Gelombang Longitudinal

Pernahkah kita membayangkan bagaimana rasanya jika dunia ini begitu sepi… hening… tanpa bunyi / suara?..  Atau sebaliknya… Pernahkah kita membayangkan jika dunia ini terlalu berisik… bising…, banyak terdengar suara pabrik, suara kendaraaan bermotor atau suara lainnya yang memekakkan telinga ?… Apalagi kondisi ini berlangsung cukup lama… jangan deh… cukup dalam bayangan saja…

Bunyi atau Suara

Adakalanya bunyi iu bisa juga menjadi sumber polusi manakala yang kita dengar itu berupa Musik keras yang berlebihan, Kendaraan bermotor dengan suara knalpot yang berbunyi bising/keras , suara Mesin pesawat terbang dan aktifitas pabrik.. kesemuanya menjadi sumber polusi suara… ya tho?

Karenanya, bunyi adalah anugrah Tuhan yang mesti kita syukuri. So.. tidak salah khan jika pokok bahasan tentang gelombang Bunyi cukup menarik untuk dipelajari ?…

Dalam fisika, Bunyi atau suara adalah gelombang longitudinal yang merambat melalui medium, yang dihasilkan oleh getaran mekanis dan merupakan hasil perambatan energi. Sumber bunyi sebagai sumber getar memancarkan gelombang-gelombang longitudinal ke segala arah melalui medium baik padat, cair maupun gas. Sumber getar tersebut dapat berasal dari dawai/kawat, pipa organa, bahkan ombak di pantai.

Kebanyakan suara merupakan gabungan berbagai sinyal, tetapi suara murni secara teoritis dapat dijelaskan dengan kecepatan getar atau frekuensi yang diukur dalam Hertz (Hz). Bunyi tunggal  yang frekuensinya teratur dinamakan nada, sedangkan bunyi tunggal  yang frekuensinya tidak teratur dinamakan desis. Amplitudo gelombang menentukan kuat-lemahnya suatu bunyi atau kenyaringan bunyi dengan pengukuran dalam decibel (dB). Semakin tinggi amplitudoya semakin nyaring bunyi tersebut. Bunyi pesawat yang lepas landas mencapai sekitar 120 dB. Sedang bunyi desiran daun sekitar 33 dB.

Manusia dapat mendengar bunyi saat gelombang bunyi merambat di udara atau medium lain sampai ke gendang telinga manusia. Batas frekuensi bunyi yang dapat didengar oleh telinga manusia kira-kira dari 20 Hz sampai 20 kHz pada amplitudo umum dengan berbagai variasi dalam kurva responsnya. Suara di atas 20 kHz dinamakan ultrasonik dan di bawah 20 Hz dinamakan infrasonik.

Gelombang bunyi terdiri dari molekul-molekul udara yang bergetar maju-mundur. Tiap saat, molekul-molekul itu berdesakan di beberapa tempat, sehingga menghasilkan wilayah tekanan tinggi, tapi di tempat lain merenggang, sehingga menghasilkan wilayah tekanan rendah. Gelombang bertekanan tinggi dan rendah secara bergantian bergerak di udara, menyebar dari sumber bunyi. Itulah alasannya mengapa Gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal.

Bunyi merambat di udara dengan kecepatan 1.224 km/jam. Bunyi akan merambat lebih lambat jika suhu dan tekanan udara lebih rendah. Di udara tipis dan dingin pada ketinggian lebih dari 11 km, kecepatan bunyi 1.000 km/jam. Di air, kecepatannya 5.400 km/jam,  jauh lebih cepat daripada di udara.

Adakalanya frekuensi yang didengar oleh pengamat mengalami perubahan sacara tiba-tiba manakala sumber bunyi (misal klakson mobil) bergerak mendekati atau menjauhi menurut pengamat yang diam. Fenomena ini dikenal sebagai Efek Doppler, yaitu perbedaan frekuensi yang diterima oleh pendengar dengan frekuensi asli sumber getarnya relatif antara  pendengar dan sumber bunyi. Bila kedudukan antara pengamat dan sumber saling mendekat, maka pengamat mendengar
frekuensi yang lebih tinggi, dan bila kedudukannya saling menjauh maka pengamat mendengar frekuensi yang lebih rendah. Dan fenomena ini berhasil dijelaskan oleh fisikawan Christian Johann Doppler (1803-1855) pada tahun 1842.

