Gelombang Bunyi - Intensitas, Pipa Organa, Efek Doppler

Pernah kepikir gak, bagaimana kamera HP bisa memfokuskan citra (kalau di image processing, orang-orang nyebutnya citra, bukan gambar) secara otomatis?

Atau bisa juga disentuh dulu pada layar di daerah yang ingin difokuskan. Nah salah satu pendekatannya adalah menggunakan gelombang bunyi.

Tentu hal ini tak lepas dari buah analisis mengenai gelombang tersebut.

Prinsipnya sederhana, bagi kalian nih yang pernah pake kamera DSLR dan sebagainya. Pasti paham kalau fokus itu diatur berdasarkan jarak objek terhadap lensa kamera.

Di beberapa jenis kamera HP, salah satu cara untuk menaksir jaraknya adalah memanfaatkan gelombang bunyi. Nama metode yang digunakan adalah triangulasi.

Gelombang ini dihasilkan oleh pemancar kemudian dicari berapa lama pantulannya kembali ke penerima. Tentu, semakin jauh pantulan akan memerlukan waktu yang lama dan sebaliknya.

Nah mungkin timbul pertanyaan, seberapa cepat emangnya kelajuan suara?

Karena begitu cepat HP dapat merespon perintah fokus atau melakukan proses fokus otomatisnya.

Pada pembahasan mengenai gelombang mekanik kita paham bahwa, gelombang bunyi ini salah satu gelombang yang memerlukan medium untuk perambatannya.

Kita kenal juga bahwa, gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal. Yaitu berupa gelombang yang simpangannya berupa regangan dan rapatan.

Tentu dalam rambatannya, beberapa medium tidak semua sama karakteristiknya dalam merambatkan gelombang ini.

Kalau kalian penasaran, bisa dicoba kegiatan iseng-iseng yang pernah saya lakuin ini.

Dulu saya suka iseng kalau lagi dikelas, kuping saya ditempel di meja terus nyuruh temen ngomong melalui papan meja yang sama. Di mana teman saya melakukannya dengan cara seperti membisik-bisikkan meja.

Dari percobaan itu, suara yang dihasilkan berbeda, tidak seperti ketika ngobrol biasanya (melalui udara).

Sehingga kita melihat adanya pengaruh perbedaan jenis medium dalam merambatkan gelombang mekanik.

Karakteristik suatu medium tadi, ditentukkan berdasarkan seberapa besar rapatan atau regangan yang dihasilkan ketika ada tekanan yang diberikan (misal suara). Hal ini dinamakan modulus bulk, .

Secara matematis modulus bulk dirumuskan sebagai berikut:

Di mana:

• adalah tekanan yang diberikan kepada medium.
• adalah volume awal medium.
• adalah volume akhir medium.

Tentunya, kelajuan gelombang bunyi akan bergantung dan sebanding dengan seberapa "kooperatif" medium dalam merambatkan gelombang bunyi.

Oleh karena itu, persamaan kelajuan bunyi v sendiri diparametrisasi oleh modulus bulk sebelumnya:

Di mana:

• adalah modulus bulk.
• adalah massa jenis medium.

Pada pembahasan tentang ciri-ciri gelombang mekanik kita tahu bahwa gelombang longitudinal sama-sama diekspresikan dalam fungsi trigonometri. Pertanyaanya, emang ada yang berosiliasi?

Sejatinya ada yang bergetar pada gelombang longitudinal. Yaitu bagian dari mediumnya yang mengalami osilasi searah dengan arah rambatnya.

Simpangan akibat getaran itu secara matematis seperti berikut:

Keterangan variabelnya:

• adalah amplitudo osilasi.
• adalah posisi yang ingin diketahui simpangannya.
• adalah frekuensi gelombang.
• adalah pada detik keberapa simpangan ingin diketahui.
• adalah konstanta gelombang.

Kata intensitas selalu identik dengan beberapa kata seperti seberapa intens, kuat, tinggi, dan sering.

Bisa juga dianalogikan seperti orang belajar. Semakin cepat dia memahami suatu mata pelajaran dalam waktu dekat, maka akan semakin intens pula materi yang dia dapat dalam waktu dekat.

Dengan begitu, bisa diibaratkan pula seperti halnya energi per satuan waktu atau daya. Semakin besar dayanya, makin besar juga energi yang diberikan atau diterima.

Seberapa intensifnya seseorang juga bergantung terhadap keberagaman mata pelajaran yang dia dalami.

Kalau dia fokus pada satu mata pelajaran aja bisa jadi dia begitu hebat pada subjek tersebut. Bisa diibaratkan seperti daya yang diserap pada satuan luas tertentu.

Selaras seperti analogi sebelumnya. Dalam fisika, intensitas bisa diartikan sebagai daya yang diserap pada satu satuan luas, seperti berikut:

Di mana:

• adalah daya yang diserap atau diterima.
• adalah luas permukaan yang dikenai oleh daya yang dimaksud.

Dapat dilihat, kalau satuan dan intensitas adalah W/m².

