Frekuensi (Hz PDF

Preview

Summary

8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 TEORI GELOMBANG DAN BUNYI Pada bagian ini akan diberikan beberapa definisi dan pengertian dasar mengenai gelombang dan bunyi serta hal-hal yang berkaitan dengan teori ini. 2.1.1 Pengertian Gelombang Gerak gelombang muncul di dalam hampir tiap-tiap cabang fisika, seperti...

Description

8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1

TEORI GELOMBANG DAN BUNYI Pada bagian ini akan diberikan beberapa definisi dan pengertian dasar

mengenai gelombang dan bunyi serta hal-hal yang berkaitan dengan teori ini. 2.1.1 Pengertian Gelombang Gerak gelombang muncul di dalam hampir tiap-tiap cabang fisika, seperti gelombang air, gelombang bunyi, gelombang cahaya, gelombang radio, dan gelombang elektromagnetik lainnya. Sebuah perumusan mengenai atom dan partikel-partikel sub-atomik dinamakan mekanika gelombang. Jelaslah bahwa sifat-sifat gelombang sangat penting di dalam fisika. Gelombang dapat didefenisikan sebagai getaran yang merambat melalui medium yang dapat berupa zat padat, cair, dan gas. Gelombang terjadi karena adanya sumber getaran yang bergerak terus-menerus. Medium pada proses perambatan gelombang tidak selalu ikut berpindah tempat bersama dengan rambatan gelombang. Misalnya bunyi yang merambat melalui medium udara, maka partikel-partikel udara akan bergerak osilasi (lokal) saja. Gelombang berdasarkan medium perambatannya dapat dikategorikan menjadi gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang mekanik terdiri dari partikel-partikel yang bergetar, dalam perambatannya memerlukan medium. Contohnya gelombang bunyi, gelombang pada air, gelombang tali. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Perambatan gelombang ini tidak memerlukan medium dan bergerak mendekati kelajuan cahaya. Contohnya sinar gamma (γ), sinar X, sinar ultra violet, cahaya tampak, infra merah, gelombang radar, gelombang TV, gelombang radio. Berdasarkan arah getar dan arah rambat, gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal. Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatannya tegak lurus terhadap arah getarnya, contohnya gelombang pada tali , gelombang permukaan air, gelombang

9

cahaya. Sedangkan gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah merambatnya searah dengan arah getarnya, contohnya gelombang bunyi dan gelombang pada pegas. Gelombang ini terdiri dari rapatan dan regangan. Rapatan adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan mendekat selama sesaat. Regangan adalah daerah-daerah dimana kumparan-kumparan menjauh selama sesaat. Rapatan dan regangan berhubungan dengan puncak dan lembah pada gelombang transversal. Gelombang transversal dan gelombang longitudinal dapat digambarkan secara grafis pada gambar 2.1.

Gambar 2.1a Gelombang Transversal (diambil dari Cutnell & Johnson, 1992)

Gambar 2.1b Gelombang Longitudinal (diambil dari Stanley Wolfe, 2003) Besaran-besaran yang digunakan untuk mendiskripsikan gelombang antara lain panjang gelombang (λ) adalah jarak antara dua puncak yang berurutan, frekuensi (ƒ) adalah banyaknya gelombang yang melewati suatu titik tiap satuan waktu, periode (T) adalah waktu yang diperlukan oleh gelombang melewati suatu titik, amplitudo (A) adalah simpangan maksimum dari titik setimbang, kecepatan gelombang (v) adalah kecepatan dimana puncak gelombang (atau bagian lain dari gelombang) bergerak. Kecepatan gelombang harus dibedakan dari kecepatan partikel pada medium itu sendiri. Pada waktu merambat gelombang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain. Saat gelombang merambat melalui medium maka energi dipindahkan sebagai energi getaran antar partikel dalam medium tersebut.

