STUDI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI TURBULENSI PENGARUH VARIASI PUTARAN TERHADAP KARAKTERISTIK KEBISINGAN PROTOTIPE PROPELLER RENDAH BISING
Afrizal Nurfi 1 , Ikhwansyah Isranuri 2 , M. Sabri 3 , Marragi M. 4 , Pramio G. Sembiring 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : afrizalnurfi276@yahoo.com

## ABSTRAK
Pesawat model adalah pesawat terbang tanpa awak yang dikendalikan dari jarak jauh oleh pilot atau mampu  mengendalikan  dirinya  sendiri  sesuai  dengan  program  yang  telah  ditentukan.  Pesawat  tak berawak berfungsi untuk keperluan pengintaian atau untuk misi  ke luar angkasa misalnya oleh militer atau  badan  luar  angkasa  disebut  UAV  ( Unmanned  Air  Vehicle ).  Permasalahan  kebisingan  pada pesawat tanpa awak sedang menjadi konsentrasi penelitian yang terus meningkat dari tahun ke tahun. Salah  satu  syarat  yang  harus  dipenuhi  oleh  pesawat  tanpa  awak  yang  bertujuan  untuk  melakukan pengintaian adalah rendahnya tingkat kebisingan dari pesawat tersebut. Sumber utama dari kebisingan pesawat  yang  digerakkan  oleh  propeller  terletak  pada  propeller  itu  sendiri.  Penelitian  ini  bertujuan untuk  melakukan  kajian  eksperimental  karakteristik  dan  menganalisa  kebisingan  serta  energi turbulensi  pada  sebuah  prototipe  propeller  rendah  bising.  Pengukuran  dilakukan  dengan  variasi putaran  600  rpm  –  1800  rpm  dengan  metode  bola  ( spherical  method) .  Dari  analisa  kebisingan  yang dihasilkan dari prototipe propeller nilai kebisingan terbesar terdapat pada arah aksial (Y+) di putaran 1800 rpm jarak 1 m dengan nilai 90.2 dB dan nilai energi turbulensinya 22.438 J/Kg.
Kata kunci : Pesawat model, UAV , Propeller , Spherical method , Kebisingan, Turbulensi

## 1. PENDAHULUAN

## 1.1 Latar Belakang
Indonesia  merupakan  negara  kepulauan  yang  luas  seluruhnya  5.193.250  km 2 ,  dan hampir  dua  pertiga  wilayah  Indonesia  merupakan  wilayah  perairan  dengan  luas  mencapai 3.287.010  km 2 .  Dengan  wilayah  laut  yang  luas  tersebut,  Indonesia  memiliki  potensi  sumber daya  kelautan  (hayati  dan  non  hayati)  yang  sangat  bernilai  tinggi  untuk  dapat  dimanfaatkan secara  optimal  untuk  kelangsungan  hidup  bangsa.  Kondisi  ini  tentunya  membutuhkan pengamanan sehingga sumber daya yang dimiliki Indonesia tidak berpindah ke negara lain.
Berdasarkan  fakta  tersebut, sangat  perlu untuk  mengembangkan  sebuah pesawat  udara tanpa  awak( Unmanned  Aerial  Vehicle atau  disingkat UAV )  yang  bertujuan  sebagai  sarana pendukung pemantauan keadaan wilayah Indonesia untuk mendapatkan data yang lebih detail, real  time ,  cepat,  dan  murah.  Pesawat  udara  tanpa  awak  ( Unmanned  Aerial  Vehicle) merupakan sebuah wahana terbang yang dikendalikan dari jarak jauh untuk melakukan misi tertentu. Salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh pesawat tanpa awak yang bertujuan untuk melakukan pengintaian adalah rendahnya tingkat kebisingan dari pesawat tersebut.
Namun  seperti  halnya  mesin  lainnya,  permasalahan  kebisingan  merupakan  hal  yang  tidak terelakkan.  Sumber  utama  dari  kebisingan  pesawat  yang  digerakkan  oleh propeller terletak pada sudut lengkung dan sudut twistnya [1].

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Propeller merupakan  sekelompok  sayap  berputar  yang  dibentuk  bengkok,  yang ditujukan  agar  menciptakan  arah  dari  resultan  gaya  angkat  yang  menuju  ke  depan.  Pada umumnya propeller terdiri dari dua atau lebih baling yang dihubungkan ke central hub yang merupakan  bagian  dimana  baling  –  baling  pesawat  tersambung. Propeller berfungsi  untuk mengubah gaya rotasi dari mesin menjadi gaya propulsif sebagai gaya dorong (Thrust) untuk pesawat [2].

