Selasa, 28 Agustus 2012

Gelombang Bunyi


Ketut Ngurah Artawan, s.Pd., M.Pd. 
Sifat Dasar Bunyi
            Misalnya kita memetik salah satu senar pada gitar, maka akan timbul bunyi dari senar tersebut, dan pada saat itu dapat kita perhatikan bahwa senar tersebut bergetar. Saat bunyi senar berhenti dapat kita perhatikan bahwa senar tersebut berhenti bergetar. Hal ini menunjukkan bahwa bunyi timbul akibat getaran suatu benda, di mana getaran tersebut menghasilkan suatu gelombang, kemudian gelombang tersebut merambat dari sumber getaran menuju lokasi lainnya melalui suatu medium.
Berdasarkan arah getar partikel medium tempat bunyi merambat, bunyi merupakan gelombang longitudinal yang terjadi karena adanya rapatan dan renggangan dalam berbagai medium baik itu padat, cair, maupun gas (Tim Penyusun,2002).
Gelombang ini dihasilkan ketika sebuah benda misalnya kita ambil sebuah contoh yaitu garpu tala yang digetarkan dengan cara dipukul. Getaran yang terjadi dapat menimbulkan suatu gangguan kerapatan medium, yaitu medium udara. Gangguan ini kemudian berjalan dalam medium melalui interaksi antar molekul. Getaran antar molekul udara berlangsung sepanjang arah rambatan (perjalanan) hingga dapat diterima sebagai bunyi oleh telinga kita. Jadi gelombang bunyi dapat didengar karena ada sumber bunyi, medium untuk perambatan dan penerima respon (pengamat)
Cepat Rambat Bunyi
Berdasarkan pernyataan di atas, kita mengetahui bahwa, dari sumber ke pengamat, terdapat suatu jarak (s), di mana untuk mencapai telinga pengamat diperlukan waktu (t). Perbandingan antara jarak tempuh dengan selang waktu dinamakan cepat rambat buny., Secara matematis cepat rambat bunyi ditulis sebagai berikut.


 
v= s/t
 



Di mana:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
s  = jarak tempuh (m)
t  = selang waktu (s)
Namun persamaan di atas terlalu sederhana jika dipakai untuk menghitung besarnya cepat rambat bunyi, karena seperti yang kita ketahui dalam medium perambatannya (udara, air, dan zat padat) terdapat berbagai komponen yang mempengaruhi perambatan gelombang bunyi tersebut.
Cepat Rambat Bunyi pada Zat Gas
Pada zat gas yaitu di udara, cepat rambat bunyi sangat bergantung dari suhu udara dan jenis-jenis partikel yang menyusunnya. Jika medium perambatannya berupa gas ideal, maka berdasarkan hal tersebut cepat rambat bunyi  dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
Seperti kita ketahui, persmaan gas ideal yaitu
PV = n RT , di mana volume (V)           maka
Sehingga
            PV = n RT
           
           
           
Di mana
P =
Sehingga
 
Maka
           



Jadi persamaan cepat rambat bunyi dalam gas ideal yaitu:


 
 




(Sumber: Yohannes Surya,2003)
Di mana:
 = konstata Laplace (untuk gas monoatomik,  , dan untuk gas poliatomik  )
R  = konstata gas universal : 8,31 joule/ mol.K
M  = massa relative gas(gram mol)
T  = suhu mutlak (T= Tc+273)K
v  = laju bunyi di dalam gas (m/s)
            Selain bergantung pada suhu dan jenis partikel penyusunnya, cepat rambat bunyi juga bergantung pada suhu dan tekanan udara di mana tekanan tidak berpengaruh secara langsung namun akan memberikan pengaruh terhadap massa jenis udara (sifat inersia). Sedangkan suhu akan berpengaruh terhadap kekuatan interaksi partikel (sifat elastis). Pada tekanan atmosfer, pengaruh suhu terhadap cepat rambat bunyi dalam udara dapat didekati dengan persamaan berikut.


v = (331 m/s) + (0,60 m/soC)T
 
 



(Sumber: Giancoli, 2001)
dengan T adalah suhu udara dalam Celcius.
 Cepat Rambat Bunyi pada Zat Padat
Pada medium zat padat, cepat rambat bunyi bergantung pada modulus Young (E) dan kerapatan (massa jenis) pada zat padat tersebut. Secara matematis ditulis sebagai berikut.




