Gambar Sampul Fisika  · c_BAB 3 GELOMBANG BUNYI
Fisika · c_BAB 3 GELOMBANG BUNYI
JokoBudiyanto

24/08/2021 16:43:54

SMA 12 K-13

Lihat Katalog Lainnya
Halaman
56Fisika XII untuk SMA/MABab 3 GELOMBANG BUNYIGelombangGelombang mekanikGelombang elektromagnetikGelombang longitudinalSumber bunyiGelombang bunyiPeriodePelayangan bunyiEnergi gelombangAplikasiTerapi medisFrekuensiAmplitudoCepat rambatIndustriMengetahui keadaanbagian dalam BumiSonarPencitraan medisPETPETPETPETPETA KA KA KA KA KONSEPONSEPONSEPONSEPONSEP
Bab 3 Gelombang Bunyi573GELOMBANG BUNYIDalam kehidupan sehari-hari kita tidaklepas dari bunyi.Sumber: Dokumen Penerbit, 2006Setiap saat kita dapat mendengarkan bunyi. Dalam kehidupan sehari-hari kita tidak lepas dari bunyi karena bunyi menjadi salah satu carauntuk dapat berkomunikasi dengan orang lain. Perhatikan gambar diatas. Tanpa bunyi kita tidak dapat mengetahui maksud orang lain yang beradajauh dari kita. Dalam perambatannya, bunyi memerlukan medium sehinggabisa mencapai ke indra pendengaran kita. Bagaimana bunyi merambat?Marilah kita pelajari uraian tentang sifat bunyi berikut ini sehingga sangatbermanfaat dalam kehidupan kita.
58Fisika XII untuk SMA/MAA.Bunyi merupakan getaran di dalam medium elastispada frekuensi dan intensitas yang dapat didengar olehtelinga manusia. Bunyi termasuk gelombang mekanik,karena dalam perambatannya bunyi memerlukan mediumperantara, yaitu udara. Ada tiga syarat agar terjadi bunyi.Syarat yang dimaksud yaitu ada sumber bunyi, medium,dan pendengar. Bunyi dihasilkan oleh benda yang bergetar,getaran itu merambat melalui medium menuju pendengar.Sama seperti gelombang lainnya, sumber gelombangbunyi merupakan benda yang bergetar. Energi dipindahkandari sumber dalam bentuk gelombang bunyi. Selanjutnya,bunyi dideteksi oleh telinga. Oleh otak, bunyi diterjemah-kan, dan kita bisa memberikan respon. Misalnya, ketikakita mendengarkan suara lagu dari radio, kita meresponnyadengan ikut bernyanyi, atau sekadar menggoyangkan kaki.Bunyi merupakan Gelombang LongitudinalGelombang bunyi merupakan gelombang longitu-dinal, yaitu gelombang yang terdiri atas partikel-partikelyang berosilasi searah dengan gerak gelombang tersebut,membentuk daerah bertekanan tinggi dan rendah (rapatandan renggangan). Partikel yang saling berdesakan akanmenghasilkan gelombang bertekanan tinggi, sedangkanmolekul yang meregang akan menghasilkan gelombangbertekanan rendah. Kedua jenis gelombang ini menyebardari sumber bunyi dan bergerak secara bergantian padamedium.amplitudo, bunyi,frekuensi,gelombang longitudinal,gelombang transversal,infrasonik, ultrasonikGambar 3.1 Partikel-partikelmembentuk daerah bertekanantinggi dan rendah.Sumber: Fisika Jilid 1, Erlangga, 2001Gambar 3.2 Representasigelombang bunyi dalam ruangpada satu waktu digambarkansebagai(a) simpangan, dan(b) tekanan.Gelombang bunyi dapat bergerak melalui zat padat,zat cair, dan gas, tetapi tidak bisa melalui vakum, karenadi tempat vakum tidak ada partikel zat yang akan men-transmisikan getaran. Kemampuan gelombang bunyiuntuk menempuh jarak tertentu dalam satu waktu disebutkecepatan bunyi. Kecepatan bunyi di udara bervariasi,tergantung temperatur udara dan kerapatannya. Apabilatemperatur udara meningkat, maka kecepatan bunyi akanbertambah. Semakin tinggi kerapatan udara, maka bunyisemakin cepat merambat. Kecepatan bunyi dalam zat cairlebih besar daripada cepat rambat bunyi di udara. Sementaraitu, kecepatan bunyi pada zat padat lebih besar daripadacepat rambat bunyi dalam zat cair dan udara. Tabel 3.1menunjukkan cepat rambat bunyi pada berbagai materi.xx(a) Simpangan(a)Tekanan0+0,0005–0,00051,00021,00000,9998Tekanan (atm) Simpangan (cm)
Bab 3 Gelombang Bunyi59Tabel 3.1 Laju bunyi di berbagai materi pada 20 oC dan 1 atm○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○Pada umumnya, bunyi memiliki tiga sifat, yaitu tinggirendah bunyi, kuat lemah bunyi, dan warna bunyi. Tinggirendah bunyi adalah kondisi gelombang bunyi yangditerima oleh telinga manusia berdasarkan frekuensi (jumlahgetaran per detik). Tinggi suara ( pitch) menunjukkan sifatbunyi yang mencirikan ketinggian atau kerendahannyaterhadap seorang pengamat. Sifat ini berhubungan denganfrekuensi, namun tidak sama. Kekerasan bunyi jugamemengaruhi titi nada. Hingga 1.000 Hz, meningkatnyakekerasan mengakibatkan turunnya titi nada.Gelombang bunyi dibatasi oleh jangkauan frekuensiyang dapat merangsang telinga dan otak manusia kepadasensasi pendengaran. Jangkauan ini adalah 20 Hz sampai20.000 Hz, di mana telinga manusia normal mampumendengar suatu bunyi. Jangkauan frekuensi ini disebutaudiosonik. Sebuah gelombang bunyi yang memilikifrekuensi di bawah 20 Hzdinamakan sebuah gelombanginfrasonik. Sementara