## Perancangan Low Noise Hydrophone Preamp untuk Pengujian Akustik Noise Propeller
Totok Soedarto 1 , Mochammad Nasir 1

## Abstrak
Perancangan rangkaian Low  Noise  Balanced  Hydrophone Preamp  ini adalah  digunakan  untuk uji  analisis  noise  yang  dihasilkan  oleh  propeller  kapal  selam  mini  yang  digunakan  untuk berpatroli  tanpa  diketahui  oleh  pihak  lain. Karena  kontribusi  penghasil  noise  terbesar  adalah propeller,  maka  untuk  uji  analisis  noise  propeller  ini  dibutuhkan  rangkaian  preamp  yang mempunyai  noise  sangat  rendah serta mic hydrophone  yang  ditempatkan  dalam  cavitation tunnel  yang  digunakan  untuk  menangkap  sinyal-sinyal  noise  yang  dihasilkan  propeller. Perancangan  preamp  nya  berdasarkan  konfigurasi diferensial transistor dengan common mode (floating)  gain  kontrol  yang  terhubung  pada  kaki-kaki  emitter  dari  pasangan  transistor. Rangkaian differensialnya  adalah  rangkaian  diferensial  in  dan  out,  karena  itu  memerlukan balanced  to  unbalanced  buffer  sebagai  penyangga  keseimbangan untuk  rangkaian  tahap berikutnya. Rangkaian  didesain  dengan  sederhana  tapi    memiliki  noise  yang  sangat  rendah, bahkan  sangat  dekat  dengan  minimum  teoritis,  serta  memiliki    penolakan  hum  (noise rejection) yang    tinggi dan dilengkapi variabel gain dengan potensio rotary tunggal

## Kata kunci : low noise preamp, hydrophone mic, noise rejection

## Abstract
Circuit  design of Low  Noise  Balanced  Mic  Preamp  hydrophones  are  used  to  test  the  noise generated by the analysis of mini-submarine propeller used to patrol without being noticed by others.  Because  the  greatest  contribution noise  producer is  the  propeller,  then  to  test  the propeller noise analysis needed preamp circuit that has a very low noise and hydrophone mic that placed  in  a  cavitation  tunnel  that  is  used  to  capture  the  signals  generated by noise propeller. Its preamp  design  based  transistor  differential  configuration  with  common  mode (floating) gain control that is connected to the emitter legs of the transistor pair. The circuit it self is differential circuit in and out, so it requires a balanced to unbalanced buffers as a buffer to the next stage of the circuit. The circuit is designed with simple configuration but has a very low  noise,  even  very  close  to  the  theoretical  minimum,  and  has  a high hum  rejection  (noise rejection) andtits equipped with a variable gain single potentiometer rotary.
Key words: low noise preamp, hydrophone mic, noise rejection

## PENDAHULUAN
Salah  satu  topik  penelitian  yang  dilakukan  di Cavitation Tunnel UPT BPPH adalah Rancang bangun dan  uji  Hidrodinamika Propeller  Kapal  selam  mini yang  berefesiensi  tinggi  dan  Noise  yang  rendah. Tujuan umum dari penelitian ini adalah menghasilkan model  propeler  dengan  level  noise  yang  rendah  dan efisiensi  yang  tinggi.  Propeller  ini  akan  dipergunakan pada model kapal selam mini 22 m yang sesuai dengan spesifikasi  teknis  yang  telah  dilakukan  pada  beberapa penelitian  sebelumnya.  Dengan  adanya  kapal  selam mini  ini  diharapkan  Indonesia  dapat  menyediakan
teknologi baru yang selanjutnya dapat diterapkan pada aplikasi alutsista hankam laut Indonesia. Riset tentang propeller  ini  sangat  perlu  untuk  dilakukan,  karena penghasil noise yang terbesar dari sebuah kapal selam yang  bergerak  adalah  noise  yang  dihasilkan  oleh propeller tersebut.
Untuk  tujuan  penelitian  tersebut  maka  perlu dilakukan pengukuran data noise yang dihasilkan oleh sebuah propeller yang berputar, karena itu dibutuhkan sistem akuisisi data untuk mendapatkan data-data yang diinginkan.  Pada  pengukuran  ini  diperlukan  sistem pengukuran seperti pada gambar 1.

