Upload
vutuyen
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
34
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat
Penelitian ini mulai dilaksanakan pada bulan November 2014 sampai dengan
April 2015. Perancangan sistem, identifikasi kadar air pada kayu jati dan akasia
daun lebar dilaksanakan di Laboratorium Elektronika sedangkan Instrumentasi
dan pengambilan data dilaksanakan di Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika
Fakultas MIPA Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan
Pada penelitian ini, alat-alat yang digunakan sebagai media akuisisi dan
identifikasi kadar air serta pengukuran frekuensi adalah sebagai berikut:
1. Personal Computer (PC)
PC pada penelitian ini digunakan untuk mengolah sinyal agar dapat melihat
hasil frekuensi yang kuantitatif.
2. Palu
Palu digunakan sebagai sumber bunyi.
35
3. Mikrofon
Mikrofon digunakan untuk mendeteksi gelombang bunyi yang dihasilkan oleh
palu untuk diubah menjadi besaran elektris agar dapat diolah oleh komputer.
4. Pre-Amplifier (Penguat Mikrofon)
Penguat Mikrofon digunakan untuk menguatkan sinyal suara yang dihasilkan
oleh palu.
5. Besi penyangga
Besi penyangga digunakan sebagai tempat dudukan kayu dan palu. Besi
penyangga dapat mengurangi redaman gelombang suara dari luar.
6. Tali
Tali pada penelitian ini digunakan sebagai pengikat antara palu dan kayu.
7. Kabel penghubung
Kabel Penghubung digunakan untuk menghubungkan mikrofon ke sound card
PC/ Laptop.
Kemudian untuk bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya:
1. Kayu jati ukuran panjang 1 m dan diameter 7 cm.
2. Kayu akasia ukuran panjang 1m dan diameter 7 cm.
3. Software Matlab, digunakan untuk proses komputasi dan pengolahan sinyal
berdasarkan rumusan dari metode Transformasi Fourier Cepat (Fast Fourier
Transform). Software Matlab yang digunakan dalam penelitian ini adalah
Matlab 7.8.
36
C. Desain Penelitian
Desain penelitian yang dilakukan yaitu seperti gambar 3.1 sebagai berikut.
Gambar 3.1 Setting alat percobaan identifikasi kadar air pada kayu jati dan kayu
Akasia mangium
Keterangan :
(1) Tiang penyanggah palu
(2) Palu
(3) Papan
(4) Tali pengikat palu
(5) Kayu sepanjang 1 m
(6) Mikrofon 1
(7) Mikrofon 2
1
2
3
5
6
9
10
0
4
7 8
H=60
cm L=20
cm
40 cm
70 cm
11
12
37
(8) Mikrofon 3
(9) Penyanggah besi
(10) Papan penyanggah besi
(11) Preamplifier
(12) Laptop
Prinsip kerja peneitian ini adalah mikrofon dipasang pada ujung kayu. palu
dijatuhkan di atas kayu pada ketinggian 15 cm di atas kayu dan dijatuhkan. Benturan
palu pada ujung kayu akan menghasilkan gelombang suara (akustik) sepanjang
batang kayu. Mikrofon yang telah dipasang pada batang kayu akan merekam
gelombang suara tersebut. Kemudian gelombang suara yang telah ditangkap oleh
mikrofon akan dikuatkan oleh preamplifier sehingga suara dapat diterima oleh
soundcard laptop. Gelombang suara yang masuk ke laptop kemudian akan
diolah/dianalisis untuk diketahui perbedaan frekuensi dominan terhadap kadar air
kayu menggunakan FFT.
Diagram alir penelitian seperti ditunjukkan pada Gambar 3.2
38
Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian
D. Rangkaian Pre-Amplifier Mikrofon
Pre-amplifier mikrofon adalah penguat yang bekerja pada mikrofon yang berfungsi
memperkuat sinyal listrik yang berasal dari mikrofon. Pre-amplifier mikrofon
mempengaruhi kualitas suara rekaman seperti mikrofon itu sendiri. Gambar 3.3
adalah rangkaian pre-amp mikrofon yang menggunakan dua transistor.