itu, bunyi yang memiliki frekuensidi atas 20.000 Hzdisebut ultrasonik.Banyak hewan yang dapat mendengar bunyi yangfrekuensinya di atas 20.000 Hz. Misalnya, kelelawar dapatmendeteksi bunyi yang frekuensinya sampai 100.000 Hz,dan anjing dapat mendengar bunyi setinggi 50.000 Hz.Kelelawar menggunakan ultrasonik sebagai alat penyuaragema untuk terbang dan berburu. Kelelawar mengeluarkandecitan yang sangat tinggi dan menggunakan telinganyayang besar untuk menangkap mangsanya. Gema itumemberitahu kelelawar mengenai lokasi mangsanya ataurintangan di depannya (misalnya pohon atau dinding gua).Gambar 3.3 Tinggi rendahbunyi dipengaruhi frekuensi:(a) frekuensi tinggi(b) frekuensi rendah.Sifat BunyiB.frekuensi tinggi, panjanggelombang pendekfrekuensi rendah, panjanggelombang panjangSumber: Ensiklopedi Umum untukPelajar, PT Ichtiar Baruvan Hoeve, 2005Gambar 3.4 Kelelawarmampu mendengarkan bunyiultrasonik.iretaM)s/m(ujaLaradU0(aradUo)CmuileHnegordiHriAtualriAajabnadiseBacaKmuinimulAsarekuyaK343133500.1003.1044.1065.1000.5005.4001.5000.4
60Fisika XII untuk SMA/MAPerubahan frekuensi gerak gelombang yang disebabkangerak relatif antara sumber dan pengamat disebut sebagaiefek Doppler, yang diusulkan seorang fisikawan Austria,Christian Johann Doppler (1803 - 1853). Peristiwa inidapat ditemukan pada gelombang bunyi. Jika sebuah sumberdan pengamat sama-sama bergerak saling mendekat, makafrekuensi yang terdengar akan lebih tinggi dari frekuensiyang dihasilkan sumber. Sebaliknya, jika keduanya bergeraksaling menjauh, maka frekuensi yang terdengar akan lebihrendah. Sebagai contoh, sebuah sepeda motor bergerakmendekati pengamat, maka suara putaran mesin akanterdengar lebih keras. Tetapi, jika sepeda motor menjauh,perlahan-lahan suara putaran mesin tidak terdengar.Efek DopplerC.Menurut Doppler gelombangbunyi dari sumber yangbergerak mendekat mengalamitekanan yang memberinyanada atau frekuensi yanglebih tinggi. Sementaragelombang bunyi dari bendayang menjauh menjadi regangsehingga nadanya menjadirendah.Kuat lemah atau intensitas bunyi adalah kondisigelombang bunyi yang diterima oleh telinga manusiaberdasarkan amplitudo dari gelombang tersebut. Amplitudoadalah simpangan maksimum, yaitu simpangan terjauhgelombang dari titik setimbangnya. Intensitas menunjuk-kan sejauh mana bunyi dapat terdengar. Jika intensitasnyakecil, bunyi akan melemah dan tidak dapat terdengar.Namun, apabila intensitasnya besar, bunyi menjadisemakin kuat, sehingga berbahaya bagi alat pendengaran.Untuk mengetahui hubungan antara amplitudo dankuat nada, dapat diketahui dengan melakukan percobaanmenggunakan garputala. Garputala dipukulkan ke mejadengan dua pukulan yang berbeda, akan dihasilkan yaitupukulan yang keras menghasilkan bunyi yang lebih kuat.Hal ini menunjukkan bahwa amplitudo getaran yangterjadi lebih besar. Dengan demikian, dapat disimpulkanbahwa kuat lemahnya nada atau bunyi bergantung padabesar kecilnya amplitudo. Semakin besar amplitudogetaran, maka semakin kuat pula bunyi yang dihasilkan.Warna bunyi adalah bunyi yang diterima oleh alatpendengaran berdasarkan sumber getarannya. Sumbergetaran yang berbeda akan menghasilkan bentuk gelombangbunyi yang berbeda pula. Hal ini menyebabkan nada yangsama dari dua sumber getaran yang berbeda pada telingamanusia.Gambar 3.5 Kuat lemahbunyi dipengaruhi amplitudo:(a) amplitudo kecil,(b) amplitudo besar.amplitudo kecilamplitudo besar
Bab 3 Gelombang Bunyi61Frekuensi ( f) dari bunyi yang dihasilkan sebagai akibatgerak relatif dari sumber dan pengamat dinyatakan oleh: fp = sspfvvvv±±.................................................. (3.1)dengan:fp= frekuensi bunyi yang terdengar (Hz)v= cepat rambat (m/s)vp= kecepatan pendengar (m/s)vs= kecepatan sumber bunyi (m/s)fs= frekuensi sumber bunyi (Hz)tanda (+) untuk pendengar mendekati sumber bunyi atau sumber bunyimenjauhi pendengartanda (-) untuk pendengar menjauhi sumber bunyi atau sumber bunyimendekati pendengarSeorang pengemudi mobil mengendarai mobilnya pada 20 m/s mendekati sebuahsumber bunyi 600 Hz yang diam. Berapakah frekuensi yang terdeteksi olehpengemudi sebelum dan sesudah melewati sumber bunyi tersebut jika kecepatanbunyi di udara 340 m/s?Penyelesaian:Diketahui:vp= 20 Hzvs= 0 m/sfs= 600 Hzv= 340 m/sDitanya:a.fpsebelum = ... ?b.fp sesudah = ... ?Jawab:a.Sebelum melewati sumber bunyifp=sspfvvvv+ = 600 034020340+ =600 340360 = 635,3 Hzb. Sesudah melewati sumber bunyifp=sspfvvvv+ = 600 034020340+ =600 340320 = 564,7 HzContoh SoalSumber: Ensiklopedia Iptek untuk Anak, Pelajar, & Umum,PT Lentera Abadi, 2005(a)(b)Gambar 3.6(a) Suara sepeda motor yang bergerak mendekatterdengar lebih keras, (b) suara sepeda motor yang bergerakmenjauh terdengar lebih pelan.
