Kamis, 03 Januari 2013

Resume Perkuliahan Akustik Kelautan


KECEPATAN SUARA DI LAUT
Kecepatan suara di air dipengaruhi oleh suhu, salinitas dan kedalaman.  Selain terhadap suhu dan salinitas, kecepatan suara juga berubah dengan adanya perubahan frekuensi atau panjang gelombang suara yang dipancarkan.
Kecepatan suara di laut berkisar antara 1450 m/s hingga 1550 m/s. Menurut MacKenzie, 1981 dan Munk et al. 1995 dalam Stewart, 2007, hubungan kecepatan suara dengan suhu, salinitas dan tekanan dapat digambarkan melalui persamaan sebagai berikut.

C = 1448.96 + 4.591 T - 0.05304 T2 + 0.0002374 T3 + 0.01630 Z +
( 1.340 - 0.01025 ) (S - 35) + 1.675×10-7Z2 - 7.139 × 10-13 T Z3

Dimana C adalah kecepatan suara dalam m/s, T adalah suhu dalam Celsius, S adalah salinitas, and Z adalah kedalaman dalam meters. Persamaan ini memiliki keakuratan hingga 0.1 m/s (Dushaw, et al., 1993 dalam Stewart, 2007).

KOMPONEN YANG MEMPENGARUHI KECEPATAN BUNYI DI LAUT
Yang dapat mempengaruhi cepat rambat bunyi di laut antara lain suhu, tekanan dan kedalaman, salinitas, densitas (kerapatan).
·          Suhu / Temperatur (T)
Pada prinsipnya, semakin tinggi suhu suatu medium, maka semakin cepat perambatan bunyi dalam medium tersebut. Dikarenakan makin tinggi suhu, maka semakin cepat getaran partikel-partikel dalam medium tersebut. Akibatnya, proses perpindahan getaran makin cepat.
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 pada lapisan 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 mempengaruhi karena perubahan suhu yang tidak mencolok.
·          Tekanan dan Kedalaman (P)
Setiap penambahan kedalaman maka tekanan akan semakin tinggi. Semakin tinggi tekanan, akan semakin tinggi cepat rambat bunyinya. Hal tersebut karena partikel-partikel zat yang bertekanan tinggi terkompresi sehingga cepat rambat yang dihasilkan lebih besar. Pengaruh tekanan akan lebih besar dari suhu dan salinitas pada lapisan Deep-Layer.
·          Salinitas (S)
Kenaikan salinitas meningkatkan modulus axial, sehingga tiap kenaikan salinitas akan meningkatkan cepat rambat bunyi.
·          Densitas atau Kerapatan (ρ)
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 yang lain akan mengikuti getaran tersebut dengan segera sehingga perpindahan getaran terjadi sangat cepat.

PROFIL KECEPATAN BUNYI DI LAUT
            Pada lapisan permukaan (surface layer), kecepatan bunyi cenderung meningkat karena suhu dan salinitas relative konstan dan kecepatan suara hanya dipengaruhi oleh tekanan yang meningkat. Pada lapisan termoklin (Thermocline), di mana terjadi perubahan suhu dan salinitas yang lebih dominan daripada perubahan tekanan, maka kecepatan bunyi mengalami penurunan.
            Pada lapisan dalam (Depp-Layer), suhu dan salinitas kembali konstan dan terjadi perubahan tekanan terhadap kedalaman sehingga kecepatan bunyi relative meningkat.

ATENUASI GELOMBANG SUARA
Atenuasi adalah melemahnya suatu sinyal yang disebabkan oleh adanya jarak yang semakin jauh, yang harus ditempuh oleh suatu sinyal tersebut dan karena frekuensi sinyal tersebut semakin tinggi. Energi gelombang suara akan berkurang sepanjang perambatannya dari sumbernya karena gelombang suara menyebar keluar dalam bidang yang lebar, energinya tersebar kedalam area yang luas. Gelombang suara yang merambat melalui media air akan mengalami kehilangan energi yang disebabkan oleh penyebaran gelombang, penyerapan energi, dan pemantulan yang terjadi di dasar atau permukaan perairan.  Intensitas gelombang suara akan semakin berkurang dengan bertambahnya jarak dari sumber bunyi.
Atenuasi disebabkan oleh karena adanya penyebaran dan absorbsi gelombang. Penyebaran gelombang terjadi akibat ukuran berkas gelombang berubah, pola berkas gelombang tergantung pada perbandingan antara diameter sumber gelombang dan panjang gelombang medium. Absorbsi gelombang yaitu penyerapan energi yang diakibatkan penyerapan energi selama menjalar di dalam medium (penurunan intensitas).
Sebuah sumber gelombang suara dari suatu akustik di perairan yang memancarkan gelombang akustik dengan intensitas energi tertentu akan mengalami penurunan intensitas bunyi bersamaan dengan bertambahnya jarak dari sumber gelombang akustik tersebut.  Hal ini terjadi karena sumber akustik memiliki intensitas yang tetap, sedangkan luas permukaan bidang yang dilingkupi akan semakin besar dengan bertambahnya jarak dari sumber bunyi.  Penyebaran gelombang akustik dibatasi oleh permukaan laut dan dasar suatu perairan.
Gelombang suara yang sedang merambat akan mengalami penyerapan energi akustik oleh medium sekitarnya.  Secara umum, penyerapan suara merupakan salah satu bentuk kehilangan energi yang melibatkan proses konversi energi akustik menjadi energi panas, sehingga energi gelombang suara yang merambat mengalami penurunan intensitas (atenuasi).
Gelombang dalam perambatannya akan mengalami penurunan intensitas (atenuasi) karena penyebaran dan karena penyerapan. Penyebaran gelombang juga mengakibatkan intensitas berkurang karena pertambahan luasannya, terkait dengan bentuk muka gelombang.

