## Perancangan Fixture Uji Vibrasi pada Muatan Sistem Telemetri yang Berbentuk Tabung

## Vibration Test Fixtures Design for Payload of Tubular Telemetry System
Muksin *) , Mikhael Gilang Pribadi P. Pratama, Yudha Agung Nugroho, Yusuf Giri Wijaya, Nur Mufidatul Ula, Adi Wirawan Pusat Teknologi Penerbangan, LAPAN, Jakarta, Indonesia
* E-mail: muksin.muksin@lapan.go.id

## ABSTRACT
Vibration  testing  on  telemetry  system  payload  is  needed  to  determine  its  resistance  to  vibration during operation. Vibration testing of telemetry system payloads requires a test fixture . Test fixture is  used  to  transmit  vibration  from  shaker  to  telemetry  system  payload.  The  payload  of  telemetry system  to  be  tested  is  a  tubular.  The  test fixture in  this  study  was  designed  using  SolidWorks software. The material used for manufacture of test fixture is aluminum. Aluminum material was chosen because it has good rigidity with a relatively light mass. Stiffness and mass properties affect to  natural  frequency  value  of  test fixture ,  which  must  be  greater  than  the  frequency  range  of operating  telemetry  system.  Data  collection  uses  two  accelerometers  placed  on  test fixture .  Sine sweep vibrations are given from 5 Hz to 2000 Hz with a constant amplitude of 1 g and a sweep rate of 1 octave/minute. The test produces three peaks that they are candidates as natural frequencies, i.e at a frequency of 1532 Hz with an amplitude of 2.898 g, a frequency of 1706 Hz with an amplitude of 6.582 g, and at a frequency of 1806 Hz with an amplitude of 6.472 g. From those three natural frequencies, the second natural frequency at 1706 Hz is the most critically because it has the largest response value.
Keywords: vibration, telemetry system, test Fixture , natural frequency, aluminum.

## PENDAHULUAN
Fixture adalah sebuah alat yang didesain secara spesifik  dan  digunakan  untuk  meletakkan  dan menyangga benda kerja dalam proses produksi (Prassetiyo et  al .,  2016).  Tujuan  utama penggunaan fixture adalah  untuk  membantu proses  produksi  dengan  cara  menahan  benda kerja  agar  tetap  pada  posisi  yang  diinginkan (Okpala  &  Okechukwu,  2015).  Benda  kerja dapat  disebut  dengan  benda  uji  karena fixture pada penelitian ini digunakan untuk membantu proses pengujian vibrasi.
Pada  penelitian  ini, fixture berfungsi sebagai penyalur getaran dari shaker ke benda uji. Fixture uji getaran harus dapat mensimulasikan  pemasangan  sebenarnya  dari benda uji (Luo et al ., 2018). Benda uji adalah suatu  benda  yang  akan  diuji  sesuai  dengan tujuan pengujian. Benda yang akan diuji adalah muatan  sistem  telemetri  yang  berbentuk tabung. Oleh karena itu, fixture uji getaran yang dibuat  harus  disesuaikan  dengan  bentuk tabung.
Dalam  pembuatan fixture uji  vibrasi  ada beberapa  hal  yang  harus  diperhatikan,  yaitu transmissibility dan  frekuensi  natural  (Mc Connell & Varoto, 2008; De Barros & Souto, 2017). Fixture uji  getaran  harus  memiliki
kekakuan  tinggi  dan  mampu  mentransfer energi getaran yang dihasilkan oleh shaker ke benda uji tanpa adanya perubahan. Fixture uji vibrasi  yang  ideal  harus  memiliki  nilai transmissibility atau  perbandingan  antara keluaran dengan masukan sebesar satu (Reddy &  Reddy,  2010).  Nilai transmissibility satu berarti  nilai  output  dengan  tepat  mengikuti input.
Fixture uji  getaran  yang  bagus  harus mempunyai  nilai  frekuensi  natural  tidak  pada rentang  frekuensi  pengujian  (Borhade et  al ., 2015). Jika fixture uji memiliki nilai frekuensi pada rentang jalur pengujian maka akan terjadi resonansi  yang  menyebabkan  ketidakakuratan dalam  pengujian.  Resonansi  juga  akan menyebabkan getaran dengan amplitudo tinggi sehingga  dapat  merusak  benda  uji  dan peralatan uji.