Sekarang kita beralih sedikit. Di Indonesia dalam berkendara tingkat kebisingannya diatur dalam Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup nomor 7 tahun 2009.

Peraturannya berisi tentang batasan kebisingan knalpot bergantung pada cc motornya.

Sebagai contoh motor, dengan cc sebesar 80 hingga 175, memiliki batas kebisingan 83 dB atau desibel. Nahlho, apa tuh desibel?

Mungkin di antara tukang iseng bertanya, kalau bunyi merupakan wujud dari gelombang artinya bunyi adalah wujud perpindahan dari energi.

Kenapa gak pakai satuan joule aja atau pakai intensitas sebelumnya?

Konon begini, misal kita lagi supporter-an di pertandingan antar kelas.

Anggap udah ada 10 orang, tentu penambahan 1 orang tidak cukup untuk meningkatkan suara bising yang dihasilkan.

Lantas bagaimana? Kita perlu 10 orang tambahan lagi. Nah nampak penambahan satu orang dirasa tidak terasa sehingga jadi kurang informatif.

Apa jadinya kalau udah ada 100 orang, dan ditambahkan langsung 10 orang? Belum cukup bising kan? Demikian perlu 100 supporter lainnya.

Oleh karena itu, skalanya kita ganti saja kedalam skala logaritmik, seperti berikut:

Di mana:

• adalah level atau taraf intensitas bunyi.
• dan adalah kedua intensitas yang ingin dibandingkan tarafnya.

Kita semua setuju bahwa, alat musik merupakan alat untuk menghasilkan suara yang khas.

Berarti semua barang bisa dijadikan alat musik dong? Meja, tembok, dan lainnya, pokoknya tinggal diketuk aja tuh objek.

Tapi gak semua barang memiliki kemampuan menguatkan suara. Intinya dengan effort atau usaha yang sedikit suara yang dihasilkan lebih optimal.

Bunyi yang dihasilkan sebanding dengan amplitudo gelombangnya. Artinya dengan memanfaatkan prinsip superposisi bisa didapat amplitudo yang lebih besar.

Contohnya gitar, ibarat tali yang diikat ujungnya, senar gitar juga menghasilkan suatu hasil superposisi.

Sehingga timbul suatu gelombang stasioner dengan amplitudo yang lebih besar, karena sefase dan berlawanan pada kasus ujung diikat.

Prinsip ini juga bisa diterapkan pada suatu alat yang lebih sederhana yaitu pipa organa.

Ada dua cara untuk mendapatkan gelombang stasioner tersebut. Yakni dengan menutup ujung pipa organa atau bisa juga dalam keadaan terbuka.

Di sini kita tertarik untuk mengetahui, berapa panjang gelombang yang dihasilkan oleh suatu pipa dengan panjang, misal L.

Analoginya bisa diilustrasikan seperti tali yang terpasang pada tiang kemudian digetarkan.

Untuk pipa yang ujungnya terbuka diibaratkan seperti tali yang ujungnya bebas, sedangkan pipa yang tertutup seperti tali yang ujungnya diikat.

Artinya minimal akan ada dua simpangan terbesar dan satu titik tidak ada simpangan yang dihasilkan pada pipa yang terbuka.

Sedangkan pada pipa tertutup, minmal terdapat satu titik yang simpangan terbesar dan titik tidak ada simpangannya.

Untuk membentuk gelombang dengan kriteria tersebut. Maka untuk pipa terbuka, gelombang-gelombang dimaksud mempunyai kelipatan panjang gelombang:

Dan untuk pipa tertutup, kelipatannya:

Kita paham bahwa frekuensi suatu gelombang sebanding dengan cepat rambat gelombang, dan berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya.

Sebuah fakta juga kalau kelajuan suatu benda relatif terhadap pengamat.

Seperti contoh, orang yang diam di jalan raya mengamati orang yang diam di dalam kereta.

Tentu pengamat mengatakan orang di dalam kereta tersebut bergerak. Begitu juga halnya pada suara.

Gelombang bunyi mempunyai kecepatan yang tidak begitu "cepat" dibandingkan dengan kecepatan cahaya, yang bakal dibahas nanti.

Dengan demikian kelajuannya akan bergantung dengan kelajuan sumber suara.

Karena itu, sangat masuk akal apabila ada perubahan frekuensi pada misal bunyi sirine ambulan ketika mendekat dan menjauh.

Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh Bapak Doppler. Dan frekuensi barunya f' diekspresikan secara matematis sebagai berikut:

Penejasan variabelnya:

• adalah kelajuan bunyi.
• adalah kelajuan pengamat.
• adalah kelajuan sumber.
• adalah frekuensi bunyi awal.

Aturannya sederhana, apabila pengamat mendekat terhadap sumber bunyi, maka tanda plus di pembilang digunakan, begitu sebaliknya.

Kemudian, ketika sumber searah dengan arah gelombang bunyi menuju pengamat, maka tanda minus di penyebut digunakan, dan sebaliknya.