## 2.2 Bagian – Bagian Propeller
Untuk  menjelaskan  teori propeller ,  perlu  terlebih  dahulu  mengetahui  bagian  –  bagian dari geometri propeller sebagai berikut :
Gambar 2.1 Bagian – bagian propeller [2]
Berikut adalah bagian – bagian yang terdapat pada sebuah propeller: 1. Tip
Merupakan bagian terluar propeller dari Hub.
2. Root
Adalah bagian dari baling yang terdekat dengan hub.
3. Hub
Merupakan pusat propeller sebagai bagian dimana baling – baling melekat.

## 2.3 Sound Pressure
Sound  presure merupakan  fluktuasi  dari  tekanan  udara.  Ketika  suatu  sumber  bunyi menghasilkan  bunyi,  maka  buyi  tersebut  akan  merambat  melalui  medium  udara  yang  ada disekitarnya.  Ketika  terjadi  perambatan,  maka  terjadi  perubahan  tekanan  atmosfir  beberapa saat.  Sesuatu  yang  merupakan  perubahan  tekanan    udara  sebagai  indikasi  dari  adanya permabatan bunyi inilah yang di sebut dengan sound pressure [3].

## 2.4 Sound Power
Sedangkan sound power merupakan sejumlah daya yang dapat di ukur dihasilkan oleh radiasi sumber bunyi yang menyebar disekitar udara. Secara matemetik, sound power dapat di rumuskan sebagai berikut:
W s = (4 𝜋 r 2 ) I max (watt)        (2.1)
Untuk  mempermudah  penentuan  nilai  kebisingan,  maka  ada  metode  yang  digunakan dengan  menggunakan  skala  level  atau  tingkat  kebisingan  suara  dalam  satuan  decibel  (dB) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level dan sound power level.

## 2.5 Sound Power level (SWL)
L w = 10 log 𝑊 𝑊 𝑟𝑒𝑓 (dB) (2.2)
Dimana : W      = Sound power W reff = Sound power referensi dengan standar 10 -12 watt
2.6 Sound Pressure Level (SPL)
Sedangkan sound pressure level dapat dirumuskan sebagai berikut :
SPL =  L p = 10 log [ 𝑃 2 𝑃(𝑟𝑒𝑓) 2 ] = 20 log 𝑝 𝑝(𝑟𝑒𝑓) (2.3)
Dimana : P     = Tekanan yang terjadi ( P rms ) untuk aliran fluida P(ref) = Tekanan pada air borne = 2 x 10 -5 N/m 2 = 20 µPa

## 2.7 Noise
Noise adalah  bunyi  atau  suara  yang  tidak  dikehendaki  dan  dapat  mengganggu kesehatandan kenyamanan lingkungan yang dinyatakan dalam satuan decibel (dB) [4] . Sumber noise dapat dikelompokkan dalam tiga kategori: 1. Sumber noise intrinsik yang muncul dari fluktuasi acak di dalam suatu sistem fisik seperti thermal dan shot noise .
2. Sumber noise buatan manusia seperti motor, switch , elektronika digital.
3. Noise karena gangguan alamiah seperti petir dan bintik matahari.
Tabel 2.1  Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya [5].
Untuk suatu peristiwa pentransmisian data, sinyal yang diterima akan berisikan sinyal – sinyal  yang  ditransmisikan,  dimodifikasi  oleh  berbagai  distorsi  yang  terjadi  melalui  sistem transmisi, ditambah sinyal – sinyal tambahan yang tidak diinginkan yang diselipkan di suatu tempat  diantara  transmisi  dan  penerimaan. Noise merupakan  faktor  utama  yang  membatasi performansi sistem komunikasi.
Gambar 2.1. Grafik sinyal noise [6]

## 2.9 Noise Contour
Sebuah  kebisingan contour merupakan  distribusi  dari  sumber  kebisingan  yang  di gambarkan  dalam  bentuk  garis  yang  bersambung  dan  tidak  dapat  bertemu  atau  memotong garis kontur lainnya dan tidak pula dapat bercabang menjadi garis kontur yang lain.  Kontur kebisingan digunakan untuk men entukan distribusi sebaran bunyi sebagai bagian dari pengandalian kebisingan [6].

## 3. METODOLOGI PENELITIAN

## 3.1 Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan sejak tanggal 29 Juli 2014 pengesahan usulan oleh pengelola program  studi  sampai  dinyatakan  selesai  yang  direncanakan  berlangsung  selama  ±  4  bulan. Tempat  pelaksanaan  penelitian  adalah  di Research  Center  Noise/Vibration  Control  and Knowledge  Based  in  Engineering ,  Program  Magister  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik, Universitas Sumatera Utara.