 
 




(Sumber: Yohannes Surya,2003)
Di mana:
v = laju bunyi dalam zat padat(m/s)
E = modulus Young (N/m2)
= massa jenis pada batang (kg/m3)
 Cepat Rambat Bunyi pada Zat Cair
 
Sedangkan pada medium zat cair, cepat rambat bunyi bergantung pada modulus Bulk (B) dan kerapatan (massa jenis) cairan tersebut. Secara matematis ditulis sebagai berikut.


(Sumber: Yohannes Surya,2003)
Di mana:
v = laju bunyi dalam zat cair (m/s)
B = modulus Bulk (N/m2)
= massa jenis pada zat cair (kg/m3)
Pada tabel di bawah ditunjukkan cepat rambat bunyi dalam berbagai medium.

Medium
v (m/s)
Zat Gas
Udara (0o)
Udara (20o)
Hidrogen (0o)
Oksigen (0o)
Helium (0o)

Zat Padat
Aluminium
Tembaga
Besi

Zat Cair
Air
Air Laut
Alkohol


331
343
1286
317
972


5100
3560
5130


1493
1533
1143

Pada tabel di atas dapat kita lihat, cepat rambat bunyi pada udara atau zat gas, zat padat, dan zat cair. Pada zat gas atau udara, dapat kita lihat cepat rambat bunyi berbeda-beda tergantung dari temperatur dan zat penyusun gas tersebut. Pada udara dapat kita lihat semakin besar temperatur maka cepat rambat bunyi semakin besar yaitu pada temperatur 0o C cepat rambat bunyi adalah 331 m/s dan temperatur 20oC cepat rambat bunyi adalah 343 m/s. Selain itu juga dapat kita lihat pada temperatur yang sama cepat rambat bunyi berbeda-beda tergantung dari zat penyusunnya. Yaitu pada suhu 0oC cepat rambat bunyi pada gas hydrogen lebih cepat daripada gas helium dan gas oksigen. Pada udara, semakin tinggi temperature maka cepat rambat bunyi semakin besar. Hal itu dikarenakan semakin tinggi temperature maka kerapatan udara semakin rendah sehingga gelombang bunyi dapat merambat lebih cepat.
            Namun demikian lain halnya pada zat padat, yaitu pada zat padat cepat rambat bunyi justru lebih cepat jika dibandingkan dengan cepat rambat bunyi pada udara dan zat cair, padahal seperti kita ketaui partikel penyusun zat padat jauh lebih rapat dibandingkan dengan zat gas maupun zat cair. Hal itu terjadi karena pengaruh elastisitas bahan, yaitu pada zat padat disebut dengan modulus elastisitas (E) dan pada zat cair disebut modulus bulk (B). pada zat padat, semakin besar modulus elastisitas (bahan tersebut semakin tidak elastis) maka cepat rambat bunyi semakin besar. Seperti pada tabel di atas dapat kita lihat, yaitu cepat rambat bunyi pada besi lebih besar dari pada cepat rambat bunyi pada tembaga. Hal itu disebabkan besi mempunyai modulus elastis yang lebih besar dari pada tembaga (besi lebih tidak elastis dibandingkan dengan tembaga).
            Begitu juga halnya cepat rambat bunyi pada zat cair, semakin besar nilai modulus bulk pada zat cair maka cepat rambat bunyi pada zat cair tersebut akan semakin besar. Pada tabel di atas dapat diperhatikan cepat ranbat bunyi pada air laut lebih besar dari pada cepat rambat bunyi pada air (air tawar) dan alcohol.       

