ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) untuk Pengukuran Arus

Terdapat 2 teknik pengukuran arus yaitu dengan teknik lagrangiang dan teknik eulerian. Teknik lagrangiang dilakukan dengan cara menghanyutkan pelampung kemudian mencatat lokasinya pada selang waktu tertentu. Sedangkan teknik eularian yaitu dengan menggunakan alat ukur yang tetap posisinya, kemudian dicatat kecepatan dan arah gerak arus pada kolom air pada selang waktu tertentu.

Teori Akustik dan Instrumentasi

Acoustic System mulai dikenal dan populer dengan istilah SONAR (sound navigation and ranging). ASDIC 'Allied Submarine Detection Investigation Committee' pada masa Perang Dunia I (PD I). Lalu Acoustic System mulai dikembangkan oleh Inggris pada masa pra-Perang Dunia II (PD II) dengan membuat ASDIC (Anti Sub-marine Detection Investigation Committee) yang terbukti sangat berguna bagi Angkatan Laut Negara-negara Sekutu pada PD II.  Setelah PD II berakhir, penggunaan akustik semakin berkembang luas untuk tujuan damai dan ilmiah, antara lain digunakan untuk; mempelajari proses perambatan suara pada medium air, penelitian sifat-sifat akustik dan benda-benda yang terdapat pada suatu perairan, komunikasi dan penentuan posisi di kolom perairan. Selanjutnya perkembangan akustik semakin pesat pada awal dekade 70-an karena telah ditemukan Echo Integrator yang dapat menghasilkan nilai absolut untuk pendugaan dan estimasi bawah air.

Salah satu alat akustik yang cukup dikenal adalah Acoustic Doppler Current meters (ADCMs). Alat ini mengukur kecepatan dan arah menggunakan transmisi gelombang berfrekuensi tinggi dan kemudian menentukan pergeseran frekuensii doppler  dari signal yang disebarkan oleh partikel dalam kolom air. Teknik ini didasari pada kenyataan bahwa: (1) suara yang dipantulkan atau disebarkan ketika bertemu diindikasikan sebagai perubahan densitas, (2) frekuensi suara yang dihasilkan meningkat/ menurun berbanding langsung dengan laju reflektor menjauhi atau mendekat dengan instrumen (Emery dan Thomson, 1997).

 ADCM komersial saat ini dibangun oleh Amatak-Straza, Aanderaa Instrumen dan RD Instruments. Dari beberapa instrumen yang tersedia, instrumen yang baru dikomersialkan adalah ADCP. Instrumen standar terrsedia pada frekuensi 75, 150,300,600 dan 1200 kHz. Yang terbaru juga dikembangkan Broadband ADCP yang juga mencakup unit 2400 kHz.

Pengukuran Arus dengan Menggunakan ADCP

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)  digunakan untuk mengukur profil kecepatan 3 dimensi dalam kolom air menggunakan prinsip pergerseran dopller. Alat ini juga dapat digunakan untuk mengukur bed load velocity serta memperkirakan konsentrasi sedimen tersuspensi (Kostaschuk et al., 2005)

ADCP bekerja dengan mendeteksi keberadaan suara pada frekuensi yang konstan. Pantulan suara yang bergerak didalam  air dibawa oleh partikel partikel air dan dipantulkan kembali ke ADCP. Karena efek doppler, pantulan gelombang suara yang dibawa oleh partikel air menjauh dari alat menyebabkan penurunan frekuensi elombang suara. Perbedaan gelombang suara yang dikeluarkan oleh ADCP dengan gelombang yang diterima disebut dengan “pergeseran doppler” (doppler shift), dimana pergeseran ini digunakan untuk mengukur seberapa cepat gelombang tersebut bergerak melalui partikel air.

Prinsip Doppler Dalam Pemindahan Objek 

ADCP menggunakan suara untuk mengukur kecepatan air. Suara yang ditransmisikan oleh ADCP berada dalam  kisaran ultrasonik (jauh di atas kisaran telinga manusia). Frekuensi terendah yang digunakan ADCP adalah sekitar 30 kHz dan frekuensi tertinggi yang umumnya digunakan oleh USGS untuk pengukuran sungai adalah 300-3000 kHz (Simpson M. R., 2001). ADCP mengukur kecepatan air menggunakan prinsip fisika yang ditemukan oleh Johann Doppler (1842). Prinsip doppler berhubungan dengan perubahan frekuensi sumber ke kecepatan relatif dari sumber dan pengamat.

Metode akustik untuk mengukur kecepatan berdasar kepada prinsip pergeseran Doppler yang melibatkan kecepatan suara dimana:

C = f . λ

Pergeseran Doppler (Doppler shift) merupakan perbedaan antara frekuensi yang ditransmisikan dan frekuensi yang dipantulkan dari pergerakan suatu partikel kembali ke sumbernya.

