&K  2716C,  B&K  Pulse  dan mikrofon B&K 4187.
Random  noise dibangkitkan  dengan  generator  pada  B&K  LAN-XI  3160-A-042yang kemudian diperkuat dengan amplifier B&K 2716C sebelum dipancarkan oleh loudspeaker pada  tabung  impedansi  B&K  4206.  Bunyi  yang  merambat  di  dalam  tabung  itu  kemudian terpantulkan  oleh  sampel  uji  yang  ditempatkan  di  ujung  lain  tabung  impedansi.  Sebagian energi gelombang bunyi ini terserap oleh sampel uji. Kedua mikrofon yang satu sama lain terpisah  oleh  jarak  sebesar  5  cm  akan  merekan  tekanan  bunyi  yang  terukur  di  dalam tabung.  Data  yang  terekam  tersebut  diolah  dengan  teknik  dekomposisi  spektral berdasarkan  analisis  respon  frekuensi  sehingga  dapat  dipisahkan  komponen  gelombang datang dan komponen gelombang yang dipatulkan dari permukaan sampel uji.

## .

## Gambar 3. Skema tabung impedansi dua mikrofon
Dengan  membandingkan  tekanan  bunyi  antara  mikrofon  1  dan  2  sebagaimana  tampak dalam  Gambar  (3)  maka  dapat  diperoleh  fungsi  respon  frekuensi  diantara  sinyal  kedua mikrofon [16] :
𝐻 12 = 𝑃 2 𝑃 1 = 𝑝 𝑖 𝑒 𝑗𝑘ℎ +𝑝 𝑖 𝑒 −𝑗𝑘ℎ 𝑝 𝑖 𝑒 𝑗𝑘(ℎ+𝑠) +𝑝 𝑖 𝑒 −𝑗𝑘(ℎ+𝑠) (1)
Dari hubungan tersebut kemudian koefisien refleksi dapat disajikan dalam bentuk sebagai berikut,
𝑅 = 𝐻 12 −𝑒 −𝑗𝑘𝑠 𝑒 𝑗𝑘𝑠 −𝐻 12 𝑒 𝑗2𝑘(ℎ+𝑠) (2)
yang dalam hal ini k merupakan bilangan gelombang, h adalah jarak mikrofon 1 ke sampel uji dan s adalah jarak antar mikrofon. Sehingga dengan demikian diperoleh nilai koefisien serapan bunyi,
𝛼 = 1 − |𝑅| 2 (3)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Modifikasi Permukaan dengan Prisma Tertutup
Gambar 4. Keoefisien Serap Bunyi Elemen Peredam Berbentuk prisma
Hasil  pengujian  koefisien  serapan  bunyi  terhada  elemen  peredam  dengan  modifikasi permukaan  berupa  prisma  tertutup  disajikan  pada  Gambar  4.  Tampak  bahwa  elemen peredam  bekerja  dengan  baik  pada  bentang  frekuensi  yang  sempit  antara  400  Hz  hingga 800 Hz dengan koefisien serapan berada dalam kisaran 0,5 hingga mendekati 1.
Gejala  yang  menarik  tampak  pada  bentang  frekuensi  200  Hz  hingga  400  Hz.  Terjadi peningkatan kinerja serapan beriringan dengan bertambahnya jumlah struktur prisma yang terpasang pada permukaan elemen peredam.
