0431: Syamsu Ismail dkk. HK-21

PERANCANGAN PEMANCAR SONAR UNTUK SISTEM PENDETEKSIKAPAL SELAM

Syamsu Ismail∗, Deni Permana, dan Eko Joni Pristianto

Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) - LIPIKampus LIPI Gd. 20 Lt. 4 Jl. Sangkuriang Bandung (40135) - INDONESIA

Telp. 022-2504661 Fax. 022-2504659

∗e-Mail: ismail@ppet.lipi.go.id

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Sound Navigation and Ranging (SONAR), adalah merupakan suatu teknik deteksi dengan menggunakan gelombangakustik, dalam hal ini memanfaatkan air sebagai medium propagasi. Penguasaan teknologi bawah air bersifat strategis, karenabanyak sekali aplikasi teknologi yang bisa dihasilkan baik itu untuk peralatan komersial ataupun peralatan militer. SistemSONAR sendiri terdiri dari sistem Pemancar (transmitter) yang didalamnya terdapat pembangkit gelombang, modulator, pen-guat, serta projektor (transduser elektrik-akustik), sementara pada sisi Penerima (receiver) terdiri dari hydrophone (transduserakustik-elektrik), filter, demodulator, penguat, pengolah sinyal serta Tampilan Peraga (display). Perancangan suatu sistemkomunikasi, demikian juga SONAR, diawali dengan Link Budget transmisi dan propagasi bawah air yang mengacu pada spe-sifikasi yang telah ditentukan. Dalam Link Budget diperhitungkan kebutuhan intensitas daya akustik pada hidrofon, rugi-rugielektrik pada semua komponen elektronik, rugi-rugi akustik sepanjang transmisi bawah air, dan rugi-rugi konversi getaranlistrik menjadi getaran akustik oleh projektor dan konversi sebaliknya oleh hidrofon. Disamping rugi-rugi yang disebutkandi atas, faktor derau elektrik maupun akustik dan reverberasi harus diperhitungkan. Tulisan ini membahas pemancar akustiksistem sonar pendeteksi kapal selam. Dengan memasukan faktor-faktor yang diperoleh dari link budget, maka kebutuhan dayaakustik yang diproyeksikan ke dalam air apat ditentukan. Faktor konversi projektor menentukan daya elektrik yang harus di-catukan pada projektor oleh penguat daya sonar. Frekuensi gelombang pembawa dtentukan sesuai dengan jarak jangkau dankedalaman.

Kata Kunci: link budgeting, pemancar, transmisi dan propagasi

I. PENDAHULUANPerancangan sistem sonar, sama juga dengan sis-

tem radar, dilatarbelakangi oleh kebutuhan luas pe-mantauan. Sifat target pantauan, karakteristik mediumpropagasi seperti redaman air dan kedalaman, tingkatkebisingan dimana sistem akan dioperasikan, danpotensi hardware yang mungkin selanjutnya kemudiansebagai dasar perancangan. Perancangan pemancarini bertujuan untuk menentukan daya elektrik denganfrekuensi ultrasonik yang akan dicatukan pada projek-tor akustik bawah air sesuai dengan spesifikasi.

II. METODOLOGIPerancangan diawali dengan melihat spesifikasi

yang telah ditentukan. Kemudian mengumpulkan in-formasi data lapangan (lautan) seperti level noise danredaman akustik, target sebagai objek deteksi, kompo-nen yang mungkin akan digunakan. Setelah data men-cukupi, maka dilakukan link budget dan dilanjutkan

dengan perancangan subsistem pemancar.

Link Budgeting dan pembahasanSpesifikasi ditentukan sebagai berikut:

• Target: Kapal Selam dengan Cross sectionTS = 15 dB ∼ 25 dB.[5]

• Jarak maksimum: 10 Km.

• Periode Repetisi Pulsa: 16s , atau PRF: 0.0625 p/s

• Frekuensi Kerja: 22∼26 KHz

• Mode Signal: Pulsed Sinusoid , atau 100% - AM.

• Lebar Pulse: 5 - 10 ms + Identitas.

Perhitungan dimulai dengan kebutuhan daya sonar,atau Link Budget, seperti diuraikan sebagai berikut:Frekuensi Kerja pada daerah 22∼26 KHz disesuaikandengan elemen transduser yang mungkin ada. Jarak

Prosiding InSINas 2012

HK-22 0431: Syamsu Ismail dkk.

maksimum Xmax: 10,000 m, Kecepatan gelombang υ =1500 m/s (INDIAN OCEAN D <1000 m, R. J. Urick),untuk 2 trips waktu propagasi:

t =2X

υ=

2× 10000

1500= 13.333s (5)

Blank area ditentukan ∆X = 10 m

τ ≤ 2∆X

υ= 13.333s, τ = 5 ∼ 10 ms (6)

Bentuk signal sonar yang dipancarkan ditunjukkanpada GAMBAR 1 dengan PERS. (16).