Jika frekuensi sumber dapat dengan tepat diketahui dan frekuensi pengamat dapat dihitung, persamaan 1 di bawah ini dapat digunakan untuk menghitung pergeseran doppler yang disebabkan oleh kecepatan relatif dari sumber dan pengamat (R.D. Instrumen, Inc, 1989). Sehingga bilamana kita tahu frekuensi asal dan kecepatan suaranya kita dapat mengukur perubahan frekuensi dan menduga kecepatannya

 Dimana :

FD= Frekuensi Pergeseran Dopller (hertz)

FS = Frekuensi yang ditransmisikan oleh sumber yang stasioner (hertz)

V = Kecepatan relatif antara sumber suara dan gelombang suara yang diterima (m/s)

C = Kecepatan suara (m/s)

Beberapa catatan penting :

 Jika pengamat berjalan lebih cepat (V meningkat), maka pergeseran doppler (FD) akan meningkat.  Jika Pengamat berjalan menjauhi suara (V negatif), pergeseran doppler (FD) juga akan bernilai negatif. Jika Frekuensi suara meningkat (FS meningkat), maka pergeseran doppler (FD) akan berkurang.

 Cara ADCP Mengukur Kecepatan menggunakan Suara yang dihamburkan balik

ADCP menggunakan efek doppler dengan mentransmisikan suara pada frekuensi tetap serta mendegrar gema yang kembali dari suara yang dihamburkan oleh penghambur di dalam perairan. Penghambur suara merupakan partikel-partikel kecil atau hewan planktonik yang memantulkan suara kembali ke ADCP.  Beberapa contoh penghambur dalam air, dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Penghamburan balik suara melibatkan 2 pergeseran doppler, (A) Perjalanan suara menuju penghambur, (A) perjalanan suara kembali setelah dipantulkan.

ADCP memanfaatkan kedua suara yaitu yang tertransmit dan suara yang kembali, sehingga pergeseran doppler menjadi 2 kali

Setiap transducer mengirim dan menerima pergeseran dopllernya (ping) sendiri dan hanya dapat mengukur kecepatan normal hingga ke kepala transduser. Sehingga untuk dapat memperkirakan kecepatan aliran di suatu perairan dalam koordinat bumi, diperlukan informasi dari tiga beam pada orientasi yang berbeda.

Prinsip kerja dari ADCP adalah, gelombang akustik dipancarkan melalui transducer dan merambat sepanjang kolom air. Selanjutnya pulsa suara dipantulkan kembali oleh pergerakan partikel tersuspensi  atau gelembung ke dalam beam akustik (gambar 3) menghasilkan pergeseran transmisi suara dari mana kecepatan dihitung. Gerak relatif partikel tersuspensi terhadap alat ukur menimbulkan efek doppler bagi gelombang yang diterima transduser. Pulsa dikirim ke arah atau beam yang berbeda. Asumsi yang diberikan adalah arus seragam dalam lapisan kedalaman konstan, transformasi trigonometri digunakan untuk mengubah kecepatan sepanjang balok menjadi tiga komponen kecepatan yang terkait dengan sebuah sistem koordinat cartesian yang diorientasikan pada instrumen. Perubahan frekuensi akibat efek doppler ini sebanding dengan perbedaan kecepatan alat ukur dengan sedimen yang berada pada lapisan yang diukur.

Prinsip operasi ADCP:(a) beam arrangement; (b) measurement output

ADCP yang dipasang pada perahu yang bergerak dapat dengan mudah mengukur profil kecepatan multi-komponen di bawah laut dan secara otomatis memberikan informasi mengenai kecepatan, kedalaman dan informasi lokasi dimanapun kapal tersebut berada. Kondisi pengukuran yang buruk terjadi ketika air hanya memiliki sedikit parrtikel untuk mentranmisikan pulsa suara, atau sebaliknya konsentrasi sedimen di dalam kolom perairan terlalu banyak sehingga menyerap pulsa suara (Muste et al., 2008)

Daftar Pustaka

Emery J. W., Thomson R. E. 1997. Methods in Physical Oceanography. Elsevier.

Hutabarat, S dan S. Evan. 1984. Pengantar Oseanografi. Jakarta: UI-Press

Ilahude, A.G. 1999. Pengantar ke Oseanologi Fisika. Jakarta: P3O-LIPI

Kostaschuk R., Best J., Villard P., Jeff P., Franklin M. 2005. Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler. J.Geomorphology. Vol 68, Issues 1-2, 15. Pages 25-37

Muste M. Kim W., Fulford J.M. 2008. Developments in hydrometric technology: new and emerging instruments for mapping river hydrodynamics. Bulletin of Weather.Climate. Water. Volume 57 (3)

Nontji A., 2005, Edisi Revisi. Laut Nusantara. Jakarta: Djambatan

Pond, S dan G.L Pickard. 1983. Introductory dynamical Oceanography. Second edition. New York:  Pergamon Press

Setyono, H. 1996. Kamus Oseanografi. Gajah Mada University Press.

Simpson M. R. 2001. Discharge Measurements Using a Broad-Band Acoustic Doppler  Current Profiler. California : United States Geological Survey