RESUME KULIAH AKUSTIK KELAUTAN 

AKUSTIK KELAUTAN

    Akustik kelautan adalah ilmu yang mempelajari rambatan gelombang suara pada kolom air laut. permasalahan-permasalahan yang dibahas dalam akustik kelautan ini yaitu, kecepatan gelombang suara, waktu (pada saat gelombang dipancarkan hingga gelombang dipantulkan kembali), dan kedalaman perairan. Hal-hal yang mendasari kita mempelajari akustik kelautan adalah laut yang begitu luas dan dalam (dinamis), manusia sudah pernah ke planet terjauh tetapi belum pernah ke laut terdalam, sehingga dibutuhkannya alat dan metode untuk melakukan pendeskripsian kolom dan dasar laut, dan saat ini metode yang paling baik adalah dengan menggunakan akustik.

Metode akustik merupakan proses-proses pendeteksian target di laut dengan mempertimbangkan proses-proses perambatan suara, karakteristik suara, faktor lingkungan, dan kondisi target. Kelebihan dari metode akustik ini, yaitu berkecepatan tinggi, estimasi stok ikan secara langsung, dan memproses data secara real time, tepat, dan akurat. Akustik terbagi menjadi 2 macam, yaitu :

·         Akustik Pasif merupakan suatu aksi mendengarkan gelombang suara yang datang dari berbagai objek pada kolom perairan. Manfaar dari akustik pasif ini yaitu, untuk mendengarkan ledakan bawah air (gempa bumi, letusan gunung berapi, suara aktifitas ikan, aktifitas kapal, dan untuk mendeteksi kondisi bawah air.

·         Akustik Aktif untuk mengukur jarak adan arah dari objek yang dideteksi dan ukuran relatifnya dengan menghasilkan pulsa suara dan mengukur waktu tempuh dari pulsa dengan memakai prinsip sonar untuk pengukuran bawah air.

Berikut ini yang dipelajari dalam akustik kelautan, yaitu :

1. Kecepatan Rambat Suara

       Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan mengikuti gerak sinusoide. Selain radiasi elektromagnetik, dan mungkin radiasi gravitasional, yang bisa berjalan lewat vakum, gelombang juga terdapat pada medium (yang karena perubahan bentuk dapat menghasilkan gaya memulihkan yang lentur) di mana mereka dapat berjalan dan dapat memindahkan energi dari satu tempat kepada lain tanpa mengakibatkan partikel medium berpindah secara permanen; yaitu tidak ada perpindahan secara masal.

Gelombang air laut saat mendekati pantai akan berubah panjang gelombangnya

Sumber : www.wikipedia.org

        Bunyi adalah suatu bentuk gelombang longitudinal yang merambat secara perapatan dan perenggangan terbentuk oleh partikel zat perantara serta ditimbulkan oleh sumber bunyi yang mengalami getaran. Cepat rambat bunyi dipengaruhi oleh jenis medium perambatannya. Medium udara, air, zat padat dan suhu akan menghasilkan cepat rambat bunyi yang berbeda-beda.Semakin padat suatu medium makin rapat pula partikel dalam medium dan makin kuat gayakohesi diantara partikel medium tersebut. Sehingga suatu bagian dari medium yang bergetar akan menyebabkan bagian lain ikut bergetar secara cepat.Demikian pula dengan suhu suatu medium. Makin tinggi suhu suatu medium, makin cepatgetaran partikel-partikel dalam medium tersebut, sehingga proses perpindahan getaran semakin cepat.

            Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan suara di perairan laut, sebagai berikut:

·         Pada suhu, temperatur yang lebih panas atau lebih dingin mempengaruhi kecepatan bunyi di udara. Pada prinsipnya semakin tinggi suhu suatu medium, maka semakin cepat rambat bunyi dalam medium tersebut. Dikarena makin tinggi suhu, maka semakin cepat getaran partikel-partikel dalam medium tersebut. Akibatnya, proses perpindahan getaran makin cepat.

