M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. 20, No. 2, Oktober 2005 No. ISSN: 0852-6095

Diterbitkan oleh : Departemen Teknik Mesin, FTI

Institut Teknologi Bandung

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 20, No. 2, Oktober 2005

Amoranto Trisnobudi

Departemen Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung 40132

e-mail : amoranto@tf.itb.ac.id

Ringkasan

Pada uji tak merusak ultrasonik biasanya suatu gelombang ultrasonik diradiasikan ke dalam material oleh sebuah transduser. Bila ada cacat, maka akan terjadi interaksi antara berkas gelombang ultrasonik dan cacat tersebut yang dapat berupa pemantulan atau difraksi. Setelah terjadi interaksi, berkas gelombang ultrasonik yang dipantulkan atau didifraksikan oleh cacat ini akan diterima oleh suatu transduser lain atau oleh transduser yang sama. Sinyal yang diterima ini kemudian diproses lebih lanjut agar diperoleh informasi mengenai karakteristik cacat. Bila cacatnya tegak lurus pada berkas gelombang, maka ukurannya dapat ditentukan dengan menggunakan analisis amplituda, misalnya menggunakan diagram DGS (Distance Gain Scale). Bila posisi cacatnya miring terhadap berkas gelombang, dapat digunakan analisis waktu untuk menentukan ukuran dan kemiringan cacat seperti misalnya dengan menggunakan metoda Time of Flight Difraction (TOFD). Tetapi bila cacatnya kecil atau terdapat derau yang cukup besar, maka harus digunakan analisis frekuensi. Di dalam makalah ini akan dibahas dua metoda dengan analisis frekuensi yang dapat digunakan untuk menanggulangi kedua masalah tersebut di atas, yaitu spektroskopi ultrasonik dan split spectrum processing.

1. PENDAHULUAN

Uji tak merusak pada suatu material biasanya dilakukan bila kita ingin tahu apakah ada cacat atau tidak di dalam material tersebut. Kadang-kadang informasi mengenai ada atau tidak adanya cacat ini sudah cukup untuk digunakan sebagai dasar dari suatu pengambilan keputusan, misalnya bagian material yang ada cacatnya dipotong dan dibuang atau dilebur kembali. Bila sudah diketahui terdapat cacat di dalam material, misalnya suatu retakan, selanjutnya ingin diketahui juga ukurannya, mungkin saja retakan tersebut tidak begitu besar sehingga tidak perlu ada bagian yang dibuang atau dapat dilakukan perlakuan mekanik/panas pada material untuk menghilangkan cacat kecil tersebut. Posisi dari retakan di dalam material (sejajar dengan permukaan, tegak lurus terhadap permukaan atau miring) juga merupakan informasi yang penting untuk menentukan langkah selanjutnya terhadap material yang sedang diperiksa. Jadi secara umum dapat dikatakan bahwa dengan uji tak rusak kita ingin mengetahui karakteristik cacat, yaitu menentukan ukuran dan orientasi cacat di dalam material.

Pada uji tak merusak ultrasonik biasanya suatu gelombang akustik berfrekuensi tinggi diradiasikan ke dalam material oleh sebuah transduser. Bila terdapat suatu cacat di dalam material, maka akan terjadi interaksi antara berkas gelombang ultrasonik dan cacat tersebut yang dapat berupa pantulan atau difraksi. Setelah terjadi interaksi, berkas gelombang ultrasonik yang dipantulkan atau didifraksikan oleh cacat ini akan diterima oleh suatu transduser lain atau oleh transduser yang sama. Sinyal yang diterima ini kemudian diproses lebih lanjut agar diperoleh informasi mengenai karakteristik cacat dan letaknya di dalam material. Pemrosesan sinyal yang biasanya dilakukan dapat berupa analisis amplituda, analisis waktu dan analisis frekuensi.

