Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

34
PERSAMAAN SONAR ( SONAR EQUATION ) UNTUK DUNIA KELAUTAN ( FOR MARINE ) Muhammad Zainuddin Lubis 1 , Sri Pujiyati 2 , Pratiwi Dwi Wulandari 1 PENDAHULUAN Kunci keberhasilan dalam peperangan anti kapal selam adalah deteksi awal. Peralatan utama yang digunakan adalah sonar. Untuk memahami sonar maka pengetahuan tentang persamaan sonar dan figure of merit harus dimiliki. Banyak fenomena dan efek propagasi di dalam air yang mempengaruhi dalam perhitungan sonar. Persamaan dasar sonar a. Deteksi sonar Sebelum masuk ke persamaan sonar, secara ringkas proses deteksi adalah bahwa energi akustik dari sasaran yang diterima receiver sonar dikonversi ke energi listrik kemudian mengalami penguatan dan proses untuk selanjutnya ditampilkan pada display. Maka energi akustik yang diterima merupakan fungsi dari deteksi sasaran. Sehingga persamaan sonar menyatakan hubungan antara energi akustik yang diterima oleh receiver dengan fungsi deteksi sasaran di display sonar. b. Komponen energi akustik yang diterima

description

Persamaan-Sonar ( Sonar Equation ) dan pendekatan kearah ilmu dan teknologi kelautan ( Marine Fisheries, Marine Science and Technology)

Transcript of Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Page 1: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

PERSAMAAN SONAR ( SONAR EQUATION ) UNTUK DUNIA KELAUTAN ( FOR MARINE )

Muhammad Zainuddin Lubis1 , Sri Pujiyati2 , Pratiwi Dwi Wulandari1

PENDAHULUAN Kunci keberhasilan dalam peperangan anti kapal selam adalah deteksi awal. Peralatan

utama yang digunakan adalah sonar. Untuk memahami sonar maka pengetahuan tentang persamaan sonar dan figure of merit harus dimiliki.

Banyak fenomena dan efek propagasi di dalam air yang mempengaruhi dalam perhitungan sonar.

Persamaan dasar sonar a.       Deteksi sonar

Sebelum masuk ke persamaan sonar, secara ringkas proses deteksi adalah bahwa energi akustik dari sasaran yang diterima receiver sonar dikonversi ke energi listrik kemudian mengalami penguatan dan proses untuk selanjutnya ditampilkan pada display. Maka energi akustik yang diterima merupakan fungsi dari deteksi sasaran. Sehingga persamaan sonar menyatakan hubungan antara energi akustik yang diterima oleh receiver dengan fungsi deteksi sasaran di display sonar.

                  

 b.       Komponen energi akustik yang diterima

Total energi akustik yang bersumber pada energi yang dipantulkan sasaran yang disebut sebagai sinyal (S) dan dari lingkungan lingkungan yang disebut sebagai noise (N).

Kualitas energi yang diterima dinyatakan dengan membandingkan sinyal dan noise yang dinyatakan dalam rasio yaitu S/N atau S – N.

          

Page 2: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

    

c.       Implikasi rasio sinyal terhadap noise (S/N)Rasio S/N atau S – N yang diterima bisa lebih besar dari 0 dB yang

menyatakan bahwa tingkatan sinyal lebih kuat dari tingkatan noise atau lebih kecil sama dengan 0 dB yang menyatakan bahwa tingkatan sinyal lebih lemah dari tingkatan noise.

Perlu dicatat bahwa walaupun rasio lebih besar dari 0 dB tidak menjamin bahwa suatu sasaran akan terdeteksi di display sonar.

 d.       Detection Threshold (DT)

Untuk menghitung besarnya deteksi sasaran berdasarkan rasio sinyal terhadap noise dari energi akustik yang diterima dikenal dengan istilah detection threshold yang didefinisikan sebagai rata – rata rasio sinyal terhadap noise yang dibutuhkan untuk memperoleh kemungkinan deteksi sebesar 50%           

     

  e.       Persamaan dasar sonar

Maka hubungan antara rasio sinyal terhadap noise dengan detection threshold dibuat dalam persamaan sebagai berikut

 S – N ≥ DT

 Parameter sonar

Dari persamaan S – N ≥ DT dapat dijabarkan komponen yang mempengaruhi sebagai berikut :

a.       Komponen Sinyal (S) meliputi :1)                   Source level (SL)2)                   Transmission losses (TL)3)                   Target strength (TS) 

b.       Komponen Noise (N) meliputi :1)                   Noise level (NL)2)                   Directivity index (DI)3)                   Reverberation level (RL)

  

Page 3: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 Perbedaan kombinasi parameter sonar akan memberikan bentuk persamaan sonar yang

berbeda antara sonar aktif dan sonar pasif.a.      Source level (SL)

Pada sonar aktif SL bersumber pada intensitas energi akustik yang dihasilkan oleh transducer sedangkan pada sonar pasif SL mengacu pada energi akustik yang berasal / dibangkitkan sendiri oleh sasaran

             

   

b.       Transmission losses (TL)

3 jenis transmission losses yaitu :1)                   Sperading losses2)                   Absorption losses3)                   Transmission losses anomaly                           

Page 4: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 c.     Target strength (TS)Target strength hanya diperhitungkan dalam persamaan sonar atif. Target

strength didefinisikan sebagai jumlah intensitas energi akustik yang dapat dipantulkan oleh permukaan benda. Faktor yang mempengaruhi adalah sasaran dan energi akustik yang diterima, besar target strength antara 15 – 25 dB.

