"PROPAGASI AKUSTIK BAWAH ALUN DAN TRANSMISSION LOSS" PDF

Preview

Summary

TUGAS BESAR KL 5201 AKUSTIK BAWAH AIR LANJUT “PROPAGASI AKUSTIK BAWAH ALUN DAN TRANSMISSION LOSS” Dosen : Irsan Soemantri Brodjodiningrat, Ph.D Disusun oleh : Richo Prayudha (25514002) PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2015 BAB I P...

Description

TUGAS BESAR KL 5201 AKUSTIK BAWAH AIR LANJUT “PROPAGASI AKUSTIK BAWAH ALUN DAN TRANSMISSION LOSS”

Dosen : Irsan Soemantri Brodjodiningrat, Ph.D

Disusun oleh : Richo Prayudha (25514002)

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2015

BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Teknologi Akustik bawah laut memiliki peranan yang sangat penting karena gelombang elektromagnetik yang sangat sering digunakan hanya terbatas di atas permukaan laut sedangkan untuk di bawah permukaan laut sangat berganung pada akustik bawah air. Salah satu peranan teknologi akustik bawah air yaitu untuk mendeteksi objek yang berada di bawah laut seperti kapal selam atau kapal bawah air. Pada tugas besar ini akan membahas mengenai pendeteksian kapal bawah laut dimana peranan yang akan dipilih yaitu sebagai kapal atas air yang bertugas untuk mencari kapal bawah air.

1.2. TUJUAN Tujuan dari pembuatan laporan ini adalah untuk memenuhi tugas akhir dalam mata kuliah Akustik Bawah Air Lanjut KL5201, selain itu tujuan lainnya adalah untuk mencari shadow zone yang sekecil-kecilnya agar dapat mendeteksi kapal bawah air.

1.3. RUANG LINGKUP Lingkup pengerjaan final project ini terdiri dari: 1. Pemilihan 3 data ocean dengan range kedalaman yang berbeda; 2. Pembacaan data dengan software ODV (Ocean Data View); 3. Penentuan SVP (Sound Velocity Profile) dengan rumus Medwin, Leroy, dan McKenzie; 4. Membandingkan hasil SVP yang diperoleh dari masing-masing rumus; 5. Menghitung nilai error yang dihasilkan dari perhitungan SVP 6. Melakukan polyfit untuk mengetahui propagasi kecepatan akustik di lokasi yang ditinjau; 7. Melakukan ray tracing; 8. Memplot normal mode dari masing-masing stasiun.

1

1.4. SISTEMATIKA PENULISAN BAB I Pendahuluan Bab I ini berisi tentang gambaran umum isi laporan dimulai dari latar belakang penulisan, tujuan, ruang lingkup, dan sistematika penulisan BAB II Dasar Teori dan Kasus Pada Bab II ini akan dijelaskan dasar teori yang menjadi acuan dalam pengerjaan laporan ini dan juga pada bab ini akan dijelaskan tentang kasus yang diambil BAB III Pengolahan Data Pada Bab III ini menjelaskan mengenai penjabaran langkah kerja dan hasil pengolahan data dari data-data yang diketahui. BAB IV Kesimpulan dan Saran Bab ini menjelaskan tentang kesimpulan dari keseluruhan penulisan yang telah dibuat. Selain itu, bab ini juga berisi saran mengenai hasil analisis yang telah dibuat.

BAB II TEORI DASAR DAN KASUS 2.1. TEORI DASAR 2.1.1 Gelombang Akustik Gelombang akustik merupakan Gelombang akustik adalah gelombang mekanis yang berasal dari getaran mekanis. Gelombang akustik memerlukan medium (padat, cair, gas) untuk perambatnnya. Dalam prakteknya gelombang akustik memegang peranan penting untuk areah bawah laut karena gelombang elektromagnetik hanya bisa berpropagasi di atas permukaan laut. Pembagian domain gelombang dapat diliat pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 Domain Gelombang Elektromagnetik dan Akustik Bawah air (sumber : Presentation_Underwater_Acoustics_S2_20_Jan_2015) Dalam penggunaannya gelombang akustik bawah air sangat efisien digunakan kerena saat berpropagasi gelombang akustik bawah air sakan-akan seperti terperangkap di antara muka air laut dan dasar laut (sound channel) dengan kehilangan energi sangat kecil sehingga dapat mencapai setengah keliling bumi.