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 Co 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. 

Gambar 1. Shadow zone
(sumber : http://www.dosits.org )

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.


CTD (Conductivity Temperature Depth).

Gambar 2. CTD (Conductivity Temperature Depth).

Secara umum, sistem CTD terdiri dari unit masukan data, sistem pengolahan, dan unit luaran. CTD digunakan untuk mengukur karakteristik air seperti suhu, salinitas, tekanan, kedalaman, dan densitas.
Unit pengolah terdiri dari sebuah unit pengontrol CTDS (CTD Sensor) dan komputer yang dilengkapi perangkat lunak. Unit pengontrol berfungsi sebagai pengolah sinyal CTD, penampil hasil pengukuran serta pengubah sinyal analog ke digital. CTD mengontrol setiap kegiatan akusisi dan pengambilan sampel serta kalibrasi. Setiap penekanan tombol fungsi sesuai pada menu, maka printer akan mencetak posisi, kedalaman, salinitas, konduktifitas dan temperatur sehingga kronologis kegiatan pengoprasian CTD dapat terekam.
Sensor adalah sebuah piranti yang mengubah fenomena fisika menjadi sinyal elektrik. CTD memiliki tiga sensor utama, yakni sensor tekanan, sensor temperatur, dan sensor untuk mengetahui daya hantar listrik air laut (konduktivitas).

a. Sensor Tekanan.
Sensor tekanan merupakan sensor yang memanfaatkan hubungan langsung antara tekanan dan kedalaman. Sensor ini terdirai dari tahanan yang berbentuk seperti jembatan wheatsrone kemudian dinamakan strain gauge. Strain gauge merupakan alat resistansi yang berubah ketika mendapat tekanan, Tahanan ini akanmemegang peranan ketika mendapat gaya dalam bentuk fisika seperti tekanan, beban (berat), arus dll. (Herunadi, 1998).

Cara kerja:
CTD diturunkan ke kolom perairan dengan menggunakan winch disertai seperangkat kabel elektrik secara perlahan hingga ke lapisan dekat dasar kemudian ditarik kembali ke permukaan. CTD memiliki tiga sensor utama, yakni sensor tekanan, sensor temperatur, dan sensor untuk mengetahui daya hantar listrik air laut (konduktivitas). Pengukuran tekanan pada CTD menggunakan strain gauge pressure monitor atauquartz crystal.
Tekanan akan dicatat dalam desibar kemudian tekanan dikonversi menjadi kedalaman dalam meter. Sensor temperatur yang terdapat pada CTD menggunakan thermistor, termometer platinum atau kombinasi keduanya. Sel induktif yang terdapat dalam CTD digunakan sebagai sensor salinitas. Pengukuran data tercatat dalam bentuk data digital. Data tersebut tersimpan dalam CTD dan ditransfer ke komputer setelah CTD diangkat dari perairan atau transfer data dapat dilakukan secara kontinu selama perangkat perantara (interface) dari CTD ke komputer tersambung.

ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER (ADCP)
ADCP kependekan dari Acoustic Doppler Current Profiler, merupakan alat yang digunakan untuk mengukur arus laut. Alat ini mengirimkan sinyal akustik frekuensi tinggi yang disebarkan kembali oleh plankton, sedimen terlarut, dan gelembung udara, yang diasumsikan bergerak dengan kecepatan rerata air. Perubahan Doppler (Doppler shift atau Doppler effect) dari gema yang disebarkan kembali ini memungkinkan kita untuk menentukan kecepatan air. Proses lebih lanjut dari sinyal yang diterima memungkinkan kita untuk menentukan profil dari kecepatan dan arah arus.
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 3. ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

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 spektral, 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.

Sumber : 
§  http://repository.ipb.ac.id/bitstream/handle/123456789/51099/C11mis.pdf?sequence=1
§  http://abymarssiono.wordpress.com/2011/03/17/tekanan-dan-alat-alat-pengukurnya/


Tidak ada komentar:

Posting Komentar