62Fisika XII untuk SMA/MA1. Cepat Rambat Gelombang Transversalpada DawaiCepat rambat gelombang transversal pada dawai ataukawat, diselidiki menggunakan sebuah alat yang disebutsonometer. Sonometer merupakan sebuah piranti yangterdiri atas kotak kosong berlubang dengan kawat yangditegangkan di atasnya. Satu ujung diikatkan, ujung yanglain dilewatkan katrol yang pada ujungnya diberi bebanuntuk memberi tegangan kawat. Jika kawat digetarkan,maka nada yang dihasilkan dapat ditala dengan garputala.Dengan cara ini, efek dari panjang dan tegangan kawatdapat diselidiki. Frekuensi ( f ) yang dihasilkan dinyatakandengan persamaan: f = μFl21........................................................... (3.2)dengan:f= frekuensi (Hz)l= panjang kawat atau dawai (m)F= tegangan kawat atau beban (N)μ= massa kawat per satuan panjang (kg/m)Cepat Rambat GelombangD.Gambar 3.7 Sonometeruntuk menyelidiki cepatrambat gelombang transver-sal pada dawai.panjang senarkatrolbebanSumber: Kamus Fisika Bergambar,Pakar Raya, 2004Uji Kemampuan 3.1○○○○○○○○○○○○○○○Klakson sebuah mobil mempunyai frekuensi 400 Hz. Berapakah frekuensi yangterdeteksi jika mobil bergerak melalui udara terang menuju penerima diam denganlaju 30 m/s?Thomas Young, ahli fisikasekaligus dokter menemukanteori gelombang, akomodasimata, astigmatisma, hukuminterferensi cahaya, danberbagai penemuan lain.2. Cepat Rambat BunyiBunyi merupakan getaran yang dapat ditransmisikanoleh air, atau material lain sebagai medium (perantara). Bunyimerupakan gelombang longitudinal dan ditandai denganfrekuensi, intensitas (loudness), dan kualitas. Kecepatan bunyibergantung pada transmisi oleh mediumnya.a. Cepat Rambat Bunyi pada Zat PadatModulus elastisitas atau modulus Young adalah per-bandingan antara tegangan (stress) dengan regangan (strain)dari suatu benda.
Bab 3 Gelombang Bunyi63Gelombang bunyi yang merambat dalam mediumzat padat memiliki cepat rambat yang besarnya dipengaruhioleh modulus Young dan massa jenis zat, yang dirumus-kan:v= ρE............................................................ (3.3)dengan E adalah modulus Young (N/m2) dan ρmenyatakanmassa jenis zat padat (kg/m3).b. Cepat Rambat Bunyi pada Zat CairLaju gelombang bunyi dalam suatu medium yangmemiliki modulus curah B (bulk modulus) dan rapat massadinyatakan oleh persamaan:v= ρβ.............................................................(3.4)dengan ρ adalah massa jenis zat cair, dan βadalah moduluscurah, yang menyatakan perbandingan tekanan padasebuah benda terhadap fraksi penurunan volume (N/m2).c. Cepat Rambat Bunyi pada GasKecepatan bunyi untuk gas, nilai E yang memengaruhicepat rambat bunyi pada zat padat setara dengan modulusbulk adiabatis, yaitu:v= ργP......................................................... (3.5)dengan P adalah tekanan gas dan γ adalah nisbahkapasitas terminal molar. Ini setara dengan:v= MRTγ....................................................... (3.6)dengan:R= tetapan molar gas (J/mol K)M= massa satu mol gasT= suhu termodinamika (K)v=cepat rambat bunyi (m/s)Sementara itu, γ merupakan konstanta yang bergantungpada jenis gas, untuk udara mempunyai nilai 1,4.Kecepatan bunyi tergantungpada transmisi olehmediumnya.1. Cepat rambat bunyi padazat padat v = ρE2. Cepat rambat bunyi padazat cair v = ρβ3. cepat rambat bunyi padagas v = ργP
64Fisika XII untuk SMA/MATujuan:Melakukan pengukuran kecepatan bunyi pada berbagai zat alir.Alat dan bahan : Amplifier penimbul bunyi, Audio Frequency Generator (AFG), instrumen penangkapbunyi, Cathode Ray Osciloscope (CRO), mike kondensor, ruang bunyi, medium alirdan wadahnya.Cara Kerja:1 .Rangkailah percobaan sesuaidengan gambar di samping.2. Pasanglah amplifier danAFG pada posisi on, danatur AFG dengan suatufrekuensi terpilih yangmenimbulkan bunyi padaamplifier.3 . Pasanglah sistem penangkapbunyi dan CRO pada posision. Amati apakah bunyitertangkap oleh sistemdengan melihat perubahanpulsa CRO.Bila tertangkap berarti sistem percobaan baik, dan bila tidak lihatlah mungkinada bagian yang tidak terhubung.4.Masukkan medium air yang akan diteliti ke dalam wadah bunyi, dan mikekondensor yang terlindung ke dalam medium itu.5. Gerakkan mike kondensor, dan lihatlah perubahan tinggi pulsa yang terjadipada CRO. Ketika diperoleh pulsa tertinggi pertama catat letaknya sesuaipenggaris yang tersedia. Demikian juga ketika terjadi pada pulsa tertinggikedua, ketiga, dan seterusnya.6. Ukurlah jarak antara pulsa pertama dengan pulsa ketiga, dan inilah panjanggelombang bunyi pada medium yang diteliti (mλ) pada frekuensi yangdigunakan yaitu fm.7. Sesuai dengan hubungan v = f.λ, maka kecepatan bunyi pada medium itudapat ditentukan.8. Ulangi percobaan untuk penggunaan frekuensi yang berbeda.9. Ulangi percobaan untuk berbagai medium yang berbeda.Diskusi:1. Bagaimana kecepatan bunyi pada tiap medium yang digunakan?2. Apa yang dapat disimpulkan dari percobaan ini?Kegiatanmike kondensorspeakeramplifierAFGpenguat bunyiCRO
Bab 3 Gelombang Bunyi65Uji Kemampuan 3.2○○○○○○○○○○○○○○○1. Jika diketahui γ= 1,4; R = 8,31 J/mol.K; dan M = 2,9 × 10- 4 kg/mol,hitunglah laju bunyi di udara pada suhu:a.273 K,b. 333 K, danc.373 K!2. Gas helium dengan konstanta M sebesar 4 × 10-3 kg/mol dan γ= 1,67berada pada suhu 30 oC. Tentukan cepat rambat bunyi pada suhu tersebut!Setiap bunyi yang kita dengar dihasilkan oleh suatubenda yang bergetar. Benda yang bergetar tersebut disebutsumber bunyi. Piano, biola, dan instrumen yang diper-gunakan dalam suatu orkes musik merupakan beberapacontoh benda-benda yang bertindak sebagai sumber bunyi.Bunyi yang dihasilkan bergantung pada mekanisme yangdipergunakan untuk membangkitkan bunyi. Getaranyang timbul dalam musik mungkin dihasilkan olehgesekan, petikan, atau dengan meniupkan udara ke dalaminstrumen tersebut. Biola, gitar, dan piano menggunakansenar yang bergetar untuk menghasilkan