geografi lingkungan

Khoirunnas anfa'uhum linnas

Senin, 04 Maret 2013

akustik kelautan


KONSEP DASAR AKUSTIK

Akustik merupakan ilmu yang membahas tentang gelombang suara dan perambatannya dalam suatu medium. Jadi, akustik kelautan adalah ilmu yang mempelajari tentang gelombang suara dan penjalarannya (perambatannya) dalam medium air laut (terjadi di kolom air). Akustik kelautan merupakan suatu bidang kelautan untuk mendeteksi target di kolom perairan dan dasar peairan menggunakan gelombang suara. Dengan pengaplikasian akustik kelautan akan mempermudah peneliti untuk mengetahui objek yang ada di kolom perairan dan dasar perairan baik berupa plankton, ikan, kandungan substrat dan adanya kapal kandas.
Oleh karena itu, pemahaman konsep dasar mengenai akustik kelautan ini sangat penting agar aplikasinya dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang secara optimal. Beberapa konsep dasar tersebut adalah sebagai berikut:
1.      Laut begitu luas dan dalam à bersifat dinamis
2.      Manusia sudah pernah mencapai planet terjauh, namun belum pernah mencapai laut terdalam à sehingga dibutuhkan alat dan metode untuk melakukan pendeskripsian kolom dan dasar laut yang sesuai dengan filosofi ilmu kelautan
3.      Saat ini, metode yang paling baik adalah dengan menggunakan akustik

Akustik dapat diklasifikasikan menjadi 2, yaitu: akustik pasif dan akustik aktif. Akustik pasif merupakan suatu aksi mendengarkan gelombang suara yang datang dari berbagai objek pada kolom perairan, biasanya suara yang diterima pada frekuensi tertentu ataupun frekuensi yang spesifik untuk berbagai analisis.  Pasif akustik dapat digunakan untuk mendengarkan ledakan bawah air (seismic), gempa bumi, letusan gunung berapi, suara yang dihasilkan oleh ikan dan hewan lainnya, aktivitas kapal-kapal ataupun sebagai peralatan untuk mendeteksi kondisi di bawah air (hidroakustik untuk mendeteksi ikan).
Akustik aktif memiliki arti yaitu dapat mengukur jarak dari objek yang dideteksi dan ukuran relatifnya dengan menghasilkan pulsa suara dan mengukur waktu tempuh dari pulsa tersebut sejak dipancarkan sampai diterima kembali oleh alat serta dihitung berapa amplitudo yang kembali.  Akustik aktif memakai prinsip dasar SONAR untuk pengukuran bawah air.
Metode akustik merupakan proses-proses pendeteksian target di laut dengan mempertimbangkan proses-proses perambatan suara, karakter suara (frekuensi, intensitas, pulsa), faktor lingkungan atau medium, kondisi target, dan lain-lain.
 Dengan mempertimbangkan faktor-faktor di atas, maka hidroakustik didasarkan pada prinsip yang sederhana, dimana transmitter yang menghasilkan listrik dengan frekuensi tertentu disalurkan ke transducer yang akan mengubah energi listrik à energi suara (gelombang suara) dan kemudian akan dipancarkan ke kolom perairan. Gelombang suara yang dipancarkan ke kolom perairan akan mengenai objek target, kemudian gelombang suara akan dipantulkan kembali oleh objek dalam bentuk echo, echo akan diterima oleh transducer. Echo tersebut akan diubah menjadi energi listrik lalu diteruskan ke receiver.
Lalu pertanyaan yang timbul adalah bagaimanakah jarak suatu objek dapat diketahui? Hal ini mudah saja, yaitu dengan menentukan selang waktu antara gelombang suara yang dipancarkan dengan gelombang suara yang diterima, sehingga transducer dapat memperkirakan jarak dan orientasi dari suatu objek yang dideteksi dengan rumus berikut:

Jarak = (Kecepatan suara x waktu)
       2

Instrument yang biasa digunakan dalam akustik antara lain ADCP (Acoustic Doppler Currents Profiler) yang berfungsi untuk mengukur arus dengan prinsip Doppler dan CTD (Conductivity, Depth, Temperature) yang berfungsi untuk mengukur konduktivitas, kedalaman dan suhu perairan.
Kelebihan dari metode akustik adalah berkecepatan tinggi, estimasi stok ikan secara langsung (direct estimation), memproses data secara real time, tepat dan akurat. Namun ada beberapa hambatan dalam aplikasinya, seperti adanya gangguan dari kolom air (absorbsi, pantulan, dan lain-lain), human error, kondisi alat, dan minimnya sumber daya manusia.


