Akustik dapat diklasifikasikan menjadi 2, yaitu:
akustik pasif dan akustik aktif. Akustik pasif merupakan suatu aksi
mendengarkan gelombang suara yang datang dari berbagai objek pada kolom
perairan, biasanya suara yang diterima pada frekuensi tertentu ataupun
frekuensi yang spesifik untuk berbagai analisis. Pasif akustik dapat
digunakan untuk mendengarkan ledakan bawah air (seismic), gempa bumi,
letusan gunung berapi, suara yang dihasilkan oleh ikan dan hewan lainnya,
aktivitas kapal-kapal ataupun sebagai peralatan untuk mendeteksi kondisi di
bawah air (hidroakustik untuk mendeteksi ikan).
Akustik aktif memiliki arti yaitu dapat mengukur jarak
dari objek yang dideteksi dan ukuran relatifnya dengan menghasilkan pulsa suara
dan mengukur waktu tempuh dari pulsa tersebut sejak dipancarkan sampai diterima
kembali oleh alat serta dihitung berapa amplitudo yang kembali. Akustik
aktif memakai prinsip dasar SONAR untuk pengukuran bawah air.
Metode akustik merupakan proses-proses pendeteksian
target di laut dengan mempertimbangkan proses-proses perambatan suara, karakter
suara (frekuensi, intensitas, pulsa), faktor lingkungan atau medium, kondisi
target, dan lain-lain.
Dengan mempertimbangkan faktor-faktor di atas,
maka hidroakustik didasarkan pada prinsip yang sederhana, dimana transmitter
yang menghasilkan listrik dengan frekuensi tertentu disalurkan ke transducer
yang akan mengubah energi listrik àenergi suara (gelombang suara) dan
kemudian akan dipancarkan ke kolom perairan. Gelombang suara yang dipancarkan
ke kolom perairan akan mengenai objek target, kemudian gelombang suara akan
dipantulkan kembali oleh objek dalam bentuk echo, echo akan diterima oleh
transducer. Echo tersebut akan diubah menjadi energi listrik lalu diteruskan ke
receiver.
Bagaimanakah jarak
suatu objek dapat diketahui? Hal ini mudah saja, yaitu dengan menentukan selang
waktu antara gelombang suara yang dipancarkan dengan gelombang suara yang
diterima, sehingga transducer dapat memperkirakan jarak dan orientasi dari
suatu objek yang dideteksi dengan rumus berikut:
Jarak = (Kecepatan suara x waktu)
2
Instrument yang biasa digunakan dalam akustik antara
lain ADCP (Acoustic Doppler Currents Profiler) yang berfungsi untuk mengukur
arus dengan prinsip Doppler dan CTD (Conductivity, Depth, Temperature) yang
berfungsi untuk mengukur konduktivitas, kedalaman dan suhu perairan.
Kelebihan dari metode akustik adalah berkecepatan
tinggi, estimasi stok ikan secara langsung (direct estimation),
memproses data secara real time, tepat dan akurat. Namun ada
beberapa hambatan dalam aplikasinya, seperti adanya gangguan dari kolom air
(absorbsi, pantulan, dan lain-lain), human error, kondisi alat, dan minimnya
sumber daya manusia.
MANFAAT DAN APLIKASI AKUSTIK KELAUTAN
Manfaat akustik meliputi aplikasi dalam survei
kelautan, budidaya perairan, penelitian tingkah laku ikan, aplikasi dalam studi
penampilan dan selektivitas alat tangkap, bioakustik. Aplikasi
dalam survei kelautan untuk menduga spesies ikan, dengan akustik kita dapat
menduga spesies ikan yang ada di daerah tertentu dengan menggunakan pantulan
dari suara, semua spesies mempunyi target strengh yang berbeda-beda. Aplikasi
dalam dunia budidaya untuk pendugaan jumlah ekor, biomass
dari ikan dalam jaring/kurungan pembesaran untuk menduga ukuran dari individu
ikan dalam jaring kurungan,memantau
tingkah laku ikan dengan acoustic tagging.
Aplikasi akustik dalam
tingkah laku ikan meliputipergerakkan migrasi ikan dengan acoustic tagging, orientasi target
(tilt angle), reaksi menghindar terhadap gerak kapal survei dan
alat tangkap, respon terhadap
rangsangan/stimuli cahaya, suara, listrik, hidrodinamika, komia, mekanik dan
sebagainya. Aplikasi dalam
studi penampilan dan selektivitas alat tangkap ikan meliputi pembukaan mulut
trawl dan kedalaman,selektivitas
penagkapan dengan melihat ukuran ikan target.
1. Militer
Alat akustik digunakan
untuk kegiatan militer dan sangat canggih untuk saat ini. Negara Amerika telah
mengembangkan akustik dan menghasilkan suatu Akustik Perangkat Long Range
(LRAD), perangkat jarak jauh yang berasal dan peringatan beam yang diarahkan akustik.
LRAD dikembangkan untuk berkomunikasi pada rentang operasional dengan
kewenangan dan unggul dalam tinggi kebisingan pada lingkungan ambient. LRAD
dirancang untuk komunikasi di 300 meter diatas tanah dan 500 +
meter di atas air, LRAD juga dapat mengeluarkan nada peringatan.
2. Perkapalan
Perancangan alat tangkap
berbasis akustik agar hasil tangkapan maksimal dan tidak tepat sasaran, karena
dengan akustik dapat dideteksi kumpulan suatu ikan.
3. Pemetaan
Data dari pengukuran
kedalaman dengan alat akustik nantinya dapat dijadikan suatu peta dasar laut.
4. Oseanografi kelautan
Suatu kajian Pengetahuan
yang mempelajari tentang sifat-sifat laut, baik dalam kimia, fisik,
maupun bio-geo dan hal – hal yang bersifat kelautan lainnya menggunakan suatu
alat akustik.
5. Industri
Penentuan lokasi yang
sesuai dengan metode pendeteksian dasar laut dan menganalisis dampak yang akan
terjadi jika industri tersebut dibangun didaerah tersebut.
KECEPATAN SUARA
Bunyi mempunyai cepat rambat yang terbatas. Bunyi
memerlukan waktu untuk berpindah. Cepat rambat bunyi sebenarnya tidak terlampau
besar. Cepat rambat bunyi jauh lebih kecil dibandingkan dengan cepat rambat
cahaya. Karena bunyi termasuk gelombang, cepat rambat bunyi juga memenuhi
persamaan cepat rambat gelombang. Jika bunyi menempuh jarak (s) selama selang
waktu (t) maka akan memenuhi hubungan
V = s/t
s = jarak tempuh (m)
t = waktu ( s )
v = cepat rambat bunyi (m/s)
Satu periode gelombang menempuh jarak sejauh satu
panjang gelombang. Maka jika t = T, maka s = λ . Maka bentuk lain ungkapan
cepat rambat gelombang adalah V=λ/T oleh karena f = 1/T ,maka
V = λf
dengan λ = panjang gelombang bunyi (m)
T = periode gelombang bunyi (s)
F = ferkuensi gelombang bunyi (Hz)
Proses merambatnya bunyi pada saat benda yg bergetar
akan menggetarkan molekul zat perantara/medium di sekitarnya lalu molekul yg
bergetar akan merambatkan ke molekul-molekul yg lainnya, dan begitu seterusnya
sampai getaran itu terdengar di telinga kita. Molekul udara membentuk rapatan
(R) dan renggangan (r).
Pada laut, suara dirambatkan melalui medium air.
Kecepatan rambat suara laut berbeda dengan kecepatan rambat udara ataupun
darat. Bunyi merambat di udara dengan kecepatan 1.224 km/jam. Pada suhu udara
15 derajat celsius bunyi dapat merambat di udara bebas pada kecepatan 340 m/s.