bunyi. Sementaraitu, terompet, seruling, dan flute menggunakan kolomudara yang bergetar.Gambar 3.9 menunjukkan gelombang berdiri yangdihasilkan pada senar, yang menjadi dasar untuk semuaalat petik. Frekuensi dasar atau frekuensi resonan palingrendah ditunjukkan dengan simpul tertutup yang terdapatpada kedua ujungnya. Panjang gelombang nada dasar padasenar adalah dua kali panjang senar tersebut, sehinggafrekuensi dasarnya adalah: f = λv = lv2...................................................... (3.7)dengan v adalah kecepatan gelombang pada senar.Getaran yang dihasilkan senar tidak menghasilkanbunyi yang cukup keras karena senar terlalu tipis untukmenekan dan meregangkan banyak udara, makadiperlukan sejenis penguat mekanis untuk memperluasbidang permukaan yang bersentuhan dengan udara,Sumber BunyiE.Nada atas pertama atauharmoni kedua, f2 = 2f1lHarmoni dasar ataupertamal = λ1l = λ2Gambar 3.9Gelombangberdiri pada senar.Nada atas kedua atauharmoni ketiga, f3 = 3f1 l = λ332Gambar 3.8Getaran darisenar gitar yang dipetik.Sumber: Gerbang, Juli 2006
66Fisika XII untuk SMA/MAsehingga dihasilkan bunyi yang lebih kuat. Sebagai contohadanya kotak bunyi pada gitar dan biola, atau papan bunyipada piano.Panjang tali berhubungan dengan setengah panjanggelombang (λ21), dengan λ adalah panjang gelombangdasar. Ketika frekuensi sama dengan kelipatan bilanganbulat dari dasar, merupakan fekuensi alami yang disebutnada atas. Frekuensi ini disebut juga harmoni, yangfrekuensi dasarnya disebut harmoni pertama.Harmoni kedua adalah mode berikutnya setelah dasarmemiliki dua loop. Panjang tali lberhubungan dengansatu panjang gelombang atau dituliskan 2λ=l. Untukharmoni ketiga adalah 323λ=l, harmoni keempat42λ=l, dan seterusnya, yang dapat dinyatakan:l=2nλn................................................................. (3.8)dengan n adalah bilangan bulat yang menunjukkan indeksharmoni, sehingga nλdapat dituliskan dalam bentuk:nλ = nl2.................................................................. (3.9)Untuk menentukan frekuensi f di setiap getaran, dapatdiketahui dengan menggunakan hubungan λ=vf, sehinggadiperoleh persamaan:fn =1n2n.fln.vv==λ................................................ (3.10)dengan f1 adalah frekuensi dasar yang besarnya adalah:f1=lvv21=λAlat yang menggunakan kolom udara sebagai sumberbunyi disebut pipa organa. Alat musik tiup dan pipa organamenghasilkan bunyi dari getaran gelombang berdiri dikolom udara dalam tabung atau pipa, seperti tampak padaGambar 3.10. Pada beberapa alat musik tiup, bibir pemainyang bergetar membantu menggetarkan kolom udara.Sementara itu, pada instrumen buluh, seperti klarinet dansaksofon, kolom udara dibangkitkan oleh suatu buluh yangterbuat dari bambu atau bahan lenting lainnya yang dapatdigerakkan oleh hembusan napas pemainnya. Kolom udarabergetar pada kecepatan tetap yang ditentukan oleh panjangbuluh. Panjang kolom udara yang efektif dapat diubahdengan membuka dan menutup sisi lubang dalam pipa.Sumber: Gerbang, Mei 2003Gambar 3.10 Kolom udarapada alat musik tiup.
Bab 3 Gelombang Bunyi67ABSimpulPerutAABBHarmoni pertama (dasar)Harmoni keduaHarmoni ketigall =λ112f1 =v2ll = λ2f2 = 2f1v ll =λ332f3 = = 2f13v2lGambar 3.11 Gelombangberdiri pada pipa organaterbuka.Pipa organa dibedakan menjadi dua jenis, yaitu pipaorgana terbuka dan pipa organa tertutup.1. Pipa Organa TerbukaTabung yang terbuka di kedua ujungnya pada sebuahalat musik tiup disebut pipa organa terbuka. Secara grafis,ditunjukkan pada Gambar 3.11. Gambar tersebutmenunjukkan tabung terbuka yang memiliki simpulterbuka simpangan di kedua ujungnya. Paling tidakterdapat satu simpul tertutup agar terjadi gelombangberdiri di dalam pipa organa. Satu simpul tertutupberhubungan dengan frekuensi dasar tabung. Jarak antaradua simpul tertutup atau terbuka adalah setengah panjanggelombang, yaitu: l = λ21 atau l2.Jadi, frekuensi dasar adalah:f1 = λv = lv2.......................................................... (3.11)dengan v adalah kecepatan bunyi di udara.Gelombang berdiri dengan dua simpul tertutupmerupakan nada tambahan pertama atau harmoni keduadan jaraknya setengah panjang gelombang dan dua kalilipat frekuensi.Sebuah pipa panjangnya 2,5 m. Tentukan tiga frekuensi harmonik terendah jikapipa terbuka pada kedua ujungngya (v = 350 m/s)!Penyelesaian:Diketahui:l=2,5 m;v= 350 m/sDitanya: f0= ... ?f1= ... ?f2= ... ?Jawab:f0=lv2= ),(522350=5350= 70 Hzf1=2.f0 = 2×70 = 140 Hzf2=3.f0 = 3 ×70 = 210 HzContoh Soal
68Fisika XII untuk SMA/MAContoh SoalSebuah pipa organa tertutup panjangnya 60 cm. Jika cepat rambat bunyi 340 m/s,tentukan frekuensi nada dasar, harmoni ketiga, dan harmoni kelima pada pipaorgana tersebut!Penyelesaian:Diketahui:l= 60 cm = 0,6 mv= 340 m/sDitanya:f1= ...?f3= ...?f5= ...?Jawab:f1=lv4=-1340(4)(6 10 ) ×=243400= 141,7 Hzf3=3.f1 = 3 (141,7) = 425,1 Hzf5=5.f0 = 5 (141,7) = 708,5 HzGambar 3.12Gelombangberdiri pada pipa organatertutup.ABABABHarmoni pertama (dasar)Harmoni keduaHarmoni ketigall =λ114f1 =v4ll =λ334f3 = = 3f13v4ll =λ55v4f5 = = 5f15v4l2. Pipa Organa TertutupPada tabung tertutup, tampak pada Gambar 3.12,menunjukkan bahwa selalu ada simpangan simpultertutup di ujung tertutup, karena udara tidak bebasbergerak, dan simpul terbuka di ujung terbuka (di manaudara dapat bergerak bebas). Jarak antara simpul tertutupdan terbuka terdekat adalah λ41, maka frekuensi dasarpada tabung hanya berhubungan dengan seperempatpanjang gelombang di dalam tabung, yaitu:l=4λ atau l4Frekuensi dasar pipa organa dirumuskan:f1=lv4................................................................. (3.12)Pada pipa organa tertutup, hanya harmoni ganjil sajayang ada. Nada tambahan mempunyai frekuensi 3, 5, 7, ...kali frekuensi dasar. Gelombang dengan frekuensikelipatan genap dari frekuensi dasar tidak mungkinmemiliki simpul tertutup di satu ujung dan simpulterbuka di ujung yang lain.