Untuk cacat yang tegak lurus pada berkas gelombang, sinyal yang dihasilkan oleh transduser penerima berasal dari pantulan cacat yang amplitudanya sebanding dengan ukuran cacat. Jadi ukuran cacat dapat diperkirakan besarnya dengan menggunakan analisis amplituda. Bila posisi cacatnya miring terhadap berkas gelombang, maka sinyal yang diperoleh berasal dari difraksi pada kedua tepi cacat sehingga ukuran cacat tidak dapat ditentukan dari amplitudanya melainkan dari selang waktu antara kedua sinyal difraksi tersebut. Dengan menggunakan analisis waktu, ukuran dan kemiringan cacat dapat ditentukan. Tetapi bila cacatnya juga kecil sedemikian rupa sehingga kedua sinyal difraksinya saling tumpang tindih, maka dalam hal ini analisis waktu tidak dapat digunakan. Masalah ini dapat dengan metoda-metoda ditanggulangi menggunakan analisis frekuensi.

Pada makalah ini, mula-mula akan dibahas secara singkat mengenai metoda-metoda konvensional yang menggunakan analisis amplituda seperti misalnya yang menggunakan cacat-cacat acuan dan diagram DGS (Distance Gain Scale). Kemudian akan dikemukakan metoda non-konvensional yang dilakukan dengan menggunakan analisis waktu seperti Time of Flight Difraction (TOFD). Selanjutnya akan dibahas dua metoda yang menggunakan analisis frekuensi, yaitu spektroskopi ultrasonik dan split spectrum processing.

2. ANALISIS AMPLITUDA

Pada keadaan-keadaan tertentu dimana orientasi dari cacat telah diketahui, maka ukuran cacat dapat ditentukan hanya dengan analisis amplituda, misalnya dengan menggunakan cacat-cacat acuan, biasanya berupa flat bottom hole, pada blok acuan (reference block). Cara ini dilakukan dengan membandingkan amplituda sinyal pantulan cacat terhadap amplituda sinyal pantulan cacat-cacat buatan yang telah diketahui besarnya. Dari perbandingan amplituda ini dapat ditentukan kira-kira besarnya cacat yang sedang dideteksi. Tetapi cara ini hanya berhasil dengan baik bila material yang sedang diperiksa sama dengan material dari blok acuan. Hal ini disebabkan karena material yang berbeda mempunyai atenuasi yang berbeda pula yang akan mempengaruhi amplituda sinyal yang diterima. Selain itu meskipun materialnya sama, bila jarak cacat dari permukaan berbeda dengan jarak cacat buatan pada blok acuan, maka hasil pemeriksaan dengan cara ini tidak teliti. Hasil yang teliti baru bisa diperoleh bila tersedia cukup banyak blok-blok acuan dengan berbagai ukuran cacat dan berbagai jarak dari cacat buatan ke permukaan (kedalaman cacat).

Pengukuran ukuran cacat yang lebih teliti dapat dilakukan dengan menggunakan diagram Distance Gain Scale [1]. Cara ini bisa digunakan untuk material apa saja dan jarak cacat berapa saja sehingga dapat menanggulangi kekurangan-kekurangan menggunakan blok acuan tersebut di atas. Diagram DGS itu sendiri berupa grafik dua dimensi dengan sebuah parameter. Ordinatnya menunjukkan amplituda sinyal yang biasanya dinyatakan dengan satuan dB, yaitu besarnya

penguatan (gain) yang ada pada Ultrasonic Flaw Detector. Disini juga dilakukan perbandingan antara amplituda pantulan cacat dan amplituda pantulan dari dinding bagian belakang dari material (back wall echo). Absisnya menunjukkan jarak cacat yang dinyatakan dengan jarak dekat (near zone) dari transduser sedangkan parameternya menunjukkan ukuran cacat yang dinyatakan dengan diameter transduser. Oleh karena itu diagram DGS ini baru dapat digunakan bila frekuensi transduser dan diameternya diketahui. Jadi setiap transduser ultrasonik mempunyai diagram DGS-nya sendiri-sendiri.