AFTERNOON EFFECT

Gangguan dari kolom air pernah terjadi pada suatu penelitian yang dilakukan tahun 1930-1960 oleh Letnan Pryor di Guantanamo Bay, kasus ini lebih dikenal sebagai afternoon effect. Letnan Pryor melakukan pengukuran menggunakan echo ranging system (sekarang dikenal sebagai SONAR). Ketika dilakukan pengukuran pada pagi hari, pengukurannya berhasil dan memperoleh data, tetapi ketika dilakukan pada siang hari terutama ketika cuaca panas/terik data yang diperoleh berubah. Hal ini disebabkan karena pada siang hari, fitoplankton sedang berkembang, berfotosintesis dan menghasilkan gelembung-gelembung udara yang dapat menghambat perambatan suara. Sedangkan pada pagi hari, perairan bersifat homogenous karena matahari belum memanasi perairan secara optimal seperti yang terjadi pada siang hari. Dan beberapa tahun kemudian diketahui bahwa penyebab terjadinya missing sounds adalah pengaruh dari suhu, salinitas, dan faktor lainnya.


MANFAAT DAN APLIKASI AKUSTIK KELAUTAN

Manfaat akustik meliputi aplikasi dalam survei kelautan, budidaya perairan, penelitian tingkah laku ikan, aplikasi dalam studi penampilan dan selektivitas alat  tangkap,  bioakustik. Aplikasi dalam survei kelautan untuk menduga spesies ikan, dengan akustik kita dapat menduga spesies ikan yang ada di daerah tertentu dengan menggunakan pantulan dari suara, semua spesies mempunyi target strengh yang berbeda-beda. Aplikasi dalam dunia budidaya untuk pendugaan jumlah ekor, biomass dari ikan dalam jaring/kurungan pembesaran untuk menduga ukuran dari individu ikan dalam jaring kurungan, memantau tingkah laku ikan dengan acoustic tagging.
Aplikasi akustik dalam tingkah laku ikan meliputi pergerakkan migrasi ikan dengan acoustic tagging, orientasi target (tilt angle), reaksi menghindar terhadap gerak kapal survei dan alat tangkap, respon terhadap rangsangan/stimuli cahaya, suara, listrik, hidrodinamika, komia, mekanik dan sebagainya. Aplikasi dalam studi penampilan dan selektivitas alat tangkap ikan meliputi pembukaan mulut trawl dan kedalaman, selektivitas penagkapan dengan melihat ukuran ikan target
1.    Militer
Alat akustik digunakan untuk kegiatan militer dan sangat canggih untuk saat ini. Negara Amerika telah mengembangkan akustik dan menghasilkan suatu Akustik Perangkat Long Range (LRAD), perangkat jarak jauh yang berasal dan peringatan beam yang diarahkan akustik. LRAD dikembangkan untuk berkomunikasi pada rentang operasional dengan kewenangan dan unggul dalam tinggi kebisingan pada lingkungan ambient. LRAD dirancang untuk  komunikasi di 300 meter  diatas tanah dan 500 + meter di atas air, LRAD juga dapat mengeluarkan nada peringatan.
2.    Biologi Kelautan
Suatu kajian Pengetahuan dalam menentukan jenis spesies, tingkah laku ikan serta lainnya.
3.    Perkapalan
Perancangan alat tangkap berbasis akustik agar hasil tangkapan maksimal dan tidak tepat sasaran, karena dengan akustik dapat dideteksi kumpulan suatu ikan.
4.    Pemetaan
Data dari pengukuran kedalaman dengan alat akustik nantinya dapat dijadikan suatu peta dasar laut.
5.    Oseanografi kelautan
Suatu kajian Pengetahuan  yang mempelajari tentang sifat-sifat laut, baik dalam kimia, fisik, maupun bio-geo dan hal – hal yang bersifat kelautan lainnya menggunakan suatu alat akustik.
6.    Industri
Penentuan lokasi yang sesuai dengan metode pendeteksian dasar laut dan menganalisis dampak yang akan terjadi jika industri tersebut dibangun didaerah tersebut.


