FISIKA KESEHATAN

BAB II

BIOAKUSTIK

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa akan dapat:

1. Mendefenisikan akustik dengan baik2. Menerangkan sistem pendengaran pada manusia3. Menjelaskan kualitas bunyi dan kebisingan dan skala intensitas4. Memahami penerapan akustik: Bunyi ultra dan pencitraan medik

II.1 DEFENISI AKUSTIK

Gelombang adalah fenomena perambatan gangguan dalam bentuk energi baik

dengan atau tanpa medium. Gelombang yang menjalarkan energi dan momentum sehingga

memerlukan wadah/medium untuk perambatan gangguan disebut gelombang mekanik,

contohnya gelombang pada tali, pada permukaan air dan bunyi. Tetapi gelombang yang

tidak memerlukan medium untuk perambatannya, hanya menjalarkan energi dalam

ruang hampa dan bukan gelombang mekanik, yang biasa disebut dengan gelombang

elektromagnetik.

Gelombang mekanik berasal dari suatu sumber dan menjalar di dalam medium.

Penjalarannya di dalam medium terjadi karena satu bagian medium mengganggu

bagian medium sekitarnya. Penjalaran gelombang di dalam medium terjadi karena

adanya interaksi di dalam medium. Makin kuat interaksi di dalam medium makin cepat

penjalaran gelombang. Kelajuan penjalaran gelombang juga bergantung pada inersia

medium, yaitu seberapa liat medium digerakkan. Makin besar inersia medium, makin

pelan penjalaran gelombang. Gelombang yang terjadi secara periodic/berulang, maka

gelombang itu disebut gelombang periodik

Gelombang dibedakan atas dua jenis berdasarkan arahperambatannya yaitu

- Gelombang transversal yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarannya.

- Gelombang longitudinal yang arah rambatnya searah dengan arah getaran.

- Fungsi gelombang berbentuk fungsi sinus atau cosinus, sehingga kita dapat

mengambil fungsi gelombang yang menjalar ke arah sumbu x positif dengan

kecepatan v sebagai berikut :

y = Acos (2π/λ)( x – vt)

II -1

FISIKA KESEHATAN

atau:

- y = A cos (kx-ωt)

Dengan

k = 2π/λ a d a l a h bilangan gelombang

v=ω/k disebut kecepatan gelombang

adalah frekuensi/kecepatan sudut

Contoh 1 :

Suatu gelombang transversal yang menjalar pada tali yang rapat massanya 1 kg/m,

mempunyai fungsi gelombang berbentuk : y= 0,4 cos (2πx - 20πt), dengan x, y dalam

meter dan t dalam detik.

Hitunglah :

a. panjang gelombang

b. kecepatan jalar gelombang

c. besar gaya tegangan tali

Jawab :

a. Bilangan gelombang

Jadi panjang gelombang

b. Kecepatan jalar gelombang :

c.

Akustik membahas tentang getaran dan gelombang dalam medium elastik. Deformasi

elastik atau perubahan bentuk elastik dari udara menghasilkan gelombang yang disebut

gelombang bunyi. Gelombang bunyi adalah gelombang mekanis longitudinal, karena dapat

dijalarkan melalui medium benda padat, benda cair dan gas. Secara khusus untuk dapat

didengar oleh telinga manusia, gelombang bunyi memiliki daerah frekuensi antara 16 Hz

dan 20 kHz. Daerah gelombang dengan frekuensi di bawah 16 Hz disebut gelombang

infrabunyi atau infrasonik dan yang di atas 20 kHz disebut gelombang ultrabunyi atau

ultrasonik, sedangkan di atas 10 GHz disebut gelombang hipersonik.

II -2

FISIKA KESEHATAN

II.1.1 Gelombang bunyi

Gelombang bunyi adalah penjalaran dari getaran dan perubahan tekanan dalam

medium elastik. Gelombang longitudinal menjalar pada medium elastik dalam bentuk

permukaan yang berbeda kerapatannya. Permukaan yang lebih rapat memiliki tekanan yang

tinggi. Selain itu pada ruang hampa tidak terjadi penjalaran gelombang. Setiap objek yang

mediumnya bergetar akan menghasilkan gelombang bunyi. Panjang gelombang bunyi

adalah:

(2.1)

dimana adalah panjang gelombang, v adalah kecepatan rambat bunyi dan f adalah

frekuensi bunyi.

