MODUL 5 SONIC VIEWER Dini Suci Lestari, Raymond Tanumiharja, Tugabus Abid Alfarisi, Rachmat Maulana, Aziz Ainun Najib, Wahyu Dwi, Kiagus Aufa, M.Abdurachman Saleh 10210019, 10210078, 10210071, 10210101, 10210048, 10210084, 10210024, 10210060 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email:
[email protected] Asisten: Pradini Rahalintar/10209012 Azka Aulia Nadhira/10209099
Tanggal Praktikum: Minggu, 14 April 2013 Abstrak Pada percobaan kali ini, digunakan sonic viewer untuk mengukur kecepatan rambat gelombang elastic. Perambatan gelombang elastic digunakan untuk mengukur elastisitas bahan. Selain menggunakan gelombang elastic, dapat digunakan pengukuran static namun pada percobaan kali ini, digunakan metode sonic viewer. Sonic viewer dihubungkan dengan osiloskop juga probe transmitter dan receiver. Probe transmitter dan probe receiver diletakkan di antara bahan yang akan yang elastisitasnya akan diukur. Percobaan dilakukan dengan melihat first brake dalam osiloskop. First brake adalah waktu yang dibutuhkan gelombang untuk sampai ke receiver dari transmitter. Ukur first brake untuk transmitter yang ditekan pada bahan dan yang tidak. Bandingkan kedua data yang didapat. Ulangi untuk 4 buah bahan. Lakukan percobaan untuk mengukur Vp dan Vs. Dengan diketahuinya nilai Vp dan Vs, jenis material dapat diketahui dengan mencocokkan data yang didapat dengan referensi. Hasil yang didapat adalah ada beberapa data yang kurang sesuai dengan referensi yang diambil. Kata kunci: first brake, gelombang elastic, sonic viewer, Vp, Vs.
I. Pendahuluan Tujuan dari percobaan kali ini adalah untuk mengolah data yang dari kecepatan rambat gelombang primer dan sekunder, untuk mengetahui prinsip kerja sonic viewer, dan agar dapat merepresentasikan hasil dari pengukuran sonic viewer untuk mengetahui jenis material sample.
Teori elastisitas merupakan teori yang membahas masalah strain yang terjadi pada suatu bahan bila pada bahan tersebut dikenai stress. Dalam masalah ini bahan dikatakan mempunyai sifat elastis jika bahan tersebut meregang bila dikenai stress dan kembali ke keadaan semula bila stress dihilangkan.
Pengetahuan tentang parameter elastic (poisson ratio, modulus Young, Modulus Bulk, tetapan lame, dan modulus kekakuan) suatu batuan sangat penting karena parameterparameter tersebut mencerminkan sifat dari batuan. Penentuan parameter-parameter elastic dapat digolongkan menjadi dua bagian yaitu cara static dan cara kinetic. Pada pengukuran static, partikel-partikel batuan (medium) tidak mengalami pergerakan selama pengukuran. Sedangkan cara kinetic (dinamik) partikelpartikel batuan mengalami pergerakan selama pengukuran. Dalam praktikum ini yang dilakukan adalah cara kinetic, yaitu dengan merambatkan gelombang elastic pada bahan
untuk mengetahui parameter eastik dinamiknya. Batuan memiliki sifat yang berbeda ketika menerima beban. Dua jenis perilaku batun ketika menerima beban adalah plastis dan elastic. Elastic adalah apabila suatu bahan diberi gaya luar, maka bahan tersebut akan kembali pada kondisi awal dan tidak mengalami deformasi fisis.
yaitu stress uniform dan stress diferensial. Stress uniform akan menekan dengan besaran yang sama dari segala arah. Stress diferensial menekan tidak dari tidak dari semua jurusan dengan besaran yang sama. Strain adalah perubahan dimensi benda apabila diberika gaya.
Gambar 3. Gambaran strain
Perubahan vector U akibat benda dikenai stress adalah U(x,y,z) U’(x’,y’,z’) = U +dU. Perubahan vector dU merupakan deformasi yang dialami benda komponen dU dalam arah I adalah (1) Gambar 1. A) Kurva tegangan-reganganuntuk elastic non-linear. B) Kurva tegangan regangan untuk elastic linear, C) kurva regangan waktu untuk perilaku elastic linear dan non linear.