KECEPATAN SUARA

Bunyi mempunyai cepat rambat yang terbatas. Bunyi memerlukan waktu untuk berpindah. Cepat rambat bunyi sebenarnya tidak terlampau besar. Cepat rambat bunyi jauh lebih kecil dibandingkan dengan cepat rambat cahaya. Karena bunyi termasuk gelombang, cepat rambat bunyi juga memenuhi persamaan cepat rambat gelombang. Jika bunyi menempuh jarak (s) selama selang waktu (t) maka akan memenuhi hubungan

V = s/t

s = jarak tempuh (m)
t = waktu ( s )
v = cepat rambat bunyi (m/s)

Satu periode gelombang menempuh jarak sejauh satu panjang gelombang. Maka jika t = T, maka s = λ . Maka bentuk lain ungkapan cepat rambat gelombang adalah V=λ/T oleh karena f = 1/T ,maka

V = λf

dengan λ = panjang gelombang bunyi (m)
T = periode gelombang bunyi (s)
F = ferkuensi gelombang bunyi (Hz)

Proses merambatnya bunyi pada saat benda yg bergetar akan menggetarkan molekul zat perantara/medium di sekitarnya lalu molekul yg bergetar akan merambatkan ke molekul-molekul yg lainnya, dan begitu seterusnya sampai getaran itu terdengar di telinga kita. Molekul udara membentuk rapatan (R) dan renggangan (r).
Pada laut, suara dirambatkan melalui medium air. Kecepatan rambat suara laut berbeda dengan kecepatan rambat udara ataupun darat. Bunyi merambat di udara dengan kecepatan 1.224 km/jam. Pada suhu udara 15 derajat celsius bunyi dapat merambat di udara bebas pada kecepatan 340 m/s. Bunyi merambat lebih lambat jika suhu dan tekanan udara lebih rendah. Di udara tipis dan dingin pada ketinggian lebih dari 11 km, kecepatan bunyi 1.000 km/jam. Di air, kecepatannya 5.400 km/jam, jauh lebih cepat daripada di udara. Dengan s panjang Gelombang bunyi dan t waktu.
Jika dibandingkan dengan cepat rambat udara, di laut kecepatan rambatnya lebih cepat 4x lipat dibangingkan dengan cepat rambat di udara. Hal tersebut diakibatkan partikel air laut lebih rapat dibandingkan dengan di udara yang lebih renggang. Sedangkan di darat (zat padat) lebih cepat lagi cepat rambat di laut karena benda padat kerapatannya paling tinggi diantara medium yang lain.
Tabel 1. Cepat rambat bunyi pada medium tertentu
Medium
Cepat Rambat Suara (m/s)
Udara (0°C)
331
Udara (15°C)
340
Air (25°C)
1490
Air Laut (25°C)
1530
Tembaga (20°C)
3560
Besi (20°C)
5130
Aluminium (20°C)
5100
(Sumber: http://andrynugrohoatmarinescience.wordpress.com)


Secara sederhana, pola perambatan gelombang suara di dalam laut yang dibagi secara vertikal adalah sebagai berikut:
a)  Zona 1 (mix layer) : Kecepatan suara cenderung meningkat akibat faktor perubahan tekanan mendominasi faktor perubahan suhu.
b)   Zona 2 (termoklin) : Kecepatan suara menurun dan menjadi zona minimum kecepatan suara akibat terjadinya perubahan suhu yang sangat drastis dan mendominasi faktor perubahan tekanan.
c)     Zona 3 (deep layer) : Kecepatan suara meningkat kembali akibat faktor perubahan tekanan mendominasi kembali faktor perubahan suhu.
http://htmlimg2.scribdassets.com/8dv24dw8sgzlqbe/images/2-023bcc9eef.jpg
Add caption
Gambar 1. Profil Suhu dan Kecepatan Suara terhadap Kedalaman