Bunyi merambat lebih lambat jika suhu dan tekanan udara lebih rendah. Di udara
tipis dan dingin pada ketinggian lebih dari 11 km, kecepatan bunyi 1.000
km/jam. Di air, kecepatannya 5.400 km/jam, jauh lebih cepat daripada di udara.
Dengan s panjang Gelombang bunyi dan t waktu.
Jika dibandingkan dengan cepat rambat udara, di laut
kecepatan rambatnya lebih cepat 4x lipat dibangingkan dengan cepat rambat di
udara. Hal tersebut diakibatkan partikel air laut lebih rapat dibandingkan
dengan di udara yang lebih renggang. Sedangkan di darat (zat padat) lebih cepat
lagi cepat rambat di laut karena benda padat kerapatannya paling tinggi diantara
medium yang lain.
Tabel 1. Cepat rambat bunyi pada medium tertentu
Medium
|
Cepat
Rambat Suara (m/s)
|
Udara
(0°C)
|
331
|
Udara
(15°C)
|
340
|
Air
(25°C)
|
1490
|
Air
Laut (25°C)
|
1530
|
Tembaga
(20°C)
|
3560
|
Besi
(20°C)
|
5130
|
Aluminium
(20°C)
|
5100
|
(Sumber: http://andrynugrohoatmarinescience.wordpress.com)
Secara sederhana, pola perambatan gelombang suara di dalam laut yang dibagi
secara vertikal adalah sebagai berikut:
a) Zona 1 (mix layer) : Kecepatan suara
cenderung meningkat akibat faktor perubahan tekanan mendominasi faktor
perubahan suhu.
b) Zona 2 (thermocline) : 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.
Kecepatan suara dapat dihitung 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 (°C)
S
= Salinitas (psu)
Z
= Kedalaman (m)
Dari persamaan di atas, dapat dilihat bahwa kecepatan suara dipengaruhi oleh beberapa factor, yaitu :
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 26-29oC 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.
ATENUASI GELOMBANG SUARA
Menurut artikata.com atenuasi adalah penurunan tingkat
suatu besaran, misal intensitas gelombang suara. Dari sumber lain, atenuasi
berarti pelemahan sinyal (ilmu komunikasi). Namun pengertian atenuasai yang
tepat untuk gelombang suara adalah reduksi amplitudo dan intensitas gelombang
dalam perjalanannya melewati medium.
Saat gelombang suara merambat melalui suatu medium,
ada energi yang dirambatkan pula. Energi tersebut akan berkurang seiring dengan
proses perambatan gelombang suara sejak suara keluar dari sumber suara (hal ini
erat kaitannya dengan efek Doppler). Karena gelombang suara menyebar
keluar dalam bidang yang lebar, energinya tersebar kedalam area yang luas.
Sehingga semakin jauh pendengar dari sumber suara, maka suara yang terdengarpun
semakin kecil. Fenomena inilah yang disebut atenuasi.
Peristiwa yang terjadi pada atenuasi ini terdiri dari
absorpsi, refleksi dan scattering. Adapun satuan dari atenuasi adalah decibels
(dB). Sedangkan koefisiensi atenuasi adalah atenuasi yang terjadi per satuan panjang
gelombang yang satuannya decibels per centimeter (dB/cm).
Attenuation (dB) = attenuation coefficient (dB/cm) x path length
Bila koefisiensi atenuasi meningkat maka frekuensi
akan meningkat pula. Setiap jaringan mempunyai koefisiensi atenuasi yang
berbeda. Koefisiensi ini menyatakan besarnya atenuasi per satuan panjang, yaitu
semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka semakin tinggi koefisiensi
atenuasinya.
