hanawahyu

Wind Turbine Acoustic Noise

Perkembangan energi saat ini, meningkat drastis. Ini di akibatkan karena laju pertumbuhan penduduk yang sangat pesat. Maka dari itu, perlu adanya energi tambahan, agar kebutuhan energi masyarakat tetap terpenuhi. Salah satu solusinya adalah pengembangkan Turbin angin.banyak sekali turbin yang saat ini mengeluarkan effek kebisingan. Tentunya effek turbin angin yaitu bunyi yang tidak inginkan.

Dampak dari turbin angin, selain menghasilkan energi listrik, juga menghasilkan noise yang sangat memekan telingga. Suara gaduh yang dihasilkan tergantung pada tingkat itensitas dan distribusi frekuensinya. Derau suara turnin sangat mengganggu, bagi penduduk yang tinggal di sekitar turbin, ilustrasinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Biasanya bising lebih banyak di timbulkan pada roda gigi yang menghasilkan getaran di gearbox. Dengungan suara yang dihasilkan tetap dan tidak berubah dan ini sangat tidak nyaman bagi telingga manusia. Hal ini harus segera di atasi, agar kenyamanan tetap ada, walaupun tinggal di sekitar pemasangan turbin angin. Solusinya adalah pemasangan sistem peredam pada gearbox. Biasanya semakin cepat putaran turbin, bising yang dihasilkan juga semakin keras.

Untuk mengatasi kebisingan yang ditimbulkan oleh turbin angin. Sistem peredam aktif yang dikembangkan tersebut menggunakan piezo aktuator yang dipasang pada bearing gearbox. Aktuator tersebut bekerja dengan jalan menghasilkan getaran dengan frekuensi yang berlawanan dari yang dihasilkan oleh turbin angin. Frekuensi yang dihasilkan aktuator tersebut pun berubah-ubah sesuai deteksi sensor pada sistem yang selalu memantau frekuensi yang ditimbulkan turbin angin.

Tags: Add new tag

Hallo Teman-teman saat ini kita akan membahas lebih rinci tentang perubahan keadaan fisik di bagian 1.1 yang dibawa oleh gelombang suara melalui medium, seperti sifat suara. Keadaan tersebut dapat dijelaskan dengan mengetahui jumlah tekanan, kepadatan, suhu dll. Semuanya itu bisa berubah ketika gelombang suara merambat didalam sebuah medium. Gelombang suara juga dapat digambarkan dalam hal kuantitas yang disebut variabel bidang suara. Selanjutnya kita akan mendiskusikan berbagai macam variabel yang berhubungan dengan sifat suara.

3.1 Variabel Akustik

Di dalam Bab 2, sudah dijelaskan bahwa ada cara yang paling tepat untuk karakterisasi kekuatan getaran dari suatu benda yang berosilasi atau dengan menetapkan perpindahan vektor s dengan komponennya ξ,μdan ζdan koordinat Cartesian. Konsep ini juga bisa diterapkan untuk bidang suara. s melambangkan perpindahan partikel media dari posisi normal. Saat kita membahas tentang partikel yang bukan molekul gas atau cairan yang bergerak dengan cepat, saat itu juga partikel tidak mempunyai gerakan termal, walaupun itu hanya suara. Seandainya partikel adalah volume kecil dengan masing-masing mempunyai banyak molekul maka efek termalnya bisa diketahui, seperti osilasi yang menggunakan kecepatan v pada partikel yang bergerak. Kita harus bisa memngetahui perpindahan “partikel velositasnya” dari kecepatan suara yang bergerak melalui medium, sesuai dengan persamaan (2.1). s adalah fungsi ruang dan waktu yang diferensiasi parsial

(3.1)

Jika medianya adalah berupa cairan gelombang suara sebagai aliran nonstasioner dengan kecepatan ruang maka waktunya tergantung aliran v. Jika alirannya kita asumsikan dalam akustik, maka kecepatan partikel dapat diturunkan dari potensial skalar, maka potensi kecepatan dapat di defensialkan parsial terhadap koordinat

(3.2)

Gerak osilasi tergantung pada s, sementara beberapa partikel yang dibelokkan ke salah satu sisi, maka akan mengalami perpindahan tempat dan arah (contoh Gambar 1.1).

