View
223
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian
Program Studi Meteorologi
© 2012 Program Studi Meteorologi Institut Teknologi Bandung
PENERBITAN ONLINE AWAL
Paper ini adalah PDF yang diserahkan oleh penulis kepada Program Studi Meteologi sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana. Karena paper ini langsung diunggah setelah diterima, paper ini belum melalui proses peninjauan, penyalinan penyuntingan, penyusunan, atau pengolahan oleh Tim Publikasi Program Studi Meteorologi. Paper versi pendahuluan ini dapat diunduh, didistribusikan, dan dikutip setelah mendapatkan izin dari Tim Publikasi Program Studi Meteorologi, tetapi mohon diperhatikan bahwa akan ada tampilan yang berbeda dan kemungkinan beberapa isi yang berbeda antara versi ini dan versi publikasi akhir.
RANCANG BANGUN SOUND DETECTION AND RANGING (SODAR)
BERBASIS CONTINUOUS WAVELET TRANSFORMS
UNTUK ANALISA PROFIL KECEPATAN ANGIN
(STUDI KASUS KAMPUS ITB)
!
!"#$%&'$()%*)+$#),-%&+)./%01%2$'"3)',%
,4*)5#653%758.$.6."%/9%:";<5/+/3=%
!"#$%!&$'
The atmosphere condition at the boundary layer is always changing. It can be seen from the
changing wind speed and direction that happens every time. To find these air conditions
change it requires a certain measurement mechanism. Measurements with Sound Detecting
and Ranging system (SODAR) is the another option.
However, measurements with SODAR sistem is not without problems. SODAR sistem uses
sound waves so it may accept outside noise will decrease the quality of data output. That's
why SODAR sistem requires appropriate methods of data processing. Within this study are
used for signal processing is a method of Continuous Wavelet Transform.
SODAR with wavelet-based data processing have been able to measure wind speed, but the
results have not satisfactory yet. This is evident from the data was then compared with the
results of the pilot balloon measurement method. The result is that the wind speed obtained is
quite good at altitudes above 100 m, ranging between 4 m / s and drops to 0 m / s with
increased altitude. In contrast to the altitude of 100 m below the results obtained do not
correspond to the results of the pilot balloon measurement method. This is likely due to
interference still many components that have not been measured.
Key words: SODAR, wavelet, wind speed
1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kondisi udara dilapisan batas selalu
berubah – ubah secara periodik. Dengan
kata lain kondisi udara dilapisan batas
walaupun selalu berubah – ubah tetapi
sebenarnya memiliki pola yang dapat
dianalisa dan diprediksi. Untuk itu
diperlukan pengamatan tertentu untuk
mendapatkan data yang dibutuhkan.
Pengamatan dengan SODAR adalah
salah satu cara atau metode untuk
mendapatkan data tersebut. Dari
pengamatan dengan SODAR akan
mendapatkan data mengenai kecepatan
angin radial dan profil angin dilapisan
batas. Data inilah yang kemudian
dianalisa untuk mendapatkan gambaran
atau interpretasi dari lapisan batas.
Dengan menganalisa gambar atau
interpretasi dari lapisan batas dapat
mengetahui kondisi udara diatas daerah
tempat pengamatan. Pola pergerakan
angin tersebut dapat membantu atau
melengkapi data prakiraan cuaca harian
di suatu daerah.
Dikarenakan penggunaan gelombang
suara oleh SODAR sehingga
dimungkinkan untuk SODAR
mengalami banyak gangguan / noise,
akibatnya hal ini tentu akan sangat
mempengaruhi hasil pengukuran. Oleh
karena itu diperlukan metode
pengolahan sinyal yang tepat untuk
mengatasi masalah tersebut selain
peningkatan kualitas piranti SODAR.
Dalam pengolahan sinyal dikenal dua
metode, yaitu dengan Fast Fourier
Transforms (FFT) dan Wavelet. Dengan
menggunakan metode CWT tersebut
dalam pengolahan sinyal output dari
sistem SODAR diharapkan akan
didapatkan hasil berupa data kecepatan
angin radial dan profil angin yang cukup
baik.
1.2 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Membuat Sistem SODAR Bistatic
dengan pengolahan sinyal berbasis
Wavelet.
2. Mendapatkan data kecepatan angin
dan profil kecepatan angin dilapisan
batas.
