Marine Science ^Ida^: Akustik Kelautan

Konsep dasar akustik

Laut begitu luas dan dinamis, manusia pernah mencapai planet terjauh namun manusia belum pernah mencapai laut terdalam. oleh karena itu manusia membutuhkan alat dan metode untuk mengetahui suatu objek apa yang ada dikolom perairan.

Secara umum akustik bisa diartikan sebagai ilmu yang membahas tentang gelombang suara dan perambatannya dalam suatu medium, sehingga akustik kelautan dapat diartikan sebagai ilmu yang membahas tentang gelombang suara dan penjalarannya didalam kolom air laut.

Akustik diklasifikasikan menjadi 2, yaitu akustik aktif dan akustik pasif. Akustik aktif merupakan gelombang suara yang dipancarkan kemudian diterima kembali dan dapat diketahui dari sifat-sifat gelombang itu sendiri. Kita dapat mengetahui jarak dari objek yang dideteksi tersebut dari hasil pemantulan gelombang suara. Contohnya sonar.

https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEguOyhxFoNDalHvgvu3TGvabfj8OEq02v4BSrcQq1Gb3qGAVNJepZewFWK8PYXF1TIkouT_7oEIo6J9V0quGa7mJj6AwTBIao8RU1efDgbfpAn2vggo09L4HhuM1Rw7TWCNF6-1VI6cGnc/s1600/ss4.jpg

akustik pasif yaitu menerima atau mendengarkan gelombang suara yang datang dari objek yang berada didalam kolom perairan. Akustik pasif 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).

Pada dasarnya pemantauan hidroakustik didasarkan pada prinsip yang sederhana.

Gelombang suara akustik dipancarkan melalui sebuah alat yang menghasilkan energi akustik (suara) pada kolom perairan. Energi dari pulsa suara yang dipancarkan melalui medium air. Ketika energi tersebut mengenai suatu objek, seperti ikan ataupun dasar perairan, beberapa energi akan memantul kembali ke transduser (alat pemancar dan penerima gelombang suara). Nilai hamburan balik yang diterima oleh alat dan kemudian akan dikirimkan ke perangkat output(seperti grafik perekam video atau layar) dan digital echo processor.

Dengan menentukan selang waktu antara pulsa yang dipancarkan dan yang diterima, transducer dapat memperkirakan jarak dan orientasi dari suatu objek yang dideteksi. (Jarak = kecepatan suara x waktu /2).

Akustik kelautan merupakan metode yang paling baik saat ini, oleh karena itu akustik dapat dimanfaatkan oleh berbagai bidang diantaranya Militer, biologi laut, perkapalan, pemetaan, oseanografi kelautan, dan industri.

Kecepatan suara

Bunyi memiliki cepat rambat yang terbatas. seperti halnya cahaya bunyi memerlukan waktu untuk berpindah. 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)

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. Bunyi merambat lebih lambat jika suhu dan tekanan udara lebih rendah. 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.

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 (mixed 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.

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, kecepatan suara bergantung pada suhu, salinitas, tekanan, musim dan lokasi. Semakin jauh suara dari sumber suara, maka kegiatan echo akan mengalami perubahan dari segi ruang dan waktu.

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.

Atenuasi gelombang suara

Atenuasi atau pelemahan energi/intensitas suara terjadi karena adanya konversi energi secara gradual menjadi energi kalor selama perjalanannya. Penghamburan oleh bermacam partikel yang ada dilaut turut memberikan andil dalam penurunan intensitas suara, namun dalam percobaan sebenarnya tidak mungkin membedakan efek penyerapan (konversi) dengan efek penghamburan. Semakin bertambah jarak tempuh dan semakin tinggi frekuensi gelombang yang digunakan maka absorpsi menjadi semakin besar (urick, 1983)

Absorpsi dilaut lebih tinggi daripada di air tawar dan besaran koefisien atenuasi dilaut terbuka meningkat 20 Hz – 300 kHz. Ketergantungan koefisien atenuasi pada frekuensi yang sangat komplek menunjukan bahwa pada berbagai kanal frekuensi yang berbeda terjadi proses yang berbeda-beda pula.

Daerah proses-proses dominan yang menyebabkan atenuasi (Jensen et al, 1994)

Pada gambar diatas, menurut Jensen et al ketergantungan atenuasi frekuensi secara kasar dapat dibagi menjadi empat wilayah.

