Bunyi merambat sebagai gelombang sebab bunyi dapat mengalami interferensi, pemantulan, pembiasan, dan difraksi. Bunyi termasuk gelombang mekanik karena hanya dapat merambat melalui medium (zat padat, cair dan gas) dan tidak dapat merambat dalam vakum. Gelombang bunyi termasuk gelombang longitudinal karena dalam perambatannya tidak menyertakan perambatan molekul mediumnya, tapi hanya bergetar membentuk rapatan dan regangan.
Cepat Rambat Bunyi
Cepat rambat bunyi adalah hasil bagi jarak tempuh dengan waktu tempuh gelombang bunyi. Secara matematis:
v = s / t
Dimana:
v = cepat rambat bunyi (m/s)
s = jarak yang ditempuh (m)
t = selang waktu (s)
Dan persamaan dasar gelombang adalah v = f . λ, dengan f adalah frekuensi gelombang (Hz) dan λ adalah panjang gelombang (m).
Cepat rambat bunyi dalam zat padat adalah:
v =
Dimana:
E = modulus Young (N/m2 atau Pa)
ρ = massa jenis zat padat (kg/m3)
Cepat rambat bunyi dalam zat cair dinyatakan dengan:
Dimana:
B = modulus Bulk zat cair (N/m2)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
Cepat rambat bunyi dalam gas dinyatakan oleh:
v = = =
Dimana:
M = massa molekul relatif (kg/kmol)
mo = massa 1 molekul gas (kg)
R = tetapan umum gas
k = tetapan Boltzman
γ = tetapan Laplace
Frekuensi Bunyi
Frekuensi bunyi dapat dikelompokkan ke dalam tiga daerah frekuensi yaitu frekuensi audio, frekuensi infrasonik, dan frekuensi ultrasonik. Frekuensi audio (20 – 20 000 Hz) adalah daerah frekuensi yang dapat didengar oleh telinga manusia. Fekuensi infrasonik adalah daerah frekuensi yang lebih rendah dari 20 Hz dan frekuensi ultrasonik adalah daerah frekuensi yang lebih tinggi dari 20 000 Hz.
Tinggi rendahnya bunyi ditentukan oleh frekuensinya. Makin besar frekuensi, makin tinggi nada bunyinya. Kuat/lemahnya bunyi ditentukan oleh amplitudo gelombang bunyi. Makin besar amplitudo gelombang bunyi, makin kuat bunyinya.
Gelombang bunyi tidak mengalami dispersi dan polarisasi. Gelombang bunyi dipantulkan mengikuti hukum pemantulan: sudut pantul sama dengan sudut datang. Gelombang bunyi mengalami pembiasan, yang menyebabkan bunyi petir pada malam hari terdengar lebih keras daripada siang hari. Gelombang bunyi dengan mudah didifraksi, sehingga seseorang dapat mendengar bunyi dari kamar yang bersebelahan. Gelombang bunyi mengalami interferensi sehingga dapat mengalami penguatan (interferensi konstruktif) dan pelemahan (interferensi destruktif).
Efek Doppler
Ketika sumber bunyi dan pendengar bergerak relatif, frekuensi yang terdengar akan bertambah jika keduanya bergerak saling mendekati, dan akan berkurang jika keduanya bergerak saling menjauhi. Ini disebut sebagai efek Doppler. Jika kecepatan sumber bunyi dan pendengar masing-masing vs dan vp, cepat rambat bunyi di udara = v, frekuensi sumber bunyi = fs, dan frekuensi yang didengar oleh pendengar = fp, maka :
Dengan ketentuan:
vp (+) bila pendengar mendekati sumber
vp (-) bila pendengar menjauhi sumber
vs (-) bila sumber mendekati pendengar
vs (+) bila sumber menjauhi pendengar
APLIKASI GELOMBANG
Berikut ini adalah beberapa aplikasi/penerapan prinsip dan konsep gelombang dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi.