## 3.2 Bahan Penelitian
Bahan  yang  digunakan  dalam  melakukan  penelitian  ini  adalah  sebagai  berikut  yang terdapat pada tabel 3.1.
Tabel 3.1. Bahan Penelitian
Gambar 3.1. Propeller

## 3.3 Alat Penelitian
Dalam  proses  penelitian  ini  banyak  alat-alat  teknik  yang  digunakan,  dimana  alat-alat yang digunakan memiliki fungsi dan kegunaan masing – masing dalam proses penelitian ini. Adapun alat – alat tersebut antara lain :

## 1. Sound Level Meter
Sound  Level  Meter merupakan  alat  yang  digunakan  untuk  mengukur  seberapa  besar suara  bising  mempengaruhi  pekerja  dalam  melaksanakan  tugasnya.  Fungsi  alat  ini  untuk mengukur intensitas kebisingan antara 30 – 130 dB dan dari frekuensi 20 – 20.000 Hz.
Gambar 3.2. Sound level meter
2. Tripod
Tripod adalah alat stan untuk  membantu  agar badan  kamera bisa berdiri  dengan tegak dan  tegar.  Hal  ini  dimaksudkan  untuk  mengurangi  kelelahan fotografer dalam  mengambil gambar  dan  mengurangi noise yang  ditimbulkan  oleh  guncangan  tangan fotografer.  Tripod yang digunakan dalam penelitian ini bermerek Ouyama.
Gambar 3.3. Tripod

## 3.4 Pengujian Kebisingan Prototipe Propeller
Secara  eksperimental  pengujian  dan  pengambilan  data  dilakukan  untuk  memperoleh karakteristik  kebisingan  yang  ditransmisikan  dari  motor  ke propeller .  Pengujian  dilakukan dengan memutar propeller dengan putaran 600 – 1800 rpm. Pada saat propeller berputar akan dilihat  kebisingan  yang  dihasilkan  oleh prototipe  propeller dengan  menggunakan  alat  uji kebisingan .
Setelah didapatkan hasil pengujian kebisingan prototipe propeller berupa angka digital yang tertera  di  sound  level  meter,  kemudian  data  tersebut  diolah  dengan  menggunakan  microsoft excel sehingga didapatkan nilai sound level meter dan sound pressure meter.

## 3.5 Variabel Yang Diamati
Sesuai  dengan  maksud  eksperimen,  variabel  ini  menjadi  fokus  perhatian  yang  perlu dikondisikan  untuk  pengolahan  data  guna  mendapatkan  hasil  yang  mendekatin  sempurna. Adapun variabel yang diamati dalam studi eksperimental ini adalah sebagai berikut : 1. Jarak sound level meter Bruel & Kjaer type 2238 fulfils ke propeller.
2. Frekuensi dari inverter.
3. Noise pada propeller dengan arah horizontal, vertical, aksial.
4. Turbulensi

## 4. ANALISA DATA

## 4.1 Data hasil pengukuran
Pengukuran  dilakukan  di  Laboratorium Noise  and  Vibration  Research  Center dengan kebisingan  awal  37.8  dB.  Pengukuran  diambil  dari  arah  Y+,  Y-,  X+,  X-,  Z+,  Z-.  Arah pengukuran dapat dilihat pada gambar 4.1 sebagai berikut :
Gambar 4.1. Arah pengukuran propeller
Berikut ini adalah grafik kebisingan vs putaran yang terjadi pada propeller .
1. Grafik Kebisingan Vs Putaran Pada Jarak 1 m
Gambar 4.2. Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 1 meter
Berdasarkan  grafik  diatas  dapat  kita  lihat  bahwa  putaran  dan  kebisingan berbanding lurus yaitu semakin tinggi putaran semakin tinggi kebisingan yang dihasilkan.
2. Grafik Kebisingan Vs putaran Pada Jarak 3m
Gambar 4.3. Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 3 meter
Grafik diatas juga menunjukkan hal yang sama dengan grafik sebelumnya, bahwasanya semakin tinggi putaran mesin semakin tinggi pula noise yang di hasilkan.
1. Grafik Kebisingan Vs Putaran Pada Jarak 5 m
Gambar 4.4. Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 5 meter
Pada  jarak  5  meter  kebisingan  turun  secara  drastis,  ini  disebabkan  karena  jarak propeller dengan sound  level  meter yang  cukup  jauh.  Namun  demikian  tetap  putaran  dan kebisingan berbanding lurus.