Kecepatan suara dapat dihitung menggunakan rumus :

C = 1449,2 + 4,6T - 0,055T2 + 0,00029T3 + (1,34 - 0,010T)(S-35) - 0,016Z

dengan : C = Kecepatan suara (m/s)
               T = Suhu (°C)
               S = Salinitas (psu)
               Z = Kedalaman (m)

Dari persamaan di atas, dapat dilihat bahwa kecepatan suara dipengaruhi oleh beberapa factor, yaitu :
1.    Suhu
Suhu merupakan salah satu karakter fisik dari air laut yang penting.  Di wilayah lintang sedang dan rendah (dekat dengan wilayah tropis), suhu merupakan faktor penting yang mempengaruhi densitas dan kecepatan suara di dalam air.  Suhu di daerah tropis pada wilayah permukaan laut berkisar 26-29oC yang dipengaruhi oleh musim.
Pada kondisi perairan laut yang mempunyai suhu berbeda-beda  menimbulkan variasi kecepatan suara yang menyebabkan refraksi atau pembelokan perambatan gelombang suara.  Perubahan suhu yang sangat cepat pada lapisan termoklin menyebabkan pembelokan gelombang suara yang tajam dan pada lapisan ini bertindak sebagai bidang pantul.  
2.    Salinitas
Salinitas adalah jumlah zat-zat terlarut dalam 1 kg air laut, dimana semua karbonat telah diubah menjadi oksida, bromide dan iodide diganti oleh klorida dan semua bahan organik telah dioksidasi sempurna.  Pada umumnya perairan laut lepas memiliki kadar salinitas 35 psu, yang berarti dalam 1 kg air laut mengandung elemen-elemen kimia terlarut seberat 35 gram.  Dimana komposisi air laut tersebut terdiri atas 3,5% elemen-elemen kimia terlarut dan 96,5% kandungan airnya.
Salinitas dapat mempengaruhi kecepatan suara di dalam air, teutama di wilayah lintang tinggi (dekat kutub) dimana suhu mendekati titik beku, salinitas merupakan salah satu paling faktor penting yang mempengaruhi kecepatan gelombang suara di dalam air.  Distribusi  vertikal salinitas pada wilayah tropis, ekuator, dan sub tropis mengalami nilai yang paling kecil pada kedalaman 600-1000 m (34-35 pratical salinity unit/psu).  Di wilayah tropis nilai salinitas pada permukaan  berkisar 36-37 psu.  Salinitas maksimun pada wilayah perairan tropis terjadi pada kedalaman 100-200 m dekat dengan lapisan termoklin dimana kadar salinitas dapat mencapai lebih dari 37 psu.   Di daerah laut dalam, kadar salinitas relatif seragam dengan nilai 34,6-34,9 psu.  Salinitas di samudera seperti Atlantik, Pasifik, dan Hindia rata-rata 35 psu, di wilayah laut yang tertutup, nilai salitas rata-rata tidak jauh dari kisaran 35 psu tergantung dari penguapan yang terjadi.
3.    Lapisan Termoklin
Lapisan termoklin merupakan lapisan yang berada dalam kolom perairan di laut yang dimana pada lapisan ini mengalami perubahan suhu yang  drastis dengan lapisan yang berada dan di bawah  lapisan termoklin.  Di laut, termoklin seperti lapisan yang membagi antara lapisan pencampuran (mixing layer) dan lapisan dalam (deep layer). Tergantung musim, garis lintang dan pengadukan oleh angin, lapisan ini bersifat semi permanen.  Faktor yang menentukan ketebalan lapisan ini di dalam suatu perairan seperti variasi cuaca musiman, lintang, kondisi lingkungan suatu tempat (pasang surut dan arus).
Penurunan suhu berbanding lurus dengan penambahan kedalaman dan salinitas. Pada daerah dimana terjadi penurunan suhu secara cepat inilah dinamakan lapisan termoklin.  Di laut terbuka, lapisan ini berkarakter sebagai gradient kecepatan suara negative dimana dapat memantulkan gelombang suara.  Secara teknik lapisan ini membendung dari impendansi akustik yang terputus-putus (diskontinu) yang tercipta dari perubahan densitas secara mendadak.  Karateristik yang unik inilah yang membuat pentingnya lapisan termoklin untuk diketahui, terutama dibidang pertahanan dan keamanan (kapal selam). Lapisan termoklin mempunyai karateristik mampu memantulkan dan membelokan gelombang suara yang datang.
4.    Kedalaman Perairan
Kedalaman mempengaruhi cepat rambat suara di dalam air laut. Bertambahnya kedalaman, maka kecepatan suara akan bertambah karena adanya tekanan hidrostatis yang semakin besar dengan bertambahnya kedalaman. Rata-rata terjadi peningkatan kecepatan suara sebesar 0, 017 m/detik setiap kedalaman bertambah 1 meter.
Permukaan laut merupakan pemantul dan penghambur suara yang mempunyai efek yang sangat besar dalam perambatan suara ketika sumber atau penerima berada di perairan dangkal.  Jika permukaan halus sempurna, maka ia akan menjadi pemantul suara yang nyaris sempurna.  Sebaliknya jika permukaan laut kasar kehilangan akibat pantulan mendekati nol.
            