Kapal selam dapat memanfaatkan target strength untuk mengurangi pemantulan yang dilaksanakan melalui :1)                Bentuk badan

Rancangan bentuk kapal selam harus menghindari bentuk – bentuk permukaan yang rata / flat atau silinder sehingga akan mereduksi kemampuan pemantulan energi akustik yang diterima2)                Anechoic coating

Lapisan yang digunakan pada lambung untuk menyerap energi akustik yang datang sehingga memperkecil tingkat pemantulan.3)                Active cancellation

Dengan menggunakan alat untuk membalikkan fase energi akustik yang datang sehingga energi pantulan akan berbeda fase

                   

d.      Noise level (NL)Noise level adalah energi akustik yang dibangkitkan atau dihasilkan oleh suatu

obyek, noise level terbagi atas :1)               Ambient noise

Ambient noise terjadi karena :a)       suara hewan bawah airb)       suara mesin c)       suara pendorongan/propelerd)       energi akustik yang dipancarkan dari sonar lain

2)               Self noise

Self noise terjadi karena :a)       Sonar sendiri b)       Mesin dan pendorongan sendiric)       Noise dari lambung akibat gesekan arus air dengan badan kapal

 

Page 5: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

e.      Directivity index (DI)Directivity index dinyatakan sebagai kemampuan sonar untuk membedakan arah

datangnya noise dengan mereduksi noise yang beasal dari arah datangnya pada transducer sonar. Yang mempengaruhi directivity index adalah :

1)               Ukuran elemen pemancarSemakin besar ukuran elemen, semakin sempit beamwidth dan

mengakibatkan directivity index semakin baik2)               Jumlah dan spasi elemen pemancar

Semakin banyak dan semakin rapat semakin baik directivity indexnya3)               Frekuensi energi akustik yang diterima

Semakin tinggi frekuensi, semakin kecil beamwidth dan semakin baik directivity index

 f.       Reverberation losses (RL)

Mengacu pada tingkat noise dari energi akustik yang dipantulkan yang timbul akibat pemantulan yang tidak serentak. Kombinasi echo pantulan ini dapat menutup sinyal yang diterima secara keseluruhan dari sasaran.

 Persamaan sonar pasif dan aktif

a.     Persamaan sonar pasifSonar pasif bergantung pada sinyal yang diterima yang berasal dari sasaran yang

perambatannya dipengaruhi oleh SL dan TL dan noise yang dipengaruhi oleh noise level yang direduksi dengan directivity index yang keseluruhan dirumuskan sebagai berikut :

S = SL – TL ................(1)N = NL – DI ................(2)S – N ≥ DT ...............(3)

 Persamaan ketiga disubstitusi dengan persamaan pertama dan kedua sebagai

berikut :SL – TL – (NL – DI) ≥ DTSL – TL – NL + DI ≥ DT

  b.      Persamaan sonar aktif

Pada sonar aktif, energi akustik dipancarkan dan diterima oleh sonar, sehingga terjadi 2 kali perambatan. Untuk sinyal saat memancar akan dipengaruhi oleh source level dan transmission losses selama perambatan menuju sasaran. Sedangkan saat menerima, energi yang dipantulkan dipengaruhi oleh ada atau tidaknya penguatan dari target strength serta transmission losses yang kedua selama proses menuju receiver sonar. Sehingga sinyal untuk sonar aktif dapat dirumuskan sebagai berikut :

 S = SL – TL + TS – TL

S = SL – 2TL + TS 

Sedangkan uuntuk noise sendiri dipengaruhi oleh :1)                   Ambient noise dengan rumus yang berlaku adalah N = NL – DI2)                   Reverberation noise dengan rumus N = RL

 Maka persamaan sonar aktif dapat di bedakan atas 2 bergantung jenis noise yang

mempengaruhi yaitu :S = SL – 2TL + TS ................(1)

N = NL – DI atau N = RL................(2)S – N ≥ DT ...............(3)

 

Page 6: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Persamaan ketiga disubstitusi dengan persamaan pertama dan kedua sebagai berikut :

SL – 2TL + TL – (NL – DI) ≥ DTatau

SL – 2TL + TL – RL ≥ DT 

   

Figure of merit (FOM)

Jarak jangkau sonar umumnya digunakan sebagai ukuran kemampuan sonar, namun ini sendiri merupakan suatu anggapan yang kurang tepat karena kemampuan deteksi jarak sangat bergantung pada kondisi lingkungan yang berubah – ubah.

Pengukuran kemampuan sonar yang baik adalah kemampuan untuk deteksi tingkat intensitas suara tertentu yang berasal dari luar, karena ini akan mengurangi ketidak pastian yang disebabkan perubahan lingkungan dan memberikan perbandingan yang tegas antara sonar yang satu dengan sonar lainnya.

Pengukuran ini disebut figure of merit (FOM) sonar. FOM merupakan maksimal transmission losses tunggal pada sonar pasif yang ditoleransi atau maskimum 2 transmission losses pada sonar aktif yang ditoleransi unntuk dapat memberikan kemampuan deteksi minimal 50%

FOM dapat dirumuskan sebagai berikut :a. a.       Untuk sonar pasif

SL – TL – NL + DI = DTMaka,TL = SL – NL + DI – DTPassive FOM = TLSehingga passive FOM = SL– NL + DI – DT 

b. b.       Untuk sonar aktifSL – 2TL + TS – NL + DI = DTMaka,2TL = SL + TS – NL + DI – DTActive FOM = 2TLSehingga Active FOM = SL + TS – NL + DI – DT     

Penggunaan FOM dalam AKS memberikan ukuran kuantitatif perbandingan sonar tanpa perlu mengetahui kondisi operasional atau sasaran. FOM dapat juga menginterpretasikan jarak dimana transmission losses / propagation losses diketahui, namun hal ini tidak mudah dilakukan

FOM dapat ditingkatkan dengan : a.       Meningkatkan SL dengan menambah power yang dipancarkan atau memperkuat sensitifitas dengan noise yang diterimab.       Mengurangi NL dimana hanya mungkin untuk self noise c.       Menambah DI dengan menggunakan frekuensi tinggid.       Mengurangi DT dengan meningkatkan false alarmnya. 