## 4.2 Noise Contour
Dibawah ini merupakan gambar noise contour yang dihasilkan pada arah Y+, Y-, X+, X-, Z+, Z- dengan variasi putaran 600 rpm, 1200 rpm, dan 1800 rpm.
1. Jarak 1 meter
Gambar 4.5. Noise Contour pada propeller (jarak 1m, 600 rpm)
Gambar 4.5  memperlihatkan  tingkat  kebisingan tertinggi  berada pada sumbu  Y+ (62.3 dB) dan kebisingan paling rendah berada pada sumbu X+ (54.3 dB) dengan 600 rpm. Bentuk noise contour diperlihatkan seperti gambar diatas.
Gambar 4.6. Noise Contour pada propeller (jarak 1m, 1200 rpm)
Gambar 4.7. Noise Contour pada propeller (jarak 1m, 1800 rpm)
Gambar 4.7  memperlihatkan  tingkat  kebisingan tertinggi  berada pada sumbu  Y+ (93.2 dB)  dan  kebisingan  paling  rendah  berada  pada  sumbu  X-  (86  dB)  dengan  kecepatan  1800 rpm. Bentuk noise contour diperlihatkan seperti gambar diatas.
2. Jarak 3 meter
Gambar 4.8. Noise Contour pada propeller (jarak 3 m, 600 rpm)
Gambar 4.8  memperlihatkan  tingkat  kebisingan tertinggi  berada pada sumbu  Y+ (56.4 dB)  dan  kebisingan  paling  rendah  berada  pada  sumbu  X-  (52.5  dB)  dengan  kecepatan  600 rpm. Bentuk noise contour diperlihatkan seperti gambar diatas.
Gambar 4.9. Noise Contour pada propeller (jarak 3 m, 1200 rpm)
Gambar 4.9  memperlihatkan  tingkat  kebisingan tertinggi  berada pada sumbu  Y+ (74.6 dB)  dan  kebisingan  paling  rendah  berada  pada  sumbu  X-  (70  dB)  dengan  kecepatan  1200 rpm. Bentuk noise contour diperlihatkan seperti gambar diatas.
Gambar 4.10. Noise Contour pada  propeller (jarak 3 m, 1800 rpm)
Gambar 4.10 memperlihatkan tingkat kebisingan tertinggi berada pada sumbu Y+ (87.2 dB)  dan  kebisingan  paling  rendah  berada  pada  sumbu  X-  (82.3  dB)  dengan  kecepatan  1800 rpm. Bentuk noise contour diperlihatkan seperti gambar diatas.

## 4.3 Analisa Kebisingan
L w = 10 log 𝑊 𝑊 𝑟𝑒𝑓 (dB)
Diketahui :
W = 10 Hp
= 10 x 745,7 Watt = 7457 Watt W reff = 10 -12
Sehingga :
L w = 10 log ( 7457 / 10 -12 )
= 158,7256 dB
2. Sound Pressure Level (SPL)
𝑆𝑃𝐿 = 𝐿𝑝 = 20 log 𝑝
𝑝 𝑟𝑒𝑓 𝑝 =   𝑝 𝑟𝑒𝑓 𝑥 10 𝐿𝑝 20
Diketahui :
Lp = 62.3 dB (kebisingan yang dihasilkan propeller) p ref = 2 x 10 -5 N/m 2
Sehingga : 62,3 = 20 log 𝑝
2 𝑥 10 −5
𝑝 = 2 𝑥 10 −5 𝑥 10 ( 62.3 20 ) = 0.0261
Dengan  menggunakan    rumus  yang  sama  seperti  diatas  dapat  kita  cari  tekanan  yang dihasilkan pada propeller dan ditabelkan pada tabel 4.4 sebagai berikut:
Tabel 4.4 Tekanan pada prototipe propeller rendah bising.