Seperti yang telah disebutkan terdahulu kedua metoda konvensional tersebut di atas hanya bisa dilakukan bila orientasi dari cacat telah diketahui. Yang paling mudah adalah bila cacat sejajar dengan permukaan material (tegak lurus pada berkas gelombang), yaitu dengan menggunakan transduser longitudinal (straight beam probe). Bila cacatnya miring dan diketahui kira-kira sudut kemiringannya dapat digunakan transduser transversal (angle beam probe) bersudut 35°, 45°, 60°, 70° yang banyak dijual dipasaran.

3. ANALISIS WAKTU

Untuk menentukan ukuran cacat yang kemiringannya belum diketahui dapat digunakan metoda non-konvensional yang dilakukan dengan analisis waktu, yaitu yang sering disebut sebagai Time-of-Flight Difraction^[2] seperti yang terlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Uji tak merusak ultrasonik menggunakan metoda Time-of-Flight Diffraction

Disini digunakan transduser pemancar T dan transduser penerima R yang dipasang sebagai tandem system. Gelombang ultrasonik yang diradiasikan ke dalam benda uji oleh tranduser pemancar akan diterima oleh transduser penerima setelah mengalami berbagai peristiwa gelombang. Sinyal pertama yang sampai berupa gelombang permukaan yang kadang-kadang disebut sebagai gelombang lateral. Sinyal kedua dan ketiga berasal dari gelombang difraksi oleh ujung atas A dan ujung bawah B dari retakan sedangkan sinyal terakhir berasal dari gelombang pantul oleh permukan bawah benda uji.

Hanya sinyal-sinyal difraksi yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran dan kemiringan retakan. Kedua sinyal ini sangat kecil bila dibandingkan dengan sinyal-sinyal yang lain seperti yang terlihat pada Gambar 2.

Dengan mengukur waktu tempuh t¹ dan t² serta jarak antara kedua transduser, ukuran dan kemiringan retakan dapat ditentukan. Oleh karena baik ukuran maupun kemiringan retakan belum diketahui, maka diperlukan dua kali pengukuran dengan dua posisi yang berbeda.

Metoda TOFD ini tentu saja baru dapat digunakan bila pengukuran waktu tempuh t¹ dan t² dapat dilakukan. Bila ukuran cacatnya kecil dan/atau sudut kemiringannya tertentu sedemikian rupa sehingga kedua sinyal difraksinya saling tumpang tindih, maka tentunya metoda TOFD tidak dapat digunakan lagi karena hanya t¹ atau t² saja yang dapat diukur. Untuk menanggulagi masalah ini dapat digunakan spektroskopi ultrasonik yang dilakukan dengan analisis frekuensi. Di bawah ini akan dibahas secara singkat mengenai teori spektroskopi ultrasonik ini.

Gambar 2. Sinyal-sinyal yang berasal dari gelombang lateral, gelombang difraksi dan gelombang pantul.

4. SPEKTROSKOPI ULTRASONIK

Menurut teori spektroskopi [3], bila F(ω) adalah transformasi Fourier (spektrum) dari suatu fungsi tunggal f(t), maka fungsi ganda identik dengan selang waktu ∆T akan mempunyai spektrum yang merupakan modulasi antara F(ω) dan suatu fungsi kosinus sedemikian rupa sehingga selang frekuensi ∆f dari puncak-puncaknya (maksimum) adalah kebalikan dari ∆T. Pada Gambar 3a ditunjukkan suatu fungsi tunggal yang mempunyai spektrum dengan frekuensi tengah 10 MHz dan lebar pita frekuensi (bandwidth) 6 MHz. Fungsi ganda identik yang ditunjukkan pada Gambar 3b mempunyai selang waktu 0,5 µS sehingga spektrumnya akan mempunyai selang frekuensi 2 MHz.

