Dalam praktik pengendalian kebisingan di lingkungan industri, seseorang hampir selalu menemukan bentuk getaran mekanis yang memainkan peran utama dalam menghasilkan dan mentransmisikan kebisingan.
Dalam punch press, misalnya radiator kebisingan utama adalah die plate dari press yang disebabkan bergetar oleh gaya besar yang timbul dalam operasi punching. Sebaliknya, dalam sistem hidrolik dan pneumatik, pemancar dan radiator kebisingan termasuk rumah pompa yang bergetar, struktur pemasangan, penutup lembaran logam, dan sistem perpipaan.
Getaran mekanis adalah gerak bolak-balik suatu benda di sekitar titik ekuilibrium dalam ruang. Titik itu sendiri bisa bergerak atau diam. Sebuah contoh yang sangat sederhana dari sistem getaran adalah seorang anak di ayunan, yang menampilkan semua bahan dari sistem getaran sederhana; yaitu.,
(a) Massa dan
(b) Kekuatan pemulih.
Massa dalam hal ini sebagian besar adalah massa anak di ayunan, sedangkan gaya pemulih berasal dari komponen gravitasi yang tegak lurus dengan rantai penyangga ayunan. Contoh sederhana ini juga menggambarkan fenomena non resonansi dalam sistem getaran.
Jika ayunan diberi sedikit dorongan pada waktu yang tepat di setiap siklus, ayunan itu akan bergerak semakin jauh dengan setiap dorongan. Dengan cara yang sama, gerakan getaran dapat terus menumpuk, di bawah kondisi yang tepat, hingga amplitudo yang sangat tinggi melebihi berkali-kali lipat dari gerakan input. Ini dikenal sebagai “resonansi”.
Anak di ayunan, atau pendulum sederhana, merupakan yang paling sederhana dari semua sistem getaran, hanya memiliki satu massa yang dapat diidentifikasi dan gaya pemulih. Pengaturan seperti itu dikenal sebagai “sistem satu derajat kebebasan”.
Jika suatu sistem getaran diberi gangguan awal dan kemudian dibebaskan dengan menghilangkan gaya yang diberikan, sistem itu akan mencari frekuensi getarannya sendiri, yang disebut frekuensi alami sistem tersebut. Getaran mekanis disebabkan oleh gaya-gaya yang bervariasi dalam tine. Gaya-gaya ini dapat dianggap sebagai input ke sistem getaran.
Ada banyak cara berbeda di mana kekuatan yang berubah-ubah waktu muncul dalam pengoperasian mesin, misalnya:
(a) gaya tidak seimbang rotasi dan translasi;
(b) Gaya dari elemen gelinding dan geser, dan
(c) Gaya hidrolik dan aerodinamis elektrik.
Ketidakseimbangan putar terjadi ketika sumbu rotasi tidak bertepatan dengan salah satu sumbu utama inersia dari benda yang berputar. Gaya yang tidak seimbang sebagian besar sinusoidal dalam waktu, tetapi mungkin mengandung harmonik yang lebih tinggi. Gaya translasi yang tidak seimbang dapat terjadi setiap kali kecepatan anggota mesin berubah.
Jika gaya-gaya ini tidak dibatalkan oleh gaya-gaya yang sama dalam arah yang berlawanan, maka gaya-gaya yang tidak seimbang akan muncul. Karena besar dan arah gaya-gaya tersebut bergantung pada laju perubahan kecepatan dari bagian tertentu, getaran yang dihasilkan secara umum akan cukup kompleks tetapi tetap periodik.
Dalam mekanisme engkol geser, misalnya, harmonik kedua dari frekuensi rotasi adalah komponen gaya yang dominan. Gaya putar dan translasi ditransmisikan ke rangka mesin melalui bantalan penopang.
Jika gaya tidak dibatalkan oleh elemen penyeimbang atau gerakan balik, rangka itu sendiri harus bergerak berlawanan langsung dengan gaya ini sedemikian rupa sehingga pusat gravitasi mesin tetap diam. Ini adalah mekanisme dimana kekuatan internal yang tidak seimbang menghasilkan gerakan eksternal dari mesin.
