1

BAB 2. BEBERAPA KONSEP DASAR AKUSTIK2.1 Pembentukan Gelombang, Suara

Jenis gelombang suara yang paling sederhana dan paling banyak dikenal adalah dihasilkan oleh permukaan yang bergetar dimana bergerak maju dan mundur dalam bentuk suatu gerak terlihat harmonik teratur (regular harmonic motion). Seperti terlihat pada Gambar 1, gelombang suara dihasilkan oleh sebuah gong jika kita memukul gong tersebut. Dalam hal gong adalah sumber gelombang suara, yang karena kontak permurkaan bervibrasi dengan partikel partikel medium, maka terjadi perpindahan vibrasi tersebut ke partikel-partikel sebelahnya (perambatan gelombang suara)

Dalam perambatan gelombang suara tersebut terdapat perubahan tekanan suara secara periodik yang menghasilkan siklus dalam satuan waktu tertentu yang umum dikenal frekuensi suara f (dalam Hertz, Hz) yakni jumlah putaran (cycles) per detik. Kecepatan gelombang suara merambat dalam medium (yakni laju perjalanan tekanan maksimum dan mininum yang bersangkutan) disebut kecepatan suara "C" Yang tergantung dari densitas medium. Kecepatan suara di udara adalah 330 m/s dan di air adalah 1500 m/s. Proses pembentukan gelombang dengan panjang gelombang ini adalah seperti tertera pada Gambar 2.

Panjang gelombang (yakni jarak antara titik-titk maksimum dan minimum) ditentukan dengan frekuensi (f) dan kecepatan suara (C) dengan rumus sederhana sebagai berikut :

= c/f .................................. (1)

Selanjutnya kalau kita bahas lebih lanjut mengenai proses pembentukan gelombang suara di air, pada prinsipnya tidak berbeda dengan pembentukan gelombang suara di udara. Beberapa perbedaan yang ada yang terutama berkaitan dengan proses pembentukan gelombang ultrasonic (frekuensi tinggi dan tidak bisa didengar oleh ikan atau manusia) adalah pada :

1. Sumber suara adalah tranducer yang memiliki lebar beam dan pola arah (directivity pattern) tertentu

2. Frekuensi yang dihasilkan tinggi atau gelombang suaranya pendek;

3. Tipe gelombang suara yang dihasilkan adalah gelombang pulsa (bukan continous wave, CW);

4. Mediumnya adalah air yang mempunyai impedance (c, densitas & kecepatan suara) tertentu.

Gambar 1. Gelombang suara yang dihasilkan oleh sebuah gong

Gambar 2. Pembentukan gelombang suara2.2 Tekanan dan Intensitas SuaraDalam dunia akustik dikenal istilah tekanan (pressure) suara "P", kecepatan partikel dan impedance (c) yang sebenarnya setara dengan tegangan (voltage) "V", arus (current) dan tahanan (resistance) dalam dunia listrik.

Tekanan diukur dalam satuan micropascal (Pa) dimana 1 Pa = 10-6 Newtons/m2. Tekanan suara ini sebenarnya adalah tekanan mekanik yang dihasilkan oleh vibrasi permukaan transducer di dalam medium air yang bersangkutan.

Intensitas suara adalah jumlah energi per detik (power) yang lewat melalui satuan luas tertentu tegak lurus terhadap arah pemancaraan/ perambatan gelombang (lihat Gambar 3). Kalau dijabarkan dalam bentuk rumus, maka:

.................................. (2)

dimana :

= ratarata energi yang dipancarkan (W/m2)

A= luas bidang yang terkena pancaran (m2)

= densitas medium (kg/m3)

C= kecepaLan suara di dalam medium (m/s)

2.3 Decibels (dB)Satu decibel (dB) = 1/10 Bel (suatu satuan yang diberikan untuk mengenang jasa Alexander Graham Bell) yang mulamula banyak digunakan berhubungan dengan salurun transmisi telepon, tetapi kemudian umum digunakan pada bidang elektronika dan akustik.Decibel bukanlah satuan linier seperti meter, kg atau detik, tetapi memberikan hubungan antara dua besaran (quantities) yakni logaritme 10 dari suatu ratio dari kedua besaran tersebut. Dalam dunia akustik (kelautan) decibel umum digunakan untuk menunjukkan rasio kekuatan atau intensitas dan rasio voltase atau tekanan.