2.1.2 Sound Velocity Profile (SVP) Sound Velocity Profile (SVP) merupakan profil kecepatan rambat suara di dalam air. Dimana SVP bergantung pada tingkat salinitas, temperatur , dan kedalaman. Cepat rambat suara di dalam air akan mengalami penambahan 3-4 m/s tiap kenaikan 1oC. Secara umum temperatur akan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya kedalaman, namun di beberapa 1

tempat akan terjadi anomali. Anomali ini terjadi di perairan artik dan antartik, dimana kondisi temperatur di permukaan akan sangat rendah (beku) namun air tersebut tidak membeku sampai ke dasar perairan karena terjadi anomali air. Selain itu, pertambahan salinitas sebesar 1‰ juga akan menaikan cepat rambat suara sebesar 1 m/s. Sedangkan pertambahan kedalaman sebesar 55 m akan menyebabkan pertambahan kecepatan sebesar 1 m/s. Cepat rambat akan terjadi berdasarkan faktor salinitas dan temperatur maka akan membuat perairan dapat dibagi menjadi 3 lapisan yaitu mix layer, thermocline, dan isotherm. Cepat rambat suara dalam air dapat diperoleh dengan pengambilan data lapangan atau dengan pendekatan menggunakan persamaan-persamaan empiris dari Leroy, Medwin, dan McKenzie. Berikut persamaan empiris yang digunakan untuk menghitung cepat rambat suara dalam air:  Medwin (

Dengan kriteria; 

Temperatur : -2 ≤ T ≤ 35⁰ C



Salinitas : 30 ≤ S ≤ 45 ‰

)(

)

 Kedalaman : 0 ≤ z ≤ 1.000 m  Leroy (

)(

(

Dengan kriteria:

)

)

⁄

(

)



Temperatur : -2 ≤ T ≤ 24,5⁰ C



Salinitas : 30 ≤ S ≤ 42 ‰



Kedalaman :0 ≤ z ≤ 1.000 m

(

)

(

)

 McKenzie (

)

(

)

2

Dengan kriteria: 

Temperatur :-2 ≤ T ≤ 30⁰ C



Salinitas : 30 ≤ S ≤ 40 ‰



Kedalaman : 0 ≤ z ≤ 8.000 m

Dimana: c T S z

= cepat rambat suara (m/s) = Temperatur (⁰C) = Salinitas (‰) = kedalaman (m)

2.1.3 Ray Tracing Ray Tracing merupakan metode yang digunakan dalam propagasiakustik bawah air. Ray tracing adalah perhitungan garis-garis sebagai pembentukan muka gelombang pada tiap titik yang berada pada suatu medium tertentu. Ray tracing ini berhubungan dengan pengaruh refraksi akustik bawah air dengan diketahui profil kecepatan akustiknya. Metode ini menerapkan prinsip Snell, Hukum Snellius menyatakan bahwa terdapat hubungan antara sudut gelombang yang terbentuk dengan Cepat rambat suaranya untuk media yang mempunyai lapisan dengan kecepatan konstan, dimana persamaan Hukum Snellius ini dapat ditulis sebagai berikut:

Dimana: ϴ = Sudut di kedalaman yang diinginkan

c = kecepatan di kedalaman yang diinginkan

2.1.4 Polynomial Fitting (Polyfit) Persamaan-persamaan empiris kecepatan rambat suara Medwin, Leroy, McKenzie menyatakan bahwa cepat rambat suara c merupakan fungsi temperatur T, salinitas S, dan kedalaman z, yang dapat dituliskan sebagai berikut, (

)

Sehingga perubahan kecepatan rambat suara terhadap perubahan kedalaman dapat dinyatakan sebagai berikut, (

)

3

Jika persamaan diatas diuraikan, maka akan diperoleh persamaan berikut, (

)

Persamaan diatas dapat diperoleh dengan menurunkan persamaan-persamaan empiris kecepatan rambat suara pada persamaan Medwin, Leroy, dan McKenzie, yaitu,

[ [

[ [

(

(

]

(

)]

[ (

]

)]

)

(

) (

[

)

( )

( )

)

[

( )]

(

( )

] )] (

)

( )

Untuk menyelesaikan persamaan-persamaan tersebut dibutuhkan persamaan salinitas S(z), dan Temperatur T(z) sebagai fungsi terhadap kedalaman. Hal ini dicapai dengan melakukan polynomial curve fitting terhadap masing-masing data temperatur T dan salinitas S. Dalam metode polynomial curve fitting, N data temperatur T dan salinitas S terhadap kedalaman z yaitu, (

