#BelajarDariRumah : Aplikasi Gelombang Bunyi

Maman Wijaya, 2020, mamanwjy@gmail.com, www.mamanwijaya.com

.

Apakah Efek Doppler itu dan untuk apa saja penerapan?

Sumber bunyi yang diam memancarkan gelombang bunyi secara merata ke seluruh bagian. Walaupun intensitasnya semakin jauh dari sumber semakin berkurang, tetapi frekuensinya di setiap titik yang diam adalah sama.

Bila sumber bunyi itu bergerak atau bila titik pengamatannya kita gerakkan sehingga jarak antara titik pengamatan dengan sumber bunyi itu berubah, maka frekuensinya juga berubah. Akibatnya frekuensi bunyi yang diterima oleh pengamat berbeda dengan frekuensi sumbernya. Peristiwa demikian disebut Efek Doppler.

Timbulnya efek Doppler tersebut adalah karena adanya perubahan kecepatan relatif antara sumber bunyi dengan pengamat. Secara fisis efek Doppler dilukiskan pada gambar berikut. Sumber getaran dari vibrator menggetarkan permukaan air pada tangki riak.

.

.

Ketika sumber penggetarnya dibiarkan bergetar di tempat, lingkaran-lingkaran gelombang pada permukaan air berbentuk bulat dengan kerapatan yang sama. Tetapi ketika sumber getaran (pengetar) digerakkan ke kanan, tampak gelombang-gelombang yang ada di sebelah kanan menjadi lebih rapat, yang berarti bahwa frekuensinya lebih besar dari frekuensi sumber. Sementara gelombang yang ada di sebelah kiri, yang dijauhi oleh sumber getar, menjadi lebih renggang yang berbarti frekuensinya lebih kecil dari frekuensi sumbernya.

.

.

Contoh dari efek Doppler yang sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari diantaranya adalah bunyi klakson mobil ketika mobil itu melintas di depan kita. Saat mobil mendekat, frekuensi bunyi klakson lebih tinggi, sedangkan saat mobil menjauh, frekuensinya mengecil. Kita mersakan bunyi klakson tersebut meninggi dan merendah.

Efek Doppler dapat kita manfaatkan untuk mengamati benda-benda, apakah bergerak mendekat atau menjauh, dan dengan kecepatan berapa gerakannya itu, serta berapa jaraknya. Misalnya kita membuat suatu alat yang mampu memancarkan gelombang bunyi atau gelombang ultrasonik, lalu bila mengenai sauatu benda (obyek), gelombang tadi akan dipantulkan dan dapat diterima lagi oleh alat kita.

Bila antara obyek dan alat kita terjadi perubahan jarak (mendekat atau menjauh), maka frekuensi gelombang yang dipancarkan dan yang diterima kembali akan berbeda. Perbedaan frekuensi ini dapat menimbulkan bunyi pelayangan. Kita akan mendengan bunyi mengeras dan melemah saling berganti. Bunyi pelayangan akan semakin sering bila obyeknya mendekat, sebaliknya akan semakin jarang jika obyeknya menjauh.

Dewasa ini efek Doppler banyak dimanfaatkan untuk mengamati gerak bintang dan galaksi. Suatu bintang yang sedang bergerak menjauhi pengamatan, spektrumnya bergerak ke arah warna merah, atau dengan kata lain panjang gelombang cahayanya menjadi lebih panjang dan frekuensinya menjadi lebih besar. Sebaliknya bintang yang sedang bergerak mendekati pengamatan, spektrum cahayanya bergerak ke arah warna biru atau ungu, panjang gelombangnya mengecil dan frekuensi gelombang cahayanya membesar.

.

Bagaimana Penerapan Gelombang Bunyi pada Pengujian-Tak-Merusak (Non Destructive Testing (NDT))?

Gelombang bunyi atau misalnya gelombang ultrasonik (walaupun tidak dapat didengar oleh oleh manusia), telah banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan lain, seperti untuk mengukur kedalaman laut, mendeteksi kerusakan pada logam, atau untuk mendeteksi letak penyakit dan mengamati janin dalam kandungan. Untuk menentukan kedalaman laut, ultrasonik dipancarkan dari permukaan laut mengarah ke bawah. 

Ultrasonik yang dipantulkan oleh dasar laut diterima kembali oleh sensor penerima. Dengan mengetahui cepat rambat (v) dan selang waktu (t) antara pemancaran dan penerimaan gelombang ultrasonik, maka kedalaman laut dapat ditentukan dengan rumus: d= (vt)/2 dengan d adalah kedalaman laut (satuannya meter), v adalah cepat rambat gelombang ultrasonik (satuannya ms^-1), dan t adalah selang waktu antara pemancaran dan penerimaan gelombang ultrasonik tadi (satuannya sekon).

Pada pendeteksian logam, ultrasonik dipancarkan pada logam yang diteliti. Alat sensornya menerima ultrasonik yang telah melalui logam tadi dan dihubungkan dengan monitor. Bila dalam logam tersebut terdapat catat berupa lubang, karat, atau zat lain yang tercampur, maka cacat tadi dapat diamati dalam monitor.

Pengujian seperti itu disebut sebagai Pengujian Tak Merusak atau Non Destructive Testing (NDT), karena bahan yang sedang diteliti atau diamati, seperti logam tadi, tidak mengalami kerusakan ketika gelombang bunyi melewatinya.

.

.

Dalam mengamati letak penyakit atau janin dalam kandungan, gelombang ultrasonik dipancarkan ke bagian badan yang dikehendaki. Ultrasonik tadi menembus badan dan sebagian dipantulkan kembali oleh bagian-bagian badan yang dikenainya. Pantulannya itu diterima oleh sensor yang dihubungkan dengan monitor. Dari monitor tadi dapat diamati letak janin, jenis kelaminnya, berat dan tinggi badannya, atau kondisi-kondisi lainnya. Pengamatan dengan memanfaatkan ultrasonik ini biasanya dikenal dengan istilah ultrasonografi (USG).

.

Apakah Intensitas dan Taraf Intensitas Bunyi itu?

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering mendengar ungkapan tentang bunyi dengan istilah seperti “pelan”, “lemah”, atau ”nyaring”. Istilah tersebut menggambarkan kondisi bunyi yang didengar. Apa yang membedakannya sehingga bunyi itu diungkapkan berbeda satu sama lain seperti itu? Yang menyebabkan tinggi rendahnya bunyi, nyaring atau melengkingnya bunyi, nadanya tinggi atau rendah, adalah frekuensinya. 

Sedangkan kuat lemahnya bunyi disebabkan oleh amplitudo getarannya. Makin kuat getarannya, makin besar amplitudonya, dan makin kuat bunyinya. Amplitudo getaran itu menyebabkan perbedaan tekanan di udara sehingga timbul amplitudo tekanan. Daerah amplitudo tekanan yang dapat didengar bunyinya oleh telinga orang normal berkisar antara 3×10^-5 pascal sampai 28 pascal.

Karena bunyi merupakan gelombang, maka bunyi itu merambatkan energi. Partikel-partikel di dalam medium yang dilalui oleh gelombang bunyi memiliki energi getaran dan meneruskan energi itu ke partikel lain di sebelahnya. Energi getaran yang merambat itulah yang dimaksud dengan energi mekanik gelombang bunyi.

Bila getaran partikel yang merupakan sumber gelombang memiliki frekuensi alamiah tertentu, maka tampak bahwa energi gelombang sebanding dengan kuadrat amplitudonya. Sebagai contoh, sebuah drum agar suaranya lebih keras, harus dipukul lebih kuat untuk membuat amplitudonya besar.

Bagi gelombang berdimensi tiga seperti bunyi, energi dirambatkan dalam ruang secara radial ke segala arah. Oleh karena itu pembahasannya akan lebih bermanfaat bila energi ditinjau bersama-sama dengan luas permukaan yang dilaluinya tiap satuan waktu. 

Energi gelombang bunyi (E) tiap satuan waktu (t) yang dirambatkan (ditransmisikan) melalui satu satuan luas permukaan bola secara radial (A) yang tegak lurus rambatan gelombang bunti disebut Intensitas Bunyi (I), dirumuskan menjadi: I = E/(At). Karena P=E/t, maka I = P/A, dengan P adalah daya dan A adalah luas permukaan.

Spektrum intenstias bunyi sangat lebar, mulai dari 10^-12 sampai dengan 1. Untuk memudahkannya dalam urusan praktis digunakan skala logaritma. Logaritma perbandingan antara intensitas bunyi dan ambang bawah pendengaran biasa disebut sebagai Taraf Intensitas Bunyi (b), dengan satuan desibel (dB).

.

.

Dalam sisten tata suara dalam sebuah ruangan, untuk memperoleh suara yang relatif lebih nyata, kuat dan merata, ruangannya biasanya dibentuk sedemikian rupa sehingga suara tidak menyebar ke tempat-tempat yang tidak diinginkan. Sebagai contoh, auditorium untuk pertunjukan musik atapnya dibentuk seperti corong yang menghadap ke tempat penonton.

.

.

Prinsip seperti itu juga diterapkan pada speaker. Untuk memperoleh intensitas bunyi yang terkonsentrasi ke depan corong, panjang gelombang bunyi yang dipancarkannya harus lebih kecil dari diameter corong. Misalnya untuk speaker yang diameternya 12 inci dan memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi 2.000 hertz, intensitasnya akan terkonsentrasi dengan sudut 37^o dari garis tengah, sedangkan bila frekkuensi bunyi yang dipancarkannya 10.000 Hz, bunyi akan terkonsentrasi dalam sudut yang lebih sempit, mirip lampu senter.

.

Beberapa Istilah Gelombang Bunyi

• Gelombang adalah getaran yang merambat. Akan tetapi, zat yang dilaluinya, misalnya dalam hal ini air atau slinki, tidak ikut merambat.
• Bunyi dihasilkan oleh benda yang bergetar. 
• Bunyi merambat dalam bentuk gelombang (gelombang longitudinal), maka dalam perambatannya bunyi dapat mengalami beberapa peristiwa sebagaimana halnya sifat-sifat gelombang pada umumnya., seperti peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Namun tidak dapat mengalami polarisasi, karena bunyi merupakan gelombang longitudinal. Gelombang bunyi juga memiliki frekuensi dan panjang gelombang.
• Gema dan gaung merupakan akibat dari adanya pemantulan bunyi.
• Hukum pemantulan Snellius pada cahaya berlaku juga pada pemantulan bunyi. 
• Pembiasan bunyi terjadi bila bunyi merambat dari medium yang satu ke medium lain yang berbeda kerapatannya, seperti dari medium udara ke medium air, arah perambatannya berubah. 
• Makin rapat medium yang dilaluinya, cepat rambatnya makin besar. Contoh, bunyi merambat di dalam air lebih cepat dibanding ketika merambat di udara.
• Pada logam, bunyi merambat lebih cepat lagi. 
• Akan tetapi bila mediumnya tidak ada, seperti pada ruang hampa, bunyi tidak dapat merambat.
• Interferensi gelombang bunyi dapat terjadi bila ada dua atau lebih gelombang bunyi bertemu dalam satu titik. 
• Interferensi yang terjadi bisa berupa interferensi konstruktuif (saling menguatkan) dengan menimbulkan kesan kerasnya bunyi, dapat juga berupa interferensi destruktif (saling melemahkan) dengan menimbulkan kesan lebih lemahnya bunyi. 
• Peristiwa difraksi bunyi terjadi bila gelombang bunyi melewati celah sempit atau ujung penghalang. 
• Interferensi bunyi dapat terjadi pada tabung resonator. 
• Tabung resonator adalah tabung yang dapat menunjukkan peristiwa resonansi bunyi tentang resonansi. 
• Interferensi dalam tabung resonator terjadi karena udara yang bergetar pada tabung resonator bersuperposisi dengan getaran dari garpu tala (sumber getaran yang menyebabkan resonansi tadi).
• Deretan bunyi yang diurutkan berdasarkan frekuensinya disebut spektrum frekuensi bunyi. 
• Bunyi dapat dikelompokan menurut frekkuensinya, setidaknya menjadi 3 golongan, yaitu daerah infrasonik, daerah audiosoniki, dan daerah ultrasonik. Telinga manusia dalam kondisi normal mampu mendengar bunyi yang frekuensinya antara 20 hertz sampai 20.000 hertz. 

• Daerah bunyi pada rentang frekuensi ini disebut audiosonik. Bunyi yang frekuensinya kurang dari 20 hertz yang disebut infrasonik dan yang lebih dari 20.000 hertz yang disebut ultrasonik, tidak dapat di dengar.
• Makhluk hidup yang mampu mendengar infrasonik diantaranya adalah jengkrik dan anjing. 
• Ultrasonik dapat didengar dan dihasilkan oleh kelelawar dan lumba-lumba. 
• Kelelawar memanfaatkan ultrasonik untuk mendeteksi mangsanya dan benda-benda lain selama terbang di kegelapan malam.
• Lumba-lumba berkomunikasi satu dengan yang lain menggunakan ultrasonik. 
• Tinggi nada sering disebut juga dengan istilah pitch bunyi.
• Tinggi rendahnya nada ditentukan oleh besar kecilnya frekuensi bunyi. Semakin besar frekuensi bunyi, semakin tinggi nadanya.
• Satu senar sonometer atau senar gitar dpar menghasilkan bunyi dengan sederetan frekuensi yang membentuk deret harmonik. 
• Deretan harmonik tersebut memberikan efek khusus yang dapat kita dengar. 
• Kualitas bunyi pada nada khas, yaitu frekuensi nada dasar, yang dihasilkan oleh alat musik ditentukan oleh banyaknya nada atas yang muncul dan intensitasnya msing-masing. 
• Bila dua atau lebih gelombang yang frekuensinya sama bertemu di satu titik, akan terjadi superposisi dan membentuk pola interferensi, dengan saling menguatkan di titik yang satu dan saling melemahkan di titik yang lainnya.
• Bila dua gelombang yang frekuensinya berbeda sedikit bertemu di satu titik, pada titik tersebut terjadi penguatan dan pelemahan secara bergantian.
• Penguatan dan pelemahan bunyi yang terjadi secara periodik yang ditimbulkan oleh superposisi dua gelombang dengan sedikit perbedaan frekuensi disebut pelayangan, atau istilah lainnya beat.
• Banyaknya bunyi layangan dapat dihitunng dengan rumus : Df = f₂ – f₁, dengan demikian Df boleh dikatakan sebagai banyaknya bunyi layangan (kuat lemahnya bunyi) tiap satuan waktu.
• Interferensi yang saling menguatkan disebut interferensi konstruktif. 
• Sebaliknya, interferensi yang saling melemahkan disebut interferensi destruktif. 
• Interferensi bunyi banyak dimanfaatkan terutama untuk memperkuat bunyi pada konser musik. 

• Ikut bergetarnya suatu benda (misalnya udara dalam kasus di atas) karena ada benda lain yang bergetar disebut resonansi. Bila yang beresonansi itu gelombang bunyi, disebut resonansi bunyi.
• Resonansi hanya akan terjadi bila frekuensi alamiah getaran benda sama dengan frekuensi getaran yang menyebabkannya. 
• Prinsip resonansi bunyi telah banyak dimanfaatkan, misalnya untuk mengukur panjang gelombang bunyi, menguatkan bunyi pada alat-alat musik seperti pada gitar (memakai kotak udara), pada rebana, pada drum, atau pada kotak speaker. 
• Efek Doppler adalah peristiwa berubahnya frekuensi gelombang karena pergerakan relatif sumber gelombang dengan pengamat.
• Efek Doppler dapat kita manfaatkan untuk mengamati benda-benda, apakah bergerak mendekat atau menjauh, dan dengan kecepatan berapa gerakannya itu, serta berapa jaraknya.
• Gelombang bunyi telah banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan lain, seperti untuk mengukur kedalaman laut, mendeteksi kerusakan pada logam, atau untuk mendeteksi letak  penyakit dan mengamati janin dalam kandungan. 
• Pengujian dengan memanfaatkan gelombang bunyi seperti pada pendeteksian logam, penyakit dan janin disebut sebagai Pengujian Tak Merusak atau Non Destructive Testing (NDT), karena bahan yang sedang diteliti atau diamati, seperti logam tadi, tidak mengalami kerusakan ketika gelombang bunyi melewatinya.

• Yang menyebabkan tinggi rendahnya bunyi, nyaring atau melengkingnya bunyi, nadanya tinggi atau rendah, adalah frekuensinya. 
• Kuat lemahnya bunyi disebabkan oleh amplitudo getarannya.
• Gelombang bunyi merambatkan energi. 
• Energi gelombang bunyi (E) tiap satuan waktu (t) yang dirambatkan (ditransmisikan) melalui satu satuan luas permukaan bola secara radial (A) yang tegak lurus rambatan gelombang bunyi disebut Intensitas Bunyi (I)=P/A.
• Logaritma perbandingan antara intensitas bunyi dan ambang bawah pendengaran biasa disebut sebagai Taraf Intensitas Bunyi (b), dengan satuan desibel (dB) = 10 log (I/Io).

.

Daftar Pustaka

• Beiser, A. & The How Liong. (1999). Konsep Fisika Modern, Edisi Keempat. Jakarta : Erlangga.
• Giancoli, G. (1991). Physics, Principles with Applications. London : Prentice-Hall International, Inc.
• Halliday & Resnick, (Pantur Silaban & Erwin Sucipto). Fisika. Jakarta : Erlangga.
• Johnson, G.P & Barr, B., Leyden, M. (1984). Physical Science. London : Addison-Wesley Publishing Company.
• Kartiasa, N. ((1996). Fisika 1 Untuk Sekolah Menengah Umum Kelas 1. Jakarta : Depdikbud.
• Widyadara. (1999). Ilmu Pengetahuan Populer, Jilid 5. Jakarta : Widyadara.
• Wijaya, Maman, dkk. (2002). Fisika untuk SMA Kelas 1, 2, dan 3. Bandung : Rosdakarya.
• Zemansky, S. (1985). Fisika untuk Universitas 1. Mekanika. Panas. Bunyi. Bandung : Binacipta.

.

.

Bagi teman-teman yang mempunyai tulisan atau karya yang bisa bermanfaat buat para pembaca dan ingin dipublikasikan di website ini, bahan bisa kirim ke email: mamanwjy@gmail.com. Terima kasih.