Gelombang Bunyi Bunyi termasuk gelombang mekanik, karena dalam perambatannya bunyi memerlukan medium perantara. Ada tiga syarat agar terjadi bunyi yaitu ada sumber bunyi, medium, dan pendengar. Bunyi dihasilkan oleh benda yang bergetar, getaran itu merambat melalui medium menuju pendengar. Gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal, karena gelombang berosilasi searah dengan gerak gelombang tersebut, membentuk daerah bertekanan tinggi dan rendah (rapatan dan renggangan). Partikel yang saling berdesakan akan menghasilkan gelombang bertekanan tinggi, sedangkan molekul yang meregang akan menghasilkan gelombang bertekanan rendah. Kedua jenis gelombang ini menyebar dari sumber bunyi dan bergerak secara bergantian pada medium. A. Cepat Rambat Bunyi Gelombang bunyi dapat bergerak melalui zat padat, zat cair, dan gas, tetapi tidak bisa melalui vakum, karena di tempat vakum tidak ada partikel zat yang akan mentransmisikan getaran. Kemampuan gelombang bunyi untuk menempuh jarak tertentu dalam satu waktu disebut Kecepatan Bunyi. Kecepatan bunyi di udara bervariasi, tergantung temperatur udara dan kerapatannya. Apabila temperatur udara meningkat, maka kecepatan bunyi akan bertambah. Semakin tinggi kerapatan udara, maka bunyi semakin cepat merambat. Kecepatan bunyi dalam zat cair lebih besar daripada cepat rambat bunyi di udara. Sementara itu, kecepatan bunyi pada zat padat lebih besar daripada cepat rambat bunyi dalam zat cair dan udara. Cepat rambat bunyi di udara bergantung pada jenis partikel yang membentuk udara tersebut. Persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut. Keterangan: γ = konstanta Laplace R = tetapan umum gas (8,31 J/mol K) 1
T = suhu mutlak gas (kelvin) M = massa molekul gas (gram/mol) Cepat rambat bunyi dalam zat padat ditentukan oleh modulus Young dan massa jenis zat tersebut. Persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut. Keterangan: E = modulus Young zat padat (N/m ) ρ = massa jenis zat padat (kg/m 3 ) Di dalam zat cair, cepat rambat bunyi ditentukan oleh modulus Bulk dan kerapatan (massa jenis) cairan tersebut. Persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut. Keterangan: B = modulus Bulk (N/m ) ρ = massa jenis zat cair (kg/m 3 ) Bandingkan kecepatan bunyi dalam aluminium dan air jika modulus Young untuk aluminium 7,0 x 10 10 N/m, massa jenis aluminium.700 kg/m 3, modulus Bulk air =,1 x 10 9 N/m, dan massa jenis air 1.000 kg/m 3. Jawab: Diketahui: E = 7,0 x 10 10 N/m ; ρ al =.700 kg/m 3 ; B =,1 x 10 9 N/m ; ρ air = 1.000 kg/m 3. Kecepatan bunyi di air ternyata lebih kecil daripada kecepatan bunyi dalam aluminium. Hal tersebut disebabkan cairan lebih kompresibel (lebih mudah berubah bentuk) dibandingkan dengan
zat padat (modulus Bulk cairan lebih kecil dibandingkan dengan modulus Young untuk zat padat). Cepat rambat gelombang bunyi di udara pada suhu 0 C adalah 340 m/s. Jika suhu udara naik menjadi 37 C, tentukan cepat rambat gelombang bunyi tersebut. Jawab: Ketika suhu udara naik, kecepatan bunyi akan semakin bertambah. Hal tersebut disebabkan gerakan-gerakan molekul udara yang merambatkan bunyi bertambah cepat. Diketahui: T 1 = 10 + 73 = 93 K; T = 37 + 73 = 310 K; v 1 = 340 m/s Jadi, cepat rambat bunyi bertambah menjadi 349,7 m/s. Tabel 1 menunjukkan cepat rambat bunyi di berbagai materi pada 0 o C dan 1 atm. B. Unsur Bunyi dan Pemanfaatan Gelombang Bunyi Unsur-unsur bunyi antara lain sebagai berikut. 1. Tinggi Nada Bunyi Semakin banyak jumlah getaran yang dihasilkan dalam satu selang waktu tertentu, bunyi yang dihasilkan akan semakin tinggi. nyaring. Pada getaran yang semakin sedikit, bunyi yang terdengar 3
