Sifat Gelombang Akustik

            Gelombang adalah gejala terjadinya penjalaran suatu gangguan melalui suatu medium dimana setelah gangguan tersebut lewat maka keadaan medium akan kembali semula. Medium tersebut merupakan sekumpulan benda yang saling berinteraksi dimana gangguan tersebut merambat. Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dibagi ke dalam 2 jenis:

1.  Gelombang Mekanik, yaitu gelombang yang terjadi karena adanya gaya mekanik yang merambat di dalam medium. Contohnya : gelombang bunyi, gelombang akustik

2.      Gelombang Elektromagnetik, yaitu gelombang yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya karena dapat merambat di ruang hampa dan perubahan yang diakibatkan bukanlah perubahan mekanik. Contoh: Gelombang radio

Berdasarkan arah perambatannya, gelombang dibagi menjadi dua, yaitu:

1.      Gelombang Transversal, gelombang yang arah perambatannya tegak lurus terhadap arah getaran medium

2.      Gelombang Longitudinal, gelombang yang arah perambatannya sejajar terhadap arah getaran medium.

Apabila sebuah gelombang merambat dari satu medium ke medium lain maka akan mengalami 2 kondisi yaitu gelombang akan dipantulkan dengan arah rambatannya memenuhi prinsip hukum pemantulan dan kondisi kedua gelombang akan diteruskan melalui medium berikutnya.

            Berdasarkan frekuensinya gelombang dibagi menjadi tiga bagian yaitu:

1.      gelombang infrasonik dengan frekuensi lebih rendah dari 20 Hz,

2.      gelobang audiosonik dengan frekuensi 20 Hz sampai 20 KHz,

3.      gelombang ultrasonik dengan frekuensi lebih besar dari 20 KHz.

Gelombang yang digunakan dalam echo sounder yaitu gelombang ultrasonik. Gelombang merupakan getaran yang merambat, getaran adalah gerak bolak–balik secara berulang melalui titik seimbangnya. Getaran pada ayunan sederhana yang dilakukan dengan mengikat sebuah beban ringan pada seutas tali, memiliki gaya yang besarnya berbanding lurus dengan simpangannya. Arahnya selalu menuju kedudukan seimbang. (Gunawan, 2000). Frekuensi gelombang adalah banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu satuan waktu. Frekuensi dinotasikan dengan huruf “f” dan dengan satuan Hertz atau biasa disingkat dengan Hz.

       f= 1/T

Periode adalah selang waktu yang diperlukan untuk menempuh satu gelombang. Periode dinotasikan dengan huruf “T“ dan satuannya adalah detik. Yang disebut dengan gelombang sempurna pada gelombang tranversal adalah gerakan gelombang dari kedudukan seimbang ke puncak gelombang kemudian kembali ke kedudukan seimbang lalu ke lembah gelombang sampai kembali ke kedudukan seimbang. Gelombang yang merambat lurus dari satu titik ke titik yang lainnya memerlukan waktu, dengan kata lain gelombang memiliki kecepatan untuk merambat. Jadi cepat rambat gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang dalam satu satuan waktu. Cepat rambat gelombang diberi lambang “V” dengan satuan m/detik.

V = λ . f = λ / T

Suara terdiri dari gerakan teratur  molekul-molekul suatu benda yang elastis. Karena sifat elastisnya gerakan partikel pada suatu bahan, seperti gerakan yang diakibatkan oleh sumber suara, diteruskan ke partikel terdekatnya. Oleh karena itu gelombang suara yang merambat dari sebuah sumber memiliki kecepatan yang sama dengan kecepatan suara. Di dalam fluida gerakan partikel adalah maju dan mundur sejajar dengan arah rambatannya. Karena fluida bersifat kompresibel, gerakan ini mengakibatkan adanya perubahan tekanan yang dapat dideteksi oleh sebuah hydrophone yang sensitif terhadap tekanan.

1.      Impedansi Akustik

             Pada gelombang ultrasonik terdapat impedansi akustik yang mempengaruhi pantulan dari gelombang tersebut. Impedansi akustik dapat digunakan untuk menentukan jenis atau karakteristik medium yang dilalui oleh suatu gelombang. Selain itu impedansi gelombang akustik juga menentukan peristiwa-peristiwa gelombang yang terjadi apabila suatu gelombang melewati bidang batas antara dua medium yang berbeda. Impedansi akustik (Z) didefinisikan sebagai perkalian densitas (ρ) dari medium yang tegak lurus gelombang suara dan kecepatan perambatan suara (c) dalam medium. Satuan dari akustik impedansi adalah kg/(m²sec) dan sering dinyatakan dalam rayl, dimana 1rayl = 1 kg/(m²sec).