Sinyal-sinyal ganda yang identik jarang dijumpai dalam prakteknya karena pada umumnya kedua sinyal ini menempuh jarak yang berbeda di dalam material sehingga akibat mengalami atenuasi amplitudanyapun juga berbeda. Pada Gambar 4 ditunjukkan sinyal-sinyal ganda tidak identik dan spektrumnya. Perbandingan amplituda antara sinyal pertama dan kedua masingmasing adalah 0,5 dan 0,25. Perbedaannya dengan spektrum dari sinyal ganda identik adalah bahwa hargaharga minimumnya (lembah) tidak pernah mencapai nol dan makin besar perbedaannya makin tinggi (besar) harga-harga minimumnya. Terlihat juga pada gambar ini, makin kecil selang waktunya makin besar selang frekuensinya. Perlu juga disebutkan disini, selang frekuensinya dapat juga diukur dari minimum-minimum yang berdekatan.

Apa yang terjadi bila selang waktunya kecil sekali sehingga kedua sinyalnya saling tumpang tindih? Ternyata selang frekuensinya masih bisa diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Hal ini dapat terjadi karena lebar pita frekuensinya yang cukup lebar.

Gambar 3. Sinyal tunggal, sinyal ganda identik dan spektrumnya.

Gambar 4. Sinyal-sinyal ganda tidak identik dan spektrumnya.

Gambar 5. Sinyal-sinyal tumpang tindih dan spektrumnya.

Sinyal-sinyal ini dapat diperoleh dengan menggunakan wide-band/broad-band ultrasonic transducers. Jadi masalah mengenai selang waktu dari sinyal-sinyal tumpang tindih yang sulit diukur dengan metoda TOFD ini dapat ditanggulangi dengan spektroskopi ultrasonik. Selang waktu dari sinyal ganda yang sangat kecil ini dapat ditentukan secara tidak langsung, yaitu dengan mengukur selang frekuensi pada spektrumnya.

Sinyal-sinyal yang digunakan pada gambar-gambar 3, 4 dan 5 adalah sinyal-sinyal yang berbentuk gaussian sehingga spektrumnya juga simetris, indah dilihat dan mudah mengukur selang frekuensinya. Dalam prakteknya sinyal-sinyal difraksi yang berbentuk gaussian tidak pernah atau jarang dijumpai meskipun menggunakan transduser ultrasonik yang baik. Hal ini disebabkan karena dua hal, yaitu akibat atenuasi yang berbeda untuk frekuensi yang berbeda dan amplitudanya yang kecil sekali.

Meskipun transduser pemancar mengeluarkan gelombang ultrasonik yang berbentuk gaussian, gelombang ultrasonik yang sampai di transduser penerima sudah bukan gaussian lagi karena selama menjalar di dalam material akan mengalami atenuasi yang besarnya tergantung pada frekuensi. Seperti kita ketahui makin besar frekuensinya, maka makin besar pula atenuasinya. Menurut teorema Fourier setiap sinyal merupakan gabungan dari berbagai sinyal-sinyal dengan frekuensi yang berbeda. Oleh karena sinyal-sinyal ini mengalami atenuasi yang berbeda, maka tentunya

gelombang ultrasonik yang diterima oleh transduser penerima akan menghasilkan sinyal yang sudah tidak gaussian lagi.

Sinyal-sinyal yang didifraksikan oleh ujung-ujung cacat biasanya kecil sekali sehingga untuk mendeteksinya diperlukan perangkat elektronik dengan penguatan yang cukup besar. Oleh karena biasanya penguat elektronik dengan penguatan besar mempunyai bandwidth yang terbatas, maka sinyal yang akan diproses lebih lanjut makin tidak teratur bentuknya. Pada Gambar 6 ditunjukkan sinyal-sinyal difraksi dan spektrumnya yang berasal dari cacat berupa flat bottom hole berdiameter 16 mm dengan θ = 15 o dan α = 15 o yang berada di dalam bahan alumunium dimana θ adalah sudut kemiringan cacat terhadap horisontal dan α adalah sudut antara sumbu transduser pemancar dan transduser penerima. Terlihat disini bahwa sinyal-sinyal difraksinya saling tumpang tindih sehingga sulit ditentukan selang waktunya. Tetapi selang frekuensi dari spektrumnya masih bisa ditentukan, meskipun tidak seragam. Biasanya selang frekuensi yang akan digunakan dalam perhitungan adalah harga rata-ratanya. Dengan mengukur selang frekuensi rata-rata ini untuk dua posisi transduser yang berbeda, diameter dan sudut kemiringannya dapat ditentukan. Pada Tabel 1 ditunjukkan hasil pengukuran selang frekuensi dan hasil perhitungan diameter dan sudut kemiringannya [4].

