Mengapakah Bunyi Siren Berubah Apabila Ambulans Melintas?

Bayangkan anda berdiri di tepi jalan apabila sebuah ambulans menghampiri dari jauh. Bunyi sirennya semakin kuat, kemudian kedengaran berubah apabila ambulans melintas dan bergerak menjauh. Perubahan kekuatan bunyi mudah difahami kerana jarak ambulans daripada kita berubah, tetapi ada satu lagi perubahan yang menarik, iaitu nada bunyi juga boleh berubah.

Fenomena ini dikenali sebagai kesan Doppler. Untuk memahaminya, kita perlu melihat bagaimana gelombang bunyi bergerak melalui udara.

Bunyi bergerak sebagai gelombang

Bunyi terhasil apabila sesuatu objek bergetar dan menyebabkan perubahan tekanan dalam medium seperti udara. Getaran ini menghasilkan kawasan mampatan dan regangan udara yang merambat menjauhi sumber bunyi, dan apabila perubahan tekanan itu sampai ke telinga, sistem pendengaran kita mengesan bunyi.

Salah satu sifat penting gelombang bunyi ialah frekuensi, iaitu bilangan getaran atau kitaran gelombang dalam satu saat, yang diukur dalam hertz (Hz). Bunyi berfrekuensi lebih tinggi biasanya didengar sebagai nada yang lebih tinggi, jadi nada tulen 800 Hz lebih tinggi daripada nada tulen 400 Hz. Sifat satu lagi ialah panjang gelombang, iaitu jarak antara dua bahagian sepadan pada gelombang yang berturutan.

Bagi gelombang bunyi yang merambat melalui udara dalam keadaan seragam, kelajuan bunyi ialah hasil darab frekuensi dengan panjang gelombang. Hubungan ini membantu menerangkan mengapa gerakan sumber bunyi boleh mengubah frekuensi yang diterima pendengar.

Apabila sumber bunyi tidak bergerak

Bayangkan sebuah pembesar suara yang pegun mengeluarkan bunyi berfrekuensi tetap. Dalam model ringkas, muka gelombang bunyi tersebar sebagai permukaan sfera yang semakin membesar, dan oleh sebab pembesar suara tidak bergerak, setiap gelombang baharu bermula dari kedudukan yang sama. Jika udara dianggap pegun dan seragam, jarak antara muka gelombang yang berturutan adalah sama dalam semua arah, maka pendengar yang turut pegun menerima gelombang pada frekuensi yang sama seperti yang dihasilkan pembesar suara. Keadaan berubah apabila sumber bunyi mula bergerak.

Mengapa nada lebih tinggi apabila ambulans menghampiri?

Bayangkan sebuah ambulans bergerak menuju ke arah pendengar sambil menghasilkan bunyi berfrekuensi tetap. Setiap kali siren menghasilkan gelombang baharu, ambulans telah bergerak sedikit ke hadapan berbanding kedudukannya ketika menghasilkan gelombang sebelumnya. Akibatnya, muka gelombang di hadapan ambulans menjadi lebih rapat antara satu sama lain, iaitu panjang gelombang di hadapannya menjadi lebih pendek.

Dalam udara yang seragam dan pegun, kelajuan perambatan bunyi tidak meningkat semata-mata kerana ambulans bergerak. Oleh itu, gelombang berpanjang gelombang lebih pendek sampai kepada pendengar dengan frekuensi lebih tinggi, dan pendengar mendengar nada yang lebih tinggi daripada frekuensi asal yang dikeluarkan siren. Semakin tinggi kelajuan ambulans menuju ke arah pendengar, semakin besar perubahan frekuensi yang boleh berlaku, dengan andaian keadaan lain kekal sama.

Mengapa nada lebih rendah selepas ambulans melintas?

Selepas ambulans melintas dan bergerak menjauh, keadaan menjadi sebaliknya. Setiap gelombang baharu dihasilkan dari kedudukan yang semakin jauh daripada pendengar, maka muka gelombang di belakang ambulans menjadi lebih renggang. Panjang gelombang yang sampai kepada pendengar menjadi lebih besar, frekuensi yang diterima lebih rendah, dan pendengar mendengar nada yang lebih rendah daripada frekuensi asal siren.

Perubahan ini tidak semestinya bermaksud siren telah menukar frekuensi bunyi yang dihasilkannya. Walaupun siren mengeluarkan nada berfrekuensi tetap, gerakan ambulans masih boleh menyebabkan pendengar menerima frekuensi yang berbeza. Dalam keadaan sebenar, siren kecemasan juga mungkin menghasilkan bunyi yang berubah-ubah mengikut masa, dan perubahan itu perlu dibezakan daripada perubahan tambahan yang disebabkan oleh kesan Doppler.

Adakah pendengar mesti pegun?

Tidak. Kesan Doppler juga boleh berlaku apabila pendengar bergerak menuju ke arah sumber bunyi yang pegun atau bergerak menjauhinya. Seseorang yang menaiki kenderaan dan bergerak menuju ke arah sumber bunyi tetap boleh menerima frekuensi yang lebih tinggi, manakala pendengar yang bergerak menjauhi sumber menerima frekuensi yang lebih rendah. Bagi bunyi, pengiraan tepat bergantung pada gerakan sumber dan pendengar relatif kepada medium perambatan, termasuk keadaan udara.

Arah gerakan turut penting. Jika sumber bergerak hampir berserenjang dengan garis pandang antara sumber dengan pendengar, komponen halaju sumber ke arah pendengar menjadi kecil, lalu perubahan frekuensi boleh menjadi jauh lebih kecil berbanding apabila sumber bergerak terus menuju ke arah pendengar. Oleh itu, kesan Doppler tidak hanya bergantung pada kelajuan sesuatu objek, tetapi juga pada arah gerakannya relatif kepada pendengar.