GELOMBANG BUNYI

G E L O M B A N G

Definisi

Gelombang adalah getaran yang merambat gerak gelombang dapat dipandang sebagai

perpindahan momentum dari suatu titik di dalam ruang ke titik lain tanpa perpindahan

materi Rumus dasar gelombang adalah :

Klasifikasi Gelombang Bunyi

          Tidak semua bunyi yang ada disekitar dapat ditangkap oleh telinga manusia normal. Berdasarkan kemampuan telinga manusia dalam menangkap bunyi atau berdasarkan frekuensinya, gelombang bunyi diklasifikasikan dalam jenis-jenis :

•        A. Infrasonik
      Adalah gelombang bunyi yang frekuensinyakurang dari 20 Hz. Bunyi dengan frekuensi pada rentang ini tidak dapat didengar oleh telinga manusia, tetapi dapat didengar oleh binatang-binatang tertentu seperti jangkrik.
         B. Audiosonik
      Adalah gelombang bunyi yang frekuensinya diantara 20 Hz sampai dengan 20.000 Hz. Bunyi pada rentang inilah yang dapat didengar oleh telinga manusia. Rentang frekuensi ini disebut jangkauan pendengaran.
        C. Ultrasonik
       Adalah bunyi yang memiliki frekuensi di atas 20.000 Hz. Bunyi pada rentang frekuensi ini tidak dapat didengar manusia, tetapi dapat didengar oleh beberapa jenis binatang seperti anjing (sampai dengan 50.000 Hz) dan kelelawar (sampai dengan 100.000 Hz).
  Bunyi dapat juga dibedakan atas nada (bunyi yang teratur) dan desah (bunyi yang tidak teratur). Keras lemahnya bunyi ditentukan oleh amplitudonya, sedang tinggi rendahnya bunyi ditentukan oleh frekuensinya. Bunyi khas yang dihasilkan oleh sesuatu atau sesorang disebut timbre (warna suara). Dengan timbre inilah kita dapat membedakan seseorang dari orang lainnya tanpa melihat orangnya.

Sifat-Sifat Gelombang Bunyi

Pemantulan Bunyi (refleksi)

  Saat gelombang bunyi bergerak menembus udara,gelombang bunyi itu mendorong molekul udara di depannya. Partikel-partikel udara ini kemudian menabrak lebih banyak partikel lainnya dan mendorongnya dalam serangkaian gelombang. Ketika gelombang ini mencapai telingamu,kamu mendengarnya sebagai bunyi.Rambatan gelombang bunyi dari sumber bunyi tidak selalu langsung sampai ketelinga gelombang bunyi dapat saja terpantulkan untuk sampai ke pendengar. 

    Jika sebuah gelombang bunyi mengalami pemantulan,maka waktu yang dibutuhkan untuk sampai pada pendengar semakin lama, karena jarak tempuh yang semakin besar. Jarak antara sumber bunyi dengan tempat pemantulan dinyatakan dalam persamaan:

Sifat pemantulan gelombang bunyi kemudian dimanfaatkan orang untuk mengukur jarak suatu benda dengan sumber bunyi. sonar merupakan alat yang sering digunakan pada kappal untuk mendeteksi jarak suatu objek dengan kapal, termasuk juga kedalaman laut.

    Sonar merupakan singkatan dari sound navigation and ranging adalah sistem deteksi dengan menggunakan pantulan gelombang bunyi untuk navigate dalam air. Sistem ini banyak digunakan pada kapal dan kapal selam untuk mendeteksi kedalaman laut maupun mendeteksi sasaran atau objek dibawah permukaan air laut.

    Type gelombang yang digunakan dalam sonar adalah gelombang ultrasonik. Pulsa gelombang ini dipancarakan oleh sebuah generator pembangkit gelombang ultrasonik dan pemantulannya akan dideteksi menggunakan mikropon yang sangat peka yang disebut hydrophone. Sebagaimana radar, alat ini juga dilengkapi layar untuk menampilkan posisi objek dibawah permukaan air laut.