Daerah frekuensi kurang dari 20 Hz (daerah I) belum dapat dijelaskan secara pasti tetapi diduga daerah tersebut berhubungan dengan batas frekuensi rendah kanal suara dalam dan atenuasi suara pada frekuensi rendah ini sangat kecil. Pada daerah II (20Hz – 1kHz), mekanisme utamanya adalah relaksasi kimia asam borat (B(OH)₃) yang dipengaruhi oleh sifat kimia lautan seperti suhu, pH, dan komposisi garam.

Dalam akustik proses relaksasi merupakan salah satu kondisi setimbang yang didistribusikan oleh gelombang suara yang lewat dengan fase waktu antar tekanan dan respon medium. Faktor lain yang mempengaruhinya antara lain efek transmisi yang menggunakan ledakan, difraksi pada kanal suara laut dalam, penghamburan dan viskositas.

Frekuensi 5 hingga 100kHz di samudera mengalami atenuasi 30 kali lebih besar daripada air tawar. Perbedaan ini disebabkan adanya beda fase yang besar antara tekanan dan respon medium.

Pada wilayah frekuensi daerah IV atenuasi yang terjadi karena adanya konduksi panas dan viskositas. Konduksi panas menciptakan suatu kehilangan akibat aliran panas dari gelombang suara yang tertekan kemudian mengembang dalam air, namun kontribusinya terhadap total penyerapan sangat kecil (Jensen et al., 1994)

Shadow zone

Shadow Zone adalah suatu wilayah dimana gelombang suara tidak dapat merambat atau lemah sehingga hampir tidak dapat merambat dalam suatu medium. Menurut Urick (1983) di kolom perairan terjadi pembelokan gelombang suara (refraksi) yang terjadi karena perbedaan kedalaman, salinitas dan suhu ait laut. Pengaruh yang paling nyata terlihat jika terjadi kenaikan suhu air laut sebesar 1^oC akan menyebabkan meningkatnya kecepatan suara sebesar 1m/detik. Akibatnya jika suhu meningkat menurut kedalaman maka gelombang suara yang dipancarkan akan cenderung dibelokan ke arah permukaan air.

Sumber: http://www.dosits.org/

Gambar 1. Shadow zone

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. Jarak dari sumber suara ke shadow zone ditentukan oleh laju perubahan suhu terhadap kedalaman, kedalaman sumber suara, dan kedalaman penerima suara.

untuk sebuah tujuan militer penyusupan kapal selam umumnya bergerak pada posisi "daerah kedap" transmisi gelombang udara (shadow zone). Daerah ini merupakan daerah aman dimana suhu dan salinitas laut pada lapisan tersebut memantulkan rambatan suara yang datang sehingga kapal dapat terhindar dari deteksi SONAR lawan.

Alat Survey Akustik

Alat-alat yang digunakan dalam survey Akustik:

Multi-bottle Water Sampler with CTD

Multi-bottle Water Sampler dengan CTD

Multi-bottle Water Sampler ini digunakan untuk mengambil samper air pada beberapa kedalaman tertentu. Alat ini dapat digunakan hingga kedalaman 1000 meter. Rangka yang berwarna putih pada Gambar diatas biasa disebut rossete. Karena alat ini hanya dapat mengambil sampel saja,

alat ini biasanya digunakan bersamaan dengan CTD. Selain untuk memperoleh data, CTD juga digunakan untuk mengontrol Water Sampler. Rencana penurunan telah diprogram melalui laptop atau komputer dengan software yang telah disediakan.

Bagian atas dan bawah botol dibuka sebelum diturunkan. Pada saat mencapai kedalaman yang telah diprogram, tutup botol akan menutup secara otomatis. Kekurangan dari Water Sampler ini mungkin hanya penggunaan yang harus bersamaan dengan CTD. Selain itu alat ini adalah alat yang sangat efisien, dapat memperoleh banyak sampel air pada beberapa kedalaman yang telah diprogram dalam software.