Gelombang Sonar
Seperti yang telah disinggung sebelumnya, gelombang SONAR adalah singkatan dari Sound Navigation and Ranging atau navigasi dan penjajakan bunyi. Sonar adalah sebuah piranti yang menggunakan frekuensi ultrasonik (gelombang di atas 20 000 Hz), yang banyak digunakan oleh kapal-kapal untuk mendeteksi kapal-kapal selam dan benda-benda di bawah laut lainnya. Gelombang sonar ini digunakan karena adanya efek difraksi yang menghadirkan keterbatasan pada kemampuan untuk menentukan lokasi benda-benda kecil atau mengidentifikasi detail-detail dengan pemantulan gelombang dari benda-benda tersebut.
Ketika terjadi kecelakaan pesawat Silk Air di perairan sungai Musi Palembang pada 19 Desember 1997, dimana sebagian besar badan pesawat terbenam ke dalam sungai yang kedalamannya mencapai 10-15 m, para penyelam sulit menemukan puing-puing pesawat karena air sungai yang sangat keruh. Untuk mengatasi masalah ini, regu penolong menggunakan sebuah kapal penyapu ranjau yang memiliki peralatan sonar untuk menemukan reruntuhan pesawat di dasar sungai.
SONAR juga digunakan pada kamera sehingga memungkinkan membuat sebuah kamera dapat mengatur fokusnya secara otomatis. Sonar juga sedang diujicobakan sebagai perlengkapan mobil, yang fungsinya untuk mendeteksi benda-benda di sekitar mobil dan data-datanya didisplai di depan pengemudi untuk menghindari kecelakaan dan memudahkan memarkir kendaraan agar lebih aman.
Supersonik dan Sonicboom
Laju supersonik yaitu laju kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya. Laju ini sering dinyatakan dengan bilangan mach, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara laju benda dengan laju bunyi di medium pada lokasi tersebut. Misalnya, sebuah pesawat yang melaju dengan 900 m/s jauh tinggi di atmosfer, dimana laju bunyi hanya 300 m/s, memiliki laju sebesar 3 mach.
Gelombang kejut dihasilkan oleh benda yang bergerak dengan kelajuan supersonik, yang diakibatkan oleh tertumpuknya puncak gelombang yang berbeda dan membentuk satu puncak yang sangat besar. Gelombang kejut pada intinya merupakan hasil dari interferensi konstruktif dari sejumlah besar muka gelombang.
Ketika sebuah pesawat terbang melaju dengan laju supersonik, kebisingan yang dibuatnya dan gangguannya terhadap bentuk udara menjadi gelombang kejut yang berisi energi bunyi yang sangat besar, dimana energi ini akan terdengar sebagai “ledakan yang sangat keras (sonicboom)” ketika melewati seorang pendengar. Ledakan sonik terjadi hanya dalam sepersekian detik tetapi energi yang dikandungnya seringkali cukup untuk memecahkan jendela dan menyebabkan kerusakan lainnya.
Ultrasonik dan Infrasonik
Infrasonik adalah gelombang bunyi yang frekuensinya di bawah 20 Hz. Sedangkan ultrasonik adalah gelombang bunyi yang frekuensinya di atas 20 000 Hz. Anjing dapat mendengar bunyi yang frekuensinya 50 000 Hz. Inilah sebabnya mengapa anjing digunakan sebagai pelacak jejak oleh kepolisian. Kelelawar dapat mendengar bunyi yang frekuensinya 100 000 Hz. Beberapa penggunaan gelombang ultrasonik antara lain:
- Untuk mengukur kedalaman laut. Alat pengukur kedalaman laut ini disebut fathometer, yang mengirimkan pulsa gelombang ultrasonik kemudian menerima pantulannya.
- Survei geofisika. Gelombang ultrasonik juga digunakan untuk mendeteksi kapal yang tenggelam, letak palung laut, letak kelompok ikan, serta menganalisa struktur permukaan bumi, khususnya menyelidiki kandungan minyak dan mineral di dalam bumi.
- Mendeteksi retak-retak pada struktur logam, misalnya untuk menscanning bagian-bagian penting pesawat sehingga segera dapat ditanggulangi jika ada keretakan. di Inggris, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendeteksi keretakan rel kereta api.
- Mencuci benda, misalnya berlian, komponen-komponen elektronik, atau bagian-bagian mesin yang sulit dibersihkan dimasukkan ke dalam suatu cairan yang digunakan sebagai medium gelombang ultrasonik sehingga cairan akan bergetar dan merontokkan kotoran pada benda-benda tersebut.
- Kacamata tunanetra dilengkapi dengan pengirim dan penerima ultrasonik sehingga tunanetra dapat menduga jarak benda-benda yang ada di sekitarnya.
- Aplikasi dalam bidang kedokteran. Dalam bidang kedokteran, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendiagnosis serta menghancurkan tumor dan kanker, menyelidiki otak, hati dan liver, serta mendeteksi janin di dalam rahim ibu. Pemeriksaan untuk melihat bagian-bagian dalam tubuh manusia dengan menggunakan pulsa-pulsa ultrasonik dinamakan USG (Ultrasonografi). Dibanding sinar-X, ultrasonik masih jauh lebih aman karena tidak merusak sel, tidak menimbulkan resiko meskipun digunakan terus menerus, dapat mengukur kedalaman suatu benda di bawah permukaan kulit (sinar-X hanya menampilkan gambar datar tanpa informasi kedalaman), dan ultrasonik dapat mendeteksi jaringan-jaringan lunak dalam tubuh (dimana sinar-X tidak mampu) sehingga dapat menemukan tumor atau gumpalan dalam tubuh manusia.
Gelombang Elektromagnetik
Secara tidak langsung pada pembahasan sebelumnya telah dibahas mengenai gelombang mekanik yaitu gelombang yang dalam perambatannya memerlukan medium antara lain gelombang tali, gelombang permukaan air, maupun gelombang bunyi. Berikut ini akan disinggung beberapa hal tentang gelombang yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya, yaitu gelombang elektromagnetik.
Gelombang elektromagnetik terdiri dari bermacam-macam gelombang yang berbeda frekuensi dan panjang gelombangnya, tetapi kecepatannya di ruang hampa adalah sama yaitu c = 3 x 108 m/s. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi terkecil hingga frekuensi terbesar adalah: gelombang radio, gelombang televisi, gelombang mikro (radar), sinar inframerah, sinar tampak (cahaya), sinar ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma.
Gelombang Radio
Gelombang radio dapat dihasilkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Luas daerah yang hendak dicakup dan panjang gelombang yang akan dihasilkan dapat ditentukan dengan tinggi rendahnya antena. Radio penerima akan mengubah gelombang energi ini menjadi gelombang bunyi.
Gelombang TV
Dengan frekuensi sedikit lebih tinggi dari gelombang radio, gelombang televisi ini merambat lurus, tidak dapat dipantulkan oleh lapisan-lapisan atmosfer bumi. Untuk menangkap siaran televisi stasiun Jakarta, maka di wilayah Bandung diperlukan sebuah stasiun penghubung (relay) yang terletak di puncak gunung Tangkuban Perahu. Untuk daerah yang lebih jauh lagi, misalnya untuk Indonesia bagian timur, diperlukan sebuah satelit sebagai stasiun penghubung. Untuk menangkap siaran dari luar negeri, harus juga digunakan satelit sebagai stasiun penghubung.
Radar
Radar adalah singkatan dari Radio Detection and Ranging, merupakan gelombang mikro (microwave) dengan frekuensi 3 GHz. Antena radar dapat bertindak sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik. Di pangkalan udara, antena pemanar radar dapat berputar ke segala arah untuk mendeteksi adanya pesawat terbang yang menuju atau meninggalkan pangkalan udara. Dengan demikian, cuaca yang buruk tidak lagi merupakan penghambat pendaratan pesawat.