10

2.1.2 Pengertian Bunyi Bunyi, secara harafiah dapat diartikan sebagai sesuatu yang kita dengar. Bunyi merupakan hasil getaran dari partikel-partikel yang berada di udara (Sound Research Laboratories Ltd, 1976) dan energi yang terkandung dalam bunyi dapat meningkat secara cepat dan dapat menempuh jarak yang sangat jauh (Egan, 1972). Defenisi sejenis juga dikemukakan oleh Bruel & Kjaer (1986) yang menyatakan bahwa bunyi diidentikkan sebagai pergerakan gelombang di udara yang terjadi bila sumber bunyi mengubah partikel terdekat dari posisi diam menjadi partikel yang bergerak. Secara lebih mendetail, Doelle (1972) menyatakan bahwa bunyi mempunyai dua defenisi, yaitu: 1. Secara fisis, bunyi adalah penyimpangan tekanan, pergeseran partikel dalam medium elastik seperti udara. Definisi ini dikenal sebagai bunyi Obyektif. 2. Secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran yang disebabkan penyimpangan fisis yang digambarkan pada bagian atas. Hal ini disebut sebagai bunyi subyektif. Secara singkat, Bunyi adalah suatu bentuk gelombang longitudinal yang merambat secara perapatan dan perenggangan terbentuk oleh partikel zat perantara serta ditimbulkan oleh sumber bunyi yang mengalami getaran. Rambatan gelombang bunyi disebabkan oleh lapisan perapatan dan peregangan partikel-partikel udara yang bergerak ke luar, yaitu karena penyimpangan tekanan. Hal serupa juga terjadi pada penyebaran gelombang air pada permukaan suatu kolam dari titik dimana batu dijatuhkan. Gelombang

bunyi

adalah

gelombang

yang

dirambatkan

sebagai

gelombang mekanik longitudinal yang dapat menjalar dalam medium padat, cair dan gas. Medium gelombang bunyi ini adalah molekul yang membentuk bahan medium mekanik ini (Sutrisno, 1988). Gelombang bunyi ini merupakan vibrasi/getaran molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun demikian

zat

tersebut

terkoordinasi

menghasilkan

gelombang

serta

mentransmisikan energi bahkan tidak pernah terjadi perpindahan partikel (Resnick dan Halliday , 1992).

11

Berbicara, tentang substansi yang menjalar apabila gelombang bunyi mencapai tapal batas maka gelombang bunyi tersebut akan terbagi dua yaitu sebagian

energi

ditransmisikan/diteruskan

dan

sebagian

lagi

direfleksikan/dipantulkan. Suatu penelitian mengenai terjadinya penjalaran bunyi, mendeteksi dan penggunaan bunyi sangat penting untuk mengetahui lebih lanjut akan pengalihan energi mekanik (Giancoli, 1998). Gambar 2.2 dan 2.3 adalah perambatan gelombang bunyi pada kondisi medium yang berbeda.

Gambar 2.2 Rambatan Gelombang bunyi dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat [18].

Gambar 2.3 Rambatan Gelombang bunyi dari medium lebih rapat ke medium yang kurang rapat [18]. Hewan

menggunakan

gelombang

bunyi/suara

untuk

memperoleh

perubahan informasi dan untuk mendeteksi lokasi dari suatu objek. Misalnya ikan lumba-lumba, kelelawar, menggunakan gelombang bunyi untuk mengemudi dan menentukan lokasi makanan, apabila cahaya tidak cukup untuk pengamatan. Manusia berusaha menggunakan gelombang bunyi sebagai pengganti cahaya (Ackerman et al, 1988). Syarat terdengarnya bunyi ada tiga macam yaitu ada sumber bunyi, ada medium (udara), dan ada penerima/pendengar.

12

Pada udara, variasi-variasi tekanan ini berbentuk kompresi (compressions) dan regangan (rarefactions) yang periodik. Pada gambar 2.4 dan 2.5, bel meradiasikan nada murni (pure tone) ke semua arah, sehingga menciptakan satu dataran gelombang melingkar. Getaran yang terjadi terus-menerus (continuaes) hingga berhenti pada bel menyebabkan deret kompresi dan regangan udara yang bergerak secara longitudinal dari sumber. Amplitudo gelombang dibawa serta oleh tekanan, yang mana semakin besar amplitudo maka semakin besar juga kompresi dan regangan yang terjadi.

Gambar 2.4 Radiasi bunyi dari bel

Gambar 2.5 Dua implus tunggal yang memiliki ketinggian (magnitude) atau amplitudo berbeda menjauh dari sumber bunyi. Perubahan tekanan yang membawa informasi bunyi ini bergerak pada arah yang sama dengan muka gelombang, yaitu secara longitudinal, sehingga dapat dikatakan bunyi merupakan gerakan gelombang mekanis yang longitudinal.