 PROPAGASI BAWAH AIR

Page 7: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 Introduksi

Pemahaman terhadap penggunaan energi suara secara efektif uuntuk melaksanakan deteksi dan penjejakan sasaran bawah air, membutuhkan pemahaman akan sifat – sifat / karakteristik perambatannya dalam air.

Refraksi Refraksi terjadi bila suatu gelombang pancaran (cahaya, suara dll) merambat

melewati 2 media yang berbeda kerapatan / densitasnya, maka akan terjadi pembelokan arah perambatannya yang dikenal dengan istilah refraksi tersebut.

Di dalam air propagasi suara juga mengalami pembelokan yang disebabkan oleh perbedaan karakteristik air laut yang mempengaruhi kerapatan / densitas media.

Laut bukan merupakan suatu media yang homogen, sebaliknya dalam laut dapat terbentuk lapisan – lapisan yang memiliki karakteristik yang berbeda.

Pembelokan tersebut bergantung juga pada kecepatan suara, dimana bila kecepatan menurun saat melewati batas 2 media yang berbeda maka lintasan gelombang suara akan dibelokan mendekati garis normal

Sebaliknya bila tambah cepat maka akan dibiaskan menjauhi garis normal

     Secara umum, gelombang suara mengalami pembelokan ke daerah yang memiliki

karakteristik kecepatan suaranya lebih lambatHukum snellius berlaku untuk perambatan yang melalui 2 medium yang berbeda : V1 = V2 . Sin 01 Sin 02 Apabila sudut datang menghasilkan sudut bias yang lebih besar, dimana

penambahan sudut datang menyebabkan bertambahnya sudut bias, maka pada suatu sudut datang tertentu akan menghasilkan sudut bias yang tegak lurus (90 derajat) terhadap garis normal. Sudut datang demikian disebut sudut kritis. Penambahan lagi sudut datang akan menyebabkan gelombang pancaran tadi tidak dibiaskan melainkan dipantulkan kembali. Fenomena ini disebut total refleksi internal.

Page 8: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Lintasan perambatan gelombang suara dalam air sendiri bergantung pada sejumlah faktor yang mempengaruhi karakteristik fisik air laut dan struktur lapisan – lapisan di dalamnya.

1. Faktor – faktor yang mempengaruhi kecepatan suara dalam air 3 faktor yang mempengaruhi kecepatan perambatan suara dalam air adalah kadar

garam / salinitas, tekanan / kedalaman dan suhu.a. SalinitasSalinitas di perairan terbuka rata – rata konstan, berkisar antara 32 – 38 ppt. Perubahan / penambahan 1 ppt akan merubah / menambah kecepatan suara dalam air hingga mencapai 1,3 meter / detik.

Variasi salinitas terbesar terletak di daerah ocean front yaitu daerah yang memisahkan massa air laut yang berbeda karakteristiknya, biasanya menunjukan gradien horisontal suhu dan temperatur yang sangat besar.

   b. Tekanan Faktor lain yang mempengaruhi kecepatan suara dalam air adalah tekanan. Faktor ini lebih dominan mempengaruhi kecepatan suara dalam air dibandingkan dengan salinitas.Penambahan tekanan terhadap penambahan kedalaman relatif konstan dan dapat diperhitungkan / diprediksi.

Page 9: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Penambahan kedalaman 1 meter akan menambah kecepatan suara hingga mencapai 0,017 meter / detikc. SuhuKecepatan suara dalam air akan menurun seiring dengan penurunan suhu air laut pula. Pada kedalaman sampai 1000 meter, suhu air laut menurun terhadap kedalaman dan kecepatan suara menurun 3 meter / detik setiap penurunan suhu 1 derajat celcius.

2. Faktor – faktor pembanding Dari ketiga faktor, pengaruh suhu terhadap kecepatan paling menentukan dan signifikan, sedangkan salinitas memberikan pengaruh terkecil terhadap kecepatan suara dalam air.Tekanan selalu dihubungkan dengan kedalaman. Untuk kedalaman kurang dari 1000 m, pengaruhnya terhadap kecepatan suara relatif lebih kecil.Sehingga perubahan tekanan pada kedalaman 165 m memberikan pengaruh yang sama setiap perubahan suhu 1 derajat C.

3. Kombinasi faktor – faktor Kecepatan suara dalam air sebenarnya merupakan kombinasi dari ketiga faktor tersebut di atas.

4. Persamaan Wilson Hubungan matematis kombinasi faktor – faktor tersebut diatas terhadap kecepatan suara dalam air dirumuskan oleh wilson sebagai berikut :C = 1449 + 4,6T + 0,055T2 + 0,003T3 + (1,39 – 0,0125T) (S – 35) + 0,0178d   

5. Gradien kecepatan suara Gradien kecepatan suara adalah perubahan propagasi suara sebagai akibat perubahan kecepatan suara dalam air. Gradien kecepatan suara ini menentukan bentuk lintasan propagasi suara dalam air.

Page 10: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Secara umum ada tiga jenis gradien yaitu :a. a.       Gradien kecepatan suara negatif (negative gradient)

b. b.      Gradien kecepatan suara nol (Zero gradient)

 c. c.       Gradien kecepatan suara positif (Positive gradient)

Bentuk profil Kecepatan suara dalam air dipengaruhi oleh ketiga jenis gradien kecepatan suara tersebut di atas. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa faktor yang dominan mempengaruhi kecepatan suara adalah suhu dan tekanan air laut. Bila tekanan bertambah seiring dengan pertambahan kedalaman, maka suhu air laut dapat naik atau

Page 11: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

turun terhadap penambahan kedalaman, bergantung pada karakteristik air laut, musim dan waktu.

a. a.       Gradien kecepatan suara negatif (negative gradient)Gradien negatif terjadi pada saat terjadi penurunan suhu terhadap kedalaman. Dimana penurunan suhu ini lebih dominan mempengaruhi kecepatan suara dibanding dengan peningkatan tekanan terhadap penambahan kedalaman. Pada gradien negatif ini, lintasan suara akan dibelokan / dibiaskan ke arah daerah yang memiliki kecepatan suara yang lebih rendah, sehingga pada gradien negatif, lintasan suara akan dibelokan ke bawah. 

