Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian

Program Studi Meteorologi

© 2012 Program Studi Meteorologi Institut Teknologi Bandung

PENERBITAN ONLINE AWAL

Paper ini adalah PDF yang diserahkan oleh penulis kepada Program Studi Meteologi sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana. Karena paper ini langsung diunggah setelah diterima, paper ini belum melalui proses peninjauan, penyalinan penyuntingan, penyusunan, atau pengolahan oleh Tim Publikasi Program Studi Meteorologi. Paper versi pendahuluan ini dapat diunduh, didistribusikan, dan dikutip setelah mendapatkan izin dari Tim Publikasi Program Studi Meteorologi, tetapi mohon diperhatikan bahwa akan ada tampilan yang berbeda dan kemungkinan beberapa isi yang berbeda antara versi ini dan versi publikasi akhir.

RANCANG BANGUN SOUND DETECTION AND RANGING (SODAR)

BERBASIS CONTINUOUS WAVELET TRANSFORMS

UNTUK ANALISA PROFIL KECEPATAN ANGIN

(STUDI KASUS KAMPUS ITB)

!

!"#$%&'$()%*)+$#),-%&+)./%01%2$'"3)',%

,4*)5#653%758.$.6."%/9%:";<5/+/3=%

!"#$%!&$'

The atmosphere condition at the boundary layer is always changing. It can be seen from the

changing wind speed and direction that happens every time. To find these air conditions

change it requires a certain measurement mechanism. Measurements with Sound Detecting

and Ranging system (SODAR) is the another option.

However, measurements with SODAR sistem is not without problems. SODAR sistem uses

sound waves so it may accept outside noise will decrease the quality of data output. That's

why SODAR sistem requires appropriate methods of data processing. Within this study are

used for signal processing is a method of Continuous Wavelet Transform.

SODAR with wavelet-based data processing have been able to measure wind speed, but the

results have not satisfactory yet. This is evident from the data was then compared with the

results of the pilot balloon measurement method. The result is that the wind speed obtained is

quite good at altitudes above 100 m, ranging between 4 m / s and drops to 0 m / s with

increased altitude. In contrast to the altitude of 100 m below the results obtained do not

correspond to the results of the pilot balloon measurement method. This is likely due to

interference still many components that have not been measured.

Key words: SODAR, wavelet, wind speed

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kondisi udara dilapisan batas selalu

berubah – ubah secara periodik. Dengan

kata lain kondisi udara dilapisan batas

walaupun selalu berubah – ubah tetapi

sebenarnya memiliki pola yang dapat

dianalisa dan diprediksi. Untuk itu

diperlukan pengamatan tertentu untuk

mendapatkan data yang dibutuhkan.

Pengamatan dengan SODAR adalah

salah satu cara atau metode untuk

mendapatkan data tersebut. Dari

pengamatan dengan SODAR akan

mendapatkan data mengenai kecepatan

angin radial dan profil angin dilapisan

batas. Data inilah yang kemudian

dianalisa untuk mendapatkan gambaran

atau interpretasi dari lapisan batas.

Dengan menganalisa gambar atau

interpretasi dari lapisan batas dapat

mengetahui kondisi udara diatas daerah

tempat pengamatan. Pola pergerakan

angin tersebut dapat membantu atau

melengkapi data prakiraan cuaca harian

di suatu daerah.

Dikarenakan penggunaan gelombang

suara oleh SODAR sehingga

dimungkinkan untuk SODAR

mengalami banyak gangguan / noise,

akibatnya hal ini tentu akan sangat

mempengaruhi hasil pengukuran. Oleh

karena itu diperlukan metode

pengolahan sinyal yang tepat untuk

mengatasi masalah tersebut selain

peningkatan kualitas piranti SODAR.

Dalam pengolahan sinyal dikenal dua

metode, yaitu dengan Fast Fourier

Transforms (FFT) dan Wavelet. Dengan

menggunakan metode CWT tersebut

dalam pengolahan sinyal output dari

sistem SODAR diharapkan akan

didapatkan hasil berupa data kecepatan

angin radial dan profil angin yang cukup

baik.

1.2 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Membuat Sistem SODAR Bistatic

dengan pengolahan sinyal berbasis

Wavelet.

2. Mendapatkan data kecepatan angin

dan profil kecepatan angin dilapisan

batas.