Gerak periodik (berkala) didefenisikan sebagai gerak yang berulang pada suatu

selang waktu tertentu. Periode gerak adalah waktu yang digunakan secara penuh dalam

satu kali putaran sedangkan frekuensi dari gerak adalah banyaknya putaran secara penuh

dalam satu detik:

dimana T adalah perioda.

Contoh 1. Sebuah massa digantungkan pada pegas dan ditarik sejauh 5 cm. Benda bergerak

naik-turun sejauh 5 cm dari titik kesetimbangan dengan rata-rata 5 kali putaran

dalam waktu 2 detik. Berapakah perioda, frekuensi dan amplitudo dari gerak

sistem.

Jawab.

Amplitudo gerak adalah 5 cm yaitu simpangan terjauh dari titik kesetimbangan.

Frekuensinya adalah:

Periodanya:

II -3

FISIKA KESEHATAN

Senar atau dawai adalah sumber bunyi linear yang sangat baik untuk memberi

gambaran dari gerak periodik, dimana karakter getarannya adalah gelombang berdiri. Pada

titik-titik tertentu dari dawai terdapat sampul getaran. Panjang gelombang dari gelombang

berdiri adalah:

(2.2)

dimana l adalah panjang dari objek yang bergetar dan n= 1, 2, 3, ... .Untuk n =1 karakter

getaran disebut getaran dasar, dan untuk n = 2, 3, ... disebut getaran atas. Besar frekuensi

dasar dari suatu dawai yang telah ditegangkan adalah:

(2.3)

dimana adalah massa jenis dari material dawai danT adalah tegangan normal dari dawai

yang besarnya adalah:

(2.4)

dengan F adalah besar gaya yang bekerja pada dawai, A adalah penampang lintang dawai.

Karena frekuensi getaran sebanding dengan akar dari gaya F, maka maka frekuensi ini dapat

diatur dengan menegangkan atau merenggangkan dawai seperti yang dilakukan pemain gitar

sebelum bermain.

Contoh 2:

Seutas dawai bila diberi tegangan 100 N dengan luas penampang 1mm2 digetarkan,

maka frekuensi yang timbul adalah fo. Berapa besar tegangan yang diberikan agar

dawai tersebut bergetar dengan frekuensi 2 fo .

Penyelesaian: Frekuensi dasar dawai atau

sehingga bila f =2f0 , maka;

II -4

FISIKA KESEHATAN

Beberapa Sumber Bunyi dan Mekanisme Timbulnya Bunyi

Suling atau seruling dibunyikan dengan memberikan tekanan udara pada ujung atau

mulutnya. Pada suling yang lubang atasnya terbuka, terbentuk pola getaran pada

kedua ujungnya, dimana panjang gelombang dari getaran dasar adalah

0 = 2 l

dimana l adalah panjang dari suling. Suling yang ditutup lubang atasnya

mempunyai panjang gelombang 0 = 4 l. Getaran atasnya adalah 3f0, 5f0, 7f0, ... .

Bunyi nada atas yang kelipatan genap memberikan pengaruh yang jelek pada

seruling.

Sirene adalah sebuah cakram atau piringan diberi banyak lubang kemudian diputar.

Melalui cakram berputar ini dilewatkan aliran udara yang berhenti secara periodik.

Frekuensi dasar yang diperoleh merupakan hasil kali antara jumlah lubang dan

frekuensi putar sedangakn untuk sumber bunyi piezoelektrik menggunakan

permukaan kristal yang bergetar. Sumber bunyi ini utamanya digunakan untuk

sumber bunyi frekuensi ultra.

Loudspeaker (pengeras suara) adalah pembangkit suara yang dimuati listrik. Ada

dua jenis pengeras suara yaitu pengeras suara elektromagnetik dan dinamik.

Pengeras suara elektromagnetik menggunakan membran logam di dalam sebuah

medah magnet yang dapat divariasikan. Dengan mengubah arus listrik, maka

membran akan mengeluarkan getaran dan bunyi. Membran dinamik menggunakan

membran ringan yang dilekatkan pada kumparan listrik. Kumparan listrik ini berada

dalam medan magnet yang kemudian menghasilkan getaran.

Kecepatan gelombang bunyi diperoleh dari hasil kali antara frekuensi dan panjang

gelombang. Dari data mekanik dan termodinamik dari medium pengantar, kecepatan bunyi v

dapat pula ditentukan.Untuk kecepatan suara dalam medium gas.