Perlu diketahui adanya daerah bayangan (shadow zone). Besarnya gradien negatif yang ditimbulkan akan menentukan intensitas / jumlah refraksi yang terjadi yang akan mempengaruhi jarak terbentuknya shadow zone tersebut secara langsung. Shadow zone ini dapat digunakan oleh kapal selam untuk mendekati kontak permukaan tanpa terdeteksi. 

b. b.      Gradien kecepatan suara nol (zero gradient)Gradien nol terjadi bila tidak terjadi penurunan / penaikan kecepatan suara dalam air. Pada gradien ini, tidak terjadi perubahan kecepatan suara, sehingga tidak terjadi pembiasan sehingga gelombang akan merambat menurut garis lurus. Kondisi ini sering disebut propagasi iso velocity. Gradien nol ini sangat memungkinkan untuk perambatan gelombang suara dalam air sampai jarak yang sangat jauh.

Page 12: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

c. c.       Gradien kecepatan suara positif (positive gradient)Gradien positif terjadi bila terjadi peningkatan kecepatan suara dalam air terhadap penambahan kedalaman sebagai akibat naiknya suhu terhadap penambahan kedalaman. Gradien positif sangat jarang terjadi. Biasanya terjadi di daerah estuari atau daerah tropis selamamusim dingin. Dimana es yang mencair mengalir menuju daerah / perairan hangat sehingga lapisan atas / permukaan akan lebih dingin dibandingkan dengan lapisan dibawahnya.Perambatan suara pada gradien positif ini akan menyebabkan dibelokannya gelombang suara ke atas, yaitu ke daerah yang memiliki kecepatan suara lebih rendah karena suhu yang dingin dibandingkan dengan suhu air laut di bawahnya.

Gradien di suatu daerah pada dasarnya merupakan kombinasi dari 3 jenis gradien di atas.Contoh :a. a.       Gradien positif di atas gradien negatif

..............................

 

Page 13: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

b. b.      Gradien negatif di atas gradien positif

 6. Surface duct / lorong permukaan.

Jarak pancaran yang jauh dapat diperoleh pada gradien positif yang terjadi dekat permukaan, dimana propagasi suara akan dibiaskan ke atas permukaan dan setelah mencapai permukaan akan dipantulkan kembali sehingga akan terbentuk surface duct.

 Pada kondisi ini akan sangat baik untuk melaksanakan deteksi kapal selam pada kedalaman periskop, namun tidak dapat mendeteksi / sulit mendeteksi kapal selam yang menyelam dalam. 

7. Isothermal layer Adalah lapisan dimana suhu relatif konstan terhadap perubahan kedalaman dimana terjadi pula gradien suara positif meskipun sangat kecil, yang terjadi akibat peningkatan kecepatan akibat penambahan tekanan terhadap kedalaman. Perlu diingat bahwa isotermal tidak sama dengan gradien nol.

 

Page 14: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

   

PENGARUH SUHU TERHADAP PROPAGASI SUARA DALAM AIR Seperti yang telah dijelaskan pada bagian awal bahwa dari faktor – faktor yang

mempengaruhi propagasi suara dalam air yaitu salinitas, temperatur dan tekanan, maka yang paling mempengaruhi adalah temperatur / suhu.

1. Struktur suhu di laut

Untuk mengetahui bentuk perambatan suara dalam air, kita harus mengetahui lebih dulu struktur suhu air laut.. Pada bagian ini akan dijelaskan profile suhu dan metode pengukuran suhu sebenarnya dilauta. a.       Profil umum

Suhu yang terdapat pada air laut merupakan kombinasi dari :1. 1.       Pemanasan matahari 2. 2.       Pengadukan oleh pergerakan udara (angin) 3. 3.       Sirkulasi dalam air laut pada skala besarSecara umum dapat disimpulkan suhu menurun terhadap kedalaman.Ini

terjadi karena massa air laut yang dingin lebih berat daripada massa air laut yang panas sehingga massa air laut yang dingin ini akan tenggelam

                                    

Page 15: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

  

b. b.       IsothermalMerupakan gradient suhu dimana terjadi karena suhu tetap dengan

bertambahnya kedalaman, hal ini terjadi karena arus konveksi yang terjadi membantu pencampuran lapisan - lapisan sehingga menghasilkan tingkat suhu yang konstan terhadap seluruh massa air laut.

Keadaan ini akan lebih cepat terjadi bila terdapat angin di permukaan ( bertiup) dan juga gerakan dalam air laut sendiri.

 c. c.       Thermocline

Adalah profil suhu dimana suhu air menurun terhadap kedalamanan. Ini terjadi pada musim panas atau pada siang hari selama pemanasan atau secara permanen pada lokasi tertentu di laut dimana terjadi pertemuan dua massa air laup yang panas dan dingin.

              

d. d.       Seasonal Surface Temperature (Suhu permukaan musiman)Pada perairan iklim sedang pemanasanan permukaan sangat signifikan

terjadi pada musim panas maupun musim semi. Pengaruh pemanasan permukaan secara kumulatif terjadi terutama pada lapisan permukaan yang lebih panas daripada lapisan di bawahnya.

                    

e. e.       Quantity of heatJumlah panas yang diterima di permukaan dapat memberikan nilai yang

sama di lapisan yang lebih dalam pada suhu yang lebih rendah bila terjadi pencampuran / pengadukan permukaan karena angin permukaan.

