AKUSTIK KELAUTAN PART I

SEJARAH AKUSTIK

Akustik merupakan teori yang membahas tentang gelombang suara dan perambatannya dalam suatu medium. Sedangkann akustik kelautan adalah teori yang membahas tentang gelombang suara dan perambantannya dalam suatu medium air laut. Akustik kelautan merupakan satu bidang kelautan yang mendeteksi  target di kolom perairan dan dasar perairan dengan menggunakan suara sebagai medianya. Studi kelautan dengan menggunakan akustik sangat membantu peneliti untuk mengetahui objek yang berada di kolom dan dasar perairan. Objek ini dapat berupa plankton, ikan, jenis subtrat maupun kandungan minyak yang berada di bawah dasar perairan. akustik kelautan merupakan bagian dari instrumentasi kelautan yang digunakan untuk mendeteksi benda, biota laut, ataupun lapisan sedimen yang berada di dasar lautan yang secara umum terbagi dalam sistem SONAR dan ECHOSOUNDER. Sistem Sonar memancarkan gelombang suara secara horizontal sehingga dapat mendeteksi misalnya benda-benda yang berada di depan kapal ataupun di belakang kapal. sedangkan Echosounder memancarkan gelombang suara secara vertikal sehingga dalam aplikasinya sering digunakan untuk mendeteksi keberadaan ikan atau benda-benda yang berada di bawah kapal. 

Sejarah perkembangan akustik kelautan dimulai sekitar tahun 1490 berasal dari catatan  harian Leonardo da vinci yang menuliskan : “Dengan menempatkan ujung pipa yang panjang didalam laut dan ujung lainnya di telinga anda, dapat mendengarkan kapal-kapal laut dari kejauhan”. Ini mengindikasikan bahwa suara dapat berpropagasi di dalam air. Ini yang disebutkan dengan Sonar pasif ( passive Sonar) karena kita hanya mendengar suara yang ada. Pada abad ke 19, Jacques and Pierre Currie menemukan piezoelectricity, sejenis kristal yang dapat membangkitkan arus listrik jika kristal tersebut ditekan, atau jika sebaliknya jika kristal tersebut dialiri arus listrik mak kristal akan mengalami tekanan yang akan menimbulkan perubahan  tekanan di permukaan kristal yang bersentuhan dengan air. Selanjutnya signal suara akan berpropagansi didalam air. Ini yang selanjutnya  disebut dengan Sonar Aktif( Active Sonar).

Akustik diklasifikasikan menjadi dua, 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 j arak 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. Akustik aktif seperti split-beam system dapat mendeteksi organisme yang berukuran kecil (contoh:krill), dengan tanpa batasan ukuran. Posisi dari ikan dapat dideteksi secara akurat dengan menggunakan split beam system, dapat juga digunakan untuk menghitung target strength, kecepatan jelajah serta arah pergerakan dari  suatu objek.  Dengan perkembangan zaman yang begitu pesat, ilmu akustik juga berkembang sejalan dengan kebutuhan manusia.  Arah penelitian dari akustik aktif termasuk penemuan multibeam, multi-frekuensi, dan “high frequency imaging system”.

Gambar 1. Sonar

Sumber: http://theoceanandmariner.blogspot.com/2012/04/sejarah-akustik_09.html

Perkembangan akustik yang sangat pesat pada saat Perang Dunia pertama terutama digunakan untuk pendeteksian kapal-kapal selam yang ada dibawah laut. Setelah selesainya Perang Dunia II, akustik tidak hanya digunakan untuk keperluan militer saja, tetapi akustik banyak digunakan untuk keperluan non-militer diantaranya mempelajari  proses perambatan suara didalam medium air; penelitian sifat-sifat akustik dari air dan benda-benda bawah air; pengamatan benda-benda dari echo yang mereka hasilkan; pendeteksian sumber-sumber suara bawah air; komunikasi dan penetapan posisi dengan alat akustik bawah air.

Keunggulan Metode Akustik

·      Berkecepatan tinggi (great speed), à “quick assessment method” ----- manual

·      Estimasi stok ikan secara langsung (direct estimation) ----- tanpa analisis parameter lingkungan

·      Memungkinkan memperoleh dan memproses data secara real time

·      Akurasi dan ketepatan tinggi (accuracy and precision).