Fixture uji  vibrasi  yang  sudah  diproduksi harus diuji secara eksperimental. Fungsi dari uji ekspermental  ini  adalah  untuk  mengetahui karakteristik  dinamis.  Karakteristik  dinamis yang  wajib  diketahui,  salah  satunya  adalah frekuensi natural. Penelitian ini bertujuan untuk merancang fixture uji  vibrasi  yang  dapat digunakan untuk pengujian vibrasi pada muatan sistem  telemetri  dan  mengujinya  secara eksperimental  untuk  mengetahui  karakteristik
dinamisnya. Dengan diketahuinya karakteristik dinamis,  terutama  nilai  frekuensi  natural  dari fixture uji tersebut maka dapat diketahui rentang frekuensi  pengujian  yang  dapat  menggunakan fixture tersebut.

## METODE
Perancangan fixture uji vibrasi Tahap  pertama  dalam  penelitian  ini  adalah perancangan fixture uji  vibrasi.  Beberapa  contoh model fixture uji  vibrasi  adalah  seperti  model  T, model L, model kubus, dan model yang disesuaikan dengan benda ujinya (Raut et al ., 2017). Rancangan fixture uji terdiri dari base plate , clamping dan tabung PVC. Base plate berfungsi sebagai penopang utama fixture . Base  plate terbuat  dari  plat  alumunium. Clamping terbuat juga dari alumunium. Clamping ini berfungsi  untuk  mencekam  benda  uji  (Fyona et  al ., 2019). Clamping dipasang  pada base  plate dengan cara  dibaut.  Tabung  PVC  berguna  sebagai  tempat dipasangnya  muatan  sistem  telemetri.  Rancangan fixture uji  vibrasi  digambar  menggunakan  software Solidworks (Gambar 1).
Gambar 1.  Desain  fixture  uji  (kiri)  dan  fixture  uji (kanan)
Pengujian pada fixture uji vibrasi Pengujian vibrasi dalam laboratorium menggunakan sebuah shaker dapat dianggap sebagai sebuah sistem gerak  dengan  satu  derajat  kebebasan.  Sistem  terdiri dari  massa,  pegas,  peredam,  dan  gaya  eksitasi (Gambar 2).
Gambar 2.  Sistem  gerak  dengan  satu  derajat kebebasan (Ula et al ., 2020)
Sebuah  sistem  gerak  dengan  satu  derajat kebebasan yang memiliki massa M , koefisien redam
C ,  dan  kekakuan K dapat  dideskripsikan  secara matematis seperti pada persamaan 1.
𝑴𝒚̈ + 𝑪𝒚̇ + 𝑲𝒚 = 𝑭(𝒕) (1)
Shaker memberi  eksitasi  dengan  amplitudo 𝐹 𝐴 dan  frekuensi Ω yang  secara  matematis  dituliskan dalam bentuk persamaan 2. Substitusikan persamaan 2 ke persamaan 1 sehingga persamaan gerak berubah menjadi persamaan 3.
𝑭(𝒕) = 𝑭 𝑨 𝐬𝐢𝐧 𝛀𝒕 (2)
𝑴𝒚̈ + 𝑪𝒚̇ + 𝑲𝒚 = 𝑭 𝑨 𝐬𝐢𝐧 𝛀𝒕 (3)
Persamaan differensial orde 2 pada persamaan 3 memiliki  solusi  tipe  tebakan  dengan  dua  konstanta seperti  yang  ditulis  dalam  persamaan  4.  Substitusi persamaan  4  ke  persamaan  3  sehingga  nilai  kedua konstanta  dapat  diperoleh  dari  persamaan  5  dan persamaan 6 dengan 𝜔 adalah frekuensi natural benda dan ζ adalah koefisien redaman.
