TRANSDUSER MAGNETOSTRIKTIF DAN

PIEZOELEKTRIK

Transduser

Transduser merupakan alat yang dapat mengubah suatu bentuk besaran energi ke

bentuk besaran energi yang lain. Umumnya transduser bekerja mengubah energi listrik

menjadi mekanik atau mengubah besaran bukan listrik (seperti temperatur, bunyi dan cahaya)

akan menjadi suatu sinyal listrik. Transduser ultrasonik terdiri dari dua buah kristal

piezoelectric yang digunakan sebagai pemancar serta penerima dari gelombang ultrasonik

(Burczynki, 1982).

Secara umum ada dua macam transduser yang digunakan dalam proses

ultrasonik machining yaitu transduser magnetorestrictive dan transduser piezoelectric.

Transduser Magnetostrictive

Transduser ultrasonik tipe magnetorestrictive bekerja dengan memanfaatkan

prinsip magnetisasi. Gambar 1. menunjukan prinsip kerja dari transduser ultrasonic

tipe magnetorestrictive.

Gambar 1. Prinsip kerja transducers ultrasonic tipe magnetorestrictive

(Kanegsberg, B. & Kanegsberg, E., 2011)

Transduser magnetostriktif terdiri dari sebagian besar bahan nikel (atau

material magnetostriktif lainnya) lempengan logam paralel dengan salah satu ujung

dari masing-masing terpasang lempengan logam ke bagian permukaan untuk bergetar.

1

Sebuah kumparan kawat ditempatkan sekitar bahan magnetostriktif. Ketika aliran arus

listrik disuplai melalui kumparan kawat, terjadi medan magnet (seperti jaringan listrik

tegangan tinggi). Medan magnet ini menyebabkan material magnetostriktif

memendek atau memanjang, dengan demikian transduser magnetostriktif

menghasilkan gelombang ultrasonik yang dihantarkan ke horn/sonotrode pada proses

ultrasonic machining.

Gambar 2. Tranduser magnetostriktif

(Kaczmarek, 1976)

Transduser magnetostriktif memanfaatkan prinsip magnetostriksi di mana

bahan-bahan tertentu akan memanjang dan memendek di dalam medan magnet

bolak-balik. Energi listrik bolak balik dari generator ultrasonik pertama-tama diubah

menjadi bolak medan magnet melalui penggunaan kumparan kawat. Medan magnet

bolak-balik kemudian digunakan untuk menginduksi getaran mekanis pada frekuensi

ultrasonik dalam strip resonansi nikel atau material magnetostrictive lainnya yang

melekat pada permukaan yang akan bergetar. Karena bahan magnetostrictive

berperilaku identik dengan medan magnet polaritas bolak-balik, frekuensi energi

listrik diterapkan untuk transduser adalah 1/2 frekuensi output yang diinginkan.

Transduser magnetostriktif pertama memasok sumber getaran ultrasonik yang kuat

untuk aplikasi listrik tinggi seperti aplikasi ultrasonik pembersih. Karena kendala

2

mekanik yang melekat pada ukuran fisik dari perangkat keras serta komplikasi listrik

dan magnetik, transduser daya tinggi magnetostrictive tidak mampu beroperasi

frekuensi di atas 20 kHz.

Transduser piezoelektrik, di sisi lain, dapat dengan mudah beroperasi dengan

baik berkisar MHz. Magnetostriktif transduser umumnya kurang efisien daripada

piezoelektrik. Hal ini terutama disebabkan bahwa transduser magnetostriktif

memerlukan konversi energi ganda dari listrik ke magnet dan kemudian dari magnetik

untuk mekanik. Sehingga menyebabkan beberapa efisiensi hilang dalam setiap

konversinya. pengaruh histeresis magnetik juga mengurangi efisiensi dari transduser

magnetostriktif.

Tranduser Piezoelektrik

Transduser tipe kedua adalah tipe piezoelectric yang mampu mengatasi

kekurangan-kekurangan pada transduser tipe magnetorestrictive. Berikut adalah

perbandingan antara transduser magnetostriktif dan transduser piezoelektrik.

Tabel 2.2. Perbandingan antara magnetostiktif dan piezoelekrik transduser

Magnetostriktif Tranduser Piezoelektrik Tranduser

1. Efisiensi keseluruhan untuk

mengkonversi/ mengubah energi

listrik menjadi energi mekanik

rendah dan dalam beberapa kasus

hanya 50-60%.

1. Efisiensi tranduser di mana

sebagian besar energi listrik

dikonversi/diubah menjadi energi

mekanik dan efisiensi secara

keseluruhan dapat mencapai

hingga 90%

2. Tranduser ini berukuran besar

yang mungkin memerlukan

2. Tranduser ini relatif kecil dan

ringan yang tidak memerlukan

3

metode pendinginan khusus untuk

menjaga komponen dalam

temperatur operasi yang dapat

diterima

pendinginan yang signifikan.

Dapat diandalkan untuk operasi

jangka panjang.

