## Pengukuran Kedalaman Air dan Deteksi Objek dengan Gelombang Ultrasonik
D. Kurniadi, M. B. Abdani, D. Ramdhani & E. Juliastuti
KK Instrumentasi dan Kontrol – Fakultas Teknologi Industri
kurniadi@tf.itb.ac.id

## Abstrak
Salah satu aplikasi ultrasonik dalam air adalah pengukuran kedalaman air dan deteksi keberadaan suatu  objek.  Pada  studi  ini,  telah  dilakukan  percobaan  untuk  mengukur  kedalaman  air  dan pendeteksian  suatu  objek.  Perangkat  percobaan  menggunakan  transduser  bistatik,  dengan  sudut transduser sebesar 20° dan jarak antar transduser 0,11 m. Kedalaman air dapat ditentukan dengan mengukur waktu tempuh ( time of flight ), yang merupakan dua kali waktu tempuh dari transduser ke dasar  air.  Nilai  waktu  tempuh  dari  setiap  titik  diukur  dan  digunakan  untuk  pemetaan  kontur permukaan  bawah  air.  Sedangkan  pendeteksian  objek  bawah  air  memanfaatkan  perbedaan  nilai amplitudo tegangan untuk suatu target objek yang memiliki perbedaan densitas. Pada eksperimen ini digunakan objek berupa pelat baja; pelat aluminium; dan kabel plastik, masing-masing dengan nilai amplitudo  tegangan  maksimum  rata-rata  adalah  4,606  mV;  3,407  mV;  dan  1,131  mV.  Amplitudo tegangan  maksimum  dari  sinyal  pantul  untuk  setiap  material  pada  eksperimen  memiliki  nilai  yang berbeda.  Perbedaan  tersebut  dapat  digunakan  dalam  pemetaan  berbagai  jenis  material.  Nilai amplitudo  maksimum sinyal pantul merupakan fungsi jarak.
Kata Kunci: ultrasonik, waktu tempuh, amplitudo tegangan, kedalaman

## 1 Pendahuluan
Gelombang  ultrasonik  adalah  gelombang  akustik  dengan  frekuensi  di  atas  20  kHz. Ultrasonik  memiliki  panjang  gelombang  yang  pendek,  sehingga  dapat  dipantulkan  pada benda  dengan  luas  permukaan  yang  sangat  sempit.  Selain  itu  gelombang  ultrasonik merambat dengan baik di dalam medium cair dan berbagai media padat. Saat ini berbagai aplikasi  ultrasonik  telah  berkembang  dengan  pesat  seperti  aplikasi  untuk  pengukuran besaran fisika di industri, uji tak merusak bahan untuk mengetahui  apakah terdapat cacat dan  kualitas  bahan  tersebut  hingga  aplikasi  di  bidang  kedokteran  seperti  pencitraan ultrasonik untuk memandu jarum suntik dan sebagainya [1][2][3].
Salah  satu  pemanfaatan  gelombang  ultrasonik  adalah  pada  akustik  di  dalam  air ( underwater  acoustics ),  khususnya  di  dalam  air  laut.  Gelombang  ultrasonik  merambat  di dalam  air  laut  dengan  kecepatan  ( speed  of  sound )  yang  tergantung  kepada  beberapa parameter seperti temperatur, salinitas, kedalaman dan garis lintang ( latitude ) [4][5]. Oleh karena  itu  gelombang  ultrasonik  dapat  dimanfaatkan  pada  berbagai  aplikasi  seperti pemetaan  kontur  dasar  laut,  deteksi  dan  pencarian  objek  yang  tenggelam  di  laut  dan aplikasi lainnya
Makalah ini membahas suatu studi empirik pengukuran gelombang ultrasonik di dalam air laut. Studi dilakukan pada perangkat simulator di laboratorium yang dikembangkan untuk keperluan studi penerapan gelombang ultrasonik atau akustik pada umumnya di dalam air laut.  Perangkat  yang  digunakan  menggunakan  air  laut  sebagai  media  dan  menggunakan
pasir  laut  sebagai  dasar  laut.  Pengukuran  ultrasonik  dilakukan  untuk  mendapatkan kedalaman air laut, kontur dasar laut dan deteksi objek pada dasar air laut.