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1 Teori SODAR
SODAR adalah suatu alat yang dapat
memancarkan gelombang suara ke udara
dan dapat menangkap lagi gelombang
hamburan-nya. SODAR berfungsi untuk
mengetahui cepat rambat fluida yang
bergerak dari frekuensi hamburan yang
diterima.
SODAR pada dasarnya terdiri dari 2
bagian yaitu pengirim atau penghasil
gelombang suara dan penerima guna
menangkap gelombang suara hamburan.
Peralatan utama yang dibutuhkan
sebagai berikut:
! speaker
! audio power amplifier
! Acoustic signal processor
Prinsip dasar dari SODAR adalah efek
Doppler. Dimana gelombang suara
akustik yang telah diatur frekuensinya
akan dilepaskan dari SODAR dan
ditangkap kembali hamburan baliknya.
Menurut prinsip Doppler kita dapat
menghitung kecepatan dan kerapatan
medium bergerak yang dilewati oleh
gelombang suara melalui persamaan:
f '
f=c + v
c ………………(2.1)
dimana:
c = cepat rambat gelombang
suara akustik
v = kecepatan aliran fluida
f = frekuensi gelombang suara
akustik yang dilepaskan
f’ = frekuensi gelombang suara
akustik yang diterima
Dari persamaan tersebut akan didapat
data kecepatan aliran fluida yang
bergerak(Capanni,1998). Didalam
atmosfer, fluida tersebut adalah udara
yang bergerak.
3.METODOLOGI
Pada penelitian perancangan SODAR ini
menggunakan metode triaxial bistatic
Doppler sounding. Komponen utama
SODAR ada 2 yaitu sistem pemancar
sinyal dan sistem penerima sinyal.
Untuk satu komponen sistem SODAR
dirancang memiliki skema sebagai
berikut:
Gambar 3.1 Skema pengiriman dan
penerimaan pulsa pada SODAR bistatic.
Sinyal dibangkitkan oleh signal
generator kemudian dikuatkan oleh
amplifier sebagai penguat. Setelah
dikuatkan kemudian sinyal dipancarkan
dengan speaker.
Bila ada sesuatu pergerakan udara di
atmosfer maka akan menimbulkan
hamburan balik dari sinyal yang akan
diterima microphone sebagai sistem
penerima. Diteruskan oleh mixer hingga
kepada PC akuisisi atau komputer
analisis.
3.1 Sistem Pemancar Sinyal
Untuk membuat sistem pemancar sinyal
melewati beberapa proses perancangan
dan pembuatan komponen.
Gambar 3.2 Alur proses pembuatan
sistem pemancar sinyal SODAR
Generator sinyal dibuat menggunakan
komputer untuk mengatur besar
frekuensi sinyal yang dibangkitkan, tipe
sinyal yang digunakan , lama pulsa
terpancar, dan jeda waktu pemancaran
sinyal.
Amplifier dibuat dengan menyesuaikan
daya pancar SODAR yang telah
ditentukan. Besar daya yang diperlukan
oleh sistem SODAR ini adalah 150 Watt
dan beroperasi dengan tegangan input 30
Volt DC.
Gambar 3.3 Rangkaian amplifier
berdaya 150 watt
Amplifier menguatkan sinyal yang
dihasilkan oleh generator sinyal
kemudian diteruskan pada speaker
sebagai akhir pemancar sinyal.
Speaker yang digunakan memiliki rate
power hingga 12 watt dengan impedansi
sebesar 8 !.
Gambar 3.4 Speaker sebagai pemancar
sinyal
3.2 Sistem Penerima Sinyal
SODAR bertipe triaxial bistatic Doppler
sounding memiliki 3 buah penerima.
Setiap penerima terdiri dari sebuah
penangkap sinyal yang terbuat dari
bahan seng(Zinc) dengan sebuah
microphone di dalamnya.
Gambar 3.5 Penangkap sinyal pada
sistem penerima dengan
seng dan microphone
sebagai pengumpul sinyal
Bahan seng(Zinc) dipilih sebagai bahan
utama penangkap sinyal untuk
menghindari melemahnya sinyal yang
diterima dari pemancar. Bahan
seng(Zinc) adalah bahan dengan loss
factor relatif kecil dibandingkan
material padat lainnya.