Selengapnya lihat Video dan Physics Flash Animations :

• Physics Flash Animations

1. Beats
2. Temperament
3. Efek Doppler, 1 sumber bergerak

• Video: Pengukuran Gelombang Bunyi Pada Pipa Organa Tertutup

Laju Gelombang Bunyi

Pengantar

Sebagaimana gelombang transversal, laju gelombang longitudinal juga dipengaruhi sifat medium yang dilaluinya. Gelombang bunyi termasuk gelombang longitudinal… mengenai hal ini sudah dijelaskan dalam pembahasan mengenai pengertian dan jenis-jenis gelombang. Persamaan yang menyatakan laju gelombang bunyi sudah diturunkan dalam pembahasan mengenai laju gelombang. Kali ini gurumuda langsung menulis persamaan laju gelombang bunyi.

Laju gelombang bunyi pada fluida

Laju gelombang bunyi ketika merambat melalui fluida dinyatakan melalui persamaan berikut :

Dari persamaan di atas tampak bahwa laju gelombang bunyi sebanding dengan modulus limbak alias modulus bulk. Semakin besar modulus bulk suatu fluida maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui fluida tersebut juga semakin besar. Sebaliknya, semakin kecil modulus bulk suatu fluida maka semakin kecil juga laju gelombang bunyi yang melewati fluida tersebut. Berdasarkan persamaan di atas, tampak bahwa laju gelombang bunyi berbanding terbalik dengan massa jenis fluida. Ini berarti semakin besar massa jenis fluida maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui fluida tersebut semakin kecil. Sebaliknya semakin kecil massa jenis fluida maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui fluida tersebut semakin besar.

Laju gelombang bunyi pada batang padat

Persamaannya mirip dengan persamaan sebelumnya. Kita hanya perlu mengganti modulus limbak dengan modulus young :

Dari persamaan di atas tampak bahwa laju gelombang bunyi sebanding dengan modulus young. Semakin besar modulus young suatu batang padat maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui batang padat tersebut juga semakin besar. Sebaliknya, semakin kecil modulus young suatu batang padat maka semakin kecil juga laju gelombang bunyi yang melewati batang padat tersebut. Berdasarkan persamaan di atas, tampak bahwa laju gelombang bunyi berbanding terbalik dengan massa jenis batang padat. Ini berarti semakin besar massa jenis suatu batang padat maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui batang padat tersebut semakin kecil. Sebaliknya semakin kecil massa jenis batang padat maka laju gelombang bunyi yang merambat melalui batang padat tersebut semakin besar.

Berikut data laju gelombang bunyi pada beberapa medium :

Laju bunyi dipengaruhi juga oleh temperatur. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, laju bunyi bergantung juga pada kerapatan alias massa jenis medium. Massa jenis suat medium dipengerahui juga oleh temperatur. Jika temperatur berubah maka massa jenis juga ikut2an berubah. Misalnya kita tinjau udara dalam balon… Jika suhu meningkat maka volume udara dalam balon bertambah. Hal ini ditandai dengan bertambahnya volume balon. Karena volume udara dalam balon bertambah maka massa jenis alias kerapatan udara dalam balon berubah (massa jenis = massa/volume).

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Karakteristik Gelombang Bunyi

Pengantar

Konon katanya jika akan ada gunung yang meletus maka hewan liar yang tinggal di sekitar gunung tersebut biasanya melakukan pengungsian masal… hewan liar tersebut mempunyai "detektor canggih” yang membantu mereka menyelamatkan diri dari amukan gunung berapi. Wah, lebih canggih dari seismograf buatan manusia ya… he2… mungkin dirimu menduga hewan liar tersebut mengungsi karena suhu daerah di sekitar gunung berapi cukup tinggi. Kenyataannya faktor suhu tidak berpengaruh… kemarin ketika gunung merapi batuk-batuk , banyak hewan seperti harimau, kijang, celeng (bukan celengan tapi babi hutan) dkk tidak melakukan pengungsian masal… bagaimana menjelaskan hal ini ? mengapa hewan-hewan bisa kabur sebelum gunung berapi akan meletus dasyat ?