ATENUASI GELOMBANG SUARA

Menurut artikata.com atenuasi adalah penurunan tingkat suatu besaran, misal intensitas gelombang suara. Dari sumber lain, atenuasi berarti pelemahan sinyal (ilmu komunikasi). Namun pengertian atenuasai yang tepat untuk gelombang suara adalah reduksi amplitudo dan intensitas gelombang dalam perjalanannya melewati medium.
Saat gelombang suara merambat melalui suatu medium, ada energi yang dirambatkan pula. Energi tersebut akan berkurang seiring dengan proses perambatan gelombang suara sejak suara keluar dari sumber suara (hal ini erat kaitannya dengan efek Doppler). Karena gelombang suara menyebar keluar dalam bidang yang lebar, energinya tersebar kedalam area yang luas. Sehingga semakin jauh pendengar dari sumber suara, maka suara yang terdengarpun semakin kecil. Fenomena inilah yang disebut atenuasi.
Peristiwa yang terjadi pada atenuasi ini terdiri dari absorpsi, refleksi dan scattering. Adapun satuan dari atenuasi adalah decibels (dB). Sedangkan koefisiensi atenuasi adalah atenuasi yang terjadi per satuan panjang gelombang yang satuannya decibels per centimeter (dB/cm).

Attenuation (dB) = attenuation coefficient (dB/cm) x path length
 
Bila koefisiensi atenuasi meningkat maka frekuensi akan meningkat pula. Setiap jaringan mempunyai koefisiensi atenuasi yang berbeda. Koefisiensi ini menyatakan besarnya atenuasi per satuan panjang, yaitu semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka semakin tinggi koefisiensi atenuasinya.


SHADOW ZONE

Shadow zone atau “zona bayangan” adalah daerah kedap terhadap transmisi gelombanga suara. Zona ini biasa terbentuk di lautan. Daerah ini sering dimanfaatkan kapal selam agar tidak terdeteksi oleh SONAR (Sound Navigation and Ranging). Hal ini terjadi karena suhu dan salinitas laut pada lapisan tersebut memantulkan rambatan suara yang datang.
Shadow zone yang terbentuk di laut karena sifat laut itu sendiri yaitu adanya 3 lapisan: mix layer, termocline layer, dan deep layer. Pada zona mix layer, kecepatan suara meningkat akibat peningkatan tekanan karena bertambahnya kedalaman. Zona kedua adalah zona termoklin, pada zona ini kecepatan suara menurun drastis secara cepat dibandingkan dengan pertambahan tekanan sehingga kecepatan suara di zoni ini berkurang terhadap kedalaman. Sedangkan zona ketiga yaitu zona laut dalam (deep layer), kecepatan suara meningkat terhadap kedalaman akibat tekanan yang bertambah.