CTD, dari namanya yang merupakan akronim dari Conductivity, Temperature, and Depth ini merupakan alat yang dapat merekam data pada kedalaman air laut. Dapat dilihat pada Gambar diatas, CTD diletakkan di bagian bawah Water Sampler. Data yang dapat direkam yaitu kedalaman, kedalaman saat pengambilan sampel, suhu, konduktivitas, klorofil, dan turbiditi. CTD ini dapat digunakan bersamaan dengan Water Sampler. CTD diturunkan bersamaan dengan Water Sampler dan secara otomatis akan merekam data. Hasil rekaman dari CTD ini akan keluar berupa data digital di komputer ataupun laptop. Data yang dihasilkan dari CTD ini didapatkan dengan resolusi tinggi dengan interval waktu dan kedalaman yang cukup singkat. Data yang dihasilkan pun aktual dan ilmuan dapat meneliti relasi pada parameter-parameter tersebut. Kekurangan dari kedua alat ini yaitu biaya yang besar dan juga memakan waktu cukup lama.

ADCP

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP atau ADP) adalah current meter hydroacoustic mirip dengan sonar, digunakan untuk mengukur kecepatan arus air selama rentang kedalaman dengan menggunakan efek Doppler dari gelombang suara yang tersebar kembali dari partikel dalam kolom air. Frekuensi kerja berkisar dari 38 kHz ke beberapa megahertz. ADCP terdiri dari osilator piezoelektrik untuk mengirim dan menerima sinyal suara.

Gambar ADCP

Prinsip Kerja:

Perhitungan navigasi, menggunakan kalibrasi yang dilakukan sekali secara lengkap.Arus absolut yang melampaui kedalaman atau kedalaman referensi didapatkan dari rata-rata kecepatan relatif kapal. Arus absolut pada setiap kedalaman dapat dibedakan dari data terakhir dari kapal navigasi dan perhitungan relatif ADCP. Prinsip Perhitungan Gelombang Oleh ADCP.

Gambar. Prinsip kerja ADCP

Prinsip dasar perhitungan dari perhitungan arus/gelombang yaitu kecepatan orbit gelombang yang berada dibawah permukaan dapt diukur dari keakuratan ADCP. ADCP mempunyai dasar yang menjulang,dan mempunyai sensor tekanan untuk mengukur pasang surut dan rata-rata kedalaman laut. Time series dari kecepatan, terakumulasi dan dari time series ini, kecepatan spektral dapat dihitung. Untuk mendapatkan ketinggian diatas permukaan, kecepatan spektrum dierjemahkan oleh pergeseran permukaan menggunakan kinematika linear gelombang.

Fungsi ADCP:

ADCP dapat menghitung secara lengkap, arah frekuensi gelombang spektrum, dan dapat dioperasikan di daerah dangkal dan perairan dalam. Salah satu keuntungan ADCP adalah, tidak seperti directional wave buoy, ADCP dapat dioperasikan dengan resiko yang kecil atau kerusakan. Sebagai tambahan untuk frekuensi gelombang spektal, ADCP juga dapat digunakan untuk menghitung profil kecepatan dan juga level air).

Kegunaan ADCP pada berbagai aplikasi :

1. Perlindungan pesisir dan teknik pantai.

2. Perancangan pelabuhan dan operasional

3. Monitoring Lingkungan

4. Keamanan Perkapalan

Keuntungan ADCP

1. Definisi yang tinggi dari arah arus/gelombang pecah.

2. Logistik yang sederhana dengan bagian bawah yang menjulang

3. Kerusakan yang kecil, dan resiko yang kecil.

4. Kualitas perhitungan permukaan yang tinggi yang berasal dari dasar laut.

ADP/ADCP keistimewaannya meliputi

• Dapat bekerja di kapal dengan penentuan posisi yang lengkap termasuk bottom-tracking dan permukaan laut untuk transek dengan menggunakan GPS.

• ADCP memberikan sistem real-time untuk pesisir pantai, dan monitoring pelabuhan.

• ADCP mudah digunakan untuk mengukur arus

• Mempunyai system otomatik yang dilengkapi dengan baterai dan perekam untuk buoy lepas pantai atau bottom-mounting.

Bagian-Bagian ADCP:

Sistem ADCP terdiri dari ADCP, kabel, baterai, flash memory card, dan perangkat lunak. Kedua kapasitas baterai dan memori dapat ditingkatkan dengan di-upgrade untuk penyebaran lebih lama.