Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)
PENDAHULUAN
Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan ulang dua buah simulasi yang pernah penulis tulis sebelumnya. Yaitu simulasi aerodinamika airfoil dan simulasi supersonic nozzle. Pada tulisan kali ini, penulis hanya akan membahas suara yang dihasilkan oleh dua objek tersebut. Suara yang kita telinga kita dengar selama ini merupakan akibat dari fluktuasi tekanan yang terdapat di udara. Fluktuasi tekanan hasil simulasi tersebut akan diambil lalu diolah menjadi suara (unit decibel).
Gambar 1. Eksperimen uji kebisingan sebuah airfoil
Aerodynamic Accoustic merupakan cabang studi mencari kebisingan yang dihasilkan oleh udara ketika melewati suatu objek. Kebisingan ini digunakan untuk menentukan tingkat kenyamanan. Uji kebisingan dapat dilihat pada gambar di atas. Sebuah airfoil diletakkan di dalam wind tunnel yang dilengkapi microphone. Di dalam wind tunnel tersebut akan dialiri udara. Kebisingan yang sering kita dengar akibat udara ketika berkendara disebabkan oleh fluktuasi tekanan. Fluktuasi itu akan direkam oleh microphone dan dicatat dan dikonversikan menjadi suara.
Tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan noise yang dihasilkan oleh airfoil dan nozzle. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mencari berapa decibel suara yang dihasilkan oleh airfoil dan nozzle. Simulasi ini bisa discaled up yaitu mencari suara yang dihasilkan oleh wind turbine atau mencari suara yang dihasilkan oleh mesin pesawat/mesin roket.
Gambar 2. Eksperimen uji kebisingan nozzle
PRE-PROCESSING
Settingan mesh airfoil dan nozzle tidak dibahas disini, karena penulis menggunakan domain dan mesh yang sama. Hal yang perlu dibahas adalah lokasi dimana kita akan mendapatkan tekanan, atau dengan kata lain dimana kita akan menaruh “mikrofon” sehingga kita bisa mendapatkan tekanan vs waktu.
Gambar 3. Lokasi pengambilan data tekanan pada simulasi airfoil
Gambar 4. Lokasi pengambilan data tekanan pada simulasi nozzle
Pada simulasi airfoil, terdapat 3 sampel poin sebagai receiver suara. Ketiga point itu terletak pada 15 cm, 30 cm, dan 45 cm di belakang trailing edge. Pada simulasi nozzle juga terdapat 3 sampel poin yang terletak pada mulut nozzle dan berada pada radius 2.5 cm, 4 cm, dan 8 cm.
SETUP
Gambar 5. General task page simulasi airfoil
Gambar 6. Turbulence model
Simulasi akustik memerlukan kita mengaktifkan transient. Karena data yang akan diproses nanti merupakan fungsi waktu (tekanan vs waktu). Model turbulen yang digunakan SST dengan tambahan Hybrid Model berupa SBES. Model ini berguna untuk memodelkan fluktuasi aliran lebih akurat sehingga fluktuasi tekanan yang didapat lebih akurat.
Gambar 7. Accoustic Model
Untuk bisa menganalisis suara yang dihasilkan oleh maka perlu diaktifkan Accoustic Model, model yang dipakai adalah Ffowcs William & Hawkings (FW-H). Kita perlu mendefinisikan kecepatan suara (dalam kasus ini kecepatan suara senilai 340 m/s). Untuk mendapatkan berapa decibel suara yang dihasilkan, kita perlu mendefinisikan Reference Accoustic Pressure dan nilai yang biasa digunakan Pa (nilai ini sebagai representasi batas minimal suara yang dapat didengar manusia). Kita perlu mendefinisikan sumber suara melalui Define Sources, sumber suaranya berasal dari boundary wall yaitu airfoil-wall. Kita perlu mendefinisikan receiver. Receiver ini sebagai “mikrofon” untuk merekam fluktuasi tekanan yang nantinya akan dikonversikan menjadi suara (unit decibel). Receiver berlokasi 15 cm, 30 cm, dan 45 cm di belakang trailing edge.
