1

BAB 3. PRINSIP INSTRUMENT AKUSTIK

Sistem sonar adalah suatu instrumen yang digunakan untuk memperoleh informasi tentang obyekobyek bawah air dengan memancarkan gelombang suara dan mengamati/menganalisis echo yang dihasilkan. Dengan menyebut sistem sonar ini sebenarnya yang dimaksud adalah active sonar system'' yang digunakan untuk mendeteksi dan meneliti targettarget bawah air. Sedangkan passive sonar system" adalah instrumen yang hanya untuk menerima suarasuara yang dihasilkan oleh obyekobyek bawah air (ikan dan binatang air lainnya).

Secara prinsip, sistem sonar tersebut terdiri dari empat komponen utama yakni Transmitter, Transducer, Receiver dan Display/Recorder (Gambar 12). Di samping itu dilengkapi dengan Time Base dan untuk tujuan kuantitatif lagi. dengan Echo Signal Processor atau Echo Integrator. Sehubungan dengan ruang lingkup kuliah ini masih menitikberatkan dasardasar akustik saja yang aplikasinya dibahas lebih lanjut pada kuliah akustik Kelautan/Bawah Air, maka Prinsip Kerja instrument akustik ini hanya mencakup lima komponen utama yakni : Time base Transmitter, Transducer, Receiver dan Display.

3.1. Time Base

Time Base adalah komponen yang suatu pulsa listrik untuk men"switch on" (modulate) transmitter, dimana menghasilkan sebuah pulsa dengan centre frequency (f) dan duration () untuk memicu transducer. Energi listrik diubah oleh transducer manjadi energi suara dengan panjang pulsa C yang mana dipancarkan ke dalam air dan merambat mengenai obyek bawah air. Echo dariobyekobyek tersebut diubah kembali menjadi sinyal pulse listrik oleh transducer. Sinyalsinyal

ini umumnya sangat lemah/ kecil sehingga harus dibesarkan (amplifiad), tetapi dengan cara yang selektif, relatif tergantung dari waktu yang diperlukan setelah transmisi time varied gain (TVG). Ini mengkompensasi power yang hilang selama perjalanan ke luar dan kembali ke transducer. Sete1ah proses TVG sinyal didemodulasi (detected) yakni informasi yang dikandungnya (amplitude dan duration) diekstraksi. Dalam bentuk ini sinyal dapat menandai kertas pencatat, didisplay pada layar monitor (hitam putih atau berwarna) direkam pada data recorder atau diproses dengan echo integrator atau echo signal processor

Jadi Time base berfungsi untuk :

1) untuk menghasilkan '. "clock" dimana memungkinkan diperoleh akurasi dari pengukuran kedalaman;

2) untuk mengontrol pulse repetition rate" saat mana transmisi dibuat.

Gambar 12. Komponen utama dan prinsip dasar echosounder

3.2 Transmitter

Transmitter menghasilkan pulsa listrik yang berfrekuensi dan berlebar tertentu tergantung dari desain transducer. Suatu perintah dari Time Base dan dari Kontak Pemicu Pulsa di Recorder akan memberikan saat kapan pembentuk pulsa (pulse former)bekerja. Pintupulsa atau switching pu1sa yang dihasilkan oleh pulse former akan menentukan lama pulsa. Pulsa yang dibangkitkan oleh oscillator kemudian diperkuat dengan power amplifier sebelum pulsa tersebut disalurkan kepada transducer. Kekuatan pulsa yangdihasilkan oleh transmitter adalah ciri utamanya berkisar antara beberapa Watt hingga ribuan Watt. Tetapi perlu diingat bahwa kekuatan transmitter (indicated transmitting power) bukan merupakan ukuran yang benar dari suara yang dipancarkan ke dalam air karena faktor efisiensi dan faktor pola penyebaran suara yang dihasilkan transducer.

Seperti telah disebutkan di atas, transmitter adalah ditrigger dari time base dengan pulse repetition rate tertentu (PRR).Masing-masing trigger memulai sirkuit pulse duration, ini berlangsung untuk waktu tertentu dan selama waktu ini frekuensi echo sounder, di couple" terhadap power amplifier dimana kemudian dihubungkan dengan transduser.

Power amplifier didalam transmitter meningkatkan keluaran (output) powerbeberapa ratusWatt atau sampai beberapa KW dan tingkat power ini harus diusahakan tetap. Ini diukur sewaktu dihubungkan dengan transducer, bisa dengan

mengambil Voltase "peaktopeak", diubah menjadi Voltase rms, kemudian dikuadratkan dan dibagi dengan tahanan transducer RR sehingga menjadi :

.. (12)

atau mungkin juga hanya menggunakan voltase peaktopeak secara, langsung sehingga menjadi :

untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai fungsi transmitter tersebut dapat dilihat pada Gambar 13.