Oleh karena itu, medium membawa gelombang suara akan mengalami deformasi. Mari kita mendalami tentang propagasi suara dalam gas atau cairan, dalam fluida. Di sini deformasi yang disebabkan oleh gerakan non-sinkron dari partikel tetangga terdiri dari kompresi lokal. Demikian ketika tiba di variabel akustik lain, yaitu, variasi densitas ρ ≈. Selanjutnya, setiap perubahan kerapatan fluida adalah terkait dengan terkait p ≈ perubahan tekanan dalam fluida. Oleh karena itu kepadatan total dan tekanan adalah: dan

Dengan ρ0 dan p0 menunjukkan nilai media yang belum bergerak, dalam persamaan diatas ada variasi tekanan yang penting untuk pengukuran tekanan suara yang memiliki dimensi Newton per meter persegi (N/m2) atau disebut juga Pascal (Pa).
Variasi densitas, tekanan dan suhu merupakan sebuah fluida jika dipanaskan, dikompresi dan di dinginkan pada saat dijernihkan. Tekanan dalam fluida yang besarannya dikatakan seperti non-directional bertindak tegak lurus pada batas apapun.

Gambar 3.1 tegangan tarik dan geser dalam elemen volume persegi tubuh yang padat.

untuk cairan yang mengabaikan tegangan permukaan dan viskositas. Untuk benda padat cenderung untuk mempertahankan tidak hanya volume tapi juga bentuknya. Komponen ini juga mempengaruhi tekanan. Gambar 3.1 memberikan gambaran tentang kekuatan yang mungkin terjadi dalam benda padat. Hal ini menunjukkan unsur bahan, sebuah kubus kecil yang tertanam dalam solid. Pada sebelah sisi kanannya mungkin terkena kekuatan tarik menunjuk ke arah-x.

Selain itu, nilai tangensial yang mempunyai gaya geser akan menghasilkan gaya elastis untuk menyeimbangkan gaya geser tersebut. Seperti pada definisi tekanan dalam fluida, akan sangat berguna untuk menghubungkan kekuatan dalam padat ke daerah yang mengalami pergerakan yang disebut “tekanan elastis” dan diukur dalam N/m2. Dalam gambar 3.1 kita bisa membedakan gaya normal atau tarik stres dari tegangan tangensial atau geser dan bisa menjadi dua komponen menurut sumbu koordinat. Tegangan dilambangkan oleh simbol σ_ik, di mana subskrip pertama menunjukkan pergerakan sedangkan yang kedua menunjukkan arah kekuatan. Dengan demikian, tegangan yang bekerja pada Gambar 3.1 adalah tegangan normal dan geser σ_xx tegangan σ_xy dan σ_xz. Oleh karena itu diperoleh sembilan tegangan elastis yang membentuk apa yang dikenal sebagai tensor stres:

Maka

3.2. Dasar hubungan di akustik

Dalam bagian ini kita harus melihat lebih dekat lagi bagaimana cara variabel akustik tersebut sebelumnya terkait satu sama lain. Tujuannya adalah untuk menurunkan rumus yang menghubungkan gerakan partikel material dengan kekuatan di dalam medium. Hal ini dapat dijelaskan dengan menggunakan prinsip-prinsip konservasi momentum.

3.2.1 Gelombang suara dalam cairan

Hal yang paling mempengaruhi pada gelombang suara dalam sebuah cairan kental yaitu tekanan medianya. Gambar 3.2 menunjukkan sebuah elemen volume yang beradab dalam medium. Bagian atas dan
garis yang lebih rendah dapat dibayangkan sebagai dinding tabung kaku. Hal yang penting adalah bahwa keadaan medium tergantung hanya pada satu ruang koordinat x. Yang sangat kecil panjang elemen volume dilambangkan oleh dx sementara luas penampang tabung nyata atau virtual dS. Tekanan suara pada x adalah p (x), sesuai, gaya yang bekerja dari sisi kiri pada elemen volume yang diarsir adalah p (x) dS. Demikian pula, gaya yang diberikan ke batas kanan adalah p (x + dx) dS.

