Melihat Retakan dengan Pencitraan Akustik Nonlinear

Umumnya kita dengan mudah melihat adanya keretakan pada material jika retakannnya sampai pada permukaan. Namun bagaimana jika retakan tersebut berada di dalam material dan tidak sampai pada permukaan?

Retakan pada bangunan dapat menimbulkan kerusakan lebih lanut pada bangunan. Retakan yang terlihat di permukaan dapat mudah untuk dideteksi, namun bagaimana dengan retakan kecil yang terdapat di dalam material?

Gambar 1. Retakan pada bangunan dapat menimbulkan kerusakan lebih lanut pada bangunan. Retakan yang terlihat di permukaan dapat mudah untuk dideteksi, namun bagaimana dengan retakan kecil yang terdapat di dalam material?

Salah satu metode yang umum digunakan pada bidang teknik pemeliharaan adalah analisa gelombang akustik (suara). Jika kita membangkitkan gelombang suara pada satu sisi material dan menangkapnya pada sisi yang lain, perbedaan antara material yang memiliki retakan dan tidak dapat diketahui. Karena “jalan”-nya gelombang suara tersebut berbeda, maka penjalarannya pun juga berbeda.

Dengan menggunakan ide dasar tersebut, teknik pemeliharaan pada pesawat, jembatan dan gedung menjadi lebih mudah. Teknik dasar yang banyak digunakan adalah teknik pencitraaan akustik linier. Pencitraan akustik linear menggunakan susuran (array) transduser untuk mengirim pulsa akustik ke dalam material yang diujikan untuk kemudian diukur pantulannya. akan tetapi, beberapa tipe retakan halus tidak terlihat dengan pencitraan akustik linear. Batas tipis keretakan itu mungkin saja akan memantulkan pulsa yang sangat kecil yang tidak dapat terukur.

Untuk mengatasi kekurangan pada teknik pencitraan akustik linier, para peneliti mengembangkan teknik pencitraan akustik nonlinier. Teknik ini mampu mendeteksi apa yang disebut nonlinieritas akustik. Nonlinearitas akustik (acoustic nonlinearities) merupakan tempat di mana beberapa gelombang suara tidak saling menguatkan seperti yang diharapkan. Daerah nonlinearitas biasanya adalah daerah dimana retakan atau kelelahan (fatigue) kritis terjadi. Melalui teknik pencitraan akustik nonlinier peneliti berhasil mendeteksi posisi nonlinieritas akustik di dalam material.

Ide dasar dalam pencitraan akustik nonlinear adalah adanya sifat akustik unik yang dihasilkan oleh retakan, bahwa respon akustik pada satu frekuensi dapat membangkitkan gelombang suara dengan frekuensi-frekuensi yang lain. Keretakan dapat membangkitkan frekuensi-frekuensi lain karena kerusakan pada struktur material akan menghasilkan ruang untuk bergetar dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh material yang tidak memiliki retakan. Frekuensi tambahan ini juga dapat dihasilkan di dareah dekat retakan dimana kelelahan material menghasilkan perubahan struktur mikro pada material.

Deteksi posisi nonlinieritas akustik pada material tidak mudah untuk dilakukan, beberapa peneliti telah mencoba untuk melaukannya namun kebanyakan berakhir dengan ketidakberhasilan. J. N. Potter dan kolega dari University of Bristol di Inggris berhasil menemukan sebuah teknik yang dapat mendeteksi posisi nonlinieritas akustik secara spesifik di dalam material, teknik ini akan membantu dalam mengidentifikasi keretakan kecil tetapi berbahaya yang terdapat dalam material-material penyusun jembatan, bangunan, atau material lain.

Metode
J. N. Potter dan kolega telah berhasil melakukan pencitraan akustik nonlinear secara sederhana yang menggunakan peralatan pencitraan akustik linier standar. Sistem yang mereka bangun merupakan kombinasi dua metode linear. Pertama, dengan metode paralel, pulsa suara dikirim dari semua tranduser dalam sekali waktu, namun dengan waktu tunda (delay) yang sangat kecil antar tranduser satu dengan lainnya, untuk memfokuskan gelombang suara pada satu titik pada material. Tranduser kemudian mendeteksi pantulannya. Pada metode kedua, teknik sekuensial diaplikasikan dengan menembakkan gelombang suara dari tiap tranduser secara sekuensial (satu-satu bergantian), kemudian array transduser akan mendeteksi respon yang berbeda pada tiap tranduser. Untuk metode ini, pantulan gelombang akan dikombinasikan kemudian pada fase pemrosesan data, ketika delay ditambahkan untuk memberikan input paralel yang ekuivalen.