(2.6)

II -5

FISIKA KESEHATAN

dimana K dan masing-masing adalah kompresibilitas dan massa jenis dari gas. Karena

gelombang bunyi adalah gelombang tekanan adiabatik, maka perbedaan tekanan antara

simpul dan perut tidak dapat setimbang secara cepat satu sama lain, maka:

(2.7)

dimana = adalah konstanta gas (bilangan Laplace). Sebagai gambaran, misalkan jika

nilai termodinamika untuk udara yang sesuai dimasukkan, maka diperoleh kecepatan

gelombang bunyi pada udara sebagai 331,4 m/dtk pada suhu 0 0C dan tekanan normal.

Hambatan pada gelombang bunyi adalah suatu besaran penting pada penjalaran

gelombang bunyi dari suatu medium ke medium yang lainnya. Kuat atau intensitas

gelombang bunyi ( I) dengan satuan W/m2 , adalah energi gelombang bunyi yang

menumbuk suatu luas permukaan persatuan waktu, sehingga berlaku:

(2.8)

dimana = 2f; dengan f adalah frekuensi gelombang bunyi, E =energi gelombang bunyi,

S= luas permukaan, A adalah perubahan maksimum dari molekul pada medium penjalaran

dan adalah impedansi akustik.

Sebuah gelombang bunyi dapat ditinjau baik sebagai gelombang pergeseran maupun

sebagai sebuah gelombang tekanan, yakni:

(2.9)

dengan (bilangan gelombang).

Daya pada gelombang bunyi ( D) diukur dalam Watt, yaitu integral dari keseluruhan

sumber gelombang suara D = I dA, dengan A adalah luas permukaan yang menutup

sumber gelombang secara keseluruhan.

II -6

FISIKA KESEHATAN

Contoh 2. Variasi tekanan maksimum P yang dapat ditolerir oleh telinga didalam bunyi

yang nyaring adalah kira-kira 28 Pa . Tekanan atmosfir normal adalah kira-kira

100.000 Pa . Carilah pergeseran maksimum yang bersangkutan untuk sebuah

gelombang bunyi di udara yang mempunyai frekuensi sebesar 1000 Hz

Penyesaian:

Dari persamaan (2.9);

Dan dari tabel diketahui pula bahwa: v=331 m/det, sehinga:

Massa jenis udara adalah 1,22 kg/m3 , maka untuk P= 28 Pa , maka:

Jadi amplitudo pergeseran untuk bunyi yang paling nyaring adalah kira-kira 10-5 m

Untuk telinga manusia (standar) dapat mendeteksi suara dengan intensitas antara 10-

12 W/m2 hingga 1 W/m2 atau dalam skala desibel (dB) yakni antara 0 hingga 120 dB.

Kekerasan bunyi berkaitan dengan intensias tetapi hubungan keduanya tidak linear.

Intensitas suara berkurang dengan semakin jauhnya jarak pendengar sumber. Oleh karena

suara membentuk gelombang bola, maka penurunannya juga sebanding dengan luas bola,

yaitu:

(2.10)

dengan d adalah jarak dari pendengan ke sumber

Tabel: Beberapa Nilai Intensitas dan Jenis Suara yang Dihasilkan

Skala Intensitas (dB) Jenis Suara

0

10

Ambang pendengaran

Gesekan daun

II -7

FISIKA KESEHATAN

20

30

40

50

60

70

80

90

100

120

140

Bisikan (jarak 1m)

Rumah tenang

Kantor yang tenang

Keadaan Kantor rata-rata

Percakapan normal

Kantor yang sibuk

Lalu lintas ramai

Kerata api

Peralatan sehari-hari

Ambang rasa sakit

Pesawat jet (30 m)

II .2 MEKANISME DAN FISIOLOGI PENDENGARAN

Pada gambar 2.1 ditampilkan secara sederhana gambaran mekanisme dan fisiologi

pendengaran manusia. Pada saat gelombang bunyi mencapai telinga manusia, terjadi suatu

Gambar 2.1 Sistem dan mekanisme pendengaran

penerimaan dan dikatakan terdengar. Bagian luar dan bagian dalam telinga sebenarnya

adalah penerima gelombang suara, yang sinyalnya diteruskan ke otak dan kemudian

dianalisis di sana. Keseluruhan proses terdiri dari rangkaian beberapa proses tunggal.