·      Pada tekanan, setiap penambahan kedalaman makatekanan akan semakin tinggi. Semakin tinggi tekanan maka akan semakin tinggi cepat rambat bunyinya. Hal tersebut karena partikel-partikel zat yang bertekanan tinggi terkompresi sehingga cepat rambat yang dihasilkan lebih besar. Pengaruh tekan akan lebih besar dari suhu dan salinitas pada lapisan Deep Layer. Pada kedalaman berdasarkan kecepatan suara dibagi dalam 3 zona, yaitu :

ü  Zona 1 (mix layer) : Kecepatan suara cenderung meningkat akibat faktor perubahan tekanan mendominasi faktor perubahan suhu

ü  Zona 2 (termochline) : Kecepatan suara menurun dan menjadi zona minimum kecepatan suara akibat terjadinya perubahan suhu yang sangat drastis dan mendominasi faktor perubahan tekanan.

ü  Zona 3 (deep layer) : Kecepatan suara meningkat kembali akibat faktor perubahan tekanan mendominasi kembali faktor perubahan suhu.

·  Pada salinitas, cepat rambat bunyi terhadap salinitas seharusnyaberkurang seiring kenaikan salinitas karena meningkatnya densitas. Akan tetapi kenaikan salinitas meningkatkan modulus axial (larutan menjadi kurang kompres), sehingga tiap kenaikan salinitas akan meningkatkan cepat rambat bunyi.

·  Pada densitas, makin rapat medium umumnya semakin besar cepat rambat bunyi dalam medium tersebut. Penyebabnya adalah makin rapat medium maka makin kuat gaya kohesi antarpartikel. Akibatnya pengaruh suatu bagian medium kepada bagian yang lain akan mengikuti getaran tersebut dengan segera sehingga perpindahan getaran terjadi sangat cepat.

            Kecepatan perambatan gelombang suara di air adalah antara 1450 m per detik sampai dengan 1540 meter per detik. Kecepatan perambatan gelombang suara ini sangat dipengaruhi oleh temperatur, salinitas dan kedalaman air laut. ada juga persamaan yang menggambarkan dan membuktikan bahwa ada pengaruh ini, yaitu:

            C = (1449.2 + 4.6T) – (0.055 T²) + 0.00029T³ + (1.34 – 0.010T)(S-35) + 0.016z

Keterangan :

            C = kecepatan suara [m/s]

            T = suhu [^oC]

            Z = kedalaman [m]

            S = salinitas [psu]

Komponen-komponen dalam metode akustik, antara lain:

·         Absorbsi dapat diartikan sebagai transmisi yang hilang sejak berada di echosouder dari transducer. Absorbsi bergantung pada banyak hal, antara lain: suhu, salinitas, pH, kedalaman dan frekuensi. Proses absorbsi yaitu menjauh dari tranducer.

·         Target strength adalah kekuatan pantulan gema yang dikembalikan oleh target dan relative terhadap intensitas suara yang mengenai target. Target strength didefinisikan sebagai sepuluh kali nilai logaritma dari intensitas yang mengenai ikan (Ii)

                        TS = 10log (Ir/Ii)

            Keterangan:

                        Ir = energy suara yang dipantulkan yang diukur

                        Ii = energy suara yang mengenai ikan

·  Backscattering strength adalah rasio antara intensitas yang direfleksikan oleh suatu kelompok single target yang diukur dari target. Scattering volume (SV) merupakan rasio antara intensitas suara yang direfleksikan oleh suatu grup single target yang berada pada suatu volume air tertentu (1m³).

                  V = 10 log pV + TS

Keterangan:

                  SV = Scattering Volume

                  ρ    = Densitas perairan

                  V   = Volume perairan

                  TS = Target Strength

2. Atenuasi Gelombang Suara

   

