ENERGI SUARA: KARAKTERISTIK, JENIS, KEGUNAAN, KELEBIHAN, CONTOH - FISIK - 2025

The energi suara atau akustik yang membawa gelombang suara saat mereka merambat di media, yang mungkin gas seperti udara, cairan atau padat. Manusia dan banyak hewan menggunakan energi akustik untuk berinteraksi dengan lingkungan.

Untuk ini mereka memiliki organ khusus, misalnya pita suara, yang mampu menghasilkan getaran. Getaran ini diangkut di udara untuk mencapai organ khusus lainnya yang bertanggung jawab atas interpretasinya.

Energi akustik diterjemahkan ke dalam musik melalui suara klarinet. Sumber: Pixabay

Getaran menyebabkan kompresi dan ekspansi berturut-turut di udara atau media yang mengelilingi sumber, yang merambat dengan kecepatan tertentu. Bukan partikel yang bergerak, tetapi mereka hanya berosilasi sehubungan dengan posisi kesetimbangannya. Gangguan itulah yang ditularkan.

Nah, seperti diketahui, benda yang bergerak memiliki energi. Dengan demikian, gelombang yang bergerak dalam medium juga membawa serta energi yang terkait dengan pergerakan partikel (energi kinetik), dan juga energi yang secara intrinsik dimiliki oleh medium tersebut, yang dikenal sebagai energi potensial.

karakteristik

Seperti diketahui, benda yang bergerak memiliki energi. Demikian juga, gelombang yang bergerak dalam medium, membawa serta energi yang terkait dengan pergerakan partikel (energi kinetik) dan juga energi deformasi medium atau energi potensial.

Dengan asumsi bagian yang sangat kecil dari medium, yang dapat berupa udara, setiap partikel dengan kecepatan u, memiliki energi kinetik K yang diberikan oleh:

Selanjutnya partikel memiliki energi potensial U yang bergantung pada perubahan volume yang dialaminya, dimana Vo adalah volume awal, V adalah volume akhir dan p adalah tekanan, yang bergantung pada posisi dan waktu:

Tanda negatif menunjukkan peningkatan energi potensial, karena gelombang yang merambat bekerja pada elemen volume dV saat mengompresnya, berkat tekanan akustik positif.

Massa unsur fluida dalam hal massa jenis awal ρ _o dan volume awal V _o adalah:

Dan bagaimana massa dikekalkan (prinsip kekekalan massa):

Oleh karena itu total energi menjadi seperti ini:

Menghitung energi potensial

Integral dapat diselesaikan dengan menggunakan prinsip kekekalan massa

Turunan konstanta adalah 0, jadi (ρ V) '= 0. Oleh karena itu:

Isaac Newton menentukan bahwa:

(dp / dρ) = c ²

Dimana c mewakili kecepatan suara dalam fluida yang dimaksud. Dengan mengganti integral di atas, energi potensial media diperoleh:

Jika A _p dan A _v adalah amplitudo gelombang tekanan dan kecepatan masing-masing, energi rata-rata ε gelombang suara adalah:

Suara dapat dicirikan oleh suatu kuantitas yang disebut intensitas.

Intensitas suara didefinisikan sebagai energi yang lewat dalam satu detik melalui luas satuan yang tegak lurus dengan arah perambatan suara.

Karena energi per satuan waktu adalah daya P, intensitas suara I dapat dinyatakan sebagai:

Setiap jenis gelombang suara memiliki frekuensi karakteristik dan membawa energi tertentu. Semua ini menentukan perilaku akustiknya. Karena suara sangat penting bagi kehidupan manusia, jenis suara diklasifikasikan menjadi tiga kelompok besar, menurut rentang frekuensi yang dapat didengar oleh manusia:

- Suara infrasonik, yang frekuensinya kurang dari 20 Hz.

- Spektrum terdengar, dengan frekuensi mulai dari 20 Hz hingga 20.000 Hz.

- Ultrasonografi, dengan frekuensi lebih dari 20.000 Hz.

Pitch suara, apakah tinggi, rendah atau sedang, tergantung pada frekuensinya. Frekuensi yang lebih rendah diinterpretasikan sebagai suara bass, kira-kira antara 20 dan 400 Hz.

Frekuensi antara 400 dan 1600 Hz dianggap midtone, sedangkan high berkisar dari 1600 hingga 20.000 Hz. Suara bernada tinggi ringan dan menusuk, sedangkan bass dianggap lebih dalam dan menggelegar.

Suara yang Anda dengar setiap hari adalah hamparan suara yang kompleks dengan berbagai frekuensi yang berdekatan.

Suara memiliki kualitas selain frekuensi, yang dapat dijadikan sebagai kriteria untuk klasifikasinya. Contohnya adalah timbre, durasi dan intensitas.

Equalizer terdiri dari filter yang menghilangkan kebisingan dan meningkatkan frekuensi tertentu untuk meningkatkan kualitas suara. Sumber: Pixabay.

