Rangkuman Mata Kuliah Akustik

Konsep Akustik

     Akustik kelautan merupakan ilmu yang mempelajari rambatan gelombang suara pada kolom air laut. Terdapat beberapa permasalahan yang dibahas dalam akustik kelautan ini, diantaranya adalah kecepatan gelombang suara, waktu (pada saat gelombang dipancarkan hingga gelombang dipantulkan kembali), dan kedalaman perairannya. Akustik kelautan dipelajari atas dasar beberapa asumsi yaitu laut begitu luas, dalam, dan sangat dinamis. Adapun anggapan bahwa manusia telah mencapai planet terjauh namun belum mencapai laut terdalam sehingga dibutuhkan alat dan metode untuk melakukan pendeskripsian kolom dan dasar laut. Metode yang saat ini sudah cukup banyak dilakukan yaitu metode akustik.
      Akustik terbagi menjadi 2 macam, yaitu akustik pasif dan akustik aktif. Akustik pasif merupakan suatu aksi mendengarkan gelombang suara yang datang dari berbagai objek pada kolom perairan. Akustik pasif dapat digunakan untuk mendengarkan ledakan bawah air, gempa bumi, letusan gunung api, suara yang dihasilkan oleh ikan dan hewan lainnya, aktivitas kapal-kapal laut, ataupun sebagai peralatan untuk mendeteksi kondisi di bawah air. Akustik aktif memakai prinsip SONAR yaitu mengukur jarak dan arah dari objek yang dideteksi dan ukuran relatifnya dengan menghasilkan gelombang suara serta mengukur waktu tempuh dari gelombang tersebut.         
     Prinsip hidroakustik cukup sederhana yaitu gelombang dipancarkan dari sebuah alat yang menghasilkan energi suara. Gelombang suara dipancarkan oleh suatu bagian yang disebut transducer. Gelombang suara dipancarkan pada kolom perairan ataupun dasar perairan. Hal ini dilakukan dengan mengubah energi elektrik  menjadi energi mekanik. Ketika energi tersebut mengenai suatu target maka gelombang suara akan dikembalikan (dipantulkan) dalam bentuk echo yang akan kembali ke receiver (suatu bagian dari alat akustik sebagai penerima gelombang pantulan). Dengan menentukan selang waktu antara gelombang yang dipancarkan dan yang diterima, transducer dapat memperkirakan jarak dan orientasi dari suatu objek yang dideteksi. Dapat dirumuskan sebagai berikut :      

Jarak = Kecepatan Suara x Waktu

2

       Metode akustik merupakan proses-proses pendeteksian target di laut dengan mempertimbangkan proses-proses perambatan suara, karakteristik suara (frekuensi, pulsa, intensitas), faktor lingkungan atau medium, kondisi target, dan lain sebagainya. Metode akustik mempunyai keunggulan komparatif yaitu berkecepatan tinggi, estimasi stok ikan secara langsung, dan dapat memproses data secara real time, tepat, dan akurat. Instrumen yang digunakan untuk metode akustik ini diantaranya yaitu Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) dan Conductivit, Temperature, Depth (CTD). Metode Akustik mengalami beberapa hambatan dalam aplikasinya yang diantaranya yaitu, adanya gangguan dari kolom air seperti absorbs dan pantulan gelombang yang terjadi, human error, kondisi alat seperti pengkalibrasian alat, dan terbatasnya sumber daya manusia (SDM).
     Salah satu kasus yang terjadi dalam aplikasi metode akustik ini yaitu kasus afternoon effect. Kasus ini terjadi pada saat Lt. Pryor (USS Semmes) di Guantanamo Bay pada tahun 1930-1936, mencoba echo ranging system yang sekarang disebut SONAR. Ketika melakukan pendeteksian dari atas kapal ternyata tidak berhasil, lalu percobaan dilakukan di bawah kapal dan ternyata berhasil. Kemudian masalah baru yang muncul yaitu pada percobaan yang dilakukan pagi hari data berhasil didapatkan namun ketika siang hari dengan kondisi cuaca sangat panas, data berubah. Lt. Pryor menduga bahwa pada siang hari fitoplankton sedang berkembang dan melepaskan banyak bubbles (gelembung oksigen) hasil dari fotosintesis sehingga menghalangi gelombang suara yang dipancarkan. Dari kasus tersebut disimpulkan bahwa pada saat perairan bersuhu cukup tinggi transmisi gelombang suara akan terhambat. Sepuluh tahun kemudian ditemukan bahwa missing sound terjadi akibat pengaruh dari suhu, salinitas, dan faktor lainnya.

