6
2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sedimen Dasar Laut Seluruh permukaan dasar laut ditutupi oleh partikel-partikel sedimen yang
telah diendapkan secara perlahan-lahan dalam jangka waktu berjuta-juta tahun. Sedimen ini terutama terdiri dari partikel-partikel yang berasal dari hasil pembongkaran batu-batuan dan potongan-potongan kulit (shell) serta sisa rangkarangka dari organisme laut (Hutabarat & Evans 2000). Sedimen dapat diklasifikasikan berdasarkan sumbernya maupun ukuran partikelnya. Menurut Thurman (1993) sumber sedimen berkaitan dengan asal mula material sedimen, yaitu batuan, air laut, atmosfer, dan organisme. Sedimen yang berasal dari batuan dinamakan lithogenous, pada umumnya mengandung mineral feromagnesian (seperti olivine, augite, dan biotite) dan nonferomagnesian (seperti quartz, feldspar, dan muscovite). Batuan ini mengalami proses pelapukan (secara kimiawi maupun fisika), partikel-partikelnya dilarutkan dan akhirnya diendapkan di dasar laut. Sedimen lithogenous biasanya berada di sekitar batasbatas benua (continents). Sedimen hydrogenous adalah sedimen yang berasal dari reaksi kimia di dalam air laut, umumnya mengandung mineral mangan, fosfor, dan glauconite. Sedimen cosmogenous adalah sedimen yang berasal dari partikel kosmik yang mengenai permukaan bumi, mengalami suspensi dalam jangka waktu yang lama, dan akhirnya terlarut ke dalam air laut dan terendapkan. Material ini umumnya mengandung unsur besi. Sedimen biogenous adalah sedimen yang terbentuk dari sisa-sisa organisme seperti tulang, gigi dan cangkang, umumnya mengandung unsur calcium carbonat (CaCO 3 ) dan silica (SiO 2 ). Ukuran partikel sedimen merupakan cara yang mudah untuk menentukan klasifikasi sedimen. Berdasarkan ukuran partikel ini, Wentworth (1922) mengelompokkan sedimen ke dalam beberapa nama (Tabel 1). Boulder (bongkah batu) merupakan sedimen dengan ukuran partikel berdiameter lebih dari 256 mm. Sand (pasir) adalah sedimen dengan diameter partikel berukuran 0.062 – 2 mm. Silt (lanau) adalah sedimen dengan diameter partikel berukuran 0.004 – 0.062
7
mm. Kelompok terakhir adalah clay (lempung) yaitu partikel sedimen dengan ukuran diameter kurang dari 0.004 mm. Tabel 1 Ukuran partikel sedimen skala Wentworth (1922) Fraksi Sedimen
Sand
Silt
Clay
Jenis Partikel Sedimen Boulder Cobble Pebble Granule Very coarse sand Coarse sand Medium sand Fine sand Very fine sand Coarse silt Medium silt Fine silt Very fine silt Coarse clay Medium clay Fine clay Very fine clay Colloid
Ukuran Diameter (mm) > 256 64 – 256 4 – 64 2–4 1–2 0.5 – 1 0.25 – 0.5 0.125 – 0.25 0.0625 – 0.125 0.031 – 0.0625 0.0156 – 0.031 0.0078 – 0.0156 0.0039 – 0.0078 0.0015 – 0.0039 0.0009 – 0.0015 0.0004 – 0.0009 0.0002 – 0.0004 < 0.0002
Sumber : Thurman (1993)
Ukuran partikel sedimen dasar laut ini sangat ditentukan oleh sifat-sifat fisiknya, sehingga berakibat terjadinya perbedaan sifat-sifat sedimen yang berada di berbagai belahan dunia. Sebagian besar dasar laut yang dalam ditutupi oleh jenis partikel yang kecil yang terdiri dari sedimen halus, sedangkan hampir semua pantai ditutupi oleh jenis partikel berukuran besar yang terdiri dari sedimen kasar. (Hutabarat & Evans 2000). Thurman (1993) menyatakan bahwa ukuran partikel juga mengindikasikan tingkat energi pada saat proses pengendapan deposit sedimen. Deposit yang diendapkan di area yang bergelombang kuat (berenergi tinggi) akan tersusun terutama oleh partikel-partikel berukuran besar, seperti cobble dan boulder. Sedangkan partikel-partikel berukuran clay akan diendapkan di area yang memiliki tingkat energi rendah dan kekuatan arus lautnya minimal.