Atenuasi adalah kekuatan sinyal berkurang atau melemah bila jaraknya terlalu jauh melalui media transmisi, baik dengan menggunakan media transmisi guide seperti kabel, atau media transmisi unguide seperti gelombang. Atenuasi biasa terjadi pada sinyal analog, karena atenuasi berubah-ubah sebagai fungsi frekuensi, sinyal yang diterima menjadi menyimpang dan mengurangi tingkat kejelasan.  Dalam arti lain atenuasi adalah melemahnya sinyal yang diakibatkan oleh adanya jarak yang semakin jauh yang harus ditempuh oleh suatu sinyal mdan juga oleh karena makin tingginya frekuensi sinyalo mengalami berbagai perlakuan dari medium (kanal) yang dilaluinya. Ada satu mekanisme dimana sinyal yang melewati suatu medium mengalami pelemahan energi yang selanjutnya yang diokenal dengan atenuasi (Pelemahan atau redaman) sinyal. Atenuasi disebabkan oleh 3 faktor, yaitu Absorpsi, Hamburan (scattering) dan Mikro-beding.

Atenuasi terjadi sebelum pantulan (refleksi) dari gelombang suara. Medium seperti jaringan (tissue) akan menurunkan amplitudo dan intensitas ketika suara menembusnya. Reduksi amplitudo dan intensitas gelombang dalam perjalanan melewati medium disebut atenuasi. Adapun satuan dari atenuasi adalah decibels (dB). Sedangkan koefisien atenuasi adalah atenuasi yang terjadi persatuan panjang gelombang yang satuannya decibels per centimeter (dB/cm).

Attenuation (dB) = attenuation coefficient (dB/cm) x path length (2)

Ketika gelombang suara melewati suatu medium, intensitasnya semakin berkurang dengan bertambah kedalaman. Hal yang menyebabkan pelemahan gelombang adalah proses refraksi, hamburan, dan absorbsi. Absorbsi adalahpenyerapan energi suara oleh medium dan diubahnya menjadi energi bentuk lain.Hal ini menyebabkan pulsa ultrasonik yang bergerak melewati suatu zat akanmengalami kehilangan energi. Besarnya energi yang diabsorbsi sebanding dengan koefisien pelemahandan tebalnya medium yang dilalui. Setiap medium memiliki koefisien pelemahanyang berbeda-beda. Semakin kecil koefisien pelemahan maka semakin baik medium itu sebagai media penghantar. Penyerapan energi gelombang ultrasonik akan mengakibatkan berkurangnya amplitudo gelombang ultrasonik.

3. Shadow Zone

                Shadow Zone ini merupakan daerah dimana temperatur dan salinitas laut pada lapisan tersebut dapat memantulkan gelombang suara yang datang. 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 air 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. 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.

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

4. CTD (Conductivity Temperature Depth)

CTD adalah alat yang digunakan dalam sampling oseanografi untuk mengukur salinitas air laut, suhu serta kedalaman air laut pada tempat dan kedalaman yang diinginkan. Alat ini terdiri dari 3 sensor utama, yaitu sensor tekanan untuk pengukuran kedalaman, thermistor sebagai sensor suhu, dan sel induktif (conductivity) sebagai sensor salinitas, juga dapat diberikan sensor tambahan seperti sensor klorofil, kekeruhan, oksigen dsb. Umumnya ada 3 komponen utama  dalam pengoperasian CTD yaitu : CTD, perangkat komputer dengan software-nya, dan perangkat interface sebagai unit penghubung antara CTD dan komputer.

gambar CTD

sumber : http://web.ipb.ac.id

5. ADCP (Accoustic Doppler Current Profiler)

Prinsip kerja ADCP berdasarkan perkiraan kecepatan baik secara horizontal maupun vertikal menggunakan efek Doppler untuk menghitung kecepatan radial relatif, antara instrumen (alat) dan hamburan di laut. Tiga beam akustik yang berbeda arah adalah syarat minimal untuk menghitung tiga komponen kecepatan. Beam ke empat menambah pemborosan energi dan perhitungan yang error. ADCP mentransmisikan ping, dari tiap elemen transducer secara kasar sekali tiap detik. Echo yang tiba kembali ke instrumen tersebut melebihi dari periode tambahan, dengan echo dari perairan dangkal tiba lebih dulu daripada echo yang berasal dari kisaran yang lebih lebar. Profil dasar laut dihasilkan dari kisaran yang didapat. Pada akhirnya, kecepatan relatif, dan parameter lainnya dikumpulkan diatas kapal menggunakan Data Acquisition System (DAS) yang juga secara optional merekam informasi navigasi, yang diproduksi oleh GPS.