II -8

FISIKA KESEHATAN

Gelombang bunyi yang jatuh ke dalam telinga merangsang gendang telinga menjadi getaran

paksa. Rantai dari tiga tulang rawan pada pendengaran meneruskan getaran ini ke jendela

yang berbentuk oval dan mengantarkan getaran itu ke dalam cairan telinga bagian dalam.

Perilimpa memenuhi saluran dalam kokhlea, yang dibagi menurut panjangnya menjadi tiga

kolom cairan oleh dua lapisan pemisah (membran Paries vestibularis dan membran

basilaris). Saluran-saluran ini dihubungkan satu sama lain pada ujung kokhlea, pada

helikotrema.

Gelombang bunyi yang berasal dari telinga luar menyebar luas pada telinga dalam,

yang disebut gelombang berjalan menuju lapisan pemisah kokhlea. Ini berarti membran

basilar dibelokkan tegak lurus terhadap arah panjangnya. Tempat pembelokan bergantung

pada frekuensi gelombang. Pada jalur masuk ke koklea, terutama komponen frekuensi tinggi

membesar. Frekuensi yang rendah tetapi masih dapat didengar diserap pada helikotrema.

Amplitudo dan posisi dari pembelokan ini diterima oleh sekitar 30.000 sel-sel saraf dalam

rangkaian tumbukan arus listrik yang selanjutnya diteruskan ke otak melalui saraf

pendengaran.

Kemampuan telinga menghasilkan frekuensi tinggi yang teramati berdasarkan pada

pemanfaatan dari impuls saraf dalam pusat pendengaran. Membran basilar tidak mengalami

tegangan mekanik, karena bentuknya yang seperti gelatin. Ini juga bukan merupakan akibat

dari resonator Helmholtz. Pada membran basilar yang terentang di dalam perilimpa,

membentuk gelombang berdiri tiga dimensi. Membran basilar adalah detektor yang

sesungguhnya dari gelombang bunyi. Kepekaan pendengaran bergantung pada kuat bunyi.

Kuat bunyi (L) adalah suatu fungsi dari frekuensi bunyi, yakni:

(2.11)

dimana I0 = 10-12 W/m2.

Ambang kuat bunyi disebut Fon. Misalnya L = 30 Fon mengandung arti bahwa I/Io = 103,

yaitu I = 10-13 W/cm2. Untuk L = 0 Fon, maka I = Io = 10-16 W/cm2.

II -9

FISIKA KESEHATAN

Conth 3. Diketahui bahwa skala intensitas (ambang kuat bunyi) untuk pesawat jet pada

jarak 30 m adalah 140 dB. Hitung berapa besar skala intensitas dalam Watt/m2

dan dB untuk jarak 5000 m.

Penyelesaian:

Dari persamaan L = 10 log (I/I0)

Besar skala intensitas pada jarak 5000 m adalah:

Perbandingan intensitas dari dua sumber bunyi dapat dinyatakan dalam desibel (dB).

Dua sumber bunyi A dan B dengan intensitas masing-masing IA dan IB dapat dibandingkan

oleh hubungan:

(2.12)

Jika , maka . Dikatakan

bunyi A mempunyai intensitas 20 desibel lebih tinggi dari bunyi B. Model perbandingan ini

dalam desibel digunakan dalam tes pendengaran.

Sumber bunyi memancarkan spektrum bunyi yang berbeda. Bunyi adalah suatu

getaran harmonik dimana frekuensinya bersangkutan dengan tinggi suara, sedangkan dan

amplitudonya bersangkutan dengan kuat suara. Nada adalah getaran periodik yang dapat

dibedakan atas nada dasar dan nada atas. Analisis Fourier dari nada menghasilkan suatu

II -10

FISIKA KESEHATAN

spektrum diskrit atau suatu spektrum garis. Warna nada suatu instrumen musik ditentukan

oleh perbandingan antara amplitudo dari nada atas dan nada bawah.

Bunyi berisik terdiri atas gelombang tidak periodik. Analisis Fouriernya

menghasilkan suatu spektrum tidak kontinyu. Ultrasonik adalah gelombang bunyi dengan

frekuensi di atas kemampuan manusia untuk mendengarnya yaitu 20 KHz. Sebagai batas

atas gelombang ultrasonik diambil 10 GHz (1010 Hz), yang merupakan awal dari gelombang

hipersonik. Tingkatannya: gelombang terdengar gelobang ultrasonik gelombang

hipersonik.

