BIOAKUSTIK

A. Gelombang Bunyi (Akustik)

1. Pengertian gelombang bunyi (Akustik)

Gelombang bunyi adalah gelombang yang dirambatkan sebagai

gelombang mekanik longitudinal yang dapat menjalar dalam medium padat,

cair dan gas. Medium gelombang bunyi ini adalah molekul yang membentuk

bahan medium mekanik ini (Sutrisno, 1988). 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

(Resnick dan Halliday , 1992).

Berbicara, tentang substansi yang menjalar apabila gelombang bunyi

mencapai tapal batas maka gelombang bunyi tersebut akan terbagi dua

yaitu sebagian energi ditransmisikan/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 (Giancoli, 1998).

Binatang menggunakan gelombang bunyi/suara untuk memperoleh

perubahan informasi dan untuk mendeteksi lokasi dari suatu objek. Misalnya

ikan lumba-lumba, kelelawar, menggunakan gelombang bunyi untuk

mengemudi dan menentukan lokasi makanan, apabila cahaya tidak cukup

untuk pengamatan. Manusia berusaha menggunakan gelombang bunyi

sebagai pengganti cahaya (Ackerman et al, 1988).

2. Pengertian gelombang ultrasonik

Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik longitudinal

dengan frekuensi di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam

medium padat, cair dan gas, hal disebabkan karena gelombang ultrasonik

merupakan rambatan energi dan momentum mekanik sehingga merambat

sebagai interaksi dengan molekul dan sifat enersia medium yang dilaluinya

(Bueche, 1986).

Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan

getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat

secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk

rapatan (Strain) dan tegangan (Stress). Proses kontinu yang menyebabkan

terjadinya rapatan dan regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran

partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya (Resnick

dan Halliday , 1992).

Gelombang ultrasonik ini sering dipergunakan untuk pemeriksaan

kualitas produksi di dalam industri. Di bidang kedokteran, frekuensi yang

tinggi dari gelombang ultrasonik ini mempunyai daya tembus jaringan

yang sangat kuat, sehingga sering digunakan untuk diagnosis,

penghancuran/destruktif, dan pengobatan (Cameron and Skofronick, 1978).

3. Energi dan intensitas gelombang ultrasonik

Jika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, maka partikel

medium mengalami perpindahan energi (Giancoli, 1998). Besarnya energi

gelombang ultrasonik yang dimiliki partikel medium adalah :

E = Ep + Ek ............................................... (1)

Dengan : Ep = energi potensial (Joule)

Ek = energi kinetik (Joule)

Untuk menghitung intensitas gelombang ultrasonik perlu mengetahui

energi yang dibawa oleh gelombang ultrasonik. Intensitas gelombang

ultrasonik ( I ) adalah energi yang melewati luas permukaan medium 1 m2/s

atau watt/m2 (Cameron and Skofronick, 1978). Untuk sebuah permukaan,

intensitas gelombang ultrasonik ( I ) diberikan dalam bentuk persamaan :

I = 1/2 V A2 (2 f)2 = ½ Z (A )2 .................... (2)

Dengan :

= massa jenis medium/jaringan (Kg/m3) , f = frekuensi (Hz)

v = kecepatan gelombang ultrasonik (m/s2) , V = volume (m3)

A = amplitudo maksimum (m)

Z = v = impedansi Akustik (kg/m2.s)

= 2 f = frekuensi sudut (rad/s)

4. Intensitas gelombang ultrasonik dihubungkan dengan

amplitudo

dan frekuensi

Gelombang Ultrasonik merambat membawa energi dari satu medium ke

medium lainnya, energi yang dipindahkan sebagai energi getaran dari partikel

ke partikel pada medium tersebut. Besarnya energi yang dibawa partikel

tersebut adalah :

E = ½ k A2 ............................................. (3)

Dengan ; k = konstanta = 4 m/T2

= 4 m f2

T = periode (s)

A = amplitudo geraknya (m)

m = massa partikel pada medium (kg)

Kemudian :

E = 2 m f2 A2 …………………………..(4)

Jika : m = V = S l = S v t = massa (kg)

V = volume = luas . tebal = S l (m3)

S = luas permukaan penampang lintang yang dilalui gelombang (m3)

l = v t = jarak yang ditempuh gelombang dalam waktu t (m)

v = laju gelombang (m/s)

t = waktu (s)

maka ;

E = 2 2S v t f2 A2 …………………………..(5)

Intensitas gelombang ultrasonik adalah daya yang dibawa melalui luas

permukaan yang tegak lurus terhadap aliran energi (Giancoli, 1998), maka :

I =P

S

= 2 2v f2 A2 ……………………..(2.7)

Persamaan 2.7 menyatakan hubungan secara eksplisit bahwa intensitas

gelombang ultrasonik sebanding dengan kuadrat amplitudo (A) dan dengan

kuadrat frekuensi (f).