·      Tidak berbahaya atau merusak ----- tidak menyentuh objek

·      Bisa digunakan jika metode lain tidak bisa / tidak mungkin dilakukan.

Penerepan Teknologi Akustik

·  Di bidang kelautan penerapan teknologi akustik bawah air  misalnya untuk eksplorasi dan eksploitasi sumberdaya non-hayati seperti :

·  Pengukuran kedalaman dasar laut (Bathymetry)

·  Pengidentifikasian jenis-jenis lapisan sedimen dasar laut (Subbottom Profilers)

·  Pemetaan dasar laut (Sea bed Mapping)

·  Pemetaan habitat dasar laut (Habitat Mapping)

·  Pencarian kapal-kapal karam di dasar laut

·  Penentuan jalur pipa dan kabel dibawah dasar laut

·  Analisa dampak lingkungan di dasar laut

                                 

Untuk megetahui jarak suatu objek maka terlebih dahulu menentukan ukan 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.

AFTERNOO EFFECT adalah jenis kerugian kinerja sonar yang ditemui selama sore dan malam hari di hari yang cerah dan tenang. Hal ini disebabkan oleh kenaikan suhu di dekat bagian atas dari lapisan campuran isotermal, meningkatkan kecepatan suara di sana dan begitu pembiasan sinar ke bawah suara, jauh dari target sonar. Profil kenaikan suhu diatur oleh kecepatan angin, sinar matahari dan faktor meteorologi lainnya, sehingga prediksi Afternoon Effect harus menjadi perpanjangan dari peramalan meteorologi. Namun ada saat ini tidak ada metode untuk menghitung profil temperatur dari informasi meteorologi. Sebuah model mix layer disajikan untuk memenuhi kebutuhan ini.

KECEPATAN SUARA

secara umum, berdasarkan pembagian pengaruh faktor oseanography terhadap kecepatan suara, laut dibagi menjadi 3 zona secara vertikal. pertama zona 1, dimana kecepatan suara meningkat akibat peningkatan tekanan karena kedalaman bertambah. zona 2, kecepatan suara menurun drastis akibat adanya daerah thermocline. zona 3, kecepatan suara meningkat akibat tekanan bertambah dan temperatur kedalaman relatif konstan. itu adalah profile kecepatan suara under water.

Kecepatan suara  adalah istilah yang digunakan untuk menyebut kecepatan gelombang suara yang melalui medium elastis. Kecepatan ini dapat berbeda tergantung medium yang dilewati (misalnya suara lebih cepat melalui air daripada udara), sifat-sifat medium tersebut, dan suhu. Namun, istilah ini lebih banyak dipakai untuk kecepatan suara di udara. Pada ketinggian air laut, dengan suhu 21 °C dan kondisi atmosfer normal, kecepatan suara adalah 344 m/detik (1238 km/jam). Kecepatan suara akan lebih cepat melaju di air dan di benda padat. Kecepatan suara di air adalah 4.3 kali lipat kecepatan di udara, yaitu 1.484 m/detik. Kecepatan suara di besi adalah 15 kali lipat kecepatan di udara, yaitu 5.120 m/detik.

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 cepat rambat bunyi pada medium tertentu 

Sumber:  http://andrynugrohoatmarinescience.wordpress.com/category/suara-di-laut/

Semakin dalam laut semakin besar kerapatan atau tekanan air bertambah besar.Bila kerapatan berubah kecepatan gelombang suara berubah pula. Kecepatan gelombang suara sangat dipengaruhi oleh temperatur, salinitas dan 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)

 Gambar 2. Profil Kecepatan Suara

Sumber: MEDITEK UKRIDA TNI-AL

Karena laut dianggap terdiri dari lapisan-lapisan air yang mempunyai temperatur, salinitas, kedalaman sendiri. maka sesuai dengan lapisan-lapisan tersebut sesuai dengan persamaan diatas memiliki kecepatan gelombang suara yang erlainan juga. Menurut hukum snelius suatu gelombang yang berpindah dari meium lain, maka gelombang akan ditransmisikan. Dan bila sudut datang lebih kecil dari sudutkriti maka gelombang aakn dipantulkan.

Gambar 3. Hukum Snelius

Sumber: MEDIETK UKRIDA TNI-AL

Jika masing-masing lapisan air memiliki kecepatan perambatan sendiri-sendiri, maka gelombang akan mengalami pembiasan berturut-turut setiap melewati lapisan yang berlainan sehingga perambatan gelombang suara tidak lagi menurut garis lurus tetapi garis melengkung keatas atau kebawah bahkan suatu ketika dapat dipantulkan oleh lapisan air dibawahnya.

V=s/t

dengan , s = jarak tempuh (m) , t = waktu ( s ) , dan v = cepat rambat bunyi (m/s). Satu periode gelombang menempuh jarak sejauh satu panjang gelombang. Maka , jika t = T , maka s = lambda . Maka bentuk lain ungkapan cepat rambat gelombang adalah

v = Tλ oleh karena f = 1/T , maka

v = λf

dengan lambda = panjang gelombang bunyi (m)

T = periode gelombang bunyi (s)
F = ferkuensi gelombang bunyi (Hz) 

Berarti rumus kecepatan ada tiga macam dan penggunaanya tergantung dengan apa yang diketahui dalam soal. misal diketahui jarak tempuh (s) dan waktunya (t) maka menggunakan rumus v = s/t .

Gambar 4. Penentuan Jarak dengan Suara

Sumber: http://mediabelajaronline.blogspot.com/2010/03/getaran-gelombang-dan-bunyi-untuk-smp.html

a. Suhu

Suhu medium juga merupakan faktor penting dalam menentukan cepat rambat bunyi. Pada saat suhu zat meningkat, molekul-molekulnya bergerak lebih cepat sehingga frekuensi tumbukan antar partikel lebih banyak. Meningkatnya tumbukan molekul ini akan lebih banyak memindahkan energi dalam waktu yang lebih singkat. Ini memungkinkan gelombang bunyi berpindah lebih cepat. Bunyi merambat melalui udara dengan cepat rambat 344 m/s, pada suhu 20° C, namun hanya dengan cepat rambat 332 m/s, pada suhu 0° C. Setelah membahas faktor-faktor yang mempengaruhi cepat rambat bunyi, jawablah pertanyaan dalam Gambar 10.29. Cepat rambat bunyi untuk medium tertentu dan suhu tertentu besarnya tetap. Gerak dengan kecepatan tetap ini disebut gerak lurus beraturan (GLB). 

Di laut sendiri, pada lapisan Mix Layer, pengaruh suhu sangat besar karena pada lapisan ini pengaruh dari sinar matahari terhadap suhu permukaan sangat besar sehingga mengakibatkan suhu di Mix Layer tinggi. Pada lapisan Termoklin pun suhu masih sangat berpengaruh, hal tersebut dikarenakan adanya perubahan suhu yang sangat mencolok. Akan tetapi pada lapisan Deep Layer suhu tidak begitu mempengarui karena perubahan suhu yang tidak mencolok.

b. Tekanan

Pada tekan, setiap penambahan kedalaman maka tekanan akan semakin tinggi. Semakin tinggi tekan 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.

c. Salinitas

Cepat rambat bunyi terhadap salinitas seharusnya berkurang seiring kenaikan salinitas karena meningkatnya densitas. Akan tetapi kenaikan salinitas meningkatkan modulus axial (larutan menjadi kurang kompres), sehingga tiap kenaika salinitas akan meningkatkan cepat rambat bunyi.

d. Densitas/Kerapatan

Makin rapat medium umumnya semakin besar cepat rambat bunyi dalam
medium tersebut . Penyebabnya adalah makin rapat medium maka makin kuat
gaya kohesi antar-partikel . akibatnya pengaruh suatu bagian medium kepada
bagian yg lain akan mengikuti getaran tersebut dengan segera . akibatnya
perpindahan getaran terjadi sangat cepat .