Jawaban pertanyaan di atas berkaitan dengan gelombang bunyi… gelombang bunyi ? apa hubungannya ? mengenai hal ini akan gurumuda kupas tuntas pada akhir tulisan ini. Sebelum mengulas keanehan hewan, terlebih dahulu kita bahas karakteristik alias ciri khas bunyi… karakteristik bunyi berkaitan dengan sensasi yang dirasakan oleh setiap pendengar…

Kenyaringan

Kenyaringan menyatakan keras atau lembutnya bunyi… bunyi yang dihasilkan truk lebih keras dibandingkan dengan bunyi yang dihasilkan oleh sepeda motor. Dalam hal ini bunyi yang dihasilkan oleh truk lebih nyaring dibandingkan bunyi yang dihasilkan oleh sepeda motor. Bunyi yang dihasilkan pesawat lebih nyaring dibandingkan dengan bunyi yang dihasilkan oleh mobil… masih banyak contoh lain…

Dalam fisika, kenyaringan sebenarnya berkaitan dengan energi atau intensitas gelombang. Jika kita berbicara mengenai gelombang satu dimensi (contoh gelombang satu dimensi = gelombang pada tali) maka lebih penting jika kita membahas energi. Sebaliknya jika kita berbicara mengenai gelombang tiga dimensi (contoh gelombang tiga dimensi = gelombang bunyi atau gelombang gempa) maka lebih penting jika kita membahas Intensitas (I) gelombang. Dalam pokok bahasan energi, daya dan intensitas gelombang mekanik, sudah dijelaskan secara panjang pendek mengenai intensitas. Intensitas (I) gelombang merupakan energi yang dibawa oleh gelombang per satuan waktu melalui satu satuan luas yang tegak lurus dengan arah perambatan gelombang. Karena energi per satuan waktu adalah daya maka bisa dikatakan bahwa intensitas merupakan daya yang dibawa oleh gelombang melalui satu satuan luas yang tegak lurus dengan arah perambatan gelombang. Intensitas bergantung pada amplitudo, frekuensi, laju gelombang dan massa jenis medium.

Hubungan antara kenyaringan dan intensitas gelombang bunyi akan dibahas lebih lengkap pada episode berikutnya…

Titi nada (pitch)

Jika dirimu bergelut dengan dunia musik pasti tidak asing lagi dengan istilah aneh ini. Titi nada atau pitch merupakan istilah yang digunakan untuk menjelaskan ketinggian suatu bunyi. Bunyi suling lebih "tinggi” sedangkan bunyi drum lebih "rendah”. Dalam hal ini, titi nada bunyi suling lebih tinggi dibandingkan dengan titi nada bunyi drum. Bunyi senar melodi lebih "tinggi” sedangkan bunyi senar bass lebih "rendah”. Dalam hal ini titi nada bunyi senar melodi lebih tinggi daripada titi nada bunyi senar bass.

Besaran fisika yang menentukan titi nada adalah frekuensi. Semakin tinggi frekuensi bunyi maka semakin tinggi titi nada. Sebaliknya semakin rendah frekuensi bunyi maka semakin rendah titi nada. Btw, titi nada juga dipengaruhi oleh amplitudo. Jika kita mendengar bunyi yang memiliki frekuensi yang sama tetapi amplitudonya berbeda maka bunyi yang memiliki amplitudo lebih besar walaupun kedengaran lebih nyaring tetapi titi nadanya lebih rendah.

Kualitas bunyi alias warna nada (timbre)

Misalnya jika kita memainkan gitar dan piano dengan kenyaringan dan titi nada yang sama, kita masih bisa membedakan bunyi yang dihasilkan oleh kedua alat musik tersebut. Dalam hal ini, walaupun kenyaringan dan titi nadanya sama tapi kita masih bisa membedakan bunyi gitar dan bunyi piano. Perbedaan ini dikenal dengan julukan kualitas bunyi. Dalam dunia permusikan , biasanya digunakan istilah warna nada atau timbre.

Jangkauan pendengaran manusia

Sebelumnya sudah dijelaskan salah satu kharakteristik bunyi, yakni ketinggian. Besaran fisika yang menentukan ketinggian adalah frekuensi. Dirimu mungkin pernah mendengar bunyi gitar melodi dan bunyi gitar bas. Bunyi gitar melodi lebih "tinggi” karena frekuensi yang dihasilkan senar gitar melodi lebih tinggi, sebaliknya bunyi gitar bas lebih "rendah” karena frekuensi yang dihasilkan juga lebih rendah. Semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi suatu bunyi, sebaliknya semakin rendah frekuensi, semakin rendah suatu bunyi. Btw, jika frekuensi terlalu rendah maka telinga kita sudah tidak bisa mendengar bunyi. Demikian juga jika frekuensi terlalu tinggi maka telinga kita juga tidak bisa mendengar bunyi.

