Teknologi Emisi Akustika

TF-3204 Akustik
Nama: RD. Darajat BEG
NIM: 13306033
Dosen: IGN Merthayasa
(diajukan untuk memenuhi salah satu tugas matakuliah TF-3204 Akustik)
Blog ini adalah blog perbaikan dari versi sebelumnya

Teknologi Emisi Akustika

Emisi Akustika didefinisikan sebagai gelombang transien elastik yang dibangkitkan oleh suatu pelepasan banyak sekali (rapid) energi di dalam suatu material ketika terjadi propagasi keretakan dan deformasi internal di dalam suatu material/bahan.
Emisi akustika digunakan untuk pengujian emisi. Uji Emisi Akustika dapat didefiniskan sebagai uji coba yang tidak merusak (Non-Destructive Testing, NDT), yang secara pasif mendengarkan gelombang suara yang dihasilkan oleh stress (tekanan) di dalam suatu material.)
Dengan demikian, seolah-olah suatu bahan material dapat “berbicara/mengeluh” apabila mereka memiliki masalah internal, seperti adanya pertumbuhan defek(cacat), perkembangan keretakan, dan kerusakan-kerusakan internal lainnya yang diakibatkan oleh stress (tekanan).
Gelombang suara yang terjadi yang berasal dari material dideteksi, lalu diubah oleh transducer piezoelektrik menjadi variable voltase (volt). Lalu, dengan peralatan yang terkomputerisasi, fungsi tegangan terhadap waktu dapat diketahui (V(t)).

Jadi, dengan menggunakan emisi akustik, kerusakan skala kecil suatu material dapat dideteksi sedini mungkin untuk mencegah kemungkinan-kemungkinan berbahaya yang dapat muncul di kemudian hari. Selain itu, dengan adanya emisi akustik, dapat dilakukan Uji Tak Merusak terhadap suatu bahan untuk menemukan cacat-cacat di saat bahan tersebut sedang digunakan.
Dengan demikian, dengan adanya pengetahuan mengenai emisi akustika dari suatu material, penelitian dan pengembangan di bidang material akan semakin berkembang.
Teknologi Emisi Akustika dapat diaplikasikan di bidang Sipil, Antariksa, Komposit, dan Kedokteran

Aplikasi Teknologi Emisi Akustika
Aplikasi dari prisip emisi akustika antara lain:
1. Pengujian perilaku material, yang meliputi:
- Propagasi keretakan
- korosi
- korosi akibat stress ( tegangan)
- yielding
2. Pengujian tak merusak saat proses manufaktur, yang meliputi:
- Fabrikasi
- Proses deformasi
- Memantau proses pematrian
- Deteksi cacat pada material (seperti pori-pori, dll)
- Transformasi fasa pada logam dan alloy
- Pemrosesan material

3. Memantau struktur, yang meliputi:
- Memonitor secara kontinu
- Pengujian secara periodik
- Deteksi kebocoran
- Pendeteksian bagian-bagian yang terlepas

4. Keperluan lainnya, seperti:
- Di bidang elektronika: untuk mendeteksi partikel-partikel yang hilang dari sebuah komponen elektronika
- Di bidang penerbangan dan astronotika: pengujian kekuatan terhadap keretakan, korosi, dan struktur

Kelebihan Pengujian Dengan EMISI AKUSTIKA
- Dapat memantau struktur secara menyeluruh dari sedikit lokasi , walaupun struktur tersebut sedang digunakan
- Dapat memberikan indikasi langsung perilaku dan respons material
- Sensitivitas tinggi
- Memberikan informasi dengan sangat cepat
- Pemantauan dapat dilakukan tanpa henti
- Dapat menentukan tempat terjadinya kerusakan di dalam struktur
- Tidak membutuhkan scan permukaan struktur secara menyeluruh