Kebisingan

Penting juga untuk membuat perbedaan antara suara yang diinginkan dan suara atau kebisingan yang tidak diinginkan. Karena kebisingan selalu dicari untuk dihilangkan, kebisingan diklasifikasikan menurut intensitas dan periode di:

- Kebisingan terus menerus.

- Kebisingan berfluktuasi.

- Kebisingan impulsif.

Atau dengan warna, terkait dengan frekuensinya:

- Kebisingan merah muda (mirip dengan "shhhhhh").

- Derau putih (mirip dengan "psssssss").

- Derau cokelat (oleh Robert Brown, penemu gerak Brownian, adalah derau yang sangat mendukung frekuensi rendah).

Aplikasi

Penggunaan yang diberikan untuk energi akustik bergantung pada jenis gelombang suara yang digunakan. Dalam kisaran gelombang yang dapat didengar, penggunaan suara secara universal adalah untuk memungkinkan komunikasi yang erat, tidak hanya antar manusia, karena hewan juga berkomunikasi dengan memancarkan suara.

Suaranya serba guna. Masing-masing berbeda menurut sumber yang memancarkannya. Dengan cara ini keragaman suara di alam menjadi tidak terbatas: setiap suara manusia berbeda, demikian pula suara karakteristik yang digunakan spesies hewan untuk berkomunikasi satu sama lain.

Banyak hewan menggunakan energi suara untuk menempatkan diri di luar angkasa dan juga untuk menangkap mangsanya. Mereka memancarkan sinyal akustik dan memiliki organ reseptor yang menganalisis sinyal yang dipantulkan. Dengan cara ini mereka memperoleh informasi tentang jarak.

Manusia kekurangan organ yang diperlukan untuk menggunakan energi sonik dengan cara ini. Namun, mereka telah menciptakan perangkat orientasi seperti sonar, berdasarkan prinsip yang sama, untuk memfasilitasi navigasi.

Di sisi lain, ultrasound adalah gelombang suara yang aplikasinya sudah terkenal. Dalam pengobatan, mereka digunakan untuk mendapatkan gambaran bagian dalam tubuh manusia. Mereka juga merupakan bagian dari pengobatan beberapa kondisi seperti sakit pinggang dan tendonitis.

Beberapa aplikasi energi akustik

- Dengan USG berenergi tinggi, batu atau bate yang terbentuk di ginjal dan kantong empedu bisa dihancurkan karena pengendapan garam mineral di organ tersebut.

- Dalam geofisika, USG digunakan sebagai metode pencarian. Prinsipnya mirip dengan metode seismik. Mereka dapat digunakan dalam aplikasi mulai dari menentukan bentuk lautan hingga relief hingga menghitung modulus elastisitas.

- Dalam teknologi pangan, mereka digunakan untuk menghilangkan mikroorganisme yang tahan terhadap suhu tinggi, serta untuk memperbaiki beberapa tekstur dan kualitas makanan.

Keuntungan

Energi akustik memiliki kelebihan yang sebagian besar disebabkan oleh jangkauannya yang pendek. Misalnya, tidak mahal untuk diproduksi dan tidak menghasilkan bahan kimia atau limbah lainnya, karena cepat menghilang dalam medium.

Adapun sumber energi akustiknya sangat banyak. Benda apa pun yang mampu bergetar bisa menjadi sumber suara.

Jika digunakan dalam aplikasi medis, seperti pencitraan USG, keuntungannya adalah tidak menggunakan radiasi pengion, seperti sinar-X atau tomografi. Adalah fakta bahwa radiasi pengion dapat menyebabkan kerusakan sel.

Penggunaannya tidak memerlukan tindakan perlindungan yang diperlukan saat radiasi pengion diterapkan. Kit juga lebih murah.

Demikian pula, energi ultrasonik adalah metode non-invasif untuk menghilangkan batu ginjal dan batu empedu tersebut, sehingga menghindari prosedur pembedahan.

Pada prinsipnya itu tidak menghasilkan polusi baik di udara maupun di perairan. Namun diketahui bahwa terdapat pencemaran suara di laut yang disebabkan oleh aktivitas manusia seperti penangkapan ikan secara intensif, pencarian geofisika dan transportasi.

Kekurangan

Sulit untuk memikirkan kerugian yang ditimbulkan oleh fenomena sealami suara.

Salah satunya adalah bahwa suara keras dapat merusak struktur gendang telinga, dan seiring waktu membuat orang yang terus-menerus terpapar kehilangan sensasi.

Lingkungan yang sangat bising akhirnya menyebabkan stres dan ketidaknyamanan pada orang-orang. Kerugian lain mungkin adalah fakta bahwa energi akustik tidak digunakan untuk menggerakkan benda, sehingga sangat sulit untuk memanfaatkan getaran untuk mempengaruhi benda padat.