𝒚 = 𝑩 𝒔𝒊𝒏 𝜴𝒕 + 𝑪 𝒄𝒐𝒔 𝜴𝒕 (4)
𝑩 = (𝝎 𝟐 − 𝛀 𝟐 )(𝑭 𝑨 𝑴 ⁄ ) (𝝎 𝟐 − 𝛀 𝟐 ) 𝟐 + 𝟒𝝎 𝟐 𝛀 𝟐 𝛇 𝟐 (5)
𝑪 = −𝟐𝝎𝛀𝛇(𝑭 𝑨 𝑴 ⁄ ) (𝝎 𝟐 − 𝛀 𝟐 ) 𝟐 + 𝟒𝝎 𝟐 𝛀 𝟐 𝛇 𝟐 (6)
Eksitasi oleh shaker menyebabkan fixture uji ikut bergetar  sehingga  menghasilkan  respon  getar. Respon  getar 𝑅(𝑡) dari fixture uji  dituliskan  secara matematis  dalam  persamaan  7  dengan  amplitudo respon  getar 𝑅 𝐴 pada  persamaan  8.  Respon  getar memiliki  perbedaan  fasa  dengan  sumber  getaran karena  adanya  redaman.  Perbedaan  fasa  atau  biasa disebut  pergeseran  fasa 𝜙 dideskripsikan  secara matematis pada persamaan 9.
𝑹(𝒕) = 𝑹 𝑨 𝐬𝐢𝐧(𝛀𝒕 − 𝝓) (7)
𝑹 𝑨 = (𝑭 𝑨 𝒌 ⁄ ) {[𝟏 − (𝛀 𝝎 ⁄ ) 𝟐 ] 𝟐 + 𝟒𝛇 𝟐 (𝛀 𝝎 ⁄ ) 𝟐 } 𝟏 𝟐 ⁄ (8)
𝐭𝐚𝐧  𝝓 = 𝟐𝛇(𝛀 𝝎
⁄ ) 𝟏 − (𝛀 𝝎 ⁄ ) 𝟐 (9)
Ketika pengujian dilakukan, shaker memberikan eksitasi  secara  terus-menerus  hingga  mencapai jumlah siklus atau frekuensi yang ditentukan. Ketika frekuensi eksitasi yang dihasilkan oleh shaker mulai mendekati  frekuensi  natural  benda  uji,  maka amplitudo  eksitasi  yang  dibaca  oleh  sensor  akan menaturalkan kenaikan hingga mencapai titik puncak pada frekuensi alami benda uji. Fenomena ini disebut dengan resonansi. Resonansi menyebabkan amplitudo  respon  menjadi  lebih  besar  jika dibandingkan dengan amplitudo eksitasi. Faktor yang
mendeskripsikan  pertambahan  amplitudo  adalah faktor  magnifikasi  G  yang  secara  matematis dituliskan dalam persamaan 10. 𝑮 = 𝟏 {[𝟏 − (𝛀 𝝎 ⁄ ) 𝟐 ] 𝟐 + 𝟒𝛇 𝟐 (𝛀 𝝎 ⁄ ) 𝟐 } 𝟏 𝟐 ⁄ (10)
a. Peralatan yang digunakan Peralatan pengujian yang digunakan dalam penelitian ini adalah,
1. satu unit shaker vibrasi merk ETS type M124M, 2. satu unit amplifier power supply merk ETS type MPA403,
3. tiga  unit  sensor accelerometer merk  SENZ  type IEPE SZ3055B2,
4. satu  unit  alat  kontroler  dan  akuisisi  empat saluran merk Medallion type VR9500,
5. satu set komputer desktop, dan
6. satu unit benda uji yang berupa fixture uji
Denah  konfigurasi  dan  relasi  antara  peralatan yang digunakan diilustrasikan dalam Gambar 3.

## Gambar 3. Konfigurasi pengujian
Prosedur pengujian pada fixture uji
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimen  dengan  cara  memberikan  eksitasi  pada spesimen  yang  berupa fixture uji  menggunakan shaker seperti yang sudah dilakukan dalam penelitian Ula,  et  al.  (2020).  Pengujian  dilakukan  untuk memperoleh  data  frekuensi  alami  dari fixture uji. Dalam  metode  eksperimen  ini, shaker memberikan eksitasi  dengan  kenaikan  bertahap  terhadap fixture uji. Eksitasi tersebut menghasilkan respon dari fixture uji  terhadap  frekuensi  eksitasi shaker .  Respon tersebut  ditangkap  oleh  sensor accelerometer dan diteruskan  ke  alat  kontroler  dan  akuisisi  kemudian diteruskan ke antarmuka di komputer.
Data yang diperoleh dari sensor disajikan dalam bentuk  grafik  respon.  Grafik  respon  menunjukkan frekuensi dan respon yang berupa akselerasi. Seiring dengan  berjalannya  eksperimen,  terdapat  satu  atau beberapa titik frekuensi yang memiliki puncak respon akselerasi  yang  jauh  lebih  tinggi  dari  respon  pada frekuensi  lainnya.  Fenomena  ini  disebut  dengan resonansi. Titik frekuensi tempat terjadinya fenomena  resonansi  adalah  frekuensi  alami  yang dicari dalam penelitian ini.