Kekurangan EMISI AKUSTIKA
- Membutuhkan stimulus/perangsangan
- Sinyal EMISI AKUSTIKA sangat lemah, dibandingkan dengan nois-nya
- Memerlukan pengolahan sinyal dan analisis domain frekuensi untuk memisahkan sinyal EMISI AKUSTIKA dari noisnya
- Hanya bisa secara kualitatif dalam memperkirakan kerusakan
- Masih membutuhkan uji tak merusak lainnya untuk dapat menentukan informasi yang kuantitatif

Perbedaan Uji Tak Merusak EMISI AKUSTIKA Dengan yang Lainnya
EMISI AKUSTIKA mendeteksi aktivitas di dalam suatu material. Sedangkan jenis uji tak merusak lainnya (missal dengan ultrasonic) hanya menguji struktur dalam suatu material dengan mengirimkan dan menerima beberapa bentuk energi.

Tipe-tipe Emisi Akustika

Terdapat tipe kontinu dan tipe ledakan.
Perbedaan keduanya adalah jenis sinyalnya.
Tipe Kontinu: Bentuk gelombang-nya nois random Gaussian, tetapi amplitudonya berubah-ubah terhadap aktivitas emisi akustik.
Tipe Ledakan (burst): sinyal-sinyalnya berupa impuls berdurasi pendek yang diakibatkan oleh pembebasan energi strain (tegangan) yang amplitude-nya tinggi
Contoh Kasus dalam Logam dan Alloy: EMISI AKUSTIKA kontinu diakibatkan oleh perpindahan-perpindahan dislokasi, sedangkan sinyal EMISI AKUSTIKA tipe ledakan diakibatkan oleh bertambahnya keretakan

Parameter-parameter Pengukuran EMISI AKUSTIKA
AE Burst, threshold, perhitungan ring down, perhitungan kumulatif, durasi kejadian, amplitude puncak, rise time, energi, voltase rms.

Mekanisme Pelacakan Sinyal AE dengan Satu Sensor
- Pertama, sensor/waveguide dikalibrasi terhadap respons frekuensi dan sensitivitas
- Kedua, sensor digunakan untuk mendeteksi sinyal-sinyal EMISI AKUSTIKA, lalu didapatkanlah data-data
- Ketiga, mengkorelasikan data-data parameter tadi terhadap gejala pembentukan cacat dan kerusakan

Mekanisme Pelacakan Sinyal AE Menggunakan Lebih dari Satu Sensor
- Pertama, Sumber EMISI AKUSTIKA dapat ditentukan dengan cara waktu datang sinyal di setiap sensor.
- Kedua, Dengan metoda triangulasi, sumber EMISI AKUSTIKA dapat dilacak

Sistem dan Instrumentasi untuk mengukur EMISI AKUSTIKA
- Sistem bersaluran banyak (multichannel)
- Sensor, Pre-Amplifier, dan Repeater
- Sistem Hand-held
- Instrumen khusus

Sensor, Pre-Amplifier, dan Repeater
Sensor bisa mendengarkan struktur di dalam material untuk mendeteksi sinyal Emisi Akustika. Sensor yang biasa digunakan untuk pengukuran sinyal Emisi Aksutika adalah tipe piezoelektrik. Sebelum digunakan, sensor ini harus dikalibrasi terlebih dahulu.

Macam-macam sensor Emisi Akustika resonan yang sering digunakan di lapangan
- Sensor wideband
- Sensor tekanan hidrostatik tinggi
- Sensor Resistansi Radiasi Nukir
- Sensor Miniatur
- Sensor Airborne
- Sensor pre-Amplifier integral emisi akustika
- Sensor aperture variable
- Rolling Sensor

Instrumentasi
Pada sistem EMISI AKUSTIKA ini, emisi yang terdeteksi harus dimaplifikasi 1000 sampai 100 ribu kali lipat. Setelah itu, sinyal yang telah diamplifikasi ini difilter sedemikian sehingga background noise yang berfrekuensi rendah dapat dihilangkan. Kemudian, sinyal yang didapat diproses atau direkam pada suatu tape magnetik atau disk. Data dalam disk ini akan digunakan untuk analisis selanjutnya.
Pada gambar instrumentasi EMISI AKUSTIKA di samping, ketujuh sensor adalah piezoelektrik yang ditempelkan ke pembuluh pada lokasi yang ditentukan sedemikan sehingga dapat memberikan informasi pembuluh tersebut secara keseluruhan. Pada gambar juga sebenarnya terdapat osiloskop sinar katoda yang berfungsi untuk memantau secara visual. Dan juga terdapat “pembungkus ledakan” yang diamplifikasi yang kemudian disambungkan ke loudspeaker untuk memantau secara audio. Pemantauan secara audio-visual akan memudahkan untuk mendeteksi kerusakan pertama yang mungkin terjadi pada pembuluh tersebut.

