Bab6_Gelombang Bunyi

Gelombang Bunyi
Bunyi termasuk gelombang mekanik, karena dalam
perambatannya bunyi memerlukan medium perantara. Ada tiga
syarat agar terjadi bunyi yaitu ada sumber bunyi, medium, dan
pendengar. Bunyi dihasilkan oleh benda yang bergetar, getaran itu
merambat melalui medium menuju pendengar.
Gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal, karena
gelombang berosilasi searah dengan gerak gelombang tersebut,
membentuk daerah bertekanan tinggi dan rendah (rapatan dan
renggangan). Partikel yang saling berdesakan akan menghasilkan
gelombang bertekanan tinggi, sedangkan molekul yang meregang
akan menghasilkan gelombang bertekanan rendah. Kedua jenis
gelombang ini menyebar dari sumber bunyi dan bergerak secara
bergantian pada medium.
A. Cepat Rambat Bunyi
Gelombang bunyi dapat bergerak melalui zat padat, zat cair,
dan gas, tetapi tidak bisa melalui vakum, karena di tempat vakum
tidak ada partikel zat yang akan mentransmisikan getaran.
Kemampuan gelombang bunyi untuk menempuh jarak tertentu
dalam satu waktu disebut Kecepatan Bunyi. Kecepatan bunyi di
udara bervariasi, tergantung temperatur udara dan kerapatannya.
Apabila temperatur udara meningkat, maka kecepatan bunyi akan
bertambah. Semakin tinggi kerapatan udara, maka bunyi semakin
cepat merambat. Kecepatan bunyi dalam zat cair lebih besar
daripada cepat rambat bunyi di udara. Sementara itu, kecepatan
bunyi pada zat padat lebih besar daripada cepat rambat bunyi
dalam zat cair dan udara.
Cepat rambat bunyi di udara bergantung pada jenis partikel
yang membentuk udara tersebut. Persamaannya dapat dituliskan
sebagai berikut.
Keterangan:
γ = konstanta Laplace
R = tetapan umum gas (8,31 J/mol K)
1
T = suhu mutlak gas (kelvin)
M = massa molekul gas (gram/mol)
Cepat rambat bunyi dalam zat padat ditentukan oleh modulus
Young dan massa jenis zat tersebut. Persamaannya dapat
dituliskan sebagai berikut.
Keterangan:
E = modulus Young zat padat (N/m2)
ρ = massa jenis zat padat (kg/m3)
Di dalam zat cair, cepat rambat bunyi ditentukan oleh modulus
Bulk dan kerapatan (massa jenis) cairan tersebut. Persamaannya
dapat dituliskan sebagai berikut.
Keterangan:
B = modulus Bulk (N/m2)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
Contoh Soal :
Bandingkan kecepatan bunyi dalam aluminium dan air jika modulus
Young untuk aluminium 7,0 x 1010 N/m2, massa jenis aluminium
2.700 kg/m3, modulus Bulk air = 2,1 x 109 N/m2, dan massa jenis air
1.000 kg/m3.
Jawab:
Diketahui:
E = 7,0 x 1010 N/m2; ρal = 2.700 kg/m3;
B = 2,1 x 109 N/m2; ρair = 1.000 kg/m3.
Kecepatan bunyi di air ternyata lebih kecil daripada kecepatan
bunyi dalam aluminium. Hal tersebut disebabkan cairan lebih
kompresibel (lebih mudah berubah bentuk) dibandingkan dengan
2
zat padat (modulus Bulk cairan lebih kecil dibandingkan dengan
modulus Young untuk zat padat).
Contoh Soal :
Cepat rambat gelombang bunyi di udara pada suhu 20°C adalah
340 m/s. Jika suhu udara naik menjadi 37°C, tentukan cepat
rambat gelombang bunyi tersebut.
Jawab:
Ketika suhu udara naik, kecepatan bunyi akan semakin bertambah.
Hal tersebut disebabkan gerakan-gerakan molekul udara yang
merambatkan bunyi bertambah cepat.
Diketahui:
T1 = 10 + 273 = 293 K;
T2 = 37 + 273 = 310 K;
v1 = 340 m/s
Jadi, cepat rambat bunyi bertambah menjadi 349,72 m/s.
Tabel 1 menunjukkan cepat rambat bunyi di berbagai materi
pada 20 oC dan 1 atm.
B. Unsur Bunyi dan Pemanfaatan Gelombang Bunyi
Unsur-unsur bunyi antara lain sebagai berikut.
1. Tinggi Nada Bunyi
Semakin banyak jumlah getaran yang dihasilkan dalam satu
selang waktu tertentu, bunyi yang dihasilkan akan semakin tinggi.
nyaring. Pada getaran yang semakin sedikit, bunyi yang terdengar
3
bernada rendah. Hal tersebut membuktikan bahwa tinggi nada
bergantung pada frekuensi sumber bunyi.
2. Kuat Bunyi
Kuat
bunyi
yang
dihasilkan
bergantung
pada
amplitude/simpangan getaran. Semakin besar simpangan, maka
kuat bunyi yang dihasilkan semakin kuat.
3. Warna Bunyi
Warna bunyi merupakan bunyi khas yang ditimbulkan oleh
suatu sumber bunyi. Bunyi gitar berbeda dengan bunyi biola, itu
karena ada warna bunyi. Perbedaan tersebut terjadi karena
gabungan nada atas dan nada dasar dari sumber bunyi berbedabeda walaupun frekuensinya sama.
4. Batas Pendengaran
Manusia dan hewan dilengkapi dengan alat pendengaran.
Namun, kemampuan pendengarannya berbeda-beda. Batas
kemampuan pendengaran diukur berdasarkan frekuensi bunyi.
 Manusia normal memiliki batas pendengaran antara 20 hertz
sampai dengan 20.000 hertz. Daerah frekuensi tersebut
dinamakan frekuensi audio.
 sedangkan daerah frekuensi di bawah 20 hertz disebut
infrasonik,
 daerah di atas frekuensi dengar atau di atas 20.000 hertz
disebut ultrasonik.
Beberapa hewan mampu mendengar bunyi ultrasonik, bahkan
hewan seperti kelelawar yang memiliki alat penglihatan tidak sebaik
alat pendengarannya, menggunakan bunyi ultrasonik untuk
mengetahui benda yang ada di depannya.
Contoh Soal :
Sebuah alat sonar digunakan untuk mengukur kedalaman laut.
Selang waktu yang dicatat oleh sonar untuk gelombang
perambatan sampai kembali lagi ke sonar adalah 1 sekon. Jika
cepat rambat gelombang di dalam air laut adalah 1.500 m/s,
tentukanlah kedalaman laut tersebut.
Jawab:
Diketahui:
v = 1.500 m/s;
t = 1 s.
4
s = v (1/2 t ) = 1.500 m/s x ½ x 1 s = 750 meter.
Jadi, laut tersebut memiliki kedalaman 750 meter.
C. Intensitas dan Taraf Intensitas
Pada dasarnya gelombang bunyi adalah rambatan energi
yang berasal dari sumber bunyi yang merambat ke segala arah,
sehingga muka gelombangnya berbentuk bola (sferis).
Intensitas bunyi adalah energi gelombang bunyi yang
menembus permukaan bidang tiap satu satuan luas tiap detiknya.
Apabila suatu sumber bunyi mempunyai daya sebesar P watt,
maka besarnya intensitas bunyi di suatu tempat yang berjarak r
dari sumber bunyi dapat dinyatakan :
I
P
P

A 4π r 2
dengan :
I = intensitas bunyi (watt/m2)
P = daya sumber bunyi (watt, joule/s)
A = luas permukaan yang ditembus gelombang bunyi (m2)
r = jarak tempat dari sumber bunyi (m)
Jika titik A berjarak r1 dan titik B berjarak r2 dari sumber bunyi,
maka perbandingan intensitas bunyi antara titik A dan B dapat
dinyatakan dalam persamaan :
2
I A r2

I B r1 2
Dikarenakan keterbatasan pendengaran telinga manusia, maka
para ahli menggunakan istilah dalam intensitas bunyi dengan
menggunakan ambang pendengaran dan ambang perasaan.
 Intensitas ambang pendengaran (Io) yaitu intensitas bunyi
terkecil yang masih mampu didengar oleh telinga, Besarnya
ambang pendengaran berkisar pada 10-12 watt/m2.
 Intensitas ambang perasaan yaitu intensitas bunyi yang
terbesar yang masih dapat didengar telinga tanpa
menimbulkan rasa sakit. Besarnya ambang perasaan berkisar
pada 1 watt/m2.
5
Contoh Soal :
Sebuah sumber bunyi memiliki daya 10π watt dipancarkan secara
sferis ke segala arah. Tentukan intensitas bunyi yang terukur oleh
pendeteksi yang diletakkan di titik :
a. A berjarak 10 m dari sumber
b. B berjarak 20 m dari sumber
Penyelesaian :
Diketahui :
P = 10π watt
RA = 10 m
RB = 20 m
a. Intensitas di titik A sebesar :
b. Intensitas di titik B :
Perbandingan intensitas bunyi antara titik A dan B dapat
dinyatakan dalam persamaan :
2
I A r2

I B r1 2
Dari hubungan di atas dapat ditentukan intensitas di titik B sebagai
berikut.