bernada rendah. Hal tersebut membuktikan bahwa tinggi nada bergantung pada frekuensi sumber bunyi.. Kuat Bunyi Kuat bunyi yang dihasilkan bergantung pada amplitude/simpangan getaran. Semakin besar simpangan, maka kuat bunyi yang dihasilkan semakin kuat. 3. Warna Bunyi Warna bunyi merupakan bunyi khas yang ditimbulkan oleh suatu sumber bunyi. Bunyi gitar berbeda dengan bunyi biola, itu karena ada warna bunyi. Perbedaan tersebut terjadi karena gabungan nada atas dan nada dasar dari sumber bunyi berbedabeda walaupun frekuensinya sama. 4. Batas Pendengaran Manusia dan hewan dilengkapi dengan alat pendengaran. Namun, kemampuan pendengarannya berbeda-beda. Batas kemampuan pendengaran diukur berdasarkan frekuensi bunyi. Manusia normal memiliki batas pendengaran antara 0 hertz sampai dengan 0.000 hertz. Daerah frekuensi tersebut dinamakan frekuensi audio. sedangkan daerah frekuensi di bawah 0 hertz disebut infrasonik, daerah di atas frekuensi dengar atau di atas 0.000 hertz disebut ultrasonik. Beberapa hewan mampu mendengar bunyi ultrasonik, bahkan hewan seperti kelelawar yang memiliki alat penglihatan tidak sebaik alat pendengarannya, menggunakan bunyi ultrasonik untuk mengetahui benda yang ada di depannya. Sebuah alat sonar digunakan untuk mengukur kedalaman laut. Selang waktu yang dicatat oleh sonar untuk gelombang perambatan sampai kembali lagi ke sonar adalah 1 sekon. Jika cepat rambat gelombang di dalam air laut adalah 1.500 m/s, tentukanlah kedalaman laut tersebut. Jawab: Diketahui: v = 1.500 m/s; t = 1 s. 4
s = v (1/ t ) = 1.500 m/s x ½ x 1 s = 750 meter. Jadi, laut tersebut memiliki kedalaman 750 meter. C. Intensitas dan Taraf Intensitas Pada dasarnya gelombang bunyi adalah rambatan energi yang berasal dari sumber bunyi yang merambat ke segala arah, sehingga muka gelombangnya berbentuk bola (sferis). Intensitas bunyi adalah energi gelombang bunyi yang menembus permukaan bidang tiap satu satuan luas tiap detiknya. Apabila suatu sumber bunyi mempunyai daya sebesar P watt, maka besarnya intensitas bunyi di suatu tempat yang berjarak r dari sumber bunyi dapat dinyatakan : P P I A 4π r dengan : I = intensitas bunyi (watt/m ) P = daya sumber bunyi (watt, joule/s) A = luas permukaan yang ditembus gelombang bunyi (m ) r = jarak tempat dari sumber bunyi (m) Jika titik A berjarak r 1 dan titik B berjarak r dari sumber bunyi, maka perbandingan intensitas bunyi antara titik A dan B dapat dinyatakan dalam persamaan : I A r I B r Dikarenakan keterbatasan pendengaran telinga manusia, maka para ahli menggunakan istilah dalam intensitas bunyi dengan menggunakan ambang pendengaran dan ambang perasaan. Intensitas ambang pendengaran (I o ) yaitu intensitas bunyi terkecil yang masih mampu didengar oleh telinga, Besarnya ambang pendengaran berkisar pada 10-1 watt/m. Intensitas ambang perasaan yaitu intensitas bunyi yang terbesar yang masih dapat didengar telinga tanpa menimbulkan rasa sakit. Besarnya ambang perasaan berkisar pada 1 watt/m. 1 5