Page 16: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 f. f.         Seasonal thermocline

Lapisan suhu yang menurun akan membentuk yang dikenal dengan termoklin musiman. Selama musim gugur, dimana udara di atas permukaan lebih dingin dari permukaan laut, lapisan permukaan akan mulai menjadi dingin dan seasonal thermocline mulai menghilang.

                      

g. g.       Transient thermoclinePemanasan permukaan setempat (lokal) akibat panasnya matahari siang

(daerah tropis atau selama musim panas) menyebabkan terjadinya gradient negatif yang kecil di dekat permukaan. Gradien suhu ini dikenal dengan transient thermocline.

Transient thermocline memiliki rentang waktu selama beberapa jam sampai dengan beberapa hari, setelah itu akan menyebar dan tenggelam lebih dalam dan memperkuat seasonal thermocline.

 h. h.       Afternoon effect

Pemanasan harian pada permukaan dan pembentukan transient thermocline menyebabkan terjadinya afternoon effect dimana, efek kumulatif dari afternoon effect ini pada musim panas dan dingin menyebabkan terjadinya seasonal thermocline                  

Page 17: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 i. i.         Deep Isothermal Layer

Air dingin yang rapat dari wilayah kutub akan tenggelam dan bergerak semakin kearah ekuator. Air ini membentuk lapisan isothermal yang dalam dan dingin pada perairan hangat.                       

j. j.         Permanent ThermoclineAntara lapisan isothermal yang dalam dan permukaan laut sebuah lapisan

transisi dengan gradien suhu negatif yang curam akan terbentuk. Lapisan transisi ini disebut permanent thermocline atau main thermocline. (lihat profil umum, point a.)                       

k. k.       Localized positive gradientAda saat dimana suhu bertambah terhadap kedalaman. Ini dapat terjadi saat

hujan sangat lebat dimana air hujan dengan salinitas rendah berada di atas perairan hangat yang rapat (salinitas tinggi) Diperairan beriklim sedang, ini dapat terjadi di

Page 18: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

sekitar iceberg (gunung es di laut) dimana es yang mencair dari iceberg akan berada di atas lapisan air yang relatif lebih hangat dengan salinitas tinggi.(lihat profil umum,point a.) 

l. l.         Contoh profil perambatan suara di Laut Cina SelatanDi Laut Cina Selatan sampai 200 Nm dari Horsburg, sepanjang 020 SLOC

yang relatif dangkal dengan kedalaman antara 5 0 – 85 m1) 1)       Pada bulan maret

Gradien suhu cenderung negatif, permukaan mulai memanas akibat pergantian musim setelah musim monsoon. Gradien suhu negatif menyeimbangkan bertambahnya kecepatan suara akibat bertambahnya kedalaman yang menghasilkan profil kecepatan suara yang sama (iso – velocity) 

2) 2)       Pada bulan meiIni terjadi pada periode monsoon barat daya dimana udara relatif tenang. Pemanasan permukaan akibat afternoon effect, menyebabkan terjadinya transient thermocline. Udara yang relatif tenang selama masa ini mencegah terjadinya pengadukan sampai pada kedalaman dasar yang akan menyebabkan terjadinya profil isothermal. Hal ini menyebabkan profil kecepatan suara iso – velocity menurun pada kedalaman ± 25 m diikuti dengan gradien negatif 

3) 3)       Pada bulan septemberSuhu udara di atas permukaan mulai menurun, ini menyebabkan lapisan permukaan menjadi lebih dingin, membentuk gradien suhu positif pada kedalaman antara 25 – 30 m. Di luar itu, lapisan thermocline atau lapisan isothermal dingin di bagian bawahnya terbentuk bergantung pada kedalaman laut.

 m. m.     Profil suhu aktual dan pengukuran profil kecepatan suara

Selama operasi AKS, pengetahuan akan profil struktur suhu pada suatu area saja tidak cukup. Suatu profil yang akurat yang merupakan perbandingan antara suhu dan kedalaman harus diperoleh. Untuk itu dibutuhkan XBT dimana dapat dikonversikan membentuk profile kecepatan suara dimana kemudian dapat digunakan untuk memprediksikan bentuk propagasi suara dalam air

Metode yang lebih akurat dan langsung merupakan profil kecepatan suara adalah dengan menggunakan velocimeter suara atau disebut XSV. XSV digunakan untuk membandingkan dan sebagai pelengkap terhadap hasil yang diperoleh dari XBT                   

Page 19: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

    

n. n.       Operasional sonarDengan mengetahui profil kecepatan suara, lintasan propagasi suara dalam

air dapat digambarkan. Sonar kemudian dapat ditempatkan secara taktis unntuk mendeteksi sasaran kapal selam dalam operasi AKS

 2. Perambatan / propagasi suara dalam air

Selama perjalanannya, suara dapat dibelokkan / dibiaskan akibat adanya gradiien kecepatan suara atau gradien kecepatan suhu atau dipantulkan oleh permukaan maupun dasar laut.a. a.       Refraksi (pembelokan / pembiasan)

Suara dibiaskan / dibelokkan ke arah ruang / area yang memiliki kecepatan suara lebih rendah, sehingga suara akan dibelokkan ke atas pada gradien kecepatan suara positif dan ke bawah untuk gradien kecepatan suara negatif(gambar) 

b. b.       Refleksi (pemantulan)Suara dipantulkan oleh permukaan dan dasar laut. Pemantulan dapat hampir

sempurna bila permukaan maupun dasar laut rata / tenang. Permukaan keras akan memantulkan dengan baik di bandingkan permukaan yang lembut.(gambar) 

c. c.       Surface ductTerjadi bila terdapat gradien kecepatan suara positif di permukaan dimana

saat terjadi profile kecepatan suara positif, lintasan suara akan dibelokkan ke atas ke permukaan, bila permukaan relatif tenang, maka perambatan suara akan dipantulkan kembali ke bawah. Bila proses ini berulang maka akan terbentuk lorong suara yang disebut surface duct.  