Bab 3 Gelombang Bunyi69Jika laju bunyi 200 m/s, berapakah frekuensi dan panjang gelombang yangmungkin untuk gelombang bunyi berdiri pada pipa organa tertutup sepanjang2 m?Uji Kemampuan 3.3○○○○○○○○○○○○○○Energi dan Intensitas GelombangF.Gelombang dapat merambat dari satu tempat ke tempatlain melalui medium yang bermacam-macam. Gelombangdapat merambatkan energi. Dengan demikian, gelombangmempunyai energi. Jika udara atau gas dilalui gelombangbunyi, partikel-partikel udara akan bergetar sehingga setiappartikel akan mempunyai energi sebesar:E=221kA, dengan k = tetapan, A = amplitudoE=2221Amω = 2222Amfπdengan:E= energi gelombang ( J)ω= frekuensi sudut (rad/s)k= konstanta (N/m)f= frekuensi (Hz)A= amplitudo (m)Suara BiolaBusur penggesek biola terdiri atas rambut-rambut ekor kuda yang diregang dengan rangkakayu ringan. Rambut-rambut ini dilapisi denganbahan kering dan lengket yang disebut rosin(damar). Ketika busur menggesek, dawai ikuttertarik ke salah satu sisi. Dawai menegang dantiba-tiba tergelincir lepas dari busur, yangmengakibatkan dawai menggetar dan “menatadiri” kembali ke posisi lurus. Kemudian, dawaiakan melekat kembali ke rambut busur dan ikuttertarik ke sisi tertentu. Proses penarikan danpenggelinciran ini berulang sangat cepatsehingga menyebabkan dawai berosilasi maju-mundur pada frekuensi getaran alaminya(frekuensi resonansi).Percikan Fisika
70Fisika XII untuk SMA/MATabel 3.2 Intensitas berbagai macam bunyi○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○Gambar 3.13Daya bunyiyang menembus luaspermukaan bidang.1. Intensitas Gelombang BunyiIntensitas bunyi menyatakan energi bunyi tiap detik(daya bunyi) yang menembus bidang setiap satuan luaspermukaan secara tegak lurus, dirumuskan dalam persamaan:I=AP............................................................ (3.13)dengan I adalah intensitas bunyi (watt/m2), A adalahluas bidang permukaan (m2), dan P menyatakan dayabunyi (watt).PASumberbunyi2. Taraf Intensitas BunyiIntensitas gelombang bunyi yang dapat didengarmanusia rata-rata 10-12watt/m2, yang disebut ambangpendengaran. Sementara itu, intensitas terbesar bunyiyang masih terdengar oleh manusia tanpa menimbulkanrasa sakit adalah 1 watt/m2, yang disebut ambangperasaan. Hal itu menyebabkan selang intensitas bunyiyang dapat merangsang pendengaran itu besar, yaituantara 10-12watt/m2 sampai 1 watt/m2. Oleh karena itu,untuk mengetahui taraf intensitas (TI ) bunyi, yaituperbandingan antara intensitas bunyi dengan hargaambang pendengaran, digunakan skala logaritma, yangdirumuskan dalam persamaan:TI = 10 log0II................................................ (3.14)dengan TI menyatakan taraf intensitas bunyi (dB), I0adalah harga ambang intensitas bunyi (10 watt/m2), danI adalah intensitas bunyi (watt/m2).Besaran TI tidak berdimensi dan mempunyai satuanbel, atau jauh lebih umum desibel (dB), yang besarnya101 bel (1 bel = 10 dB).Taraf intensitas inilah yang memengaruhi kenyaringanbunyi. Tabel 3.2 menunjukkan intensitas dan taraf intensitaspada sejumlah bunyi.Intensitas bunyi diterimatelinga manusia berdasarkanamplitudo dari gelombangtersebut. Intensitasmenunjukkan sejauh manabunyi dapat terdengar. Ketikaintensitas kecil, bunyimelemah, dan ketikaintensitas besar, bunyimengeras.iynuBrebmuS)Bd(satisnetnItakgniTm/W(satisnetnI2)m03karajadaptejtawasePtikasasargnabmAnagnaurmaladsarekgnaykcorresnoKm03karajadapeniriS0410210210010011101x12-
Bab 3 Gelombang Bunyi71Contoh SoalSebuah motor melepas daya sekitar 3 Wdalam arena balap. Jika daya ini terdistribusisecara seragam ke semua arah, berapakah intensitas bunyi pada jarak 20 m?Penyelesaian:Diketahui:P=3 Wr=20 mDitanya:I= .... ?Jawab:I = AP= 2)20(43π= 5,97× 10- 4W/m2Seekor singa yang mengaum melepas daya sekitar 0,5 mW.a.Jika daya terdistribusi secara seragam ke semua arah, berapa tingkat intensitasbunyi pada jarak 10 m?b. Berapa tingkat intensitas dari dua anjing yang mengaum secara bersamaanjika masing-masing melepas daya 2 mW?Uji Kemampuan 3.4○○○○○○○○○○○○○○Pelayangan BunyiG.Pelayangan (beats) merupakan fenomena yangmenerapkan prinsip interferensi gelombang. Pelayanganakan terjadi jika dua sumber bunyi menghasilkan frekuensigelombang yang mempunyai beda frekuensi yang kecil.Kedua gelombang bunyi akan saling berinterferensi dantingkat suara pada posisi tertentu naik dan turun secarabergantian. Peristiwa menurun atau meningkatnyakenyaringan secara berkala yang terdengar ketika dua nadadengan frekuensi yang sedikit berbeda dibunyikan padasaat yang bersamaan disebut pelayangan. Gelombang akansaling memperkuat dan memperlemah satu sama lainbergerak di dalam atau di luar dari fasenya.maj/mk05adapujalemgnay,libomroiretnIkubisgnayayarnalajsatnilulaLmc05karajnagned,asaibnapakacrePnalepgnayoidaRnakisiBnuadkisiremeGnaragnednepsataB570756040201001x35-01x15-01x36-01x18-01x101-01x111-01x121-