Sebuah sumber bunyi memiliki daya 10π watt dipancarkan secara sferis ke segala arah. Tentukan intensitas bunyi yang terukur oleh pendeteksi yang diletakkan di titik : a. A berjarak 10 m dari sumber b. B berjarak 0 m dari sumber Penyelesaian : Diketahui : P = 10π watt R A = 10 m R B = 0 m a. Intensitas di titik A sebesar : b. Intensitas di titik B : Perbandingan intensitas bunyi antara titik A dan B dapat dinyatakan dalam persamaan : I A r I B r Dari hubungan di atas dapat ditentukan intensitas di titik B sebagai berikut. 1 Para ilmuwan menyatakan mengukur intensitas bunyi tidak dalam watt/m melainkan dalam satuan db (desi Bell) yang dinyatakan dengan Taraf Intensitas bunyi (TI). 6
Taraf intensitas bunyi merupakan perbandingan nilai logaritma antara intensitas bunyi yang diukur dengan intensitas ambang pendengaran (I o ) yang dituliskan dalam persamaan : log I TI 10 log I o dengan : TI = taraf intensitas bunyi (db = desi bell) I = intesitas bunyi (watt/m ) I o = intensitas ambang pendengaran (I o = 10-1 watt/m ) Suatu sumber bunyi dengan daya 1,56 watt memancarkan gelombang bunyi berupa gelombang speris. Intensitas ambang pendengaran 10-1 watt/m. Tentukan taraf intensitas bunyi pada jarak 100 meter dari sumber bunyi! Penyelesaian : Diketahui : P = 1,56 watt I o = 10-1 watt/m r = 100 m Ditanyakan: TI =...? Jawab : Intensitas bunyi pada jarak 100 m dari sumber bunyi adalah : Taraf Intensitas bunyi pada jarak 100 meter dari sumber bunyi adalah : Seekor tawon yang berjarak m dari pendeteksi memiliki taraf intensitas 40 db. Tentukan : a. intensitas bunyi tawon pada tempat itu, b. taraf intensitas jika ada 1000 tawon, 7
Penyelesaian : R 1 = m TI 1 = 40 db n = 1000 a. Intensitas bunyi seekor tawon memenuhi : b. Taraf intensitas 1000 tawon memenuhi : TIn = TI 1 + 10 log n = 40 + 10 log 1000 = 70 db D. Efek Doppler Efek Doppler adalah perubahan frekuensi yang diterima pendengar dibanding dengan frekuensi sumbernya akibat gerak relatif pendengar dan sumber. Gejala perubahan frekuensi ini ditemukan oleh Christian Johanm Doppler (1803-1855), seorang fisikawan Austria. Secara matematis efek Doppler dinyatakan sebagai berikut. v v p fp fs v v s dengan : f p = frekuensi bunyi yang diterima pendengar (Hz) f s = frekuensi bunyi sumber (Hz) v = cepat rambat bunyi di udara (m/s) v s = kecepatan sumber bunyi (m/s) v p = kecepatan pendengar (m/s) (±) = operasi kecepatan relatif, (+) untuk kecepatan berlawanan arah ( ) untuk kecepatan searah 8
Mobil ambulan bergerak dengan kecepatan 0 m/s sambil membunyikan sirinenya yang memiliki frekuensi 1000 Hz. Pada saat itu ada seseorang yang mengendarai sepeda motor sedang berpapasan dengan ambulan. Kecepatan sepeda motornya 10 m/s. Berapakah frekuensi sirine yang diterima pengendara sepeda motor itu jika kecepatan bunyi saat itu 340 m/s? Penyelesaian v = 340 m/s v s = 0 m/s, v p = 10 m/s f s = 1080 Hz Perhatikan gambar gerak relatif mobil ambulan dan sepeda motor pada Gambar berikut. v p searah v, jadi (v v p ) v s berlawanan v, jadi (v + v s ) Maka frekuensi yang diterima pengendara sepeda motor adalah : Sebuah sumber bunyi dengan frekuensi 104 Hz bergerak mendekati pendengar dengan kecepatan 34 m/s. Kecepatan rambat bunyi di udara 340 m/s. Jika pendengar menjauhi sumber bunyi dengan kecepatan 17 m/s, maka berapa frekuensi bunyi yang diterima pendengar? Penyelesaian f s = 104 Hz, v = 340 m/s v p = 17 m/s, v s = 34 m/s 9