2.3  Klasifikasi Gelombang Bunyi
Telah dijelas bahwa bunyi terjadi akibat benda yang bergetar, serta gelombang bunyi merambat dan ditangkap oleh indra pendengaran sehingga dikatakan bunyi tersebut telah terdengar. Setiap benda yang bergetar memiliki frekuensi tertentu namun tidak semua bunyi dapat ditangkap oleh indera pendengaran manusia, karena indera pendengaran manusia hanya mampu mendengar bunyi dalam jangkauan frekuensi yang terbatas. Telinga normal pada manusia hanya dapat mendengar bunyi dalam rentang 20 Hz sampai 20.000 Hz. Rentang frekuensi ini disebut dengan audiosonik. Sedangkan untuk rentang frekuensi di bawah 20 Hz disebut sebagai frekuensi infrasonik dan frekuensi di atas 20.000 Hz disebut frekuensi ultrasonic.













Gambar 1 Klasifikasi Gelombang Bunyi Berdasar Batas Pendengaran
(Sumber : Efrison Umar,2005)
 
 



Frekuensi infrasonic hanya  dapat didengar oleh hewan-hewan tertentu seperti jangkrik, anjing dan gajah. Sedangkan frekuensi ultrasonic hanya dapat didengar oleh hewan tertentu pula seperti kelelawar dan lumba-lumba.

2.4    Sifat-Sifat Gelombang Bunyi
Gelombang bunyi memiliki beberapa sifat-sifat yang sama halnya gelombang mekanik lain, di mana sifat ini muncul ketika gelombang bunyi bertemu dengan suatu penghalang. Dibawah ini akan dijelaskan beberapa sifat gelombang bunyi.

2.4.1 Pemantulan Gelombang Bunyi
Sama dengan gelombang pada umumnya, apabila gelombang bunyi sampai pada suatu penghalang, maka sebagian gelombang bunyi akan mengalami pemantulan, dan sebagian lagi akan ditransmisikan melewati batas pemantul (diserap). Makin keras permukaan pada suau penghalang, maka makin baik kemampuannya dalam memantulkan bunyi yang datang ke penghalang tersebut. Sebaliknya apabila permukaan penghalang lunak, akan lebih sukar memantulkan bunyi. Jadi dapat dikatakan bahwa karakteristik suatu gelombang pantul sangat dipengaruhi oleh massa jenis  relative medium pada penghalang, serta pecahan sebagian gelombang pantul maupun gelombang yang diteruskan bergantung pada sifat fisis bidang pemantul pada penghalang.









Gambar 2 Pemantulan Gelombang Bunyi
(Sumber : Efrison Umar,2005)
 
 
















Gambar di atas menunjukkan bahwa gelombang bunyi (tanda panah) yang dihasilkan oleh peluit  menyebar ke segala arah, kemudian dalam perambatannya bertemu dengan penghalang seperti pada tembok, dan beton. Pada saat gelombang bunyi mencapai penghalang, gelombang tersebut akan dipantulkan.  

Pemantulan gelombang bunyi oleh suatu bidang penghalang, akan mengarah kepada dua fenomena yaitu gaung/ kerdam dan gema. Gaung atau kerdam akan terjadi apabila bunyi pantul terdengar hampir bersamaan bersamaan dengan bunyi aslinya, sehingga bunyi asli menjadi tidak jelas (Tim Penyusun,2002). Untuk menghindari terjadinya gaung yang sering terjadi dalam gedung-gedung besar, biasanya pada dinding dilapisi zat peredam suara, atau zat kedap udara seperti kain wol, busa, maupun karet. Sedangkan gema adalah bunyi pantul yang terdengar  setelah bunyi asalnya terdengar lebih dahulu, di mana sebagai contoh, kita berteriak di tempat yang terbuka disekitar pegunungan, maka dalam selang waktu yang cukup singkat, maka kita akan mendengarkan bunyi pantul. Ini akibat bidang pemantul yang jauh dari sumber bunyi, (dalam hal ini, bidang pemantul adalah gunung atau bukit)dan bunyi pantul ini akan terdengar setelah bunyi aslinya.

