Propagasi Gelombang Akustik Bawah Air Menggunakan Metode Ray Tracing Dan Monterey-Miami Parabolic Equation Pada Perairan Dangkal Teluk Kayeli Kabupaten Buru

Abstract

Posisi geografis Indonesia menjadi suatu keunggulan dibandingkan dengan negara-negara lain, baik dari segi geoekonomi, geopolitik, maupun geostrategi. Laut Indonesia tidak hanya penting bagi Indonesia, tetapi juga bagi dunia internasional. Perairan Indonesia terletak di perbatasan dengan negara lain dan sering dilalui lalu lintas laut dari negara lain. Dalam posisi seperti ini, Indonesia sangat rentan akan ancaman keamanan maritim karena meningkatnya jumlah arus pelayaran yang melintasi perairan Indonesia. Sementara itu, patroli yang dilakukan TNI AL masih berfokus pada pengamanan di daerah permukaan laut, sementara dengan kemajuan teknologi saat ini banyak kapal selam asing yang memanfaatkan daerah bawah air untuk melakukan operasi laut (Bada et al. 2017), disisi lain kedaulatan wilayah Indonesia perlu dijaga. Akustik bawah air kini secara rutin digunakan untuk memperkirakan kondisi akustik, merencanakan eksperimen maritim, perancangan sistem sonar yang optimal, dan memprediksi kinerja sonar di laut. Pemodelan memberikan cara yang efisien untuk memvalidasi kinerja desain sonar virtual secara parametrik dalam kondisi lingkungan yang berbeda dan memperkirakan kinerja sistem sonar yang ada di wilayah laut dan musim yang berbeda. Kajian mengenai propagasi perambatan suara dalam air perlu dilakukan untuk mengetahui karakteristik kecepatan dan pola perambatan suara di bawah air berdasarkan data salinitas, temperatur, kecepatan suara, dan kedalaman yang disimulasikan ke dalam pemrograman. Penelitian ini dimaksudkan untuk memberikan gambaran secara analitis maupun visual grafis dengan tujuan agar dapat digunakan untuk diaplikasikan ke berbagai macam keperluan baik dibidang riset, militer, dan di bidang kelautan lainnya. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan dua metode pemodelan propagasi akustik yaitu ray tracing model dan Monterey- Miami Parabolic Equation (MMPE). Pada metode MMPE digunakan tiga frekuensi dan empat tipe sedimen yang berbeda, frekuensi yang digunakan yaitu 1 kHz, 10 kHz dan 100 kHz dan tipe sedimen yang digunakan adalah clay, silt, pasir halus dan pasir kasar. Penelitian ini menggunakan data CTD (conductivity, temperature and depth) Teluk Kayeli yang merupakan perairan yang terdapat di Kabupaten Buru Provinsi Maluku dan terletak antara 3° 15’ 55’’– 3° 22’ 50”S dan 127° 01’35”– 127° 01’ 35” T. Nilai transmission loss (TL) dari hasil pemodelan menunjukkan kemampuan propagasi yang dimiliki gelombang akustik. Rentang nilai TL untuk model dengan frekuensi 1 kHz dengan tipe sedimen clay pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen clay berkisar antara 10 dB – 90 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 110 dB. Untuk tipe sedimen silt, pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen silt berkisar antara 10 dB – 90 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 110 dB. Untuk tipe sedimen pasir halus, pada medium air berkisar antara 10 dB – 100 dB, pada lapisan sedimen pasir halus berkisar antara 10 dB – 110 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 110 dB. Untuk tipe sedimen pasir kasar, pada medium air berkisar antara 10 dB – 100 dB, pada lapisan sedimen pasir kasar berkisar antara 10 dB – 110 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 110 dB. Rentang nilai TL untuk model dengan frekuensi 10 kHz dengan tipe sedimen clay pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen clay berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 100 dB. Untuk tipe sedimen silt, pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen silt berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 100 dB. Untuk tipe sedimen pasir halus, pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen pasir halus berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 100 dB. Untuk tipe sedimen pasir kasar, pada medium air berkisar antara 10 dB – 90 dB, pada lapisan sedimen pasir kasar berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 20 dB – 100 dB. Rentang nilai TL untuk model dengan frekuensi 100 kHz dengan tipe sedimen clay pada medium air berkisar antara 10 dB – 110 dB, pada lapisan sedimen clay berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 30 dB – 90 dB. Untuk tipe sedimen silt, pada medium air berkisar antara 10 dB – 100 dB, pada lapisan sedimen silt berkisar antara 10 dB – 100 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 30 dB – 90 dB. Untuk tipe sedimen pasir halus, pada medium air berkisar antara 10 dB – 100 dB, pada lapisan sedimen pasir halus berkisar antara 20 dB – 90 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 50 dB – 90 dB. Untuk tipe sedimen pasir kasar, pada medium air berkisar antara 10 dB – 100 dB, pada lapisan sedimen pasir kasar berkisar antara 20 dB – 90 dB, dan pada lapisan batuan berkisar antara 50 dB – 90 dB. Sebaran intensitas TL ini bervariasi bergantung kepada jarak dan kedalaman. Berdasarkan hasil yang diperoleh dalam penelitian ini maka dapat disimpulkan bahwa propagasi gelombang suara pada laut dangkal sangat dipengaruhi oleh kedalaman dan jenis sedimen pada dasar perairan dikarenakan impedansi akustik yang mempengaruhi propagasi akustik melalui fenomena seperti refleksi, refraksi dan interaksi dasar perairan. Impedansi akustik yang berbeda antara dasar perairan dan air laut dapat secara signifikan mempengaruhi perilaku gelombang akustik di lingkungan perairan dangkal. Frekuensi akustik mempengaruhi kemampuan propagasi gelombang suara dalam medium, gelombang dengan frekuensi lebih rendah memiliki kemampuan propagasi yang lebih baik. Model menggunakan metode ray tracing dan MMPE menunjukkan pola yang sesuai pada model dengan frekuensi 100 kHz. Hal ini dikarenakan kemampuan propagasi yang kecil sehingga pengaruh dasar perairan tidak signifikan sehingga sesuai dengan metode ray tracing yang mengabaikan pengaruh dasar perairan.

Indonesia's geographical position is an advantage compared to other countries, both in terms of geoeconomics, geopolitics and geostrategy. The Indonesian seas are not only important for Indonesia, but also for the international world. Indonesian waters are located on the border with other countries and are often passed by sea traffic from other countries. In a position like this, Indonesia is very vulnerable to maritime security threats due to the increasing number of shipping flows crossing Indonesian waters. Meanwhile, patrols carried out by the Indonesian Navy still focus on securing the sea surface area, while with current technological advances many foreign submarines are using underwater areas to carry out maritime operations. On the other hand, Indonesia's territorial sovereignty needs to be maintained. Underwater acoustics are now routinely used to estimate acoustic conditions, plan maritime experiments, design optimal sonar systems, and predict sonar performance at sea. Modeling provides an efficient way to parametrically validate the performance of virtual sonar designs under different environmental conditions and estimate the performance of existing sonar systems in different ocean regions and seasons. Studies regarding sound propagation in water need to be carried out to determine the speed characteristics and sound propagation patterns underwater based on salinity, temperature, sound speed and depth data that are simulated in programming. This research is intended to provide an analytical and visual graphic description with the aim that it can be used for various purposes in the research, military and other maritime fields. This research was carried out by comparing two acoustic propagation modeling methods, namely the ray tracing model and the Monterey-Miami Parabolic Equation (MMPE). In the MMPE method, three frequencies and four different types of sediment are used, the frequencies used are 1 kHz, 10 kHz and 100 kHz and the sediment types used are clay, silt, fine sand and coarse sand. This research uses CTD (conductivity, temperature and depth) data from Kayeli Bay, which is a body of water in Buru Regency, Maluku Province and is located between 3° 15' 55''– 3° 22' 50”S and 127° 01'35”– 127° 01' 35” E. The transmission loss (TL) value from the modeling results shows the propagation capabilities of acoustic waves. The range of TL values for models with a frequency of 1 kHz with clay sediment types in the water medium is between 10 dB - 90 dB, in clay sediment layers it is between 10 dB - 90 dB, and in rock layers it is between 20 dB - 110 dB. For the silt sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 90 dB, in the silt sediment layer it ranges from 10 dB – 90 dB, and in the rock layer it ranges between 20 dB – 110 dB. For the fine sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB - 100 dB, in the fine sand sediment layer it ranges from 10 dB - 110 dB, and in the rock layer it ranges from 20 dB - 110 dB. For the coarse sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 100 dB, in the coarse sand sediment layer it ranges from 10 dB – 110 dB, and in the rock layer it ranges between 20 dB – 110 dB. The range of TL values for models with a frequency of 10 kHz with clay sediment types in the water medium is between 10 dB - 90 dB, in clay sediment layers it is between 10 dB - 100 dB, and in rock layers it is between 20 dB - 100 dB. For the silt sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 90 dB, in the silt sediment layer it ranges from 10 dB – 100 dB, and in the rock layer it ranges between 20 dB – 100 dB. For the fine sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 90 dB, in the fine sand sediment layer it ranges from 10 dB – 100 dB, and in the rock layer it ranges from 20 dB – 100 dB. For the coarse sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 90 dB, in the coarse sand sediment layer it ranges from 10 dB – 100 dB, and in the rock layer it ranges from 20 dB – 100 dB. The range of TL values for models with a frequency of 100 kHz with clay sediment types in the water medium is between 10 dB - 110 dB, in clay sediment layers it is between 10 dB - 100 dB, and in rock layers it is between 30 dB - 90 dB. For the silt sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 100 dB, in the silt sediment layer it ranges from 10 dB – 100 dB, and in the rock layer it ranges between 30 dB – 90 dB. For the fine sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 100 dB, in the fine sand sediment layer it ranges from 20 dB – 90 dB, and in the rock layer it ranges between 50 dB – 90 dB. For the coarse sand sediment type, in the water medium it ranges from 10 dB – 100 dB, in the coarse sand sediment layer it ranges from 20 dB – 90 dB, and in the rock layer it ranges between 50 dB – 90 dB. The distribution of TL intensity varies depending on distance and depth. Based on the results obtained in this research, it can be concluded that the propagation of sound waves in shallow seas is greatly influenced by the depth and type of sediment at the bottom of the waters due to acoustic impedance which influences acoustic propagation through phenomena such as reflection, refraction and bottom water interactions. The different acoustic impedance between bottom waters and seawater can significantly influence the behavior of acoustic waves in shallow water environments. Acoustic frequency affects the propagation ability of sound waves in a medium, waves with lower frequencies have better propagation ability. The model using the ray tracing and MMPE methods shows a pattern that matches the model with a frequency of 100 kHz. This is due to the small propagation capacity so that the influence of the bottom of the waters is not significant so it is suitable for the ray tracing method which ignores the influence of the bottom of the waters.