Perhatikan ilustrasi berikut : v s dan v p sama-sama searah dengan v, maka : E. Sifat-Sifat Gelombang Bunyi Sifat-sifat umum tentang gelombang, yaitu pembiasan (refraksi), pemantulan (refleksi), pelenturan (difraksi), interferensi, dan polarisasi. Bunyi merupakan salah satu bentuk gelombang. Oleh karena itu, gelombang bunyi juga mengalami peristiwaperistiwa tersebut. 1. Pemantulan Gelombang Bunyi Mengapa saat Anda berteriak di sekitar tebing selalu ada bunyi yang menirukan suara Anda tersebut? Mengapa suara Anda terdengar lebih keras ketika berada di dalam gedung? Kedua peristiwa tersebut menunjukkan bahwa bunyi dapat dipantulkan. Bunyi pantul dapat memperkuat bunyi aslinya. Itulah sebabnya suara musik akan terdengar lebih keras di dalam ruangan daripada di lapangan terbuka.. Pembiasan Gelombang Bunyi Sesuai dengan hukum pembiasan gelombang bahwa gelombang yang datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal atau sebaliknya. Pada siang hari, suhu udara di permukaan lebih tinggi daripada di atasnya. Hal tersebut menyebabkan lapisan udara pada bagian atas lebih rapat daripada di bawahnya. Sehingga, pada siang hari arah rambat bunyi dibiaskan menjauhi garis normal (melengkung ke atas). Akibatnya, suara teriakan yang cukup jauh pada siang hari terdengar kurang jelas. 10
Sebaliknya, pada malam hari lapisan udara di permukaan lebih rapat daripada di atasnya. Sehingga, arah rambat bunyi dibiaskan mendekati garis normal (melengkung ke bawah). Akibatnya, suara teriakan yang cukup jauh pada malam hari terdengar lebih jelas. 3. Difraksi Gelombang Bunyi Difraksi adalah peristiwa pelenturan gelombang ketika melewati celah, yang ukuran celahnya se-orde dengan panjang gelombangnya. kaca pembatas loket pembayaran di sebuah bank yang sengaja dibuat dengan beberapa lubang kecil agar gelombang bunyi tidak memantul, walaupun arah rambat bunyi tidak berupa garis lurus. Gelombang bunyi mudah mengalami difraksi karena gelombang bunyi di udara memiliki panjang gelombang sekitar beberapa sentimeter sampai beberapa meter. Bandingkan dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang berkisar 500 mm. 4. Interferensi Gelombang Bunyi Interferensi Gelombang Bunyi terjadi jika beda lintasannya merupakan kelipatan bilangan bulat dari setengah panjang gelombang bunyi, secara matematis dituliskan sebagai berikut. dengan n = 0, 1,, 3,... n = 0, n = 1, dan n = berturut-turut untuk bunyi kuat pertama, bunyi kuat kedua, dan bunyi kuat ketiga. 5. Pelayangan Bunyi Interferensi yang ditimbulkan dari dua gelombang bunyi dapat menyebabkan peristiwa pelayangan bunyi, yaitu penguatan dan pelemahan bunyi. Hal tersebut terjadi akibat superposisi dua gelombang yang memiliki frekuensi yang sedikit berbeda dan merambat dalam arah yang sama. Jadi, satu pelayangan didefinisikan sebagai dua bunyi keras atau dua bunyi lemah yang terjadi secara berurutan, (layangan = kuat lemah kuat atau lemah kuat lemah). Jika kedua gelombang bunyi tersebut merambat bersamaan, akan menghasilkan bunyi paling kuat saat fase keduanya sama. Jika kedua getaran berlawanan fase, akan dihasilkan bunyi paling lemah. 11
Secara matematis pelayangan bunyi dapat dinyatakan sebagai berikut : f p = f 1 - f Keterangan: f p = frekuensi pelayangan (Hz) f = frekuensi gelombang (Hz) f 1 = frekuensi gelombang 1 (Hz) Pipa organa A menghasilkan frekuensi fa = 1005 Hz, pipa organa B menghasilkan frekuensi fb = 1000 Hz. Jika pipa organa dibunyikan bersama-sama, berapakah frekuensi pelayangannya? Penyelesaian : Diketahui : f A = 1005 Hz f B = 1000 Hz Terjadi pelayangan jika beda frekuensinya kecil berarti pipa organa A dan pipa organa B menghasilkan pelayangan : f p = f A - f B = 1005 1000 = 5 Hz. 1