GAMBAR 1: Bentuk signal sonar yang dipancarkan.

S(t) =

A.ejωot for 0 ≤ t < τ

0 else(7)

Lebar pita frekuensi yang harus disediakan

BW = 2× 1

5kHz = 400Hz (8)

Faktor-faktor yang menentukan dalam Link Budgetditunjukkan pada diagram propagasi GAMBAR 2.

GAMBAR 2: Diagram propagasi.[1]

Transmission Loss (TL):TL = LRNG + LSPH−CY L + α+ TPD (9)

RANGE [m] sehubungan dengan Spreading Loss,LRNG = 10 Log 10,000 = 40 dB, Untuk 2 trip LRNG = 80dB. Bentuk rugi-rugi Sperik ke Silindrik[3] pada 1000m,LSPH−CY L = 10Log 1K = 30 dB, untuk 2 trip = 60 dB.LABSORB(α), high estimation = 5 dB, untuk 2 trip α=

10 dB. TPD (Total Possible Deviation), high estimation= 10 dB. TL = 80 + 60 + 10 + 10 = 160 dB.

Figure Of Merit (FOM): FOM >TL:FOM = TL+SM, SM

= Safety Margin, antara 10dB sampai 15dBFOM = 160+15=175DbFOM = SL+TS+DI-NL-DT

Source Level (SL): daya akustik yang diproyeksikan

SL= FOM-TS-DI+NL+DT (10)

Target Strength (TS):Data tipikal Kapal Selam, dari buku ”Principles of

Underwater Sound” oleh Robert J, Urick p324 table 9.3,TSSuBM ≈5 dB ∼ 25 dB,[3] diasumsikan 15dB, jika.:0.1% Return Signal di penerima, maka TSSUBMARINE= -15 dB.

Noise Level (NL), data dari R.J. Urick.[3] Noise Levelterdiri dari:

ND = deep water noise = 40 dB , yaitu 10,000 µPa.NS = wind speed 28 - 33 Knot = 55 dB, yaitu 31,623 µPa.NC = coastal Water 22 - 27 Knot = 55 dB, yaitu 31,623µPa. NI = Self Noise (data internal system) total = 40dB,yaitu 10,000 µPa (Pa ≈ W, system dianggap tanpa rugikonversi). Noise total adalah NL = (ND + NS + NC +NI) LINEAR = 65,24 104 µPa. NL(dB) = 58.14 dB ≈ 60dB. Jika noise tak terduga diasumsikan 10 dB, maka NL+ 10 dB ≈ 70 dB.

Directivity of Projector (DI):Disc PZT circular diameterΦ = 6030 mm,

A = π

(ΦL2

)2

− π(

ΦD2

)2

= 2.12× 10−3m2

1 panel = 96 pcs Disc PZT, ATOTAL = 0.20352 m2.

Faktor Direktivitas DF =4πATOTAL

λ2pada 22 KHz ( λ = 0.0682 m).

DF =4π0.20352

0.06822= 2703.2m2 (11)

DI = 10 Log DF = 34 dB. Sehubungan dengan mis-alignment, discontinuity, rugi-rugi bahan, rugi tak ter-duga total 3 dB, maka DI ≈ 31 dB.

Detection Threshold (DT)Keterbatasan ambang deteksi (DT) adalah self noise

karena agitasi termal, EM lingkungan, Akustik ling-kungan, noise di area frekuensi operasi, dll. Diasum-sikan DT = - 20 dB.

Prosiding InSINas 2012

0431: Syamsu Ismail dkk. HK-23

Source Level (SL):SL = FOM - TS - DI + NL + DT = 175 - (-15) - 31 + 70 -

20 = 208 dB.

Konversi Source Level (SL) ke daya elektrik keluaranpemancar sonar:

Intensitas gelombang suara: I = P 2

Z [W.m−2]. P :Tekanan [Pa] P = u · ZU : kecepatan particle [m.s−1]Z : Impedansi Akoustik Specific [Kg. m−2. s−1]Z = ρ · C υ : kecepatan gelombang akustikρ : densitas medium, air laut[3] ρ = 1000 [Kg. m−3].ZSW = 1.5× 106 [Kg. m−2. s−1].

Referensi intensitas (Ir), muka gelombang di dalamair diambil pada tekanan P = 1µPa.[2]

Ir =(1µ)2

1.5× 106= 0.67× 10−18 Watt/m2 (12)

SL = ISD

Ir, ISD = intensitas standard jarak (dalam

perhitungan 1 m), untuk projektor omni directional,pada jarak 1 meter dari pusat sumber, permukaansperik S dengan radius 1 meter adalah:

S = 4πR2 = 4π × (1m)2 = 12.566m2

I =P

12.566, SL =

P/12.566

6.67× 10−18

SL(dB) = P(dB) − 10Log(12.566× 0.67−18)

= 10LogP + 170.8dB (13)

Dari perhitungan sebelumnya didapat SL = 208 dB,PERS. (13):

P(dB) = SL(dB) − 170.8dB= 208dB − 170.8dB = 37.2dB

P(WATT) = 103.92 = 5248 Watt RMS

Jika efisiensi projector η adalah 0.55, maka kebu-tuhan daya elektrik PEL= 9.5 KW ≈ 10 KWatt.