Mulai
Menjatuhkan palu pada kayu dengan
ketinggian konstan
Setting alat untuk merekam suara
Terjadi benturan dan
menimbulkan suara
Suara ditangkap oleh
mikrofon
Dikuatkan pre-amp
Diterima oleh PC
Selesai
Pengolahan Data
Pembuatan Laporan
39
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.3 Rangkaian penguat transistor bias pembagi tegangan dua tingkat (a),
rangkaian ekivalen AC (b dan c)
40
Rangkaian pre amplifier mikrofon atau pre-amp mic ini digunakan sebagai penguat
depan untuk mikrofon kondenser. Rangkaian penguat di atas merupakan rangkaian
penguat pre-amplifier mikrofon yang digunakan untuk menguatkan sinyal input yang
berasal dari mikrofon sebelum masuk ke sound card PC. Rangkaian Pre-amplifier
mikrofon ini menggunakan dua transistor 2N3904 yang dirangkai sebagai penguat
transistor dua tingkat common emitor dengan tanggap frekuensi respon 20 – 4000
Hz. Rangkaian Pre-amplifier mikrofon di atas didesain untuk mikrofon jenis elektret
atau mikrofon condenser. Masukan sinyal dari kaki basis terhubung dengan sebuah
kapasitor sebesar 100 yang berguna sebagai kopling, yaitu untuk menahan
frekuensi dc yang berasal dari sumber tegangan dan meloloskan frekuensi ac dari
mikrofon. Pada Gambar 3.3 (c) tegangan masukan basis pada rangkaian penguat
tingkat pertama dapat dihitung dengan persamaan berikut ini.
(3.1)
Vin adalah tegangan masukan pada mikrofon dengan sebagai hambatan mikrofon.
Besarnya impedansi masukan ( ( )) pada tingkat pertama dihitung dengan
persamaan berikut.
( ) (3.2)
r'e adalah hambatan emitor pada mode AC untuk penguat pertama besarnya dapat
dihitung dengan persamaan 3.3
=
(3.3)
Vbe merupakan tegangan basis emitor dengan nilai pendekatan sebesar 25 mV
sedangkan ie adalah arus emitor pada mode AC. Besar penguatan tegangan pada
41
transistor tingkat pertama dapat dihitung menggunakan persamaan 2.21 sebagai
berikut.
(3.4)
Dengan
Tegangan yang keluar dari rangkaian penguat tingkat pertama menjadi masukan
tegangan pada penguat tingkat kedua. Tegangan AC yang masuk ke kaki basis 2
( ) dapat dihitung dengan persamaan 3.5 sebagai berikut.
(3.5)
Besarnya impedansi masukan ( ( )) pada tingkat kedua dihitung dengan
persamaan berikut.
( ) (3.6)
Besar penguatan tegangan pada transistor tingkat kedua ( ) dapat dihitung dengan
persamaan 3.7.
(3.7)
dengan //
setelah diperoleh dan , total penguatan tegangan dapat dihitung
menggunakan persamaan berikut (Malvino, 2003).
(3.8)
Dari persamaan 3.8 diatas kita dapat memperoleh Vout menggunakan persamaan 3.9.
(3.9)
42
Rangkaian di atas juga dilengkapi dengan low pass filter yang dirancang
menggunakan resistor dan kapasitor. Besar frekuensi cut off dihitung dengan
persamaan berikut.
(3.10)
dengan: R= Hambatan yang terhubung ke output
C= Kapasitor filter
fc= Frekuensi cut off
Resistor sebesar 4,6 Ohm dan kapasitor sebesar 3,5 nF digunakan sebagai low pass
filter dengan frekuensi cut off sebesar 4000 Hz. Pemilihan frekuensi cut off sebesar
4000 Hz didasarkan pada frekuensi gelombang akustik maksimal yang diperoleh
sebesar 2000 Hz. Kemudian dari output pre-amplifier ini akan dikuatkan lagi oleh
sound card PC/laptop.
43
E. Prosedur Percobaan
Pada penelitian ini, dilakukan percobaan identifikasi tingkat kadar air pada kayu
berdasarkan spektroskopi gelombang akustik untuk diketahui frekuensi dominan
gelombang suara terhadap kadar air kayu. Kemudian membandingkannya dengan
persentase kadar air kayu yang diperoleh. Proses identifikasi persentase kadar air
kayu adalah:
1. cuplik kayu (gelondongan) yang akan diukur kadar airnya.
2. timbang massa kayu basah sebagai m1.
3. masukkan kayu ke dalam oven selama setengah jam.
4. timbang massa kayu yang telah dioven sebagai m2.
5. ulangi proses 3-4 sampai kayu memiliki massa yang tetap (mx).
6. ulangi proses 1-5 untuk kayu yang sama tetapi lain hari.
Persentase kadar air:
(3.12)
dengan:
Ka = Persentasi kadar air pada kayu (%);
= Massa basah kayu (kg);
= Massa kering kayu oven (kg).
44
Sedangkan prosedur penelitian spektroskopi gelombang akustik untuk identifikasi
tingkat kadar air kayu adalah:
1. palu diikat pada ketinggian 15 cm di atas kayu.
2. palu dijatukan pada kayu sehingga terjadi benturan (sumber gelombang bunyi).
3. bunyi merambat di sepanjang batang kayu.
4. bunyi dideteksi menggunakan mikrofon.
5. bunyi direkam melalui sound card laptop.
6. gelombang bunyi ditampilkan dalam fungsi waktu.
7. sinyal gelombang bunyi dianalisis/diolah menggunakan FFT (Fast Fourier
Transform) untuk mengetahui spectrum frekuensi bunyi.
8. ulangi proses 1-7 untuk kayu yang sama tetapi posisi mikrofon diubah ke 2 dan 3
(lihat gambar 3.2).
9. ulangi proses 1-8 untuk kayu yang sama tetapi lain hari.
Blok diagram kinerja alat ditunjukkan Gambar 3.4
Mikrofon
Gambar 3.5 Diagram blok percobaan
Gambar 3.4 terlihat proses perambatan gelombang yang telah direkam oleh mikrofon
dikuatjan dengan pre-amplifier dan dihubungkan pada sound card laptop.
Pre-amp Sound card
laptop/komputer
45
F. Rancangan Data Hasil Pengukuran
Pada penelitian ini, informasi yang akan didapatkan berupa spektrum frekuensi
gelombang suara kadar air kayu yang dilakukan dengan beberapa pengulangan
selama 15 hari. Untuk mengetahui perbedaan frekuensi dominan gelombang suara
terhadap kadar air kayu, terdapat beberapa informasi pendukung yang akan dicari
akustik spektroskopi identifikasi kadar air pada kayu ini sesuai dengan Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Data penelitian yang akan didapatkan
No Jenis
Kayu
Posisi
Mikrofon
Persentase kadar air kayu
pada hari ke-
Frekuensi dominan
gelombang suara terhadap
pada hari ke-
1 5 10 15 1 5 10 15
1. Jati 1
2
3
2. Sengon 1
2
3
Dari Tabel 3.1, jenis kayu yang digunakan dalam pengujian ada 2 yaitu jati dan
akasia. Masing-masing kayu digunakan 3 perlakuan, yakni pada hari ke-1 adalah hari
pemotongan kayu dari pohonnya, hari ke-5, hari ke-10, dan hari ke-15. Setelah proses
46
pengujian diperoleh hasil frekeuensi gelombang suara kadar air yang terkandung
dalam kayu-kayu tersebut. Semua informasi inilah yang kemudian digunakan untuk
mengetahui perbandingan frekuensi dominan terhadap kadar air kayu.
G. Pemilihan Kayu
Kayu terdiri dari beberapa bagian, yaitu bagian pangkal, batang atas dan ranting.