Pembiasan Bunyi (refraksi)

    Salah satu sifat gelombang adalah mengalami pembiasan (refraksi). Peristiwa pembiasan dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada malam hari bunyi petir terdengar lebih keras daripada siang hari. Hal ini disebabkan karena pada siang hari udara lapisan atas lebih dingin daripada dilapisan bawah. Karena cepat rambat bunyi pada suhu dingin lebih kecil daripada suhu panas maka kecepatan bunyi dilapisan udara atas lebih kecil daripada dilapisan bawah, yang berakibat medium lapisan atas lebih rapat dari medium lapisan bawah. Hal yang sebaliknya terjadi pada malam hari. Jadi pada siang hari bunyi petir merambat dari lapisan udara atas kelapisan udara banyak. Maka refraksi adalah peristiwa membiasnya atau membeloknya arah perambatan gelombang bunyi karena melewati material yang berbeda kerapatannya. Seperti gambar dibawah ini.

Gambar 1.  Refraksi atau pembiasan rambatan gelombang bunyi ketika melewati material dengan kerapatan molekul yang berbeda-beda. Ketika melalui molekul yang lebih rapat, gelombang bunyi akan membias ke bawah dan sebaliknya.

Interferensi Bunyi

          Untuk memahami interferensi, cobalah kamu lempar dua buah kerikil yang ukurannya hampir sama  pada sebuah kolam air yang tenang, jika kedua krikil jatuh pada tempat berdekatan, riak gelombang yang dihasilkan akan saling bertemu. Pertemuan antara kedua riak gelombang tersebut menggambarkan adanya pola interferensi gelombang. Hal sama juga akan terjadi jika dua gelombang bunyi yang berdekatan bertemu.

          Interferensi bunyi terjadi jika dua buah bunyi yang koheren sampai ketelinga kita. Pada suatu titik bunyi akan terdengar lebih kuat jika titik tersebut terjadi inteferensi konstruktif (saling memperkuat), sebaliknya akan terdengar lemah jika terjadi interferensi destruktif (saling memperlemah).

Keterangan:

(a) Interferensi maksimum (interferensi konstruktif) dua gelombang sefase

(b) Interferensi minimum (interferensi destrktif)dua gelombang berlawanan fase

Gambar 2. Bentuk interferensi gelombang bunyi

Difraksi Bunyi

Difraksi bunyi adalah gejala akustik yang menyebabkan gelombang bunyi dibelokkan atau dihamburkan. Gelombang bunyi sangat mudah mengalami difraksi karena gelombang bunyi diudara memiliki panjang gelombang dalam rentang sentimeter sampai beberapa meter. Seperti yang kita ketahui, bahwa gelombang yang lebih panjang akan lebih mudah didifraksikan. Peristiwa difraksi terjadi misalnya saat kita dapat mendengar suara mesin mobil ditikungan jalan walaupun kita belum melihat mobil tersebut karena terhalang oleh bangunan tinggi dipinggir tikungan atau seseorang yang berteriak di balik bangunan, maka teriakan itu terdengar oleh orang yang berada di balik bangunan.

      

Gambar 3. Bunyi akan terdifraksi jika dalam perambatannya mengenai benda keras

Cepat Rambat Bunyi

Bunyi dapat merambat melalui berbagai medium, baik padat, gas, maupun cair. Seperti bunyi Guntur yang dapat merambat dalam medium gas. Laju gelombang bunyi pada suatu medium bergantung dari sifat medium tersebut. Laju gelombang bunyi dalam fluida dirumuskan sebagai berikut.                       

  

Selain gelombang bunyi dapat merambat melalui fluida, gelombang bunyi juga dapat merambat melalu zat padat. Pada zat padat, misalnya besi, laju bunyi pada zat padat dirumuskan sebagai berikut.

Bunyi juga dapat merambat pada medium gas, perambatan bunyi pada medium gas dapat dirumuskan sebagai berikut :

Resonansi Bunyi

     Pernahkah kamu memainkan gitar akustik? Gitar akustik merupakan alat musik yang terdiri atas senar yang terentang dengan ketegangan tertentu, dan kolom resonansi. Senar gitar yang dipetik dapat menghasilkan gelombang berdiri yang memiliki frekuensi alami atau frekuensi resonansi senar. Pada saat senar gitar dipetik, udara yang ada dalam ruangan pada bagian gitar tersebut ikut bergetar dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi getaran dawai. Peristiwa ini disebut dengan resonansi. Resonansi menghasilkan pola gelombang stasioner yang terdiri atas perut dan simpul gelombang dengan panjang tertentu.