Sekali lagi, untuk memberikan gambaran yang lebih jelas dari hubungan antara power dan energy dapatlah digambarkan dengan rumus dan gambar berikut ini (Gambar 14)

............................................................................(13)

dimana integral tersebut dilakukan selebar pulsa.

Selanjutnya bagaimana sinyal pulsa dibentuk/dibangkitkan dapat dilihat pada Gambar 15.

3.3 Transducer

Fungsiutama transducer adalah untuk mengubah energi listrik menjadi energi suara ketika suara akan dipancarkan dan sebaliknya mengubah energi suara menjadi energi listrik ketika echo diterima. Fungsi lain (tambahan) dari transducer adalah memusatkan energi suara yang dipancarkan sebagai beam. Bentuk umum beam adalah kerucut (conical ) yang terdiri dari "main lobe (bagian utama) dan "side lobe".

Dilihat dari fungsinya, maka secara umum transducer ini dibagi menjadi projector (untuk transmisi) dan hydrophone (untukpenerimaan).Akhirakhir ini untuk menunjukkan perbedaan fungsi tersebut, digunakan kode Transducer T jika berfungsi hanya untuk transmisi/pemancaran suara dan R untuk penerimaan. Dengan demikian untuk transducer yang sebenarnya di mana berfungsi baik untuk.transmisi maupun penerimaan, maka digunakan kode TR.

Secara umum ada dua jenis transducer yang biasa digunakan dalam dunia kelautan/ perikanan yakni transducer nickel dan transducer keramik, yang masingmasing mempunyai prinsip kerja yang berbeda. Transducer nickel memakai prinsip magneto striction dan keramik memakai prinsip eletro striction. Singkatnya, jika ada rangsangan oscilasi listrik pada permukaan transducer akan mengakibatkan perubahan dari dimensinya dimana akan menghasilkan variasi tekanan listrik pada. frekuensi yang sama. Efek sebaliknya terjadi jika echo beraksi di permukaan transducer, dimensinya akan berubah yang kemudian menghasilkanvoltasemelalui terminal, rangkaian listrik yang besarnya tergantung dari kekuatan echo.

Gambar 13. Block diagram yang menunjukkan fungsi dari transmitter

Gambar 14. Hubungan antara power dan energi

Gambar 15. Proses pembentukan sinyal (pulse atau cw)

Di daerah dekat dengan permukaan transducers intensitas suara bervariasi menurut cara yang sangat kompleks antara tingkat minimum dan maksimum. Sewaktu permukaan transducer membesar (expand), ia akan menghasilkan tekanan pada air (secara cepat) yang kontak dengan permukaan tersebut yang menyebabkan kompresi (compression). Jika transducer mengecil tekanan akan berkurang yang menyebabkan "rarefaction" pengaruh dari compression dan rarefaction ini adalah diproyeksikan ke depan, sampai ke suatu jarak dimana aksi piston tersebut efektif. Jarak dari permukaan transducer sampai ke jarak dimana terjadi fluktuasi yang tinggi dari intensitas/ tekanan tersebut disebut daerah nearfield (lihat Gambar 16). Seperti terlihat pada Gambar tersebut, pembentukan beam yang utama (main beam/main lobe) terjadi setelah daerah nearfield tersebut secara umum disebut daerah farfield.

Batas antara nearfield (atau disebut juga Fresnel diffraction zone) dan farfield secara visual memang sulit untuk diketahui, sehingga untuk praktisnya jarak (r) tersebut dihitung dengan rumus

r = 2L2/ ...............................

(14)

dimana L adalah panjang dari dimensi terpanjang dari transducer atau diameternya dan adalah panjang gelombang suara.

Intensitas akustik dari projector (transducer) terbesar adalah pada sumbu (axis) dari beam, ia berkurang menurut sudut yang semakin membesar dari sumbu sampai dicapai suatu pola respon tertentu (main lobe dan side lobe).