72Fisika XII untuk SMA/MAGambar 3.14(a) menunjukkanpergeseran yang dihasilkan sebuah titikdi dalam ruang di mana rambatangelombang terjadi, dengan duagelombang secara terpisah sebagaisebuah fungsi dari waktu. Kita anggapkedua gelombang tersebut mempunyaiamplitudo sama. Pada Gambar 3.14(b)menunjukkan resultan getaran di titiktersebut sebagai fungsi dari waktu. KitaGambar 3.14 Fenomena pelayangan terjadisebagai akibat superposisi dua gelombang bunyidengan beda frekuensi yang kecil.(a) (b)dapat melihat bahwa amplitudo gelombang resultan dititik yang diberikan tersebut berubah terhadap waktu(tidak konstan). Pergeseran pada titik tersebut yangdihasilkan oleh sebuah gelombang dapat dinyatakan:y1=A cos 2πf1t.....................................................(3.15)Sementara itu, pergeseran di titik tersebut yang dihasilkangelombang lain dan amplitudo sama adalah:y2=A cos 2πf2t.................................................... (3.16)Berdasarkan prinsip superposisi gelombang, makapergeseran resultan adalah:y=y1 + y2 = A(cos 2πf1t + cos 2πf2t)Karena cos a + cos b = 2bacos2bacos2+−, maka:y=12122cos2 cos222ffffAt tππ−+⎡⎤⎛⎞ ⎛⎞⎜⎟ ⎜⎟⎢⎥⎝⎠ ⎝⎠⎣⎦...........(3.17)sehingga getaran yang dihasilkan dapat ditinjau sebagaigetaran yang mempunyai frekuensi:f=221ff+yang merupakan frekuensi rata-rata dari kedua gelombangtersebut dengan amplitudo yang berubah terhadap waktudengan frekuensi:famplitudo = 221ffJika f1dan f2 adalah hampir sama, maka suku ini adalahkecil dan amplitudo akan berfluktuasi secara lambat.Sebuah pelayangan, yaitu sebuah maksimum amplitudo,akan terjadi bila 12cos22fftπ⎛⎞⎜⎟⎝⎠ sama dengan 1 atau -1.
Bab 3 Gelombang Bunyi73Karena masing-masing nilai ini terjadi sekali di dalamsetiap siklus, maka banyaknya pelayangan per detik adalahdua kali frekuensi amplitudo, yaitu:fpelayangan=2.famplitudo=2221fffpelayangan=f1 – f2................................................ (3.18)Jadi, banyaknya pelayangan per detik setara denganperbedaan frekuensi gelombang-gelombang komponen.Contoh SoalDua buah garputala dengan frekuensi nada dasar 340 Hz masing-masing digerak-kan relatif ke seorang pengamat yang diam. Garputala pertama dibawa larimenjauh dari pengamat, sedangkan garputala lainnya dibawa lari menujupengamat dengan kelajuan yang sama. Pengamat mendengar layangan denganfrekuensi 5 Hz. Jika diketahui cepat rambat bunyi di udara 340 m/s, berapakahkelajuan lari tersebut?Penyelesaian:Diketahui:vp= 0v= 340 m/sfs= 340 HzDitanya:x= ... ?Jawab:x=222xvx= svf3=22)340(2xx = )340(3403 = 2x (340)2 = 3(340)2 – 3x2=3x 2 + 2(340)2x – 3(340)2 = 0=(x23) (3x + 2(340)2) = 0=x23 = 0 x = 23 = 1,5 m/sGarputala dengan frekuensi 440 Hzdipukul secara bersamaan dengan dimain-kannya nada A pada gitar, sehingga terdengar 3 layangan per sekon. Setelah senargitar dikencangkan untuk menaikkan frekuensi, frekuensi layangan menjadi 6layangan per sekon. Berapakah frekuensi senar gitar setelah dikencangkan?Uji Kemampuan 3.5○○○○○○○○○○○○○○
74Fisika XII untuk SMA/MAGelombang ultrasonik banyak dimanfaatkan dalamberbagai bidang dalam kehidupan sehari-hari. Berikut inibeberapa contoh penerapan bunyi ultrasonik.1. Sonar (Sound Navigation Ranging)Sonar merupakan suatu teknik yang digunakan untukmenentukan letak benda di bawah laut dengan mengguna-kan metode pantulan gelombang. Pantulan gelombangoleh suatu permukaan atau benda sehingga jenis gelombangyang lebih lemah terdeteksi tidak lama setelah gelombangasal disebut gema. Gema merupakan bunyi yang terdengartidak lama setelah bunyi asli. Perlambatan antara keduagelombang menunjukkan jarak permukaan pemantul.Penduga gema (echo sounder) ialah peralatan yang diguna-kan untuk menentukan kedalaman air di bawah kapal.Kapal mengirimkan suatu gelombang bunyi dan meng-ukur waktu yang dibutuhkan gema untuk kembali, setelahpemantulan oleh dasar laut. Selain kedalaman laut,metode ini juga dapat digunakan untuk mengetahui lokasikarang, kapal karam, kapal selam, atau sekelompok ikan.2. Pencitraan MedisBunyi ultrasonik digunakan dalam bidang kedokterandengan menggunakan teknik pulsa-gema. Teknik inihampir sama dengan sonar. Pulsa bunyi dengan frekuensitinggi diarahkan ke tubuh, dan pantulannya dari batasatau pertemuan antara organ-organ dan struktur lainnyadan luka dalam tubuh kemudian dideteksi. Dengan meng-gunakan teknik ini, tumor dan pertumbuhan abnormallainnya, atau gumpalan fluida dapat dilihat. Selain itujuga dapat digunakan