11/18/2013

1

AKUSTIK BAWAH AIR

Matakuliah Oseanografi Fisis

Abdul Basith, ST, M.Si, PhD

Outline

Pengertian Akustik

Manfaat metode akustik

Karekteristik gelombang suara di laut

Penjalaran gelombang akustik di laut

Pelemahan (attenuation) gelombang

akustik

11/18/2013

2

Pengertian Gelombang

Akustik Secara sederhana: Akustik = suara

Suara adalah gelombang yang disebabkan oleh perubahan kompresi dan refraksi yang dideteksi oleh unit penerima sebagai perubahan tekanan.

Struktur dalam telinga kita dan demikian juga peralatan-peralatan buatan manusia, seperti mikrofon, sangat sensitif terhadap perubahan oleh tekanan suarapressure (Richardson et al.1995, Gordon and Moscrop 1996).

Komponen dasar gelombang suara: amplitudo, panjang gelombang, dan frekuensi

Contoh Bentuk

Gelombang

11/18/2013

3

Pendengaran manusia infrasonic (about 20 Hz) < human hearing <

ultrasonic (about 20,000 Hz)

Mengapa penting mempelajari

Akustik Bawah Air Perambatan gelombang suara tergantung pada karakteristik vibrasi

medium

Gelombang akustik (suara) merambat lebih efisien /cepat di medium

cair (liquid) dan soild daripada di udara/gas; & tidak merambat sama

sekali dalam vacuum

Cahaya (gel. Elektr.) sangat baik merambat di ruang hampa &

menjadi berkurang bila densitas medium meningkat. (ingat sinyal

GPS)

Gelombang suara dapat dipantulkan oleh obyek shg dpt dipakai utk

menemukan posisi obyek, bentuknya, jarak obyek thd sumber suara

http://kai.er.usgs.gov/images/gloria/intro.html

11/18/2013

4

Manfaat

Sinyal kapal selam Submarine signalling

Komuniasi bawah laut Underwater communications

Pengukuran kedalaman (Echo sounding)

Echo ranging and detection (Side Scan Sonar, Multibeam

echosounder)

Pelacakan Tracking ROV (Remotely Operated Vehicle)

Underwater telemetry (Telemetri informasi dari

instrumen apung/transducer dasar laut)

Manfaat

Penelitian geofisika (Geophysical research)

Peralatan militer/sonar pasif untuk kapal selam dan perkapalan (Military listening devises (passive

sonar) for submarines and shipping

Penentuan posisi bawah laut (Position fixing)

Memancing (Fish finding)

Mengukur gelombang dan arus (Measuring waves

and currents)

Penyelidikan organisme laut secara akustik (Acoustic investigation of marine organisms)

Perubahan iklim (Climate change)

11/18/2013

5

Underwater

telemetry

Acoustic telemetry:

penyampaian

informasi secara

akustik

Side Scan Sonar

Pencitraan

(imaging) dasar

laut secara akustik

dengan alat side

scan sonar

11/18/2013

6

Ilustrasi Side Scan Sonar Imaging

Hasil Pencitraan

Dasar Laut dengan

Side Scan Sonar

11/18/2013

7

Hasil Pencitraan

Dasar Laut dengan

Side Scan Sonar

Single/Multibeam

Echosounder

11/18/2013

8

Jalur Singlebeam Echosounder

Ilustrasi pengukuran

Multibeam Echo Sounding

11/18/2013

9

Fish finder echosounder

Fishing

Odom hydrotrack

11/18/2013

10

Kecepatan gelombang suara

di laut

Kecepatan gelombang adalah laju vibrasi/getaran gelombang melewati suatu medium.

= c/f

c = kecepatan suara dalam suatu medium

= gelombang dan f = frekuensi

Kecepatan gel suara di air ± 1500 m/s (± 5x di udara)

Kecepatan gel suara di udara 340 m/s.