Sudut beam () tidak diukur selebar sudut yang membentuk main lobe, tetapi diukur terhadap sudut dimana respon adalah setengah dari Sumbu yakni 10 log = 3 dB. Dengan demikian, sudut beam yang umum disebut (halfbeam angle) adalah sudut dari sumbu sampai ke titik dimana respon adalah 3 dB (lihat Gambar 17). Jika dimensi terbesar dari transducer L jauh lebih besar dari panjang gelombang suara , maka full beam angle (2) dapat dihitung dengan pendekatan sebagai berikut :

2 = 57.4 / L ........................................... (15)

dimana 57.3 adalah derajat dalam radian, dan L juga sama dengan panjang permukaan aktif dari transducer dimana menghasilkan pola beam seperti terlihat pada Gambar 16.

Gambar 16. Proses terbentuknya beam dari permukaan tranducer

Gambar 17. Bentuk beam (main lobe dan side lobe) yang dihasilkan oleh tranducer

Sifatsifat dari transducer selanjutnya akan dibahas tersendiri pada Bab 4 sehingga untuk Sub Bab ini cukup sampai bagaimana fungsi dan prinsip kerja transducer saja.

Kualitas transducer dapat bervariasi dan salah satu penilaiannya adalah tingkat efisiensinya yakni kemampuan untuk mengubah energi listrik menjadi energi suara dan sebaliknya. Hal lain yang dinilai adalah jumlah dan tingkat dari side lobenya. Adanya side lobe menunjukkan kehilangan energi yang efektif untuk "sounding" dan juga akan menghasilkan echo yang tidak diinginkan yang dapat mengacaukan interpretasi terhadap echo dari main lobe. Jadi makin banyak side lobe dan makin tinggi tingkat intensitas side lobe tersebut, maka kualitas transducer makin rendah.

3.4 Receiver

Sinyal echo (energi listrik) yang lemah yang dihasilkan oleh transducer harus diperkuat beberapa ribu kali sebelum diteruskan ke Recorder. Penguatan echo ini dilakukan oleh Receiver Amplifier dan besarnya penguatan dapat diatur oleh sensitivitas (sensitivity control) ataupun pengatur volume. Untuk mungurangi atau menghilangkan echo dari target yang terlalu dekat dengan transducer sensitivitas receiver secara otomatis dapat diatur (dikurangi). Pada. saat pulsa ditransmisikan ke dalam air, sensitivitas receiver dikurangi, tetapi setelah itu dinaikkan kembali hingga maksimum.

Pada beberapa echo sounder modern, pengaturan sensitivitas secara otomatis ini disesuaikan dengan depth range penuh dan dibuat untuk mengimbangi dispersi maupun absorpsi suara dalam kisaran kedalaman tersebut. kekuatan echo dibuat tidak tergantung dari jarak target. terhadap transducer, tetapi hanya tergantung dari kekuatan echo (echo strength) yang bersangkutan. Pengaturan sinyal echo yang disesuaikan dengan kedalaman atau jarak target ini dinamakan Time Varied Gain (TVG).

Blok diagram dari fungsi receiver amplifier secara prinsip adalah seperti tertera pada Gambar 18.

Gambar 18. Block diagram dari receiver amplifier

Dari Gambar tersebut jelas terlihat bahwa Receiver amplifier (1) bersama TVG controller berfungsi untuk menguatkan echo signal dengan faktor gain G berikut :

......................................................................(16)

dimana VR adalah output voltase dan VRT adalah minimum detectable voltage dari transducer.

Di dalam Receiver ini seperti terlihat pada Gambar 18 tersebut, untuk melakukan fungsi, ada koordinasi antara TVG generator/ circuit dan TVG controller dimana mengatur secara tepat dan otomatis dari tuned/ receiver dalam hubungannya dengan kedalaman.

Semua amplifier menghasilkan noise, yakni noise yang dihasilkan oleh receiver itu sendiri (selfnoise) karena rangkaian listrik (resistor) didalamnya dan noise yang berasal dari transducer (ambientnoise atau radiated noise). Mengenai

noise ini akan dibicarakan tersendiri pada Bab terakhir. Pada prinsipnya, noise listrik ini harus lebih rendah dari tingkat acoustic noise. Receiver selfnoise level (dB/1 Volt) dapat diusahakan lebih kecil dari acoustic noise melalui suatu terminal yang menghubungkannya dengan TVG amplifier. Receiver amplifier yang modern umumnya mempunyai sensitivitas input sama atau lebih kecil dari 1 V atau = -120 dB/1 Volt.