Gambar 4. Ruang resonansi pada gitar

Pada saat berdiri terjadi pada senar  maka senar akan bergetar pada tempatnya. Pada saat frekuensinya sama dengan frekuensi resonansi, hanya diperlukan sedikit usaha untuk menghasilakan amplitudo besar. Hal inilah yang terjadi saat senar dipetik. Contoh lain peristiwa resonansi adalah pada pipa organa. Ada dua jenis pipa organa, yaitu pipa organa terbuka dan pipa organa tertutup.

a.      Pada pipa organa terbuka bagian ujungnya terbuka. Nada dasar pipa organa terbuka (f₀) bersesuaian dengan pola sebuah perut pada bagian ujung dan sebuah simpul pada bagian tengahnya. Perhatikan gambar 6-8 berikut ini :

Frekuensi nada dasar  dapat dihitung sebagai berikut :

a.      Pipa organa tertutup

Pada pipa organa tertutup pola resonansinya dapat kita lihat pada gambar 9-10 berikut :

    

    

  

Frekuensi nada dasar dapat dihitung sebagai berikut :

ENERGI GELOMBANG BUNYI

          Gelombang mekanik dapat merambat dari tempat satu ke tempat lain melalui medium yang bermacam-macam. Gelombang merupakan rambatan energi. Dengan demikian, gelombang mempunyai energi. Jika udara atau gas dilalui gelombang bunyi, partikel-partikel udara akan bergetar sehingga setiap partikel akan mempunyai energi sebesar , dengan k adalah tetapan dan y adalah simpangan getaran. Frekuensi getarannya dapat ditulis sebagai berikut :

                           

                                                                               

a.     Intensitas Gelombang Bunyi

Energi gelombang yang berpindah dinyatakan dalam intensitas gelombang. Intensitas gelombang (I) merupakan daya gelombang yang dipindahkan melalui bidang seluas satu satuan luas secara tegak lurus terhadap arah cepat rambat gelombang.

                                                                                                                     

      






 Jika sumber bunyi berupa titik, energy gelombangnya akan merambat ke segala arah dengan intensitas yang sama. Makin jauh dari sumber bunyi, intensitasnya makin kecil. Karena daya yang dipancarkan ke segala arah sama, intensitas bergantung pada luas penampang yang ditembus bunyi seluas 4πr². Hal itu disebabkan luasan yang ditembus bunyi berbentuk bola dengan jari-jari r. Dengan demikian, intensitas gelombang bunyi berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya I ∞ .

b.    Taraf Intensitas Bunyi

Intensitas bunyi terendah yang bisa diterima telinga manusia adalah I = 10^-12 Wm^-2. Nilai intensitas disebut harga ambang intensitas bunyi. sementara itu, intensitas bunyi yang masih dapat diterima telinga manusia tanpa rasa sakit adalah 10^-4 Wm^-2. Oleh karena interval intensitas bunyi yang dapat merangsang pendengaran manusia itu besar, intensitas bunyi menggunakan skala logaritmik, bukan skala linear. Logaritma perbandingan antara intensitas bunyi dan harga ambang intensitas bunyi dinamakan taraf intensitas bunyi (TI).

                                                                                                       

Tingkat intensitas bunyi ambang pendengaran adalah 0 dB. Sedangkan ambang rasa sakit karena bunyi adalah 120 dB. Hal ini bersesuaian dengan intensitas bunyi antara 10^-12 Watt/m² sampai 1 Watt/m².

EFEK DOPPLER

          Jika kita berdiri di pinggir jalan kemudian melintas sebuah ambulans dengan sirine yang berbunyi, kita akan mendengar frekuensi sirine yang relative lebih tinggi dari frekuensi sirine yang sebenarnya. Sebaliknya frekuensi sirine akan terdengar lebih rendah ketika ambulans bergerak menjauhi kita. Peristiwa naik-turunnya frekuensi bunyi semacam ini disebut efek Doppler.    