Frekuensi gel suara 20 Hz mempunyai pjg 75m di air, sementara di udara 17m

Percobaan laboratorium

Oleh Wilson (1960)

Kecepatan gelombang suara di laut :

1546.16 m/dt

Dalam kondisi salinitas 35 0/00, suhu 300C

Pada umumnya kecepatan gelombangsuara dianggap 1500 m/dt. Hal inimengingat keterkaitannya dengan salinitas,suhu dan tekanan

11/18/2013

11

Karakteristik Gel. Suara

Fungsi dari Temperatur (t),

tekanan/pressure (p), salinitas (s)

C = C(s,t,p)

Rumus Wilson (1960):

C = 1449.2 + Ct + Cp + Cs + Cs,t,p

Ct = 4.6233 T – 5.4585 x 10-2 T2 +

2.822 x 10-4 T3 – 5.07 x 10-7 T4

Koreksi

kecepatan

akibat

pengaruh

suhu

11/18/2013

12

Cp = 1.60518 x 10-1 p + 1.0279 x 10-5 p2

+ 3.451 x 10-9 p3 – 3.503 x 10-12 p4

Cs = 1.391(s-35) – 7.8 x 10-2(s-35)2

Koreksi

kecepatan

akibat

pengaruh

tekanan

Koreksi

kecepatan

akibat

pengaruh

salinitas

Persamaan lengkap Kecepatan

Gelombang suara sebagai fungsi STP

Cs,t,p = (s-35)(-1.197 x 10-2T + 2.61 x 10-4p

- 1.96 x 10-7p2 – 2.09 x 10-2pT)

+ p(-2.796 x 10-4T + 1.3302 x 10-5T2

- 6.644 x 10-8p3)

+p2(-2.391 x 10-7T + 9.286 x 10-10T2)

- 1.745 x 10-10p2T

11/18/2013

13

(Range of use: 0 to 30 degrees C, 0 to

45ppt, 0 to 100m, Clay and Medwin, 1977)

C = C(s,t,p)

Kecepatan gelombang suara semakin

meningkat bila salinitas/tekanan/suhu

meningkat

rule of thumb

T : 3m/s/degree C

p : 0.017m/s/m

S : 1.2m/s/ppt

(Mazel, 1985)

11/18/2013

14

Profil Kec. Gel.

Suara thd

Kedalamaan

Temperatur Pressure Sound velocity

11/18/2013

15

Refraksi Gelombang Suara

Gelombang akan dibelokkan ke arah

lapisan/layer dengan kecepatan rendah

Ingat kembalik kaidah indeks bias dan

penjalaran cahaya di medium berbeda

11/18/2013

16

11/18/2013

17

SOFAR

(Sound Fixing and Ranging

Pada zona kecepatan minimal (1000m),

energi suara terperangkap dalam saluran

ini

Gelombang suara di atas kedalaman

1000m dipantulkan ke bawah

Gelombang suara di bawah kedalaman

1000m dipantulkan ke atas

Berkas2 gel suara akan bergerak ke atas dan ke bawah lapisan kedalaman 1000m secara berulang-ulang tanpa dapat mencapai permukaan laut

Gelombang suara yang terperangkap ini dapat merambat sangat jauh karena energi yg hilang minim

Gelombang yg sampai ke dasar/ permukaan banyak kehilangan energi

11/18/2013

18

Saluran SOFAR banyak dimanfaatkan kepentingan

angkatan laut

11/18/2013

19

Pelemahan Gelombang Suara

Intensitas gelombang suara diserap

medium yang dilaluinya : Efek

viskositas/kekentalan fluida

Laju penurunan intensitas gel suara

sepanjang sumbu x:

dp/dx = p

p: rms sound pressure

= (8 2 )/(3 2 C) = (8/3) (2 f2 )/(C3)

11/18/2013

20

Hubungan viskositas dan frekuensi

Erat kaitannya dalam pemilihan frekuensi

underwater devices

Frekuensi tinggi, koefisien serapan tinggi

Frekuensi rendah, koefisien serapan

rendah

Efek Biologi

Populasi binatang laut, ikan, plankton dll

mengganggu penjalaran gelombang (sbg

noise). Gelombang dihamburkan/scattered

Dampak baik → fishing

Fish finder echo sounder

11/18/2013

21

SONAR

SOund NAvigation and Ranging.

Aplikasi: fish finding, echo sounding, side-

scan sonar and torpedo homing

Sistem SONAR

Aktif

pasif

Sonar aktif bekerja dengan cara memancarkan

sonar dan menerima/ mendengan echo/gema

yang dipantulkan oleh target.

Sonar pasif tidak mempunyai sumber gel suara.

prinsip kerjanya dengan hanya mendengarkan/

menerima suara dari target yang memancarkan

suara / noise. Contoh, noise mesin dari kapal

musuh ataupun komunikasi ikan paus).

11/18/2013

22

Sejarah SONAR

Persamaan sonar dikembangkan selama perang dunia II untuk mendukung kalkulasi yg akurat jangkauan maksimum sistem sonar.

