BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.4 Teori Bunyi
Bunyi, secara harafiah dapat diartikan sebagai sesuatu yang kita dengar. Bunyi merupakan hasil getaran dari partikel-partikel yang berada di udara dan
16 energi yang terkandung dalam bunyi dapat meningkat secara cepat dan dapat menempuh jarak yang sangat jauh. Bunyi diidentikkan sebagai pergerakan gelombang di udara yang terjadi bila sumber bunyi mengubah partikel terdekat dari posisi diam menjadi partikel yang bergerak. [6]
Bunyi mempunyai dua defenisi, yaitu:
1. Secara fisis, bunyi adalah penyimpangan tekanan, pergeseran partikel dalam medium elastik seperti udara. Definisi ini dikenal sebagai bunyi objektif.
2. Secara fisiologis, bunyi adalah sensasi pendengaran yang disebabkan penyimpangan fisis yang digambarkan pada bagian atas. Hal ini disebut sebagai bunyi subjektif [4].
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. 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.
Berbicara, tentang substansi yang menjalar apabila gelombang bunyi mencapai tapal batas maka gelombang bunyi tersebut akan terbagi dua yaitu sebagian energi 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.
Pada udara, variasi-variasi tekanan ini berbentuk kompresi (compressions) dan regangan (rarefactions) yang periodik. Amplitudo gelombang dibawa serta oleh tekanan, yang mana semakin besar amplitudo maka semakin besar juga
17 kompresi dan regangan yang terjadi. 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.[6]
2.4.1 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. 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]
f = ... (2.20)[7] Keterangan :
f = Frekuensi (Hz) T = Waktu (detik)
Sedangkan periode adalah banyaknya waktu per banyaknya getaran, sehingga periode berbanding terbalik dengan frekuensi.
T = ... (2.21)[7] Keterangan :
f = Frekuensi (Hz) T = periode (detik)
18 Dalam tabel 2.1 berikut dapat dilihat perbedaan dari jarak rentang frekuensi yang dapat ditransmisikan dan diterima oleh beberapa sumber dan penerima bunyi.
Tabel 2.1 Rentang frekuensi dari beberapa sumber bunyi [6]
Sumber Bunyi Rentang Frekuensi (Hz) Manusia 85-5000
Anjing 450-1080
Kucing 780-1520
Piano 30-4100
Pitch Music Standart 440
2.4.2 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]
c = ... (2.22)[7] atau dalam bentuk yang sederhana dapat ditulis :
c = 20,05 ... (2.23)[7] Keterangan :
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)
Pada media padat bergantung pada modulus elastisitas dan kerapatan, sedangkan pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan.
c = ... (2.24)[7]
Keterangan :
E = Modulus young (N/m2) ρ = Kerapatan (Kg/m3)
19 Pada media cair bergantung pada modulus bulk dan kerapatan.
c = ... (2.25)[7] Keterangan :
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 [6]
Material Kecepatan bunyi (ft/s) Kecepatan bunyi (m/s)
Udara 1100 335 Timah 3700 1128 Air 4500 1385 Beton 10200 3109 Kayu 11100 3417 Kaca 15500 4771 Baja 16000 4925
2. Suhu medium, semakin panas suhu medium yang dilalui maka semakin cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam persamaan matematis (v = v0 + 0,6 t) dimana v0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium.
20 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.
= ... (2.26)[8] Keterangan :
λ = Panjang gelombang bunyi (m) c = Cepat rambat bunyi (m/s) f = Frekuensi (Hz)
2.4.4 Intensitas Bunyi
Intensitas bunyi adalah aliran energi yang dibawa gelombang udara dalam suatu daerah per satuan luas. 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 pengendalian kebisingan lingkungan, tingkat tekanan bunyi sama dengan tingkat intensitas bunyi. Intesitas bunyi pada tiap titik dari sumber dinyatakan dengan : [6]
I = ... (2.27)[8] Keterangan :
I = Intensitas bunyi (W/m2) W = Daya akustik (Watt)
A = Luas area yang ditembus tegak lurus oleh gelombang bunyi (m2)
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 [6]
Jenis Bising/Bunyi Desibel Kriteria Jet tinggal landas, meriam, uap,
halilintar, band rock 100-130 Menulikan Bising lalu lintas, peluit polisi,
knalpot truck 80-100 Sangat keras Kantor yang bising, radio pada 60-80 Keras
21
umumnya, perusahaan Percakapan pada umumnya,
radio perlahan, rumah bising 40-60 Sedang Kantor pribadi, ruang tenang,
percakapan yang tenang. 20-40 Lemah Gemerisik daun, bisikan, nafas
manusia s/d 20 Sangat lemah
2.4.5 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-partikel pada persamaan. [6]
V = ... (2.28)[8] Keterangan :
v = 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 : [6]
= c v ... (2.29)[8] Keterangan :
= Tegangan pada solid (N/m2) = Massa jenis bahan (Kg/m3)
c = Kecepatan bunyi merambat pada batang (m/s) v = Kecepatan partikel (m/s)
22 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.