8
2.2
Teknik Hidroakustik Dalam medium air, gelombang akustik memiliki karakteristik transmisi
yang lebih baik dibandingkan dalam medium udara. Kecepatan perambatannya mencapai empat hingga lima kali lebih besar dari cepat rambatnya dalam medium udara. Sehingga gelombang akustik mampu menempuh jarak yang jauh bahkan mampu menembus perlapisan batuan yang ada di bawah dasar laut. Berbagai informasi yang berasal dari bawah permukaan air (underwater) bisa diberikan oleh gelombang akustik (Lurton 2002). Berbagai kelebihan gelombang akustik tersebut kemudian dimanfaatkan oleh instrumen akustik bawah air (underwater acoustic instrument) untuk : -
Mendeteksi dan melokalisasi target bawah air; hal ini merupakan fungsi utama dari sistem sonar yang banyak diaplikasikan dalam bidang militer dan perikanan.
-
Mengukur (measure) karakteristik lingkungan laut, seperti topografi dasar laut dan kehidupan organisme bawah laut.
-
Mentransmisikan sinyal, seperti data yang dibutuhkan oleh instrumentasi saintifik bawah air, serta pengiriman pesan antara submarine dan kapal permukaan (Lurton 2002). Prinsip dasar pengoperasian instrumen akustik bisa dijelaskan sebagai
berikut (Gambar 2). Energi gelombang akustik akan dipancarkan ke kolom perairan dalam bentuk pulsa suara melalui transducer. Pulsa suara ini akan merambat dalam medium air dengan kecepatan berkisar 1500 m/s. Ketika pulsa suara mengenai suatu obyek atau target, seperti ikan ataupun dasar perairan, sebagian energinya akan dipantulkan kembali ke transducer dalam bentuk echo. Transducer akan mengubah echo menjadi energi listrik dan diteruskan ke amplifier yang berada dalam echosounder untuk diperkuat. Apabila transducer yang digunakan lebih dari satu, maka digunakan multiplexer. Selanjutnya sinyal echo yang sudah diperkuat ini akan diteruskan ke output device seperti digital recorder, chart recorder ataupun video display (http://www. htisonar.com/ what_are_hydroacoustics.htm).
9
Sumber : Hydroacoustic Technology Inc.
Gambar 2 Prinsip hidroakustik. 2.3
Perambatan Gelombang Akustik Gelombang akustik berasal dari perambatan gangguan mekanik yang akan
menimbulkan kompresi dan dilatasi lokal pada partikel-partikel medium yang dilewatinya dengan adanya sifat-sifat elastik medium. Laju perambatan dari gangguan mekanik pada medium dinamakan kecepatan (velocity) (Lurton 2002).
