Pengertian, Persamaan hingga Contoh Gelombang Bunyi dan Penerapannya
Teknologi ultrasonografi atau USG biasa digunakan untuk melihat perkembangan janin dalam kandungan. Alat ini menggunakan gelombang bunyi yang dipantulkan untuk mengetahui keadaan calon bayi di dalam rahim.
Gelombang bunyi adalah gelombang yang merambat melalui medium tertentu, dan merupakan gelombang mekanik yang digolongkan sebagai gelombang longitudinal. Bunyi memerlukan medium agar dapat merambat dan bisa terdengar.
Udara merupakan medium paling umum digunakan. Saat Anda berbicara, suara yang dikeluarkan dari pita suara akan menggetarkan udara di sekitarnya. Lalu, getaran tersebut merambat hingga akhirnya diterima oleh telinga lawan bicara Anda lewat bunyi atau suara yang dikeluarkan.
Tapi, bukan berarti udara menjadi satu-satunya medium yang bisa menghantarkan suara. Benda padat dan cair pun dapat menjadi medium. Semakin rapat medium, maka semakin cepat bunyi dapat merambat.
Klasifikasi Gelombang Bunyi
Berdasarkan rentang frekuensinya, gelombang bunyi dibedakan menjadi:
- Infrasonik, gelombang bunyi yang memiliki frekuensi 20 Hz.
- Audiosonik, gelombang bunyi yang memiliki frekuensi antara 20--20.000 Hz. Frekuensi inilah yang dapat didengar oleh telinga manusia.
- Ultrasonik, gelombang bunyi yang memiliki frekuensi > 20.000 Hz. Hewan yang dapat mendengar gelombang bunyi ini adalah anjing dan kelelawar.
Rumus Cepat Rambat Bunyi
Gelombang bunyi merambat dengan kecepatan tertentu. Kecepatan bunyi bervariasi antara 330 m/s hingga 5.400 m/s.
Keterangan:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
s = jarak tempuh (m)
t = waktu (s)
1. Melalui Zat Padat
Gelombang bunyi dapat merambat melalui zat padat. Contoh medium rambatan zat padat yaitu alumunium, baja, kaca, dan lain-lain. Rumus menghitung cepat rambat bunyi yang merambat melalui zat padat adalah sebagai berikut:
Keterangan:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
E = modulus young (N/m2)
ρ = massa jenis (Kg/m3)
Modulus young (E ) merupakan ukuran kekakuan suatu bahan zat padat. Nilai modulus young zat padat berbeda-beda.
2. Melalui Zat Cair
Selanjutnya, gelombang bunyi juga dapat merambat melalui zat cair. Medium zat cair dapat berupa air, raksa, helium cair, dan lainnya. Rumus untuk menghitung cepat rambat bunyi dalam zat cair adalah sebagai berikut:
Keterangan:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
B = Modulus Bulk (N/m2)
ρ = massa jenis (Kg/m3)
Modulus Bulk (B) merupakan kecenderungan suatu benda untuk berubah bentuk ke segala arah ketika diberi suatu tegangan ke segala arah.
3. Melalui Udara atau Gas
Gelombang bunyi juga dapat merambat melalui medium udara atau gas. Rumus untuk menghitung cepat rambat bunyi dalam gas adalah sebagai berikut:
Di mana:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
γ = konstanta laplace
R = konstanta gas umum (J/mol K)
T = suhu gas (K)
M = massa molekul relatif gas
Konstanta laplace (notasi γ) adalah perbandingan antara kapasitas kalor gas pada tekanan tetap, dengan kapasitas kalor pada volume tetap. Konstanta laplace dapat dipakai untuk gas monoatomik atau diatomik. Konstanta laplace untuk gas monoatomik adalah:
Sedangkan konstanta laplace untuk gas diatomik dibagi menjadi 3 keadaan yaitu pada suhu rendah, suhu sedang, dan suhu tinggi. Nilainya adalah sebagai berikut:
- Suhu Rendah: Cp= 3/2 nR, Cv= 5/2 nR => 1,62
- Suhu Sedang: Cp= 5/2 nR, Cv= 7/2 nR => 1,4
- Suhu Tinggi: Cp= 7/2 nR, Cv= 9/2 nR => 1,28
Sifat-sifat Gelombang Bunyi
1. Pemantulan (Refleksi)
Bunyi yang dihasilkan dari ruangan tertutup terdengar lebih keras dibandingkan bunyi pada ruangan terbuka. Hal ini terjadi karena adanya pemantulan (refleksi). Pemantulan merupakan keadaan ketika gelombang bunyi yang datang mengenai permukaan suatu medium keras dan kembali ke medium asalnya dengan sudut yang sama.
Bunyi dalam ruangan tertutup terdengar lebih keras karena dinding ruangan terlalu dekat dengan sumber bunyi. Alhasil, bunyi pantul tidak memiliki waktu cukup untuk merambat dan menyebabkan bunyi datang dan bunyi pantul terdengar bersamaan.
Berbeda dengan gema atau suara pantulan yang terjadi jika kita berteriak di sekitar tebing. Jarak antara tebing dan sumber bunyi cukup jauh, sehingga bunyi pantul memerlukan waktu yang cukup lama untuk merambat sampai pendengaran. Akibatnya, bunyi pantul akan terdengar setelah bunyi asli.