5. Intensitas gelombang ultrasonik dihubungkan dengan

jarak

Gelombang ultrasonik yang keluar dari sumber transduser mengalir

keluar ke semua arah dalam arah tiga dimensi. Gelombang ultrasonik

merambat keluar, energi yang di bawanya tersebar ke permukaan yang

makin

lama makin luas, karena merambat dalam arah arah tiga dimensi, maka luas

permukaan merupakan luasan permukaan bola dengan radius r adalah 4

r2.

Berarti intensitas gelombang ultrasonik adalah :

I = Daya = P

Luas 4 r2…………………………..(2.8)

Jika keluaran daya P dari sumber konstan, maka intensitas berkurang

sebagai kebalikan dari kuadrat jarak dari sumber :

I = 1

r2…………………………..(2.9)

Jika amplitudo gelombang ultrasonik berkurang terhadap jarak, maka

amplitudo gelombang ultrasonik menjadi mengecil sebesar 1/r (Giancoli,

1998) karena intensitas sebanding dengan amplitudo maka akan sebanding

dengan kebalikan dari kuadrat jarak.

6. Sifat gelombang ultrasonik

Gelombang ultrasonik mempunyai sifat memantul, diteruskan dan diserap

oleh suatu medium/jaringan. Apabila gelombang ultrasonik ini mengenai

permukaan jaringan, maka sebagian dari gelombang ultrasonik ini akan

dipantulkan dan sebagian lagi akan diteruskan/ditransmisikan .

Gelombang

Gelombang adalah fenomena perambatan gangguan, yaitu

perambatan energi. Arah perambatan ini dapat merambat dalam

satu dimensi (misalnya gelombang simpangan tali ), dua dimensi

(misalnya gelombang permukaan air ), dan tiga dimensi (misalnya

gelombang bunyi di udara ).

Berdasarkan arah rambat, gelombang dibedakan menjadi:

• Gelombang Longitudinal yaitu arah rambat gelombang sejajar dengan arah gerak

partikel-partikel medium.

• Gelombang Transversal yaitu arah rambat gelombang tegak lurus dengan arah gerak

partikel-partikel medium.

Berdasarkan mekanismenya, gelombang dibedakan:

• Gelombang mekanis yaitu gelombang yang cepat rambatnya tergantung pada besaran

mekanik.

• Gelombang elastik yaitu gelombang yang cepat rambatnya tergantung pada besaran-

besaran elastisitas.

• Gelombang permukaan dalam zat cait yaitu gelombang yang cepat rambatnya

tergantung pada besaran permukaan cairan.

• Gelombang elektromagnetik yaitu gelombang yang cepat rambatnya tergantung pada

besaran listrik dan magnetik.

Medium pada proses perambatan gelombang tidak selalu ikut berpindah tempat bersama

dengan rambatan gelombang. Misalnya bunyi yang merambat melalui medium udara

akan membuat partikel-partikel udara bergerak osilasi (lokal) saja.

Bunyi & Gelombang Bunyi

Konsep bunyi dalam kehidupan sehari-hari dihubungkan dengan indera pendengaran

(telinga). Frekuensi yang didengar manusia adalah f = 20 - 20000 Hz (audible frequency).

Jenis gelombang bunyi yang lain adalah Ultrasonic f > 20000 Hz dan infrasonic f < 20

Hz.

Rentang pendengaran telinga manusia berkisar antara 20 Hz dan 20 kHz. Berikut ini

adalah keterangan untuk frekuensi-frekuensi ini untuk memahami dengan lebih baik

keberadaan mereka di rentang pendengaran.