Dalam  penelitian  ini,  pengujian  dilakukan dengan  cara  memberikan  eksitasi  berupa  getaran sine  sweep dengan  rentang  frekuensi  dari  5  Hz sampai 2000 Hz. Amplitudo eksitasi adalah 1 g dan laju  peningkatan  frekuensi  sebesar  1  octave/menit. Sensor accelerometer yang  digunakan  merupakan produk  dari  SENZ  dengan  part  number  SZ3055B2 dan  merupakan  jenis  sensor accelerometer IEPE satu  arah/satu  axis.  Sensor accelerometer yang digunakan  berjumlah  3  buah  dengan  1  sensor sebagai  kontrol  dan  2  sensor  untuk  akuisisi  data dengan  posisi  seperti  yang  diilustrasikan  pada Gambar 4.
Gambar 4. Konfigurasi posisi accelerometer
Ketiga  sensor  dipasang  secara  vertikal  pada ketiga posisi atau searah dengan arah eksitasi shaker . Konfigurasi arah sensor disesuaikan dengan konfigurasi  pengujian  muatan  sistem  telemetri  yang dilakukan menggunakan fixture uji dalam penelitian ini. Spesifikasi sensor accelerometer yang digunakan dalam pengujian ini tercantum dalam Tabel 1.
Tabel 1. Data sensitivitas sensor Kode Sensor Lokasi Sensivitas (mV/g) Sensor 1 Bawah 98,39 Sensor 2 Tengah 97,67 Sensor 3 Atas 98,74

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  pengujian  yang  telah  dilakukan terhadap fixture uji  vibrasi  sistem  telemetri, diperoleh  hasil  berupa  data  percepatan  pada domain  frekuensi.  Berdasarkan  hasil  yang diperoleh,  terdapat  tiga  puncak  respon  yang merupakan  kandidat  frekuensi  alami  pada fixture uji  tersebut.  Frekuensi  natural  yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 5
Gambar 5.  Grafik  hasil  pengujian sine  sweep pada fixture uji  vibrasi  sistem telemetri
Gambar 6. Grafik transmissibility sensor 2 dan 3 terhadap sensor 1
Pada  Gambar  5  terdapat  grafik  berwarna hijau untuk sensor 1, warna biru untuk sensor 2, dan  warna  ungu  untuk  sensor  3.  Dalam  grafik tersebut  terlihat  grafik  berwarna  ungu  yaitu respon yang ditangkap oleh sensor akselerometer  dari  tabung  PVC  di  lokasi penempatan  benda  uji  berupa  muatan  sistem telemetri berbentuk tabung. Dari grafik tersebut terdapat puncak-puncak respon akselerasi pada frekuensi  tertentu.  Puncak  yang  memiliki  nilai transmissibility lebih  dari  2  dapat  disebut sebagai  nilai  frekuensi  natural.  Pada  grafik terdapat  3  puncak  tertinggi  yaitu  puncak pertama  pada  frekuensi  1532  Hz  dengan amplitudo sebesar 2,898 g, puncak kedua pada frekuensi  1706  Hz  dengan  amplitudo  sebesar 6,582 g, dan puncak ketiga pada frekuensi 1806 Hz dengan amplitudo sebesar 6,472 g.
Pada  Gambar  6  yang  merupakan  grafik transmissibility dari  sensor  2  dan  3  terhadap sensor 1 juga memiliki puncak yang sama pada frekuensi 1706 Hz dengan nilai transmissibility yang  berbeda.  Nilai transmissibility sensor  2 terhadap sensor 1 sebesar 4,401 g/g, sedangkan nilai transmissibility dari  sensor  3  terhadap sensor  1  sebesar  6,569  g/g.  Nilai  frekuensi natural  dari fixture uji  vibrasi  sistem  telemetri diperoleh dari puncak frekuensi yang memiliki nilai  amplitudo  tertinggi.  Dari  hasil  data pengujian yang telah dilakukan, untuk pengujian  vibrasi  pada  modul  telemetri  lebih ideal  diletakkan  di  dekat  sensor  2  karena memiliki  nilai transmissibility yang  lebih rendah  dibandingkan  jika  diletakkan  di  dekat
sensor  3.  Nilai transmissibility yang  lebih rendah  bagus  untuk  pengujian  vibrasi  karena daerah tersebut getarannya sama dengan getaran yang  dihasilkan  oleh  shaker  atau  sumber getaran.