13

2.1.3 Sifat – Sifat Bunyi Pengertian mengenai sifat-sifat dasar fisik bunyi merupakan suatu hal yang sangat penting untuk diketahui dalam mengembangkan suatu pendekatan secara sistematis terhadap masalah kontrol kebisingan. Bunyi mempunyai beberapa sifat seperti: asal dan perambatan bunyi, frekuensi bunyi, cepat rambat bunyi, panjang gelombang, intensitas, kecepatan partikel dan lain-lainya sebagai berikut. 2.1.3.a Asal dan Perambatan Bunyi Semua benda yang dapat bergetar mempunyai kecenderungan untuk menghasilkan bunyi. Bila ditinjau dari arah getarnya, bunyi termasuk gelombang longitudinal dan bila dilihat dari medium perambatannya, bunyi termasuk gelombang mekanik. 2.1.3.b Frekuensi Bunyi Frekuensi merupakan gejala fisis obyektif yang dapat diukur oleh instrumen-instrumen akustik. Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil perhitungan ini dinyatakan dalam satuan hertz (Hz) yaitu nama pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali. Frekuensi adalah banyaknya getaran per banyaknya waktu pada waktu lampau satuan dari ukuran sebuah frekuensi didefinisikan sebagai banyaknya siklus perdetik (cps). Sekarang, frekuensi ditentukan dalam satuan yang disebut Hertz (Hz). Satu Hertz sama dengan satu siklus perdetik. Frekuensi yang dapat didengar oleh Manusia berkisar 20 sampai 20.000 Hz dan jangkauan frekuensi ini dapat mengalami penurunan pada batas atas rentang frekuensi sejalan dengan bertambahnya umur manusia (lipscomb & Taylor, 1978). Jangkauan frekuensi audio manusia akan berbeda jika umur manusia juga berbeda. Frekuensi bunyi dapat didefinisikan sebagai jumlah periode siklus kompresi dan regangan yang muncul dalam satu satuan waktu [6, Hal 7].

14

f = 1/T

(2-1)

dimana : f = Frekuensi (Hz) T = Waktu (detik) Gelombang dengan berbagai macam frekuensi yang terbentuk pada gelombang sinusoida dapat ditunjukkan pada gambar 2.6 berikut.

Gambar 2.6 Gelombang sinusoida dengan beberapa macam frekuensi; gelombang yang bawah mempunyai frekuensi yang lebih tinggi. Sedangkan periode adalah banyaknya waktu per banyaknya getaran, sehingga periode berbanding terbalik dengan frekuensi [6, Hal 7]. T=

dimana :

1 (s) f

(2-2)

= Frekuensi (Hz) = periode (detik)

Dalam tabel 2.1 berikut dapat dilihat perbedaan dari jarak rentang frekuensi yang dapat ditransmisikan dan diterima oleh beberapa sumber dan penerima bunyi [6]. Tabel 2.1 Jarak rentang frekuensi yang ditransmisikan dan diterima oleh sumber dan penerima bunyi. Sumber Bunyi

Rentang Frekuensi (Hz)

Manusia

85 – 5000

Anjing

450 – 1080

Kucing

780 – 1520

Piano

30 – 4100

Pitch Music Standart

440

15

Terompet

190 – 990

Drum

95 – 180

Kelelawar

10.000 – 120.000

Jangkrik

7.000 – 100.000

Burung Nuri

2.000 – 13.000

Burung Kakak Tua

7.000 – 120.000

Mesin Jet

5 – 50.000

Mobil

15 – 30.000 Penerima Bunyi

Rentang Frekuendi (Hz)

Manusia

20 – 20.000

Anjing

15 – 50.000

Kucing

60 – 65.000

Kelelawar

1000 – 120.000

Jangkrik

100 – 15.000

Burung Nuri

250 – 21.000

Burung Kakak Tua

150 – 150.000

Sumber:hhtp://www.iptek.net.id/ind/?mnu=8&ch=jsti&id=173

2.1.3.c Cepat Rambat Bunyi Bunyi bergerak pada kecepatan berbeda-beda pada tiap media yang dilaluinya. Pada media gas udara, cepat rambat bunyi tergantung pada kerapatan, suhu, dan tekanan [6, Hal 10].

=

(2-3)

atau dalam bentuk yang sederhana dapat ditulis : = 20,05√

dimana : c = Cepat rambat bunyi (m/s) γ = Rasio panas spesifik (untuk udara = 1,41) Pa = Tekanan atmosfir (Pascal) ρ = Kerapatan (Kg/m3) T = Suhu (K)

16

Pada media padat bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan, sedangkan pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan [6, Hal 11].

=

(2-4)

dimana : E = Modulus young (N/m2) ρ = Kerapatan (Kg/m3) Pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan.

c=

K

(2-5)



dimana : K = Modulus bulk (N/m2)

 = Kerapatan (Kg/m3) Karena bunyi merupakan gelombang maka bunyi mempunyai cepat rambat yang dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu : 1. Kerapatan partikel medium yang dilalui bunyi. Semakin rapat susunan partikel medium maka semakin cepat bunyi merambat, sehingga bunyi merambat paling cepat pada zat padat. Tabel 2.2 disajikan beberapa kecepatan bunyi dalam material tertentu. Tabel 2.2 Cepat rambat bunyi pada berbagai material [Hemond, 1983] Material

Kecepatan bunyi (ft/s)

Kecepatan bunyi (m/s)

Udara

1,1

335

Timah

3,7

1128

Air

4,5

1385

Beton

10,2

3109

Kayu

11,1

3417

Kaca

15,5

4771

Baja

16

4925

2. Suhu medium, semakin panas suhu medium yang dilalui maka semakin cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam

17

persamaan matematis (v = v0 + 0,6.t) dimana v0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium. Besar kecilnya cepat rambat bunyi pada suatu medium sangat tergantung pada temperatur medium tersebut (Beranek & L’ver, 1992). 2.1.3.d Panjang Gelombang Panjang suatu gelombang bunyi dapat didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh oleh perambatan bunyi selama tiap siklus. Hubungan antara panjang gelombang, frekuensi, dan cepat rambat bunyi dapat ditulis sebagai berikut sesuai [6, Hal 12] (2-6)

=

dimana : λ = Panjang gelombang bunyi (m) c = Cepat rambat bunyi (m/s) f = Frekuensi (Hz) 2.1.3.e Intensitas Bunyi Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam suatu daerah per satuan luas [6, Hal 15]. Intensitas bunyi dalam arah tertentu di suatu titik adalah laju energi bunyi rata-rata yang ditransmisikan dalam arah tersebut melewati satu-satuan luasan yang tegak lurus arah tersebut di titik bersangkutan. Untuk tujuan praktis dalam dalam pengendalian kebisingan lingkungan, tingkat tekanan bunyi sama dengan tingkat intensitas bunyi (Doelle, 1972). Intesitas bunyi pada tiap titik dari sumber dinyatakan dengan : =

dimana :

(2-7) I = Intensitas bunyi (W/m2) W = Daya akustik (Watt) A = Luas area yang ditembus tegak lurus oleh gelombang bunyi (m2)

18

Ambang batas pendengaran manusia, yaitu nilai minimum intensitas daya bunyi yang dapat dideteksi telinga manusia, adalah 10-6 W/cm2. Tingkat tekanan bunyi beberapa macam bising dan bunyi tertentu ditunjukkan dalam tabel 2.3. Tabel 2.3 Skala intensitas Kebisingan Jenis Bising/Bunyi Jet tinggal landas, meriam, mesin, uap, halilintar, band rock. Bising lalu lintas, peluit polisi, knalpot truk. Kantor yang bising, radio pada umumnya, perusahaan. Percakapan pada umumnya, radio perlahan, rumah bising. Kantor pribadi, ruang tenang, percakapan yang tenang. Gemirisik daun, bisikan, nafas manusia.

Desibel

Kriteria

100-130

Menulikan

80-100

Sangat keras

60-80

Keras

40-60

Sedang

20-40

Lemah

S/d 20

Sangat lemah

2.1.3.f Kecepatan Partikel Radiasi bunyi yang dihasilkan suatu sumber bunyi akan mengelilingi udara sekitarnya. Radiasi bunyi ini akan mendorong patikel udara yang dekat dengan permukaan luar sumber bunyi. Hal ini akan menyebabkan bergeraknya partikel-partikel di sekitar radiasi bunyi yang disebut dengan kecepatan partikel pada persamaan. =

dimana :

(2-8) = Kecepatan partikel (m/s) p = Tekanan (Pa) ρ = Massa jenis bahan (Kg/m3) c = cepat rambat bunyi (m/s)

Dengan menggunakan kesetimbangan momentum antara momentum linear dan impuls gaya pada gelombang longitudinal untuk permasalahan solid borne maka dapat dianologikan menjadi persamaannya adalah : =

dimana :

(2-9) = Tegangan pada solid (N/m2)

19

= Massa jenis bahan (Kg/m3) c = Kecepatan bunyi merambat pada batang (m/s) v = Kecepatan partikel (m/s) dengan asumsi bahwa : 1. Gelombang yang terjadi di solid adalah gelombang bidang 2. Persamaan di atas dapat diturunkan menjadi gerak di benda solid 3. Reaksi medium solid berupa tegangan, sedangkan pada udara berupa tekanan. 2.1.3.g Titinada Sifat sensasi pendengaran yang memungkinkan kita menyusun bunyi dalam suatu skala yang berkisar dari frekuensi rendah ke tinggi disebut dengan titinada. Secara subyektif fisiologis, titinada sama dengan frekuensi. Titinada terutama tergantung pada frekuensi bunyi perangsang, makin tinggi frekuensinya, makin tinggi pula titinadanya. 2.1.3.h Warna Nada Sensasi bunyi yang mempunyai titinada disebut nada. Nada murni adalah sensasi bunyi frekuensi tunggal, ditandai dengan ketunggalan titinadanya. Bunyi ini dapat dihasilkan dengan memukul garpu tala atau dengan memainkan nada rendah secara lembut pada suling. Kebanyakan bunyi musik tidak menghasilkan nada murni saja, tetapi menghasilkan bunyi yang terdiri dari beberapa frekuensi tambahan, yang disebut dengan nada kompleks. Nada kompleks adalah sensasi bunyi yang ditandai oleh lebih dari satu frekuensi. Frekuensi terendah yang berada dalam suatu nada kompleks disebut nada dasar, sedangkan komponen-komponen dengan frekuensi lebih tinggi disebut nada atas atau parsial. 2.1.3.i Kekerasan Bunyi Kekerasan bunyi adalah sifat sensasi pendengaran yang subyektif dan dalam besaran kekerasan ini, bunyi dapat disusun pada skala yang berkisar dari lemah sampai keras. Kekerasan adalah tanggapan subyektif terhadap tekanan

20

bunyi dan intensitas bunyi. Phon adalah satuan tingkat kekerasan bunyi, yang dibentuk oleh suatu percobaan psikologis yang sangat luas. Skala phon ikut memperhatikan kepekaan telinga yang berbeda terhadap bunyi dengan frekuensi yang berbeda. 2.1.4 Tekanan Bunyi dan Tingkatan Tekanan Bunyi Tekanan bunyi adalah variasi tekanan diatas dan dibawah tekanan atmosfer dalam satuan pascal. Variasi tekanan ini sifatnya periodik, satu variasi tekanan komplit disebut juga sebagai satu siklus (frekuensi). Secara umum persamaan gelombang tekanan bunyi datang dapat dituliskan sebagai : =

sin (2

−

)

(2-10)

=

sin(2

−

)

(2-11)

dan persamaan untuk gelombang ditransmisikan dan dipantulkan adalah : =

sin(2

+

(2-12)

)

= Tekanan bunyi (N/m2 atau Pa)

dimana :

= Tekanan bunyi ditransmisikan (N/m2 atau Pa) = Tekanan bunyi dipantulkan (N/m2 atau Pa) = Amplitudo tekanan bunyi (N/m2) f

= Frekuensi (Hz)

t

= Waktu (detik)

k1,k2 = Bilangan gelombang pada media 1 dan media 2 = x

= jarak dari sumber gelombang (m)

2

Penyimpangan dalam tekanan atmosfir yang disebabkan getaran partikel udara karena adanya gelombang bunyi disebut tekanan bunyi. Tingkat tekanan bunyi diukur oleh sound level meter yang terdiri atas mikrofon, penguat, dan instrument output (keluaran) yang mengukur tingkat tekanan bunyi dalam decibel. Nilai tingkat tekanan bunyi ini sa...