Tabel 1. Spektrum frekuensi

Nama RentangEkstensi

(ekstensi oktaf)

Komentar

Frekuensi subsonik

1–20 Hz 4 Tidak dapat didengar oleh telinga manusia. Dihasilkan oleh gempa bumi, atau organ besar di gereja-gereja

Frekuensi sangat rendah

20-40 Hz

1 Oktaf terendah yang bisa didengar manusia. Bass drum dari drum kit dan not rendah pada piano, juga suara petir dan AC adalah contoh rentang ini

Frekuensi rendah 4-160 Hz

2 Hampir semua frekuensi rendah pada musik ada dalam rentang ini

Frekuensi rendah-menengah

160-315 Hz

1 C tengah pada piano (216 Hz) ada dalam rentang ini. Rentang ini mengandung banyak informasi sinyal suara yang bisa dirubah oleh teknik ekualisasi yang buruk

Frekuensi tengah 315 Hz-2.5 kHz

3 Sensitifitas telinga paling tinggi pada rentang ini. Rentang ini memiliki kualitas suara seperti telpon bila diisolasi

Frekuensi tinggi 2.5-5 kHz

1 Dalam rentang ini kurva isofonik memiliki puncaknya yang tertinggi sehingga telinga paling sensitif terhadap rentang ini.

Ekualisasi instrumen pada rentang ini meningkatkan kehadirannya dalam mix, membawanya ke depan instrumen yang lain; dan sebaliknya

Frekuensi tinggi 5-10 kHz

1 Rentang dimana kita mempersepsi brightness atau terang suatu suara karena mengandung harmonik yang dihasilkan not dalam rentang sebelumnya. Energi akustik sangat rendah pada rentang ini, dan konsonan ’s’, ‘t’, dan ‘c’ ada dalam rentang ini

Frekuensi sangat tinggi

10-20 kHz

1 Lebih sedikit lagi energi akustik ada dalam rentang ini. Hanya harmonik tertinggi dari instrumen tertentu ada dalam rentang ini, tetapi tetap penting karena brightness berasal dari harmonik ini dan mix akan terdengar dull tanpanya.

Gelombang bunyi adalah gelombang mekanik longitudinal yang berada dalam daerah

pendengaran kita yaitu 20 Hz sampai dengan 20.000 Hz dan dalam perambatannya

membutuhkan medium, mediumnya dapat berupa zat padat, cair dan gas.

Cepat gelombang bunyi di udara pada suhu 0o C atau 273K adalah sekitar 331,3 m/s.

Selain frekuensi, faktor lain yang mempengaruhi agar bunyi dapat didengar dengan baik

adalah energi bunyi yang cukup. Energi gelombang bunyi sangat ditentukan frekuensi

dan amplitudo gelombang serta medium rambatannya.

E = ½ m ω2 A = 2()()f 2A

E = rapat energi gelombang (J)

= massa jenis medium (kg/m3)

ω = Frekuensi anguler

f = frekuensi

A = amplitudo

Intensitas Gelombang (bunyi )

Intensitas bunyi adalah besarnya energi bunyi ( daya bunyi ) tiap sekon tiap satuan luas

dalam arah tegak lurus.

I = P/A

I = Intensitas bunyi (watt/m2)

P = daya bunyi ( watt )

A = luas bidang ( m2 )

Intensitas bunyi terkecil yang masih didengar manusia disebut ambang pemndegaran :

Io = 10-12 watt/m2 pada frekuensi 1.000 Hz

Intensitas terbesar yang masih didengar manusia tanpa terasa sakit disebut : “ambang

pendengaran”.

Is = 10^o = 1 watt/m2

Intensitas bunyi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pendengar ke sumber.

I1 : I2 = (1/R12) : (1/R22)

Taraf Intensitas Bunyi

Taraf intensitas bunyi adalah logaritma perbandingan intensitas bunyi terhadap intensitas

ambang pendengaran.