          Efek Doppler adalah efek dimana seorang pengamat merasakan perubahan frekuensi dari suara yang didengarnya manakala ia bergerak relatif terhadap sumber suara. Jika sumber bunyi relatif mendekati pendengar, frekuensi bunyi yang didengar lebih tinggi daripada frekuensi sumber  bunyi sebenarnya. Sebaliknya jika sumber bunyi relatif menjauhi pendengar maka frekuensi bunyi yang didengar lebih rendah. Efek ini ditemukan oleh seorang ahli fisika Austria Christian Doppler pada tahun 1842. Untuk menghormati penemuan tersebut maka efek ini disebut Efek Doppler.

Persamaan efek Doppler :

1.     

Tanda v_p dan v_s :

Jika P adalah pendengar dan S adalah sumber bunyi.

1.  P bergerak mendekati S, maka v_p diberi tanda (+) sehingga f_p > f_s.

2.  P bergerak menjauhi S, maka v_p diberi tanda (-) sehingga f_p < f_s.

3.  S bergerak mendekati P, maka v_s diberi tanda (+) sehingga f_p > f_s.

4.  S bergerak menjauhi P, maka v_s diberi tanda (-) sehingga f_p < f_s.

5.  P dan S diam, maka v_p = v_s = 0 sehingga f_p = f_s.

LAYANGAN (BEAT)

          Pernahkah anda mendengar suara yang kadang-kadang terdengar, melemah, hilang, kemudian terdengar lagi dan terjadi secara beruntun? Peristiwa seperti itu dinamakan layangan. Layangan terjadi apabila dua buah bunyi yang mempunyai beda frekuensi berinterferensi sehingga terjadi penguatan dan pelemahan bunyi. oleh karena itu, terjadi perubahan intensitas bunyi dan perubahan amplitudo secara periodik. Satu layangan sama dengan gejala keras-lemah-keras atau lemah-keras-lemah. Satu layangan juga disebut periode layangan. 

          Pada gambar di atas terlihat bahwa periode interferensi dua gelombang (T_g) sama dengan dua kali periode layangan (T₁). Periode interferensi ditandai dengan gejala keras-lemah-keras-lemah-keras atau lemah-keras-lemah-keras-lemah sehingga

                                                                                        

       

                                                                                                                  

                                                                            

                                                                                                                       

APLIKASI GELOMBANG BUNYI

          Telinga manusia normal dapat menangkap bunyi yang mempunyai frekuensi 20 Hz hingga 20.000 Hz atau sering kita kenal dengan bunyi audiosonik. Gelombang bunyi diatas 20.000 Hz  merupakan bunyi ultrasonik, bunyi ini dihasilkan oleh serangga seperti jangkrik, sedangkan bunyi yang memiliki frekuensi dibawah 20 Hz dikenal dengan infrasonic.

          Gelombang ultrasonik dimanfaatkan oleh para ahli dalam banyak hal, diantaranya sistem pengujian tidak merusak (NDT-non destructive testing). Sistem pengujian itu banyak digunakan dalam dunia industi dan medis.

1.     Penggunaan dalam Industri

Suatu alat yang bernama reflektoskop digunakan untuk mendeteksi cacat yang terkandung dalam besi tuang. Cacat pada pelek mobil diperiksa dengan menggunakan alat ini. Gelombang ultrasonik juga digunakan untuk mempercepat beberapa reaksi kimia, mengugurkan ikatan antara partikel kotoran dan bahan kain serta menggetarkan debu yang melekat sehingga lepas.

2.     Penggunaan dalam Medis

Ultrasonik digunakan untuk mengamati cacat-cacat dalam jaringan hidup. Sifat reflektif jaringan normal dan jaringan abnormal cukup jelas untuk dibedakan secara ultrasonik. Alat diagnosis dengan ultrasonik digunakan untuk menemukan beberapa penyakit berbahaya di dada atau payudara, otak, hati, dan beberapa organ lainnya. Pengamatan ultrasonik pada wanita hamil dapat memperlihatkan janin di uterus.

Gambar 12. Janin dalam perut ibunya

3.     Menduga Kedalaman Laut

Selain digunakan dalam dunia Industri dan Medis, gelombang ultrasonik juga digunakan dalam dunia kelautan. Untuk menduga kedalaman laut, digunakan alat yang dinamakan soanar (sound navigation ranging). Sonar menghasilkan gelombang suara yang dikirim dari suatu piranti dan dipantulkan kembali oleh dasar laut atau samudra. Alat ini juga digunakan untuk menemukan letak suatu benda yang berda di bawah permukaan laut.