Software yang digunakan dalam pengukuran EMISI AKUSTIK

- NOESIS
Merupakan software yang fokus utamanya adalah untuk memvisualisasi data dan melakukan operasi matematika/manipulasi data. Selain itu, software ini dapat digunakan untuk mengklasifikasi data. Dengan software ini, kita dapat fitur untuk memanipulasi bentuk gelombang, seperti fitur FFT, san spectrum daya. Software ini dikembangkan oleh Envirocoustics S.A. di Yunani.

- AEwinPost

Merupakan software untuk pemrosesan selanjutnya terhadap data Emisi Akustika. Software ini tetap sesuai untuk data-data yang sudah sangat lama. Dengan AEwinPost, kita dapat melihat data secara grafis, plot, ataupun secara tabular. Data yang diproses di AEwinPost dapat diubah formatnya sedemikian sehingga dapat dibuka dengan menggunakan Noesis. Fokus utama software ini adalah manipulasi data dan memfilter. Software ini dikembangkan oleh Envirocoustics S.A. di Yunani.


- LPMS (Loose Parts Monitoring Equipement)
Dengan menggunakan LPMS, kita dapat memantau, mendeteksi, dan mengevaluasi bagian-bagian logam yang hilang atau terlepas pada suatu sistem reaktor. Metoda yang digunakan adalah Analisis Sinyal Akustik Transien. Sensor yang cocok untuk software ini adalah tipe aselereometer.
Mekanisme pelacakan bagian yang hilang dengan software ini:
· Pertama, sensor-sensor ditempelkaan pada pipa atau pembuluh suatu sistem di lokasi yang diyakini mengalami bagian yang lepas/hilang.
· Kedua, Sensor mendeteksi mendeteksi tumbukan dengan bagian yang terlepas pada pipa atau pembuluh yang sebelumnya mereka menempel pada pipa/pembuluh tersebut.
· Ketiga, sensor mendeteksi vibrasi mekanik berpropagasi di titik tumbukan tadi
· Keempat, Sinyal mekanik tadi dikonversikan menjadi sinyal elektrik
· Kelima, Sinyal Elektrik tersebut diamplifikasi
· Keenam, Sinyal yang telah diamplifikasi lalu diproses oleh software LPMS dan direkam oleh Data Acquisition Computer (DAC)
LPMS dapat member sinyal kepada operator dan control room apabila sudah mulai terdeteksi adanya bagian yang terlepas. Software ini mempermudah operator untuk menganalisis transien, dan membedakan antara sinyal yang dikehendaki dengan sinyal nois.
Software ini dikembangkan oleh Envirocoustics S.A. di Yunani.


Contoh Aplikasi: Pengujian Pembuluh Tekanan di Industri

Tujuan pengujian pembuluh tekanan adalah untuk menentukan integritas pembuluh tekanan logam, bola logam, kolom logam dan tangki.