untuk memeriksa kerja katup jantungdan perkembangan janin dalam kandungan. Informasimengenai berbagai organ tubuh seperti otot, jantung, hati,dan ginjal bisa diketahui.Frekuensi yang digunakan pada diagnosis dengangelombang ultrasonik antara 1 sampai 10 MHz, lajugelombang bunyi pada jaringan tubuh manusia sekitar1.540 m/s, sehingga panjang gelombangnya adalah:λ = fv = )s(10m/s)(1.54016- = 1,5 × 10-3 = 1,5 mm.Aplikasi Bunyi UltrasonikH.Gambar 3.15Kapalmenggunakan sonar untukmengukur kedalaman laut.Sumber: Sains Populer Cahaya Energidan Gerak, PT Remaja Rosdakarya,Bandung, 2005gelombangsonardasar lautkapalGambar 3.16Gelombangultrasonik dimanfaatkanuntuk melihat perkembanganjanin dalam kandungan.Sumber: Jendela Iptek Kedokteran,PT Balai Pustaka, 2000
Bab 3 Gelombang Bunyi75Panjang gelombang ini merupakan batas benda yangpaling kecil yang dapat dideteksi. Makin tinggi frekuensi,makin banyak gelombang yang diserap tubuh, dan pantulandari bagian yang lebih dalam dari tubuh akan hilang.Pencitraan medis dengan menggunakan bunyi ultrasonikmerupakan kemajuan yang penting dalam dunia kedokteran.Metode ini dapat menggantikan prosedur lain yang berisiko,menyakitkan, dan mahal. Cara ini dianggap tidak berbahaya.3. Terapi Medis dengan Bunyi UltrasonikDalam dunia kedokteran, gelombang ultrasonikdigunakan dalam diagnosa dan pengobatan. Diagnosadengan menggunakan gelombang ultrasonik berupa USG(ultrasonografi), dapat digunakan untuk mengetahui janindi dalam kandungan. Pengobatan meliputi penghancuranjaringan yang tidak diinginkan dalam tubuh, misalnyabatu ginjal atau tumor, dengan menggunakan gelombangultrasonik berintensitas tinggi (setinggi 107W/m2) yangkemudian difokuskan pada jaringan yang tidak diinginkantersebut. Selain itu bunyi ultrasonik juga digunakan untukterapi fisik, yaitu dengan memberikan pemanasan lokalpada otot yang cedera.4. Dalam Dunia IndustriDalam dunia industri, dengan menggunakan bor-borultrasonik dapat dibuat berbagai bentuk atau ukuranlubang pada gelas dan baja.5. Mengetahui Keadaan Bagian Dalam BumiPergeseran tiba-tiba segmen-segmen kerak bumi yangdibatasi zona patahan dapat menghasilkan gelombangseismik. Ini memungkinkan para ahli geologi dan geofisikauntuk memperoleh pengetahuan tentang keadaan bagiandalam Bumi dan membantu mencari sumber bahan bakarfosil baru. Ada empat tipe gelombang seismik, yaitugelombang badan P, gelombang badan S, gelombangpermukaan Love, dan gelombang permukaan Rayleigh.Alat yang digunakan untuk mendeteksi gelombang-gelombang ini disebut seismograf, yang biasanya diguna-kan untuk mendeteksi adanya gempa bumi. Seperti semuagelombang, laju gelombang seismik bergantung pada sifatmedium, rigiditas, ketegaran, dan kerapatan medium.Grafik waktu perjalanan dapat digunakan untuk menentukanjarak stasiun seismograf dari episenter gempa bumi.Gambar 3.17Grafik waktupenjalaran dapat digunakanuntuk menentukan jarakstasiun seismograf dariepisenter gempa bumi.Sumber: Fisika untuk Sains dan TeknikJilid 1,PT Erlangga, 19980510150 1000 2000 3000 4000 5000
76Fisika XII untuk SMA/MAAlexander Graham BellSeorang ilmuwan dan guru tunarungu asal Skotlandiayang lahir pada tanggal 3 Maret 1847 di Edinburgh danmeninggal di Baddeck Nova Scotia, Canada. Penemuannyayang terkenal yaitu telegraf ganda (1847), telepon (1876),fotofon (1880), dan piringan hitam (1886). Pada umumnya,hasil penemuan Bell merupakan bentuk pengabdianterhadap penderita tunarungu. Untuk menghormatinya,namanya digunakan sebagai satuan taraf intensitas bunyiyaitu decibel.Fisikawan Kita ̄Bunyi merupakan gelombang mekanik longitudinal. ̄Tinggi rendahnya nada tergantung pada frekuensinya. ̄Infrasonik, yaitu bunyi yang frekuensinya kurang dari 20 Hz. ̄Ultrasonik, yaitu bunyi yang frekuensinya lebih dari 20.000 Hz. ̄Kuat lemahnya bunyi tergantung pada amplitudonya. ̄Efek Doppler mengacu pada perubahan frekuensi yang disebabkan gerak relatifantara sumber dan pengamat. Jika keduanya bergerak saling mendekat, makafrekuensi yang terdengar akan lebih tinggi, tetapi jika keduanya saling menjauh,frekuensi yang terdengar akan lebih rendah. ̄Frekuensi gelombang pada dawai:f= μFl21 ̄Cepat rambat bunyi pada zat padat:v= ρEE=Modulus Youngρ= massa jenis zat padat ̄Cepat rambat bunyi pada zat cair:v=ρBB=Modulus Bulkρ=massa jenis zat cairFFFFFiestaiestaiestaiestaiesta