Gambar 3. Konsep Dasar Intensitas Suara(1) Rasio Kekuatan (power)dan Intensitas

N = 10 log (dB)

= 10 log (dB) ... (3)

dimana : W0= chosen reference power,

I0= chosen reference intensity.

Jadi, Ratio = antilog

Contoh : 10 log dB:

10 log dB.

(2) Rasio Voltase dan Tekanan

N= 10 log

= 20 log

= 10 log = 20 log ..... (4)

dimana : V0= chosen reference voltage,

I0= chosen reference pressure

Kalau dibuat contoh dari nilai dB untuk rasio power, intensity, voltage dan pressure tersebut dapatlah diterakan pada Tabel 1

Jadi jelas bahwa untuk mendapatkan nilai dB dari rasio power dan intensitas cukup dengan mengalikan 10, sedangkan untuk rasio voltage dan tekanan dengan mengalikan 20.

Contoh : 20 log dB:

20 log dB.

Tabel 1. Nilai dB untuk rasio power, intensitas, voltage dan tegangan

Nilai Decibel (dB)Power (W) and Intensity Voltage (V) dan Pressure

(I) Ratio (P) Ratio

+ - + -

0.1 1.020.98 1.010.99

0.5 1.120.80 1.060.98

1 1.120.79 1.1220.84

2 1.580.63 1.260.79

3 2.000.5 1.410.71

6 3.982.0 0.50.10

1010.000.1 3.160.316

201020.0110.000.1

3010310331.620.0316

40104104102102 50105105 316.00.00316

60106106103103

70107107 31623.162 x 10-4 80108 108104101 90 109109 316223 .162 x 10-4 10010101010105105

.

2.4 Perambatan Gelombang Suara(1) Perambatan dalam medium ideal

Perambatan. gelombang suara. Dalam medium ideal hanya dipengaruhi oleh "geometrical spreading" saja karena tidak ada pengaruh penyerapan (attenuation/absorption) suara oleh partikel-partikel yang ada dalam medium yang bersangkutan.

Jika diasumsikan bahwa gelombang suara terpancar, dari sumber titik (lihat Gambar 4) dan merambat dalam medium ideal (lossless medium), maka intensitas suara di setiap titik hanya dipengaruhi oleh jarak tetap power (Pr) constant (untuk non-directional radiating).

..................... (5)

I1 * 4r12 = I2 * 4r22

Untuk standar jarak r0 = 1 m dari sumber, maka

I0 = 412 = Ir 4r2

Sehingga ..................... (6)

PR = I1 4R12 = I2 4R22 = .. = const

PR I1 R12 = I2 R22 = ...

ab

Gambar 4. Pemancaran gelombang suara dari sumber suatu titik

a. non directional radiating

b. directional radiating

(2) Perambatan dalam Medium yang Sebenarnya (Air)

Berbeda dengan perambatan dalam medium yang ideal, perambatan gelombang suara dalam medium yang sebenarnya dipengaruhi oleh "geometrical spreading" dan dan attenuation , sehingga :

..................... (7)

dimana = logarithmic decrement of attenuation yang tergantung dari densitas medium dan panjang gelombang atau frekuensi gelombang suarayang merambat. Makin tinggi frekuensi suara, maka attenuasinya akan makin besar (lihat Gambar 5).

Jika pemancaran suara dilakukan melalui transducer yang mempunyai lebar beam dan directivity pattern tertentu, maka rumus (7) di atas harus dikoreksi lagi menjadi :

..(8)

.2.5 Kecepatan dan Absorpsi Gelombang Suara

(1) Kecepatan gelombang suara (c)

Kecepatan suara di air dipengaruhi oleh suhu, salinitas dan kedalaman. Secara umum Urick (1983) merekomendasikan rumus kecepatan suara sebagai berikut :

C = 1449.34 + 4.56T - 0.046T2 + (1.38 - 0.01T) x (S 35) + D/61 ................. (9)

Dimana T adalah suhu (oC), (S) adalah salinitas dan D adalah kedalaman (m)

Gambar 5. Logaritmic decrement of attenuation and coefficient of attenuation versus frequency of transmission

Untuk memberikan gambaran tentang pengaruh faktor suhu dan salinitas terhadap kecepatan suara, maka pada Gambar 6 ditarakan grafik hubungan antara ketiganya. Dari Gambar 6 dan persamaan (9) tersebut jelas terlihat bahwa perubahan suhu (T) & salinitas (s) akan berpengaruh terhadap kecepatan suara C.