2. KAJIAN PUSTAKA

2.1 Teori SODAR

SODAR adalah suatu alat yang dapat

memancarkan gelombang suara ke udara

dan dapat menangkap lagi gelombang

hamburan-nya. SODAR berfungsi untuk

mengetahui cepat rambat fluida yang

bergerak dari frekuensi hamburan yang

diterima.

SODAR pada dasarnya terdiri dari 2

bagian yaitu pengirim atau penghasil

gelombang suara dan penerima guna

menangkap gelombang suara hamburan.

Peralatan utama yang dibutuhkan

sebagai berikut:

! speaker

! audio power amplifier

! Acoustic signal processor

Prinsip dasar dari SODAR adalah efek

Doppler. Dimana gelombang suara

akustik yang telah diatur frekuensinya

akan dilepaskan dari SODAR dan

ditangkap kembali hamburan baliknya.

Menurut prinsip Doppler kita dapat

menghitung kecepatan dan kerapatan

medium bergerak yang dilewati oleh

gelombang suara melalui persamaan:

f '

f=c + v

c ………………(2.1)

dimana:

c = cepat rambat gelombang

suara akustik

v = kecepatan aliran fluida

f = frekuensi gelombang suara

akustik yang dilepaskan

f’ = frekuensi gelombang suara

akustik yang diterima

Dari persamaan tersebut akan didapat

data kecepatan aliran fluida yang

bergerak(Capanni,1998). Didalam

atmosfer, fluida tersebut adalah udara

yang bergerak.

3.METODOLOGI

Pada penelitian perancangan SODAR ini

menggunakan metode triaxial bistatic

Doppler sounding. Komponen utama

SODAR ada 2 yaitu sistem pemancar

sinyal dan sistem penerima sinyal.

Untuk satu komponen sistem SODAR

dirancang memiliki skema sebagai

berikut:

Gambar 3.1 Skema pengiriman dan

penerimaan pulsa pada SODAR bistatic.

Sinyal dibangkitkan oleh signal

generator kemudian dikuatkan oleh

amplifier sebagai penguat. Setelah

dikuatkan kemudian sinyal dipancarkan

dengan speaker.

Bila ada sesuatu pergerakan udara di

atmosfer maka akan menimbulkan

hamburan balik dari sinyal yang akan

diterima microphone sebagai sistem

penerima. Diteruskan oleh mixer hingga

kepada PC akuisisi atau komputer

analisis.

3.1 Sistem Pemancar Sinyal

Untuk membuat sistem pemancar sinyal

melewati beberapa proses perancangan

dan pembuatan komponen.

Gambar 3.2 Alur proses pembuatan

sistem pemancar sinyal SODAR

Generator sinyal dibuat menggunakan

komputer untuk mengatur besar

frekuensi sinyal yang dibangkitkan, tipe

sinyal yang digunakan , lama pulsa

terpancar, dan jeda waktu pemancaran

sinyal.

Amplifier dibuat dengan menyesuaikan

daya pancar SODAR yang telah

ditentukan. Besar daya yang diperlukan

oleh sistem SODAR ini adalah 150 Watt

dan beroperasi dengan tegangan input 30

Volt DC.

Gambar 3.3 Rangkaian amplifier

berdaya 150 watt

Amplifier menguatkan sinyal yang

dihasilkan oleh generator sinyal

kemudian diteruskan pada speaker

sebagai akhir pemancar sinyal.

Speaker yang digunakan memiliki rate

power hingga 12 watt dengan impedansi

sebesar 8 !.

Gambar 3.4 Speaker sebagai pemancar

sinyal

3.2 Sistem Penerima Sinyal

SODAR bertipe triaxial bistatic Doppler

sounding memiliki 3 buah penerima.

Setiap penerima terdiri dari sebuah

penangkap sinyal yang terbuat dari

bahan seng(Zinc) dengan sebuah

microphone di dalamnya.

Gambar 3.5 Penangkap sinyal pada

sistem penerima dengan

seng dan microphone

sebagai pengumpul sinyal

Bahan seng(Zinc) dipilih sebagai bahan

utama penangkap sinyal untuk

menghindari melemahnya sinyal yang

diterima dari pemancar. Bahan

seng(Zinc) adalah bahan dengan loss

factor relatif kecil dibandingkan

material padat lainnya.