10
Kecepatan gelombang akustik (suara) dalam medium air laut merupakan sebuah variabel oseanografi yang menunjukkan karakteristik perambatan gelombang akustik di lautan. Kecepatan gelombang suara ini nilainya bervariasi dan dipengaruhi oleh suhu, salinitas, dan tekanan (atau kedalaman) medium yang dilaluinya. Nilai kecepatan suara akan meningkat seiring dengan bertambahnya salah satu dari ketiga parameter tersebut (Etter 1996). Formula untuk perhitungan kecepatan suara dikemukakan oleh Medwin (1975) yang diacu dalam Lurton (2002) sebagai berikut : c = 1449.2 + 4.6t – 0.055t2 + 0.00029t3 + (1.34 – 0.01t)(S – 35) + 0.016z
... (1)
dimana c = kecepatan suara, dalam m/s t = suhu, dalam ºC S = Salinitas, dalam p.s.u (practical salinity unit) z = kedalaman, dalam m. Dalam perambatan gelombang akustik, akan mengalami proses kehilangan intensitas energi akustiknya yang disebabkan oleh geometrical spreading loss (efek divergensi) dan absorption loss. Hal ini dikenal sebagai propagation loss (transmission loss) yang merupakan salah satu parameter sonar yang mengekspresikan satu nilai kuantitatif dari beberapa fenomena yang berkaitan dengan perambatan gelombang akustik di laut (Urick 1983). 2.3.1
Geometrical Spreading Loss Dalam proses perambatan gelombang akustik dari sebuah sumber suara
yang berada dalam medium homogen, tak terbatas dan tanpa penyerapan (lossless), daya (power) akan diradiasikan sama besar ke segala arah (Gambar 3). Urick (1983) menyatakan bahwa daya yang menembus bola sferis dengan jari-jari yang makin membesar,akan bernilai sama pada permukaan bola sferis manapun. Karena daya (P) sama dengan intensitas (I) dikalikan luas area (A), maka secara matematis dapat dituliskan P = 4πr 1 ²I 1 = 4πr 2 ²I 2 = ... = 4πr²I r
..............................................
(2) Jika r 1 = 1 m, maka transmission loss (TL) pada jarak r 2 adalah
11
TL = 10 log I 1 / I 2 = 10 log r 2 ² = 20 log r 2 .................................... (3) Hal ini dinamakan spherical spreading dimana intensitas berkurang sesuai dengan kuadrat jarak, dan transmission loss bertambah sesuai dengan kuadrat jarak.
Gambar 3 Spreading loss (sumber : Urick 1983). Jika sumber suara dibatasi oleh bidang-bidang paralel berjarak H meter (Gambar 3b), maka daya yang menembus permukaan silindris yang mengelilingi sumber suara dengan radius yang makin bertambah, tetap akan bernilai sama (cylindrical spreading), dinyatakan dengan persamaan P = 2πr 1 HI 1 = 2πr 2 HI 2 = ... = 2πrHI r
.........................................
(4) Jika r 1 = 1 m, maka transmission loss (TL) pada jarak r 2 adalah TL = 10 log I 1 / I 2 = 10 log r 2 ........................................................... (5) 2.3.2
Absorption Loss Pada perambatan gelombang akustik dalam medium air laut, sebagian
energi akustiknya secara kontinu akan diserap dan diubah menjadi energi panas. Penyerapan ini (absorption loss) terjadi melalui dua mekanisme utama, yaitu viskositas air laut itu sendiri dan molecular relaxation, dimana molekul-molekul
12
magnesium sulfat (MgSO 4 ) dalam air laut tereduksi menjadi ion-ion akibat induksi dari tekanan gelombang akustik. Menurut Urick (1983), molecular relaxation merupakan penyebab utama terjadinya absorption loss pada frekuensi akustik di bawah 100 kHz. Pada frekuensi tinggi (lebih dari 500 kHz), perubahan tekanan akustik terlalu cepat sehingga tidak terjadi molecular relaxation, dan tidak terjadi penyerapan energi akustik. Sedangkan pada frekuensi kurang dari 2 kHz, akan terjadi absorption loss yang disebabkan oleh boric acid relaxation (Waite 2002). Penyerapan energi akustik (koefisien absorpsi = α) dipengaruhi oleh frekuensi alat yang digunakan serta suhu perairan, sesuai dengan persamaan yang dikemukakan oleh Schulkin dan Marsh (1962) diacu dalam Urick (1983) α=A
dB/kyd .......................................................... (6)
dimana S = salinitas, dalam part per thousand (ppt) A = konstanta, yang nilainya 1.86x B = konstanta, yang nilainya 2.68x f = frekuensi, dalam kHz f T = frekuensi relaksasi yang bergantung pada suhu, besarnya f T = 21.9 x