Jika suatu bahan elastic dikenal stress dan strain yang disebabkannya diukur, maka secara umum kurva stress-strain yang dapat terbentuk adalah:
Plastis adalah sifat suatu bahan apabila diberikan suatu gaya, terjadi deformasi fisik pada benda tersebut.
Gambar 4. Kurva stress strain
Gambar 2. A) Kurva tegangan-reganganuntuk plastis. B) Kurva tegangan regangan untuk plastis
Stress didefinisikan sebagai gaya persatuan luas. Terdapat dua jenis stress,
Kurva tersebut dapat dibagi menjadi empat bagian yaitu OA cekung keatas, AB mendekati linear, BC cekung ke bawah dan mencapai maksimum di C, kemudian CD turun. Daerah OB disebut daerah elastis artinya jika stress yang bekerja dihilangkan, bahan kembali ke
keadaan semula tanpa ada deformasi permanen. Daerah BC memberikan deformasi permanen yang kecil sedang daerah CD memberikan daerah deformasi permanen yang besar. Hukum Hooke menerangkan hubungan stress dan strain dalam medium elastic linear yang homogen dan isotropic. (2) Dengan; i=1,2,3 Δ=strain=perubahan volume persatuan volume =stress =Strain =konstanta lame G=modulus geser
Gambar 7. Modulus Young
(4)
Modulus geser adalah rasio antara komponen stress geser dengan strain geser yang berhubungan.
Gambar 8. Modulus geser
Gambar 5. Tekanan uniaxial
Stress uniaksial (tekanan satu sumbu), digunakan untuk uji elastic. Poisson Ratio adalah rasio antara perpanjangan dengan lateral
(5) Modulus Bulk adalah rasio antara tekanan aksial dengan deformasi volume yang dihasilkan. (6) Untuk kasus Uniaksial, dapat diturunkan persamaan dengan hubungan sebagai berikut:
Gambar 6. Poisson ratio
(7) (3) Modulus elastic (young) adalah rasio antara stress normal dengan kontraksi lateral yang disebabkan oleh tekanan.
(8) (9) (10)
(11) (12) Pada percobaan kali ini, diukur kecepatan rambat gelombang Vp dan Vs. yang dapat dirumuskan sebagai berikut: (13) (14) Dari penurunan Vp dan Vs, didapat hubungan seperti: Gambar 9. Bagan kerja sonic viewer
(15) )
Sinyal listrik yang dihasilkan oleh osilator terbagi menuju rangkaian delay dan trigger serta ke rangkaian pembangkit pulsa. Pada rangkaian delay dan trigger dilakukan penyapuan jejak horizontal pada layar osiloskop. Kemudian sinyal listrik dialirkan ke pembangkit pulsayang dikirim lewat transmitter dan diubah oleh transducer menjadi sinyal mekanik yang merambat sebagai gelombang elastic dalam sampel batuan, dan diterima kembali sebagai gelombang listrik setelah melewati transducer receiver. Sinyal dari sampel kemudian dihubungkan dengan penguat vertical pada osiloskop. Sehingga tepat saat sinyal melewati sampel sampai sebagai gelombang mekanik yang terlihat hanya garis horizontal pada layar osiloskop karena pada saat itu tidak ada pulsa listrik yang diterima penguat vertikal tersebut. Dengan cara seperti itu kita dapat mengukur waktu tempuh gelombang elastik dalam sampel.
(16)
(17) (18) (19) (20) (21) Di mana: =porositas batuan =kecepatan gelombang di medium solid (5480.6 m/s) = kecepatan gelombang p di udara sebesar 340 m/s =rapat massa sample padat =rapat massa sample Cara Kerja Sonic Viewer II.
Metode Percobaan Pada percobaan kali ini digunakan metode pengukuran elastisitas batuan dengan menggunakan gelombang elastik yang dihasilkan sonic viewer. Pertama-tama, hubungkan sonic viewer dengan accu sebagai sumber tegangan, osiloskop dan transmitter juga recievernya. Transmitter dan receiver berbeda untuk pengukuran kecepatan rambat
p dan s. maka berhati-hatilah dalam pemasangannya.Kemudian kaliberasi osiloskop yang digunakan. Letakkan first brake di angka 0 untuk mempermudah pembacaan. First brake yaitu waktu yang dibutuhkan oleh gelombang dari transmitter sampai ke recievernya. Kemudian letakkan 4 buah sample satu per satu di antara tramsmitter dan recievernya. Amati perubahan first brake pada osiloskop. Catatan waktu firstbrake masingmasing bahan. Lalu tekan bahan dan catat kembali hasilnya. Ulangi langkah-langkah tersebut untuk keempat buah sample lain.