Kedalaman maksimum dimana untuk target dengan ukuran tertentu dapat dideteksi adalah suatu titik dimana dapat dibedakan/dipisahkan di atas tingkat noise (untuk akustik kelautan/perikanan harus di atas 10 dB). Suatu keadaan yang ekstrim adalah dimana ukuran maksimum atau densitas target melebihi mencakup selang receiver akan menyebabkan tingkat kejenuhan (saturation level) dari sirkuit.Receiver saturation adalah suatu kondisi dimana output voltase tidak lama mengikuti input voltase secara linier yakni gain factor tidak konstan. Adalah sangat penting untuk mempertahankan receiver voltase response (gain) tetap linier antara tingkat sinyal yang ekstrim (>120 DB). Dynamic range adalah beda antara sinyal minimum yang masih bisa dipakai pada receiver input dengan sinyal maksimum dimana tidak menyebabkan kejenuhan. Umumnya signal dinamyc range ini adalah 50 80 dB.

3.5 Display/ RecorderSewaktu dikuatkan (amplified), sinyalsinyal echo masih dalam bentuk pulsa yang mempunyai sejumlah tertentu cyclus pada frekuensi echosounder yang bersangkutan (Gambar 19a). Untuk tujuan display, hanya pulsa dengan frekuensi tertentu itulah yang kemudian dikuatkan kemudian didemodulasi, atau dikenal sebagai "detected" atau "rectified" (Gambar 19b). Proses ini mengubah semua tampilan (fraces) dari frekuensi echosounder dan mengubah menjadi bagian yang positif saja dari semua bagian pulsa yang negatif. Hasilnya adalah arah positif (unidirectional) dari bentuk gelombang arus DC yang mana dapat digunakan untuk menandai kertas pencatat (pada recording echosounder), atau "deflect" beam dari CRT (Cathoderay tube), atau direkam pada suatu data recorder.

Salah satu echosounder yang umum digunakan adalah recording echosounder dimana dilengkapi dengan kertas pencatat (Gambar 20). Berbagai macam kertas pencatat digunakan (roet/ moist paper dan drypaper), tetapi prinsip kerjanya adalah hampir sama. Kertas basah walaupun lebih sensitif terhadap sinyal yang lemah dan memiliki "dynamic ranqe" yang lebih bagus dibandingkan dengan kertas kering, tetapi memiliki berbagai kelemahan seperti : kelembaban harus dikontrol secara hatihati dan warna berubah jika kena sinar. Kertas basah mengandung cairan kimia yang akan berwarna hitam/coklat' jika. arus listrik melewatinya. Tingkat kepekatan/kegelapan warna tersebut berhubungan dengan kekuatan arus listrik yang sebanding dengan kekuatan echo dari target.

Pada penggunaan kertas kering, jejak echo dihasilkan dari percikanpercikan listrik yang dikeluarkan oleh jarum pencatat (Stylus) yang menyala pada permukaan kertas berwarna abuabu kertas ini akan menyimpan rekaman dengan baik. Kelemahan dry paper ini adalah dynamic range untuk merekam sinyal echo lebih kecil dibandingkan dengan kertas basah.

Di samping tugasnya untuk merekam echo pada kertas pencatat, recorder juga melakukan fungsifungsi koordinasi bersama komponen time base. Recorder memberikan sinyal kepada transmitter untuk menghasilkan pulsa dan pada saat yang bersamaan recorder juga mengirimkan sinyal ke receiver untuk menurunkan sensitivitasnya setiap jarum/pena melewati titik nol pada skala kedalaman.

Recorder juga mengukur selang waktu antara transmisi pulsa dan penerimaan echo. Hal ini dilakukan dengan menggerakkan jarum perekam di atas kertas pencatat dengan kecepatan tetap yang tergantung pada kecepatan suara dan skala kedalaman. Kecepatan jarum bervariasi menurut depthscale tersebut dan disesuaikan dengan kecepatan suara di air (untuk air laut = 1500 m/s). Echosounder yang canggih dilengkapi dengan pengatur kecepatan jarum yang. disesuaikan dengan kecepatan suara.

Selanjutnya untuk echosounder yang menggunakan CRT, depth range, skala display dan sebagainya dengan mudah dapat diatur untuk menghasilkan resolusi yang optimaldan menyajikan kekuatan echo yang sebenarnya.

Gambar 19. Pemrosesan sinyal echo dari Raw Frecuency menjadi demodulated sinyal

Gambar 20. Contoh recording echosounder

Display demikian sangat baik untuk mengidentifikasi echo dari target dengan kedalaman dan kekuatan yang berbeda. Akhirakhir ini untuk melakukan display yang lebih baik, digunakan monitor berwarna yang umum disebut Colour Echosounder.

