Nota Asas 8: Gelombang Bunyi

Gelombang bunyi adalah gelombang mekanikal jenis membujur, iaitu gelombang yang terhasil akibat pemadatan dan penjarangan molekul udara. Boleh juga dikatakan, gelombang bunyi adalah siri mampatan dan regangan lapisan udara dari punca bunyi ke telinga pendengar. Itulah sebabnya gelombang bunyi tidak bleh bergerak (merambat) melalui vakum sebab tiada apa yang hendak dimampat atau diregangkan. Gelombang bunyi boleh merambat melalui pepejal kerana dalam pepejal ada atom-atom yang boleh menerima dan meneruskan tekanan yang bermula daripada sumber bunyi.

Telinga manusia boleh mendengar bunyi dalam julat frekuensi 20 hingga 20,000 Hz. Bunyi melebihi 20,000 Hz tidak dapat didengari oleh telinga manusia, makanya dinamai ultra-sonik. Bunyi dibawah 20 Hz juga tidak didengari oleh telinga manusia, dinamai infra-sonik, contohnya gempa bumi.

Telinga manusia adalah penderia yang mengubah gelombang tekanan kepada isyarat elektrik yang boleh dihantar melalui saraf ke otak. Bahan piezoelektrik seperti seramik PZT boleh digunakan untuk mengesan gelombang bunyi dan juga untuk menghasilkannya. Peranti yang mempunyai dwi-fungsi, mengesan dan menghasilkan gelombang bunyi dinamai transducer.

Halaju gelombang bunyi dalam udara adalah sekitar 340 m/s @ 1224 km/jam. Jet pejuang yang mampu terbang dengan kelajuan melebehi 1200 km/jam dikategorikan sebagai jet supesonik. Jet supersonik yang terbang memelebihi halaju bunyi akan menghasilkan gelombang kejutan. Gelombang kejutan ini akan menghasilkan bunyi letupan yang kuat diangkasa yang dikenali sebagai bom sonik yang boleh juga merosakkan bangunan di bawah laluannya jika ia terbang rendah.

Oleh kerana gelombang bunyi memerlukan medium, iaitu udara, maka kesan pendengaran kita pada bunyi amat begantung kepada halaju relatif kita dengan sumber bunyi. Halaju angin juga turut mempengaruhi bunyi yang kita dengar. Kesan ini dikenali sebagai Kesan Doppler.

Kesan Doppler

(i) Pendengar bergerak, sumber pegun (tak bergerak). Panjang gelombang bunyi tak berubah tapi halaju berkesan bunyi bertambah v'=(c+vo) jika pendengar mendekati, berkurang v'=(v-vo) jika pendengar menjauhi. Jadi frekuensi bunyi berkesan (yang didengari) ialah f'=v'/(lambda). Maka, f'=f(1+vo/c) jika pendenar mendekati, f'=f(1-vo/c) jika menjauhi.

(ii) Sumber bunyi bergerak, pendengar pegun. Panjang gelombang bunyi bekesan menjadi pendek sebanyak (lambda)'=(lambda)-vs/f jika sumber bunyi mendekati pendengar dengan halaju vs; sebaliknya panjang gelombang berkesan bertambah sebanyak (lambda)'=(lambda)+vs/f jika sumber menjauhi pendengar. Maka frekuensi berkesan bunyi yang didengari menjadi f'=c/(lambda)', iaitu bertambah menjadi f'=f[1/(1-vs/c)] jika mendekati dan f'=f[1/(1+vs/c)] jika menjauhi.

Kesan Doppler berlaku kepada semua jenis gelombang, termasuk gelombang cahaya dan gelombang mikro. Alat pengesan halaju yang dingunakan Pasukan Polis sedikit masa dulu menggunakan kesan Doppler gelombang mikro untuk menentukan laju kenderaan. Kesan Doppler pada cahaya warna merah dari bintang digunakan untukmenentukan laju dan arah gerakan bintang relatif kepada Bumi.

Rumus Halaju Bunyi, c

Sepertimana halaju gelombang mekanikal yang lain, halaju bunyi mengikut rumus c = (sifat kenyal/sifat inersia)^(1/2). Jadi, halaju bunyi dalam udara (gas) dan cecair c =(modulus pukal/ketumpatan)^(1/2) dan dalam pepejal c=(modulus Young/ketumpatan)^(1/2).

Contoh nilai halaju bunyi dalam udara (20 oC): 343 m/s, udara (0 oC): 331 m/s, air: 1500 m/s, aluminium: 5100 m/s.

Unit decibel (dB)

Ini adalah unit untuk ukuran aras keamatan bunyi (beta) dirujuk kepada aras terendah atau aras ambang pendengaran, iaitu I0 = 10^-12 Watt/m^2. Jadi keamatan bunyi I dalam unit dB ditarifkan sebagai (beta) = 10 log (I/I0) dB.

Contoh nilai dB bagi keamatan bunyi yang biasa ditemui: Kapalterbang jet yang berdekatan: 150 dB, konsert rock: 120 dB, trafic semasa sibuk: 80 dB, perbualan biasa: 50 dB, perbualan berbisik: 30 dB, desiran daun ditiup angin: 10 dB. Senyap sunyi: 0 dB. Telinga akan mula merasa sakit jika keamatan bunyi melebihi 120 dB. Kita digalakkan menutup (menyumbat) teliga dengan alat yang sesuai apabila berada dalam situasi melebihi 90 dB. Kajian terkini menunjukkan pencemaran bunyi boleh menyebabkan masalah kenaikan tekanan darah, kebimbangan, dan rasa gemuruh.