Gambar 3.2 Penurunan hubungan akustik dasar: (a) gaya saldo, (b) massa keseimbangan.

Perbedaan gaya

mempercepat massa ρ_tdxdS medium dalam elemen dan harus mengatasi gaya inersia pada ρ_tdxdS dikalikan dengan percepatan dv_x /dt dengan v_x yang menunjukkan komponen x dari kecepatan partikel. Lalu menyamakan kedua gayanya dalam dxdS maka volume di kedua sisinya yaitu:

Simbol diferensiasi d/dt di sisi kanan menunjukkan percepatan total yang bergerak bersama-sama dengan elemen volume. Hal ini dapat ditulis dalam bentuk:

Sebelah kanan dari gambar 3.2a adalah percepatan lokal massa yang terkandung dalam elemen volume, yaitu, percepatan benda. Setelah mengetahui materi diatas maka persamaan (3.6) berbunyi:

Berikutnya kita akan membembuat keseimbangan massa untuk unsur volume pada Gambar 3.2b. Berbeda dengan sebelumnya elemen volume sekarang seharusnya tetap dalam ruang, yaitu tidak mengalami pergeseran. Massa di sisi kiri mempunyai elemen volume (ρ_tv_x)_xdS dimana kecepatan aliran dalam arah positif x dihitung positif. Demikian juga dengan massa yang mengalir di batas kanan sebesar (ρ_tv_x)_x+dxdS. Masuknya bersih massa 

Karena materi konservasi, sehingga meningkatkan densitas di volume elemen dxdS:

atau

Untuk menutup lingkaran kita perlu hubungan antara tekanan dan densitas. Hubungan ini disebut persamaan keadaan. Secara umum, hal tersebut mempunyai tiga fisik kuantitas, yaitu tekanan, ρt kerapatan fluida dan suhu mutlak T. Di akustik kita bisa mengasumsikan bahwa penekanan dari media masing-masing mengikuti
pertukaran panas antara volume yang berdekatan elemennya. Perubahan keadaan semacam ini disebut ‘adiabatik’. Dalam hal ini suhu ditentukan oleh dua kuantitas lain dan persamaan keadaan untuk menyederhanakan

Sekarang tiga jumlah densitas, tekanan dan kecepatan partikel terkait satu sama lain dengan persamaan (3.8), (3.10) dan (3.11). Pada prinsipnya, kita bisa menggunakan ketiga hal tersebut untuk menghilangkan dua dari ketiga hal diatas untuk mendapatkan satu persamaan yang variabel ketiga harus diketahui. Sayangnya, persamaan ini adalah non-linear, persamaan (3,8) dan (3.10), misalnya, berisi bahan dari kuantitas. Namun, dalam gelombang suara kecepatan partikel sangat kecil maka kecepatanya dapat kita abaikan. Variasi tekanan dan kerapatan yang sangat kecil dibandingkan dengan kecepatan maka nilai ρ0 dan p0:

Dengan demikian, variasi tekanan udara yang disebabkan oleh nada suara menengah (≈ 60 desibel) lebih kecil dari tujuh kekuatan sepuluh daripada normal tekanan atmosfer dari 105 Pa. Oleh karena itu dibolehkan untuk menggantikan ρt dengan ρ0 pada persamaan (3.8) dan (3.10). Akhirnya, untuk persamaan linier (3.11) juga kita perkiraan hubungan umumnya non-linear (3.11) dengan yang linear. Dengan demikian, diterapkan pt - p0 = p dan ρt - ρ0 = ρ:

Berikut singkatan

Nilai persamaan diatas akan konstan selama intensitas suara tidak terlalu tinggi. (Pengecualian akan diuraikan dalam Bagian 4.5) Oleh karena itu., linearised persamaan fundamental dari media suara satu dimensi:

Pada persamaan diatas kedua variasi kerapatan ρ telah dinyatakan sebagai suara tekanan p menggunakan persamaan (3.13). Pada Bagian 4.1 konstanta c akan berubah menjadi kecepatan suara.

3.2.2 Padatan isotropik

Sekarang kita kembali ke materi yang berhubungan dengan zat padat, terutama pada padatan isotropik. Sebuah materi padat dikatakan isotropik jika sifat fisiknya adalah independen dari arah pengaruh eksternal, misalnya, dari listrik lapangan atau kekuatan mekanik. Jadi gelas dan logam digunakan karena bahan tersebut hampir isotropik, sedangkan bahan-bahan seperti kayu dan semua kristal anisotropik. Seperti dalam turunan dari persamaan (3.5) kita menghitung gaya total yang bekerja pada bahan elemen dV = dxdydz yang dianggap sebagai tetap dalam padat. Gambar 3.3 menunjukkan bagian elemen dengan sumbu z berjalan tegak lurus terhadap bidang halaman. Mula-mula kita mempertimbangkan perbedaan antara σ_xx tegangan normal yang bekerja pada kiri dan kanan permukaan elemen, baik permukaan yang tegak lurus terhadap sumbu x. Sekarang kita harus ingat bahwa tekanan normal bukan komponen gaya hanya diarahkan pada x, melainkan tekanan geser

Gambar 3.3 Angkatan ke arah-x, yang bekerja pada elemen volume tubuh yang padat

σ_xz yang bekerja pada permukaan tegak lurus dengan sumbu-y, yang menimbulkan gaya total ditunjukkan dalam jangka kedua. Dengan cara yang serupa geser tegangan σ_xz (tidak ditampilkan pada Gambar 3.3). Di permukaan tegak lurus terhadap sumbu z yang menghasilkan tiga variabel. Oleh karena itu komponen gaya diarahkan ke x-arah adalah:

Persamaan ini adalah analogi dari Persamaan (3.5). Sekali lagi, gaya ini harus diimbangi oleh komponen-x dari gaya inersia yang elemen volume ketika dipercepat. Komponen ini massa ρtdxdydz dari unsur dianggap volume dikalikan dengan percepatannya. Dengan asumsi bahwa kecepatan partikel dalam padat sangat kecil dan bagian variabel kerapatan yang lebih kecil dibandingkan dengan nilai kesetimbangannya kita dapat mengganti percepatan total dengan percepatan lokal (lihat diskusi di sebelumnya bagian), kita tiba di sebuah persamaan linear sesuai dengan Persamaan (3.15). Setelah membatalkan dxdydz, maka berbunyi:

kita telah mengganti ρt dengan ρ0. Dua persamaan yang sama untuk y dan z komponen percepatan, ∂ 2η / ∂ ∂ 2ζ t2 dan / ∂ t2, diperoleh dengan menggantikan subskrip pertama x dari tegangan dengan y dan z, masing-masing. Setelah membahas gaya inersia dalam padat sekarang kita harus berpaling komponen lainnya dari setiap gerak osilasi, yaitu kekuatan pemulihan. Sebuah benda padat akan bereaksi dengan kekuatan elastis yang cenderung untuk membangun kembali keadaan semula. Deformasi ini dapat digambarkan dalam istilah strain yang baik yang mana perubahan fraksional dari dimensi tubuh atau perubahan bentuk. Secara formal, dapat dinyatakan oleh derivatif parsial komponen, perpindahan dan ζ ξ η sehubungan dengan koordinat x, y dan z. Tegangan dan derivatif yang relevan dari perpindahan tersambung satu sama lain dengan hubungan:

sama untuk σ_yy dan σ_zz (3.18)
juga untuk σ_yz dan σ_xz (3.19)

Ini adalah persamaannya

3.3 Persamaan gelombang

Persamaan gelombang ini dapat dihubungkan dengan persamaan satu variabel akustik, misalnya, dengan tekanan suara jika kita mempertimbangkan suara pertama di fluida. Untuk tujuan ini partikel kecepatan v_x dihilangkan dari persamaan linear (3.15) dan (3.16). Hal ini secara parsial dapat membedakan Persamaan (3.15) terhadap x dan Persamaan (3.16) terhadap t. Hal ini membawa kita untuk