Prinsip kerja dari colour echosounder ini adalah intensitas echo diekspresikan dengan perbedaan warna (karena intensitas echo setara dengan electric signal level). Sebagai contoh intensitas echo yang kuat dari dasar perairan akan berwarnaredbrown, gerombolan, ikanbesar berwarna orange, gerombolan ikan kecil berwarna hijau, ikan tunggal berwarna biru dan seterusnya (lihat Gambar 21).

Gambar 21. Prinsip colour echosounder

Seperti halnya recording echosounder, colour echosounder ini juga tidak bisa. memberikan data kuantitatif dari ukuran ikan, stok (jumlah Akan atau biomass) dan informasi kuantitatif lainnya, sehingga, untuk keperluan itu harus dilakukan pemrosesan echo dengan echo signal processor yang kemudian dengan echo integrator diperoleh stok ikan yang bersangkutan atau dengan in situ target strength analyzer dapat diketahui ukuran ikan yang bersangkutan. Semua materi kuliah yang berkaitan dengan "quantitatif data acquisition and processing system" ini adalah ruang lingkup dari Akustik Kelautan, bukan pada DasarDasar Akustik ini.

3.6 Sistem Linier dalam AkustikSystem linier yang dimaksudkan di sini adalah output dan sistem echosounder adalah merupakan penjumlahan dari semua kontribusi dari masingmasing komponen frekuensi input signal Secara sederhana sistem linier ini dapat diterakan pada (Gambar 22.

Output voltage, Vo (t) adalah berhubungan dengan input voltage, Vi (t), melalui transfer function S(), F() dan H (). S dan H adalah mencakup kontribusi dari transducer. Fungsifungsi ini didefinisikan dengan persamaan persamaan berikut :

Vi(t) = V.exp (i t) ............ (18)

Pi(t) = (S/r) exp (i r/c) . Vi(t) ............ (19)

Po(t) = (F/r) exp (i r/c).Pi(t) ............ (20)

Vo(t) = H.Po(t) ............ (21)

dimana

:

Vi(t) = transmitted input voltase (V)

V = amplitude of the transmitted input voltage (V)

Vo(t)= receiver output Voltase (V)S()= transfer Function of the transmitting amplifier and transducer (N/m/J),

F()= transfer function of the target (m)

H()= transfer function ofthe 2 receiving transducer and receiver amplifier (Vm /N),

R= jarak antara transducer dan target (m),

t= time between the transmission pu1se and received echo (S)

= angular frequency (radian/S),

i = square of root of 1

Gambar 22. Linier system model an echosounder

Acoustic cross section () didefinisikan sebagai

= 4F()2 (22)

sehingga "power gain" (Gp) dari sistem yang lengkap dapat ditulis sebagai

Gp = Vo2/Vi2 = SH2/ (4r4) (23)

Untuk memperluas analisis ini untuk transmisi pulsa dengan lebar terbatas, maka persamaan di atas dapat ditulis kembali dalam bentuk integral selebar spektrum pulsa. Jika normalized spectrum" dari transmitted input signal (dalam satuan detik) didefinisikan sebagai

g () = (Vi /2 V) exp (-it) dt............ (24)

maka input dan output signal menjadi

Vi (t) = V g.exp ( it) d ............ (25)

Vo(t) = (V/r2) g SHF.exp [i (t2r/c)] d, ............ (26)

"Power gain" kemudian dapat digantikan dalam bentuk "energy gain" (Ge) :

Ge = Vo2 dt / Vi2dt

= gSHF2d /(r4 g2 d) ............ (27)

Selanjutnya untuk mendefinisikan acoustic cross section dalam bentuk energi ini dapatlah didefinisikan sebagai berikut

= 4 gSHF2. d / gSH2 d ............ (28)

Sehingga persamaan "power gain" dalam bentuk continuous wave diubah menjadi "energy gain" dalam bentuk gelombang dengan lebar pulsa terbatas dengan persamaan berikut

Ge = ( /4 r4) gSH2 d / g2 d ............ (29)

Inilah persamaan yang secara teoritis mendekati keadaan yang sebenarnya untuk mengevaluasi efektivitas dari suatu sistem (linier) dari echosounder. Phenomena bahwa akustik perikanan adalah linier telah dibuktikan dengan pendekatan energi tersebut. Demikian juga penggunaan energi dominan dalam akustik kelautan/ perikanan harus diterapkan apalagi urtuk pendugaan stok dengan echo integration .

PAGE 18Dasar-dasar Akustik Kelautan

_1177067836.unknown

_1177068045.unknown

_1177069963.unknown

_1177067730.unknown