Gambar 6. Sinyal-sinyal difraksi (atas) dan spektrumnya (bawah) dari flat bottom hole berdiameter 16 mm dengan kemiringan θ =15 o , pada sudut α = 15 o .

Tabel 1. Hasil pengukuran diameter dan sudut kemiringan cacat berupa flat bottom hole menggunakan spektroskopi ultrasonik.

5. SPLIT SPECTRUM PROCESSING

Semua metoda-metoda tersebut di atas tentunya baru bisa digunakan bila interaksi antara berkas gelombang dan cacat menghasilkan sinyal-sinyal yang dapat dikenali keberadaannya seperti terlihat pada bagian atas Gambar 8. Waktu tempuh dari kedua sinyal ini dengan mudah dapat diukur. Berbeda halnya bila cacatnya kecil sekali dimana amplituda sinyalnya tidak jauh berbeda dengan amplituda dari derau elektronik sehingga tidak dapat dikenali keberadaannya karena terbenam di dalam derau. Demikian juga bila atenuasi di dalam material sangat besar, misalnya seperti yang terjadi pada material dengan butiran-butiran grain yang kasar (coarse grained material). Disini sinyalnya terbenam di dalam pantulan-pantulan akibat butiranbutiran grain (grain echoes). Pada bagian bawah dari Gambar 7 ditunjukkan sinyal cacat yang terbenam di dalam derau dimana signal-to-noise rationya (S/N ratio) berharga disekitar satu. Sinyal yang lebih besar disebelah kanan adalah back wall echo (BWE) dari sebuah batang alumunium sedangkan sinyal cacatnya berada kira-kira ditengah yang diperoleh dari pantulan oleh flat bottom hole berdiameter 1 mm. Transduser yang digunakan mempunyai frekuensi tengah sebesar 10 MHz dengan rentang frekuensi (bandwidth) sebesar 3 MHz. Untuk menanggulangi masalah ini perlu dilakukan usaha-usaha yang dapat meningkatkan S/N ratio agar dapat mendeteksi sinyal yang terbenam ini. Salah satu cara untuk meningkatkan S/N ratio adalah dengan menggunakan apa yang disebut sebagai Split Spectrum Processing (SSP), yaitu suatu pemrosesan sinyal yang biasa digunakan pada sistem Radar[5]. Dasar dari pemrosesan sinyal menggunakan SSP ini akan dijelaskan di bawah ini.

Meskipun mempunyai amplituda yang rendah, sehingga terbenam di dalam derau, sinyal cacat ini memiliki rentang frekuensi yang lebar. Bandwidth yang lebar ini dimanfaatkan oleh teknik SSP, yaitu dengan membagi-bagi bandwidth tersebut oleh sejumlah filter, sehingga diperoleh sejumlah sinyal dengan rentang frekuensi yang berbeda-beda. Setiap sinyal terdiri atas sinyal yang akan diproses di tambah derau yang berbeda frekuensinya antara sinyal yang satu dan yang lainnya. Sinyal-sinyal yang sudah difilter ini kemudian digabungkan kembali menggunakan beberapa metoda misalnya seperti metoda rata-rata dari kuadrat sinyal (Average of squared signal, Ass), metoda kuadrat dari rata-rata sinyal (Squared of averaged signal, Sas) dan metoda minimisasi dari kuadrat sinyal (Minimization of squared signal, Minz). Penggabungan sinyal-sinyal ini menyebabkan amplituda sinyal cacat menjadi lebih besar sedangkan sinyal-sinyal derau tereduksi karena saling menghilangkan satu sama lain.

