Getaran dan Gelombang: Bunyi, Frekuensi, Periode & Aplikasi

Getaran, Gelombang, dan Bunyi adalah fenomena yang saling berkaitan. Karena Getaran adalah gerakan bolak-balik secara periodik dalam selang waktu tertentu melalui titik keseimbangannya. Sementara itu, Gelombang adalah getaran yang merambat dan membawa energi selama perambatannya.

Lalu apa itu bunyi? bukankah bunyi juga merupakan sesuatu yang dihasilkan dari getaran? apakah bunyi berkaitan pula dengan getaran dan gelombang? Bagaimana selanjutnya berbagai hal ini berkaitan hingga dapat diaplikasikan pada berbagai teknologi yang bermanfaat bagi umat manusia, bahkan termasuk pancaran gelombang wifi yang mampu memberikan kita akses internet? Berikut adalah penjelasannya, dimulai dari getaran.

Getaran

Getaran adalah gerakan bolak-balik secara berkala dalam selang waktu yang teratur melalui titik kesetimbangannya. Tentunya setiap benda dapat bergetar apabila diberi gangguan yang memiliki gaya. Hampir semua benda akan berbunyi jika diketuk bukan? Bunyi dihasilkan dari getaran juga.

Contoh termudah untuk menunjukkan bagaimana getaran bekerja adalah melalui bandul. Sebuah bandul sederhana mula-mula diam pada kedudukan O (kedudukan setimbang). Bandul tersebut ditarik ke kedudukan A (diberi simpangan kecil). Pada saat benda dilepas dari kedudukan A, bandul akan bergerak bolak-balik secara teratur melalui titik A-O-B-O-A dan gerak bolak-balik itu disebut satu getaran.

Besaran Getaran dan Gelombang

Menurut Tim Kemdikbud (2017, hlm. 118) waktu yang diperlukan untuk melakukan satu getaran disebut sebagai periode (T). Getaran itu berkesinambungan, sehingga kita harus mengetahui berapa jumlah getaran yang terjadi dalam setiap satuan waktunya yang biasa dihitung dalam detik (sekon).

Jumlah getaran yang terjadi dalam satu sekon (detik) disebut frekuensi (f) dan menggunakan satuan ukuran “Hz” (Tim Kemdikbud, 2017, hlm. 118). Sementara itu hitungan berapa kali getaran terjadi biasa dilambangkan dengan “n”.

Untuk lebih jelasnya, berikut adalah penjabaran rumus dari keduanya.

Rumus Frekuensi Getaran

Untuk mengetahui frekuensi getaran, cukup membagi jumlah getaran (n) dengan waktu yang dibutuhkan dalam satu getaran (t). Maka, jumlah getaran adalah 60, dan periode adalah 15s.

f = n/t atau f = 1/T (dipilih salah satu tergantung dari informasi yang diketahui dari soal)

ketentuan:

f = frekuensi getaran (Hz)

n = banyaknya getaran

t = selang waktu (s)

Rumus Periode Getaran

Untuk mengetahui periode (T) cukup membagi waktu yang dibutuhkan dalam satu getaran (t) dengan jumlah getaran yang terjadi (n).

T = t/n atau T = 1/f (dipilih salah satu tergantung dari informasi yang diketahui dari soal)

Ketentuan:

T = periode,  (s)

t = selang waktu, atau berapa kali getaran terjadi (s)

f = frekuensi getaran (Hz)

n = banyaknya getaran

Contoh Soal Frekuensi dan Periode Getaran

Untuk lebih jelasnya, berikut adalah contoh kasus dan penjabaran rumus mencari frekuensi dan periode getaran.

