- Transmisi dan refleksi gelombang suara
- Koefisien transmisi dan refleksi
- Aplikasi dan latihan
- - Latihan diselesaikan 1
- Solusi untuk
- Solusi b
- - Latihan diselesaikan 2
- Larutan
- Referensi
The impedansi akustik atau impedansi akustik tertentu adalah resistensi yang berarti materi harus berlalunya gelombang suara. Ini konstan untuk media tertentu, yang berpindah dari lapisan berbatu di dalam bumi ke jaringan biologis.
Mendenotasikan impedansi akustik sebagai Z, dalam bentuk matematika kita memiliki:
Z = ρ.v
Gambar 1. Ketika gelombang suara mengenai batas dua media yang berbeda, satu bagian dipantulkan dan yang lainnya ditransmisikan. Sumber: Wikimedia Commons. Cristobal aeorum / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
Dimana ρ adalah densitas dan v kecepatan suara medium. Ekspresi ini berlaku untuk gelombang bidang yang bergerak dalam fluida.
Dalam satuan Sistem Internasional SI, massa jenis dalam kg / m 3 dan kecepatan dalam m / s. Oleh karena itu, satuan impedansi akustik adalah kg / m 2 .s.
Demikian pula, impedansi akustik didefinisikan sebagai hasil bagi antara tekanan p dan kecepatan:
Z = p / v
Dinyatakan dengan cara ini, Z dianalogikan dengan hambatan listrik R = V / I, di mana tekanan berperan sebagai tegangan dan kecepatan arus. Satuan lain dari Z dalam SI adalah Pa.s / m atau Ns / m 3 , benar-benar setara dengan yang diberikan sebelumnya.
Transmisi dan refleksi gelombang suara
Jika Anda memiliki dua alat dengan impedansi yang berbeda Z 1 dan Z 2 , bagian dari gelombang suara yang mengenai antarmuka keduanya dapat ditransmisikan dan bagian lain dapat dipantulkan. Gelombang pantul ini, atau gema, adalah salah satu yang berisi informasi penting tentang medium kedua.
Gambar 2. Denyut nadi insiden, nadi yang ditransmisikan dan nadi pantul. Sumber: Wikimedia Commons.
Cara energi yang diangkut oleh gelombang didistribusikan bergantung pada koefisien refleksi R dan koefisien transmisi T, dua besaran yang sangat berguna untuk mempelajari perambatan gelombang suara. Untuk koefisien refleksi itu adalah hasil bagi:
R = I r / I o
Dimana I o adalah intensitas gelombang datang dan I r adalah intensitas gelombang yang dipantulkan. Demikian pula kami memiliki koefisien transmisi:
T = I t / I o
Sekarang, dapat ditunjukkan bahwa intensitas gelombang bidang sebanding dengan amplitudo A:
I = (1/2) Z.ω 2 .A 2
Dimana Z adalah impedansi akustik medium dan ω adalah frekuensi gelombang. Di sisi lain, hasil bagi antara amplitudo yang ditransmisikan dan amplitudo insiden adalah:
A t / A o = 2Z 1 / (Z 1 + Z 2 )
Hal ini memungkinkan hasil bagi I t / I o untuk diekspresikan dalam bentuk amplitudo kejadian dan gelombang yang ditransmisikan sebagai:
I t / I o = Z 2 A t 2 / Z 1 A o 2
Melalui ekspresi ini R dan T diperoleh dalam hal impedansi akustik Z.
Koefisien transmisi dan refleksi
Hasil bagi di atas persis seperti koefisien transmisi:
T = (Z 2 / Z 1 ) 2 = 4Z 1 Z 2 / (Z 1 + Z 2 ) 2
Karena tidak ada kerugian yang dipertimbangkan, memang benar bahwa intensitas insiden adalah jumlah dari intensitas yang ditransmisikan dan intensitas yang dipantulkan:
I o = I r + I t → (I r / I o ) + (I t / I o ) = 1
Ini memungkinkan kita untuk menemukan ekspresi koefisien refleksi dalam hal impedansi kedua media:
R + T = 1 → R = 1 - T
Melakukan sedikit aljabar untuk menyusun kembali suku-suku, koefisien refleksi adalah:
R = 1 - 4Z 1 Z 2 / (Z 1 + Z 2 ) 2 = (Z 1 - Z 2 ) 2 / (Z 1 + Z 2 ) 2
Dan karena informasi yang berkaitan dengan media kedua ditemukan dalam pulsa pantul, koefisien refleksi sangat menarik.
Jadi, ketika dua media memiliki perbedaan impedansi yang besar, pembilang ekspresi sebelumnya menjadi lebih besar. Kemudian intensitas gelombang yang dipantulkan tinggi dan mengandung informasi yang baik tentang medianya.
Adapun bagian dari gelombang yang ditransmisikan ke medium kedua itu, secara bertahap memudar dan energinya menghilang sebagai panas.
Aplikasi dan latihan
Fenomena transmisi dan refleksi memunculkan beberapa aplikasi yang sangat penting, misalnya sonar yang dikembangkan selama Perang Dunia Kedua dan digunakan untuk mendeteksi objek. Ngomong-ngomong, beberapa mamalia seperti kelelawar dan lumba-lumba memiliki sistem sonar bawaan.
