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.
 |
| 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:
Posting Komentar