GAMBAR 3 adalah model Butterworth Van Dyke(VDK) Transduser, Projektor piezoelektrik. Rm adalahresistansi dinamis, kapasitansi statis (Co), kapasitansidinamis (Cm), dan induktansi dinamis (Lm). Rangka-ian ekivalen sederhana digunakan untuk perhitungancatuan tegangan, Rm tipikal 450Ω. Jika daya akustikdidistribusikan menhjadi empat panel, maka masing-masing panel dicatu 2500 watt. Tegangan catu yang di-butuhkan adalah V = sqrt2500× 450 ≈ 1060 Volt.

Faktor reverberasi bawah air tidak masuk dalam per-hitungan ini, karena faktor tersebut merupakan suatumasalah yang dapat diselasaikan dengan metode ter-tentu.

GAMBAR 3: Diagram BVD transduser,[2] dan diagram yangdisederhanakan.

III. HASIL DAN PEMBAHASANRancangan Pemancar Sonar

Pemancar Sonar ini terdiri dari sebuah genera-tor sinyal sonar dan modulator amplituda, penguatdaya ultrasonik, dan projektor atau transduser akustikbawah air. Blok diagram pemancar sonar untuk mende-tektsi kapal selam ditunjukkkan pada GAMBAR 4.

GAMBAR 4: Blok Diagram subsistem pemancar sonar.[1]

Frequency Source adalah pembangkit gelombangpembawa dan sinyal pemodulasi. Di bagian ini juga da-pat disisipkan informasi singkat, identitas sistem sonar.GAMBAR 5 adalah bentuk keluaran dari generator sinyalsonar. Frequency Source membangkitkan sinyal gelom-bang pembawa dengan frekuensi pada pita ultrsonik,yaitu sekitar 24KHz. Pulse Modulator adalah suatumetode atau teknik penysipan informasi pada gelom-bang pembawa. Pulsa sebagai sinyal pemodulasi, didalam modulator digunakan secara logik untuk memu-tus atau meneruskan gelombang pembawa. Sinyalkeluaran dari modulator berupa sinyal amplituda mod-ulasi dengan indeks modulasi 100%, disingkat 100%-AM. Metode yang digunakan adalah store program de-

Prosiding InSINas 2012

HK-24 0431: Syamsu Ismail dkk.

ngan mikrokontroler untuk signal source, dan rangka-ian digital logik untuk modulator.

GAMBAR 5: Keluaran dari generator sinyal sonar.[1]

Power Amplifier dan drive amplifier adalah penguatsinyal ultrasonik yang sudah dimodulasi oleh sinyalsonar, dan data lain jika ada. Sinyal keluaran dari unitini adalah tegangan dengan untuk mencatu PZT projek-tor. Power Amplifier ini menggunakan rangkaian dariNon Linear (NL) Sonar Power Amplifier dengan IGBTsebagai elemen utamanya. GAMBAR 6. menunjukkanBlok diagram penguat non-linear pada pemancar sonarpendeteksi kapal selam.

GAMBAR 6: Blok diagram penguat non-linear pada pemancarsonar.[1]

Projektor merupakan transduser yang mengubahenergi getaran listrik ke dalam getaran akustik. Elemenyang digunakan adalah Piezoelektrik kristal berbasisPZT. Susunan elemen dalam satu segmen 2×2 keping(array), seperti pada GAMBAR 7 dan GAMBAR 8.

IV. KESIMPULANLink budget digunakan sebagai dasar rancangan

dari Pemancar Sonar. Hasil rancangan adalah se-

GAMBAR 7: Pandangan samping 2×2 array projektor.[1]

GAMBAR 8: Pandangan muka 2×2 array projektor.[1]

buah konstruksi pemancar, yang terdiri dari empat sub-subsistem, yaitu Catu Daya Tegangan Tinggi, SonarPower Amplifier, Sonar Signal Generator, dan Under-water Projector. Di samping itu, rancangan pemancarmenentukan spesifikasi tiap subsistem.

DAFTAR PUSTAKA[1] Ismail Syamsu, Log Book Penelitian Elektronika

Bawah Air PPET-LIPI Bandung tahun 2006∼2012.[2] Svilainis L., G. Motiejunas, ”Power ampli-

fier for ultrasonic transducer excitation”.http://www.massa.com/Articles/AcousticTrans-ansducers, diunduh 12 November 2012.

[3] Urick, Robert J.: ”Principles of Underwater Sound”3D Edition, McGraw-Hill Book Company, NewYork 1983.

Prosiding InSINas 2012