Jika ayunan sederhana bergetar sebanyak 60 kali dalam waktu 15 sekon, tentukan:

1. Frekuensi ayunan (getaran), dan
2. Periode ayunan

Jawaban Contoh Soal no.1 (mencari frekuensi getaran):

Rumus yang digunakan (berdasarkan informasi yang diketahui dari soal) adalah: f = n/t

60/15 = 4 Hz

Jadi, frekuensi getaran ayunan adalah 4 Hz

Jawaban Contoh Soal no.2 (mencari periode getaran):

Rumus yang digunakan (berdasarkan informasi yang diketahui dari soal) adalah: T = t/n

Maka:

15/60 = 0,25

Jadi, periode getaran (jumlah getaran yang terjadi dalam 15 sekon) adalah  0,25

Gelombang

Gelombang adalah getaran yang merambat dan membawa energi selama perambatannya. Contohnya, jika kita mengetuk panci lalu menaruh beras di dalamnya, maka beras akan bergetar juga. Mengapa hal itu terjadi? Karena, energi getaran yang dihasilkan dari ketukan panci merambat, sehingga menyebabkan beras ikut bergerak.

Energi getaran merambat dalam bentuk gelombang, sedangkan zat perantaranya tidak ikut merambat (hanya ikut bergetar). Berdasarkan perambatan energinya, gelombang dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu gelombang mekanis dan gelombang elektromagnetik (Tim Kemdikbud, 2017, hlm. 119).

1. Gelombang mekanis,
   adalah gelombang yang membutuhkan medium atau perantara untuk merambat, misalnya: air, tali, dan bunyi.
2. Gelombang elektromagnetik,
   adalah gelombang yang tidak membutuhkan medium seperti cahaya.

Sementara itu berdasarkan arah rambat dan arah getarannya, gelombang dibedakan menjadi gelombang transversal dan gelombang longitudinal.

Gelombang Transversal

Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarnya. Contohnya, gelombang ini dapat kita amati pada tali yang digoyangkan di lantai. Ketika tali diberi simpangan, tali akan bergetar dengan arah getaran ke atas dan ke bawah. Pada tali, gelombang merambat tegak lurus dengan arah getarnya.

Gelombang Longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah rambatnya sejajar dengan arah getarnya. Misalnya, gelombang longitudinal dapat kita amati pada pegas (per) atau slinki. Ketika pegas digerakkan maju-mundur secara terus menerus, akan terjadi gelombang yang merambat pada pegas dan membentuk pola rapatan dan regangan.

Contoh gelombang longitudinal lainnya adalah gelombang bunyi. Satu gelombang longitudinal terdiri atas satu rapatan dan satu regangan. Besaran-besaran yang digunakan pada gelombang longitudinal sama dengan besaran-besaran pada gelombang transversal.

Kecepatan Gelombang

Saat terjadi petir yang akan teramati lebih dahulu adalah kilatnya. Setelah beberapa saat baru bunyinya akan terdengar menggelegar. Mengapa hal itu terjadi? Karena gelombang cahaya merambat lebih cepat dari gelombang bunyi.

Cahaya merambat dengan kecepatan 3 × 108 m/s, sedangkan bunyi hanya merambat dengan kecepatan 340 m/s. Cepat rambat gelombang dilambangkan dengan v, dengan satuan m/s.

Rumus Kecepatan Gelombang

Karena gelombang menempuh jarak satu panjang gelombang (λ) dalam waktu satu periode gelombang (T), maka kecepatan gelombang dapat ditulis:

v = λ/T

Karena T = 1 f , maka cepat rambat gelombang dapat juga dinyatakan sebagai berikut.

v = f × λ

Pemantulan Gelombang

Pemantulan gelombang adalah peristiwa membaliknya gelombang setelah mengenai suatu penghalang (Tim Kemdikbud, 2017, hlm. 127). Contohnya, gelombang tali yang mencapai ujung akan memberikan gaya ke atas pada penopang yang ada di ujung, sehingga penopang memberikan gaya yang sama tetapi berlawanan arah ke bawah pada tali. Gaya ke bawah pada tali inilah yang membangkitkan gelombang pantulan yang terbalik.

Bunyi

Bunyi adalah gelombang longitudinal yang merambatkan energi gelombang di udara sampai terdengar oleh reseptor pendengar. Ya, bunyi ditimbulkan oleh benda-benda yang bergetar, seperti bagaimana senar gitar digetarkan atau lapisan tipis dan elastis dari drum atau kendang dipukul. Tidak terkecuali speaker yang sebetulnya adalah rangkaian elektronik yang digetarkan secara sistematis.