Ini karena suara selalu membutuhkan keberadaan media untuk dapat merambat, dan karenanya mudah dilemahkan. Dengan kata lain, energi suara diserap dalam medium lebih cepat daripada jenis gelombang lainnya, misalnya gelombang elektromagnetik.

Karena alasan ini, energi gelombang suara di udara memiliki jarak yang relatif pendek. Suara diserap oleh struktur dan objek saat ia merambat, dan energinya secara bertahap menghilang menjadi panas.

Tentu saja, ini terkait dengan kekekalan energi: energi tidak dimusnahkan tetapi berubah bentuk. Getaran molekul di udara tidak hanya diubah menjadi perubahan tekanan yang menimbulkan suara. Getaran juga menimbulkan panas.

Penyerapan suara pada material

Ketika gelombang suara menghantam material seperti dinding bata, misalnya, sebagian energi dipantulkan. Bagian lain hilang dalam panas, berkat getaran molekuler udara dan material; dan akhirnya fraksi yang tersisa melewati material.

Dengan demikian, gelombang suara dapat dipantulkan dengan cara yang sama seperti cahaya. Pantulan suara dikenal sebagai "echo". Semakin kaku dan seragam permukaannya, semakin besar kemampuannya untuk berefleksi.

Faktanya, ada permukaan yang mampu menghasilkan banyak refleksi yang disebut gema. Biasanya hal ini terjadi di ruang kecil dan dihindari dengan menempatkan bahan isolasi, sehingga dengan cara ini gelombang yang dipancarkan dan dipantulkan tidak tumpang tindih sehingga menyulitkan pendengaran.

Selama semua perambatannya, gelombang akustik akan mengalami semua kehilangan yang berurutan ini sampai akhirnya energi terserap seluruhnya di dalam medium. Artinya telah diubah menjadi energi panas.

Ada besaran untuk mengukur kemampuan suatu bahan dalam menyerap suara. Ini disebut koefisien absorpsi. Ini dilambangkan sebagai α, dan ini adalah rasio antara energi yang diserap E _abs dan energi insiden E _inc , semuanya mengacu pada materi yang dimaksud. Itu diungkapkan secara matematis seperti ini:

α = E _abs / E _inc

Nilai maksimum α adalah 1 (menyerap suara sepenuhnya) dan minimum 0 (membiarkan semua suara masuk).

Suara bisa menjadi kerugian pada banyak kesempatan ketika keheningan lebih disukai. Misalnya, mobil yang dilengkapi peredam suara untuk meredam suara mesin. Ke perangkat lain seperti pompa air dan pembangkit listrik juga.

Insulasi suara penting dalam studio rekaman. Sumber: Pixabay.

Contoh energi suara

Energi suara ada di mana-mana. Berikut adalah contoh sederhana yang mengilustrasikan properti suara dan energinya dari sudut pandang kuantitatif.

Latihan diselesaikan

Sebuah pin bermassa 0,1 g jatuh dari ketinggian 1m. Dengan asumsi bahwa 0,05% energinya diubah menjadi pulsa suara dengan durasi 0,1 detik, perkirakan jarak maksimum di mana jatuhan pin dapat didengar. Ambil sebagai intensitas suara yang dapat didengar minimum 10 ^-8 W / m ² .

Larutan

Persamaan yang diberikan di atas akan digunakan untuk intensitas suara:

Pertanyaan yang bagus adalah darimana energi suara berasal dalam kasus ini, yang intensitasnya terdeteksi oleh telinga manusia.

Jawabannya ada pada energi potensial gravitasi. Tepatnya karena pin jatuh dari ketinggian tertentu, di mana ia memiliki energi potensial, saat jatuh ia mengubah energi ini menjadi energi kinetik.

Dan begitu menyentuh tanah, energi ditransfer ke molekul udara yang mengelilingi lokasi kecelakaan, sehingga menimbulkan suara.

Energi potensial gravitasi U adalah:

Di mana m adalah massa pin, g adalah percepatan gravitasi, dan h adalah ketinggian tempat jatuh. Mengganti nilai numerik ini, tetapi tidak sebelum membuat konversi yang sesuai dalam Sistem Satuan Internasional, kami memiliki:

U = 0,1 x 10 ^-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J

Pernyataan tersebut mengatakan bahwa dari energi ini, hanya 0,05% yang diubah untuk menghasilkan getaran suara, yaitu denting pin ketika menyentuh lantai. Oleh karena itu energi bunyi adalah:

E _suara = 4,9 x 10 ^-7 J

Dari persamaan intensitas, jari-jari R dihapus dan nilai energi _{bunyi bunyi} E serta waktu pulsa berlangsung diganti : 0,1 detik menurut pernyataan tersebut.

Oleh karena itu jarak maksimum dimana pin drop akan terdengar adalah 6,24 m ke segala arah.

Referensi

1. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. Edisi Keenam. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Dasar-dasar Akustik. Edisi ke-4 Wiley & Sons. 124-125.