Gelombang Bunyi

Gelombang bunyi adalah gelombang yang memungkinkan kita untuk mendengar dan mengeluarkan suara. Sebagai gelombang mekanik, gelombang bunyi tidak bisa merambat dalam ruang hampa. Dari arah rambatnya, gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal dimana arah rambat sejajar dengan arah getar.

Cepat Rambat Bunyi

Dalam Dawai

Percobaan tentang kecepatan bunyi pada dawai pertama kali dilakukan oleh Franz Melde yang dicetuskan dalam Hukum Melde bahwa:

Cepat rambat gelombang mekanik pada senar berbanding lurus dengan akar kuadrat dari tegangan senar, terbalik dengan akar kuadrat rapat jenis senar

Atau secara matematis dirumuskan dengan:



dengan:
v = cepat rambat gelombang (m/s)
F = tengangan tali pada senar (N)
μ = rapat jenis senar (kg/m)
l = panjang senar (m)
m = massa senar (kg)

Dalam Benda Padat

Bunyi bergerak lebih cepat pada benda padat, lalu diikuti benda cair, dan terakhir gas. Itulah kenapa kita dapat mendengarkan suara kereta yang datang dengan mendekatkan telinga di rel ketimbang mendengarkannya melalui udara.

Mendengarkan suara kereta dari rel.
sumber: howtomanguide.com

Secara matematis dirumuskan dengan:

dengan:

v = cepat rambat gelombang (m/s)

E = modulus elastisitas/modulus young (N/m²), pelajari lagi pada bab Elastisitas Benda Padat

ρ = massa jenis (kg/m³)

Dalam Benda Cair

Secara matematis dirumuskan dengan:

dengan:

v = cepat rambat gelombang (m/s)

B = konstanta Bulk (N/m²)

ρ = massa jenis (kg/m³)

Dalam Gas

Gelombang Bunyi di udara tergantung pada suhu udara dan jenis partikel gas, pada suhu yang lebih tinggi, bunyi mampu merambat lebih cepat.

Secara matematis dirumuskan dengan:

dengan:

v = cepat rambat gelombang (m/s)

γ = tetapan laplace

R = konstanta gas universal (8,31 J/mol.K)

T = suhu mutlak (K)

Mr = massa molekul relatif (g/mol)

Efek Doppler

Christian Andreas Doppler, fisikawan Austria, mengamati bahwa panjang gelombang dari sumber/pengamat yang bergerak berbeda dari panjang gelombang dari sumber/pengamat diam. Hal tersebut karena adanya penjumlahan dan pengurangan kecepatan, yang berdampak pada berubahnya frekuensi.

Perhatikan animasi berikut!

sumber: wikipedia

Secara konsep, efek doppler akan menyebabkan perubahan pada frekuensi dengan ketentuan:

• Frekuensi pengamat akan meningkat jika pendengar/sumber saling mendekat
• Frekuensi pengamat akan menurun jika pendengar/sumber saling menjauh

Secara matematis dirumuskan dengan:

dengan:

vp = kecepatan pengamat (m/s), positif jika mendekati sumber, negatif jika menjauhi sumber

vs = kecepatan sumber (m/s), positif jika menjauhi pengamat, negatif jika mendekati pengamat

fp = frekuensi yang didengar pengamat (Hz)

fs = frekuensi yang ditransmisikan sumber (Hz)

Intensitas dan Taraf Intensitas Bunyi

Intensitas Bunyi

Besar kecilnya volume bunyi sering disalah-artikan sebagai frekuensi, padahal frekuensi tidak menentukan besar kecilnya bunyi. Besar kecil bunyi akan dipengaruhi oleh Energi Bunyi per satuan waktu, dengan kata lain, Daya. Intensitas Bunyi menurut definisi sebenarnya merupakan daya bunyi per satuan luas. Karena bunyi merambat ke segala arah, maka luasnya adalah luas permukaan bola.

Didefinisikan secara matematis:

dengan:
I = Intensitas Bunyi (W/m²)

P = Energi Bunyi per satuan waktu (W)

r = Jarak sumber ke pengamat atau jari-jari bola (m)

Taraf Intensitas Bunyi

Nilai Intensitas bunyi dianggap jarak antar nilainya terlalu jauh, seperti intensitas bunyi pesawat mencapai 1000 W/m² lebih, sementara intensitas bunyi percakapan normal hanya berkisar 0,00001 W/m², hal ini berarti dibutuhkan perbandingan logaritmik intensitas bunyi yang kemudian disebut Taraf Intensitas.

Dirumuskan dalam:

dengan:
TI = taraf intensitas (desibel, dB)

I = intensitas bunyi (W/m²)
Io = intensitas ambang bunyi (10^-12 W/m²)

Perubahan Jarak Terhadap Taraf Intensitas Bunyi

Jarak sumber dengan pengamat yang semakin jauh akan menyebabkan taraf intensitas semakin kecil, karena pada rumus aslinya intensitas dan jarak berbanding kuadrat terbalik, maka perumusan taraf intensitasnya:

atau bisa ditulis

dengan:

TI = taraf intensitas akhir (dB)

TIo = taraf intensitas awal (dB)

ro = jarak awal (m)

r = jarak akhir (m)

Perubahan Jumlah Sumber Bunyi Terhadap Taraf Intensitas Bunyi

Semakin banyak sumber bunyi tentu taraf intensitasnya akan semakin besar, karena itu perumusan taraf intensitas bunyi untuk n buah sumber adalah:

dengan:

TI = taraf intensitas akhir (dB)

TIo = taraf intensitas awal (dB)

n = jumlah akhir

no = jumlah awal

Sumber Bunyi

Alat-alat musik merupakan contoh dari sumber bunyi yang lazim, secara umum alat musik digolongkan menjadi 3 kriteria yaitu Dawai/Senar, Pipa Organa Terbuka, dan Pipa Organa Tertutup. Gelombang yang terbentuk pada alat-alat musik ini adalah gelombang stasioner, dengan bentuk yang berbeda-beda.

Gelombang pada Dawai

Gitar merupakan contoh alat musik berdawai.
sumber: belajargitar.web.id

Gelombang yang terbentuk pada dawai merupakan gelombang stasioner dengan kedua ujung berupa simpul. karena itu panjang gelombang pada dawai dirumuskan dengan:

dengan:

λ = panjang gelombang (m)

l = panjang dawai (m)

n = tingkat nada (0,1,2,...)

karena v = λ.f, maka frekuensinya: 

dengan v = cepat rambat bunyi pada dawai.

Gelombang pada Pipa Organa Terbuka

Harmonika merupakan contoh pipa organa terbuka
sumber: belajarharmonika.web.id

Gelombang pada pipa organa terbuka memiliki pola yang hampir sama dengan dawai, namun kedua ujungnya adalah perut. Panjang gelombang pada pipa organa terbuka adalah:

dengan:

λ = panjang gelombang (m)

l = panjang pipa organa (m)

n = tingkat nada (0,1,2,...)

karena v = λ.f, maka frekuensinya: 

dengan v = cepat rambat bunyi pada pipa organa.

Gelombang pada Pipa Organa Tertutup

Klarinet merupakan contoh pipa organa tertutup
sumber: spongebobmeme

Gelombang pada pipa organa tertutup adalah gelombang stasioner dengan ujung berupa perut dan ujung lainnya berupa simpul. Karena itu perumusan panjang gelombangnya adalah:

dengan:

λ = panjang gelombang (m)

l = panjang pipa organa (m)

n = tingkat nada (0,1,2,...)

karena v = λ.f, maka frekuensinya: 

dengan v = cepat rambat bunyi pada pipa organa.