Sebelumnya kita telah membahas mengenai jenis gelombang mekanis yang membutuhkan medium untuk merambat. Apakah bunyi membutuhkan medium? Ya, tapi kenapa tampaknya tidak ada medium jelas seperti air atau tali? Karena bunyi dapat merambat melalui udara. Itu sebabnya di luar angkasa tidak ada bunyi, karena di sana tidak ada udara.

Jadi dapat disimpulkan bahwa bunyi dapat terdengar bila ada 1) sumber bunyi, 2) medium/zat perantara, dan 3) alat penerima/ pendengar.

Kecepatan Bunyi

Seberapa cepat kita dapat mendengar bunyi? Ahli fisika bernama Miller melakukan percobaan untuk mengukur kecepatan bunyi di udara dengan menembakkan peluru sebagai sumber bunyi dan meletakkan detektor pada jarak tertentu.

Percobaan tersebut menyimpulkan bahwa kecepatan bunyi tergantung pada temperatur. Semakin rendah suhu udara, maka semakin cepat perambatan bunyi. Hal ini yang menjelaskan mengapa pada malam hari yang lebih dingin, bunyi terdengar lebih jelas daripada siang hari yang lebih hangat.

Selain dipengaruhi suhu, kecepatan bunyi juga dipengaruhi oleh medium rambatannya.

Frekuensi Bunyi

Apakah semua bunyi dapat terdengar oleh telinga manusia? Ketika guru menggetarkan penggaris di meja dengan getaran kurang dari 20 getaran per sekon, kita tidak dapat mendengar bunyi. Kita baru dapat mendengarkan bunyi ketika penggaris menghasilkan 20 getaran per sekon atau lebih.

Berdasarkan frekuensinya, bunyi dibagi menjadi tiga, yaitu infrasonik, audiosonik, dan ultrasonik (Tim Kemdikbud, 2017, hlm. 130). Berikut adalah penjelasannya.

1. Bunyi infrasonik memiliki frekuensi kurang dari 20 Hz. Bunyi infrasonik hanya mampu didengar oleh hewan-hewan tertentu seperti jangkrik dan anjing. Ini sebabnya anjing akan terbangun jika mendengar langkah kaki manusia walaupun sangat pelan.
2. Audiosonik adalah bunyi yang memiliki frekuensi 20-20.000 Hz. Manusia dapat mendengar bunyi hanya pada kisaran ini.
3. Bunyi Ultrasonik adalah bunyi yang memiliki frekuensi di atas 20.000 Hz. Kelelawar, lumba-lumba, dan anjing adalah contoh hewan yang dapat mendengar bunyi ultrasonik.

Karena mampu mendengarkan begitu banyak getaran dalam satu sekon, kelelawar bahkan bisa menggunakan indra pendengarannya untuk “melihat” atau lebih tepatnya bernavigasi. Kelelawar menembakkan gelombang ultra sonik ke seluruh arah, kemudian mendengarkan bunyi pantul tersebut untuk mengetahui letak setiap benda yang ada di sekitar dengan tepat. Sehingga kelelawar mampu terbang dalam keadaan gelap tanpa menabrak benda-benda di sekitarnya.

Karakteristik Bunyi

Bunyi juga dapat dibedakan melalui karakteristiknya seperti bagaimana kita mampu membedakan bunyi piano dan bunyi gitar. Setiap gelombang bunyi memiliki frekuensi, amplitudo, dan warna bunyi yang berbeda bahkan meskipun perambatannya terjadi pada medium yang sama.

Tinggi Rendah dan Kuat Lemah Bunyi

Pada waktu memainkan alat musik kamu dapat menentukan tinggi rendahnya bunyi. Suara perempuan lebih tinggi dibandingkan suara laki-laki (pada orang dewasa). Pita suara laki-laki yang bentuknya lebih panjang dan berat, mengakibatkan laki-laki memiliki nada dasar sebesar 125 Hz, sedangkan perempuan memiliki nada dasar satu oktaf (dua kali lipat) lebih tinggi, yaitu sekitar 250 Hz.

Bunyi dengan frekuensi tinggi akan menyebabkan telinga sakit dan nyeri karena gendang telinga ikut bergetar lebih cepat. Tinggi rendahnya nada ditentukan oleh frekuensi bunyi tersebut. Semakin besar frekuensi bunyi, maka akan semakin tinggi nadanya. Sebaliknya, jika frekuensi bunyi kecil, maka nada akan semakin rendah.

Nada

Kita akan lebih nyaman ketika mendengarkan bunyi musik, dibandingkan dengan bunyi keramaian orang di pasar atau tempat umum lainnya. Mengapa? Karena bunyi musik itu frekuensinya teratur dan hal itu disebut dengan nada. Sebaliknya, bunyi yang frekuensinya tidak teratur disebut desah.

Warna atau Kualitas Bunyi (Timbre)

Pada saat bermain alat musik, kamu dapat membedakan bunyi yang bersumber dari alat musik gitar, piano dan lain-lain. Setiap alat musik akan mengeluarkan suara yang khas. Suara yang khas ini disebut kualitas bunyi atau yang sering disebut timbre. Begitu pula pada manusia, juga memiliki kualitas bunyi yang berbeda-beda, ada yang memiliki suara yang dianggap lebih merdu, serak, dan generik (umum).

Resonansi

Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena benda lain yang memiliki frekuensi sama bergetar di sekitarnya. Ikut bergetarnya udara yang ada di dalam kolom udara suatu benda dapat mengakibatkan bunyi semakin keras. Ini sebabnya mengapa gitar menggunakan kayu kopong di bawah senarnya, agar bunyi yang dihasilkan senar berresonansi ke kolom udara yang berada di bagian kopongnya.

Pemantulan Bunyi

Pada dasarnya, bunyi adalah gelombang, dan seperti gelombang, bunyi juga dapat memantul. Misalnya  ketika kita berada di ruang tertutup suara terdengar lebih keras daripada di ruang terbuka? Lalu saat kita berteriak di tebing seperti ada yang meniru suara kita (menjawab).

Jenis Pemantulan Bunyi

Berdasarkan kedua contoh itu, tampak jelas bahwa terdapat beberapa jenis pemantulan bunyi, berikut adalah pemaparannya.

1. Bunyi Pantul yang Memperkuat Bunyi Asli,
   adalah pantulan bunyi yang jarak sumber bunyi dan dinding pemantul berdekatan sehingga selang waktu antara bunyi asli dan bunyi pantul sangat kecil. Antara bunyi asli dan bunyi pantul akan terdengar hampir bersamaan, sehingga bunyi hanya terdengar lebih keras.
2. Gaung atau Kerdam,
   adalah bunyi pantul yang sebagian terdengar bersama-sama dengan bunyi asli sehingga bunyi asli terdengar tidak jelas.
3. Gema
   adalah bunyi pantul yang membutuhkan waktu cukup lama untuk merambat, sehingga bunyi pantulan memantul sempurna persis seperti bunyi aslinya.

Mekanisme Mendengar pada Manusia

Telinga dibagi menjadi tiga bagian, yaitu telinga luar, telinga tengah, dan telinga dalam. Bunyi memerlukan medium untuk merambat. Apakah di telinga terdapat medium? Ada, telinga luar dan telinga tengah terisi oleh udara dan rongga telinga dalam terisi oleh cairan limfa.

Menurut Tim Kemdikbud (2017, hlm. 145) proses mendengar pada manusia melalui beberapa tahap sebagai berikut.

1. Diawali dari lubang telinga yang menerima gelombang dari sumber suara.
2. Gelombang suara yang masuk ke dalam lubang telinga akan menggetarkan gendang telinga (yang disebut membran timpani).
3. Getaran membran timpani ditransmisikan melintasi telinga tengah melalui tiga tulang kecil, yang terdiri atas tulang martil, landasan, dan sanggurdi. Telinga tengah dihubungkan ke faring oleh tabung eustachius.
4. Selanjutnya getaran dari tulang sanggurdi ditransmisikan ke telinga dalam melalui membran jendela oval ke koklea. Koklea merupakan suatu tabung yang bergulung seperti rumah siput. Koklea berisi cairan limfa.
5. Getaran dari jendela oval ditransmisikan ke dalam cairan limfa dalam ruangan koklea. Di bagian dalam ruangan koklea terdapat organ korti. Organ korti berisi cairan sel-sel rambut yang sangat peka. Inilah reseptor getaran yang sebenarnya. Sel-sel rambut ini akan bergerak ketika ada getaran di dalam koklea, sehingga menstimulasi getaran yang diteruskan oleh saraf auditori ke otak.

Pendengaran Hewan

Pendengaran hewan jauh lebih sensitif dibandingkan manusia. Beberapa mamalia akan menggunakan daun telinga untuk memfokuskan suara yang diterimanya. Sistem itu disebut sistem sonar yaitu sistem yang digunakan untuk mendeteksi tempat dalam melakukan pergerakan dengan deteksi suara frekuensi tinggi (ultrasonik).

Sonar adalah suatu sistem penggunaan gelombang ultrasonik untuk menaksirkan ukuran, bentuk, atau kedalaman yang biasa dipakai di kapal atau hewan tertentu seperti lumba-lumba dan kelelawar.

Kelelawar

Kelelawar dapat mengeluarkan dan menerima gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20.000 Hz sembari terbang. Gelombang yang dikeluarkan akan dipantulkan kembali oleh objek yang akan dilewatinya dan diterima oleh receiver (alat penerima) yang berada di tubuh kelelawar.

Kemampuan kelelawar untuk menentukan lokasi ini disebut dengan ekolokasi. Pada saat terbang dan berburu, kelelawar akan mengeluarkan bunyi yang frekuensinya tinggi, kemudian mendengarkan gema yang dihasilkan.

Pada saat kelelawar mendengarkan gema, kelelawar hanya akan terfokus pada suara yang dipancarkannya sendiri. Rentang frekuensi yang mampu didengar oleh makhluk ini terbatas, sehingga kelelawar harus mampu menghindari efek Doppler yang muncul.

Efek Doppler yang dimaksud adalah jika sumber bunyi dan penerima suara keduanya tak bergerak, maka penerima akan mendengar frekuensi bunyi yang sama dengan yang dipancarkan oleh sumber suara.

Agar dapat menghindari efek Doppler, kelelawar akan menyesuaikan besar frekuensi suara yang dipancarkannya. Misalnya, kelelawar akan mengirimkan suara berfrekuensi tinggi untuk mendeteksi lalat yang bergerak menjauh, sehingga pantulannya tidak hilang.

Lumba-Lumba

Lumba-lumba dapat dilihat di permukaan air, namun sebagian besar waktu mereka di kedalaman lautan yang cukup gelap. Sekalipun hidup di kedalaman lautan, lumba-lumba mempunyai sistem yang memungkinkan untuk berkomunikasi dan menerima rangsangan, yaitu sistem sonar.

Bagaimana sistemnya? lumba-lumba bernapas melalui lubang yang ada di atas kepalanya. Di bawah lubang tersebut, terdapat kantung-kantung kecil berisi udara. Agar dapat menghasilkan suara berfrekuensi tinggi, lumba-lumba mengalirkan udara pada kantung-kantung ini.

Kemudian, bunyi ini dipancarkan ke segala arah secara terputus-putus. Gelombang bunyi lumba-lumba akan dipantulkan kembali bila membentur suatu benda. Pantulan gelombang bunyi tersebut ditangkap di bagian rahang bawahnya yang disebut “jendela akustik”.

Dari bagian tersebut, informasi bunyi diteruskan ke telinga bagian tengah, dan akhirnya ke otak untuk diterjemahkan. Dengan cara tersebut, lumba-lumba mengetahui lokasi, ukuran, dan pergerakan mangsanya. Lumba-lumba juga mampu saling berkirim pesan walaupun terpisahkan oleh jarak lebih dari 220 km.

Aplikasi Getaran dan Gelombang dalam Teknologi

Getaran dan gelombang memiliki banyak manfaat bagi kehidupan manusia. Berikut beberapa pemanfaatan gelombang dalam teknologi.

Ultrasonografi (USG)

Ultrasonografi (USG) merupakan teknik pencitraan untuk diagnosis dengan menggunakan gelombang ultrasonik. Frekuensi yang digunakan berkisar antara 1-8 MHz.

USG dapat digunakan untuk melihat struktur internal dalam tubuh, seperti tendon, otot, sendi, pembuluh darah, bayi yang berada dalam kandungan, dan berbagai jenis penyakit, seperti kanker.

Sonar (Sound Navigation and Ranging)

Sonar dapat digunakan untuk menentukan kedalaman dasar lautan yang diperoleh dengan cara memancarkan bunyi ke dalam air. Gelombang bunyi akan merambat menurut garis lurus hingga mengenai sebuah penghalang, misalnya dasar laut.

Ketika gelombang bunyi mengenai penghalang, sebagian gelombang itu akan dipantulkan kembali ke kapal sebagai gema. Waktu yang dibutuhkan gelombang bunyi untuk bergerak turun ke dasar dan kembali ke atas diukur dengan cermat.

Terapi ultrasonik

Terapi ultrasonik adalah terapi yang menggunakan gelombang ultrasonik untuk keperluan medis. Metode yang digunakan yaitu dengan memancarkan gelombang dengan frekuensi tinggi (800- 2.000 kHz) pada jaringan tubuh.

Beberapa bentuk terapi ultrasonik misalnya terapi fisik, yang biasa digunakan untuk menangani keseleo pada ligamen, keseleo pada otot, tendonitis, inflamasi sendi, dan osteoartritis.

Selain itu, tingginya energi gelombang ultrasonik, juga dapat digunakan untuk memecah endapan batu pada penderita batu ginjal atau yang dikenal dengan lithotripsi.

Pembersih ultrasonik

Pembersih ultrasonik adalah alat yang menggunakan gelombang ultrasonik dengan frekuensi antara 20-400 KHz dan biasanya menggunakan cairan pembersih tertentu untuk membersihkan suatu benda. Tanpa cairan pembersih juga sebetulnya proses pembersihan dilakukan melalui getaran ultrasonik.

Benda-benda yang biasa dibersihkan menggunakan alat pembersih ultrasonik seperti, perhiasan, lensa, jam tangan, alat bedah, alat musik, alat laboratorium, dan alat-alat elektronik tertentu.

Sonifikasi (sonification)

Sonifikasi adalah proses pemberian energi gelombang ultrasonik pada suatu bahan (larutan atau campuran), sehingga bahan tersebut dapat dipecah menjadi bagian yang sangat kecil. Di dalam laboratorium, sonifikasi dilakukan dengan bantuan alat yang disebut sonikator.

Sonification juga diaplikasikan dalam alat pembuatan kertas juga terdapat alat yang memancarkan gelombang ultrasonik pada serat selulosa, sehingga serat tersebar lebih merata dan menjadikan kertas lebih kuat.

Pengujian ultrasonik (ultrasonic testing)

Pengujian ultrasonik adalah teknik pengujian yang berdasarkan pada penyaluran gelombang ultrasonik pada objek atau material yang diuji. Gelombang yang digunakan memiliki frekuensi sekitar 0,1 – 15 Mhz.

Dengan menggunakan teknik pantulan gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke dalam benda, kerusakan pada bagian dalam benda, ketebalan, dan karakteristiknya dapat dideteksi, misalnya kerusakan akibat korosi (karat) pada logam.

Referensi

1. Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. (2017). Ilmu Pengetahuan Alam SMP/MTs Kelas VIII. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.