(kHz) .......................................................... (7)
dengan T adalah suhu perairan, dalam derajad Celcius. Penggabungan pengaruh absorption loss dan spherical spreading pada perambatan gelombang akustik akan memberikan nilai transmission loss sesuai dengan persamaan (Urick 1983), TL = 20 log r + αr x dimana faktor
...................................................... (8)
dimasukkan karena α biasa dinyatakan dalam dB/km (atau
dB/kyard). 2.4
Proses-Proses Akustik pada Dasar Perairan Pada saat gelombang akustik yang merambat dalam kolom air mengenai
dasar perairan, maka akan terjadi beberapa proses fisis yang akan memberikan kontribusi bagi pembentukan echo akustik bawah air. Proses-proses fisis ini
13
meliputi refleksi (pemantulan), transmisi (pembiasan), dan scattering (hamburan) (Lurton 2002). 2.4.1
Refleksi dan Transmisi Proses refleksi dan transmisi gelombang akustik yang mengenai dasar
perairan mengikuti hukum Snell-Descartes, sin θ₁ / c 1 = sin θ 2 / c 2 ......................................................................... (9) dimana besarnya sudut datang sama dengan sudut pantul (θ₁), dan gelombang yang ditransmisikan akan merambat dalam arah yang berbeda dengan gelombang datang (θ 2 ), sesuai dengan perubahan kecepatan suara yang terjadi dari medium pertama (c 1 ) ke medium kedua (c 2 ) (Gambar 4).
Sumber : Lurton 2002
Gambar 4 Refleksi dan transmisi gelombang akustik pada bidang batas antara dua medium. Amplitudo dari gelombang refleksi dan transmisi ditunjukkan oleh koefisien refleksi (V) dan koefisien transmisinya (W) yang memiliki keterkaitan W = 1 + V. Menurut Lurton (2002), gelombang akustik yang merambat dengan sudut datang (θ₁) dari medium pertama dengan densitas (ρ 1 ) dan kecepatan suara (c 1 ) menuju medium kedua dengan densitas (ρ 2 ) dan kecepatan suara (c 2 ), akan memiliki nilai V dan W sesuai dengan persamaan, V(θ₁) = W(θ₁) =
.......................................................... (10)
14
Pada kasus normal incidence dimana sudut datang vertikal (θ₁ = 0), maka persamaan (10) akan menjadi, V(θ₁ = 0) = W(θ₁ = 0) =
............................................................................. (11)
dimana Z (=ρc) adalah besaran impedansi akustik (acoustic impedance) medium yang bersangkutan. Apabila acoustic impedance medium yang kedua nilainya jauh lebih besar atau jauh lebih kecil, bila dibandingkan dengan medium yang pertama, maka praktis tidak terjadi kehilangan energi. Koefisien refleksi akan mendekati nilai V = ), atau V = - 1 (
1 (
), tidak terpengaruh oleh besarnya sudut
datang. Dalam akustik bawah air, permukaan pada bidang batas air dengan udara dapat dianggap sebagai reflektor yang sempurna, karena kontras impedance antara kedua medium mendekati 3x sediment (
. Kontras impedance antara air dengan hard dan c 2
1800 m/s) hanya sekitar 2.4 sehingga
bukan merupakan reflektor yang sempurna. Jackson dan Richardson (2007) menyatakan bahwa refleksi dasar laut pada vertical incidence telah menjadi cara yang penting dalam pengklasifikasian sedimen. 2.4.2
Reverberation Gelombang akustik yang ditransmisikan ke bawah permukaan laut akan
mengalami hamburan (scattering) yang disebabkan oleh organisme laut, materialmaterial yang terdistribusi dalam laut, struktur tidak homogen dalam air laut, seperti halnya refleksi oleh permukaan dan dasar laut. Bagian dari energi akustik awal yang mengenai suatu obyek dan dipantulkan kembali ke sumber dinamakan backscattering (Waite 2002). Dalam bidang akustik bawah air dikenal istilah reverberation, merujuk pada semua energi akustik yang dikembalikan ke sistem sonar, yang berasal dari segala sesuatu selain echo dari target yang diinginkan. Reverberation merupakan salah satu proses penting yang mempengaruhi sinyal akustik bawah air. Backscattering merupakan bagian dari reverberation (Lurton 2002). Gambar 5 menjelaskan tipe-tipe reverberation.