Banyak elemen mesin seperti bantalan elemen bergulir, roda gigi, rem gesekan, dan kopling menghasilkan gaya getaran dengan gerakan menggelinding dan/atau menggeser. Gerak menggelinding antara dua gigi roda gigi misalnya, menghasilkan formasi deformasi elastis dan gelombang tegangan yang terjadi secara periodik setiap kali roller melewati suatu titik tertentu, atau ketika dua gigi roda gigi bertautan. Deformasi gigi-gigi memperkenalkan mekanisme getaran tambahan.
Proses gesekan, di sisi lain, menimbulkan gaya penghasil getaran oleh setidaknya dua proses. Pada proses pertama, gaya geser acak terjadi antara permukaan kawin dengan kecepatan relatif.
Proses kedua, yang dikenal sebagai “stick-slip”, jauh lebih rumit dan biasanya bergantung pada geometri, permukaan akhir, dan sifat gesekan dari dua permukaan kawin. Pekikan kapur pada papan tulis adalah contoh sederhana dari proses selip tongkat di tempat kerja.
Gaya getaran pada mesin listrik berputar berasal dari celah udara antara stator dan rotor. Fluks magnet berosilasi pada frekuensi garis, tetapi gaya magnet sebanding dengan kuadrat fluks. Dengan demikian gaya getaran utama terjadi tidak pada frekuensi garis tetapi pada dua kali frekuensi garis.
Ini adalah frekuensi dengungan yang biasanya terdengar dari motor listrik. Gaya periodik di celah udara memiliki komponen dalam arah tangensial dan radial. Pada arah tangensial, hal ini menghasilkan variasi aperiodik pada torsi motor, dan pada arah radial, pembengkokan periodik pada poros rotor dan rumah stator.
Sebaliknya, dalam sistem hidrolik, kompresi siklik dan pelepasan fluida merupakan sumber utama getaran. Pada pompa tipe piston dan baling-baling, misalnya, selongsong cairan ditarik ke dalam ruang, dikompresi, dan kemudian tiba-tiba dilepaskan ke lubang pembuangan. Kompresi periodik dan pelepasan cairan menghasilkan gaya pada harmonik dari frekuensi pelepasan dasar.
Sumber getaran mekanis yang diinduksi secara aerodinamis umumnya terjadi ketika aliran turbulen berinteraksi dengan dinding pipa atau saluran yang membawa aliran. Ini paling sering terjadi ketika aliran berkecepatan tinggi dipaksa melalui perubahan cepat dalam geometri saluran seperti pada lubang, katup, dll.
Kontrol Getaran:
Pendekatan yang paling diinginkan untuk pengendalian derau adalah mengendalikan derau pada sumbernya (yakni sumber yang tampak atau radiator derau). Paling sering sumbernya adalah beberapa panel getaran, rumahan, atau bagian lain dari mesin yang responsif terhadap eksitasi getaran dan yang digabungkan secara efisien ke sumber energi getaran di dalam mesin.
Jadi sistem getaran sederhana terdiri dari:
(a) Sumber getaran,
(b) Jalur getaran, dan
(c) Permukaan radiator (dengan, kemungkinan, umpan balik radiasi dalam kasus di mana terjadi getaran keluar sendiri).
Beberapa contoh getaran yang terkenal dari sistem umpan balik radiasi adalah rangkaian rem dan obrolan alat mesin. Sistem getaran yang lebih rumit memiliki banyak sumber, jalur, dan permukaan radiator.
Dalam kasus yang paling sederhana, sumber radiasi dan sumber getaran sangat erat digabungkan sehingga tampak satu dan sama. Di sisi lain, dalam kasus yang lebih ekstrim, jalur getaran mungkin sangat panjang dan berkerut sehingga mengidentifikasi radiator dengan sumber getaran mungkin sulit.
Misalnya , getaran yang dimasukkan ke dalam pipa, saluran, dan struktur bangunan dapat ditransmisikan dalam jarak yang sangat jauh sebelum digabungkan ke radiator yang efisien seperti dinding ruangan. Oleh karena itu, metode kontrol getaran didasarkan pada modifikasi sumber getaran, jalur getaran, dan permukaan radiasi.
