Getaran Gelomang Bunyi

 BAB 10

Getaran gelombang Bunyi

Kita seringkali mendengar tentang USG. USG adalah peralatan medis yang digunakan untuk mendeteksi keadaan janin dalam kandungan. USG bekerja dengan cara memanfatkan pantulan gelombang ultrsonik yang dipancarkan ke rahim ibu hamil. Lalu, bagaimana sistem kerja dari USG? Apakah hanya gelombang bunyi saja yang bisa dimanfaatkan dalam bidang medis dan kehidupan sehari – hari? Untuk mengetahui jawabannya, yuk simak ringkasan materi berikut dengan seksama.

  a.   Getaran

 Getaran  adalah  gerakan  bolak  –  balik  melalui  titik kesetimbangan yang energinya akan merambat dalam bentuk gelombang, contohnya bandul sederhana.

Bandul sederhana mula – mula di posisi O, bila ditarik ke posisi A kemudian dilepas,  bandul  akan  bergerak  bolak  –  balik  secara  teratur  melalui  titik A-O-B-O-A dan gerakan bolak – balik ini disebut satu getaran. Ciri getaran adalah adanya simpangan terbesar (amplitudo).

 

Panjang tali berpengaruh terhadap periode getar, semakin panjang tali semakin besar periode getarnya dan semakin kecil frekuensinya. Karena getaran berbanding terbalik dengan frekuensi.

 

b.   Gelombang

 

Energi getaran merambat dalam bentuk gelombang, namun yang merambat hanyalah energinya, zat perantaranya tidak ikut merambat (hanya ikut bergetar).  Ketika  kita  mendengar,  getaran  merambat  melalui gelombang yang  membawa energi sehingga sampai ke saraf yang menghubungkan dengan otak.

 

Berdasar  energinya,  gelombang  dibagi  2  yaitu  gelombang  mekanis dan elektromagnetik. Gelombang mekanis memerlukan perantara (medium), contohnya gelombang tali, gelombang air dan gelombang bunyi. Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium, contohnya gelomabng cahaya.

 

Berdasar arah rambat dan arah getarannya, gelombang dibagi 2 yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarnya, contohnya gelombang tali dan gelombang air. Berikut ilustrasi gelombang transversal :

Panjang gelombang transversal adalah jarak antara 1 bukit dan 1 lembah (a sampai e atau d sampai h). Panjang gelombang dilambangkan      (dibaca lambda) dan satuannya meter. Simpangan terjauh dalam gelombng disebut amplitudo (bb’ atau dd’), dasar gelombang terletak pada titik terendah (d dan h), puncak gelombang terletak pada titik tertinggi (b dan f).

 

Lengkungan c-d-e dan g-h-i adalah lembah gelombang. Lengkungan a-b-c dan e-f-g adalah bukit gelombang. Periode gelombang adalah waktu yang ditentukan  untuk  menempuh  satu  gelombang,  satuannya  sekon  (s)  dan

lambangnya  T.    Frekuensi  gelombang  adalah  jumlah  gelombang  yang

terbentuk dalam 1 sekon, lambangnya f dan satuannya hertz (Hz).

 

Gelombang  longitudinal  adalah  gelombang  yang  arah rambatnya sejajar dengan  arah  getarnya, contohnya gelombang bunyi, dapat diamati pada slinki  atau  pegas  yang  diletakkan  diatas  lantai.  Ketika slinki digerakkan

maju-mundur secara terus menerus, gelombang merambat pada slinki yang berupa rapatan dan renggangan.

 

Berikut ilustrasi gelombang longitudinal :

1 gelombang longitudinal terdiri dari 1 rapatan dan 1 renggangan. Gelombang  cahaya  memiliki  kecepatan  3  ×  108   m/s,  gelombang  bunyi

memiliki  kecepatan  340  m/s.  Cepat  rambat  gelombang  dilambangkan dengan      v , satuan gelombang m/s.

Cepat rambat gelombang dirumuskan dengan :

Dalam  medium  yang  sama,  cepat rambat gelombang adalah tetap atau

sama. Contohnya diketahui      pada tali kecepatannya adalah 12 m/s,      adalah frekuensinya 4 Hz, maka   panjang gelombangnya   adalah 3 m. Jika       frekuensi diperbesar menjadi 6 Hz, maka  panjang gelombangnya   adalah 2 m dan      kecepatannya  tetap 12 m/s.

 

Pemantulan gelombang adalah membaliknya gelombang setelah mengenai penghalang, contohnya gelombang air dan gelombang tali :

Pada gelombang tali, gelombang yang mencapai ujung akan memberi gaya keatas pada penopang yang ada di ujung, sehingga penopang memberikan gaya yang sama tetapi berlawanan arah kebawah pada tali. Gaya tali kebawah inilah yang membangkitkan gelombang pantulan yang terbalik.

 

 

c.   Bunyi

 

Bunyi adalah gelombang longitudinal yang merambatkan energi gelombang di udara sampai terdengar oleh reseptor pendengar. Bunyi ditimbulkan oleh benda – benda yang bergetar, misalnya garpu tala. Bunyi garpu tala menuju telinga dihantarkan oleh rapatan dan renggangan partikel – partikel udara.

 

Pada waktu bunyi keluar dari garpu tala, langsung menumbuk molekul – molekul udara disebelahnya yang mengakibatkan rapatan dan renggangan, demikian seterusnya hingga sampai ke telinga.   Berikut gelombang bunyi yang merambat menuju telinga :

 

Bunyi dapat terdengar bila ada : 1). Sumber bunyi, 2). Medium/zat perantara dan 3). Alat penerima/pendengar. Kecepatan bunyi dipengaruhi oleh suhu dan   medium,   dipengaruhi  oleh  suhu  :  semakin  rendah  suhu  udara, kecepatan bunyi semakin tinggi. Hal ini menjelaskan pada malam hari bunyi terdengar lebih jelas daripada siang hari.

 

Pada siang hari, bunyi dibiaskan ke arah udara yang lebih panas (ke atas) karena suhu udara di permukaan bumi lebih dingin dibanding udara diatasnya. Pada malam hari, gelombang bunyi dipantulkan ke arah lebih rendah, karena suhu bumi lebih hangat daripada udara diatasnya.

 

Berikut cepat rambat bunyi pada berbagai medium :

 

Berdasar frekuensinya, bunyi dibagi menjadi 3 yaitu infrasonik, audiosonik dan  ultrasonik.  Infrasonik  :  frekuensinya  <20  Hz,  mampu didengar oleh hewan seperti jangkrik dan anjing. Audiosonik : frekuensinya 20 – 20.000

Hz, mampu didengar oleh semua makhluk hidup termasuk manusia. Ultrasonik : mampu didengar oleh hewan seperti kelelawar, lumba – lumba dan anjing.

 

Pada manusia dewasa, suara perempuan lebih tinggi daripada laki – laki. Laki – laki memiliki nada dasar sebesar 125 Hz, perempuan mempunyai nada dasar   oktaf yaitu 250 Hz. Tinggi rendahnya nada ditentukan oleh frekuensi, semakin besar frekuensinya, semakin tinggi pula nadanya, semakin kecil frekuensinya, semakin rendah pula nadanya.

 

Faktor – faktor yang menentukan tinggi rendahnya nada pada dawai atau senar gitar yaitu :

 

1). Panjang senar : semakin panjang senar, semakin rendah frekuensi yang dihasilkan.

2).  Tegangan  senar  :  semakin  besar  tegangan senar, semakin semakin tinggi frekuensi yang dihasilkan.

3). Luas penampang senar : semakin kecil penampang senar, semakin tinggi frekuensi yang dihasilkan

Nada adalah bunyi yang memiliki frekuensi getaran teratur, desah adalah bunyi yang frekuensinya tidak teratur. Berikut deret nada yang berlaku standar :

Setiap alat musik memiliki suara yang khas yang disebut dengan kualitas bunyi (timbre). Manusia juga memiliki kualitas suara yang berbeda – beda, ada yang memiliki suara merdu atau serak. Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya sebuah benda karena kesamaan frekuensi alami benda dengan frekuensi sumber getar.

Resonansi  terjadi  pada  kolom  udara;  bunyi  akan  terdengar  kuat  ketika

panjang kolom udara mencapai kelipatan ganjil dari 1/4 panjang gelombang bunyi; contohnya pada kentongan, gamelan, alat musik pukul, alat musik tiup dan alat musik petik atau gesek. 

Telinga memiliki selaput tipis yang mudah bergetar apabila diluar terdapat sumber   getar,   mudah   beresonansi,   sehingga   sumber   getar   yang frekuensinya lebih kecil atau lebih besar dengan mudah menyebabkan selaput tipis ikut bergetar. Prinsip kerja resonansi dimanfaatkan manusia seperti memperkuat bunyi asli pada alat musik.

 

Dampak  yang  merugikan  dari  resonansi yaitu bunyi ledakan bom dapat memecahkan  kaca jendela meskipun tidak mengenai kaca, bunyi guntur juga dapat memecahkan kaca jendela meskipun tidak mengenai kaca.

 

Hukum pemantulan bunyi :

 

             1.  Arah bunyi datang, bunyi pantul dan garis normal terletak pada satu bidang datar

2.  Besarnya sudut datang (i) sama dengan besarnya sudut pantul (r).

Bunyi pantul yang memperkuat bunyi asli : antara bunyi pantul dan bunyi asli terdengar  hampir  bersamaan, sehingga bunyi asli terdengar lebih keras. Contohnya apabila berbicara di ruangan kecil, lebih terdengar jelas daripada berbicara di ruang terbuka seperti lapangan.

 

Gaung atau kerdam adalah bunyi pantul yang sebagian terdengar bersama

– sama dengan bunyi asli sehingga bunyi asli terdengar tidak jelas, contohnya apabila mengucapkan fisika :

Bunyi asli : fi-si-ka

Bunyi pantul : fi... si... ka...

Bunyi yang terdengar jelas : fi........ka

 

            Agar dapat menghindari terjadinya gaung, pada dinding ruangan besar dilengkapi peredam suara. Peredam suara terbuat dari karet busa, karton tebal, karpet dan bahan – bahan lain yang bersifat lunak. Biasanya dijumpai di bioskop, studio TV atau radio, aula dan studio rekaman.

 

Gema adalah bunyi pantul yang terdengar setelah bunyi asli. Contohnya apabila berteriak di lapangan atau lereng gunung, bunyi pantul yang terdengar sama persis seperti bunyi asli dan akan terdengar setelah bunyi asli.

 

 

 

d.   Mekanisme Mendengar pada Manusia

 

Manusia mendengar melalui telinga. Telinga mempunyai 3 bagian yaitu telinga luar, telinga tengah dan telinga dalam. Berikut struktur telinga :

Bunyi memerlukan medium untuk merambat, pada telinga luar dan telinga tengah terisi oleh udara dan rongga telinga dalam terisi oleh cairan limfa. Berikut bagian telinga dan fungsinya :

Tahapan mendengar pada manusia : lubang telinga menerima gelombang dari  sumber  suara  →  gelombang  menggetarkan  membran  timpani  → getaran  ditransmisikan  melalui  tulang  martil, landasan dan sanggurdi → getaran dari tulang sanggurdi ditransmisikan melalui koklea → dalam koklea terdapat organ korti, berisi cairan sel – sel rambut yang merupakan reseptor

→ getaran diteruskan melalui saraf auditori ke otak. Berikut proses mendengar pada manusia :

e.   Mekanisme Mendengar pada Hewan

 

Sistem  sonar  adalah  sistem  yang  digunakan  untuk  mendeteksi  tempat dalam melakukan pergerakan dengan deteksi suara frekuensi tinggi (ultrasonik). Sound Navigation and Ranging (sonar) merupakan metode penggunaan gelombang ultrasonik untuk menaksir ukuran, bentuk, letak dan kedalaman benda – benda. Berikut sistem sonar pada kelelawar :

Kelelawar : dapat mengeluarkan dan menerima gelombang ultrasonik lebih dari   20.000   Hz   ketika   terbang.   Gelombang   yang   dikeluarkan   akan dipantulkan  kembali  oleh  objek  yang dilewati dan diterima oleh receiver kelelawar. Ekolokasi adalah kemampuan kelelawar menentukan lokasi.

 

Ketika kelelawar terbang dan berburu, kelelawar menghasilkan bunyi berfrekuensi tinggi kemudian mendengarkan gema yang dihasilkan. Ketika kelelawar mendengarkan gema, kelelawar terfokus pada suaranya sendiri. Rentang frekuensi yang mampu didengar oleh kelelawar terbatas, sehingga kelelawar harus menghindari efek dopler yang muncul.

 

Efek dopler : jika sumber bunyi dan penerima suara keduanya tak bergerak, maka penerima akan mendengar frekuensi bunyi yang sama dengan yang dipancarkan oleh sumber suara. Namun, jika sumber bunyi atau penerima suara bergerak, frekuensi yang diterima berbeda dengan yang dipancarkan.

 

Lumba – lumba : memiliki sistem sonar untuk menghindari benda – benda di lautan, mencari makan dan berkomunikasi. Cara kerja sistem sonarnya yaitu lumba – lumba bernapas melalui lubang yang ada di kepala, dibawah lubang ini  terdapat  kantung  –  kantung  udara  yang  dapat dialirkan udara untuk menghasilkan bunyi berfrekuensi tinggi.

 

Kantung udara fungsinya memfokuskan bunyi, kemudian diteruskan ke semua arah secara putus – putus. Gelombang bunyi dipantulkan kembali jika membentur benda, kemudian ditangkap bagian bawah rahang (jendela akustik), selanjutnya informasi bunyi diteruskan ke telinga tengah dan ke otak untuk diterjemahkan. Berikut sitem sonar pada lumba – lumba :

f.    Aplikasi Getaran dan Gelombang dalam Teknologi

 

Ultrsonografi (USG) : teknik pencitraan untuk diagnosis menggunakan gelombang ultrasonik, frekuensinya sekitar 1-8 MHz. USG digunakan untuk melihat struktur internal seperti otot, tendon, sendi, pembuluh darah, bayi dalam kandungan, berbagai jenis penyakit seperti kanker dan sebagainya.

 

Tahap  gelombang  bunyi  menghasilkan  gambar ada 3 yaitu pemancaran gelombang, penerimaan gelombang pantul dan interpretasi gelombang pantul. USG memancarkan berkas gelombang ultrasonik ke jaringan tubuh menggunakan alat pemancar sekaligus penerima gelombang (transducer).

 

Selanjutnya, transducer mengubah gelombang menjadi sinyal listrik dan dihantarkan ke komputer. Komputer memproses dan mengubah sinyal listrik menjadi gambar. Berikut contoh hasil USG :

   (a) : transduser USG

   (b) : komputer pemroses               hasil USG

   (c) : hasil USG bayi

 

Sonar : digunakan untuk menentukan kedalaman dasar laut dengan cara memancarkan bunyi kedalam air. Data waktu dan cepat rambat bunyi di air laut digunakan untuk menghitung kedalaman dasar laut menggunakan persamaan :

Untuk mengukur kedalaman laut, menggunakan transduser dan detektor. Transduser mengubah sinyal listrik menjadi gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke dasar laut. Pantulan gelombang menimbulkan efek gema (echo) dan dipantulkan kembali ke kapal kemudian ditangkap detektor. Berikut contoh pengukuran kedalaman laut :

Sonar banyak digunakan nelayan modern untuk menentukan lokasi ikan, kondisi ombak dan kecepatan arus air laut.

 

Terapi Ultrasonik : terapi yang menggunakan gelombang ultrasonik untuk keperluan medis. Metode yang digunakan yaitu memancarkan gelombang berfrekuensi  tinggi  (800  –  2000  kHz)  pada  jaringan  tubuh;  contohnya keseleo pada ligamen, keseleo pada otot, tendonitis, inflamasi sendi, osteoartritis dan memecah endapan batu pada penderita batu ginjal (lithotripsi).

 

Berikut contoh terapi pada penderita batu ginjal :

Selain itu, terapi ultrasonik untuk membersihkan gigi, penanganan penyakit katarak, kemoterapi sel – sel kanker dan sebagainya.

 

Pembersih  Ultrasonik  :  alat  yang  menggunakan  gelombang  ultrasonik dengan frekuensi antara 20 – 400 kHz dengan cairan pembersih atau air biasa untuk membersihkan benda seperti perhiasan, lensa, jam tangan, alat bedah,  alat  musik,  alat  laboratorium  dan  alat  –  alat  elektronik  tertentu. Berikut contoh pembersih ultrasonik pada benda :

Sonifikasi  (Sonifikation)  :  proses  pemberian  gelombang  ultrasonik  pada suatu  bahan  (larutan  atau  campuran)  sehingga  dapat  dipecah  menjadi sangat kecil. Didalam laboratorium, sonifikasi dilakukan menggunakan sonikator. Pada alat pembuatan kertas, terdapat alat yang memancarkan gelombang ultrasonik pada serat selulosa sehingga tersebar merata dan kertas menjadi lebih kuat.

 

Sonifikasi juga digunakan dalam prosuksi nanopartikel seperti nanoemulsi dan nanokristal; mempercepat ekstraksi minyak dari jaringan tumbuhan dan pemurnian minyak bumi; merusak atau menonaktifkan material organik seperti merusak membran sel dan melepaskan isi selulernya (sonoporasi). Berikut contoh sonikator :

Pengujian Ultrasonik (ultrasonic testing) : teknik pengujian berdasar penyaluran gelombang ultrasonik pada objek atau material yang diuji. Frekuensi gelombang yang digunakan sekitar 0,1 – 15 MHz. Dengan teknik pemantulan   gelombang   ultrasonik   yang   dipancarkan   dalam   benda, kerusakan bagian dalam benda, ketebalan dan karakteristiknya dapat diketahui.

 

Contohnya kerusakan logam akibat korosi. Pengujian ultrasonik digunakan dalam produksi logam baja dan alumunium; produksi pesawat; automotif dan industri lainnya. Keunggulan pengujian ultrasonik yaitu daya tinggi, akurat, tidak berbahaya dan mudah dibawa.