d. d.       Shadow zoneDi lorong suara, suara hanya akan merambat di dalamnya, sehingga suatu

sasaran yang berada di luar lorong suara tidak dapat dideteksi. Area ini disebut shadow zone.

          e. e.       Kedalaman surface duct

Umumnya, surface duct akan lebih dangkal (shadow zone membesar) ketika gradien kecepatan suara lebih curam karena gradien yang curam akan membelokkan lintasan suara lebih sehingga lintasan suara akan mencapai critical angle lebih cepat dan dipantulkan lebih dulu. Untuk atasi hal ini dapat dengan menggunakan VDS (variable Depth Sonar)

 

Page 20: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 f. f.         Reliable acustic path

Profil lorong suara (sound channel) dapat juga dimanfaatkan untuk mode propagasi lain dengan transducer ditempatkan didekat critical depth yang disebut Reliable Acoustic Path. Suara akan dibelokkan secara langsung ke atas dari sumber.  

g. g.       Bottom bounceSuara yang di arahkan ke bawah, pada kondisi tertentu akan dipantulkan

oleh dasar laut ke permukaan pada jarak yang sangat luas di permukaan. Kondisi ini disebut bottom bounce.

Bottom bounce dipengaruhi oleh :1) 1)       Frekuensi gelombang suara2) 2)       Sudut pertemuan dengan dasar laut3) 3)       Kedalaman dasar laut4) 4)       Kondisi dasar laut 

h. h.       Shallow sound channelBila gradien kecepatan suara di bawah dasar dari seasonal thermocline

adalah positif, sound channel pun dapat terjadi. Perambatan suara yang terjecak tersebut dikenal dengan Shallow Sound Channel

                

  i. i.         Sumbu sound channel

Titik dimana kecepatan suara yang paling kecil terjadi disebut sumbu / aksis sound channel. Ketika transducer sonar ditempatkan pada atau dekat sumbu sound channel, jarak deteksi yang baik dapat diperoleh terhadap sasaran yang juga berada dalam sound channel.

              

Page 21: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

 j. j.         Downslope coupling

Pada area sekitar continental slope, suara yang dihasilkan pada perairan dangkal dapat di masukkan / digabungkan (dicouple) ke dalam sound channel seperti surface duct atau shallow sound channel melalui proses yang disebut downslope coupling. Dalam hal ini, sangat menguntungkan bagi sonar utk deteksi secara pasif.

  

k. k.       Deep sound channelSebuah sound channel dapat terbentuk dengan sumbu / aksis pada lapisan

pertemuan antara permanent thermocline dan lapisan isothermal dalam di bawahnya. Kejadian ini akan membentuk sebuah deep sound channel.

Deep sound channel sangat tebal dan dapat digunakan oleh sonar pasif untuk deteksi sasaran pada jarak jauh. Peralatan ini dapat digunakan / diletakkan di dasar laut untuk kepentingan deteksi strategis.                  

l. l.         Convergence Zone propagationProfil kecepatan suara yang hasilkan deep sound channel dapat digunakan

untuk pemancaran convergence zone. Ini terjadi di laut dalam. Kondisi yang dibutuhkan untuk terbentuknya convergence zone adalah kedalaman tertentu, kecepatan suara akan sama atau mencapai kecepatan suara maksimal di dekat lapisan permukaan, dimana perambatan suara mencapai sudut pertemuan secara horisontal dengan permukaan untuk selanjutnya mengalami proses refraksi atau pembiasan.

                 

Page 22: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

  

m. m.     Critical depthKedalaman dimana kecepatan suara sama dengan kecepatan maksimal di

lapisan dekat permukaan disebut critical depth. Pada critical depth, critical ray akan memperoleh pembelokan penuh / maksimal dan dipantulkan kembali ke permukaan.

 n. n.       Depth excess

Untuk memperoleh energi yang cukup untuk dipropagasikan, pembelokan satu energi lintasan rambatan suara ke permukaan tidak cukup, sehingga untuk memungkinkan terjadinya pembelokkan, dasar laut paling sedikit 500 m dari critical depth. 

o. o.       Zone rangeSetelah mencapai permukaan, suara akan dipantulkan kembali membentuk

convergence zone. Jarak dari sumber dimana convergence zone terjadi di sebut zone range. Di samudera Atlantik, zone range pertama dapat mencapai 30 nm, lebar zone range di permukaan biasanya mencapai 10% dari zone range.

 p. p.       Convergence zone detection

Operator sonar pasif dapat mendengar noise dengan manfaatkan convergence zone untuk deteksi sasaran pada jarak jauh.

 q. q.       Ping stealing

Bottom bounce dapat digunakan kapal selam untuk menyadap pancaran sonar aktif secara langsung atau melalui pantulan dari dasar laut untuk menentukan lokasi dari sasaran permukaan. Hal ini disebut ping stealing.

Untuk memperoleh ping stealing yang baik maka dasar laut untuk pemantulan harus mampu memberikan pemantulan yang baik / sempurna serta ketinggian kapal selam dari dasar minimal 1100 meter. Perlu diketahui bahwa ping stealing tidak pernah dapat dilaksanakan di laut cina selatan.

Pada saat melaksanakan ping stealing, perbedaan waktu antara datangnya rambatan suara secara langsung dengan yang melalui pemantulan akan dibandingkan.