Para ilmuwan menyatakan mengukur intensitas bunyi tidak dalam
watt/m2 melainkan dalam satuan dB (desi Bell) yang dinyatakan
dengan Taraf Intensitas bunyi (TI).
6
Taraf intensitas bunyi merupakan perbandingan nilai logaritma
antara intensitas bunyi yang diukur dengan intensitas ambang
pendengaran (Io) yang dituliskan dalam persamaan :
TI  10
log I
log I o
dengan :
TI = taraf intensitas bunyi (dB = desi bell)
I = intesitas bunyi (watt/m2)
Io = intensitas ambang pendengaran (Io = 10-12 watt/m2)
Contoh Soal :
Suatu sumber bunyi dengan daya 12,56 watt memancarkan
gelombang bunyi berupa gelombang speris. Intensitas ambang
pendengaran 10-12 watt/m2. Tentukan taraf intensitas bunyi pada
jarak 100 meter dari sumber bunyi!
Penyelesaian :
Diketahui :
P = 12,56 watt
Io = 10-12 watt/m2
r = 100 m
Ditanyakan: TI = ...?
Jawab :
Intensitas bunyi pada jarak 100 m dari sumber bunyi adalah :
Taraf Intensitas bunyi pada jarak 100 meter dari sumber bunyi
adalah :
Contoh Soal :
Seekor tawon yang berjarak 2 m dari pendeteksi memiliki taraf
intensitas 40 dB.
Tentukan :
a. intensitas bunyi tawon pada tempat itu,
b. taraf intensitas jika ada 1000 tawon,
7
Penyelesaian :
R1 = 2 m
TI1 = 40 dB
n = 1000
a. Intensitas bunyi seekor tawon memenuhi :
b. Taraf intensitas 1000 tawon memenuhi :
TIn = TI1 + 10 log n
= 40 + 10 log 1000
= 70 dB
D. Efek Doppler
Efek Doppler adalah perubahan frekuensi yang diterima
pendengar dibanding dengan frekuensi sumbernya akibat gerak
relatif pendengar dan sumber. Gejala perubahan frekuensi ini
ditemukan oleh Christian Johanm Doppler (1803-1855), seorang
fisikawan Austria.
Secara matematis efek Doppler dinyatakan sebagai berikut.
fp 
v  vp
v  vs
 fs
dengan :
fp = frekuensi bunyi yang diterima pendengar (Hz)
fs = frekuensi bunyi sumber (Hz)
v = cepat rambat bunyi di udara (m/s)
vs = kecepatan sumber bunyi (m/s)
vp = kecepatan pendengar (m/s)
(±) = operasi kecepatan relatif,
(+) untuk kecepatan berlawanan arah
(−) untuk kecepatan searah
8
Contoh Soal :
Mobil ambulan bergerak dengan kecepatan 20 m/s sambil
membunyikan sirinenya yang memiliki frekuensi 1000 Hz. Pada
saat itu ada seseorang yang mengendarai sepeda motor sedang
berpapasan dengan ambulan. Kecepatan sepeda motornya 10 m/s.
Berapakah frekuensi sirine yang diterima pengendara sepeda
motor itu jika kecepatan bunyi saat itu 340 m/s?
Penyelesaian
v = 340 m/s
vs = 20 m/s,
vp = 10 m/s
fs = 1080 Hz
Perhatikan gambar gerak relatif mobil ambulan dan sepeda motor
pada Gambar berikut.
vp searah v, jadi (v − vp)
vs berlawanan v, jadi (v + v s)
Maka frekuensi yang diterima pengendara sepeda motor adalah :
Contoh Soal :
Sebuah sumber bunyi dengan frekuensi 1024 Hz bergerak
mendekati pendengar dengan kecepatan 34 m/s. Kecepatan
rambat bunyi di udara 340 m/s. Jika pendengar menjauhi sumber
bunyi dengan kecepatan 17 m/s, maka berapa frekuensi bunyi
yang diterima pendengar?
Penyelesaian
fs = 1024 Hz,
v = 340 m/s
vp = 17 m/s,
vs = 34 m/s
9
Perhatikan ilustrasi berikut :
vs dan vp sama-sama searah dengan v, maka :
E. Sifat-Sifat Gelombang Bunyi
Sifat-sifat umum tentang gelombang, yaitu pembiasan
(refraksi), pemantulan (refleksi), pelenturan (difraksi), interferensi,
dan polarisasi. Bunyi merupakan salah satu bentuk gelombang.