Perubahan kinerja pada bentang frekuensi rendah ini dipicu oleh dua mekanisme berbeda. Pertama,  konfigurasi  struktur  prisma  tertutup  menghasilkan  efek  hamburan  meski  tidak terlampau  signifikan.  Hal  ini  ditandai  dengan  perubahan  nilai  serapan  pada  bentang frekuensi antara 800 Hz hingga 1,3 kHz. Hal ini dapat difahami karena memang masing- masing  prisma  pada  setiap  konfigurasi  memiliki  dimensi,  tinggi  dan  bentuk  yang  sama persis.  Kedua,  perbaikan  kinerja  di  bentang  frekuensi  di  bawah  200  Hz  terpicu  karena kombinasi  antara  elemen  dasar  peredam  yang  bentuk  kubus  dan  struktur  prisma  yang terpasang  di  atasnya  bekerja  secara  serempak  membentuk  struktur  rongga  tergandeng. Ketika  jumlah  struktur  prisma  bertambah,  maka  terjadi  peningkatan  bersifat  akumulatif pada  volume  total  struktur  prisma  yang  kemudian  terkopel  dengan  rongga  elemen peredam. Akibatnya terjadi peningkatan kinerja serapan pada bentang frekuensi di bawah 200 Hz namun tidak mengubah bentang serapan maksimum di antara 400 Hz hingga 800 Hz. Dalam hal ini sifat elastik dari bahan penyusun berupa yellow board juga berkontribusi menghasilkan perubahan pada reaktansi struktur terkopel tersebut, serta memberi dampak pula pada perubahan kinerja pada bentang frekuensi di atas 800 Hz [17] .

## Modifikasi Permukaan dengan Prisma Terbuka
Hasil  pengujian  dengan  modifikasi  permukaan  dengan  menggunakan  prisma  terbuka disajikan dalam Tabel 2. Selain terjadi peningkatan kinerja serapan terjadi pula pelebaran area  serapan  efektif  pada  semua  konfigurasi  yang  dijuji.  Kinerja  serapan  yang  semula mengalami  penurunan  pada  bentang  frekuensi  di  atas  800  Hz  pada  pengujian  dengan struktur  prisma  tertutup  meningkat  secara  signifikan.  Sebagaimana  disajikan  dalam Gambar 5 hingga Gambar 7, modifikasi permukaan dengan struktur prisma terbuka mampu memperbaiki  nilai  koefisien  serapan  dalam  kisaran  0,86  hingga  0,95  pada  bentang
frekuensi  800  Hz    hingga  1,25  Khz.  Nilai  tersebut  jauh  lebih  besar  dibandingkan  dengan apa yang teramati pada modifikasi dengan strukut prisma tertutup.
Namun  demikian,  peningkatan  kinerja  serapan  pada  bentang  frekuensi  800  Hz–1,25  kHz diikuti  pula  oleh  penurunan  kinerja  serapan  di  bentang  di  bawah  200  Hz.  Dalam  hal  ini koefisien  serapan  bernilai  lebih  kecil  dari  pada  parameter  yang  sama  yang  terukur  dalam pengujian dengan struktur prima tertutup.
Perubahan  kinerja  elemen  peredam  sebagaimana  tersebut  di  atas  diduga  terjadi  dengan mekanisme sebagai berikut. Ketika struktur prisma terbuka dipasang pada elemen peredam maka secara akustik keduanya membentuk sebuah resonator Helmholtz dengan dua lubang identik  yang  tepasang  seolah  membentuk  leher  mendatar  di  bagian  atas  rongga.  Keadaan ini  menghadirkan  respon  yang  menyerupai  perilaku  resonator  setengah  panjang gelombang.  Akibatnya,  terjadi  peningkatan  jumlah  massa  yang  yang  berosilasi  di  bagian struktur  leher  resonator  yang  memicu  peningkatan  peredaman  viskous  dan  secara bersamaan  muncul  pula  resonansi  oleh  resonator  setengah  panjang  gelombang  tersebut. Mekanisme  inilah  yang  kemudian  berkontribusi  terhadap  peningkatan  nilai  koefisien serapan di bentang frekuensi tinggi di bentang 800 Hz hingga 1,25 kHz.
Adapun  penurunan  kinerja  serapan  pada  bentang  frekuensi  di  bawah  200  Hz  diduga berkaitan  dengan  hilangnya  efek  kopel  ketika  struktur  prisma  dan  elemen  peredam membentuk satu rongga bersama. Perubahan nilai reaktansi yang semula meningkat akibat kontribusi  kekakuan  bahan  penyusun  yang  memisahkan  rongga  elemen  peredan  dengan rongga  struktur  prisma  tertutup  tidak  terjadi  pada  keadaan  pengujian  dengan  prisma terbuka.  Sementara  itu  penggabungan  elemen  peredam  dan  struktur  prima  tidak memberikan perubahan volume rongga secara signifikan. Dengan demikian, keadaan yang semula  muncul  akibat  dipicu  oleh  mekanisme  resonansi  Helmholtz  pada  rongga  terkopel dalam  pengujian  dengan  prisma  tertutup  tidak  terjadi  pada  pengujian  dengan  prisma terbuka.  Adapun  mekanisme  hamburan  masih  terjadi  sebagaimana  yang  berlaku  pada keadaan pengujian dengan struktur prisma tetutup.