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  berhasil  dirancang fixture uji  vibrasi  untuk  pengujian  muatan sistem  telemetri.  Fixture  uji  vibrasi  tersebut diuji  secara  eksperimental  untuk  menetukan frekuensi naturalnya. Pengujian yang dilakukan dengan  cara  memberikan  getaran sine  sweep dan  diperoleh  puncak-puncak  frekuensi  pada 1532  Hz,  1706  Hz,  dan  1806  Hz.  Nilai  -  nilai tersebut  merupakan  frekuensi  natural  pada fixture uji  vibrasi.  Puncak  getaran  tertinggi terjadi  ada  frekuensi  1706  Hz  dengan  tinggi ampitudo  sebesar  6,582  g.  Berdasarkan  data pengujian  maka  dapat  disimpulkan  bahwa fixture uji  yang  telah  dirancang  aman  untuk digunakan dalam proses pengujian vibrasi pada vibrasi muatan sistem telemetri dengan rentang frekuensi pengujian 5 - 1500 Hz.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak  Drs.  Gunawan  Setyo  Prabowo,  M.T. selaku  Kepala  Pusat  Teknologi  Penerbangan  - LAPAN,  Bapak  Ir.  Agus  Aribowo,  M.Eng selaku  Kepala  Bidang  Program  dan  Fasilitas serta  Bapak  Drs.  Agus  Harno  Nurdin  Syah, M.Si yang telah memberikan bimbingan kepada kami dalam penulisan karya tulis ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Borhade,  R.  B., B.  A. Parate  &  D.  N.  Korade, 2015.  Structural  Design  Consideration  and Performance Evaluation of Vibration Fixture  for  Power  Cartridge  Applications. International Engineering Research Journal MECH  PGCON  2016  (DY  PATIL  COE) , 562-567.
De Barros, E & C. D. A.Souto, 2017. Evaluation of  a  Vibration  Text  Fixture. International Journal of Acoustics and Vibrations , 22 (3):
349-352.
Fyona, A., R. Hakim & Afriandi. 2019. Desain Jig  &  Fixture  untuk  Break  Shoes  Sepeda Angin. Jurnal Teknologi Dan Riset Terapan (JATRA) , 1 (2): 38-42.
Luo,  H.,  Yu,  C.,  Wu,  T  &  Wang,  H.  2018.
Structure Design and Dynamic
Characteristic Analysis of Vibration Fixture. Proceedings  of  2018  IEEE  International
Conference on Mechatronics and Automation, ICMA 2018 , 1515-1519. McConnell,  K.  G  &  P.  S.  Varoto.  2008. Vibration Testing: Theory and Practice, 2nd Edition . John Wiley & Sons.
Okpala,C.C  &  E.  Okechukwu  C.  2015.  The Design  and  Need  for  Jigs  and  Fixtures  in Manufacturing. Science  Research , 3 (4): 213-219.
Prassetiyo,  H.,  R.  Rispianda  &  H.  Adanda, 2016. Rancangan Jig dan Fixture Pembuatan Produk  Cover  On-Off. Teknoin  -  Jurnal Teknologi Industri , 22 (5): 350-360. Raut, S. S., N. A. Madgulkar, S. A. Sathe, S. P.
Wadkar  &  T.  Sathe,  2017.  Study  of Vibration Fixtures. International Journal of
Current Engineering and Technology , 7 (7): 75-77.
Reddy,  T.  S  &  K.  V.  K.  Reddy.  2010.  Design and Analysis of Vibration Test Bed Fixtures for Space Launch Vehicles. Indian Journal of Science and Technology, 3 (5): 592-595.
Ula, N. M., Y. G.Wijaya, M.Muksin, M. G. P. P.  Pratama  &  A.  H.  N.  Syah,  2020. Dynamical  Characteristics  of  a  Head
Expander for Vibration Testing in
Pustekbang  Laboratory. Angkasa:  Jurnal
Ilmiah Bidang Teknologi , 12 (2): 167-174.
80                                               Perancangan Fixture Uji Vibrasi …                          (Muksin, dkk)