Pengujian pembuluh tekanan dapat dilakukan pada saat :
- Uji hidro untuk pertama kali untuk suatu pembuluh tekanan yang baru
- Uji hidro pengkualifikasian kembali pembuluh tekanan yang sudah digunakan
Alat alat yang digunakan adalah Sistem Emisi Akustik MultiChannel (bersaluran banyak) dan sensor-sensor.Prinsip kerja alat: mendeteksi sinyal-sinyal berfrekuensi tinggi yang berasal dari kerusakan struktur dimana kerusakan ini disebabkan oleh suatu tekanan (stress). Sinyal tekanan tadi berasal dari pertumbuhan keretakan, dari tempat dimana beban berlebih, dan dari dekohosi (berlepasan) hasil-hasil korosi.Metoda yang digunakan adalah pengkodean warna untuk emisi. Keuntungan menggunakan metoda AE untuk Pengujian Pembuluh Tekanan di Industri adalah Waktu yang sedikit dan biaya inspeksi yang ringan karena informasi mengenai kondisi plan sangat mudah

Contoh Aplikasi 2: Pengujian Lantai Tangki Penyimpanan

Tujuannya adalah untuk menguji kemungkinan korosi atau kerusakan lainnya pada dinding lantai tangki.

Mekanismenya antara lain:
· Pertama, Sensor-sensor ditempelkan pada luar tanki,
· Kedua, memantau emisi yang dihasilkan dari kororsi aktif lantai
· Ketiga, nois-nois dari berbagai sumber dieliminasi dengan metoda pengenalan pola. Selain itu, operator dituntut untuk lebih berpengalaman dalam mengenal pola nois.

Keuntungan pengujian dengan EMISI AKUSTIKA untuk Pengujian Lantai Tangki Penyimpanan:
- Menghemat biaya, tidak perlu biaya untuk membuka tanki
- Dapat memprioritaskan untuk maintenance,
- Dapat mendeteksi dini kebocoran, sehingga tidak mengganggu lingkungan
- Inspeksi dilakukan sangat cepat
- Biaya inspeksi sangat ringan
- Interupsi yang sekecil mungkin terhadap operasi dan penggunaan tanki

Contoh Aplikasi 3: Deteksi Kebocoran Dengan Menggunakan EMISI AKUSTIKA

Tujuan Pengujian Pembuluh Tekanan adalah untuk mendeteksi berbagai kemungkinan kebocoran yang terjadi, seperti kebocoran katup, kebocoran pipa-pipa saluran, dan kebocoran tangki penyimpanan.
Mekanismenya antar lain:
- Deteksi Kebocoran katup: dapat memberikan info untuk menaksir laju kebocoran
- Deteksi Kebocoran pipa-pipa saluran: dapat menginspeksi struktur saat kondisi operasi. Diperlukan luas penampang yang tidak terlalu besar untuk menempelkan sensor
- Deteksi kebocoran Tanki Penyimpanan: menempelkan sensor di luar tanki, lalu memonitor emisi yang dihasilkan oleh kebocoran atau korosi aktif lantai tangki.

Prinsip Dasar:

U = kecepatan rata-rata fluida yang melewati orifice
d = diameter orifice rata-rata
l = Panjang Orifice
v = viskositas kinematis fluida
P = tekanan di dalam saluran pipa (pipeline)
Patm = Tekanan Atmosfer
Re = Bilangan Reynold

Asumsi: Pada kondisi aliran turbulen, Re>1000

Contoh Kasus 4: Pengujian Dinding Tanki Cryogenik dengan Menggunakan Emisi Akustika

Permasalahannya adalah tanki cryogenic adalah tanki yang berbahaya, karena menampung bahan-bahan berisiko tinggi seperti amoniak, butan, dan propane. Maka, membutuhkan pengontrolan yang tepat untuk mencegah kebocoran

