PERUBAHAN TEKANAN GELOMBANG SUARA

BAB 17

GELOMBANG SUARA

17.1 Perubahan Tekanan dalam Gelombang Suara

17.2 Kecepatan Gelombang Suara di udara

17,3 Intensitas Gelombang Suara Periodik

17.4 Efek Doppler

         Sebagian besar gelombang kita pelajari dalam Bab 16 yang dibatasi untuk bergerak sepanjang media satu dimensi. Sebagai contoh, gelombang pada Gambar 16.7 adalah murni membangun gerak secara matematis sepanjang sumbu x. Gelombang pada Gambar 16.10 dibatasi untuk bergerak sepanjang string. Kita juga telah melihat gelombang bergerak melalui media dua dimensi, seperti riak di permukaan air dalam pendahuluan Bagian 2 pada halaman 433 dan gelombang bergerak di atas permukaan laut pada Gambar 16.4. Dalam bab ini, kita menyelidiki gelombang mekanik yang bergerak melalui media massal tiga dimensi. Sebagai contoh, gelombang seismik meninggalkan fokus dari perjalanan gempa melalui tiga dimensi interior bumi.

         Kita akan memusatkan perhatian kita pada gelombang suara, yang melakukan perjalanan melalui materi apapun, tapi yang paling sering dialami ketika gelombang mekanik berjalan melalui udara yang mengakibatkan persepsi pendengaran manusia. Ketika gelombang suara berjalan melalui udara, unsur udara terganggu dari posisi keseimbangan mereka. Mendampingi gerakan-gerakan ini adalah perubahan dalam kepadatan dan tekanan udara sepanjang arah gerak gelombang. Jika sumber gelombang suara bergetar dengan sinusoidal, variasi kepadatan dan tekanan juga sinusoidal. Deskripsi matematis dari gelombang suara sinusoidal sangat mirip dengan gelombang sinusoidal pada string, seperti dibahas dalam Bab 16.

          Gelombang suara dibagi menjadi tiga kategori yang mencakup rentang frekuensi yang berbeda.
(1) gelombang Audible terletak dalam kisaran sensitivitas telinga manusia. Mereka dapat dihasilkan dalam berbagai cara, seperti dengan alat musik, suara manusia, atau pengeras suara.
(2) gelombang infrasonik memiliki frekuensi di bawah kisaran terdengar. Gajah dapat menggunakan gelombang infrasonik untuk berkomunikasi dengan satu sama lain, bahkan ketika dipisahkan dari jarak beberapa kilometer.
(3) gelombang ultrasonik memiliki frekuensi di atas kisaran terdengar. Anda mungkin telah menggunakan "diam" peluit untuk mengambil anjing Anda. Anjing dengan mudah mendengar suara ultrasonik yang dipancarkan peluit ini, meskipun manusia tidak dapat mendeteksi sama sekali. Gelombang ultrasonik juga digunakan dalam pencitraan medis.

          Bab ini dimulai dengan diskusi tentang variasi tekanan dalam gelombang suara, kecepatan gelombang suara, dan intensitas gelombang, yang merupakan fungsi gelombang amplitudo. Kita kemudian memberikan deskripsi alternatif intensitas gelombang suara yang memampatkan berbagai intensitas yang telinga sensitif ke kisaran yang lebih kecil untuk kenyamanan. Efek dari gerakan sumber dan pendengar pada frekuensi suara juga diselidiki.

17.1 Perubahan Tekanan dalam Gelombang Suara

         Dalam Bab 16, kita mulai penyelidikan kita tentang gelombang dengan membayangkan penciptaan sebuah pulsa tunggal yang bepergian ke string (Gambar 16.1) atau pegas (Gambar 16.3). Mari kita melakukan sesuatu yang mirip untuk suara. Kita menjelaskan dengan gambar gerakan pulsa suara membujur satu dimensi bergerak melalui tabung panjang berisi gas yang dapat dimampatkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17.1. Sebuah piston di ujung kiri dapat cepat pindah ke kanan untuk memampatkan gas dan menciptakan pulsa. Sebelum piston bergerak, gas tidak terganggu dan kepadatan seragam yang diwakili oleh daerah seragam berbayang pada Gambar 17.1a. Ketika piston didorong ke kanan (Gambar 17.1b), gas hanya di depan dimampatkan (yang diwakili oleh daerah berbayang lebih tebal), maka tekanan dan kepadatan di wilayah ini sekarang lebih tinggi daripada mereka sebelum piston bergerak. Ketika piston datang untuk beristirahat (Gambar 17.1c), daerah kompresi gas terus bergerak ke kanan, sesuai dengan pulsa membujur berjalan melalui tabung dengan kecepatan v.

        Satu dapat menghasilkan gelombang suara periodik satu dimensi dalam tabung gas pada Gambar 17.1 dengan menyebabkan piston bergerak dalam gerak harmonik sederhana. Hasilnya ditunjukkan dalam Gambar 17.2. Bagian-bagian yang lebih gelap dari daerah berwarna dalam gambar ini merupakan daerah di mana gas dikompresi dan kepadatan dan tekanan di atas nilai keseimbangan mereka. Sebuah daerah kompresi terbentuk ketika piston didorong ke dalam tabung. Daerah kompresi ini, yang disebut pemampatan, bergerak melalui tabung, terus mengompresi wilayah hanya di depannya sendiri.