(

)(

)(

)(

)(

)

)

(

(

)

)

dapat dihubungkan menjadi sebuah kurva persamaan T(z) dan S(z) berupa fungsi polinomial derajat N-1 sebagai berikut, ( ) Dimana, a1, a2, a3,..., aN-1, aN

( )

= koefisien persamaan T(z)

b1, b2, b3, ..., bN-1, bN = koefisien persamaan S(z) N

= jumlah data

dalam penggunaan polynomial curve fitting, jika kita memiliki 1.000 data di titik tinjauan, maka untuk menghubungkan tiap titik data dibutuhkan sebuah kurva persamaan berupa fungsi polinomial derajat 999, untuk mempermudah perhitungan, kurva fungsi pendekatan 4

terhadap data temperatur T dan salinitas S dapat dibentuk dengan fungsi polinomial orde rendah, namun hasil pendekatan kurva terhadap data dapat menghasilkan nilai error berupa ƐT untuk data temperatur dan ƐS untuk data salinitas. |

|

( )|

( )|

Dalam perhitungannya, untuk mendapatkan kurva yang mendekati nilai data sebenarnya, nilai error dari selisih antara hasil pendekatan kurva dan data harus didapatkan nilai error terkecil, untuk menghasilkan nilai error minimum digunakan metode kuadrat terkecil, yang dapat dituliskan sebagai berikut, ∑(

( ))

∑(

( ))

Dimana, qT

= Jumlah kuadrat error data temperatur (⁰C)

qS

= Jumlah kuadrat error data salinitas (ppt)

Tj

= Data temperatur lapangan (⁰C)

T(zj)

= Data temperatur hasil perhitungan curve fitting (⁰C)

Sj

= Data salinitas lapangan (ppt)

S(zj)

= Data hasil salinitas perhitungan curve fitting (ppt)

z

= Kedalaman (m)

N

= Jumlah data

untuk mendapatkan nilai q minimum, diperlukan kondisi dimana nilai turunan qT dan qS terhadap koefisien aN dan bN sama dengan nol

Sehingga dengan menurunkan persamaan diatas terhadap koefisien polinomial aN dan bN didapat sejumlah N persamaan polinomial, setelah didapatkan sejumlah N persamaan 5

polinomial, proses iterasi dilakukan untuk mendapatkan nilai masing-masing koefisien aN dan bN, sehingga diperoleh persamaan kurva pendekatan untuk data temperatur T(z) dan salinitas S(z) sebagai fungsi terhadap kedalaman z yang memiliki nilai error terkecil. Akhirnya, persamaan empiris cepat rambat suara pada Medwin, Leroy, dan McKenzie dapat dituliskan sebagai berikut, 1. Persamaan empiris Medwin (

( )

( ) ( ( )

( ))

)

2. Persamaan empiris Leroy ( ) ( ( ) ⁄

)

( ( ) ( ( )

)

( )

( ) ( ( ) ( ( )

)

)

)

( ( )

)

3. Persamaan empiris Mackenzie ( )

( )

( ) ( )

( ( )

)

( ) ( )

( ( )

)

2.1.5 Transmission Loss Dalam perambatannya gelombang akustik akan kehilangan energi. Kehilangan energi ini terjadi karena diakibatkan oleh beberapa hal yaitu penyebaran(spreading loss), penyerapan oleh medium yang dilaluinya (absorption loss), dan pantulan (reflection loss). Bagan transmission loss akustik bawah air dapat dilihat pada Gambar 2.2

6

Gambar 2.2 Bagan Transmission Loss Akustik Bawah Air

2.1.5.1 Spreading Loss a.

Spherical Spreading Loss

Sumber suara diletakkan pada medium yang homogen, tidak terbatas, dan tidak menyebabkan kehilangan energi. Untuk contoh propagasi sederhana ini, daya yang dibangkitkan oleh sumber diradiasikan ke segala arah dengan jumlah yang sama melingkupi permukaan bola yang mengelilingi suara. Daya P yang melintasi bola-bola itu memiliki besar yang sama karena tidak ada kehilangan energi pada medium. Karena daya P sama dengan intensitas kali luas permukaan, maka P  4r12 I1  4r22 I 2

Jika r1 diambil 1 m, pengurangan energi transmisi TL pada jarak r2 adalah

I1  10 log r22  20 log r2 dB I2 Jenis penjalaran suara ini disebut penjalaran bola (spherical spreading). Intensitas TL  10 log

suara mengalami penurunan berbanding lurus dengan jarak kuadrat dan pengurangan energi transmisi meningkat berbanding lurus dengan jarak kuadrat.