3. Membutuhkan komponen

elektronik yang mahal dan besar

yang mampu menahan temperatur

operasi yang tinggi.

3. Stabil pada berbagai temperatur,

tetapi dapat dipengaruhi oleh

penggunaan lama pada temperatur

tinggi.

4. Dipengaruhi oleh medan

elektromagnetik sekitarnya yang

membatasi penggunaannya untuk

lingkungan tersebut.

4. Tidak terpengaruh oleh medan

elektromagnetik eksternal.

5. Membutuhkan tempat generator

yang besar yang dapat membatasi

fleksibilitas penggunaan untuk

banyak aplikasi.

5. Sederhana, dapat diandalkan, dan

sangat kuat. Dapat digunakan

dalam berbagai bidang aplikasi

industri, obat-obatan, dan

kedirgantaraan.

6. Tipe frekuensi operasi kurang dari

30kHz yang membatasi

penggunaan dalam aplikasi

frekuensi tinggi.

6. Dapat dirancang untuk berbagai

frekuensi berdasarkan persyaratan

aplikasi.

(Al-Budairi, 2012)

Pada tahun 1880 Curie bersaudara (Pierre dan Jacques Curie) menemukan

efek piezoelectrik langsung (direct piezoelectric effect) pada kristal kuarsa tunggal.

Dibawah tekanan, kuarsa menghasilkan muatan listrik/tegangan dari kuarsa atau

4

material lain. Kata “piezo” berasal dari bahasa Yunani yang artinya “tekanan”; oleh

karena itu arti asli dari kata piezoelectricity adalah “tekanan listrik”. Material

menunjukkan fenomena sebaliknya memiliki regangan geometris yang sebanding

dengan medan listrik yang diterapkan. Hal ini disebut dengan efek piezoelektrik

terbalik (inverse piezoelectric effect), ditemukan oleh Gabriel Lippmann pada tahun

1881 (Uchino, 2010). Contoh-contoh bahan piezoelektrik antara lain : Kristal kuarsa

(SiO), Amonium Dihidrogen Fhosphat (ADF), Tourmalin, Lithium Sulfate (LH),

Lead Zirconate Titanate (PZT), dan lain-lain.

Gambar 3. Efek piezoelektrik langsung (atas) dan efek piezoelektrik terbalik (bawah)

(Kumar, 2013)

Gambar 3. menunjukan efek piezoelektrik dari material, yang digunakan

sebagai dasar dari transducers tipe piezoelectric. Gambar (a) ketika tidak ada gaya

yang diberikan, Gambar (b) ketika material diberi gaya tarik, material menghasilkan

tegangan listrik, Gambar (c) ketika material diberi gaya tekan, material menghasilkan

tegangan listrik yang berlawanan, Gambar (d) ketika material tidak diberi tegangan

listrik, Gambar (e) ketika material diberi tegangan listrik, material memanjang,

Gambar (f) ketika material diberi tegangan listrik yang berlawanan, material

memendek.

5

(b) (c)

(d) (e) (f)

(a)

Inti dari sebuah transduser piezoelektrik adalah lempeng tunggal atau ganda

material keramik piezoelektrik, biasanya material Timbal Zirkonat Titanat (PZT),

terjepit di antara elektroda yang terdapat sumber titik untuk kontak listrik. Perakitan

keramik dikompresi antara blok logam (satu aluminium dan satu baja) untuk

mengetahui kompresi dengan kekuatan tinggi. Ketika tegangan dialirkan di seluruh

keramik melalui elektroda, material keramik piezoelektrik akan mengalami perubahan

bentuk memanjang atau memendek (tergantung pada polaritas) karena perubahan kisi

strukturnya. Dengan ini perubahan bentuk material keramik piezoelektrik

menyebabkan gelombang suara untuk menyebarkan ke tool holder/ horn.

Transduser piezoelektrik mengkonversi energi listrik bolak-balik secara

langsung menjadi energi mekanik melalui penggunaan efek piezoelektrik di mana

material tertentu berubah dimensi ketika energi listrik pada frekuensi ultrasonik

dipasok ke transduser oleh ultrasonik generator. Energi listrik diaplikasikan pada

transduser elemen piezoelektrik yang bergetar. Getaran ini diperkuat oleh massa

resonansi transduser dan diarahkan ke tool holder/ horn melalui lempengan material

piezoelektrik.

Gambar 4. Tranduser piezoelektrik

(Al-Budairi, 2012)

6

DAFTAR PUSTAKA

Sukarno., 2010, Ultrasonik Generator Dengan Frekuensi Maksimum 100 kHz Dan

Daya 100 Watt Berbasis Mikrokontroler AVR ATTINY2313, Tesis, Fakultas

Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Magister Fisika, Universitas

Indonesia.

Sutrisno, T., 2011, Studi Karakteristik Tranduser Ultrasonik Berbahan Piezoelektrik

dan Rangkaian Amplifier Switching Terhadap Perubahan Amplitudo dan

Frekuensi 1 kHz-20 kHz, Skripsi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam, Program Studi Fisika, Universitas Indonesia.

7