Dengan demikian, impedance C dari suatu medium akan berubah. dan akibatnya daya refleksi, refraksi dan absorpsi juga akan berubah.

Selain terhadap suhu dan salinitas, kecepatan suara juga berubah dengan perubahan frekuensi atau panjang gelombang suara yang dipancarkan menurut persamaan c = f

(2) Absorpsi gelombang

Absorpsi (dB/km) atau disebut juga koefisien attenuation disebabkan olch absorpsi dari proses kimia di dalam air yang menimbulkan "acoustic loss". Seperti telah disebutkan di atas, dipengaruhi oleh frekuensi f, dimana makin tinggi frekuensi, absorpsi juga makin besar. Perlu juga diingat ,bahwa tidak sama dengan , tetapi proporsional menurut persamaan. = 4,3

Hubungan antara dengan suhu tidak begitu jelas karena selain pengaruh frekuensi juga pengaruh salinitas.

Gambar 6. Hubungan antara kecepatan suara dan suhu serta salinitas

Secara umum dapat dikatakan bahwa makin tinggi salinitas maka juga makin tinggi dan makin tinggi suhu maka makin rendah (Iihat Gambar 7). Hal ini berlaku baik untuk frekuensi suara rendah maupun tinggi.

Sudah tentu selain karena pengaruh ketiga faktor tadi, absorpsi suara juga dipengaruhi oleh partikelpartikel yang ada di dalam medium perairan yang bersangkutan. Jadi perbedaan massa air dan perbedaan kandungan kimia dan partikel - partikel dalam air akan saling berpengaruh terhadap refleksi, refraksi dan absorpsi suara.

2.6 Refraksi dan Defleksi Suara

Air laut bukan medium yang homogen karena mengandung sejumlah lapisan dengan densitas yang berbeda sehingga menyebabkan variasi suhu dan salinitas dengan perbedaan kedalaman. Dengan demikian, maka gelombang suara. akan defraksikan pada saat melalui suatu batas densitas yang berbeda.

Seperti terlihat pada Gambar 8, kecepatan suara berubah menurut kedalaman jika gelombang suara yang bersangkutan mengenai suatu "wave front''. Jika kecepatan suara menurun lengan kedalaman, maka bagian atas dari "wave front" akan lebih cepat pergerakannya dibandingkan dengan di bagian bawahnya sehingga gelombang akan refraksi (membelok) ke bawah (Gambar 8a). Sebaliknya jika kecepatan suara naik dengan kedalaman gelombang akan membelok dengan arah ke atas (Gambar 8b).

Gambar 7. Pengaruh suhu dan salinitas terhadap absorpsi suara untuk frekuensi tertentu

Gambar 8. Refraksi suara di air

a. Velocity decreasing with depth

b. Velocity increasing with depth

Gambar 9. Refraksi suara dalam suatu medium berlapis

Gambar 10. Graphical reckoning of the path of a sonar beam

a. constant sound velocity

b. Sound velocity varying with depth

Menurut Hukum Snell, jika suatu gelombang suara mengenai/melewati suatu batas antara lapisan dengan kecepatan suara yang berbeda, maka rasio antara Cos dan kecepatan Suara C untuk tiap lapisan akan konstan (Gambar 9).

................= Constant .......................(10)Gambar 10 menunjukkan suatu contoh bagaimana menduga arah rambatan gelombang suara yang dihasilkan oleh beam sonar secara grafis dengan hukum Snell tersebut. Untuk Gambar 10a, kecepatan suara adalah konstan menurut kedalaman, transducer diletakkan menetap pade jarak r dari permukaan dan memancarkan suara secara horizontal dalam sudut beam (). Berkas gelombang suara. sebelah bawah yang merupakan batas dari beam tidak berubah arahnya sedangkan yang batas bagian atas terpantul I ke bawah oleh permukaan dengan sudut yang sama.

Pada contoh Gambar 10b, kecepatan suara bervariasi menurut kedalaman. Kita dapat membedakan adanya tiga lapisan yang masingmasing dengan kecepatan ratarata C1, C2 dan C3. Dengan adanya perbedaan lapisan air tersebut maka arah gelombang suara akan membelok menurut Hukum Snell sehingga perambatannya tidak lurus melainkan membelok. Garisgaris bengkok(lengkung) menunjukkan keadaan yang sebenarnya sedangkan garisgaris lurus menunjukkan pendekatan teoritis.