        Ketika piston ditarik kembali, gas di depan itu mengembang dan tekanan dan kepadatan di wilayah ini jatuh di bawah nilai keseimbangan mereka (diwakili oleh bagian yang lebih ringan dari daerah berwarna pada Gambar 17.2). Ini daerah tekanan rendah, disebut rarefactions, juga merambat sepanjang tabung, setelah kompresi. Kedua daerah bergerak dengan kecepatan suara dalam medium. 

          Ketika piston berosilasi sinusoidal, daerah kompresi dan penghalusan terus diatur. Jarak antara dua tekanan berurutan (atau dua rarefactions berurutan) sama dengan panjang gelombang l (lamda) dari gelombang suara. Karena gelombang suara longitudinal, seperti tekanan dan rarefactions perjalanan melalui tabung, setiap elemen kecil dari gas bergerak dengan gerak harmonik sederhana sejajar dengan arah gelombang. Jika s(x,t) adalah posisi dari elemen kecil relatif terhadap posisi kesetimbangan,  kita dapat mengekspresikan fungsi posisi harmonik ini sebagai:

s(x,t) = s_max cos (kx - wt)                                                       (17.1)

di mana s_max adalah posisi maksimum elemen relatif terhadap ekuilibrium. Parameter ini sering disebut amplitudo perpindahan gelombang. Parameter k adalah bilangan gelombang, dan w (omega) adalah frekuensi sudut gelombang. Perhatikan bahwa perpindahan unsur adalah sepanjang x, dalam arah rambatan gelombang suara.

Variasi tekanan gas ∆P diukur dari nilai ekuilibrium yang juga periodik dengan bilangan gelombang yang sama dan frekuensi sudut bagi perpindahan dalam Persamaan 17.1. Oleh karena itu, kita bisa menulis:

∆P = ∆P_max sin (kx - wt)                                                        (17.2)

di mana amplitudo tekanan ∆P_max adalah perubahan maksimum tekanan dari nilai ekuilibrium.

Perhatikan bahwa kita telah menyatakan perpindahan melalui suatu fungsi kosinus dan tekanan melalui suatu fungsi sinus. Kita akan membenarkan pilihan ini dalam prosedur  berikut dan berhubungan amplitudo tekanan P_max dengan amplitudo perpindahan s_max. Pertimbangkan pengaturan piston-tabung Gambar 17.1 sekali lagi. Pada Gambar 17.3a, kita memusatkan perhatian pada elemen silinder kecil gas yang panjang ∆x dan daerah A. Volume unsur ini V_i = A ∆x. 

           Gambar 17.3b menunjukkan unsur gas setelah gelombang suara telah pindah ke posisi baru. Dua buah disk datar bergerak melalui jarak yang berbeda s₁ dan s₂. Perubahan volume ∆V dari elemen di posisi baru sama dengan A ∆s, di mana ∆s = s₁ - s₂.

Dari definisi modulus bulk (. Lihat Persamaan 12.8), kita menyatakan perubahan tekanan dalam elemen gas sebagai fungsi dari perubahan dalam volume:

∆P = -B ∆V/V_i

Mari kita menggantikan volume awal dan perubahan volume elemen:

∆P = -B (A ∆s/A ∆x)

Memberikan ketebalan disk ∆x mendekati nol sehingga rasio ∆s/∆x menjadi turunan parsial:

∆P = -B ∂s/∂x                                                                              (17.3)

Mengganti fungsi posisi yang diberikan oleh Persamaan 17.1: 

 

      Dari hasil ini, kita melihat bahwa perpindahan digambarkan dengan fungsi kosinus mengarah ke tekanan yang digambarkan oleh fungsi sinus. Kita juga melihat bahwa amplitudo perpindahan dan tekanan terkait dengan:

∆P_max = Bs_maxk                                                                           (17.4)

Hubungan ini tergantung pada modulus bulk dari gas, yang tidak tersedia seperti densitas gas. Setelah kita menentukan kecepatan suara dalam gas dalam Bagian 17.2, kita akan mampu untuk memberikan ekspresi yang berhubungan dengan ∆P_max dan s_max dalam hal densitas gas.

          Diskusi ini menunjukkan bahwa gelombang suara dapat dijelaskan sama baiknya dalam hal baik tekanan atau perpindahan. Sebuah perbandingan Persamaan 17.1 dan 17.2 menunjukkan bahwa tekanan gelombang  90⁰ keluar dari fase dengan gelombang perpindahan. Grafik fungsi ini ditunjukkan pada Gambar 17.4. Variasi tekanan maksimum ketika perpindahan dari keseimbangan adalah nol, dan perpindahan dari kesetimbangan adalah maksimum ketika variasi tekanan adalah nol (Serway,2010:488-490).

 Baca Juga Tentang: Kecepatan Gelombang Suara

 //Anda baru saja membaca artikel tentang PERUBAHAN TEKANAN GELOMBANG SUARA, jika ada kekeliruan, kurang jelas, kritik dan saran silahkan isi di kolom komentar.//