Pengetahuan ttg sonar sangat penting dalam operasi-operasi militer untuk merencanakan taktik jitu.

Persamaan sonar kemudian dipakai dalam mendesain dan mengevaluasi seluruh instrumentasi bawah laut.

Persamaan sonar mencakup seluruh aspek pembangkitan suara, perambatan dan atenuasi suara.

Dengan perkembangan di atas menjadi alasan perlunya studi ttg underwater acoustics

Persamaan Sonar

Persamaan SONAR didasarkan pada

porsi kualitas sinyal yang dikehendaki

(desired signal) dan yang tidak

dikehendaki (undesired signal) dari sinyal-

sinyal yang diterima.

Agar deteksi sinyal akustik berhasil maka

disyaratkan:

Signal Level > Background Level

11/18/2013

23

Tiga Parameter utama SONAR

1. Peralatan

Source Level (SL), Directivity Index (DI), Detection Threshold (DT)

2. Media

Transmission Loss (TL), Reverberation Level (RL), and Noise Level (NL)

3. Target

Target Strength (TS)

Seluruh parameter dinyatakan dalam skala logarithmic dalam dB

Source Level (SL) adalah tingkat kekuatan

intensitas suara sumber.

Directivity Index (DI) adalah sempit tidaknya

acoustic beam atau dengan kata lain adalah

measure of focusing.

Detection threshold (DT) adalah parameter yang

didefinisikan oleh sistem. Bila rasio signal to

noise melebihi ambang DT maka suatu obyek

dinyatakan terdeteksi/ada.

11/18/2013

24

Intensitas sinyal akustik berbanding

terbalik dengan jangkauannya (tereduksi).

Reduksi sinyal akustik dipengaruhi oleh

kombinasi efek dalam penyebarannya dan

atenuasi

Efek-efek ini dinyatakan sbg suku

transmission loss (TL).

Target Strength (TS) adalah besaran yang

menyatakan kemampuan suatu obyek

dalam memantulkan sinyal akustik.

Tingkatan gema (echo level) akan

meningkatkan Target Strength (TS)

11/18/2013

25

Parameter Noise

Ada 2 tipe noise yang menghalangi sinyal dalam

mendeteksi obyek:

1. Noise background / Noise Level (NL) yaitu

Suara-suara dari segala arah yang dihasilkan

oleh angin, gelombang, aktifitas biologi, dan

kapal.

2. Reverberation background or reverberation

level (RL) yaitu sinyal balik yang diterima dalam

keadaan lemah/terhambur.

Sinyal suara dapat dihamburkan oleh plankton.

Ilustrasi ttg reverberation

Contoh, jika seseorang berteriak dalam

gua maka dia akan mendengarkan

rangkaian gema akibat pantulan

permukaan keras.

Pantulan ini kemudian melemah secara

cepat

Kedua noise muncul secara simultan

11/18/2013

26

Konsep Signal to Noise Ratio

Bisa tidaknya suatu obyek di dasar laut

dapat dideteksi tergantung dari faktor

kekuatan sinyal (level of the signal of

interest) thd noise (background noise

level of the ocean) / ambient noise.

Dinyatakan sbg "signal to noise ratio"

(SNR),

three basic forms of the sonar

equations

1) Active noise background sonar equation

2) Active reverberation background.

3) Passive sonar equation.

11/18/2013

27

Active noise background sonar

equation

SNR = SL + DIT + TS - 2TL - (NL-DI)

terdeteksi/tidaknya obyek tergantung pada

nilai ambang deteksi/ detection threshold

(DT)

DT = SL + DIT + TS - 2TL - (NL-DI)

Perlu dilakukan kalibrasi

SL = source level

DI = Directivity Index

DT= Detection treshold

TS= Target strength

NL = noise level

TL = total loss

Active reverberation

backgroundDT = SL + DIT + TS - 2TL – RL

RL menggantikan suku NL-DI

11/18/2013

28

Passive sonar equation

Dalam kasus sonar pasif, sonar itu sendiri adalah sebagai source (SL), kekuatan target menjadi tidak relevan, suku transmission loss term (TL) menjadi one-way.

Thus, the passive sonar equations is:

DT = SL + DIs -TL - (NL-DI)

DI adalah directivity of target-source.

two-way transmission loss (2TL) diganti dengan one way TL

Persamaan sonar pasif sangat dikendala oleh back-scattered dan bukan hydrophone penerima.