Microphone yang digunakan memiliki
respon frekuensi antara 30 Hz-20kHz.
Respon ini cukup untuk menangkap
sinyal yang terpancar sebesar 800 Hz.
Namun PC akuisisi atau komputer
analisis hanya memiliki 1 buah sound
card sedangkan sistem SODAR yang
dibangun memiliki 3 buah penerima
untuk itu perlu dibuat mixer untuk
menyatukan masukan dari 3 sistem
penerima.
Gambar 3.6 Rangkaian mixer dengan
low noise amplifier
didalamnya
Gambar 3.7 PC akuisisi tempat
pengolahan data
dilakukan
Setelah masuk kedalam PC akuisisi
input tersebut diolah menggunakan
program – program komputer seperti
Fruity Loop Studio untuk demixerisasi
sinyal, Cool Edit untuk filterisasi data
sinyal, dan Matlab untuk mengolah data
sinyal tersebut menggunakan metode
wavelet untuk mencari nilai pergeseran
frekuensi Doppler. Hasil akhir dari
proses dalam PC akuisisi ini adalah
profil kecepatan angin hingga ketinggian
200 m.
Gambar 3.7 Alur proses penerimaan
sinyal hingga ke
pengolahan data
4. ANALISA HASIL PENGUJIAN
Berdasarkan hasil analisis SODAR
bistatic berbasis pengolahan sinyal
dengan wavelet yang telah diuji selama
22 jam pada tanggal 12 Mei 2012 di
wilayah kampus ITB pada koordinat 060
53’ 374” LS dan 1070 36’ 586” BT.
Pengujian dilakukan hanya pada kondisi
cuaca cerah untuk menghindari
kerusakan komponen SODAR yang
sedang dikembangkan.
Gambar 4.1 Profil angin dengan data
hasil output dari sistem
SODAR
Pengujian selama 22 jam memberikan
hasil berupa kecepatan angin untuk
komponen U dengan nilai yang
bervariasi.Hal ini sesuai dengan
perubahan suhu yang terjadi selama
pengujian sistem SODAR.
Gambar 4.2 Hasil pengujian sistem
SODAR dibandingkan
dengan data hasil dari
pengamatan pilot balon
Hasil pengujian menunjukkan bahwa
pada ketinggian 0 – 100 m kecepatan
angin komponen timur barat berkisar
antara 4 m/s, namun pada ketinggian
diatas 100 m kecepatan turun hingga 4 -
0 m/s. Hasil pengujian tersebut sesuai
dengan hasil pengamatan dengan pilot
balon dimana pada ketinggian 0 – 100 m
kecepatan angin berkisar antara 2 m/s
hingga 4,5 m/s. Artinya hasil output dari
alat SODAR sesuai dengan kenyataan
sebenarnya untuk data pada ketinggian 0
– 100 m.
Dari segi teknis sistem SODAR telah
berjalan dengan baik. Semua perangkat
mulai dari generator sinyal hingga PC
akuisisi memberikan hasil yang
maksimal walau noise yang diharapkan
hilang ternyata masih ada. Noise
tersebut adalah merupakan bawaan dari
komponen – komponen yang digunakan.
5. KESIMPULAN
Kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian ini adalah:
1. Sistem SODAR bistatic yang
dirancang telah dapat berjalan
dengan baik dan telah mampu
mendapatkan data kecepatan angin di
lapisan batas atmosfer.
2. Metode wavelet dapat menjadi
alternatif pengolahan sinyal pada
sistem SODAR.
3. Penggunaan komponen yang lebih
baik dapat meningkatkan kualitas
output dari sistem.
6. DAFTAR PUSTAKA
1. Antoniou, Ioannis., Jorgensen,
Hans E., Ormel, Frank., Bradley,
Stuart., Hunerbein, von Sabine.,
Emeis, Stefan., Warmbier, Gunter.
2003. On The Theory of SODAR
Measurement Techniques. Rise
National Laboratory, Roskilde,
Denmark
2. Capanni, A. 1998. SODAR
application for estimating boundary
layer parameters. LaMMA Journal.
3. Walls, E., Rogers, L. Anthony.,
Manwell, F. James. 2007.
Improving SODAR Data
Processing through the Use of
Wavelet Transforms. Renewable
Energy Research Laboratory,
University of Massachusetts, USA.
Recommended