Mekanisme: Pertama, Sensor-sensor EMISI AKUSTIKA yang berfrekuensi tinggi ditempelkan pada area pengujian, yaitu dinding tangki. Kedua, Saat pengujian dilakukan, data-data EMISI AKUSTIKA diproses untuk menghilangkan nois. Pemrosesan data ini dinamakan intepretasi data. Ketiga, baru dilakukan evaluasi data. untuk mendapatkan indikasi yang lebih presisi tentang lokasi dimana emisi terjadi, diperlukan analisa waktu datang gelombang stress (tekanan) pada tiap-tiap sensor .
Keuntungan Penggunaan Metoda Emisi Akustika dalam Pengujian Dinding Tanki Cryogenik dengan Menggunakan Emisi Akustika:
Metoda akustika ini dapat menghemat keuangan, dan lebih ramah lingkungan, karena menyediakan informasi tangki tanpa harus mengeluarkan isinya. Pengujian ini sifatnya tidak invasive, artinya tidak perlu mengeluarkan isi tangki ataupun masuk ke dalam tangki. Selain itu, terdapat banyak keuntungan lainnya, antara lain:
- Pemantauan secara menyeluruh: sensor dapat mendeteksi sinyal EMISI AKUSTIKA dari jarak yang cukup jauh, sehingga metoda ini cocok untuk memantau sistem yang besar
- Hemat biaya: Pembersihan Nitrogen membutuhkan biaya satu juta dollar Amerika (sekitar Rp. 10 milyar) . Biaya ini dapat bertambah jika kita menggunakan pengujian dengan ultrasonik atau metoda pengujian lainnya. Dengan menggunakan EMISI AKUSTIKA, kita dapat mengurangi banyak biaya untuk pemeliharaan tangki, dan memperbanyak informasi yang terdapat pada plant.
- Inspeksi yang ketat: pengujian dengan Emisi Akustika dapat memakan waktu berjam-jam untuk inspeksi volumetrik. Akan tetapi, tidak ada metoda lain yang dapat memberikan inspeksi volumetric secepat metoda Emisi Akustika
- Perekaman data: data yang diperoleh dapat didigitasi, dan disimpan dalam disk, dan hasil tersebut dapat dipergunakan untuk analisa kembali di lain waktu.

Contoh Kasus 5: Pengujian Cool Down

Pengujian cool down (pendinginan) adalah uji Emisi Akustika alternatif terhadap reactor-reaktor panas, tower, kolom, dan sistem-sistem pipa rangkaian panas.

Mekanisme: Pengujian pendinginan akan selalu menghasilkan pembebanan yang cukup tinggi pada arah longitudinal pipa/pembuluh. Hal ini dimaksudkan untuk mencari letak kerusakan pada arah melingkar (hoop). Secara teknis, pengujian ini hanya dapat dilakukan pada pipa atau pembuluh yang memiliki dinding yang tebal, karena dinding yang tebal dapat menghasilkan pembebanan pada arah melingkar.
Pipa atau pembuluh yang dindingnya tipis tidak bisa menghasilkan pembebanan pada arah melingkar karena tidak bisa mempertahan gradient thermal pada dindingnya.

Contoh Kasus 6: Pengujian Partial Discharge/Transformer Gassing

Permasalahan: Pada transformator yang besar, seringkali terjadi fenomena yang dinamakan Partial Discharge. Fenomena ini disebabkan oleh adanya ionisasi pada transformator akibat beban tegangan listrik. Ionisasi ini mengakibatkan electron mengalir diantara dua konduktor berdekatan yang dipisahkan oleh sebuah isolator. Maka, hal ini menimbulkan masalah.

Mekanisme Pelacakannya dengan Emisi Akustika:
Fenomena Partial Discharge dapat menimbulkan gelombang tegangan yang berpropagasi di dalam transformator. Gelombang tegangan inilah yang menimbulkan Emisi Akustika. Emisi ini dapat dideteksi pada dinding transformator. Langkah-langkah pelacakan:
- Pertama, sensor-sensor Emisi Akustika ditempelkan pada dinding transformator.
- Kedua, melakukan pengukuran terhadap waktu kedatangan relatif gelombang akustik pada tiap-tiap sensor
- Ketiga, penentuan lokasi terjadinya Partial Discharge di dalam transformator

Contoh Kasus 7: Jaringan Sensor Emisi Akustika Tanpa Kabel Untuk Memantau Struktur Jembatan.