2. Pembiasan (Refleksi)
Jika gelombang bunyi merambat dan memasuki medium yang berbeda, gelombang bunyi tersebut akan dibelokkan. Itulah yang disebut dengan pembiasan (refleksi) gelombang bunyi.
Refraksi terjadi jika gelombang bunyi dari suatu medium memasuki medium lain dengan sudut tertentu. Hal inilah yang menyebabkan suara petir pada malam hari terdengar lebih keras dibandingkan siang hari. Pada malam hari, lapisan udara bagian bawah lebih rapat daripada bagian atas sehingga suara petir dari lapisan udara akan dibiaskan mendekati permukaan tanah di bawahnya.
3. Pelenturan (Difraksi)
Difraksi adalah peristiwa pelenturan gelombang ketika melewati celah yang ukurannya setara dengan panjang gelombangnya. Contohnya, ketika seseorang dapat mendengar suara dari ruangan di sebelahnya.
4. Interferensi
Interferensi adalah perpaduan dua gelombang berbeda yang saling berinteraksi pada medium yang sama. Interferensi terbagi menjadi dua macam, yaitu interferensi konstruktif dan interferensi destruktif.
Interferensi konstruktif adalah keadaan saat kedua gelombang yang berinterferensi sefase, sehingga saling memperkuat. Sebaliknya, interferensi destruktif terjadi ketika kedua gelombang yang berinterferensi berbeda fase 180° sehingga saling melemahkan.
5. Pelayangan
Pelayangan bunyi adalah dua bunyi keras atau dua bunyi lemah yang terjadi secara berurutan. Jika kedua gelombang bunyi merambat bersamaan, bunyi paling kuat akan dihasilkan saat fase keduanya sama. Jika kedua getaran berlawanan fase, maka akan menghasilkan bunyi paling lemah.
Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari
Dengan memahami karakteristik gelombang bunyi, para ilmuwan Fisika dapat membuat teknologi yang membantu pekerjaan manusia, contohnya SONAR, Ultrasonografi, dan Echocardiogram.
Teknologi SONAR
Teknologi SONAR dapat digunakan untuk sistem navigasi dengan bunyi pantul ultrasonik. Pada perangkat kamera, teknologi SONAR berguna untuk mendeteksi jarak benda yang akan difoto. Pada kendaraan mobil, teknologi SONAR dapat digunakan untuk mendeteksi jarak benda-benda yang ada di sekitar mobil. Pada pengukur kedalaman laut, teknologi SONAR untuk mengukur kedalaman laut dengan diletakkan di bawah kapal.
Prinsip kerja SONAR adalah berdasarkan pemantulan gelombang ultrasonik. SONAR memiliki dua bagian alat yang memancarkan gelombang ultrasonik yang disebut transmitter (emitter) dan alat yang dapat mendeteksi datangnya gelombang pantul (gema) yang disebut sensor (receiver).
Gelombang ultrasonik dipancarkan oleh transmitter (pemancar) yang diarahkan ke sasaran, kemudian akan dipantulkan kembali dan ditangkap oleh pesawat penerima (receiver). Dengan mengukur waktu yang diperlukan dari gelombang dipancarkan sampai gelombang diterima kembali, maka dapat ditentukan nilai jarak atau kedalaman laut.
Ultrasonografi
Ultrasonografi adalah teknologi yang digunakan untuk mencitrakan bagian dalam tubuh manusia. USG digunakan untuk melihat perkembangan janin dalam kandungan. USG memiliki 3 bagian utama yaitu Transducer, Monitor, dan Mesin USG. Prinsip kerja dari Ultrasonografi menggunakan konsep pemantulan bunyi, yaitu transducer ditempelkan pada organ yang ingin dilihat citra bagian dalamnya.
Di dalam transducer terdapat kristal yang dapat digunakan untuk menangkap gelombang yang disalurkan. Gelombang yang diterima ini masih dalam bentuk gelombang pantulan. Setelah diubah ke dalam bentuk gelombang elektronik dan kemudian masuk ke mesin USG, data elektronik tersebut diubah menjadi data gambar yang ingin ditampilkan ke Monitor.
Echocardiogram
Echocardiogram adalah teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran darah. Kecepatan aliran darah diukur menggunakan efek Doppler. Bunyi ultrasonik diarahkan menuju pembuluh nadi, dan pergerakan gelombang bunyi tersebut mengikuti kecepatan aliran darah.
Contoh Soal Gelombang Bunyi
1. Dengan menggunakan garpu tala berfrekuensi 1.368 Hz dan tabung resonator, bunyi keras pertama terjadi jika panjang kolom udara di atas permukaan air 6,25 cm. Kecepatan bunyi di udara pada saat itu adalah….
Pembahasan:
2. Sebuah sirine pada mobil pemadam kebakaran dengan frekuensi 2.000 Hz mendekati seseorang yang memancarkan bunyi dengan frekuensi yang sama. Bergerak mendekati mobil pemadam kebakaran (saling mendekati).
Jika pemadam kebakaran mendekat dengan kecepatan 30 m/s dan pendengar mendekat dengan kecepatan 20 m/s, maka pelayangan bunyi yang didengar oleh pendengar adalah…