Gambar 8. General task page simulasi akustik nozzle
Gambar 9. Report definition tekanan pada simulasi nozzle
Sama seperti simulasi akustik airfoil, kita perlu mendapatkan fluktuasi tekanan per waktu maka dari itu perlu mengaktifkan Transient. Karena alirannya supersonic maka perlu menggunakan Density-Based Solver. Agar kita bisa mendapatkan tekanan vs waktu maka perlu dibuat report definition. Sebelum membuat report definition pastikan membuat point surfaces yang berfungsi sebagai “mikrofon”.
POST-PROCESSING
Gambar 10. Decibel vs Frequency pada setiap receiver pada simulasi airfoil
Gambar 11. Suara yang diterima receiver pada simulasi airfoil
Gambar 12. Kontur intensitas turbulen pada simulasi airfoil
Gambar 13. Range kebisingan dari berbagai macam objek
Berdasarkan hasil simulasi, suara yang dihasilkan airfoil pada jarak 15 cm, 30 cm , dan 40 cm sebesar 72 dB, 59 dB, dan 44 dB. Berdasarkan grafik di atas suara yang dihasilkan oleh airfoil ini masih berada di level aman. Manusia mulai tidak nyaman ketika mendengar intensitas suara lebih besar dari 80 dB.
Intensitas suara mengikuti inverse square law. Ketika sumber suara berjarak dua kali lebih jauh, maka intensitasnya akan berkurang sebesar 4 kali lipat. Hal ini bisa dilihat ketika jaraknya berubah 2 kali (dari 15 cm ke 30 cm) intensitasnya menurun sebesar hampir 10 dB. Intensitas sebenernya itu berkurang sebesar 100 kali lipat (karena decibel merupakan skala logaritma).
Gambar 14. Suara yang dihasilkan nozzle per waktu
Gambar 15. Suara yang dihasilkan nozzle per frekuensi suara
Intensitas suara (dalam decibel) dapat dihitung berdasarkan pembacaan tekanan udara. Persamaan yang diguanakan adalah seperti di bawah
Referensi tekanan yang dipakai bernilai Pa. Berdasarkan grafik pada gambar 14, suara yang dihasilkan supersonic nozzle sebesar 194 dB. Suara ini dapat melukai gendang telinga manusia jika di dengar terlalu lama. Menurut gambar 13, suara pesawat komersil ketika take-off sebesar 130 dB. Menurut pengukuran NASA [3], suara roket ketika lift-off bisa mencapai 200 dB. Itu artinya simulasi ini cukup merepresentasikan dunia nyata.
Biasanya dalam simulasi akustik, kita mengkonversi hasil pengukuran tekanan vs waktu menjadi tekanan vs frekuensi menggunakan Fast Fourier Transform. Hal ini memberi tahu kita pada range frekuensi yang bisa di dengar manusia (20 Hz – 20 kHz) berapa intensitas suara yang dihasilkan. Kebisingan tidak dapat hanya dinilai dengan decibel saja. 10 dB akan terasa biasa saja jika didengar pada frekuensi rendah, tetapi akan sangat bahaya jika didengar dengan frekuensi tinggi.
Referensi
[1] Alison Zilstra and David A Johnson 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1618 042010
[2] Thies, A., and Tam, C. K. W., “Computation of Turbulent Axisymmetric and Nonaxisymmetric Jet Flows Using the k-ε model,” AIAA Journal, Vol. 34, No. 2, 1996, pp. 309-316.
Hasil suara yang dihasilkan oleh airfoil :
https://drive.google.com/file/d/1giicH2lk_L0LMQhg3xMOLlog_eqkfvUy/view?usp=sharing (Note : gunakan headset untuk mendengarkan lebih jelas)