7

b. Cylindrical Spreading Loss Ketika medium memiliki bidang batas atas dan bawah yang paralel. penjalaran tidak berbentuk bola lagi karena suara tidak bisa menembus bidang batas. Daya yang diradiasikan oleh sumber disebar melingkupi permukaaan silinder dengan jari-jari sama dengan jarak (range) dan tinggi H sama dengan jarak antara batas atas dengan batas bawah. Daya yang melintasi permukaan silinder pada jarak r1 dan r2 adalah P  2r1 HI1  2r2 HI 2

Jika r1 diambil 1 m, pengurangan energi transmisi TL pada jarak r2 adalah

TL  10 log

I1  10 log r2  10 log r2 dB I2

Penjalaran suara ini disebut penjalaran silinder (cylindrical spreading). Penjalaran jenis ini terjadi bila suara terperangkap pada kanal suara (sound channel) di laut. 2.1.5.2 Absorption Loss

Energi akustik diserap dan diubah menjadi panas ketika suara berpropagasi di laut. Penyerapan suara disebabkan oleh tiga hal yaitu viskositas, proses relaksasi MgSO4 (magnesium sulfat) dan proses relaksasi H3BO3 (asam borik). Proses relaksasi (relaxation process) merupakan proses penguraian-penggabungan ion (dalam hal ini MgSO4 dan H3BO3) karena pengaruh tekanan akustik. Marsh-Schulkin merekomendasikan persamaan empirik berikut untuk menentukan koefisien absorbsi suara di air laut pada frekuensi antara 3 kHz dan 500 kHz: Sf f 2 f2   A 2 T 2  B 2 dB fT fT  f dimana: α = koefisien absorpsi, dB/kyd A = konstanta, 1.86 x 10-2 B = konstanta, 2.68 x 10-2 S = salinitas pada kedalaman nol, psu (practical salinity unit) f = frekuensi, kHz fT = frekuensi relaksasi, 21.9 x 106 – 1520/(T+273) T = temperatur pada kedalaman nol, oC Pengurangan energi transmisi akibat absorpsi dihitung sebagai berikut TL  r  10 3 dB dimana: α = koefisien absorbsi, dB/km r = jarak propagasi, m

2.1.5.3 Reflection Loss 8

a.

Di Permukaan Laut

Marsh, Schulkin, dan Kneale menyatakan adanya hubungan antara pengurangan energi transmisi akibat pantulan di permukaan laut dengan frekuensi dan tinggi gelombang, hubungan tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.3 berikut ini:

Gambar 2.3 Reflection loss di permukaan laut yang bersudut kecil. Kondisi permukaan laut sangat berhubungan erat dengan kecepatan angin, hubungan ini dinyatakan dengan sea state. Hubungan antara kecepatan angin, tinggi gelombang, dan sea state ditunjukkan oleh Gambar 2.4, sedangkan hubungan antara surface reflection loss dengan sea state dapat dilihat pada Gambar 2.5.

9

Gambar 2.4 Hubungan antara sea state, kecepatan angin, dan tinggi gelombang

Gambar 2.5 Hubungan antara surface reflection loss dengan kecepatan angin, tinggi gelombang, sea state, dan frekuensi

10

b.

Di Dasar Laut

Jika suara datang dengan sudut θ1 terhadap batas antara medium berdensitas ρ1 dan ρ2 dan kecepatan suara c1 dan c2, seperti digambarkan pada Gambar 2.6, maka hubungan antara intensitas suara pantul Ir dengan intensitas suara datang Ii dinyatakan oleh persamaan Rayleigh berikut :

Gambar 2.6 Pemantulan dan pentransmisian suara pada batas antara dua médium.