Perbedaan waktu tersebut merupakan suatu fungsi dari 2 faktor yaitu jarak kapal dan kedalaman air di bawah posisi kapal selam. Pada waktu perbedaan tersebut di ukur, dan kedalaman diketahui maka jarak kapal permukaan dapat dihitung dengan menggunakan trigonometri sederh  

TEORI DASAR SONAR Energi suara telah digunakan secara luas dalam peperangan anti kapal selam,

komunikasi dan navigasi dalam air. Untuk memahami secara baik prinsip prinsip peperangan anti kapal selam, pengertian energi suara dan prinsip – prinsip teoritis lainnya yang ada sangatlah penting.

 3. Suara sebagai energi pilihan

Sistem deteksi dan penjejakan seperti radar dan sonar bekerja dengan cara mendeteksi energi yang dipantulkan oleh suatu obyek yang berada pada bidang / area pencarian. Energi yang digunakan oleh radar atau peralatan elektro optik adalah dengan menggunakan energi gelombang elektromagnetik atau cahaya, sedangkan untuk sonar dan echo sounder menggunakan energi gelombang akustik / suara.

Dalam penggunaan gelombang akustik, terdapat dua mode antara lain :a. a.       Mode aktif

Mode aktif adalah suatu mode deteksi dimana terdapat pemancaran dan penerimaan gelombang akustik / suara yang dipantulkan oleh suatu sasaran.

Page 23: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Dalam mode ini, posisi dan jarak sasaran diperoleh dengan mendeteksi arah datangnya gelombang pantulan serta waktu yang dibutuhkan energi gelombang akustik / suara untuk memancar dan kembali ke receiver / penerima setelah dipantulkan oleh suatu obyek / sasaran. Oleh karena itu sistem / mode aktif ini digunakan untuk akurasi penjejakan sasaran.

b. b.      Mode PasifMode pasif adalah suatu mode deteksi sasaran tanpa menggunakan pemancaran gelombang akustik / suara, melainkan memanfaatkan energi suara / akustik yang dihasilkan oleh sasaran itu sendiri. Dalam mode pasif hanya dapat diperoleh data arah sasaran, sedangkan unntuk menentukan jarak tidak dapat dilaksanakan secara langsung. Mode ini digunakan bila melaksanakan pendadakan atau mengutamakan faktor kerahasiaan.

3 Faktor yang harus dipertimbangkan, berkaitan dengan bentuk energi yang digunakan untuk melaksanakan deteksi dan penjejakan harus memenuhi hal – hal sebagai berikut :

 1. Kemampuan membedakan obyek – obyek yang bervariasi untuk menghasilkan diskriminasi / pembeda sasaran yang baik.2. Pemancaran dengan kecepatan tinggi untuk menghasilkan kecepatan dalam tentukan posisi akhir sasaran.3. Mampu bekerja dengan baik pada media penghantar yang dilaluinya untuk memberikan jarak deteksi yang baik. 

Gelombang elektromagnetik memiliki kemampuan pembeda sasaran yang sangat baik serta memiliki kecepatan pemancaran yang sangat tinggi, namun di dalam air, gelombang elektromagnetik, hanya mampu mencapai jarak pancaran puluhan meter, sehingga sangat tidak tepat untuk digunakan melaksanakan pendeteksian dan penjejakan sasaran di bawah permukaan.

Sebaliknya karena gelombang suara / akustik mampu dipancarkan sampai pada jarak yang signifikan dalam penjejakan dan deteksi, maka energi suara / akustik lebih digunakan dalam peperangan anti kapal selam, komunikasi dan navigasi bawah air.

 4. Gelombang suara

Gelombang suara / akustik timbul / terjadi sebagai akibat adanya sumber suara yang bergetar menghasilkan efek kompresi dan dekompresi media sekitar yang menggetarkan molekul / partikel media disekitarnya. Gelombang suara / akustik sering digambarkan / dijelaskan dengan menggunakan parameter seperti frekuensi, periode, panjang gelombang atau kecepatan rambat gelombang. Gelombang ada 2 jenis yaitu :a. a.       Gelombang longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getaran (partikel) searah dengan arah perambatan gelombang. Gelombang suara merupakan salah satu contoh gelombang longitudinal.

b. b.      Gelombang transversalGelombang transversal adalah gelombang yang arah getaran (partikel) tegak lurus dengan arah perambatan gelombang. Gelombang elektromagnetik merupakan salah satu contoh gelombang transversal.

Parameter – parameter gelombang suara adalah sebagai berikut :a. a.       Periode

Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk terbentuknya 1 cycles / 1 gelombang.b. b.      Frekuensi

Frekuensi adalah banyaknya cycles / gelombang yang terbentuk selama 1 menit.c. c.       Panjang gelombang

Panjang gelombang adalah jarak yang terbentuk dalam 1 cycles / gelombang.

Page 24: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

d. d.      Kecepatan rambat gelombangKecepatan rambat gelombang adalah kecepatan gerak dari gelombang.

Kecepatan rambat rata – rata adalah 1500 m/s, namun kecepatan tersebut minimal akan menjadi 1420 m/s dan maksimal 1560 m/s bergantung pada kondisi cuaca saat itu.  

5. Pengukuran suara Salah satu cara untuk mengukur jumlah / besaran energi suara yang terdapat pada suatu titik adalah dengan mengukur amplitudo / penyimpangan getaran dari partikel pada titik tertentu tersebut. Semakin kuat energi suara / akustik, semakin besar amplitudo / penyimpangan getaran. Kita ketahui bahwa amplitudo getaran partikel air berhubungan secara langsung dengan tekanan pada titik tertentu , sehingga merupakan suatu metode yang dapat dilaksanakan dalam mengukur besar energi suara pada suatu titik tertentu. Alat yang digunakan adalah hidrophone, yang bekerja dengan mentransformasikan tekanan air yang diperoleh ke dalam gelombang elektrik yang berubah – ubah.

a. Satuan tekanan Tekanan digunakan untuk mengukur besarnya energi yang bekerja pada suatu area / bidang atau disebut juga energi per satuan bidang / wilayah. Tekanan diukur dalam N/m2 atau dyne / cm3 atau ubar atau upa. Unntuk sistem AKS umumnya digunakan upa1 ubar = 0,1 N/m2

= 1 dyne /cm2

= 105 µpa1 u pa = 10-6 N/m2

= 10-5 µbar= 10-5 dyne / cm2

b. Intensitas

Tekanan adalah ukuran statis dan tidak menunjukkan kapasitas / jumlah pemancaran dari serangkaian gelombang suara. Untuk menunjukkan jumlah energi pemancaran gelombang suara maka energi suara diukur dalam jumlah energi per detik pada suatu bidang yang dilewati atau disebut juga intensitas. Pengukuran intensitas suara tidak dilaksanakan secara langsung, namun dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi / rumusan sebagai berikut :I = Pe2/PV (watt M2)

Pe = Tekanan efektifP = kerapatan mediumV = Kecepatan rambat di medium

Telinga manusia dapat mendengar suara yang dihasilkan oleh tekanan sebesar 100.000.000 upa dan yang paling kecil 10 upa. Perbandingan yang besar disederhanakan dengan menggunakan fungsi logaritma

Tekanan = 100.000.000 µpaIntensitas = Log (tekanan)

Log (100.000.000)

 

c. Level intensitas Pengukuran intensitas dimanfaatkan untuk menentukan tingkatan intensitas yang dilaksanakan dengan membandingkan intensitas suara pada suatu titik dengan suatu ukuran standar, Io dengan menggunakan rumusan

IL = 10 Log (I/Io) dbIL = Intensitas LevelI = Intensitas suaraIo = Intensitas standar (10-12 watt/m2) untuk suara

Page 25: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Satuan pengukuran yang digunakan adalah desibell. d. Level tekanan suara

Seperti telh dijelaskan sebelumnya,intensitas gelombang suara pada setiap titik dapat diukur dengan tekanan pada titik tersebut sehingga level intensitas dapat dihitung pula dengan menggunakan persamaan tingkat tekanan suara, dengan rumusan sebagai berikut :IL = 10 Log (I/Io)

= 10 Log (Pe2/Po2) = 20 Log (Pe/Po) = SPL(sound pressure level)  

e. Pengaruh peningkatan tekanan dan intensitas Peningkatan tekanan / intensitas mempengaruhi level intensitas sebagai berikut :

1) 1)       Peningkatan IntensitasIL = SPL 10 Log (I/Io)

10 Log (2I/Io)10(Log 2 + Log(I/Io))10(0,3 + Log (I/Io))3db + 10 Log (I/Io)3db + SPL

2) 2)       Peningkatan tekananIL = SPL

20 Log (Pe/Po )20 Log (2Pe/Po)20 (Log 2 + Log (Pe/Po))20 (0,3 + Log (Pe/Po))6 + 20 Log (Pe/Po)6db + SPL

 f. Pengaruh penurunan tekanan dan intensitas

1) 1)       Penurunan IntensitasIL = SPL

10 Log (I/Io)10 Log (0,5I/Io)10(Log 0,5 + Log(I/Io))10(- 0,3 + Log (I/Io))- 3db + 10 Log (I/Io)- 3db + SPL

 2) 2)       Penurunan tekanan

IL = SPL20 Log (Pe/Po )20 Log (0,5Pe/Po)20 (Log 0,5 + Log (Pe/Po))20 (- 0,3 + Log (Pe/Po))- 6db + 20 Log (Pe/Po)- 6db + SPL

 g. Perhitungan Intensitas Suara

Suara Terompet memiliki intensitas 33 db pada saat yang sama terdengar bunyi klakson dengan intensitas 30 db. Intensitas total dapat diperoleh dengan menggunakan diagram nomogram dibawah ini.

 

Page 26: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

Diketahui bahwa IL1 = 33 db dan IL2 = 30 maka selisihnya adalah 3 db. Dari angka selisih ini ditarik garis lurus ke atas hingga menemui garis hitam, kemudian di t arik garis ke kiri. Angka yang ditunjukkan adalah penambahan intensitas suara, sehingga IL3 =

 6. Faktor – faktor yang mempengaruhi pancaran / propagasi suara dalam air.

a. a.       IntroduksiLaut merupakan media yang sangat kompleks dalam pengaruhhnya terhadap perambatan / propagasi suara. Gelombang suara dalam air akan mengalami pembiasan, distrorsi dan pelemahan. Beberapa faktor yang mempengaruhi propagasi adalah kecepatan, kehilangan energi dan noise. 

b. b.      Kecepatan suaraKecepatan suara dalam air rata – rata 1500 m/s dengan interval antara 1420 m/s sampai dengan 1560 m/s. Kecepatan bervariasi bergantung pada komposisi faktor berikut :

1) 1)       Temperatur / Suhu 2) 2)       Salinitas / kadar garam3) 3)       Kerapatan / kedalaman / densitas

Dengan kata lain, kecepatan suara bertambah seiring kenaikan suhu, salinitas dan kedalaman. 

c. c.       Refraksi / pembiasanRefraksi adalah suatu fenomena dimana gelombang yang merambat melalui 2 medium yang berbeda akan mengalami pembelokan/ pembiasan.

Page 27: Persamaan-Sonar ( Sonar Equation )

      

d. d.      Kehilangan energi (Losses)Saat energi dipancarkan dari sumber, energi akan mengalami penipisan sebagai akibat penyebaran dan pelemahan yang menghasilkan hilangnya energi selama perambatan.

  

e. e.       NoiseBila sinyal yang tidak diinginkan dari lingkungan sekitar yang menutupi sinyal sasaran, deteksi dan penjejakan akan terpengaruh. Sinyal gangguan ini disebut noise.