Ranting biasanya digunakan sebagai bahan kayu bakar, sedangkan untuk bahan
bangunan atau furniture menggunakan kayu bagian pangkal dan batang atas (bebas
cabang). Kayu bagian pangkal lebih sering digunakan sebagai bahan bangunan,
karena ukurannya yang lebih besar dibandingkan dengan kayu bagian yang lain.
Selain itu bagian pangkal juga memiliki kandungan air paling banyak karena letaknya
yang dekat dengan akar. Pada penelitian ini, kayu yang digunakan adalah kayu
gelondongan bulat bagian pangkal dengan diameter 10 cm dan panjang 1 m. Kayu
gelondongan adalah kayu yang masih utuh seperti ketika dipotong dari pohonnya
(belum dipotong dan dibelah secara vertikal dari aslinya). Kayu bagian pangkal
adalah yang paling baik untuk pertukangan. Kayu gelondongan yang digunakan
dikupas kulitnya, agar dapat menguapkan kadar air yang terkandung dalam kayu
tersebut sehingga kadar air akan cepat kering. Air dalam kayu akan bergerak dari
daerah yang berkelembaban tinggi (sebelah dalam) ke daerah yang berkelembaban
lebih rendah (permukaan). Dengan demikian, maka kayu akan mengering dari bagian
luar ke dalam atau dengan kata lain permukaan kayu akan lebih cepat kering daripada
bagian dalamnya. Sehingga kayu gelondongan yang telah dikupas kulitnya lebih baik
47
digunakan dalam penelitian karena dapat membantu mengurangi pengeringan kadar
air. Jenis kayu yang digunakan dalam penelitian ini ada dua yaitu kayu jati dan kayu
akasia daun lebar (acacia mangium).
Gambar 3.6. Kayu gelondongan sepanjang 1 m
H. Lokasi Pengambilan Kayu
Kayu jati dan kayu akasia daun lebar diambil dari Natar, Kabupaten Lampung
Selatan, Provinsi Lampung. Sampel pohon sebanyak satu pohon pada masing-
masing jenis kayu berdiameter 10 cm dengan tinggi 1 meter. Sampel diambil pada
posisi ketinggian 1,5 m pada bagian pangkal. Penebangan kayu jati dan kayu akasia
daun lebar dilakukan pada tanggal 13 Desember 2014 pada pukul 07.00-08.00 WIB.
48
Kayu yang telah ditebang sepanjang 1,5 m dikupas kulitnya dan dipotong menjadi
dua bagian yaitu 1 m dan 50 cm. Kayu sepanjang 1 m digunakan untuk penelitian
frekuensi kadar air pada kayu menggunakan program FFT. Sedangkan kayu
sepanjang 50 cm digunakan untuk sampel pengambilan tingkat kadar air pada kayu
yang masing-masing dilakukan empat kali perlakuan dengan pengambilan data lima
hari sekali selama 15 hari.
I. Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Perancangan perangkat lunak (software) dalam penelitian ini dilakukan menggunakan
bahasa pemrograman Matlab 7.8. Program dari alat ini terdiri dari dua pengolahan
yaitu perekaman suara, dan pengolahan sinyal suara menjadi frekuensi menggunakan
program Fast Fourier Transform (FFT). Diagram alir perancangan perangkat lunak
dalam penelitian ini adalah Gambar 3.7 berikut.
49
Gambar 3.7 Diagram alir perancangan perangkat lunak
Perancangan software dimulai dari proses perekaman suara. Perekaman suara ini
berfungsi untuk mengambil gelombang suara yang telah ditangkap oleh mikrofon.
Suara yang telah didapatkan kemudian akan dirunning dan diproses melalui proses
pengolahan data mulai dari proses memanggil data rekaman, program FFT (Fast
Fourier Transform), dan running kembali. Proses memanggil rekaman ini akan
mengubah suara menjadi frekuensi, yang kemudian diolah melalui program FFT
(Fast Fourier Transform). Setelah itu running kembali sebagai program FFT.
Selesai
Mulai
Panggil data rekaman
Program FFT (Fast
Fourier Transform)
Suara diolah
menggunakan FFT
Suara berubah menjadi
frekuensi
Grafik
Perekaman suara
Simpan hasil suara