## 4.4 Analisa Turbulensi Propeller
Analisa  turbulensi propeller menggunakan  software  solid  work  2013  dengan  variasi putaran 600, 1200, 1800 rpm dan jarak 1 meter. Adapun hasil gambar turbulensinya sebagai berikut :
1. Simulasi turbulensi propeller putaran 600 rpm
Gambar 4.11. Kontur energi turbulensi pada propeller (jarak 1 m, 600 rpm) Gambar  4.11  diatas  memperlihatkan  kontur  turbulensi,  terlihat  bahwa  turbulensi  dari propeller dengan  karakteristik  yang  terbelah  dan  mencapai  nilai  maksimum  sekitar  8.095 J/Kg. Turbulensi pada propeller menghasilkan intensitas bunyi sekitar 70.7543 dB.
2. Simulasi turbulensi propeller putaran 1200 rpm
Gambar 4.12. Kontur energi turbulensi pada propeller (jarak 1 m, 1200 rpm)
Gambar  4.12  diatas  memperlihatkan  kontur  turbulensi,  terlihat  bahwa  turbulensi  dari propeller dengan  karakteristik  yang  terbelah  dan  mencapai  nilai  maksimum  sekitar  14.341 J/Kg. Turbulensi pada propeller menghasilkan intensitas bunyi sekitar 87.74404 dB.
3. Simulasi turbulensi propeller putaran 1800 rpm
Gambar 4.13. Kontur energi turbulensi pada propeller (jarak 1 m, 1800 rpm)
Gambar  4.13  diatas  memperlihatkan  kontur  turbulensi,  terlihat  bahwa  turbulensi  dari propeller dengan  karakteristik  yang  terbelah  dan  mencapai  nilai  maksimum  sekitar  22.438 J/Kg. Turbulensi pada propeller menghasilkan intensitas bunyi sekitar 90.29676 dB.

## 4.5 Perbandingan Hasil Kebisingan Eksperimental
Dibawah ini merupakan perbandingan data hasil dari eksperimental dan simulasi antara lain :
Tabel 4.5 Data Hasil Eksperimental dan Simulasi
No N (rpm) Data
Kebisingan Eksperimental
Data Simulasi 1 meter 1 meter 1. 600 63.3 dB 70.7 dB 2. 1200  81.9 dB 87.7 dB 3. 1800  90 dB 90.2 dB
Perbandingan data hasil eksperimental dengan simulasi
Gambar 4.14. Grafik perbandingan eksperimental dan simulasi Gambar 4.14 memperlihatkan bahwa garis untuk data eksperimental dan simulasi jaraknya tidak begitu jauh. Bahkan garis pada putaran 1800 rpm terlihat berimpit. Ini menunjukan hasil
eksperimental  dan  simulasi  menunjukan  hasil  yang  sama.  Semakin  tinggi  putaran  yang dihasilkan maka semakin besar pula kebisingan yang dihasilkan.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan  penelitian  dan  analisa  yang  telah  dilakukan  dan  dilaporkan  pada  bab-bab sebelumnya, maka kesimpulan dari hasil penelitian ini yaitu:
1. Dari  hasil  pengujian  eksperimental  kebisingan  pada propeller maka  dapat  disimpulkan semakin tinggi putaran mesin semakin tinggi pula nilai kebisingan yang di hasilkan.
2. Dari  hasil  pengukuran  dan  perhitungan  dengan  menggunakan  rumus  didapatkan  nilai maximum sound pressure level pada arah (Y+) diputaran 1800 rpm jarak 1 meter dengan nilai 90 dB, tekanannya 0.6325Pa dan nilai sound power level 158,7256 dB. 3. Dari  hasil  simulasi  didapatkan  nilai  energi  turbulensi  terbesar  pada propeller diputaran 1800 rpm dengan  nilai  min 0.008 J/Kg , max 22.438 J/Kg dan intensitas bunyi  90.29676 dB.

## 5.2 Saran
1. Untuk  penelitian  selanjutnya,  sebaiknya  dilakukan  pengujian  aerodinamis  pada  tunnel tertutup  sehingga  didapatkan  hasil  aerodinamika propeller yang  lebih  baik.  Hal  ini bermanfaat untuk mendapatkan aliran fluida udara yang lebih akurat dan spesifik.
2. Penelitian  terhadap propeller rendah  bising  ini  kiranya  dapat  menjadi  acuan  dalam penelitian – penelitian yang sehubungan dengan konsep Low Noise Design selanjutnya.
3. Untuk  penelitian  selanjutnya,  sebaiknya  menggunakan  paduan  material propeller yang berbeda untuk memperoleh redaman kebisingan yang lebih tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]Ardhianto,  Kurniawan.  2011.  Desain  dan  Analisa Propeller pada Unmanned  Aerial Vehicle (UAV) . AAu Journal of Defense Science and Technology.
[2]Bant, RalphD., 1985, Aircraft Powerplants, Fifth Edition, United States of America : McGraw-Hill Book Co.
[3]Barron,Randall F . 2001. Industrial Noise Control and Acoustics. New-York :  Marcel Dekker, Inc.
[4]Graham, J.B. (1991) in Harris, C.M. Handbook of acoustical measurements and noise control .
[5] Http://www.TableOfSoundPressureLevels.htm
[6]Harris, Cyril M.1957. Handbook of Noise Control .