Kelebihan dari pemanfaatan teknologi akustika ini adalah efisien, mudah untuk diinstall, murah, dan dapat diaplikasikan ke berbagai macam struktur. Dalam hal ini, akustik berperan sebagai metoda pemantauan tambahan untuk menginvestigasi status dari keseluruhan jembatan. Dalam hal ini, uji emisi akustik dapat mendeteksi cacat yang diakibatkan oleh propagasi keretakan akibat dari penggunaan rutin struktur jembatan tersebut.
Tetapi, metoda uji emisi akustik ini juga memiliki kelemahan, yaitu membutuhkan algoritma yang sangat handal, karena banyaknya data yang harus diolah dan ditransmisikan. Hal ini akan membuat trafik data semakin penuh.
Dalam menyelidiki status jembatan, gelombang dari emisi akustik ini dapat digunakan untuk korelasi data dan untuk pemantauan secara pasif.

Dalam korelasi data, uji akustik berperan untuk membuat data yang dihasilkan dari sensor-sensor menjadi lebih jelas, lebih mendetail. Tekniknya adalah dengan mengkorelasikan data-data dari emisi akustik dengan data-data dari sensor-sensor lainnya yang dipasang pada struktur jembatan. Maka, hasil algoritma korelasi terhadap data-data sensor dan emisi akustik tadi akan mengurangi banyaknya data yang akan ditransmisikan. Lalu, data-data yang dihasilkan dijumlah-jumlahkan, agar trafik data dapat dibuat seminim mungkin. Jadi, kelebihan dari metoda korelasi adalah mengurangi tingginya trafik data.
Selain korelasi data, emisi akustik juga dapat digunakan untuk pemantauan struktur secara pasif. Bagaimanapun juga, perubahan struktur dalam skala kecil pasti terjadi. Hal ini diakibatkan oleh adanya gelombang dari luar struktur yang masuk ke dalam struktur. Gelombang tersebut adalah gelombang stress (tegangan), dan gelombang inilah yang dimaksud sebagai emisi akustik. Sifat dan bentuk dari gelombang ini bergantung pada karakter sumber gelombangnya, sifat medium, dan bentuk geometri medium (struktur).
Sistem emisi akustik dalam jaringan sensor tanpa kabel harus dapat mendeteksi sinyal, mereduksi nois, mengkarakterisasi sinyal, menentukan lokasi sumber gelombang, dan menganalisis sinyal.
Untuk mendeteksi sinyal, dapat dilakukan korelasi data. Semiakin tinggi korelasi, semakin akurat sinyal yang terdeteksi dari suatu proses peretakan.
Bagaimanapun juga, sinyal emisi akustik sangat sensitif terhadap nois. Oleh karena itu, pada sistem jaringan sensor tanpa kabel ini harus diaplikasikan sebuah metoda yang dinamakan denoising (mereduksi nois).
Untuk melakukan lokalisasi, dapat digunakan berbagai macam teknik, dengan masing-masing algoritma yang berbeda, dan asumsi yang berbeda pula. Cara yang paling kasar untuk lokalisasi adalah menebak langsung. Dalam hal ini, metoda menebak langsung dapat menghemat biaya pemasangan sensor dan biaya analisis data. Metoda ini cukup baik jika kita memiliki pengetahuan tentang struktur jembatan yang sedang diuji tersebut.
Sedangkan metoda yang lebih baik adalah dengan menggunakan teknik planar, yaitu merekam sinyal-sinyal emisi akustik dengan 2 sensor atau lebih pada waktu yang sama.
Akan tetapi, kedua metoda tadi akan lebih baik jika kita memiliki informasi tentang jembatan tersebut dari inspektur jembatannya, atau dari construction plan-nya.

Referensi:
· Hamstad, Marvin. 2003. Acoustic Emission Technology. http://www.engr.du.edu/profile/Marvin
· Physical Acoustic Corporation. 2009. Acoustic Emission Technology. http://www.acousticemission.com/
· Grosse, Christian U.; Kruger, Markus; Glaser, Steven D. Wireless Acoustic Emission Sensor Networks for Structural Health in Civil Engineering..
· http://www.geocities.com/raobpc/AET.html
· http://apo.ansto.gov.au/dspace/handle/10238/580
· www.ndt.net
· http://books.google.com/
· http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/i300018a016?cookieSet=1
· http://www.envirocoustics.gr/
· www.acousticemission.net_research