Gambar 2. Pembentukan Shadow Zone
(Sumber: http://www.dosits.org/images/dosits/history-shadowzone.jpg)

Di dalam air laut, kecepatan gelombang suara mendekati 1.500 m/s (umumnya berkisar 1.450 m/s sampai dengan 1.550 m/s, tergantung suhu, salinitas, tekanan, dan musim). Pada lapisan termoklin terjadi penurunan suhu yang drastis sehingga terbentuklah dua medium karena adanya perbedaan suhu. Karena adanya batas antara dua medium ini menyebabkan pembelokan gelombang suara (refraksi). Pengaruh yang paling nyata terlihat jika terjadi kenaikan suhu air laut sebesar 1 C° akan menyebabkan meningkatnya kecepatan suara sebesar 1m/s. Akibatnya jika suhu meningkat maka gelombang suara yang dipancarkan akan cenderung dibelokan ke arah permukaan air. Sebaliknya jika suhu menurun karena kedalaman maka gelombang suara akan cenderung dibelokan ke dasar perairan. Karena terjadi pembelokan gelombang suara ke permukaan dan ke dasar perairan, maka terdapat wilayah yang tidak terjadi perambatan gelombang suara yang disebut shadow zone.



ABSORBSI, TARGET STRENGTH, VOLUME SCATTER, LAPISAN SOFAR

Ketika gelombang suara dipancarkan ke kolom air, maka akan mengalami ABSORBSI atau penyerapan energy gelombang suara sehingga mengakibatkan transmisi hilang ketika diecho dari transducer. Proses absorbsi sangat bergantung pada suhu, salinitas, pH, kedalaman, dan frekuensi. Salah satu sifat gelombang, yaitu ketika menjauhi transducer maka akan mengalami pelemahan energy dan kecepatan pantulannya.
Setelah gelombang suara mengenai suatu target, maka gelombang suara akan kembali dipantulkan ke transducer. Kekuatan pantulan gema yang dikembalikan oleh target dan relative terhadap intensitas suara yang mengenai target disebut sebagai TARGET STRENGTH. Atau target strength dapat didefinisikan sebagai sepuluh kali nilai logaritma dari intensitas yang mengenai ikan atau target (I). secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

TS= 10 Log (Ir/Ii)

TS        : Target Strength
Ir         : Energi suara yang dipantulkan, yang diukur
Ii          : Energi suara yang mengenai ikan (target)

BACKSCATTERING STRENGTH adalah rasio antara intensitas yang direfleksikan oleh suatu group single target yang diukur dari target. Sedangkan SCATTERING VOLUME (SV) merupakan rasio antara intensitas suara yang direfleksikan oleh suatu group single target yang berada pada suatu volume air tertentu (1m3).

SV = 10 Log ρV + TS

ρ          : Densitas
V         : Volume
TS        : Target Strength

Lapisan SOFAR (Sound Fixing and Ranging) merupakan daerah dengan akumulasi temperature dan kedalaman, sehingga kecepatan suara menjadi berkurang atau biasa disebut lapisan C (kecepatan suara) minimum. Pada lapisan C minimum ini, gelombang suara dapat merambat dalam gerak yang cukup besar sehingga tidak banyak energy yang hilang dan akhirnya akan terperangkap pada lapisan SOFAR.

SUMBER:
Materi kuliah pertemuan ke-2 (10 September 2012)
Materi kuliah pertemuan ke-3 (17 September 2012)
Materi kuliah pertemuan ke-4 (24 September 2012)
Materi kuliah pertemuan ke-5 (8 Oktober 2012)
Iskandarsyah, Mochamad. 2011. Pemetaan Shadow Zone Akustik dengan Metode Parabolic Equatio di Wilayah Perairan Selat Lombok. Skripsi. Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan FPIK-IPB : Bogor.

0 comments:

Poskan Komentar