Bab 3 Gelombang Bunyi77 ̄Cepat rambat bunyi pada gasv=RTMγγ= nisbah kapasitas termal molarR= tetapan molar gas umumT= suhu termodinamikaM= massa satu mol gas ̄Senar yang terdapat pada alat petik berfungsi sebagai alat getar untuk menghasilkanbunyi. Frekuensi dasar atau frekuensi resonan paling rendah ditunjukkan dengansimpul tertutup yang terdapat pada kedua ujungnya. Frekuensi setiap harmoni(nada tambahan) merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar. ̄Pada alat musik tiup, gelombang berdiri dihasilkan pada kolom udara. Pada pipaorgana terbuka memiliki simpul terbuka simpangan di kedua ujungnya. Frekuensidasar tergantung pada panjang gelombang yang setara dengan dua kali panjangtabung. Harmoni mempunyai frekuensi yang besarnya 2, 3, 4,... kali lipat darifrekuensi dasar. ̄Pada pipa organa tertutup, frekuensi dasar pada tabung tergantung pada panjanggelombang yang setara dengan empat kali panjang tabung. Hanya harmoni ganjilyang terjadi, yang besarnya 3, 5, 7, ... kali frekuensi dasar. ̄Energi gelombangE = 221kA= 2221Amω= 222Amfπ ̄Intensitas bunyi merupakan perbandingan antara daya bunyi yang menembusbidang setiap satuan luas permukaan. ̄Taraf intensitas bunyi menyatakan perbandingan antara intensitas bunyi dan hargaambang pendengaran.TI = 0log10II ̄Pelayangan merupakan peristiwa menurun atau meningkatnya kenyaringan secaraberkala yang terdengar ketika dua bunyi dengan frekuensi yang sedikit berbedadibunyikan pada saat yang bersamaan. ̄Gelombang ultrasonik banyak diterapkan pada berbagai bidang antara lain untukmengukur kedalaman laut dengan teknik sonar, untuk pencitraan medis denganteknik pulsa-gema, kemudian dapat pula digunakan untuk terapi medis, dandimanfaatkan pula dalam bidang industri.
78Fisika XII untuk SMA/MAA. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1. Gelombang bunyi adalah ... .a.gelombang transversalb. gelombang longitudinalc.gelombang elektromagnetikd. gelombang yang dapat dipolarisasikane.gelombang yang dapat merambat dalam vakum2.Nada bunyi akan terdengar lemah jika ... .a.frekuensinya tinggid. amplitudonya kecilb. frekuensinya rendahe.periodenya tak beraturanc.amplitudonya besar3. Tinggi rendahnya nada bergantung pada ... .a.kecepatand. amplitudob. pola getare.panjang gelombangc.frekuensi4. Kuat lemahnya nada/bunyi bergantung pada ... .a.amplitudod. kecepatanb. panjang gelombange.pola getarc.frekuensi5.Dawai sepanjang 1 m diberi tegangan 100 N. Pada saat dawai digetarkandengan frekuensi 500 Hz, di sepanjang dawai terbentuk 10 perut. Massadawai tersebut adalah ... .a.1 gramd. 50 gramb. 5 grame.100 gramc.10 gram6. Sebuah pipa organa tertutup memiliki panjang 0,8 m. Jika cepat rambat bunyidi udara adalah 320 ms-1, maka dua frekuensi resonansi terendah yangdihasilkan oleh getaran udara di dalam pipa adalah ... .a.100 Hzdan 200 Hzd.200 Hzdan 600 Hzb. 100 Hzdan 300 Hze.400 Hzdan 800 Hzc.200 Hzdan 400 Hz7.Dua pipa organa terbuka A dan B ditiup bersama-sama. Pipa A menghasilkannada dasar yang sama tinggi dengan nada atas kedua pipa B. Makaperbandingan panjang pipa organa A dengan pipa organa B adalah ... .a.1 : 2d.2 : 3b. 1 : 3e.3 : 1c.2 : 1Uji Kompetensi
Bab 3 Gelombang Bunyi798. Seorang penerbang yang pesawat terbangnya mendekati menara bandaramendengar bunyi sirine menara dengan frekuensi 2.000 Hz. Jika sirinememancarkan bunyi dengan frekuensi 1.700 Hz, dan cepat rambat bunyi diudara 340 m/s, maka kecepatan pesawat udara adalah ... .a.236 km/jamb.220 km/jamc.216 km/jamd.200 km/jame.196 km/jam9. Sebuah sumber gelombang bunyi dengan daya 50 W memancarkan gelombangke medium sekelilingnya yang homogen. Intensitas radiasi gelombang tersebutpada jarak 10 m dari sumber adalah ... .a.4 × 10-2W/m2d.4 × 103W/m2b. 4 × 10-1W/m2e.2× 102W/m2c.4 × 101W/m210. Taraf intensitas bunyi sebuah mesin rata-rata 50 dB. Apabila tiga mesindihidupkan bersama, maka taraf intensitasnya adalah ... .a.150 dBd. 50 dBb.75 dBe.20 dBc.70 dBB. Jawablah dengan singkat dan benar!1. Sebuah senar gitar memiliki massa 2,0 gram dan panjang 60 cm. Jika cepatrambat gelombang sepanjang senar adalah 300 m/s, hitunglah gaya tegangansenar itu!2.Seutas kawat baja yang massanya 5 gram dan panjang 1 m diberi tegangan968 N. Tentukan:a.cepat rambat gelombang transversal sepanjang kawat,b. panjang gelombang dan frekuensi nada dasarnya,c.frekuensi nada atas pertama dan kedua!3. Sebuah sumber bunyi mempunyai taraf intensitas 6 dB. Bila 10 buah sumberbunyi yang sama berbunyi secara serentak, berapa taraf intensitas yangdihasilkan?4. Kereta bergerak dengan laju 72 km/jam menuju stasiun sambil membunyikanpeluit. Bunyi peluit kereta api tersebut terdengar oleh kepala stasiun denganfrekuensi 720 Hz. Jika laju bunyi di udara 340 m/s, berapa frekuensi peluitkereta api tersebut?5.Dua garputala dengan frekuensi masing-masing 325 Hzdan 328 Hzdigetarkanpada saat bersamaan. Berapa banyak layangan yang terdengar selama 5 sekon?