Dengan fenomena pombelokan suara di atas, maka untuk penggunaan echosounder mungkin pengaruhnya tidak terlalu besar karena arah transmisi suara vertikal ke bawah, tetapi untuk sonar mungkin lebih besar pengaruhnya karena biasanya lapisan air dengan perbedaan suhu dan salinitas yang besar terjadi secara horizontal.

2. 7 Frekuensi dan Panjang Gelombang

Frekuensi suara adalah jumlah puncak atau lembah dari suatu gelombang sinus dalam satu detik. Kecepatan sudut dari gelombang adalah =2f (radian/s), sedangkan waktu periodiknya adalah t =1/f

Dalam Akustik Kelautan biasanya digunakan "Single" atau "Dual frequency". Kalau sudah digunakan lebih dari dua frekuensi, biasanya digunakan untuk frequency diversity purpose dengan "frequency diversity device'' untuk mengetahui respon frekuensi dari suatu target. Walaupun secara nominal hanya disebut frekuensi tertentu yang hanya menunjukkan center frequency'' saja, tetapi sebenarnya merupakan "band of Frequency'' dengan "carrier frequency" tertentu.

Panjang gelombang () tergantung dari sifatsifat fisik medium dimana gelombang suara tersebut merambat. Hal ini disebabkan oleh kecepatan suara C ditentukan oleh densitas danbulk modulus elasticity" medium air yang bersangkutan.

Panjang gelombang didefinisikan sebagai jarak antara puncak yang berdekatan atau lembah yang berdekatan dari gelombang sinus. Seperti telah dijelaskan di atas, panjang gelombang ini berbanding lurus terhadap kecepatan suara dan berbanding terbalik terhadap frekuensi menurut persamaan = c/f.

Untuk suatu gelombang suara tertentu dalam pembacaan intensitas atau voltasenya dikenal adanya istilah "peakto peak" dan "root mean square" (rms) yang merupakan nilai efektif atau virtualdari gelombang yang bersangkutan.Adapun hubungan antara nilai peaktopeak denganrms adalah :

rms = () = 0.707 peaktopeak ...................................................... (11)

2.8 Pulse Duration/Pulse Length

Sebagaimana telah dijelaskan di atas bahwa dalam peralatan akustik umumnya digunakan gelombang pulsa. "Transmitted pulse duration" (lebar pulsa Yang dipancarkan) biasanya tidak pasti/tetap bentuknya walaupun telahdiatur oleh "bandwith" (lebar band) tertentu pada bagian transmitter, dan modifikasi selanjutnya dari bentuk "envelop echo" terjadi di dalam receiver.

Dengan demikian untuk mengukur pulse duration dalam kenyataan bisa menggunakan target standard (dengan respond band yang lebar dari receiver), walaupun secara teoritis "pulse duration" harus diukur pada pulsa yang berbentuk segi empat (rectangular).

Kalau ''pulse duration () adalah lebar pulsa di dalam alat, maka pulse length adalah panjang pulsa yang sebenarnya di dalam air yang besarnya = C Jadi untuk menghitung panjang pulsa harus diketahui. dulu actual pulse duration" dan kecepatan suara dalam medium air yang bersangkutan.

Panjang pulsa ini adalah parameter yang sangat penting karena :

1) menentukan "depth resolution" antar target yakni antara target yang satu dengan yang lain secara vertikal atau antaratarget dengan dasar perairan (sea bed). Untuk itu jarak (vertikal) minimum antara. obyek X dan Y untuk memungkinkan kedua echo tersebut terpisah adalah C/2 (Gambar 11). Ini berarti semakin pendek pulsa duration (), maka resolusi akan semakin baik.

2) mempengaruhi transmisi. energy. Makin panjang pulsa di dalam air, maka makin besar kemungkinan untuk mendeteksi target pada jarak yang jauh karena power ratarata meningkat.

Gambar 11. Pengaruh panjang pulsa untuk menghasilkan dua echo target terpisah

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

PAGE 1Dasar-dasar Akustik Kelautan

_1173284469.unknown

_1178304588.unknown

_1186749384.unknown

_1186750757.unknown

_1178304600.unknown

_1186746563.unknown

_1173285208.unknown

_1173285336.unknown

_1177063157.unknown

_1178304189.unknown

_1173285729.unknown

_1173285255.unknown

_1173284945.unknown

_1173279453.unknown

_1173279927.unknown

_1173279998.unknown

_1173279866.unknown

_1173279228.unknown

_1173279324.unknown

_1173278973.unknown