Secara rata-rata, manusia bisa mendengar bunyi yang frekuensinya berkisar antara 20 Hz sampai 20.000 Hz. Gelombang bunyi yang frekuensinya lebih rendah dari 20 Hz atau lebih tinggi dari 20.000 Hz tidak bisa didengar oleh telinga manusia. Frekuensi di bawah 20 Hz dikenal dengan julukan infrasonik, sedangkan frekuensi di atas 20.000 Hz dikenal dengan julukan ultrasonik. Biasanya jika seseorang semakin tua maka ia juga tidak bisa lagi mendengar bunyi yang frekuensinya tinggi. Jangkauan pendengaran orang tua berkisar antara 20 hz sampai 10.000 Hz. Kaecian deh Ada cerita yang tidak menarik berkaitan dengan hal ini. Konon katanya anak sekolah di london saling sms-an ketika gurunya sedang memberikan pelajaran. Karena nada sms bisa didengar oleh guru maka guru tersebut melarang mereka untuk tidak saling sms-an. Murid yang nakal2 tersebut kemudian menggantikan nada sms berfrekuensi tinggi sehingga gurunya tidak bisa mendengar. Akhirnya para murid yang nakal2 tapi pintar tersebut bisa bersms ria kalau di indonesia ya hpnya disilent saja, gitu saja kok repot

Walaupun manusia tidak bisa mendengar bunyi yang memiliki frekuensi di atas 20.000 Hz (frekuensi ultrasonik), beberapa hewan bisa mendengar bunyi berfrekuensi ultrasonik. Misalnya kelelawar bisa mendengar bunyi yang frekuensinya mencapai 100.000 Hz. Atau anjing bisa mendengar bunyi yang frekuensinya mencapai 50.000 Hz. Contoh hewan yang bisa mendengar gelombang bunyi berfrekuensi ultrasonik adalah kucing, tikus, belalang. Contoh lain bisa anda tambahkan melalui kolom komentar…

Sebaliknya hewan-hewan yang bisa mendengar gelombang bunyi berfrekuensi infrasonik (< 20 Hz) adalah jangkrik, kuda nil, ikan lumba-lumba, gajah, burung merpati… Biasanya jika kita mendekati jangkrik yang sedang bernyanyi , walaupun langkah kaki kita sangat pelan, jangkrik tersebut berhenti bernyanyi… hal ini disebabkan karena jangkrik bisa mendengar bunyi berfrekuensi rendah (langkah kaki kita menghasilkan getaran berfrekuensi rendah). Gelombang infrasonik biasanya ditimbulkan oleh gempa teknonik, gempa vulkanik (gunung meletus), guntur, getaran mesin-mesin berat… walaupun gelombang bunyi berfrekuensi infrasonik tidak bisa didengar oleh manusia atau hewan tertentu  tapi bisa menimbukan kerusakan parah pada tubuh manusia atau hewan atau bisa menghancurkan bangunan. Gelombang infrasonik bisa menghancurkan bangunan atau menimbulkan kerusakan pada tubuh dengan cara resonansi.

Katanya kemarin tiga hari sebelum gempa di Sichuan, China, banyak sekali kodok yang berparade di jalan. Kodok-kodok tersebut berusaha menjahui kota yang menjadi pusat gempa. Banyak orang yang tidak mengetahui mengapa kodok-kodok tersebut berparade di jalan. Ternyata tiga hari kemudian gempa dasyat menguncang Sichuan, china. Dugaan saya hal itu ditimbulkan oleh efek resonansi dari getaran gempa tektonik. Sebelum gempa dasyat tersebut terjadi, pasti gempa berskala kecil sudah terjadi. Efek resonansi yang ditimbulkan oleh getaran gempa berskala kecil tersebut pasti dirasakan oleh kodok sehingga semuanya kabur dari tempat kediamannya masing-masing  Hal yang sama terjadi sebelum gunung berapi meletus dasyat. Biasanya hewan kabur dari kediamannya di sekitar gunung berapi, sebelum gunung berapi tersebut meletus dasyat. Resonansi dari getaran gempa vulkanik tersebut sangat mengganggu hewan sehingga hewan tersebut berusaha menyelamatkan diri. Btw, ini Cuma penalaran saya saja… saya belum punya referensi yang menjelaskan hal ini. Anda bisa mengemukakan pendapat anda melalui kolom komentar… jangan lupa jelaskan secara ilmiah dan masuk akal.

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Sumber :Gurumuda dan  Blog Belajar Fisika SMA