SHADOW ZONE
Shadow zone atau “zona bayangan” adalah daerah kedap
terhadap transmisi gelombanga suara. Zona ini biasa terbentuk di lautan. Daerah
ini sering dimanfaatkan kapal selam agar tidak terdeteksi oleh SONAR (Sound
Navigation and Ranging). Hal ini terjadi karena suhu dan salinitas laut pada
lapisan tersebut memantulkan rambatan suara yang datang.
Shadow zone yang terbentuk di laut karena sifat laut
itu sendiri yaitu adanya 3 lapisan: mix layer, termocline layer, dan deep
layer. Pada zona mix layer, kecepatan suara meningkat akibat peningkatan
tekanan karena bertambahnya kedalaman. Zona kedua adalah zona termoklin, pada
zona ini kecepatan suara menurun drastis secara cepat dibandingkan dengan
pertambahan tekanan sehingga kecepatan suara di zoni ini berkurang terhadap
kedalaman. Sedangkan zona ketiga yaitu zona laut dalam (deep layer), kecepatan
suara meningkat terhadap kedalaman akibat tekanan yang bertambah.
Di dalam air laut, kecepatan gelombang suara mendekati
1.500 m/s (umumnya berkisar 1.450 m/s sampai dengan 1.550 m/s, tergantung suhu,
salinitas, tekanan, dan musim). Pada lapisan termoklin terjadi penurunan suhu
yang drastis sehingga terbentuklah dua medium karena adanya perbedaan suhu.
Karena adanya batas antara dua medium ini menyebabkan pembelokan gelombang
suara (refraksi). Pengaruh yang paling nyata terlihat jika terjadi kenaikan
suhu air laut sebesar 1 C° akan menyebabkan meningkatnya kecepatan suara
sebesar 1m/s. Akibatnya jika suhu meningkat maka gelombang suara yang
dipancarkan akan cenderung dibelokan ke arah permukaan air. 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.
ABSORBSI, TARGET STRENGTH, VOLUME SCATTER, LAPISAN SOFAR
Ketika gelombang suara dipancarkan ke kolom air, maka
akan mengalami ABSORBSI atau penyerapan energy gelombang suara sehingga
mengakibatkan transmisi hilang ketika diechodari transducer. Proses
absorbsi sangat bergantung pada suhu, salinitas, pH, kedalaman, dan frekuensi.
Salah satu sifat gelombang, yaitu ketika menjauhi transducer maka akan
mengalami pelemahan energy dan kecepatan pantulannya.
Setelah gelombang suara mengenai suatu target, maka
gelombang suara akan kembali dipantulkan ke transducer. Kekuatan pantulan gema
yang dikembalikan oleh target dan relative terhadap intensitas suara yang
mengenai target disebut sebagai TARGET STRENGTH. Atau target strength dapat
didefinisikan sebagai sepuluh kali nilai logaritma dari intensitas yang
mengenai ikan atau target (I). secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
TS= 10 Log (Ir/Ii)
TS : Target Strength
Ir : Energi suara yang
dipantulkan, yang diukur
Ii : Energi
suara yang mengenai ikan (target)
BACKSCATTERING STRENGTH adalah rasio antara intensitas
yang direfleksikan oleh suatu group single target yang diukur dari target.
Sedangkan SCATTERING VOLUME (SV) merupakan rasio antara intensitas suara yang
direfleksikan oleh suatu group single target yang berada pada suatu volume air
tertentu (1m3).
SV = 10 Log ρV + TS
ρ : Densitas
V : Volume
TS : Target Strength
Lapisan SOFAR (Sound Fixing and Ranging) merupakan
daerah dengan akumulasi temperature dan kedalaman, sehingga kecepatan suara
menjadi berkurang atau biasa disebut lapisan C (kecepatan suara) minimum. Pada
lapisan C minimum ini, gelombang suara dapat merambat dalam gerak yang cukup
besar sehingga tidak banyak energy yang hilang dan akhirnya akan terperangkap
pada lapisan SOFAR.
SUMBER:
Materi Kuliah Akustik Kelautan
