Gelombang Bunyi

Gelombang bunyi merupakan contoh gelombang mekanik yang membutuhkan medium (zat padat, cair, atau gas) untuk merambat. Bunyi adalah gelombang longitudinal, sehingga rambatannya berupa rapatan dan regangan.

Bunyi yang dapat didengar manusia normal memiliki frekuensi audiosonik (20 Hz – 20.000 Hz). Jika frekuensinya lebih rendah dari 20 Hz disebut infrasonik, sedangkan jika lebih tinggi dari 20.000 Hz disebut ultrasonik. Contohnya adalah hewan seperti jangkrik dan gajah mampu mendengar bunyi infrasonik, sedangkan anjing, kelelawar, dan lumba-lumba mampu mendengar bunyi ultrasonik. Bunyi dengan frekuensi teratur disebut nada, sedangkan tinggi-rendahnya nada bergantung pada frekuensi. Kuat-lemahnya bunyi dipengaruhi oleh amplitudo.

Cepat Rambat Gelombang Bunyi

Gelombang bunyi tidak bisa merambat di ruang hampa, tetapi bisa merambat melalui zat padat, cair, dan gas. Kecepatan bunyi berbeda-beda tergantung mediumnya.

Berdasarkan teori elastisitas, berlaku:

Dengan hubungan impuls, momentum, dan pertambahan panjang, diperoleh:

dengan:

v = cepat rambat bunyi pada zat padat (m/s)

E = modulus Young (N/m²)

L = panjang batang logam (m)

A = luas permukaan batang (m²)

m = massa batang (kg)

t = lama batang bergerak (s)

I = impuls (N·s)

Ketika sebuah benda dipukul di dalam air, bunyinya masih bisa terdengar. Hal ini menunjukkan bahwa bunyi dapat merambat di cairan.

Persamaan cepat rambat bunyi dalam cairan:

dengan:

v = cepat rambat bunyi dalam zat cair (m/s)

B = modulus bulk zat cair (N/m²)

Gelombang bunyi dalam gas berupa gelombang longitudinal (terdiri dari rapatan dan regangan). Berdasarkan hukum Boyle:

Namun hasil percobaan menunjukkan bunyi dalam gas dipengaruhi oleh proses adiabatik, sehingga digunakan:

Dengan menggunakan hukum gas ideal, diperoleh bentuk lain:

dengan:

R = tetapan gas umum (8,31 J/mol·K)

v = cepat rambat bunyi pada gas (m/s)

T = suhu mutlak (K)

Kesimpulannya, cepat rambat bunyi dalam gas tidak dipengaruhi oleh tekanan, tetapi dipengaruhi oleh jenis gas dan suhu.

Hubungan perbandingan kecepatan bunyi pada suhu berbeda:

Resonansi Tabung Udara

Resonansi terjadi ketika suatu benda ikut bergetar karena adanya benda lain yang bergetar di dekatnya dengan frekuensi sama. Resonansi dapat digunakan untuk mengukur cepat rambat bunyi dalam udara.

Sebuah pipa kaca dimasukkan ke dalam air dengan salah satu ujung terbuka. Bila garpu tala digetarkan di atas pipa, bunyi nyaring terdengar pada saat kolom udara memiliki panjang tertentu. Hal ini menandakan terjadinya resonansi.

Untuk resonansi pertama berlaku:

Untuk resonansi selanjutnya:

dengan:

n = urutan resonansi

Percobaan Kundt

Persamaan cepat rambat bunyi dalam udara:

dengan:

f = frekuensi (Hz)

v = cepat rambat bunyi di udara (m/s)

Sonometer dan Pipa Organa

Sonometer – Wikimedia.org

Rumus cepat rambat gelombang menurut Melde:

Frekuensi nada atas pertama (dawai dipetik di tengah sehingga terbentuk 2 segmen):

Untuk nada atas selanjutnya, digunakan:

atau

dengan:

n = 0, 1, 2, 3, …

L = panjang dawai (m)

F = tegangan dawai (N)

Pipa organa menghasilkan bunyi karena udara dalam pipa bergetar. Jika udara ditiup, terbentuk gelombang stasioner. Cepat rambat gelombang pada pipa:

Pipa Organa Terbuka

Kedua ujung terbuka → terbentuk perut. Nada dasar terjadi saat panjang pipa.

Frekuensi nada atas pertama:

Umumnya nada atas:

dengan perbandingan frekuensi:

Pipa Organa Tertutup

Ujung terbuka = perut, ujung tertutup = simpul. Panjang kolom udara untuk nada dasar:

Frekuensi nada dasar:

Frekuensi nada atas umum:

dengan perbandingan frekuensi:

Intensitas dan Taraf Intensitas Bunyi

Gelombang bunyi membawa energi. Energi tiap satuan luas dan satuan waktu disebut intensitas bunyi.

dengan:

I = intensitas bunyi (W/m²)

E = energi bunyi (J)

A = luas bidang yang dilalui bunyi (m²)

t = waktu (s)

P = daya sumber bunyi (W)

Karena telinga manusia peka terhadap rentang intensitas yang sangat luas, digunakan skala logaritmik untuk menyatakan keras-lembutnya bunyi, yaitu taraf intensitas bunyi (TI).

dengan:

TI = taraf intensitas bunyi (dB)

I = intensitas bunyi (W/m²)

Contoh: suara normal sekitar 60 dB, suara mesin jet 120 dB.

Jika ada beberapa sumber identik:

Interferensi Gelombang Bunyi

Karena bunyi merupakan gelombang, maka bunyi dapat saling berinterferensi. Ada dua gejala:

Menggunakan pipa bercabang tetap (CAD) dan variabel (CBD). Perbedaan panjang lintasan menyebabkan perbedaan fase bunyi.

Jika dua sumber bunyi mempunyai frekuensi hampir sama, maka akan terjadi gejala layangan (beat).

Jumlah layangan per detik:

Periode layangan:

Efek Doppler

Efek Doppler adalah perubahan frekuensi bunyi yang terdengar akibat adanya gerak relatif antara sumber bunyi dan pendengar.

Persamaan dasar:

dengan:

v = cepat rambat bunyi (m/s)

Tanda “+” digunakan bila pendengar mendekati sumber atau sumber menjauhi pendengar.

Tanda “–” digunakan bila pendengar menjauhi sumber atau sumber mendekati pendengar.

Jika ada pengaruh angin, maka rumus disesuaikan: