Gelombang Bunyi, Sonar dan Ekolokasi

Saat mendengar alunan musik dari smartphone, kita merasakan pesan musik tersebut sampai dari perangkat kita menembus relung hati yang paling dalam. Pastinya ini terjadi saat suasana hati kita sesuai dengan musik yang kita dengarkan. Melodi musik merambat melalui medium udara disekitar kita, menuju pusat pendengaran telinga seolah tanpa jeda waktu yang memisahkan. Pernahkah kita bertanya adakah suatu kecepatan khusus suatu bunyi bergerak? Adakah batas suatu bunyi bergerak atau tidak ada batasnya?

Bunyi merupakan salah satu bentuk gelombang mekanik, dimana bunyi berasal dari sumber getar atau benda yang berosilasi. Getaran ini merambat dengan membawa energi melalui suatu medium atau ruang dan menyebar apabila tidak ada penghalangnya. Sebagai gelombang mekanik bunyi memerlukan medium untuk merambat. Medium yang dimaksud adalah partikel-partikel yang menghantarkannya, seperti partikel-partikel pada medium gas, cair dan padat. Bunyi dapat merambat pada udara, seperti ruang kelas, aula, maupun tanah lapang. Pada medium cair bunyi merampat pada air seperti bunyi tetetan air, sedangkan pada medium padat bunyi dapat merambat pada tembok, seperti suara sayup-sayup suara diantara batas ruang kelas.

Bunyi merupakan gelombang, sehingga frekuensi, periode, kecepatannya atau bahkan panjang gelombangnya dapat kita ukur. Kecepatan bunyi di negara Indonesia pada umumnya sebesar 340 m/s, yang berarti bunyi dapat menempuh jarak sebesar 340 m selama satu detik. Frekuensi bunyi merupakan jumlah getaran partikel yang dilalui bunyi setiap detik, dimana manusia pada umumnya manusia hanya mampu menangkap frekuensi pada rentang 20-20.000 Hz. Sedangkan periode yang dapat dihitung satu per frekuensi merupakan waktu tempuh sauatu partikel yang bergetar akibat bunyi yang merambat.

Ciri khas bunyi sebagai gelombang

Bunyi memiliki besaran khusus yang membuatnya dapat dikategorikan sebagai gelombang. Besaran tersebut merupakan frekuensi dan panjang gelombang. Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya frekuensi adalah jumlah getaran partikel setiap detik. Adapun panjang gelombang merupakan jarak antara dua compression ataupun rare fraction.

Untuk membayangkan panjang gelombang kita dapat melihat gambar 1.

Gambar 1. Ilustrasi bunyi sebagai gelombang longitudinal (http://physics.tutorcircle.com/waves/longitudinal-waves.html)

Gambar 1., menunjukkan bunyi yang merambat pada medium udara. Sumber bunyi berasal dari pengeras suara yang kemudian ditunjukkan partikel-partikel udara mengalami kompresi (compression) dan sebagian tidak mengalami kompresi (rarefraction) akibat bunyi yang menjalar. Jarak antar kompresi yang berdekatan setara dengan satu panjang gelombang (wavelength).

Frekuensi dan panjang gelombang memiliki karakteristik khusus. Perkalian frekuensi dan panjang gelombang setara kecepatan gelombang dimana dapat dituliskan:

$v=\lambda\times f$

dimana v adalah kecepatan gelombang (m/s); $\lambda$ adalah panjang gelombang (m); dan $f$ adalah frekuensi dalam Hz.

Contoh 1

Bunyi berfrekuensi 200 Hz menjalar di udara dengan kecepatan 340 m/s. Tentukan panjang gelombang bunyi tersebut!

Solusi:

$v=\lambda f$

$340 = \lambda 200$ , $\lambda =1,7 m$

Sonar dan Ekolokasi

Sonar merupakan singkatan dari sound navigation and ranging, yaitu sebuah metode untuk menentukan lokasi object, berkomunikasi maupun mengukur jarak dengan menggunakan penjalaran gelombang bunyi. Paul Langevin pertama kali memperkenalkan sistem sonar untuk mendeteksi kapal selam pada tahun 1915.

Gambar 2. Ilustrasi metode sonar untuk mendeteksi benda dibawah permukaan laut (https://flowvella.com/)

Gambar 2 menunjukkan bagaimana penjalaran gelombang bunyi pada metode sonar. Bunyi dipancarkan oleh transmitter bunyi yang berada di kapal menuju bawah laut. Apabila bunyi mengenai permukaan bawah laut atau benda sebagian bunyi akan dipantulkan menuju kapal dan ditangkap oleh reciever. Alat sonar kemudian akan menavigasi dengan mengolah waktu pantulan bunyi tersebut (echo). Melalui pengetahuan kecepatan bunyi kita dapat menentukan jarak benda (kedalaman) dari permukaan laut (kapal). Untuk mempermudah pemahanan kita pelajarilah contoh berikut ini:

Contoh 2.

Sebuah kapal mentransmisikan gelombang bunyi untuk menentukan kedalaman laut. Data kecepatan rambat bunyi disajikan pada tabel 1. Apabila waktu echo terdegar setelah 4 detik, tentukan kedalaman laut tersebut!

Tabel 1. Kecepatan bunyi di berbagai medium

Solusi:
Kita asumsikan kecepatan rambat bunyi di dalam laut konstan, dimana v =1530 m/s. Karena waktu echo-nya 4 detik, yang merupakan waktu penjalaran dari permukaan laut menuju dasar laut dan kembali lagi permukaan, maka kita ambil watu, t = 2 detik. Tentunya ini diambil karena kita hanya ingin mengukur kedalaman laut yang merupakan jarak dari kapal ke dasar laut, bukan 2 kali jaraknya.

Jelas secara kinematika kecepatan konstan,

$v=d/t$ , maka:

$d=vt=1530\times 2 = 3060 m$

Prinsip sonar sebenarnya di adaptasi kemampuan hewan seperti kelewar, lumba-lumba dan paus dalam menentukan lokasi mangsa maupun kawanannya. Ekolokasi hewan tersebut dikenal juga sebagai biosonar. Kelewar misalnya akan mengeluarkan bunyi ultrasonik pada rentang 40-50 kHz, yang mana bunyi ini tidak dapat di dengar oleh manusia.