Kecepatan Suara di Laut

Kecepatan suara dalam air laut merupakan variabel oseanografik yang menentukan pola pemancaran suara di dalam medium. Kecepatan suara bervariasi terhadap kedalaman, musim, posisi geografis dan waktu pada lokasi tertentu.  Di perairan dangkal dekat pantai, profil kecepatan suara cenderung tidak teratur dan sulit diprediksi.  Faktor fisik air laut yang paling menentukan dalam mempengaruhi kecepatan suara di dalam air laut adalah suhu, salinitas, dan tekanan.

Di dalam air laut, kecepatan gelombang suara mendekati 1.500 m/detik (umumnya berkisar 1.450 m/detik sampai dengan 1.550 m/detik, tergantung suhu, salinitas, dan tekanan). Secara sederhana pola perambatan gelombang suara di dalam laut yang dibagi secara vertikal adalah sebagai berikut:

a.Lapisan tercampur, dimana kecepatan suara relatif konstan, biasanya ditemukan sampai kedalaman beberapa meter dari permukaan.

b. Surface channel, kecepatan suara meningkat jika dibandingkan pada saat berada di lapisan tercampur.

c.Termoklin, pada lapisan ini kecepatan suara akan menurun dengan bertambahnya kedalaman, karena biasanya suhu menurun secara drastis dalam kedalaman yang relatif dangkal pada lapisan ini. Termoklin dapat muncul secara musiman (jika dekat dengan permukaan) atau permanen.

d.   Deep channel, kecepatan suara pada lapisan ini mendekati minimum. Rata-rata kedalaman lapisan ini mulai dari beberapa ratus meter sampai 2000 m.

e.  Lapisan isothermal, pada lapisan ini suhu relatif konstan, kecepatan suara bertambah secara linear seiring bertambahnya kedalaman  karena pengaruh tekanan hidrostatis.

Namun pada umumnya kedalaman perairan berdasarkan kecepatan suara dibagi dalam 3 zona, yaitu :

a. Zona 1 (mix layer) : Kecepatan suara cenderung meningkat akibat faktor perubahan tekanan mendominasi faktor perubahan suhu

b. Zona 2 (termoklin) : Kecepatan suara menurun dan menjadi zona minimum kecepatan suara akibat terjadinya perubahan suhu yang sangat drastis dan mendominasi faktor perubahan tekanan.

c. Zona 3 (deep layer) : Kecepatan suara meningkat kembali akibat faktor perubahan tekanan mendominasi kembali faktor perubahan suhu.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan suara di kolom perairan :

1.    Suhu

Suhu merupakan salah satu karakter fisik dari air laut yang penting.  Di wilayah lintang sedang dan rendah (dekat dengan wilayah tropis), suhu merupakan faktor penting yang mempengaruhi densitas dan kecepatan suara di dalam air.  Suhu di daerah tropis pada wilayah permukaan laut berkisar 26-29^oC yang dipengaruhi oleh musim.

Pada kondisi perairan laut yang mempunyai suhu berbeda-beda  menimbulkan variasi kecepatan suara yang menyebabkan refraksi atau pembelokan perambatan gelombang suara.  Perubahan suhu yang sangat cepat pada lapisan termoklin menyebabkan pembelokan gelombang suara yang tajam dan pada lapisan ini bertindak sebagai bidang pantul.  

2.    Salinitas

Salinitas adalah jumlah zat-zat terlarut dalam 1 kg air laut, dimana semua karbonat telah diubah menjadi oksida, bromide dan iodide diganti oleh klorida dan semua bahan organik telah dioksidasi sempurna.  Pada umumnya perairan laut lepas memiliki kadar salinitas 35 psu, yang berarti dalam 1 kg air laut mengandung elemen-elemen kimia terlarut seberat 35 gram.  Dimana komposisi air laut tersebut terdiri atas 3,5% elemen-elemen kimia terlarut dan 96,5% kandungan airnya.