Oleh karena itu, gelombang bunyi juga mengalami peristiwaperistiwa tersebut.
1. Pemantulan Gelombang Bunyi
Mengapa saat Anda berteriak di sekitar tebing selalu ada bunyi
yang menirukan suara Anda tersebut? Mengapa suara Anda
terdengar lebih keras ketika berada di dalam gedung? Kedua
peristiwa tersebut menunjukkan bahwa bunyi dapat dipantulkan.
Bunyi pantul dapat memperkuat bunyi aslinya. Itulah sebabnya
suara musik akan terdengar lebih keras di dalam ruangan daripada
di lapangan terbuka.
2. Pembiasan Gelombang Bunyi
Sesuai dengan hukum pembiasan gelombang bahwa gelombang
yang datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan
dibiaskan mendekati garis normal atau sebaliknya.
 Pada siang hari, suhu udara di permukaan lebih tinggi
daripada di atasnya. Hal tersebut menyebabkan lapisan udara
pada bagian atas lebih rapat daripada di bawahnya. Sehingga,
pada siang hari arah rambat bunyi dibiaskan menjauhi garis
normal (melengkung ke atas). Akibatnya, suara teriakan yang
cukup jauh pada siang hari terdengar kurang jelas.
10
 Sebaliknya, pada malam hari lapisan udara di permukaan
lebih rapat daripada di atasnya. Sehingga, arah rambat bunyi
dibiaskan mendekati garis normal (melengkung ke bawah).
Akibatnya, suara teriakan yang cukup jauh pada malam hari
terdengar lebih jelas.
3. Difraksi Gelombang Bunyi
Difraksi adalah peristiwa pelenturan gelombang ketika
melewati celah, yang ukuran celahnya se-orde dengan panjang
gelombangnya. kaca pembatas loket pembayaran di sebuah bank
yang sengaja dibuat dengan beberapa lubang kecil agar
gelombang bunyi tidak memantul, walaupun arah rambat bunyi
tidak berupa garis lurus.
Gelombang bunyi mudah mengalami difraksi karena
gelombang bunyi di udara memiliki panjang gelombang sekitar
beberapa sentimeter sampai beberapa meter. Bandingkan dengan
cahaya yang memiliki panjang gelombang berkisar 500 mm.
4. Interferensi Gelombang Bunyi
Interferensi Gelombang Bunyi terjadi jika beda lintasannya
merupakan kelipatan bilangan bulat dari setengah panjang
gelombang bunyi, secara matematis dituliskan sebagai berikut.
dengan n = 0, 1, 2, 3, ...
n = 0, n = 1, dan n = 2 berturut-turut untuk bunyi kuat pertama,
bunyi kuat kedua, dan bunyi kuat ketiga.
5. Pelayangan Bunyi
Interferensi yang ditimbulkan dari dua gelombang bunyi dapat
menyebabkan peristiwa pelayangan bunyi, yaitu penguatan dan
pelemahan bunyi. Hal tersebut terjadi akibat superposisi dua
gelombang yang memiliki frekuensi yang sedikit berbeda dan
merambat dalam arah yang sama. Jadi, satu pelayangan
didefinisikan sebagai dua bunyi keras atau dua bunyi lemah yang
terjadi secara berurutan, (layangan = kuat — lemah — kuat atau
lemah — kuat — lemah).
Jika kedua gelombang bunyi tersebut merambat bersamaan,
akan menghasilkan bunyi paling kuat saat fase keduanya sama.
Jika kedua getaran berlawanan fase, akan dihasilkan bunyi paling
lemah.
11
Secara matematis
sebagai berikut :
pelayangan
bunyi
dapat
dinyatakan
fp = | f1 - f2 |
Keterangan:
fp = frekuensi pelayangan (Hz)
f2 = frekuensi gelombang 2 (Hz)
f1 = frekuensi gelombang 1 (Hz)
Contoh Soal :
Pipa organa A menghasilkan frekuensi fA = 1005 Hz, pipa organa B
menghasilkan frekuensi fB = 1000 Hz. Jika pipa organa dibunyikan
bersama-sama, berapakah frekuensi pelayangannya?
Penyelesaian :
Diketahui :
fA = 1005 Hz
fB = 1000 Hz
Terjadi pelayangan jika beda frekuensinya kecil berarti pipa organa
A dan pipa organa B menghasilkan pelayangan :
fp = | fA - fB |
= | 1005 – 1000 |
= 5 Hz.
12