TI = 10 log satuan deciBell (dB)

Dalam materi ini akan dibahas telinga sebagai organ pendengaran, gelombang ultrasonik

dan manfaatnya serta kebisingan… pada tulisan berikutnya mencakup hilang

pendengaran (tuli), test pendengaran dan materi pelengkap

Telinga sebagai alat pendengaran

telinga merupakan organ untuk pendengaran dan keseimbangan, yang terdiri dari telinga

luar, telinga tengah dan telinga dalam.

telinga luar menangkap gelombang suara yang dirubah menjadi energi mekanis oleh

telinga tengah. telinga tengah merubah energi mekanis menjadi gelombang saraf, yang

kemudian dihantarkan ke otak. telinga dalam juga membantu menjaga keseimbangan

tubuh.

telinga luar

telinga luar terdiri dari daun telinga (pinna atau aurikel) dan saluran telinga (meatus

auditorius eksternus). telinga luar merupakan tulang rawan (kartilago) yang dilapisi oleh

kulit, daun telinga kaku tetapi juga lentur. suara yang ditangkap oleh daun telinga

mengalir melalui saluran telinga ke gendang telinga. gendang telinga adalah selaput tipis

yang dilapisi oleh kulit, yang memisahkan telinga tengah dengan telinga luar.

telinga tengah

teling tengah terdiri dari gendang telinga (membran

timpani) dan sebuah ruang kecil berisi udara yang

memiliki 3 tulang kecil yang menghubungkan gendang

telinga dengan telinga dalam. ketiga tulang tersebut

adalah:

•maleus (bentuknya seperti palu, melekat pada gendang telinga)

•inkus (menghugungkan maleus dan stapes)

•stapes (melekat pda jendela oval di pintu masuk ke telinga dalam).

getaran dari gendang telinga diperkuat secara mekanik oleh tulang-tulang tersebut dan

dihantarkan ke jendela oval. telinga tengah juga memiliki 2 otot yang kecil-kecil:

otot tensor timpani (melekat pada maleus dan menjaga agar gendang telinga tetap

menempel) otot stapedius (melekat pada stapes dan menstabilkan hubungan antara

stapedius dengan jendela oval.

jika telinga menerima suara yang keras, maka otot stapedius akan berkontraksi sehingga

rangkaian tulang-tulang semakin kaku dan hanya sedikit suara yang dihantarkan.

respon ini disebut refleks akustik, yang membantu melindungi telinga dalam yang rapuh

dari kerusakan karena suara.

tuba eustakius adalah saluran kecil yang menghubungkan teling tengah dengan hidung

bagian belakang, yang memungkinkan masuknya udara luar ke dalam telinga tengah.

tuba eustakius membuka ketika kita menelan, sehingga membantu menjaga tekanan udara

yang sama pada kedua sisi gendang telinga, yang penting untuk fungsi pendengaran yang

normal dan kenyamanan.

telinga dalam

telinga dalam (labirin) adalah suatu struktur yang kompleks, yang terjdiri dari 2 bagian

utama:

• koklea (organ pendengaran)

• kanalis semisirkuler (organ keseimbangan).

koklea merupakan saluran berrongga yang berbentuk seperti rumah siput, terdiri dari

cairan kental dan organ corti, yang mengandung ribuan sel-sel kecil (sel rambut) yang

memiliki rambut yang mengarah ke dalam cairan tersebut. getaran suara yang

dihantarkan dari tulang pendengaran di telinga tengah ke jendela oval di telinga dalam

menyebabkan bergetarnya cairan dan sel rambut. sel rambut yang berbeda memberikan

respon terhadap frekuensi suara yang berbeda dan merubahnya menjadi gelombang saraf.

gelombang saraf ini lalu berjalan di sepanjang serat-serat saraf pendengaran yang akan

membawanya ke otak. walaupun ada perlindungan dari refleks akustik, tetapi suara yang

gaduh bisa menyebabkan kerusakan pada sel rambut. jika sel rambut rusak, dia tidak akan

tumbuh kembali. jika telinga terus menerus menerima suara keras maka bisa terjadi

kerusakan sel rambut yang progresif dan berkurangnya pendengaran. kanalis semisirkuler

merupakan 3 saluran yang berisi cairan, yang berfungsi membantu menjaga

keseimbangan. setiap gerakan kepala menyebabkan ciaran di dalam saluran bergerak.

gerakan cairan di salah satu saluran bisa lebih besar dari gerakan cairan di saluran

lainnya; hal ini tergantung kepada arah pergerakan kepala. saluran ini juga mengandung

sel rambut yang memberikan respon terhadap gerakan cairan. sel rambut ini

memprakarsai gelombang saraf yang menyampaikan pesan ke otak, ke arah mana kepala

bergerak, sehingga keseimbangan bisa dipertahankan.

jika terjadi infeksi pada kanalis semisirkuler, (seperti yang terjadi pada infeksi telinga

tengah atau flu) maka bisa timbul vertigo (perasaan berputar).