Z = ρc                                                                                      

Keterangan:

ρ = adalah densitas dalam kg/m³

c = kecepatan suara dalam m/s

Perbedaan impedansi akustik bidang batas yang besar, seperti air dan batu karang , energi suara datang hampir semuanya dipantulkan, tapi jika perbedaan lebih kecil seperti air dan lumpur, pantulan hanya sebagian kecil dari energi suara yang datang kemudian sisa energinya dilanjutkan ke bagian lain. Impedansi akutik mempunyai peran:

a.       Penetapan transmisi dan refleksi gelombang batas antara dua materi yang memiliki impedansi akustik berbeda

b.      Mendesain tranduser

c.       Memperkirakan absorbsi gelombang suara dalam medium

1. Pemantulan (Refleksi)

            Ketika gelombang suara melalui bidang batas antara dua medium dengan bahan berbeda yang masing-masing memiliki cepat rambat suara yang berbeda, maka sebagian energi gelombang suara itu akan dipantulkan dan sebagian lainnya akan dibiaskan dengan aturan yang mirip dengan peristiwa pemantulan dan pembiasan gelombang cahaya.  Dalam peristiwa ini hukum snellius dimanfaatkan untuk mengtahui besarnya arah pembiasan berkas suara.

Amplitudo pulsa dilemahkan oleh adanya absorbsi materi dan energi yang direfleksikan. Hal ini menyebabkan gelombang echo yang dikirimkan kembali ke tranduser sangat kecil dibandingkan dengan pulsa awal yang dihasilkan tranduser. Energi yang dipantulkan oleh gelombang ultrasonik pada perbatasan antara dua medium terjadi karena perbedaan dari impedansi akustik dari dua medium. Koefisien pantul menjelaskan fraksi dari intensitas gelombang datang pada suatu permukaan yang direfleksikan kembali

1.      Pembiasan (Refraksi)

Refraksi menjelaskan perubahan arah transmisi energi gelombang ultrasonik pada permukaan medium, ketika gelombang tidak tegak lurus terhadap permukaan medium. Frekuensi gelombang ultrasonik melewati medium dengan sudut tertentu sehingga pulsa mengalami refraksi. Karakteristik ultrasonik yang penting adalah lebar dari berkas ultrasonik.

Sudut gelombang datang, dipantulkan dan ditransmisikan diukur relatif terhadap gelombang datang normal di perbatasan medium. Sudut refraksi (θ_t) ditetapkan dengan perubahan kecepatan suara yang terjadi diperbatasan dan dihubungkan ke sudut datang (θ_i) dengan hukum snellius:

c2/c1

C1 dan C2 adalah kecepatan suara di medium 1 & 2 dan medium 2 membawa energi gelombang ultrasonik yang ditransmisikan. Kecepatan gelombang ultrasonik bervariasi pada medium yang berbeda. Untuk sudut datang dan yang ditransmisikan, hukum snellius dapat dilakukan pendekatan

1.      Hamburan (Scattering)

Hamburan merupakan suatu pemantulan spekular di suatu perbatasan medium yang halus antara dua medium, dimana dimensi dari perbatasan lebih besar daripada panjang gelombang dari energi ultrasonik yang datang. Hamburan akustik berasal dari objek medium yang ukuran panjang gelombangnya lebih kecil sehingga menyebabkan gelombang menyebar pada banyak arah.

Karena pemantul nonspekular memantulkan suara pada semua arah, amplitudo dari echo yang dikembalikan lebih lemah daripada echo di permukaan jaringan. Pada umumnya, amplitudo sinyal echo dari suatu medium tergantung kepada jumlah hamburan per unit volume, impedansi akustik material, ukuran penghambur dan frekuensi gelombang ultrasonik. Hiperecho (amplitudo hamburan yang lebih tinggi) dan hipoecho (amplitudo hamburan yang lebih kecil) menjelaskan karakteristik relatif rata-rata sinyal dasar. Area hiperecho selalu mempunyai jumlah hamburan yang lebih banyak, impedansi akustik yang lebih besar dan hamburan yang lebih besar. 

2.      Atenuasi

Atenuasi gelombang ultrasonik merupakan pelemahan energi akustik yang hilang selama perambatan gelombang yang sebagian besar disebabkan oleh pantulan, hamburan dan penyerapan gelombang datang oleh suatu medium. Konstanta atenuasi dapat dimodelkan

Atenuasi = α [dB/(MHz cm)] . l[cm] . f[MHz]                                      

        

Dimana: dimana α nilai parameter atenuasi suatu medium,l panjang jarak tempuh gelombang dan f adalah frekuensi pusat tranduser. Akibatnya, frekuensi tranduser ultrasonik yang lebih tinggi akan meningkatkan atenuasi. Atenuasi gelombang ultrasonik ditunjukan dalam dB yang diperkirakan sebanding dengan frekuensi gelombang suara. Frekuensi yang tinggi diatenuasikan lebih tinggi dari pada frekuensi yang lebih rendah. Hamburan dan absorbsi, keduanya bergantung kepada frekuensi dan kedalaman, koefisien atenuasi, ditentukan dalam dB/cm adalah intensitas relatif yang hilang per centimeter selama perambatan gelombang dalam medium diberikan.  Hal ini diakibatkan oleh adanya atenuasi yaitu pengurangan intensitas suara seiring dengan penambahan jarak tempuh. Dalam kondisi ideal, tekanan udara hanya berkurang akibat penyebaran gelombang tetapi pada kenyataannya, penyerapan dan penghamburan energi oleh medium yang dilewati gelombang turut serta memperbesar atenuasi. 

k