 

gambar 1. ADCP

sumber : http://seandy-laut-biru.blogspot.com

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 2. Prinsip kerja ADCP

sumber : http://seandy-laut-biru.blogspot.com

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.  Kegunaan ADCP pada berbagai aplikasi :

1.         Perlindungan pesisir dan teknik pantai.

2.         Perancangan pelabuhan dan operasional

3.         Monitoring Lingkungan

4.         Keamanan Perkapalan

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.

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.

Pengenalan dari ADCP

Gambar 3. (a)Standard and Mini ADPs, (b) ADP Depth Cells ViewADP, (c) ViewADP

sumber : http://seandy-laut-biru.blogspot.com

SonTek/YSI ADP (Acoustic Doppler Profiler) adalah alat ukur arus muka laut berperforma tinggi yang akurat, dapat diandalkan dan mudah untuk digunakan. ADCP menghitung kecepatan 3D dengan kedalaman yang spesifik dari setiap cell  sampai kira-kira 220 m. Design pertama  dari pengukur arus  hanya sebatas untuk mengukur perairan dangkal., the ADP telah mengalami revolusi sejarah dalam pengukuran arus sejak diperkenalkan pada tahun 1984. Software windows  ViewADP dapat melakukan  post-processing program yang membuat  menjadi lebih mudah  dalam tampilan dan mudah untuk menganalisa data.

Prinsip Pengoperasian

SonTek/YSI ADPs tergolong dalam  kumpulan instrument yang dikenal  sebagai akustik dopler current profiler. Lebih dari beberapa decade alat ini telah mengembangkan kemampuan untuk mengukur arus secara lebih detail untuk aplikasi di lapangan. Sejak diperkenalkan pada tahun 1984 sebagai alat pertama pengukuran arus untuk perairan dangkal, ADP telah banyak mengalami kemajuan  sebagai alat pengukur arus. Dokumen di bawah ini meliputi pengenalan dasar dari prinsip penggunaan ADCP.

The ADP menghitung kecepatan  dari air dengan menggunakan prinsip fisika yang dikenal disebut perubahan Dopler. Pada bagian ini jika sumber dari suara  bergerak relative  ke receiver frekuensi dari suara di receiver  mengalami perubahan dari frekuensi transmisi.

F_doppler = -2F_source ( V / C )

Dari persamaan ini , V  adalah kecepatan relative diantara sumber dan receiver (i.e.; Gerakan mengindikasikan  perubahan jarak diantara keduanya., C adalah kecepatan dari suara, F_doppler perubahan dari frekuensi receiver di receiver (i.e., the Doppler shift), dan F_source frekuensi dari transmisi suara. Ilustrasi dari operasional dari sistem Doppler monostatis, seperti ADP ( monostastis mengindikasikan fakta bahwa transducer yang sama digunakan sebagai receiver dan transmitteris . Transducer Son Tek SonTek transducers dibangun untuk menghasilkan beam sempit suara, dimana energi utama terkonsentrasi pada sebuah kerucut yang hanya beberapa derajat lebarnya. Setiap transducer menghasilkan pulsa suara yang frekuensinya diketahui. Pada saat suara merambat di air, suara itu memantul ke segala arah oleh partikel-partikel (sedimen, bahan biologis, gelembung).Sebagaimana beberapa bagian memantulkan energi yang merambat kembali sepanjang transducer axis,kearah transducer dimana, perhitungan proses elektronik berubah seiring frekuensi .Pergantian Doppler diukur dari pantulan single transducer , kecepatan diair sepanjang axis pasa beam akustik. 

SUMBER :

Bahan Mata Kuliah Akustik Kelautan

http://web.ipb.ac.id/~nurjaya/deskripsi.html

http://seandy-laut-biru.blogspot.com/2010/01/acoustic-doppler-current profiler-adcp.html

http://awalahas-samuderapengetahuan.blogspot.com/2011/03/akustik-kelautan.html

http://www.scribd.com/doc/52299378/19/Atenuasi