## Tabel 2. Hasil Pengujian Koefisien Serap Peredam
Frekuensi (Hz) 2 puncak 5 puncak 7 puncak Resonator tertutup Resonator terbuka Resonator tertutup Resonator terbuka Resonator tertutup Resonator terbuka 200 0,35 0,08 0,43 0,09 0,34 0,08 250 0,38 0,16 0,50 0,17 0,52 0,17 315 0,41 0,25 0,51 0,25 0,61 0,25 400 0,50 0,34 0,57 0,36 0,61 0,35 500 0,72 0,56 0,79 0,59 0,72 0,58 630 0,94 0,85 0,98 0,92 0,99 0,90 800 0,73 0,86 0,71 0,72 0,88 0,78 1000 0,52 0, 90 0,56 0,84 0,56 0,84 1250 0,35 0,68 0,42 0,93 0,42 0,95 1600 0,20 0,51 0,22 0,31 0,21 0,36
Gambar 5. Kinerja Peredam 2 Element
Gambar 6. Kinerja Peredam 5 Element
Gambar 7. Kinerja Peredam 7 Element
Hasil  pengujian  modifikasi  permukaan  pada  kedua  ragam  struktur  prisma  menunjukkan bahwa  pemakaian  rongga  terkopel  dengan  sekat  berupa  bahan  dengan  kekakuan  tertentu dapat  memicu  peningkatan  koefisien  serapan  di  bentang  frekuensi  rendah  di  bawah  200 Hz.  Di  sisi  lain,  respon  oleh  struktur  yang  berprilaku  seperti  resonator  setengah  panjang gelombang  bersama-sama  dengan  mekanisme  resonansi  Helmholtz  oleh  rongga  elemen
peredam  dapat  memperlebar  bentang  serapan  efektif  di  bentang  frkuensi  menengah  dan frekuensi tinggi antara 500 Hz hingga 1,25 kHz.
Temuan  ini  memberikan  pemahaman  bahwa  teknik  modifikasi  permukaan  dengan pemakaian struktur berbentuk prisma memiliki peluang yang sangat baik untuk diterapkan dalam  pengembangan  sound  diffuser.  Penurunan  kinerja  serapan  di  bentang  frekuensi rendah pada pemakaian struktur prisma terbuka dapat diatasi dengan melakukan modifikasi pada gabungan rancangan prisma dan elemen peredam.
Modifikasi  yang  disarankan  adalah  dengan  memasang  struktur  berupa  leher  yang memanjang  ke  dalam  pada  elemen  peredam  kemudian  prisma  dengan  dua  sisi  terbuka disatukan  di  atasnya.  Dengan  demikian,  elemen  peredam  akan  menghadirkan  perilaku resonansi  yang  bergeser  ke  frekuensi  yang  lebih  rendah  sebagai  fungsi  panjang  leher, sementara resonansi oleh resonator setengah panjang gelombang dari prisma terbuka dapat dipertahankan.

## KESIMPULAN
Modifikasi  permukaan  dengan  penambahan  struktur  berbentuk  prisma  mampu memperbaiki kinerja elemen peredam. Perilaku sebagai struktur rongga tergandeng terpicu pada  pemakaian  prisma  tertutup.  Sifat  elastik  dari  bahan  penyusun  berdampak  pada perubahan  reaktansi  struktur  terkopel  yang  memperbaiki  kinerja  serapan  di  frekuensi rendah di bawah 200 Hz. Adapun untuk prisma terbuka, muncul respon dari prisma  yang berprilaku sebagai resonator setengah panjang gelombang. Dampaknya timbul peningkatan signifikan pada bentang frekuensi tinggi antara 800 Hz hingga 1,25 kHz.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Cox,  T.J.  and  d’Antonio,  P.D.  2004. Acoustics  Absorbers  and  Diffusers,  Theory, Design and Application. Spon Press.