Persamaan diferensial ini juga dikenal sebagai persamaan gelombang akustik, tidak hanya tekanan suara tetapi juga semua variabel akustik lain harus memenuhi itu. Sangat penting fundamental dalam akustik seperti yang akan kita pelajari di bawah ini. Selain itu, ia menjelaskan jenis lainnya dalam propagasi gelombang, misalnya, perjalanan gelombang transversal dalam string yang dasar alat musik yang banyak.

Dalam hal ini, p tekanan suara harus diganti dengan perpindahan transversal tali dan c konstan berbeda dari yang di cari Persamaan (3.14), tentu saja. Persamaan (3.21) berlaku untuk gelombang suara hanya satu dimensi. Namun, bidang suara real yang lebih kompleks, mereka adalah tiga-dimensi. Ini berarti pada awalnya bahwa kita harus mempertimbangkan juga komponen v_y dan v_z partikel kecepatan vektor v. Oleh karena itu, dua persamaan lebih dari jenis Persamaan (3,15) harus ditetapkan. Untuk melakukan yang satu ini hanya harus mengganti x di persamaan (3.15) dengan y dan z. Ketiga hubungan yang dihasilkan dapat digabungkan menjadi satu dengan menerapkan notasi vektor:

dimana p adalah vektor lulusan, yang disebut gradien p, dengan komponen

Demikian pula, persamaan (3.16) harus diperluas dengan mengganti hasil-bagi diferensial ∂_vx/∂x dengan

Waktu turunan dari dilatasi diperkenalkan oleh persamaan (3.20).) Oleh karena itu, bentuk tiga dimensi dari Persamaan (3.16) berbunyi:

Dari dilatasi tersebut diperoleh dengan integrasi terhadap waktu t:

Persamaan (3.22) berisi pernyataan penting pada sifat suara gelombang dalam cairan. Sebuah gelombang suara perjalanan ke arah tertentu di mana interaksi antara unsur-unsur volume berdekatan, dipengaruhi oleh perbedaan tekanan, paling kuat, yaitu ke arah gradien tekanan. Ini juga arah di mana vektor v mewakili kecepatan partikel poin dan maka arah dari vektor perpindahan s. Gelombang semacam ini disebut gelombang longitudinal. Dengan demikian, persamaan (3.22) memberitahu kita bahwa gelombang suara di gas dan cairan adalah gelombang longitudinal. Skema representasi dari pesawat gelombang longitudinal dan transversal diperlihatkan pada Gambar 10.1. Seperti dalam kasus satu dimensi satu tiba di persamaan gelombang dalam bentuk yang lebih umum dengan menggabungkan persamaan (3.22) dan (3.24). Untuk tujuan ini operasi divergensi diterapkan untuk Persamaan (3.22) dengan hasil:

Karena ekspresi dalam kurung diberikan oleh Persamaan (3,24), kita memperoleh

di mana operator Laplace div grad telah diperkenalkan sebagai semacam notasi steno. Empat persegi panjang koordinat tangan kiri.

Sisi persamaan (3.25) dibaca

Meskipun Persamaan (3.22), (3.24) dan (3.25) telah diturunkan berdasarkan koordinat Cartesius, validitas mereka tidak terbatas pada koordinat tertentu sistem. Jika sistem koordinat lain dipilih karena beberapa alasan salah satu baru saja menerapkan ekspresi masing-masing untuk vektor div operasi, lulusan dan persamaan gelombang untuk solid isotropik agak lebih rumit, karena berbagai lebih besar dari jumlah yang menggambarkan dinamika yang solid. Hal ini diperoleh, misalnya, untuk perpanjangan komponen ξ dengan mengungkapkan di persamaan (3.17) yang elastis menekankan oleh derivatif dari komponen perpanjangan menurut Persamaan (3.18) dan (3.19):

Terkait persamaan berlaku untuk komponen η dan ζ: