Akustik Bawah Air (Underwater Acoustics)

Akustik bawah air (underwater acoustics) adalah salah satu topik yang menarik karena aplikasinya yang luas. Aplikasi akustik bawah air antara lain

• Sonar yang umumnya digunakan untuk mengekstrak informasi terkait laut seperti kedalaman laut dan objek-objek yang berada di bawah laut
• Komunikasi bawah air, baik dimanfaatkan oleh manusia untuk berkomunikasi antar perangkat di bawah air, atau bahkan digunakan oleh sebagian jenis paus untuk berkomunikasi memanfaatkan SOFAR channel (sound fixing and ranging channel).
• Kebisingan bawah air yang mulai menjadi perhatian belakangan akibat pengaruhnya pada kelestarian bawah laut. Sumber-sumber kebisingan bawah laut antara lain konstruksi anjungan lepas pantai, kapal laut, dan pembangkit listrik tenaga bayu yang dibangun lepas pantai.

Lautan itu sendiri adalah waveguide akustik yang memiliki batas atas permukaan laut dan batas bawah dasar laut. Interaksi dengan permukaan laut yang bisa bervariasi, seperti gelombang pada permukaan dan adanya es, serta interaksi dengan dasar laut yang memiliki karakteristik berbeda-beda, menyebabkan semakin kompleksnya propagasi suara di dalam laut.

Salah satu yang menyebabkan propagasi akustik di bawah laut menjadi menarik karena adanya variasi kecepatan suara yang menyebabkan mungkinnya suara berbelok, mirip seperti efek refraksi pada cahaya dalam ilmu optik. Di lautan, kecepatan suara dipengaruhi tekanan statik, salinitas, dan temperatur. Secara sederhana, kecepatan suara dapat diekspresikan menggunakan persamaan empiris sebagai berikut:

c = 1449.2 + 4.6 T – 0.055 T² + 0.00029 T³ + (1.34 – 0.01 T) (S – 35) + 0.016 z

dimana c adalah kecepatan suara, T adalah temperatur dalam derajat celcius, S adalah salinitas dalam part per thousand, dan z adalah kedalaman dalam meter. Pada kebanyakan kasus, persamaan diatas dapat digunakan. Pada permukaan laut, parameter-parameter yang mempengaruhi kecepatan suara diatas dapat berubah secara harian dan musiman, yang juga ditentukan oleh faktor geografis dari permukaan laut yang menjadi perhatian kita.

Beberapa opsi pemodelan propagasi suara di bawah laut yang sering ditemui antara lain

• Normal modes: metode ini didasari dari persamaan Helmholtz (persamaan gelombang untuk sumber harmonik). Perlu diingat seperti sudah disinggung sebelumnya, bahwa lautan adalah sebuah waveguide dengan batas atas permukaan laut dan batas bawah dasar laut. Pada pemodelan dua dimensi (2D), hasil perhitungan akan bergantung pada frekuensi sumber suara (akan menentukan modeshape function pada waveguide), kedalaman sumber suara (menentukan interferensi sumber suara dan refleksi dari batas-batas waveguide) dan kedalaman lautan itu sendiri. Jika diinginkan pemodelan laut sebagai waveguide ideal (dasar laut dianggap rigid), kondisi batas yang digunakan adalah kondisi Dirichlet pada permukaan lautan dan kondisi Neumann pada dasar lautan. Jika dasar laut dimodelkan sebagai medium propagasi dengan densitas dan kecepatan suara tertentu, pemodelan ini disebut dengan Pekeris waveguide. Basis matematis yang sama juga melahirkan metoda lainnya yang disebut wavenumber integration atau di disiplin akustik bawah air juga dikenal sebagai FFP (Fast Field Program) yang tidak dibahas di artikel ini.
• Parabolic equation (PE): metode yang juga dikenal sebagai paraxial model ini juga didasari dari persamaan Helmholtz. Akan tetapi, persamaan ini menyederhanakannya sehingga hanya memungkinkan gelombang untuk berjalan ke satu arah (forward-propagating). Berbagai opsi approksimasi dari square-root operator pada PE dalam mencari solusi persamaan ini menyebabkan sudut yang valid bervariasi tergantung dari pendekatan yang digunakan. Semakin besar sudutnya yang valid, tentu akan menghasilkan solusi yang lebih baik. Contoh pendekatan yang digunakan adalah Tappert (narrow-angle), Claerbout (Wide-angle) dan Padé (Wide-angle hingga very-wide-angle bergantung pada orde yang digunakan). Kondisi batas ideal waveguide dan pekeris waveguide dapat juga digunakan untuk model ini.
• Finite difference (FDM) dan finite element (FEM): FDM dan FEM dapat diaplikasikan pada persamaan gelombang ataupun persamaan Helmholtz untuk memodelkan propagasi suara di bawah laut. FDM menjadi opsi pemodelan akustik bawah laut khususnya jika kondisi yang ingin dimodelkan memiliki dasar yang elastik, dengan kondisi geometri yang irreguler seperti kondisi batas yang tidak rata, atau dasar dengan properti yang bervariasi secara lateral. Aplikasi FDM untuk propagasi bawah laut misalnya pada propagasi suara di Arctic dengan bongkahan es besar yang terapung. Perbedaan FEM dan FDM pada dasarnya ada pada diskretisasi yang dilakukan: FDM melakukan diskretisasi pada persamaan, sedangkan FEM melakukan diskretisasi pada domain fisis dimana persamaan tersebut berlaku. FEM sendiri seringkali digunakan untuk mencari solusi untuk parabolic equation (PE) pada akustik bawah air.
• Ray tracing: Metoda ini memodelkan suara sebagai sinar (“ray”) sehingga trajektori suara saat berpropagasi dapat dimodelkan. Ray tracing sudah lama dikembangkan dan digunakan pada pemodelan akustik bawah air. Saat ini, metoda ini tidak sepopuler dahulu di komunitas penelitian akustik bawah air karena pendekatan frekuensi tinggi yang digunakan pada metoda ini Interferensi antar gelombang tidak dapat dimodelkan dengan metoda ini, yang pada aplikasi dan frekuensi tertentu adalah fenomena yang cukup penting. Akan tetapi, metoda ini masih banyak digunakan jika kecepatan perhitungan menjadi prioritas. Fenomena penting seperti beloknya suara akibat perbedaan kecepatan suara (ray bending) pun dapat dimodelkan menggunakan metoda ini.