Properti ini juga banyak digunakan untuk mempelajari bagian dalam bumi dalam metode pencarian seismik, dalam pencitraan medis ultrasound, pengukuran kepadatan tulang, dan pencitraan struktur yang berbeda untuk kesalahan dan cacat.
Impedansi akustik juga merupakan parameter penting saat mengevaluasi respons suara alat musik.
- Latihan diselesaikan 1
Teknik ultrasound untuk mencitrakan jaringan biologis menggunakan pulsa suara frekuensi tinggi. Gema berisi informasi tentang organ dan jaringan yang mereka lewati, yang merupakan tanggung jawab perangkat lunak untuk menerjemahkannya menjadi gambar.
Denyut ultrasonik yang diarahkan ke antarmuka otot-lemak diinsisi. Dengan data yang disediakan, temukan:
a) Impedansi akustik setiap jaringan.
b) Persentase USG yang direfleksikan pada antarmuka antara lemak dan otot.
Lemak
- Densitas: 952 kg / m 3
- Kecepatan suara: 1450 m / s
Otot
- Densitas: 1075 kg / m 3
- Kecepatan suara: 1590 m / s
Solusi untuk
Impedansi akustik setiap jaringan ditemukan dengan mengganti rumus:
Z = ρ.v
Lewat sini:
Z lemak = 952 kg / m 3 x 1450 m / s = 1,38 x 10 6 kg / m 2 .s
Z otot = 1075 kg / m 3 x 1590 m / s = 1,71 x 10 6 kg / m 2 .s
Solusi b
Untuk mengetahui persentase intensitas yang dipantulkan pada antarmuka kedua jaringan, koefisien refleksi diberikan oleh:
R = (Z 1 - Z 2 ) 2 / (Z 1 + Z 2 ) 2
Di sini Z lemak = Z 1 dan Z otot = Z 2. Koefisien refleksi adalah besaran positif, yang dijamin oleh kuadrat dalam persamaan.
Mengganti dan mengevaluasi:
R = (1,38 x 10 6 - 1,71 x 10 6 ) 2 / (1,38 x 10 6 + 1,71 x 10 6 ) 2 = 0,0114.
Saat dikalikan dengan 100, kita akan mendapatkan persentase yang tercermin: 1,14% dari intensitas insiden.
- Latihan diselesaikan 2
Gelombang suara memiliki tingkat intensitas 100 desibel dan biasanya jatuh ke permukaan air. Tentukan tingkat intensitas gelombang yang ditransmisikan dan gelombang yang dipantulkan.
Data:
air
- Densitas: 1000 kg / m 3
- Kecepatan suara: 1430 m / s
Udara
- Densitas: 1,3 kg / m 3
- Kecepatan suara: 330 m / s
Larutan
Tingkat intensitas dalam desibel gelombang suara, dilambangkan sebagai L, tidak berdimensi dan diberikan oleh rumus:
L = 10 log (I / 10 -12 )
Meningkat menjadi 10 di kedua sisi:
10 L / 10 = I / 10 -12
Karena L = 100, hasilnya adalah:
I / 10 -12 = 10 10
Satuan intensitas diberikan dalam bentuk daya per satuan luas. Dalam Sistem Internasional adalah Watt / m 2 . Oleh karena itu intensitas gelombang datang adalah:
I o = 10 10 . 10 -12 = 0,01 W / m 2 .
Untuk mengetahui intensitas gelombang yang ditransmisikan, dilakukan perhitungan koefisien transmisi, kemudian dikalikan dengan intensitas datangnya.
Impedansi masing-masing adalah:
Z air = 1000 kg / m 3 x 1430 m / s = 1,43 x 10 6 kg / m 2 .s
Z udara = 1,3 kg / m 3 x 330 m / s = 429 kg / m 2 .s
Mengganti dan mengevaluasi dalam:
T = 4Z 1 Z 2 / (Z 1 + Z 2 ) 2 = 4 × 1,43 x 10 6 x 429 / (1,43 x 10 6 + 429) 2 = 1,12 x 10 -3
Jadi intensitas gelombang yang ditransmisikan adalah:
I t = 1,12 x 10 -3 x 0,01 W / m 2 = 1,12 x 10 -5 W / m 2
Tingkat intensitasnya dalam desibel dihitung dengan:
L t = 10 log (I t / 10 -12 ) = 10 log (1,12 x 10 -5 / 10 -12 ) = 70,3 dB
Untuk bagiannya, koefisien refleksi adalah:
R = 1 - T = 0,99888
Dengan ini maka intensitas gelombang yang dipantulkan adalah:
I r = 0,99888 x 0,01 W / m 2 = 9,99 x 10 -3 W / m 2
Dan tingkat intensitasnya adalah:
L t = 10 log (I r / 10-12 ) = 10 log (9,99 x 10 -3 / 10 -12 ) = 100 dB
Referensi
- Andriessen, M. 2003. Mata Kuliah Fisika HSC. Jacaranda.
- Baranek, L. 1969. Akustik. Edisi kedua. Editorial Hispano Americana.
- Kinsler, L. 2000. Dasar-dasar Akustik. Wiley and Sons.
- Lowrie, W. 2007. Dasar-dasar Geofisika. 2nd. Edisi. Cambridge University Press.
- Wikipedia. Impedansi Akustik. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.