Salinitas dapat mempengaruhi kecepatan suara di dalam air, teutama di wilayah lintang tinggi (dekat kutub) dimana suhu mendekati titik beku, salinitas merupakan salah satu paling faktor penting yang mempengaruhi kecepatan gelombang suara di dalam air.  Distribusi  vertikal salinitas pada wilayah tropis, ekuator, dan sub tropis mengalami nilai yang paling kecil pada kedalaman 600-1000 m (34-35 pratical salinity unit/psu).  Di wilayah tropis nilai salinitas pada permukaan  berkisar 36-37 psu.  Salinitas maksimun pada wilayah perairan tropis terjadi pada kedalaman 100-200 m dekat dengan lapisan termoklin dimana kadar salinitas dapat mencapai lebih dari 37 psu.   Di daerah laut dalam, kadar salinitas relatif seragam dengan nilai 34,6-34,9 psu.  Salinitas di samudera seperti Atlantik, Pasifik, dan Hindia rata-rata 35 psu, di wilayah laut yang tertutup, nilai salitas rata-rata tidak jauh dari kisaran 35 psu tergantung dari penguapan yang terjadi.

3.    Lapisan Termoklin

Lapisan termoklin merupakan lapisan yang berada dalam kolom perairan di laut yang dimana pada lapisan ini mengalami perubahan suhu yang  drastis dengan lapisan yang berada dan di bawah  lapisan termoklin.  Di laut, termoklin seperti lapisan yang membagi antara lapisan pencampuran (mixing layer) dan lapisan dalam (deep layer).  Tergantung musim, garis lintang dan pengadukan oleh angin, lapisan ini bersifat semi permanen.  Faktor yang menentukan ketebalan lapisan ini di dalam suatu perairan seperti variasi cuaca musiman, lintang, kondisi lingkungan suatu tempat (pasang surut dan arus).

Penurunan suhu berbanding lurus dengan penambahan kedalaman dan salinitas.  Pada daerah dimana terjadi penurunan suhu secara cepat inilah dinamakan lapisan termoklin.  Di laut terbuka, lapisan ini berkarakter sebagai gradient kecepatan suara negative dimana dapat memantulkan gelombang suara.  Secara teknik lapisan ini membendung dari impendansi akustik yang terputus-putus (diskontinu) yang tercipta dari perubahan densitas secara mendadak.  Karateristik yang unik inilah yang membuat pentingnya lapisan termoklin untuk diketahui, terutama dibidang pertahanan dan keamanan (kapal selam). Lapisan termoklin mempunyai karateristik mampu memantulkan dan membelokan gelombang suara yang datang.

4.    Kedalaman Perairan

Kedalaman mempengaruhi cepat rambat suara di dalam air laut. Bertambahnya kedalaman, maka kecepatan suara akan bertambah karena adanya tekanan hidrostatis yang semakin besar dengan bertambahnya kedalaman. Rata-rata terjadi peningkatan kecepatan suara sebesar 0, 017 m/detik setiap kedalaman bertambah 1 meter.

Permukaan laut merupakan pemantul dan penghambur suara yang mempunyai efek yang sangat besar dalam perambatan suara ketika sumber atau penerima berada di perairan dangkal.  Jika permukaan halus sempurna, maka ia akan menjadi pemantul suara yang nyaris sempurna.  Sebaliknya jika permukaan laut kasar kehilangan akibat pantulan mendekati nol.

           

Kecepatan suara diperoleh dengan 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 (^oC)

               S = Salinitas (psu)

               Z = Kedalaman (m)

dengan begitu, dapat dikatakan bahwa kecepatan suara di laut dipengaruhi oleh suhu, salinitas, dan kedalaman laut.