2. Berkhout,  A.  J.,  Palthe,  D.  W.  W.,  and  de  Vries,  D.  1979.  Theory  of  optimal  plane diffuser. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 65, No. 5, pp. 1334-1336.
3. Pogson, M. A., Whittaker, D. M., Gehring, G. A., Cox, T. J., Hughes, R. J., and Angus, J. A. S. 2010. Diffusive benefits of cylinders in front of Schroeder diffuser. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 128, No. 3, pp. 1149-1154.
4. Yang, J., Shen, Y., and Wang, H. 2006. On the Sound Absorption of Quadratic Residue Diffuser Groups with Various Shape and Combinations. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 119, No. 6, pp. 3546-3548.
5. Nutter,  D.  B.,  Leishman,  T.  W.,  Sommerfeldt,  S.  D.,  and  Blotter,  J.  D.  2007. Measurement  of  sound  power  and  absorption  in  reverberation  chamber  using  energy density. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 121, No. 5, pp. 2700-2710.
6. Hanyu,  T.  2010.  A  theoretical  framework  for  quantitativel  characterizing  sound  field diffusion based on scattering coefficient and absorption coefficient of walls. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 128, No. 3, pp. 1140-1148.
7. Groby, J. P., Duclos, A., Dazel, O., Boeckx, L., and Lauriks, W. 2011. Absorption of rigid frame porous layer with periodic circular inclusion backed by a periodic grating. Journal of Ac. Soc. Am. , Vol. 129, No. 5, pp. 3035-3046.
8. Maa,  D.  Y.  1957. Theory  and  design  of  microperforated  panel  sound  absorbing . Combustion, Scienta Sinica XVIII, pp. 55-71
9. Kamila,  Z.,  Yahya,  I.,  dan  Utari.  2014.  Pengaruh  Fraksi  Abu  Onggok  Aren  dan Konfigurasi  Resonator  pada  Kinerja  Serapan  Akustik  Batako  Ekspose. Indonesian Journal of Applied Physics, Vol. 04, No.1, Hal. 19. ISSN: 2089 – 0133.
10. Kristiani,  R.,  Yahya,  I.,  dan  Harjana.  2014.  Kinerja  Serapan  Bunyi  Komposit  Ampas Tebu  Berdasarkan  Variasi  Ketebalan  dan  Jumlah Quarter  Wavelength  Resonator terhadap  Kinerja  Bunyi. Jurnal  Fisika  dan  Aplikasinya, Vol  10,  No.  1.  ISSN:  1858- 036X.
11. Harjana, and Yahya, I. 2014. Perforated Flexible Membrane Insertion Influence on The Sound  Absorption  Performance  of  Cavity  Backed  Micro  Perforated  Panel. 7th International Conference on Physics and Its Applications .
12. Yahya,  I.  and  Harjana.  2013.  New  sound  absorption  improvement  strategy  for  QRD element. Proceeding  of  20th  International  Conference  on  Sound  and  Vibration, ICSV20, Bangkok (Thailand), July 2013.
13. Selamet,  A.  and  Lee,  I.  2003.  Helmholtz  Resonator  with  Extended  Neck. J.  Acoust. Soc. Am., Vol. 113, No. 4.
14. Falsafi,  I.  and  Ohadi,  A.  2015.  Improving  Absorption  Bandwidth  of  Microperforated Panel by Stepping the Cavity. Proceeding of 22th International Conference on Sound and Vibration, ICSV22 , Florence (Italy), July 2015.
15. Wang, C.,  and Huang,  L. 2011. On the acoustic  properties of parallel  arrangement of multiple micro-perforated panel absorbers with different cavity depths. J. Acoust. Soc. Am. , Vol. 130, No. 1.
16. Vigran, T. E. Building Acoustics . Taylor & Francis Group, 2008.
17. Seddeq,  H.  S.  2009.  Factors  Influencing  Acoustics  Performance  of  Sound  Absorptive Materials. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol. 3, No. 4, pp. 4610- 4617. ISSN: 1991-8178