Fungsi Suara di Laut

1. Mengukur Kedalaman dan Pemetaan dasar Laut

Untuk mengukur kedalaman laut , kapal memancarkan bunyi ke dasar laut . pada dasar kapal terdapat pendeteksi bunyi (detektor) . Detektor ini menghasilkan gelombang listrik jika mendapat bunyi pantul . Ketika gelombang mengenai objek maka sebagian enarginya ada yang dipantulkan, dibiaskan ataupun diserap. Untuk gelombang yang dipantulkan energinya akan diterima oleh receiver. Besarnya energi yang diterima akan diolah dangan suatu program, kemudian akan diperoleh keluaran (output) dari program tersebut. Hasil yang diterima berasal dari pengolahan data yang diperoleh dari penentuan selang waktu antara pulsa yang dipancarkan dan pulsa yang diterima. Dari hasil ini dapat diketahui jarak dari suatu objek yang deteksi. Dengan mengukur waktu yang diperlukan sejak bunyi dipancarkan sampai ditangkap kembali oleh detektor , kedalaman laut di bawah posisi kapal dapat ditentukan dengan demikian kedalaman laut suatu wilayah dapat dipetakan dengan teliti .

Gambar 5. Pengukuran kedalaman dengan Echo Sounder

Sumber: http://andrynugrohoatmarinescience.wordpress.com/category/suara-di-laut/

2. Komunikasi dengan ikan

Gelombang suara merupakan media terbaik dalam komunikasi bawah air, karena sinyal suara tidak dipengaruhi oleh kekeruhan sehingga spesies ikan tertentu mampu berkomunikasi menggunakan suara dalam keadaan gelap, suara dapat merambat dengan cepat pada jarak yang jauh, sangat terarah dan tidak dipengaruhi oleh batu atau terumbu karang. Selain sebagai tingkah laku komunikasi, suara diproduksi juga sebagai efek samping dari tingkah laku ikan seperti tingkah laku makan atau pergerakan ikan. Suara ikan cukup beragam, tergantung pada spesiesnya. Individu spesies bisa mempunyai lebih dari satu tipe suara.

Karakter dari suara yang dihasilkan ikan memiliki nilai-nilai yang sangat berbeda, hal ini mengingatkan pada suara drum, suara katak, suara dengusan, suara perut. Hal tersebut digunakan untuk membagi suara ikan kedalam bidang biologi, contohnya yang dihasilakn oleh ikan pada beberapa pola adaptasi mekanik yang signifikan selama pergerakan, mencari makan, bersembunyi di dalam tanah, dan sebagainya.

Penggunaan suara dalam komunikasi adalah hal yang biasa karena ikan memiliki pendengaran dalam yang tajam. Ikan menghasilkan suara dengan tiga cara utama, yaitu dengan pergerakan tulang (stridulasi), vibrasi gelembung renang dan efek yang terjadi karena aktifitasnya yang termasuk ke dalam golongan suara hidrodinamik. Suara hidrodinamik dihasilkan oleh ikan yang aktif berenang, atau kecepatan berputar. Walaupun banyak gangguan yang direkam pada Hydrophone yang ditimbulkan oleh turbulensi air, suara yang kuat sering kali dapat dideteksi dari jarak beberapa meter. Ketika ikan membuat pergerakan renang yang cepat maka dihasilkan pulsa dengan tekanan yang cepat.

3. Mengetaui Ikan di Bawah Laut

Dengan mengarahkan gelombang bunyi ke dalam laut kita dapat mengetahui ikan yang di bawah laut. Sebagian gelombang akan dipantulkan oleh ikan-ikan yang berenang di bawah permukaan laut . kita dapat membedakan gelombang pantul benda yang diam dan benda yang bergerak.

SHADOW ZONE

Akibat adanya refraksi variasi vertikal dari kecepatan suara di dalam laut selanjutnya menghasilkan apa yang disebut dengan shadow zone dan sound channel. nah, di shadow zone ini ada sedikit keunikan, dimana gelombang suara dapat dibelokan ke atas atau ke bawah sehingga sulit dideteksi, karena itulah pada zona ini banyak digunakan untuk persembunyian kapal selam agar tidak terdeteksi oleh kapal lain.

Shadow Zone ini adalah daerah dimana temperatur dan salinitas laut pada lapisan tersebut dapat memantulkan gelombang suara yang datang. Selain hal tersebut belakangan ini kapal selam juga sudah dilengkapi bahan material yang mampu mengakibatkan minimnya pemantulan gelombang suara dan juga teknologi jamming, yang dapat mengacaukan dan merusak sistem SONAR yang ada.

Gambar 6. Shadow Zone

Sumber: http://www.dosits.org/people/history/1920/

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 C0 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.

Lanjut Part II ...