ULTRASONIK

Untuk mempelajari ultrasonik, kita harus mengingat terlebih dahulu tentang

penggolongan frekuensi bunyi. Ultrasonik adalah gelombang bunyi dengan frekuensi

lebih dari 20.000 Hz.

Ultrasonik dapat diproduksi dengan piranti magnet listrik dan kristal

piezoelektrik dengan frekuensi di atas 20.000 Hz.

Magnet listrik

Jika batang ferromagnetik diletakkan pada medan magnet listrik maka

akan timbul gelombang ultrasonik pada ujung batang ferromagnetik tersebut. Demikian

pula jika batang ferromagnetik tersebut dilingkari kawat, kemudian dialiri listrik.

Alat diagnostik USG menggunakan gelombang ultrasonik yang mempunyai frekuensi 1-

10 MHz. Kecepatan gelombang suara didalam suatu medium akan berbeda dari medium

lainnya. Sifat akustik medium menentukan perbedaan ini. Frekuensi dan daya ultrasonik

yang dipakai dalam bidang kedokteran disesuaikan dengan kebutuhan. Untuk diagnostik

digunakan frekuensi 1 – 5 MHz dengan daya 0,01 W/cm2. untuk terapi daya ditingkatkan

menjadi 1 W/cm2, bahkan untuk menghancurkan kanker daya yang diperlukan sebesar

103 W/cm2.

Pengurangan intensitas merupakan atenuasi, yang dapat disebabkan oleh mekanisme,

refleksi, refraksi, absorpsi dan scattening.

Pengaruh atenuasi dalam pemeriksaan USG :

1. Atenuasi akan membatasi kemampuan alat USG dalam memeriksa truktur jaringan

tubuh hanya sampai batas ke dalaman tertentu.

2. Adanya atenuasi yang berbeda pada jaringan tubuh akan memberikan gambaran USG

yang berbeda pula.

3. Alat USG sulit digunakan untuk memeriksa struktur jaringan tulang organ yang berisi

gas.

Dasar penggunaan ultrasonik adalah efek Dopler, yaitu terjadi perubahan frekuensi akibat

adanya pergerakan pendengar atau sebaliknya dan getaran yang dikirim ke obyek akan

direfleksikan oleh obyek itu sendiri.

Efek Gelombang Ultrasonik

Gelombang ultrasonik dapat memberikan efek baik mekanik, panas, kimiawi maupun

biologis. Atau perubahan – perubahan siklik yang terjadi pada perambatan gel

ultrasonik : getaran partikel, perubahan tekanan, peruabahan densitas, dan perubahan

suhu.

Semua perubahan diatas bersifat sementara dan penagruhnya sangat kecil, banyaknya

panas yang timbul didalam jaringan tubuh ditentukan oleh : intensitas, lamanya

pemaparan, dan koefisien absorpsi jaringan. Pemakaian gel ultrasonik dan intensitas

tinggi dapat menimbulkan fenomena kavitasi pada medium yang berupa cairan. Faktor

yang menambah keamanan penggunaan USG yang banyak dipakai saat ini mempunyai

intensitas kurang dari 10 MW/Cm2.

Mekanik

Membentuk emulsi asap/awan dan disintegrasi beberapa benda padat. Ini bisa digunakan

untuk mendeteksi lokasi batu empedu

Panas

Sebagian ultrasonik mengalami refleksi pada titik yang bersangkutan, dan sebagian lagi

pada titik tersebut mengalami perubahan panas. Pada jaringan bisa terjadi pembentukan

rongga dengan intensitas tinggi.

Kimia

Gelombang ultrasonik menyebabkan oksidasi dan hidrolisis ikatan polyester

Biologis

Efek ini sebenarnya merupakan gabungan antara efek-efek di atas, misalnya panas

menimbulkan dilatasi pembuluh darah. Ultrasonik juga meningkatkan permeabilitas

membran sel dan kapiler serta merangsang aktifitas sel. Otot mengalami paralisis dan sel-

sel hancur, bakteri dan virus dapat pula hancur. Keletihan akan terjadi jika frekuensi

ultrasonik ditingkatkan.(Alifis,2009)