Dua metode tersebut memberikan hasil yang identik ketika diaplikasikan pada material linear murni namun tidak demikian ketika diaplikasikan pada material nonlinear. Perbedaan amplutido respon dari dua metode tersebut merupakan ukuran nonlinearitas pada titik fokus. Dengan mengulangi proses tersebut pada titik fokus yang berbeda, para peneliti dapat merekonstruksi citra dari nonlinieritas dalam material.

e100_2_medium

Gambar 2. Deteksi retakan pada material yang memiliki dua lubang, retakan hanya ada di lubang kiri. Teknik pencitraan akustik linear (atas) hanya mampu mendeteksi kedua lubang, sedangkan teknik pencitraan non-linear mampu mendeteksi retakan di salah satu lubang (bawah) [2].

Eksperimen
Blok aluminium digunakan untuk menguji metode pencitraan akustik nonlinear. Siklus tekanan/pelepasan diberikan pada blok aluminium untuk menghasilkan retakan dalam blok aluminium. Sebanyak 64 tranduser array digunakan untuk mengirim pulsa akustik pada kedua metode paralel dan sekuensial. Untuk menghindari kondisi transient (peralihan), peneliti menunggu selama satu milidetik agar sinyal akustik yang dipantulkan stabil baru kemudian merekam level suara. Pada saat tersebut, pantulan sinyal suara memiliki intensitas yang sama di dalam blok, namun masih merupakan hasil pengukuran langsung tanggapan material pada satu titik fokus. Dengan mengurangkan dua sinyal pada setiap titik, dihasilkan citra nonlinear yang cukup jelas yang hampir tidak dapat dideteksi oleh pencitraan linier.

Sebagai tes tambahan, para peneliti membuat lubang dengan bor selebar 5 mm yang menyentuh retakan sepanjang 2,5 mm di dalam blok untuk meniru kerusakan yang terjadi pada lubang baut yang berfungsi sebagai bantalan penyangga beban. Kemudian lubang kedua dengan lebar yang sama dibuat agak jauh dari retakan sebagai pembanding. Dengan teknik pencitraan akustik linear, dua lubang tersebut bisa dideteksi namun lokasi retakan tidak terlihat karena tanggapan sinyalnya yang sangat kecil dan tertutupi oleh sinyal kuat dari lubang kedua (lihat gambar 2 atas). Sedangkan dengan pencitraan akustik nonlinear, posisi retakan kecil dalam blok dapat terlihat dengan jelas dengan lubang yang hampir tak terlihat (lihat gambar 2 bawah).

Teknik pencitraan akustik nonlinier ini cukup praktis untuk diguanakan untuk deteksi keretakan pada material. Selain karena cukup menggunakan peralatan pencitraan akustik linier yang secara standar digunakan, teknik ini menunjukkan akurasi yang cukup baik dalam mendeteksi posisi retakan. Teknik ini akan sangat menguntungkan untuk diguanakan oleh pengwas dan perawat struktur bangunan seperti jembatan, gedung dan infrastruktur lainnya.

 

Sumber :

[1] E. Conover, Physics 7, 100 (2014)

[2] J. N. Potter et al., Phys. Rev. Lett. 113, 144301 (2014)

Avatar

Bagus Tris Atmaja

Menyelesaikan Sarjana di Teknik Fisika, ITS (2009) dan master (2012)  yang mengabdikan hidupnya pada almamater yang sama, VibrasticLab TF-ITS. Saat ini sedang menempuh pendidikan Doktor di JAIST, Jepang

You may also like...

3 Responses

  1. budiman.putra budiman.putra says:

    menarik pak, tapi apakah memang alat-alat yang digunakan dalam pemanfaatan penelitian ini bisa hanya menggunakan perlatan standar misalnya microphone standar dsb. Thanks

    • Avatar bagus says:

      Saya sendiri belum mencobanya, namun secara konsep harusnya bisa, meski hasilnya tidak sebagus dengan menggunakan microhphone ukur (shotgun) atau transduser akustik imaging.

  2. budiman.putra budiman.putra says:

    akan sangat menarik jika penelitian ini dapat dilakukan secara murah pak dengan menggunakan alat-alat standar yang notabene banyak ditemukan di pasaran umum...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*