Kecepatan suara
Kecepatan suara adalah istilah yang digunakan untuk menyebut kecepatan gelombang suara yang merambat pada medium elastisitas. Pada ketinggian air laut, dengan suhu 20°C (68°F) dan kondisi atmosfer normal, kecepatan suara adalah 343 m/detik (1238 km/jam). Kecepatan rambatan gelombang suara ini dapat berbeda tergantung medium yang dilewati (misalnya suara lebih cepat melalui air daripada udara), sifat-sifat medium tersebut, dan suhu.
Kecepatan suara pada gas ideal hanya tergantung pada suhu dan komposisinya. Kecepatan memiliki ketergantungan lemah terhadap frekuensi dan tekanan pada udara normal, berbeda sedikit dari keadaan ideal.
Dalam pembahasan sehari-hari, kecepatan suara mengacu kepada kecepatan gelombang suara pada udara. Namun, besar kecepatan suara berbeda dari substansi ke substansi: paling lambat dalam gas; lebih cepat dalam cairan; lebih cepat lagi dalam benda padat. Misalnya, di udara adalah 343 m/detik; di air 1.484 m/detik (4,3 kali); dan di besi 5.120 m/s. Pada beberapa benda yang sangat keras seperti berlian, suara merambat dengan kecepatan 12.000 m/detik;[1] yang merupakan kecepatan maksimum suara pada kondisi normal.
Gelombang suara dalam benda padat terdiri dari gelombang-gelombang kompresi, dan sebuah tipe gelombang suara yang disebut gelombang geser, yang hanya muncul pada benda padat. Gelombang geser dalam benda padat biasanya merambat pada kecepatan berbeda-beda, seperti ditunjukkan dalam seismologi. Kecepatan gelombang kompresi dalam benda padat ditentukan oleh kompresibilitas, modulus geser, dan densitas medium. Kecepatan gelombang geser ditentukan hanya dari modulus geser dan densitas material padat.
Dalam dinamika fluida, kecepatan suara pada medium cair (gas atau liquid) digunakan sebagai pengukuran relatif untuk kecepatan objek yang bergerak melalui medium tersebut. Rasio antara kecepatan objek terhadap kecepatan suara dalam fluida disebut bilangan Mach. Objek yang bergerak melebihi Mach1 disebut bergerak dengan kecepatan supersonik.
Kecepatan suara dalam notasi matematika dilambangkan dengan c, dari bahasa Latin celeritas yang berarti "kelajuan".
Secara umum, kecepatan suara c dinyatakan dengan persamaan Newton–Laplace:
c = K s ρ , {\displaystyle c={\sqrt {\frac {K_{s}}{\rho }}},}
Ks adalah koefisien kekerasan, modulus bulk isentropik (atau modulus elastisitas bulk untuk gas); ρ adalah massa jenis.
Maka kecepatan suara meningkat berbanding lurus dengan kekerasan material (resistansi benda elastis terhadap deformasi akibat gaya yang bekerja pada benda tersebut) dan berbanding terbalik dengan meningkatnya massa jenis. Untuk gas ideal, modulus bulk K sederhananya adalah tekanan gas dikali indeks adiabatik, yang nilainya 1,4 untuk udara dibawah kondisi tekanan dan temperatur normal.
Untuk persamaan keadaan umum, jika digunakan mekanika klasik, kecepatan suara c dinyatakan dengan
c = ( ∂ p ∂ ρ ) s , {\displaystyle c={\sqrt {\left({\frac {\partial p}{\partial \rho }}\right)_{s}}},}
p adalah tekanan; ρ adalah massa jenis dan turunan diambil secara isentropis, maka pada entropi konstan s.
Jika efek relativistik menjadi penting, maka kecepatan suara dihitung dari persamaan Euler relativistik.
Dalam medium non-dispersif, kecepatan suara tidak tergantung frekuensi bunyi, maka kecepatan transportasi energi dan perambatan bunyi sama untuk semua frekuensi. Udara, campuran oksigen dan nitrogen, membentuk medium non non-dispersif. Namun, udara juga mengandung sebagian kecil CO2, yang merupakan medium dispersif, dan menyebabkan dispersi ke udara pada frekuensi ultrasonik (> 28 kHz).[2]
Dalam medium dispersif, kecepatan suara merupakan fungsi frekuensi bunyi, melalui hubungan dispersi. Tiap komponen frekuensi merambat pada kecepatannya masing-masing, disebut kelajuan fasa, sedangkan energi disturbansi merambat pada kelajuan grup. Fenomena yang sama muncul dengan gelombang cahaya; lihat dispersi optik untuk penjelasan.
Perkiraan kecepatan suara dalam keadaan udara kering (kelembaban 0%), dalam meter per sekon, suhu mendekati 0°C, dapat dihitung dari
c a i r = ( 331.3 + 0.606 ⋅ ϑ ) m / s , {\displaystyle c_{\mathrm {air} }=(331.3+0.606\cdot \vartheta )~~~\mathrm {m/s} ,}
dimana ϑ {\displaystyle \vartheta } adalah suhu dalam derajat Celsius (°C).
Persamaan ini diturunkan dari 2 term pertama ekspansi Taylor dari persamaan berikut:
c a i r = 331.3 1 + ϑ 273.15 m / s . {\displaystyle c_{\mathrm {air} }=331.3~{\sqrt {1+{\frac {\vartheta }{273.15}}}}~~~~\mathrm {m/s} .}
Nilai 331.3 m/s, yang menghasilkan kecepatan pada 0°C (atau 273.15 K), didasarkan pada nilai teoretis rasio kapasitas panas, γ, juga fakta bahwa pada tekanan udara 1 atm sangat bisa dijelaskan oleh perkiraan gas ideal. Beberapa nilai kecepatan suara pada 0°C dapat bervariasi mulai 331.2 sampai 331.6 karena asumsia-asumsi ketika penghitungan. Jika gas ideal γ diasumsikan tepat 7/5 = 1.4, maka kecepatan suara pada 0°C akan menghasilkan angka 331.3 m/s.
Persamaan ini dapat digunakan untuk rentang temperatur yang lebar, namun tetap bergantung pada perkiraan rasio kapasitas panas, dan untuk alasan ini tidak dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi. Rumus ini akan menghasilkan prediksi yang baik pada kondisi relatif kering, dingin, tekanan rendah, seperti stratofer bumi. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk tekanan sangat rendah dan panjang gelombang pendek, karena ketergantungan pada asumsi bahwa panjang gelombang suara dalam gas jauh lebih panjang daripada jarak bebas rata-rata antara tumbukan molekul gas.
Kategori:Satuan kecepatan Kategori:Suara