Dengan demikian diperoleh S/N ratio yang baru yang lebih tinggi dari S/N ratio sebelumnya. Blok diagram dari pemrosesan sinyal ini ditunjukkan pada Gambar 8. Mula-mula dilakukan Fast Fourier Transform (FFT) pada sinyal asli x(t) sehingga diperoleh spektrumnya, yaitu X(ω). Spektrum dengan bandwidth yang cukup lebar ini kemudian dibagi-bagi oleh sejumlah filter gaussian. Setiap filter mempunyai bandwidth yang sama tetapi mempunyai frekuensi tengah yang berbeda-beda sehingga diperoleh sejumlah spektrum Xn(ω). Selanjutnya dilakukan transformasi Fourier balik dengan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) terhadap spektrum-spektrum ini sehingga menghasilkan sinyal-sinyal yn(t). Akhirnya dilakukan penggabungan sinyal yang memberikan sinyal hasil proses y(t) dengan Signal-to-Noise Ratio yang lebih besar.

Pada Gambar 9 ditunjukkan hasil SSP dari sinyal yang terbenam dalam derau, yaitu sinyal pada bagian bawah dari Gambar 7.

Gambar 7. Sinyal cacat yang masih bisa dikenali keberadaannya (atas) Sinyal cacat yang terbenam dalam derau (bawah)

Gambar 8. Blok diagram dari Split Spectrum Processing

Gambar 9. Hasil SSP dari sinyal yang terbenam dalam derau. Sinyal (Frekuensi tengah 10 MHz, bandwidth 3 MHz) Filter (Bandwidth 3,25 MHz, jumlah 30)

6. KESIMPULAN

Dalam uji tak merusak menggunakan gelombang ultrasonik perlu dilakukan pemrosesan lebih lanjut terhadap sinyal-sinyal yang diperoleh baik dengan analisis amplituda, analisis waktu maupun dengan analisis frekuensi tergantung pada masalah yang harus dihadapi. Bila yang diperoleh adalah sinyal-sinyal pantulan dari cacat, maka cukup digunakan metodametoda konvensional dengan analisis amplituda seperti metoda perbandingan dan diagram Distance Gain Scale. Sinyal-sinyal difraksi yang lebih sulit dapat ditangani dengan analisis waktu seperti metoda Time-of Flight Difraction asalkan sinyal-sinyalnya tidak saling tumpang tindih. Bila sinyal-sinyalnya saling tumpang tindih, maka harus digunakan analisis frekuensi seperti spektroskopi ultrasonik. Untuk menanggulangi sinyalsinyal yang sulit dideteksi karena terbenam dalam derau harus digunakan pemrosesan yang lebih rumit seperti misalnya dengan Split Spectrum Processing.

7. DAFTAR PUSTAKA

• 1. J. Krautkramer, and H. Krautkramer., Ultrasonic Testing of Material, Springer-Verlag, Berlin, 1977.
• 2. J.P Charlesworth, and J.A.G Temple., Engineering Applications of Ultrasonic Time-of-Flight Difraction, John Wiley & Sons Inc., New York, 1989.
• 3. A Trinobudi. Spektroskopi Ultrasonik, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah" KIM-LIPI, Serpong, 1989.
• 4. A Trinobudi., Etude et Caracterisation par Ultrasons de Defauts dans un Solide Elastique, These de Docteur Ingenieur, Universite d'Aix-Marseille II, France, 1983.
• 5. A Trinobudi. Uji Tak Merusak Ultrasonik Untuk Meningkatkan Kemampuan Pemeriksaan Cacat Di Dalam Bahan Menggunakan Split Spectrum Processing, Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir IX, Pusat Pengembangan Informatika BATAN, Jakarta, 1999.