## 2 Gelombang Ultrasonik di Dalam Air
Gelombang  ultrasonik  merupakan  gelombang  mekanik,  sehingga  memerlukan  medium yang  elastis  untuk  merambat.  Gelombang  ultrasonik  lebih  mudah  merambat  di  dalam  air dibandingkan  di  udara,  dan  kecepatan  propagasi  gelombang  akustik  di  dalam  air  dapat mencapai empat hingga lima kali kecepatannya di udara. Selain itu atenuasi di dalam air juga lebih kecil, sehingga gelombang ultrasonik dapat berpropagasi pada jarak yang relatif jauh. Gelombang ultrasonik mengalami atenuasi selama berpropagasi pada jarak tertentu. Atenuasi  adalah  pengurangan  intensitas  gelombang  terhadap  jarak  tempuh  yang disebabkan  oleh  adanya  absorpsi  energi  oleh  medium  perambatan.  Semakin  tinggi frekuensi gelombang, semakin besar atenuasi yang terjadi.
Pola radiasi gelombang ultrasonik dibagi atas medan suara dan sudut penyebaran berkas gelombang. Transduser ultrasonik memiliki daerah dengan nilai amplitudo gelombang yang fluktuatif, yang disebut medan dekat seperti ditunjukkan pada Gambar  1.a. Medan dekat (N)  bergantung  kepada  diameter  kristal  piezoelektrik  (D)  dan  panjang  gelombang  yang dihasilkan transduser ( ) . Daerah di luar medan dekat disebut medan jauh, yang memiliki nilai  amplitudo  yang  lebih  stabil.  Dalam  pengukuran,  objek  sebaiknya  diletakkan  pada daerah medan jauh agar hasil yang diperoleh lebih akurat.
(a) (b)
Gambar 1. Medan dekat transduser dan sudut penyebaran gelombang
Sudut penyebaran berkas gelombang ditunjukkan pada Gambar 1.b dan Persamaan 1, dengan α adalah sudut penyebaran.
D λ α 22 , 1 2 sin = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛
( 1)
Secara  empiris,  Coppens  [4]  telah  menurunkan  persamaan  untuk  menghitung kecepatan  propagasi  gelombang  akustik  dalam  air.  Rentang  validitas  dari  persamaan tersebut yaitu untuk temperatur 0° - 35°C, salinitas 0 – 45 ppt, dan kedalaman 0 – 4000 meter [4]. Persamaan Coppens dituliskan sebagai berikut,
( ) h t S S h t h t t S c t S h c ) 35 )]( 35 ( 0002 , 0 016 , 0 [ ) 1 , 0 213 , 0 ( ) 253 , 0 23 , 16 ( ) , , 0 ( , , 2 − − + + − + + + = ) 35 ( ) 009 , 0 126 , 0 333 , 1 ( 23 , 0 2 , 5 7 , 45 05 , 1449 ) , , 0 ( 2 3 2 − + − + + − + = S t t t t t t S c
(1)
Keterangan: t = T /10, dengan T =temperatur (°C) S = salinitas (ppt atau part per thousand ) h = jarak kedalaman (m)
Transduser  yang  digunakan  pada  pengukuran  di  dalam  air  adalah  jenis immersed transducer atau  transduser  yang  diletakkan  di  dalam  air.  Tranduser  pengirim mentransmisikan  gelombang  akustik  yang  dipantulkan  dasar  laut  dan  diterima  kembali oleh  transduser  penerima  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  2.  Metode  bistatik menggunakan  dua  transduser,  masing-masing  sebagai transmitter dan receiver . Persamaan 2 digunakan dalam menghitung kedalaman air atau letak kedalam suatu objek ( h ).
Gambar 2. Pengukuran dengan transduser ultrasonik
θ θ tan 2 / cos a s h = = (2)
dimana,
a = jarak antar transduser (m)
θ = sudut datang gelombang (°)
x = jarak tempuh gelombang (m)

## 3 Eksperimen

## 3.1 Perangkat Eksperimen
Untuk  melakukan  eksperimen  pengukuran  di  dalam  air  digunakan  perangkat  dengan konfigurasi  sistem  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Sistem  pengukuran  terdiri  atas pulser, transduser pengirim dan transduser penerima, atenuator, osiloskop dan komputer. Pulser  mengirim  sinyal  berupa  pulsa  ke  transduser  pengirim  untuk  membangkitkan gelombang  ultrasonik  yang  akan  dirambatkan  melalui  objek.  Pulser  atau  generator  sinyal yang  digunakan  adalah  Krautkramer-Branson  USIP12  dengan  tegangan  pembangkit sebesar  220V.  Selanjutnya  gelombang  ultrasonik  dideteksi  oleh  transduser  penerima. Kedua  sinyal  baik  dari  transduser  pengirim  dan  transducer  penerima  diamati  pada osiloskop dan dikirim ke komputer untuk diolah lebih lanjut.
Untuk  mensimulasikan  pengukuran  kondisi  di  dalam  air  laut,  digunakan  wadah  seperti pada  Gambar  4.  Wadah  berukuran  0,35  m  x  0,22  m  x  0,25  m,  yang  akan  diisi  dengan pasir laut pada dasar dan air laut hingga ketinggian tertentu. Pada bagian atas diletakkan dua  transduser  berbentuk  silinder,  model  Sonatest  IMG  2550  jenis immersion dengan ukuran  diameter  6,35  mm  dan  frekuensi  gelombang  ultrasonik  5  MHz,  yang  satu difungsikan  sebagai  transduser  pengirim  dan  satu  lainnya  sebagai  transduser  penerima. Kedua transduser tersebut dapat digerakkan dalam bidang 2-dimensi atau dalam bidang x- y.

## Gambar 3. Konfigurasi umum sistem pengukuran
Pada  studi  eksperimen  ini,  percobaan  pertama  yang  dilakukan  adalah  pengukuran kedalaman  air  dengan  menampilkan  informasi  berupa  kedalaman  air  dan  gambar  kontur permukaan  dasar  air.  Percobaan  kedua  adalah  mendeteksi  keberadaan  suatu  objek  di permukaan  dasar  air.  Sebelum  kedua  percobaan  dilakukan,  perlu  dilakukan  pengujian transduser  atau  kalibrasi  transduser  untuk  mendapatkan  referensi  kecepatan  gelombang ultrasonik di dalam air.

## Gambar 4. Wadah untuk percobaan pengukuran akustik dalam air

## 3.2 Pengujian Transduser
Pengujian  transduser  atau  kalibrasi  ditunjukkan  pada  Gambar  5.    Pada  pengujian  ini digunakan wadah uji yang merupakan balok akrilik dengan ukuran 16,6 cm x 4,5 cm x 4,0 cm.  Transduser  diletakkan  pada  jarak  11  cm  dan  wadah  uji  diisi  air  agar  gelombang ultrasonik  merambat  dari transmitter ke receiver seperti  kondisi  pada  saat  penggunaan. Pengukuran  dilakukan  20  kali  dan  dilanjutkan  dengan  pengolahan  sinyal  sehingga diperoleh 20 nilai time of flight ( t ). Dari pengukuran yang dilakukan diperoleh bahwa nilai kecepatan referensi secara empirik sebesar 1479 m/s.
Gambar 5. Wadah uji pengujian transduser

## 3.3. Pengukuran Kedalaman Air dan Kontur Permukaan Dasar
Perangkat  percobaan  berupa  wadah  dengan  rel  penggerak  transduser  ditunjukkan  pada Gambar  6.a. Untuk pengukuran kedalaman air, wadah uji diisi air bersuhu 25 o C dengan kedalaman 14,6 m dan dibuat kontur pasir yang memiliki bentuk bukit dan lembah. Sudut transduser θ sebesar 20° dan jarak antar muka transduser a sebesar 6 cm. Gambar  6.b. menunjukkan  ilustrasi  pola  perambatan  gelombang  ultrasonik  yang  dirambatkan  dari transmitter  dengan  sudut  20 o .  Kondisi  permukaan  dasar  air  untuk  percobaan  ini ditunjukkan pada Gambar 6.c.
Untuk  pemetaan  permukaan  dasar  air  atau  kontur  dasar  air,  transduser  diletakkan  pada posisi-posisi pada bidang x-y seperti pada Gambar 7. Transduser penerima dan transduser pengirim diletakkan pada posisi, dengan skala sumbu-x dari 1 hingga 29 dan skala sumbu y dari  1  hingga  14.  Dengan  jarak  antara  transduser  pengirim  dan  transduser  penerima sebesar  6  cm,  diperoleh  bahwa  posisi  transduser  penerima  berada  pada  titik  x+11  untuk suatu posisi transduser pengirim.  Dengan demikian posisi maksimum transduser pengirim pada sumbu-X adalah pada x= 18 dimana posisi maksimum transduser penerima adalah x = 29.
(a) (b) (c)
Gambar 6. Perangkat pengukuran kedalaman air dan kontur permukaan dasar air

## Gambar 7. Posisi transduser pada pemetaan kontur

## 3.4. Deteksi Objek
Pada pendeteksian objek dalam air, kontur pasir diratakan dan diatasnya diletakkan objek uji seperti pada Gambar  8. Pengukuran dilakukan pada ketinggian ℎ ! . Selanjutnya dicari nilai  amplitudo  tegangan  karakteristik  pada  transduser  penerima  untuk  setiap  objek  uji (pelat baja, pelat aluminium, dan kabel plastik) untuk ketinggian h 1 , h 2 dan h 3 ( h 1 =15,3 cm; h 2 =14,3  cm; h 3 =13,3  cm), seperti  yang  ditunjukkan  Gambar  8.  Posisi  peletakkan  objek diperlihatkan  pada  Gambar  9.  Rentang  amplitudo  tegangan  transduser  penerima  untuk masing-masing objek dijadikan referensi untuk pemetaan berbagai macam objek.
Gambar 8. Perangkat percobaan pendeteksian objek
Gambar 9. Peletakkan objek, (a) pelat baja, (b) semua objek uji

## 4 Hasil dan Analisis
Sebagai  referensi,  kecepatan  ultrasonik  di  dalam  air  yang  diperoleh  dari  kalibrasi  adalah 1479 m/s.  Pada hasil pengujian transduser tersebut terdapat perbedaan nilai kecepatan teoretis  dengan  kecepatan  hasil  eksperimen  sebesar  13  m/s.  Selisih  nilai  tersebut dikarenakan  pada  perhitungan C teoritis yang  menggunakan  penyederhanaan  persamaan Coppens  dan  asumsi  nilai  salinitas  air  sama  dengan  nol.  Kesalahan  ( error )  pada  nilai pengukuran  memang  tidak  dapat  dihindari,  karena  kondisi  eksperimen  pada  saat penurunan persamaan teoretis tidak sama dengan kondisi pada saat pengujian transduser.
Sedangkan pengukuran kedalaman air dengan menggunakan penggaris sebagai referensi diperoleh  hasil  untuk  54  titik  pengukuran  dengan  kedalaman  maksimum  atau  terdalam sebesar 10,6 cm dan kedalaman minimum atau terdangkal 6,8 cm. Dari pengukuran yang dilakukan,  kedalaman  air  di  dalam  wadah  ditampilkan  dalam  bentuk  citra  2-dimensi  dan citra 3-dimensi pada Gambar 10.
Gambar 10. Hasil pemetaan kontur permukaan pasir, (a) pemetaan 3D, (b) pemetaan

## 2D
Pada  pengukuran  kedalaman  air,  nilai  waktu  tempuh  gelombang  dari  hasil  pemrograman menggunakan  asumsi  bahwa  waktu  tempuh  gelombang  sebagai  waktu  bolak-balik gelombang dari transduser ke objek. Dengan mempertimbangkan sudut penyebaran berkas gelombang  ( α )  6,5,  asumsi  nilai θ =20°,  dan  a=6  cm,  diperoleh  bahwa  nilai  h  yang  dapat terdeteksi  oleh  perangkat  ukur  adalah  6,7  –  10  cm.  Masih  terdapat  beberapa  nilai  yang berada  di  luar  rentang  tersebut.  Hal  ini  disebabkan  adanya  faktor  asumsi  dan  faktor mekanis, yaitu sudut datang gelombang diasumsikan konstan dan terjadi perubahan sudut
transduser  selama  pengukuran.  Meskipun  demikian,  perbandingan  hasil  pemrograman kontur  permukaan  pasir  dengan  kontur  pasir  yang  sebenarnya  menunjukkan  kemiripan berupa adanya bentuk bukit dan lembah.
Untuk  percobaan  pendeteksian  objek,  dilakukan  dengan  pengukuran  amplitudo  tegangan maksimum  pada  target  objek.  Hasil  pengukuran  amplitudo  tegangan  untuk  setiap  target objek ditunjukkan pada Tabel  1. Hubungan antara variabel kedalaman ( h ) dan amplitudo ( A ) ditunjukkan pada grafik pada Gambar 11.
Dari  pengukuran  diperoleh  adanya  perbedaan  yang  signifikan  pada  nilai  amplitudo tegangan untuk target objek berupa pasir dan baja. Setelah dicitrakan, objek baja dan pasir dapat dibedakan dengan jelas. Dari hasil pengukuran diketahui bahwa amplitudo tegangan maksimum  sinyal  pantul  merupakan  parameter  yang  berpengaruh  dalam  pendeteksian objek menggunakan ultrasonik. Selain dapat mendeteksi objek, pencitraan objek bawah air menggunakan  gelombang  ultrasonik  ternyata  dapat  memperkirakan  dimensi  dari  objek. Dimensi  lebar  pelat  baja  dapat  diperkirakan  dari  citra  tersebut,  yaitu  sekitar  4,5  cm  (nilai sebenarnya  adalah  4,7  cm).  Dari  hasil  pengukuran  dapat  diketahui  bahwa  terdapat hubungan antara variabel h dan A , yaitu ℎ ∝ ! ! .
Rentang  amplitudo  karakteristik  ( 𝐴 ! ) tegangan  pada  target  objek    pelat  baja,  pelat aluminium, dan kabel plastik pada h =13,3 cm yang diperoleh dari hasil pengukuran adalah:
• pelat  baja  :  (4,27  s/d  5,04)  x  10 -3 V,  dengan  nilai  rata-rata  dengan  standar deviasi (4,73±0,408)  x 10 -3 V
• pelat  aluminium:  (3,55  s/d  4,26)  x  10 -3 V,  dengan  nilai  rata-rata  dengan standar deviasi (3,85±0,370)  x 10 -3 V
• kabel  plastik  adalah  (1,04  s/d  1,36)  x  10 -3 V,  dengan  nilai  rata-rata  dengan standar deviasi (1,22±0,163)  x 10 -3 V
Tabel 1. Data perhitungan amplitudo maksimum objek
h x10 -2
(m)
Amplitudo x10 -3 ( V ) Plastik Aluminium Baja 13,3 1,22 3,85 4,73 14,3 1,13 3,42 4,56 15,3 0,99 3,13 4,45
Dengan  referensi  rentang  amplitudo  tegangan  untuk  suatu  target  objek  uji  yang  telah diperoleh,  pencitraan  berbagai  macam  objek  dilakukan  dan  hasilnya  ditunjukkan  pada Gambar 13.
Grafik pada Gambar  12 menunjukkan hubungan variabel h dan A yang linier. Data pada Tabel  1  digunakan  sebagai  referensi  rentang  amplitudo  karakteristik  tegangan  untuk
target  objek  pada  skala  eksperimen.  Hasil  pemetaan  pada  Gambar  13  cukup merepresentasikan  letak  objek  yang  sebenarnya.  Dari  hasil  yang  diperoleh,  diketahui bahwa  rentang  amplitudo  tegangan  pada  suatu  target  objek  dapat  digunakan  dalam pemetaan berbagai jenis material.
Gambar 12. Grafik perhitungan amplitudo maksimum objek
Gambar 13. Citra objek, (a) objek plat baja , (b) objek plat baja, aluminium & plastik R   =   -­‐1 R   =   -­‐0,9989 R   =   -­‐0,9809 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 13.3 14.3 15.3 Am pl itu do (V ) h   (m) Plas3k Aluminium Baja x10 -­‐3 x10 -­‐2

## 5 Kesimpulan
Dari studi yang dilakukan, terdapat beberapa kesimpulan sebagai berikut,
1. Berdasarkan percobaan, pengukuran kedalaman air dan pendeteksian objek dalam air dengan  menggunakan  transduser  ultrasonik  dipengaruhi  oleh  parameter  sudut penyebaran  berkas  gelombang  ultrasonik  yang  dihasilkan  oleh  transmitter  dan  jarak antar transduser.
2. Pada pendeteksian objek dalam air, objek-objek yang memiliki perbedaan massa jenis memantulkan gelombang dengan nilai amplitudo tegangan maksimum yang berbeda.
3. Nilai  rentang  amplitudo  tegangan  karakteristik  suatu  target  objek  dapat  digunakan untuk mendeteksi sekaligus memetakan keberadaan objek yang berbeda dalam air.
4. Hasil  percobaan  sudah  sesuai  dengan  teori,  yaitu ℎ ∝ ! ! ! pada  pendeteksian  objek dengan kedalaman berbeda.
5. Pengambilan  data  pada  dengan  metode average  acquisition menghasilkan  nilai pengukuran  yang  lebih  baik  yaitu  hubungan  antara  kedalaman  objek  dan  amplitudo tegangan maksimum receiver objek lebih linier.

## 6 Daftar Pustaka
[1]  K. Amri, E Juliastuti & D Kurniadi, Asymmetric flow velocity profile measurement using multipath ultrasonic meter with neural network technique , the 5 th International Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA), 2017.
[2]  E. Juliastuti, E. W. Tanogono & D. Kurniadi, Detection of water content in lubricating oil using ultrasonics , the 5th International Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA), 2017.
[3]  H. Susanti, Suprijanto &D. Kurniadi, Two-dimensional mapping of needle visibility with linear and curved array for ultrasound-guided interventional procedure , AIP Conference Proceedings vol. 1933, 2018
[4]  A. B. Coppens, Simple equations for the speed of sound in Neptunian waters , J. Acoust. Soc. Am. 69, 862-863, 1981
[5]  C.C. Leroy, S. P. Robinson & M. J. Goldsmith, A new equation for the accurate calculation of sound speed in all oceans, J. Acoust. Soc. Am. , 124 (5), 2774/2782, 2008
[6]  T. G. Leighton & R. C. P. Evans, The Detection by sonar of difficult targets
( Including centimetre-scale plastic objects and optical fibres ) buried in saturated sediment , Applied Acoustics 69, p. 438/463, 2008
[7]  X. Lurton, An Introduction to Underwater Acoustics: Principles and Applications . Chichester: Praxis Publishing Ltd, 2002.
[8]  J. D. N. Cheeke, Fundamental and Applications of Ultrasonic Waves . Boca Raton: CRC Press LLC, 2002.
[9]  L. E. Kinsler, A. R Frey, A. B. Coppens & J. V. Sanders Fundamentals of Acoustics . John Wiley & Sons, Inc., 2000.
[10]  Scmerr Jr., Lester W., Ultrasonic Nondestructive Evaluation System : Models and Measurements , New York: Springer, 2007.