III. Data dan Pengolahan Pengolahan data dilakukan dengan menghitung nilai konstanta elastisitas tiap sample. Diketahuinya nilai konstanta elastisitas dapat membantu dalam menggolongkan jenis batuan yang digunakan.
massa (kg)
Sampl e1 0.8
Sampl e2 0.54
Sampl e3 0.43
Sample 4 0.31
tinggi (m)
0.097
0.075
0.132
0.055
diameter (m)
0.062
0.06
0.06
0.06
volume 3 (m )
0.0002 92968
0.0003 73371
0.00015 5571
Ditekan
0.06
0.5
0.07
Dilepas
0.07
1
0.1
Ditekan
0.03
0.000 21214 3 0.053 3 0.066 667 0.03
0.4
0.05
Dilepas
0.03
0.03
0.6
0.06
264
785.714 2857
132
550
330
1100
220
916.666 6667
Data
Dimen si
T gel.S (ms) T gel.P (ms)
Ditekan Vs (m/s) Dilepas
Gambar 9. (Kiri) sample 1, (kanan) sample 2.
Ditekan
Vp (m/s)
Dilepas
Pengolahan 1407. 1616.6 12945 66667 6 1124. 1385.7 99437 14286 5 3233.3 2500 33333 3233.3 2500 33333
Vso (m/s)
5480.6
Vu (m/s)
Diteka n
Gambar 10. (Kiri) sample 3, (kanan) sample 4
0.078 85492 2545. 45454 5 2763. 35899 7
340 1.0323 07277
0.26339 4086
1151.6 68197
1992.65 3811
Porositas
0.0459 69442
Rho b
2730.6 7632
Rho padatan
2862.2 5247
Modulus geser
74808 14859
54714 87583
konstanta lame
14961 62971 8
63280 18567
10869 58419
poisson ratio
0.3333 33333
0.268 14760 2
0.3888 88889
35647. 33106 24844 76386
2705.18 3018 167003 6455 668014 58.21 0.02083 3333
Modulus Elastik Modulus Bulk Porositas
Dilepa s
19948 83962 4 19948 83962 4 0.0459 69442
13877 30771 9 99756 76955 0.078 85492 2545. 45454 5 2763. 35899 7
Rho b
2730.6 7632
Rho padatan
2862.2 5247
Modulus Geser
54961 08876
34973 41257
Konstanta lame
18931 04168 4
poisson ratio
0.3875
10276 31121 8 0.373 04234 4
Modulus Elastik Modulus Bulk
15251 70213 1 22595 11426 8
96039 95277 12607 87205 6
30365 82249 56935 9171.7 1.5815 30985
0.32930 0931
1151.6 68197
1992.65 3811
1980.4 07281 34506 616.47 26838 479.48 0.2187 5 84109 877.64 49842 890.46
327048 8058 104655 6179
2971.01 0251 898730 601 699012 689.7 0.21875 219065 5840 129816 6424
Tabel 1. Nilai-nilai konstanta elastisitas
Sample 1 2 3 4
jenis batuan limestone mudstone sands and gravel saturated sand
Tabel 2. Perkiraan jenis material
IV. Pembahasan Dari hasil perhitungan nilai konstanta elastisitas, kita dapat memperkirakan jenis batuan. Pada sample 1, didapatkan batuan jenis limestone. Dengan membanding pada referensi, lime stone memiliki nilai poisson ratio 0.3 juga kecepatan P wave berkisar antara 3000 m/s. Pada sample 2, didapat batuan jenis mudstone dengan nilai poisson ratio 0.15-0.3. Sample 3 merupakan pasir bercampur dengan kerikil. Dicocokkan dengan
nilai Vs yang berkisar antara 100-200 dan Vp berkisar antara 150-350. Selain pencocokan nilai dengan referensi, dilakukan juga pencocokan warna untuk mengidentifikasi jenis material. Dari referensi didapatkan metode dengan penambahan tekanan lebih baik dibandingkan dengan dengan tanpa tekanan. Data yang dihasilkan lebih cocok dengan referensi. Hal ini dapat terjadi karena saat ditekan, permukaan transmitter dan receiver tepat menempel pada permukaan batuan sehingga gelombang elastic tepat menjalar dari permukaan batuan hingga mencapai transmitter di dasar batuan. Sehingga pengukuran lebih akurat. Sedangkan jika tanpa ditekan, gelombang elastic dapat merambat melalui udara