Dinamika Tekanan dan Kecepatan Akustik pada Resonator Tipe-H: Telaah Teoritis Singularitas Efek Tepi dari Diskontinuitas Saluran dan Optimasi Desain Dengan Menggunakan Genetic Algorithms (GA)

R. YOSI APRIAN SARI, Prof. Drs. Agung Bambang Setio Utomo, SU., Ph.D.; Dr. Mitrayana, M.Si.; Dr. Supardi, M.Si.

2022 | Disertasi | DOKTOR FISIKA

Optimasi geometri resonator sangat penting untuk memaksimalkan sinyal fotoakustik yang umumnya lemah. Konfigurasi resonator yang paling sering digunakan adalah silinder karena simetrinya yang sederhana, yang bertepatan dengan sinar laser yang merambat di sepanjang sumbu silinder atau salah satu sumbunya. Pada resonator silinder tipe-H ini, perambatan akustik dalam silinder yang luas penampangnya berubah secara tiba-tiba (disebut diskontinuitas saluran) menjadi masalah utama dalam penelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui sejauh mana pengaruh singularitas efek tepi untuk mendapatkan desain resonator silinder tipe-H yang optimal, frekuensi resonansi (f), kerugian transmisi (TL), faktor kualitas (Q_j), dan konstanta sel (C_j) untuk gas: etilen, SF_6, aseton, dan amonia. Metode yang digunakan dalam optimasi ini adalah simulasi melalui metode matriks transmisi dan algoritma genetika yang berkaitan dengan tekanan dan kecepatan volume akustik. Bentuk matriks ini berkaitan dengan ragam normal longitudinal terendah [kmn]=[100]. Adapun hasil yang diperoleh sebagai akibat adanya diskontinuitas saluran ini adalah desain optimal resonator silinder tipe-H berupa panjang buffer (l_buf )=48,8 mm, jari-jari buffer (r_buf )=9,2 mm, panjang resonator (l_res )=102,5 mm, dan jari-jari resonator (r_res )=2,9 mm, memunculkan singularitas efek tepi yang mempengaruhi frekuensi resonansi, kerugian transmisi, faktor kualitas, dan konstanta sel, serta letak sinyal maksimum di dalam resonator untuk semua gas.

Optimization of the resonator geometry is very important to maximize the photoacoustic signal, which is generally weak. The most frequently used configuration of the resonator is cylindrical because of its simple symmetry, which coincides with the laser beam propagating along the axis of the cylinder or one of its axes. In this H-type cylindrical resonator, acoustic propagation in a cylinder whose cross-sectional area changes suddenly (called duct discontinuity) becomes the main problem in this study. The purpose of this study was to determine the extent of the effect of edge effect singularity to obtain an optimal H-type cylindrical resonator design, resonant frequency (f), transmission loss (TL), quality factor (Q_j), and cell constant (C_j) for gas biomarkers: ethylene, SF_6, acetone, and ammonia. The method used in this optimization is a simulation through the transmission matrix method (TMM) and a genetic algorithm (GA) related to the pressure and volume velocity of the acoustic. The shape of this matrix corresponds to the lowest longitudinal normal mode [kmn]=[100]. The results obtained as a result of this duct discontinuity are the optimal design of the H-type cylindrical resonator in the form of buffer length (l_buf )=48,8 mm, buffer radius (r_buf )=9,2 mm, resonator length (l_res )=102,5 mm, and resonator radius (r_res )=2,9 mm, which raises the edge effect singularity affecting the resonant frequency, transmission loss, quality factor, and cell constant, as well as the location of the maximum signal in the resonator for all gases.

Kata Kunci : Resonator Tipe-H, Optimasi, Diskontinuitas Saluran, Algoritma Genetika