2.4.2 Pembiasan Gelombang Bunyi
Secara umum, pembiasan gelombang terjadi pada saat gelombang merambat dari suatu medium ke medium lain yang kerapatannya berbeda. Peristiwa pembiasan gelombang sangat berkaitan dengan perubahan cepat rambat gelombang bunyi. Contohnya saat bunyi merambat di udara yang berada di atas permukaan air, di mana antara udara yang berada di atas permukaan air dan udara yag berada jauh dari atas permukaan air, memiliki kerapatan berbeda karena pengaruh suhu yang disebabkan oleh air terhadap udara yang berada di atas permukan air.
            Air dapat memperlambat peningkatan suhu udara sehingga udara yang berada di atas permukaan air lebih dingin daripada udara yang jauh dari permukaan air. Dengan demikian sebagian muka gelombang bunyi yang langsung berada di atas permukaan air akan diperlambat, sedangkan bagian muka gelombang jauh dari atas permukaan air akan bergerak lebih cepat.(Efrison Umar, 2005) Akibatnya, gelombang bunyi yang merambat di udara di atas permukaan air akan bergerak lebih lambat sehingga dibiaskan dan berubah arah menuju permukaan air.




 










Pada gambar dapat kita lihat gelombang bunyi merambat di atas air, karena suhu di atas permukaan air lebih rendah daripada suhu udara yang jauh di atas permukaan air, maka gelombang bunyi yang merambat mengalami pembiasan, akibatnya cepat rambat gelombang bunyi yang merambat di permukaan air lebih lambat daripada cepat rambat bunyi yang merambat jauh di atas permukaan air.


2.4.3 Difraksi Gelombang Bunyi
Difraksi gelombang bunyi merupakan pembelokan arah gerak gelombang  bunyi pada saat melewati suatu celah atau bertemu dengan penghalang pada lintasan geraknya. (Efrison Umar,2005). Umumnya gelombang mengalami difraksi saat melewati pintu, jendela,  daerah yang menikung, atau sudut ruangan. Adanya difraksi dalam kehidupan sehari-hari dapat menyebabkan seseorang bisa mendengar suara temannya yang berada di ruangan lain di dalam satu gedung yang sama. Berbagai jenis burung hutan banyak mendapatkan keuntuungan dengan adanya difraksi gelombang bunyi pada panjang gelombang yang lebih besar. Contohnya burung hantu sanggup untuk berkomunikasi jarak jauh dengan burung hantu lainnya disebabkan teriakannya yang memiliki panjang gelombang yang relatif panjang dapat terdifraksi di sekitar pohon-pohon hutan serta dapat terbawa lebih jauh daripada suara burung-burung kecil yang nyaring.