Shadow Zone

       Shadow Zone adalah suatu wilayah dimana gelombang suara tidak dapat merambat atau lemah sehingga hampir tidak dapat merambat dalam suatu medium yang disebabkan oleh gelombang suara mengalami kehilangan transmisi. Di kolom perairan, gelombang suara mengalami pembelokan gelombang suara (refraksi) yang terjadi karena adanya perbedaan kedalaman, salinitas dan suhu ait laut.  Pengaruh yang paling nyata terlihat, yaitu jika terjadi kenaikan suhu air laut sebesar 1^oC, maka akan menyebabkan meningkatnya kecepatan gelombang suara sebesar 1m/detik, sedangkan di lapisan permukaan pertambahan kecepatan suara bertambah akibat pertambahan suhu sebesar 3 m/s/^oC.  Akibatnya jika suhu meningkat menurut kedalaman maka gelombang suara yang dipancarkan akan cenderung dibelokan ke arah permukaan air yang suhunya lebih tinggi. Sebaliknya jika suhu menurun karena kedalaman maka gelombang suara akan terus berjalan menuju dasar perairan dan mengalami pembelokkan secara perlahan ke dasar perairan.  Pada lapisan termoklin, dimana suhu berubah secara drastis maka terdapat pembagian arah gelombang suara yang dipancarkan. Sebagian gelombang suara akan mengalami pembelokan (refraksi) ke arah permukaan karena suhu masih cukup tinggi, sedangkan sebagian gelombang suara lagi tetap menuju ke arah perairan yang lebih dalam secara perlahan dengan kecepatannya yang menurun akibat penurunan suhu. Akibat terjadinya pembelokan gelombang suara ke permukaan dan ke dasar perairan, maka terdapat wilayah yang tidak mengalami 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.

Secara umum pada jarak sejauh 30 m, 110 m, dan 300 m dari sumber suara, frekuensi 100 Hz mengalami kehilangan suara yang paling besar sehingga banyak terbentuk shadow zone di kolom perairan karena pada frekuensi 100 Hz, gelombang suara memiliki panjang gelombang yang paling panjang sehingga mampu melakukan penetrasi kedalam sedimen yang menyebabkan nilai Transmission Loss bertambah dan memunculkan lebih banyak shadow zone.

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. 

Kompenen dalam Metode Akustik

1. Absorbsi
     Suatu fenomena yang terjadi pada saat gelombang dipancarkan yaitu terjadinya absorbsi gelombang suara di kolom perairan. Absorbsi gelombang suara yaitu penyerapan gelombang suara sehingga menyebabkan transmisi hilang pada saat echo dari transducer. Absorbsi gelombang suara di kolom perairan laut dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu suhu, salinitas, pH, kedalaman, dan frekuensi gelombang. Sifat gelombang ketika dipancarkan dan semakin jauh dari transducer maka kecepatannya dan pantulannya akan semakin melemah.

2. Target Strength
    Kekuatan pantulan gema yang dikembalikan atau dipantulkan oleh target disebut Target Strength. Target Strength ini bergantung pada intensitas suara yang mengenai target.Target Strength didefinisikan juga sebagai 10x nilai logaritma dari intensitas suara yang mengenai ikan/target. Target Strength dapat dihitung dengan rumus :

TS = 10 (log Ir/Ii)

dengan :

TS = Target Strength

Ir   = Energi suara yang dipantulkan, yang diukur

Ii   = Energi suara yang mengenai ikan/target

3. Volume Scatter

      Rasio antara intensitas yang direfleksikan oleh suatu group single target yang berada pada suatu volume air tertentu (1m³) pada  disebut Volume Scatter atau disebut jugaScattering Volume (SV). Backscattering strength yaitu rasio antara intensitas yang direfleksikan oleh suatu kelompok single target yang diukur dari target. Scattering Volume(SV) dapat dihitung menggunakan rumus :

SV = 10 log pV + TS

dengan :

SV = Scattering Volume

ρ    = Densitas perairan

V   = Volume perairan

TS = Target Strength --- TS = 10 (log Ir/Ii)

4. Lapisan SOFAR

     Lapisan dimana terjadinya akumulasi suhu dan kedalaman disebut lapisan SOFAR (Sound Fixing and Ranging). Lapisan ini juga merupakan lapisan dimana kecepatan suara menjadi sangat lambat sehingga disebut juga lapisan C minimum, dimana C adalah kecepatan suara. Gelombang suara yang  merambat dalam jarak yang cukup besar di perairan laut akan terperangkap dalam lapisan SOFAR ini.

5. Output Data
     Echosounder data yaitu merupakan output data hasil dari akustik, biasanya berupa GSV, ASCII, dan lain-lain. Data ASCII dapat diolah dengan menggunakan software surfer 10. Point penting dalam Echosounder data ini yaitu terdapatnya nilai x,y (posisi koordinat), dan z (kedalaman).