yang berada di sela-sela transmitter dan batuan sehingga mengurangi akurasi pengukuran kecepatan rambat gelombang elastic. Pada hasil yang didapat, nilai first brake yang sama terjadi untuk pengukuran gelombang p. Kecepatan rambat udara gelombang p lebih besar dibandingkan kecepatan rambat udara gelombang s. Pada saat penekanan dilakukan pada pengukuran gelombang s, terjadi perubahan karena jarak antara transmitter dan batuan mengecil. Dengan kecepatan yang kecil, perubahan jarak tersebut memberi dampak berbedanya pengukuran ketika ditekan dan tidak. Kemudian gelombang P memiliki kecepatan yang lebih besar daripada gelombang s. Sehingga dengan memperkecil jarak antara transmitter dan batuan tidak berpengaruh banyak dibandingkan dengan jarak yang membatasi transmitter dengan batuan ketika tidak ditekan. Maka nilai yang dihasilkan ketika dilakukan penekanan dan tidak didapatkan hasil yang sama. Pada data terdapat nilai rho b negative. Hal ini disebabkan karena nilai porositas yang lebih dari 1. Porositas didefinisikan sebagai volume rongga dibagi dengan volume keseluruhan batuan. Ketika nilai porositas
lebih dari satu, berarti nilai pori2 dari batuan tersebut lebih besar daripada padatan. Pada sample 3, yaitu pasir, dapat dipahami bahwa volume udara lebih besar dibandingkan dengan volume padatan. Pulse rate pada dasarnya adalah jumlah pulsa yang dikirimkan perdetik. Jumlah pulsa yang dikirimkan perdetik berhubungan dengan jarak yang dapat dicapai dari sonic viewer. Makin banyak pulsa yang akan dikirim, makin jauh pula penjalaran gelombang elastic. Pada percobaan kali ini digunakan pulse rate paling kecil karena ketinggian sample kecil. Terdapat beberapa data yang tidak sesuai dengan referensi. Salah satu hal yang dapat menyebabkan terjadinya kesalahan pengukuran adalah pembacaan first brake pada osiloskop. Selain itu transducer yang kotor dapat mengganggu pengukuran. V. Simpulan Sonic viewer dapat digunakan untuk mengidentifikasi nilai konstanta elastisitas batuan. Dengan diketahuinya nilai konstanta elastisitas batuan, dapat diprediksi jenis batuan yang diamati dengan membandingkannya dengan referensi. Kecepatan rambat gelombang p lebih besar dibandingkan kecepatan rambat s. Data ketika transducer ditekan lebih baik dibandingkan dengan yang tidak untuk gelombang s. Untuk gelombang p, ditekan dan tidak ditekan memberi hasil pengukuran yang sama. Data yang dihasilkan dari tidak selalu sesuai dengan referensi. Kesalahan dapat terjadi ketika membaca first brake dari gelombang elastic di osiloskop. Kesalahan dapat pula terjadi ketika transducer kotor dan tidak dapat membaca dengan baik.
Diperlukan referensi yang lebih spesifik untuk mengetahui jenis material batuan. Porositas dapat bernilai lebih dari satu.
VI. Pustaka [1] http://global.britannica.com/EBchecked/topic/5 05970/rock/80188/Elastic-constants, diakses, Rabu, 17 april 2013, 20.30 [2] http://lmrwww.epfl.ch/en/ensei/Rock_Mechani cs/ENS_080312_EN_JZ_Notes_Chapter_4.pdf diakses, Rabu, 17 april 2013, 20.45 [3] http://www.psihq.com/dlog/33.pdf diakses, Rabu, 17 april 2013, 22.01 [4] http://earthquake.usgs.gov/research/external/r eports/06HQGR0192.pdf, diakses, Rabu, 17 april 2013, 23.17