Gelombang ultrasonik dihasilkan dengan bantuan peluit Galton melalui sirene

berlubang yang diputar. Kebalikan dari efek piezo dan hambatan magnetik menghasilkan

juga gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik ini dapat difokuskan untuk menghasilkan

berkas gelombang ultrasonik. Berkas ini dapat digunakan untuk pengukuran jangkauan

waktu dan jarak, seperti sonar untuk mengukur jarak dan kedalaman laut. Pengukuran

karakter akustik dari ruang konser misalnya, dilakukan dengan bantuan model arsitektur

dan ultrasonik. Demikian pula sebuah gambar dapat dihasilkan dari kumpulan pengamatan

titik-titik dengan bantuan berkas gelombang bunyi yang sangat rapat dan analisis dari

perjalanan waktu dari gemanya. Dengan cara ini dapat diperoleh gambaran dari bagian

dalam tubuh. Metode ini sangat penting pada penelitian medis karena gelombang ultrasonik

tidak menghasilkan kerusakan radiasi seperti misalnya pada radiasi Rontgen.

Gelombang hipersonik adalah gelombang bunyi yang berada pada frekuensi antara

1010 sampai 1013 Hz. Gelombang pada daerah ini akan diserap sangat kuat oleh medium

padat. Diatas frekuensi 1013 Hz tidak terjadi lagi getaran elastik, karena untuk suatu getaran

bunyi, panjang gelombangnya harus lebih besar atau sama dengan dua kali jarak antar atom.

Frekuensi batas tersebut yang tidak memenuhi syarat batas antar atom ini disebut frekuensi

Debye. Contohnya adalah frekuensi Debye dalam besi. Kecepatan gelombang bunyi 5,1 x

105 m/dt dan jarak antar atom dalam besi adalah 2,9 x -10 m, maka dari rumus v = f

diperoleh suatu frekuensi Debye sebesar kira-kira 1013 Hz.

II.3 ABSORBSI ATAU PENYERAPAN GELOMBANG SUARA

II -11

FISIKA KESEHATAN

Jika pada medium tempat penjalaran gelombang bunyi terdapat perubahan kerapatan,

suhu atau tekanan maka sifatnya tidak reversibel atau energi tersebut akhirnya akan

bertransformasi menjadi panas. Untuk itu intensitas akan berkurang setelah melewati suatu

medium , yakni:

I = Io e- x

.dengan :

Io adalah intensitas sebelum melewati medium (intensitas awal)

adalah koefisien penyerapan gelombang bunyi.

SOAL LATIHAN

II -12

FISIKA KESEHATAN

1. Jika suatu bunyi mempunyai intensitas 100.000 kali dari ambang batas pendengaran

pada frekuensi 1000 Hz, berapakah intensitasnya dalam desibel.

2. Jika seseorang audiologis melakukan tes pendengaran pada seorang pasien dengan

memberikan intensitas 1000 kali lebih tinggi dari batas intensitas normal pendengaran.

Berapa desibel yang hilang dari pendengaran pasien tersebut.

3. Jika sebuah mobil melewati seseorang, maka ia dapat menimbulkan skala intensitas

sebesar 60 dB. Bila sekaligus orang itu dilewati 10 mobil seperti itu, maka hitunglah

intensitas yang diterima orang tersebut dalam dB

4. Selama selang waktu 5 detik, sebuah mikropon yang mempunyai luas 3 cm2 menerima

energi suara yang besarnya sama dengan 1,5x10-11 joule.Hitunglah intensitas suara yang

diterima.

5. Skala intensitas pada suatu jendela terbuka yang luasnya 1 m2 adalah 60 dB. Jika harga

ambang bunyi 10-16 W/cm2, maka hitung daya akustik yang masuk melalui jendela

tersebut..

6. Sebuah sepeda motor mempunyai intensitas 90 dB pada jarak 2 m. Hitung jarak

pendengar dari sepeda motor bila skala intensitas yang diterima pendengar adalah 60 dB.

MODUL BAB II

NAMA :

NIM :

1. Bagaimana defenisi bunyi dan jelaskan mekanisme sehingga bunyi dapat didengar.

II -13

FISIKA KESEHATAN

MODUL BAB II

NAMA :

NIM :

2. Jika interval normal untuk sebuah musik orkestra kira-kira dari 40 desibel sampai 100

desibel. Carilah besar rasio perbandingan intensitas untuk bunyi paling keras dengan

bunyi paling lembut.

II -14