2.4.3 Interferensi Gelombang Bunyi
Interferensi merupakan fenomena yang terjadi akibat dua gelombang saling bertemu di suatu medium.(Efrizon Umar,2005). Akibat peristiwa interferensi, medium akan membentuk suatu pola gelombang sebagai hasil superposisi dua gelombang asalnya. Interferensi gelombang dapat dibedakan menjadi interferensi saling menguatkan dan interferensi saling melemahkan. Pada gelombang transversal, jika puncak dua gelombang saling bertemu maka akan terjadi interferensi saling menguatkan. Jika puncak dan dasar dua gelombang saling bertemu maka akan terjadi interferensi saling melemahkan. Bagaimana halnya dengan gelombang bunyi yang bukan gelombang transversal yang sudah tentu tidak memiliki puncak dan dasar gelombang?
            Bunyi merupakan gelombang longitudinal yang disebut sebagai gelombang tekanan, terdiri dari rapatan dan renggangan. Jika suatu rapatan sebuah gelombang dengan tekanan yang lebih tinggi bertemu dengan rapatan gelombang kedua pada lokasi yang sama, maka akan menimbulkan tekanan yang lebih besar, sehingga terbentuk interferensi saling menguatkan. Jika dua renggangan yang bertekanan lebih rendah saling bertemu pada lokasi yang sama maka akan menimbulkan tekanan yang lebih rendah lagi dan terjadi interferensi saling menguatkan.
            Jika terjadi interferensi antara dua rapatan dan diikuti oleh interferensi antara dua renggangan di suatu lokasi pada sebuah medium, maka kedua gelombang ini akan saling menguatkan dan menghasilkan bunyi yang lebih besar. Keadaan ini terjadi disebabkan oleh partikel medium pada lokasi tersebut bergetar dari tekanan yang sangat tinggi ke tekanan yang sangat rendah. Interferensi saling menguatkan  yang berulang ini akan menghasilkan perut gelombang. Sementara itu apabila rapatan gelombang pertama bertemu dengan renggangan gelombang kedua, maka akan terjadi interferensi yang saling melemahkan akibat peristiwa rapatan yang mendorong partikel medium dan perstiwa renggangan yang menarik partikel medium menyebabkan partikel medium tidak bergerak atau terjadi interferensi saling melemahkan Jika pada suatu lokasi terjadi interferensi saling melemahkan secara berurutan maka bunyi menjadi hilang akibat partikel medium yang berada dalam keadaan diam. Interferensi saling melemahkan yang berulang ini akan membentuk simpul gelombang.
Sebagai contoh dari peristiwa interferensi saling menguatkan yaitu pada pada dua buah pengeras suara A dan B di mana antara A dan B  berjarak d satu sama lain. Kita anggap kedua pengeras suara tersebut memancarkan gelombang bunyi dengan satu frekuensi yang sama dan berfase sama: yaitu, ketika satu pengeras suara melakukan penekanan terhadap partikel udara, yang lainnya juga (kita abaikan pantulan dari dinding, lantai dan sebagainya). Maka peristiwa ini akan menghasilkan interferensi gelombang bunyi yang saling menguatkan.
Seperti pada gambar pada gambar di bawah dapat kita perhatikan garis kurva menunjukkan puncak gelombang yang dihasilkan dari setiap pengeras suara.










Gambar 3 Gelombang Bunyi dari dua pengeras suara yang berinterferensi
(Sumber : Giancoli,2001)
 
 


















Apabila seseorang sedang berada di titik C yang berjarak sama dari pengeras suara, akan mendengar suara yang keras karena terjadi interferensi yang bersifat saling menguatkan (konstruktif). Di pihak lain misalnya seseorang yang berada di titik D pada gambar, hanya sedikit suara yang terdengar karena terjadi interferensi saling melemahkan (destruktif). Selain itu pengaturan jarak (d) antara kedua pengeras suarajuga mempengaruhi koheren atau tidak koherennya gelombang bunyi yang dihasilkan di mana semakin jauh jarak antara dua pengeras suara, maka gelombang bunyi yang diterima oleh pendengar di titik C akan semakin tak koheren sehingga suara yang terdengar pada titik C akan semakin kecil.
Situasi pada gambar 3 di atas mungkin akan lebih jelas jika kita perhatikan pada gambar berikut
















Gambar  Gelombang Bunyi  dengan satu frekuensi dari pengeras suara A  dan B, berinterferensi konstruktif di C dan berinterferensi destruktif di D
(Sumber : Giancoli,2001)
 
 

































Pada titik C gambar (a) terjadi interferensi konstruktif karena kedua gelombang pada saat yang bersamaan memiliki puncak dan atau secara bersamaan memiliki lembah.
Pada titik D gambar (b) gelombang dari pengeras suara B harus menempuh jarak yang lebih jauh daripada gelombang yang dihasilkan oleh pengeras suara A . dengen demikian gelombang B tertinggal di belakang gelombang A. pada gambar (b) dipilih titik E sehingga jarak ED sama dengan jarak AD. Dengan demikian kita lihat bahwa jarak BE persis sama dengan setengah panjang gelombang bunyi tersebut di mana kedua gelombang akan tepat berbeda fase ketika mencapai titik D dan terjadilah interferensi destruktif. Jadi seseorang yang berada di titik D akan mendengar suara yang tidak begitu jelas dibandingkan  dengan seseorang yang berada di titik C.
Perlu diketahui jika pengeras suara memancarkan seluruh jangkauan frekuensi, tidak semua panjang gelombang akan berinterferensi destruktif seperti pada titik D. hanya panjang gelombang tertentu saja yang akan benar-benar berinterferensi destruktif seperti kriteria di atas.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar