Bunyi, Materi Bunyi dan contoh soal fisika bunyi

                                           BUNYI

Tahukah kamu kalau bunyi atau suara yang kita dengar sehari-hari adalah suatu gelombang? Lalu, bagaimana ya cara kita agar mengetahui bahwa bunyi yang kita dengar itu benar-benar sebuah gelombang? Caranya sangat mudah lho, apabila  suka bermain piano, saat kamu mulai menekan sebuah nada di tuts-tuts piano tersebut, coba dekatkan dengan sebuah garpu tala di dekat piano tersebut. Pasti garpu tala tersebut akan bergetar. 

Mengapa garpu tala itu bergetar? Tentu saja karena gelombang adalah sebuah getaran yang merambat, sehingga bunyi yang terdengar itu merambat ke dalam medium berupa garpu tala. Tidak hanya itu, dengan memanfaatkan karakteristik dari gelombang, terciptalah teknologi yang dapat membantu pekerjaan manusia. Contohnya, ultrasonografi (alat untuk melihat bayi dalam kandungan), SONAR (alat untuk mendeteksi  keberadaan sesuatu yang bergerak), dan fathometer (alat yang digunakan untuk mengukur kedalaman laut). Menarik bukan? Langsung saja yuk, lanjut ke pembahasan.

Pengertian Bunyi

Bunyi adalah sesuatu yang dihasilkan dari suatu getaran. Bunyi termasuk gelombang longitudinal yang merambat lurus kegala arah dari sumber tersebut.

Syarat terjadinya dan terdengarnya bunyi adalah

1.     Ada sumber bunyi (benda yang bergetar)

2.     Ada medium (zat antara untuk merambatnya bunyi)

3.     Ada penerima bunyi yang berada di dekat atau dalam jangkauan sumber bunyi

Suatu bunyi dapat didengar oleh manusia karena memiliki 3 hal yaitu, adanya sumber bunyi, adanya medium rambat bunyi, dan frekuensinya yang berada antara 20 Hz – 20.000 Hz (audiosonik). Tidak hanya manusia, semua makhluk hidup juga dapat mendengar suatu bunyi. Berdasarkan frekuensinya, gelombang bunyi diklasifikasikan sebagai berikut:

1.     Infrasonik: bunyi yang memiliki frekuensi < 20 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh hewan seperti jangkrik, laba-laba, gajah, anjing, dan lumba-lumba.

2.     Audiosonik: bunyi yang memiliki frekuensi 20 Hz – 20.000 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh manusia.

3.     Ultrasonik: bunyi yang memiliki frekuensi > 20.000 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh hewan seperti kelelawar dan lumba-lumba. 

Gelombang bunyi termasuk gelombang mekanik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang membutuhkan medium untuk rambatannya. Medium rambatannya dapat berupa zat cair, zat padat, dan udara. Gelombang bunyi tidak dapat merambat di dalam ruang hampa udara. Hal ini disebabkan karena kecepatan perambatan gelombang bunyi di dalam zat padat lebih cepat dibandingkan di dalam gas atau udara. 

Ini disebabkan oleh jarak antar molekul dalam zat padat lebih pendek dibandingkan pada zat cair dan gas, sehingga perpindahan energi kinetik lebih cepat terjadi. Tabel 1 merupakan data kecepatan bunyi dalam berbagai zat pada suhu 150 C.

            Di mana:

           v   = cepat rambat bunyi (m/s)

           s   = jarak tempuh (m)

           t    = waktu (s)
contoh soal :

Suara guntur terdengar 2 sekon setelah kilat terlihat oleh pengamat. Jika cepat rambat bunyi di udara 340 m/s, maka jarak petir tersebut dari pengamat adalah . . . .
a. 170 meter         d. 1.020 meter
b. 340 meter         e. 1.360 meter
 c. 680 meter
jawab: C
pembahasan:
s = v.t = 340.2 = 680 m

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:

           Di mana 

           v = cepat rambat bunyi (m/s)

           E = modulus young (N/m2)

           ρ = massa jenis (Kg/m3)
contoh soal :

Pada suatu batang baja sepanjang  1 m merambat gelombang bunyi. Gelombang tersebut membutuhkan waktu 0,0002  s untuk mencapai ujung batang dari ujung lainnya. Jika modulus elastisitas dari batang baja tersebut sebesar  20 x 10¹⁰ Pa , berapakah massa jenis baja tersebut?

a. 8.000 kg/m³
b. 8.500 kg/m³
c. 7.000 kg/m³
d. 9.000 kg/m³
e. 10.000 kg/m³

Pembahasan

Cepat rambat bunyi pada padatan adalah 

Jadi massa jenis baja tersebut adalah 8.000 kg/m³ (A)

Modulus young (E ) merupakan ukuran kekakuan suatu bahan zat padat. Nilai modulus young zat padat berbeda-beda. Contohnya ditunjukkan pada gambar 5. 

 

2. Melalui Zat Cair

    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: 

       Di mana 

       v = cepat rambat bunyi (m/s)

       B = Modulus Bulk (N/m2)

    ρ = massa jenis (Kg/m³)

contoh soal :

Hitung kecepatan rambat bunyi di dalam air yang memiliki modulus bulk 2,1 x 10⁹ N/m² dan massa jenis 1000 kg/m³ ......

Penyelesaian :

Diketahui

B =2,1 x 10⁹ N/m²

ρ = 1000 kg/m³

V = 1,45 m/s

Modulus Bulk (B) merupakan kecenderungan suatu benda untuk berubah bentuk ke segala arah ketika diberi suatu tegangan ke segala arah. Nilai Modulus Bulk dari berbagai bahan ditunjukkan pada gambar 

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: 

Ciri Khas Gelombang Bunyi

Suatu gelombang bunyi memiliki ciri khas. Ciri khas inilah yang nantinya akan dimanfaatkan dalam pembuatan suatu teknologi yang dapat berguna untuk kehidupan manusia. Ciri khas gelombang bunyi adalah refleksi (pemantulan), refraksi (pembiasan), difraksi (pelenturan), interferensi (perpaduan), Efek Doppler, dan pelayangan gelombang. 

1. Refleksi (Pemantulan)

Pada pemantulan bunyi berlaku hukum pemantulang gelombang yaitu: 

Sudut datang gelombang sama dengan sudut pantul gelombang;

Gelombang datang, gelombang pantul, dan garis normal terletak dalam satu bidang.

2. Refraksi (Pembiasan Gelombang)

Refraksi gelombang adalah pembelokkan gelombang ketika melewati bidang batas tertentu. Rumus umum untuk refraksi adalah: 

Di mana 

i = sudut datang gelombang (derajat)

R  = sudut bias gelombang (derajat)

λ1= panjang gelombang 1 (m)

λ2= panjang gelombang  2 (m)

V1= panjang gelombang 1 (m)

V2 = panjang gelombang 2 (m)

3. Interferensi Gelombang (Perpaduan)

Interferensi gelombang adalah perpaduan dua gelombang yang menghasilkan pola-pola tertentu. Interferensi dua buah gelombang bunyi koheren akan menghasilkan pola terang-gelap yang merupakan pola interferensi konstruktif-destruktif. 

Beda lintasan dengan interferensi konstruktif (pola gelombang yang saling menguat) adalah: 

Beda lintasan dengan interferensi destruktif (pola gelombang yang saling melemah): 

4. Efek Doppler

Efek Doppler adalah perubahan frekuensi atau panjang gelombang sumber gelombang yang diterima pengamat karena adanya gerak relatif di antara keduanya. 

Fp = frekuensi pendengar (Hz)

Fs = frekuensi sumber bunyi (Hz)

V  = cepat rambat bunyi (m/s)

Vp = kecepatan pendengar (m/s)

Vs  = kecepatan sumber bunyi (m/s)

Persamaan Efek Doppler dengan tidak mengabaikan kecepatan angin (Vw):

Jika pendengar mendekati sumber bunyi, maka Vp bernilai (+), jika sumber bunyi menjauhi pendengar maka Vs bernilai (+), jika arah angin searah dengan arah rambat bunyi, maka Vw bernilai (+). 

contoh soal :

1.  Sebuah kereta api bergerak dengan kecepatan 72 km/jam mendekati stasiun sambil membunyikan peluit yang berfrekuensi 940 Hz. Kecepatan bunyi di udara 340 m/s. Bunyi yang didengar oleh orang yang beada di stasiun berfrekuensi…

Diketahui:

v_s = 72 km/jam = 20 m/s (sumber bunyi mendekati pendengar (-))

v_p = 0 m/s (pendengar diam)

f_s = 940 Hz

v = 340 m/s

Ditanya: fp?

Jawab:

2.  Sumber bunyi memancarkan bunyi dengan frekuensi 500 Hz saling mendekat dengan pendengar. Kecepatan sumber bunyi 40 m/s dan kecepatan pendengar 50 m/s. Jika kecepatan bunyi di udara adalah 340 m/s, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar adalah…

Diketahui:

f_s = 500 Hz

v_s = 40 m/s (sumber bunyi mendekati pendengar (-))

v_p = 50 m/s (pendengar mendekati sumber bunyi (+))

v = 340 m/s

Ditanya: f_p ?

Jawab:

5. Pelayangan gelombang

Pelayangan gelombang adalah interferensi dua bunyi beramplitudo sama namun berbeda frekuensi sedikit. Pelayangan bunyi membentuk interferensi konstruktif-destruktif yang disebut layangan. Satu layangan didefinisikan sebagai gejala dua bunyi keras atau lemah yang terjadi secara berurutan. Frekuensi layangan dapat dihitung menggunakan rumus:

Di mana

fl = frekuensi layangan bunyi 

f1 dan f2 = frekuensi gelombang bunyi yang berinteferensi

Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari

Dengan memahami karakteristik dari gelombang bunyi, para ilmuwan Fisika dapat membuat teknologi yang membantu pekerjaan manusia contohnya SONAR, Ultrasonografi, dan Echocardiogram. 

a. Teknologi SONAR

Teknologi SONAR dapat digunakan untuk sistem navigasi dengan bunyi pantul ultrasonik, pada perangkat kamera berguna untuk mendeteksi jarak benda yang akan difoto, pada kendaraan mobil dapat digunakan untuk mendeteksi jarak benda-benda yang ada di sekitar mobil, dan pengukur kedalaman laut. SONAR untuk pengukur kedalaman laut 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 lagi dari gelombang dipancarkan sampai gelombang diterima lagi. maka dapat ditentukan nilai jarakan dari kedalaman laut. 

Nilai kedalaman laut dapat dicari dengan persamaan:

   Di mana 

   d   = jarak yang diukur (m)

   Δt  = waktu yang diperlukan gelombang dari dipancarkan sampai diterima kembali (s)

   v   = kecepatan rambat gelombang ultrasonic (m/s)

   n   = indeks bias medium

b. Ultrasonografi (USG)

Ultrasonografi (USG). 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. Lalu gelombang yang diterima ini masih dalam bentuk gelombang pantulan sehingga kristal mengubah ke dalam bentuk gelombang elektronik lalu masuk ke mesin USG sehingga data elektronik tersebut diubah menjadi data gambar yang ingin ditampilkan ke Monitor. 

c. 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. 

Bagaimana sudah mulai memahami konsep gelombang bunyi? Ternyata dengan memahami konsep dasar dari suatu materi yang kita pelajari, kita dapat memahami prinsip-prinsip kerja dari teknologi yang ada disekitar kita, ya.