2.4.6 Tekanan Bunyi dan Tingkatan Tekanan Bunyi
Tekanan bunyi adalah variasi tekanan diatas dan dibawah tekanan atmosfer dalam satuan pascal. Tekanan bunyi dapat dirumuskan dari persamaan kecepatan partikel yaitu:
= 2 fx c ... (2.30)[8] 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 : [6]
= sin (2 ft – k1 x) ... (2.31)[6] dan persamaan untuk gelombang ditransmisikan dan dipantulkan adalah :
= sin (2 ft – k2 x) ... (2.32)[6] = sin (2 ft + k1 x) ... (2.33)[6] Keterangan :
Pi = Tekanan bunyi (N/m2 atau Pa)
Pt = Tekanan bunyi ditransmisikan (N/m2 atau Pa) Pr = Tekanan bunyi dipantulkan (N/m2 atau Pa) 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)
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 sangat bervariasi, yaitu pada rentang 2 x 10-5 N/m2 hingga 600 N/m2. Bermacam-macam alat/ piranti tambahan dapat disambungkan atau digabungkan pada instrumen dasar ini, sesuai dengan kebutuhan, seperti
23 penganalisis frekuensi atau perekam grafis. Meter tingkat bunyi yang dibuat dalam berbagai ukuran oleh beberapa perusahaan, dapat digunakan untuk sejumlah tujuan dalam akustik lingkungan. Ini merupakan instrumen yang penting dalam menilai dan mengendalikan bunyi bising dan getaran. Tingkat tekanan bunyi di definisikan dalam persamaan berikut sesuai dengan: [6]
Lp = 10 log ... (2.34)[8] Keterangan :
Lp = Tingkat tekanan bunyi (Sound Pressure Level (SPL)) (dB) Pref = Tekanan bunyi referensi, 10-5 N/m2 untuk bunyi udara. Pt = Tekanan bunyi ditranmisikan (Pa)
Pada umumnya, suatu instrumen sound level meter dilengkapi dengan fitur pembobotan frekuensi A, B, C, dan flat-weighting (pembobotan datar).
1. Frekuensi Pembobotan –A
A-weighted sound level (tingkat pembobotan bunyi –A) ini memberikan hubungan tingkat tekanan bunyi dengan respon manusia untuk berbagai jenis sumber bunyi (Hemond, 1983). Akibatnya, tingkat pembobotan jenis ini paling sering digunakan dalam keperluan pengendalian kebisingan. Satuan tingkat pembobotan bunyi –A adalah decibel dengan simbol dB(A).
2. Frekuensi Pembobotan –B
Pembobotan –B ini tidak digunakan lagi dalam instrument untuk pengukuran akustik.
3. Frekuensi Pembobotan –C
Respon pembobotan –C ini cukup uniform dari 50 hingga 5000 Hz. Oleh karenanya, pembobotan jenis ini sering digunakan bila pembobotan datar tidak terdapat dalam instrumen sound level meter. Ketika pembobotan –C digunakan, satuan yang digunakan adalah decibel dengan symbol dB(C).
4. Flat-weighting (Pembobotan datar –dB)
Pembobotan jenis ini memiliki jangkauan frekuensi yang sangat luas sehingga kadang disebut all pass respons. Pembobotan ini digunakan bila pemakaian sound level meter dilengkapi dengan band filter. [6]
24 Nilai tingkat tekanan bunyi yang didapat dari hasil pengukuran sound lever meter dalam skala decibel (dB), dapat dikonversikan ke dalam satuan dB(A) melaluisuatu skala koreksi pada tabel 2.4 berikut:
Tabel 2.4 Skala koreksi pembobotan –A [6]
Frekuensi Skala Koreksi 31,5 -39,2 63 -26,1 125 -16 250 -8,6 500 -3,3 1000 0 2000 +1,4 4000 +1,8 8000 +1,9
2.4.7 Tingkatan Intensitas Bunyi
Intensitas bunyi sangat penting diperhatikan untuk mengetahui radiasi total yang menuju udara oleh sumber bunyi dan untuk mengetahui tekanan bunyi. Intensitas bunyi bergantung pada posisi dalam daerah persatuan luas dimana gelombangnya bergerak secara paralel. Intensitas bunyi akan bernilai maksimum jika arah gelombangnya tegak lurus dari sumber bunyi. Hubungan intensitas bunyi, tekanan bunyi, kecepatan bunyi dan kerapatan udara adalah sebagai berikut: [6]
Prms2 = Imax c ... (2.35)[8] Keterangan :
Prms = Akar kuadrat tekanan bunyi rata-rata (Pa) Imax = Intensitas maksimum (W/m2)
ρ = Kerapatan udara (Kg/m3)
c = Cepat rambat bunyi di udara (m/s)
Tingkatan Intensitas bunyi didefinisikan dalam rumus berikut:
25 Keterangan :
I = Intensitas bunyi (W/m2)
Iref = Intensitas referensi (10-12 W/m2)
2.4.8 Daya Bunyi dan Tingkatan Daya Bunyi
Daya bunyi adalah radiasi sumber bunyi yang menuju ke sekitar udara, dalam satuan Watts. Intensitas merupakan besaran yang setara dengan daya gelombang yang merambat per satuan luas muka gelombang. Berbeda dengan gelombang bidang, gelombang speris yang berpropagasi ke segala arah dengan bidang berbentuk bola (speris) seperti yang disajikan pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Gelombang bunyi berbentuk bola (speris) [6]
Sebagaimana yang berlaku untuk gelombang bidang, maka intensitas gelombang speris dapat dihitung dengan prinsip yang sama. Hanya saja karena muka gelombang berbentuk sperik (bola) maka luasnya adalah 4 . Sehingga hubungan daya bunyi dengan intensitas bunyi dapat ditulis dalam persamaan : [6]
Ws = (4 r2) Is ... (2.37)[7] Keterangan :
Ws = Total daya bunyi (Watt)
Is = Intensitas bunyi maksimum pada jarak radius (W/m2)
r = Jarak dari titik tengah akustik sumber bunyi ke permukaan imajiner sphere (m) Tingkat daya bunyi didefinisikan dalam persamaan :
Lw = 10 log ... (2.38)[7] dimana :
Lw = Tingkatan daya bunyi (dB) W = Daya bunyi (Watts)