I r  Z 2 sin 1  Z 2 sin  2    I i  Z 2 sin 1  Z 2 sin  2  dimana: Z1  1  c1

= impedansi medium ρ1

Z 2   2  c2

= impedansi medium ρ2

2

θ1, θ2 = sudut datang, sudut transmisi Pengurangan energi transmisi TL akibat pantulan dari dasar laut adalah

 Z sin 1  Z 2 sin  2  I TL  10 log r  10 log  2  Ii  Z 2 sin 1  Z 2 sin  2 

2

2.1.6 Transducer Transducer adalah sebuah alat yang dapat mengubah sinyal dari sebuah bentuk energi menjadi bentuk energi yang lainnya. Transducer umumnya digunakan untuk sensor dan instrumen untuk mengukur sesuatu. Pada akustik bawah air, transducer dapat digunakan sebagai alat pengirim sinyal frekuensi untuk mengetahui keberadaan kendaraan di bawah air. Pada Tugas besar ini akan digunakan transducer dengan model ITC-3001 dari International Transducer Corporation seperti pada Gambar 2.7.

11

Gambar 2.7 Transducer ITC-300 Spesifikasi Transducer yang digunakan yaitu

12

BAB 3 PENGOLAHAN DATA

3.1 Pengolahan Data Lingkungan Pada tugas besar ini dipilh 3 buah data stasiun di perairan pulau Jawa dengan kedalaman yang berbeda. Ketiga data yang digunakan dapat dilihat pada tabel 3.1: No

Data

Kedalaman (m)

1

Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10049-2

1276.71

2

Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10052-2

983.05

3

Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10062-2

5852.79

Ketiga data diatas berisi tendang data kedalaman, temperatur, salinitas dan kecepatan rambat suara. Data kedalaman, temperatur, salinitas dan kecepatan rambat suara yang sudah dimiliki akan di olah menggunakan software Ocean Data View (ODV). ODV ini berfungsi untuk menggambarkan data yang dimiliki kedalam bentuk grafik. Berikut grafik karakteristik perairan hasil pengolahan menggunakan ODV dari data yang dimiliki:

Gambar 3.2 Grafik Karakteristik Perairan dari Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10049-2

13

Gambar 3.3 Grafik Karakteristik Perairan dari Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10052-2

Gambar 3.4 Grafik Karakteristik Perairan dari Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10062-2

3.2 Persamaan Empiris Sound Speed Grafik sound speed yang didapat dari plot data mentah pada ODV diolah kembali dengan melakukan pendekatan dengan persamaan empiric Leroy, Medwin, dan McKenzie. Persamaan empiric yang digunakan adalah persamaan yang menghasilkan error terkecil.

Data1: GeoB10049-2 Grafik kecepatan suara Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10052-2 dapat dilihat pada Gambar 3.5

14

Gambar 3.5 Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10049-2 Grafik Temperatur, salinitas, dan kecepatan suara hasil pengolahan empiris menggunakan persamaan Medwin, Leroy, dan Mckenzie untuk data di stasiun GeoB10049-2 dapat dilihat pada Gambar 3.6

Gambar 3.6 Profil Salinitas (psu), Temperature (oC) dan Kecepatan suara (m/s) di stasiun GeoB10049-2 15

Data2: GeoB10052-2 Grafik kecepatan suara Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10052-2 dapat dilihat pada Gambar 3.7

Gambar 3.7 Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10052-2 Grafik Temperatur, salinitas, dan kecepatan suara hasil pengolahan empiris menggunakan persamaan Medwin, Leroy, dan Mckenzie untuk data di stasiun GeoB10052-2 dapat dilihat pada Gambar 3.8

Gambar 3.8 Profil Salinitas (psu), Temperature (oC) dan Kecepatan suara (m/s) di stasiun GeoB10052-2 16

Data3: GeoB10062-2 Grafik kecepatan suara Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10062-2 dapat dilihat pada Gambar 3.10

Gambar 3.10 Data_KS_SONNE05_selatan_jawa_GeoB10062-2 Grafik Temperatur, salinitas, dan kecepatan suara hasil pengolahan empiris menggunakan persamaan Medwin, Leroy, dan Mckenzie untuk data di stasiun GeoB10062-2 dapat dilihat pada Gambar 3.11

Gambar 3.11 Profil Salinitas (psu), Temperature (oC) dan Kecepatan suara (m/s) di stasiun GeoB10062-2

17

3.3 Polyfit 3.3.1 Polyfit GeoB10049-2 Sebelum melakukan propagasi ray tracing akustik bawah air pada lokasi GeoB10049, terlebih dahulu menentukan persamaan Temperatur dan Salinitas pada lokasi tersebut. Polyfit persamaan temperatur dan salinitas ini berfungsi dalam menentukan persamaan kecepatan suara yang sudah menggunakan persamaan Medwin, Leroy, dan Mackenzie. Berikut ini adalah Gambar 3.12 hasil polyfit beragam orde dengan besaran nilai error yang dihasilkan.

G...