Microphone yang digunakan memiliki

respon frekuensi antara 30 Hz-20kHz.

Respon ini cukup untuk menangkap

sinyal yang terpancar sebesar 800 Hz.

Namun PC akuisisi atau komputer

analisis hanya memiliki 1 buah sound

card sedangkan sistem SODAR yang

dibangun memiliki 3 buah penerima

untuk itu perlu dibuat mixer untuk

menyatukan masukan dari 3 sistem

penerima.

Gambar 3.6 Rangkaian mixer dengan

low noise amplifier

didalamnya

Gambar 3.7 PC akuisisi tempat

pengolahan data

dilakukan

Setelah masuk kedalam PC akuisisi

input tersebut diolah menggunakan

program – program komputer seperti

Fruity Loop Studio untuk demixerisasi

sinyal, Cool Edit untuk filterisasi data

sinyal, dan Matlab untuk mengolah data

sinyal tersebut menggunakan metode

wavelet untuk mencari nilai pergeseran

frekuensi Doppler. Hasil akhir dari

proses dalam PC akuisisi ini adalah

profil kecepatan angin hingga ketinggian

200 m.

Gambar 3.7 Alur proses penerimaan

sinyal hingga ke

pengolahan data

4. ANALISA HASIL PENGUJIAN

Berdasarkan hasil analisis SODAR

bistatic berbasis pengolahan sinyal

dengan wavelet yang telah diuji selama

22 jam pada tanggal 12 Mei 2012 di

wilayah kampus ITB pada koordinat 060

53’ 374” LS dan 1070 36’ 586” BT.

Pengujian dilakukan hanya pada kondisi

cuaca cerah untuk menghindari

kerusakan komponen SODAR yang

sedang dikembangkan.

Gambar 4.1 Profil angin dengan data

hasil output dari sistem

SODAR

Pengujian selama 22 jam memberikan

hasil berupa kecepatan angin untuk

komponen U dengan nilai yang

bervariasi.Hal ini sesuai dengan

perubahan suhu yang terjadi selama

pengujian sistem SODAR.

Gambar 4.2 Hasil pengujian sistem

SODAR dibandingkan

dengan data hasil dari

pengamatan pilot balon

Hasil pengujian menunjukkan bahwa

pada ketinggian 0 – 100 m kecepatan

angin komponen timur barat berkisar

antara 4 m/s, namun pada ketinggian

diatas 100 m kecepatan turun hingga 4 -

0 m/s. Hasil pengujian tersebut sesuai

dengan hasil pengamatan dengan pilot

balon dimana pada ketinggian 0 – 100 m

kecepatan angin berkisar antara 2 m/s

hingga 4,5 m/s. Artinya hasil output dari

alat SODAR sesuai dengan kenyataan

sebenarnya untuk data pada ketinggian 0

– 100 m.

Dari segi teknis sistem SODAR telah

berjalan dengan baik. Semua perangkat

mulai dari generator sinyal hingga PC

akuisisi memberikan hasil yang

maksimal walau noise yang diharapkan

hilang ternyata masih ada. Noise

tersebut adalah merupakan bawaan dari

komponen – komponen yang digunakan.

5. KESIMPULAN

Kesimpulan yang diperoleh dari

penelitian ini adalah:

1. Sistem SODAR bistatic yang

dirancang telah dapat berjalan

dengan baik dan telah mampu

mendapatkan data kecepatan angin di

lapisan batas atmosfer.

2. Metode wavelet dapat menjadi

alternatif pengolahan sinyal pada

sistem SODAR.

3. Penggunaan komponen yang lebih

baik dapat meningkatkan kualitas

output dari sistem.

6. DAFTAR PUSTAKA

1. Antoniou, Ioannis., Jorgensen,

Hans E., Ormel, Frank., Bradley,

Stuart., Hunerbein, von Sabine.,

Emeis, Stefan., Warmbier, Gunter.

2003. On The Theory of SODAR

Measurement Techniques. Rise

National Laboratory, Roskilde,

Denmark

2. Capanni, A. 1998. SODAR

application for estimating boundary

layer parameters. LaMMA Journal.

3. Walls, E., Rogers, L. Anthony.,

Manwell, F. James. 2007.

Improving SODAR Data

Processing through the Use of

Wavelet Transforms. Renewable

Energy Research Laboratory,

University of Massachusetts, USA.