15
Sumber : Lurton 2002
Gambar 5 Reverberation yang disebabkan oleh kolom air, dasar perairan dan permukaan air. Menurut Urick (1983), besaran reverberation level (RL) merupakan intensitas dalam unit decibel dari transmisi gelombang bidang yang menghasilkan output yang sama pada hidrofon seperti pada reverberation yang teramati (Gambar 6). Penghambur (scatterer) yang berdimensi volume, akan menghasilkan volume reverberation level (RL v ) sesuai dengan persamaan,
................................................................................. (12) dimana SL = source level (dB) = volume backscattering strength = volume backscattering cross section V = volume reverberation c = kecepatan suara (m/s) = panjang pulsa (s) = equivalent ideal solid angle beamwidth r = jarak antara transducer dan scatterer
16
Sumber : Urick 1983
Gambar 6 Geometri dari volume scattering. Penghambur
yang
berdimensi
permukaan
(surface) seperti
pada
permukaan dasar laut (Gambar 7), akan menghasilkan surface reverberation level (RL s ) sesuai dengan persamaan,
................................................................................. (13) dimana
= surface backscattering strength = surface backscattering cross section A = Area reverberation = beam equivalent aperture in the horizontal plane Parameter backscattering strength pada dasarnya identik dengan parameter
target strength untuk target-target sonar (Urick 1983).
17
Sumber : Urick 1983
Gambar 7 Geometri dari surface scattering. 2.5
Pendekatan Akustik terhadap Dasar Perairan Dasar perairan merupakan pemantul (reflektor) dan penghambur
(scatterer) yang efektif terhadap gelombang akustik yang mengenainya serta bersifat mendistribusikan kembali gelombang yang datang (Urick 1983). Pada permukaan dasar perairan yang halus (smooth) dimana kontras acoustic impedance antara air dengan bottom adalah besar, maka sebagian besar energi gelombang yang datang akan dipantulkan, dan hanya sebagian kecil yang dihamburkan. Pada kasus permukaan dasar perairan yang kasar (rough), maka seluruh energi akustik akan dihamburkan. Untuk kontras acoustic impedance yang kecil antara air dengan bottom, maka energi gelombang akustik yang mengenai dasar perairan mampu menembus ke dalam bottom (Gambar 8). Selain itu, pada saat gelombang akustik mengenai dasar perairan, akan menunjukkan pola jejak gema (echo trace) yang berbeda (Gambar 9). Dasar perairan yang halus dan berlumpur akan menunjukkan echo trace yang memiliki puncak sempit tanpa ekor (narrow peak with no tail) dimana sebagian besar energi akustiknya akan dipantulkan kembali ke transducer, dan juga mengalami absorpsi oleh substrat lumpur. Sedangkan echo trace dari dasar perairan yang kasar, campuran gravel, akan memiliki puncak yang lebar dan berekor (Collins & Lacroix 1997).
18
Sumber : Urick 1983
Gambar 8 Pola-pola direksional terhadap gelombang akustik yang mengenai dasar perairan yang memiliki perbedaan kontras acoustic impedance dan tingkat kekasarannya.