Beberapa metode ini adalah:
(a) Kontrol sumber getaran;
(b) Kekakuan struktural;
(c) Detuning dan decoupling;
(d) Isolasi getaran;
(e) Penyerapan getaran; dan
(f) Peredam getaran.
Ada banyak cara untuk memodifikasi sumber getaran, dan semuanya bergantung pada proses tertentu. Misalnya, ketidakseimbangan rotasi dapat diperbaiki dengan penyeimbangan dinamis. Demikian pula, gaya yang tidak seimbang dalam anggota translasi dapat dikurangi dengan meminimalkan percepatan puncak dan berapa kali dalam suatu siklus bahwa anggota harus mengalami perubahan kecepatan.
Perbaikan pada finishing permukaan pada bagian rolling dan sliding akan mengurangi gaya yang disebabkan oleh kekasaran dan bergelombangnya permukaan yang bersangkutan.
Pengakuan struktural melibatkan penambahan gusset, tulang rusuk, dll., ke struktur untuk menaikkan frekuensi alaminya di atas rentang frekuensi eksitasi. Hal ini seringkali sulit dilakukan dalam praktek karena pengaku menambah massa kembali ke dalam struktur yang cenderung melawan kekakuan yang ditambahkan. Kami mencatat di sini bahwa frekuensi alami sebanding dengan akar kuadrat dari rasio kekakuan terhadap massa.
Detuning suatu struktur terdiri dari memodifikasi bagian-bagian komponennya sehingga kebetulan frekuensi resonansi dapat dihindari. Ini mungkin melibatkan peningkatan baik kekakuan atau massa, penataan ulang titik lampiran, dll. Decoupling, di sisi lain, melibatkan lampiran komponen struktural yang lebih kaku bersama-sama untuk mengurangi jumlah derajat kebebasan dan karenanya jumlah frekuensi resonansi.
Penggunaan penyangga berpegas antara mesin dan pondasinya atau antara dua komponen mesin untuk mengurangi transmisi getaran disebut isolasi getaran. Tujuannya di sini adalah untuk memilih laju pegas penyangga sehingga frekuensi alami mesin pada penyangganya cukup rendah dibandingkan dengan frekuensi eksitasi.
Cara biasa untuk mengurangi frekuensi alami adalah dengan mengurangi laju pegas yang menghasilkan defleksi statis yang lebih besar. Batasan defleksi statis dan stabilitas mesin biasanya menentukan seberapa lunak dudukan berpegas, sehingga membatasi jumlah isolasi yang dapat diperoleh.
Penyerapan getaran, di sisi lain, adalah teknik kebalikan dari decoupling. Dalam teknik ini, massa dan pegas tambahan ditambahkan untuk, katakanlah, mengubah sistem satu derajat kebebasan menjadi sistem yang memiliki dua derajat kebebasan. Teknik ini berguna ketika mesin beroperasi pada atau sekitar frekuensi resonansi.
Penambahan unit massa-pegas kedua, pada dasarnya, menggeser frekuensi alami mesin menjauh dari titik resonansi. Sayangnya, istilah “penyerapan getaran” adalah istilah yang keliru karena getaran sebenarnya tidak “diserap” dalam pengertian transformasi energi.
Peredam getaran adalah teknik penyerapan di mana energi getaran diubah menjadi panas. Metode yang paling umum dalam hal ini adalah menerapkan lapisan bahan viskoelastik ke permukaan bagian yang bergetar untuk mengurangi amplitudo getaran pada resonansi. Ini paling efektif pada panel tipis dengan area luas; panel seperti itu biasanya menjadi radiator kebisingan utama.
Dalam beberapa kasus, redaman internal bahan yang digunakan dalam konstruksi mesin dapat secara efektif mengurangi getaran resonansi. Besi tuang abu-abu, misalnya, digunakan pada rangka perkakas mesin karena karakteristik peredam getarannya.
Bahan komposit baru terkadang dapat digunakan sebagai elemen struktur untuk mengurangi getaran. Di mana getaran parah cenderung terjadi, pertimbangan khusus harus diberikan pada sifat material yang digunakan dalam konstruksi.