## Perancangan Low Noise Hydrophone Preamp untuk Pengujian Akustik Noise Propeller
Gambar 1 Blok Diagram Pengukuran Noise propeller
Dari  gambar  1  dapat  dijelaskan  sumber  noise  yang ditimbulkan  oleh  putaran  propeller  di  tangkap  oleh sensor Hydrophone, output dari hydrophone dimasukkan  ke  Pre  Amp  sehingga  outputnya  bisa dibaca  oleh  NI  DAQ  Card  dan  hasil  pengukurannya bisa diamati pada layar  monitor dengan menggunakan software labview.
Pada  paper  ini  akan  membahas  perancangan  Low Noise Hydrophone Pre Amplifier yang digunakan pada pengujian  akustik  noise  propeller  di  cavitation  tunnel. Rangkaian  didesain  dengan  sederhana  tapi    memiliki noise yang sangat rendah, bahkan sangat dekat dengan minimum  teoritis,  serta  memiliki    penolakan  hum (noise  rejection)  yang    tinggi  dan dilengkapi  variabel gain dengan potensio rotary tunggal. Desainnya terdiri dari  sepasang  diferensial  transistor  dengan  common mode  (floating)  gain  kontrol  yang  terhubung  pada kaki-kaki emitter dari pasangan transistor. Penggunaan pasangan  transistor  dari  2N4403  dan  BC549s  jauh lebih  linier  daripada  transistor tunggal.  Rangkaiannya adalah  rangkaian  diferensial  in  dan  out,  karena  itu memerlukan  balanced  to  unbalanced  buffer  sebagai penyangga  keseimbangan  untuk  memberikan  output yang sesuai untuk tahap berikutnya dari saluran sinyal di  rangkaian    mixer.  Untuk  mengkover  kebutuhan  ini bisa  digunakan  hi-performance  op-amp,  missal minimal    TL071  (atau  sejenisnya  yang  lebih  baik) yang  memiliki  kinerja  diferensial  gain  yang  tinggi. Pada  tahap  ini  memiliki  gain  6  kali  atau  15  dB  dan menetapkan  tingkat  input  maksimum  sekitar  1,5  volt rms sebelum kliping. Ini sama dengan suatu SPL lebih dari 150dB dengan tipikal mikrofon.
Penguatan  (gain)  penuh  dibuat  1000  kali  atau 60dB.  Distorsinya  sangat  rendah  sampai  tak  terukur karena  berada  di  bawah  tingkat/level  noise-nya  pada gain  tinggi.  CMRR  (Common  Mode  Rejection  Ratio) lebih  dari  60  dB  dan  lebih  baik  daripada  kabel  mic yang  tersedia  dimana  masalah  hum/noise  banyak menjadi  pertimbangan.  Bandwidth-nya  melampaui 100kHz,  dan  tidak  ada  penekanan  RF  ditampilkan karena  telah  terbukti  tidak  perlu  dalam  praktek. Impedansi  input  atau  beban  pada  mic  diatur  oleh  dua resistor  3.3k  ohm.  Hal  ini  akan  sesuai  dengan  hampir semua mic dengan impedansi nominal 150 sampai 600 ohm.

## LOW NOISE MICROPHONE PREAMP
Bagian  Input  stage  dikonfigurasidan    untuk tingkat  noise  yang  rendah,  ini  berarti  pendekatan  non IC.  Sebenarnya  ada  beberapa  IC  khusus  yang  dapat digunakan  untuk  mic  pre-amp,  mereka  mengandung sirkuit  seperti  ini,  yang  dibuat  dalam  satu  chip. Contohnya  adalah  SSM2017  (sekarang  usang)  atau INA103 sebagai pengganti atau yang sejenis.
Untuk  gain  control  digunakan  pot  10  kohm. Untuk  fungsi  ini  sebaiknya  digunakan  potensiometer jenis logaritmik, atau bisa juga digunakan potensiometer  jenis  multi  posisi  switch  dengan  step gain  sebesar  6  dB  yang  meng-cover 60  d  range. Alternative  lain bisa juga  digunakan  standar  log  pot, tapi  pot  dikoneksikan  "mundur".  Dengan  demikian  ia akan  bekerja  dengan  baik  sebagai  "Attenuation" bukannya  "Gain".  Sebagaimana  pot  diputar  searah jarum  jam,  maka  gain  berkurang  (atenuasi/peredaman meningkat).  Karena  itu  akan  terjadi  maksimum  gain bila  pot  sepenuhnya  diputar  anti-searah  jarum  jam. Perhatikan  bahwa  ini  bukan  masalah  yang  spesifik untuk  sirkuit  ini - semua  preamps  mic  IC  mempunyai masalah yang sama persis.
Untuk  pembuatan  preamp  ini  harus  digunakan komponen-komponen  yang  berkualitas  baik,  gunakan resistor  metal  film  pada  bagian  kolektor  dan  emitter dari  pasangan  input  untuk  menekan  noise  yang  lebih baik.  Dimana  jika  sebuah  resistor  memiliki  tegangan DC  yang  signifikan  dikenakan dalam  sirkuit  yang mempunyai    gain  tingg,i  selalu  gunakan  jenis  resistor low  noise.  Resistor  metal  film  adalah  pilihan  yang terbaik.  Hindari  penggunaan  resistor  jenis  cermet, glasir logam, dan jenis komposisi karbon. Juga hindari kapasitor  jenis  tantalum, karena  mudah  bocor. Kapasitor 100nF (C6) harus dipasang sedekat mungkin ke  pin  pasokan  opamp – dan  untuk  menekan  noise frekuensi tinggi bisa digunakan kapasitor keramik.
Gambar 2 : Low Noise Microphone Preamp

## Perancangan Low Noise Hydrophone Preamp untuk Pengujian Akustik Noise Propeller
Untuk  kapasitor  1000uF  dapat  digunakan    jenis electrolytic  dengan  rate  tegangan  antara  10  atau  16 volt. Biasanya tidak ada masalah dengan zero DC bias pada  electrolyt  modern.  Untuk    kapasitor  electrolyte lainnya minimum harus pada rate tegangan 25.
Merujuk pada spesifikasi teknis yang diterbitkan untuk SSM2017  dalam  hal  noise,  pada  uji  workshop  dari pengukuran  preamp  setidaknya  menunjukkan  sama baiknya  dengan  resistansi  sumber  sebesar  200  ohm (pada tipikal mikrofon dinamis).
EIN = 0,27 uV rms pada bandwidth 20 kHz dengan
source 200 ohm
= 1,9 nV per akar Hz (sama dengan spesifikasi untuk SSM2017),
Noise figure    = 0,9 dB rel 200 ohm.

## POWER SUPPLY
Pasokan power supply +/-15 Volt sangat berperan penting,  power  supply  harus  regulated  dan  low  noise. Jika  digunakan  IC  regulator  tegangan  (seri  78/79xx) disarankan  pada  outoutnya  memakai  lowpass  filter yang terdiri dari resistor 10 ohm dan kapasitor 470 UF untuk  menghilangkan  noise  yang  dihasilkan  di  IC (seperti  yang  ditunjukkan  pada  gambar  1).  Beberapa IC  7815  kadang-kadang  sebagai  generator noise, karena  disarankan  menggunakan  regulator  tegangan (LM317,  LM337)  yang  sangat  jauh  lebih  low  noise. Sebuah  papan  regulator  tegangan  tunggal  dapat digunakan  untuk  men-supply  daya  beberapa  preamps, dengan  masing-masing  sirkuit  preamp  memiliki  post filter  sendiri.  Salah  satu  contoh  power  supply direkomendasikan untuk preamp ini dapat dilihat pada gambar 3.  Untuk  keperluan  portable  selain  dari  pada itu preamp dapat pula dioperasikan dengan
menggunakan
sepasang baterai
9V
yang dikonfigurasikan menjadi split power supply.
Karena Hydrophone mic yang dipakai menggunakan  system  Phantom,  maka  jika  pada rangkaian  preamp  (gambar 2)  ingin  ditambahkan rangkaian  daya  Phantom,  secara  sederhana  bisa ditambahkan  dua  resistor  6K8  pada  rangkaian  input dengan  menghubungkan ke  supply  48V  phantom  dan di  kopling  dengan    10uF-100uF  DC  blokir  capasitor setelah  resistor  6K8  pada  input  dan  selanjutnya  dapat dihubungkan  listrik  phantom  pada  Microphone.  Lihat pada gambar 3.

## RANGKAIAN EKIVALEN SENSOR PIEZO FILM
Langkah  pertama  dalam  merancang  rangkaian interface adalah memahami karakteristik piezo film
Gambar 2 : Rangkaian Phantom
Gambar 3. Rangkaian Phantom
Rangkaian  supply  daya  phantom  dapat  dilihat  pada gambar  4.  Dapat  juga  digunakan  tripler  Voltage  pada power  supply  regulator  LM317  untuk  mendapatkan tegangan 48V phantom .
Gambar 4 : Low Noise Power Supply
sebagai bagian dari rangkaian ekivalen listrik. Pada

## Gambar 5 : Rangkaian Supply Phantom

## Metodologi
Metodologi  yang  digunakan  dalam  perancangan low noise hydrophone preamp ini adalah :
 Perancangan low noise hydrophone preamp
 Pembuatan Hardware rangkaian.
 Validasi sistem.
 Uji Coba sistem

## Perancangan Low Noise Hydrophone Preamp untuk Pengujian Akustik Noise Propeller

## Pembuatan Hardware
Setelah  selesai  pada  tahap  perancangan  maka selanjutnya dilakukan pembutan Low noise Hydrophone  preamp.  Hasil pembuatan  hydrophone pre-amp ini dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 6 Hasil Pembuatan Hydrophone PreAmp

## DAFTAR PUSTAKA
Franco,  Sergio, "Design  with  Operational  Amplifier and  Analog  Integrated  Circuits", Mc.  GrawHill Inc., New York, 1988.
Jung, W.  et.all  (1997), Sensor  Signal  Conditioning, Prentice-Hall, Englewood-Cliffs, N.J. Ch.4. Anonyme,  “  SSM2017  Datasheet,” Analog  Device, One Technology Way, Norwood, USA, 2003