Sumber : Collins dan Lacroix 1997
Gambar 9 Contoh hipotetik dua dasar perairan dan echo trace yang ditunjukkan. Simbol t melambangkan echo trace dalam waktu. Burczynski (2002) menyatakan bahwa dasar perairan yang keras (hard bottom) akan menghasilkan echo dengan amplitudo yang tajam dan tinggi, sedangkan yang lunak (soft bottom) akan menghasilkan echo dengan amplitudo yang melebar dan rendah (Gambar 10). Bentuk kurva energi kumulatif sinyal yang berasal dari hard bottom dan soft bottom juga menunjukkan adanya perbedaan yang jelas. Hard bottom akan menghasilkan kurva dengan kenaikan yang tajam, sementara pada soft bottom kenaikan kurvanya relatif lebih rendah.
19
Sumber : Burczynski 2002
Gambar 10 Bentuk echo dasar perairan yang keras (hard) dan lunak (soft); a). Amplitudo sinyal echo b). Kurva energi kumulatif. Selain kekasaran dan kekerasan dasar laut, perbedaan densitas antara air laut dan dasar laut, amplitudo dan bentuk sinyal akustik yang dipantulkan oleh dasar laut juga dipengaruhi oleh reverberation di dalam substrat (Watt & Eng 1999; Penrose et al. 2005). Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa reverberation level dari dasar perairan yang berbatu adalah lebih besar daripada dasar perairan yang berlumpur. Hal ini menjadi landasan untuk mengaitkan bottom backscattering strength (Sb) dengan jenis material dasar laut seperti lumpur, lanau, pasir, bongkah, rock, meskipun pada kenyataannya ukuran partikel penyusun sedimen dasar laut hanya merupakan indikator secara tidak langsung terhadap acoustic scattering (Urick 1983; Waite 2002). Backscattering strength dasar perairan nilainya bervariasi terhadap grazing angle, frekuensi akustik yang digunakan, serta material penyusun dasar perairan. Namun demikian nilainya dapat dianggap konstan pada frekuensi hingga 10 kHz dan grazing angle hingga 10º. Menurut Waite (2002), berdasarkan survei di perairan dangkal UK, nilai bottom backscattering strength bervariasi mulai dari yang rendah (– 45 dB) yaitu untuk lumpur, hingga tinggi (- 25 dB) untuk batuan (rock) (Gambar 11).
20
Sumber : Waite 2002
Gambar 11 Distribusi nilai bottom backscattering strength untuk perairan dangkal.
Sumber : Urick 1983
Gambar 12 Variasi frekuensi pada bottom backscattering strength. Simbol titik untuk grazing angle 30º; simbol huruf untuk grazing angle 10º. Urick (1983) mengatakan bahwa berdasarkan kompilasi pengukuran bottom backscattering strength dari berbagai sumber, termasuk memasukkan frekuensi 48 kHz dan grazing angle yang rendah, diketahui bahwa tidak terdapat
21
ketergantungan yang nyata pada frekensi kisaran 0.53 – 100 kHz (Gambar 12 dan 13).
Sumber : Urick 1983
Gambar 13 Kurva bottom backscattering strength sebagai fungsi grazing angle untuk berbagai tipe substrat. Pada akhirnya, refleksi dasar laut untuk vertical incidence telah menjadi cara yang penting dalam klasifikasi sedimen (Jackson & Richardson 2007). Echo akustik dari dasar laut ini mengandung informasi tentang backscatter, bottom reverberation dan spectral frequencies yang memiliki keterkaitan langsung dengan karakter dasar laut, seperti roughness, tipe sedimen, distribusi ukuran butir (grain size), porositas, dan densitas material. Klasifikasi dasar laut secara akustik merupakan pengorganisasian dasar laut menjadi tipe-tipe dasar laut berdasarkan karakteristik dari respon akustiknya (Watt & Eng 1999). Namun demikian akan tetap menjadi kenyataan bahwa sinyal akustik yang dipantulkan oleh dasar laut adalah kompleks dan tidak ada hubungan yang sederhana antara sinyal backscatter dan tipe sedimen (Anderson et al. 2008).
