Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
GELOMBANG BUNYI
Bunyi merupakan salah satu bentuk gelombang mekanik, yaitu gelombang yang memerlukan medium sebagai perambatannya. Bunyi yang merambat pada medium udara bentuknya berupa rapatan – rapatan dan renggangan – renggangan (gelombang longitudinal) yang terbentuk oleh molekul – molekul udara. Bunyi sangat penting bagi kehidupan manusia, karena salah satu kegunaannya adalah untuk berkomunikasi. Apa yang menyebabkan timbulnya bunyi?....... ”bunyi timbul karena adanya sumber yang bergetar”, seperti ; gendang dipukul, senar gitar dipetik, drum dipukul, pita suara manusia dan lain – lain. Apa syarat bunyi dapat terdengar sampai ke telinga?..........” ada 3 syarat bunyi dapat terdengar : (1). ada sumber bunyi, (2). ada zat perantara (medium) dan (3). ada alat penerima (pendengar). Mungkinkah kita mendengar bunyi kilat dan melihat cahaya kilat secara bersamaan?.......”ketika terjadi kilat, pada saat itu kita akan melihat cahaya kilat terlebih dahulu, lalu baru terdengar bunyi gemuruh kilat, hal ini dikarenakan gelombang bunyi kilat membutuhkan waktu untuk sampai ke telinga pengamat dibandingkan gelombang cahaya kilat”. Jadi gelombang bunyi membutuhkan waktu untuk merambat dari sumber bunyi ke tempat yang lain. Cepat rambat gelombang bunyi berkaitan dengan jarak dan waktu, dimana cepat rambat bunyi didefinisikan sebagai jarak sumber bunyi ke pendengar dibagi dengan selang waktu yang dibutuhkan bunyi untuk sampai ke pendengar. S v t A. Cepat rambat bunyi di Udara. Cepat rambat bunyi di udara dipengaruhi oleh kondisi udara, terutama ; suhu dan tekanan udara. Besarnya cepat rambat bunyi di udara yang dipengaruhi oleh suhu dinyatakan dengan persamaan ; v = 331 + 0,6.T (rumus Miller). ”makin tinggi suhu udara, maka semakin besar cepat rambat bunyi di udara” (pada siang hari suhu udara panas menyebabkan medium udara renggang dan bunyi dibiaskan ke udara sehingga bunyi pada siang hari kurang jelas ; sedangkan pada malam hari suhu udara dingin menyebabkan medium udara rapat bunyi dibiaskan ke permukaan bumi sehingga bunyi pada malam hari jelas). Cepat rambat bunyi di udara yang dipengaruhi oleh tekanan dinyatakan dengan persamaan : B .P R.T P R.T v v v . pada gas ideal ; M M
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Keterangan : B = modulus udara ( B = .P ) ; = tetapan laplace ; P = tekanan udara = massa jenis udara ; R = 8,314 x 103 Joule/mol.K ; T = suhu udara (K) M = massa molekul relatif B. Cepat rambat bunyi di Air. Cepat rambat bunyi di air tergantung pada interaksi antara molekul – molekul air. Interaksi antara molekul – molekul air dinyatakan dengan Modulus Bulk Cairan (B ; N/m2). Modulus Bulk Cairan (B ; N/m2) didefinisikan sebagai perbandingan antara perubahan tekanan (P) terhadap fraksi perubahan volume (V/V) P P V B P V B B ......... v v V V V V C. Cepat rambat bunyi pada zat padat Cepat rambat bunyi pada zat padat tergantung pada tingkat elastisitas zat padat tersebut. Tingkat elastisitas zat padat dinyatakan dengan Modulus Young (E). Modulus Young (E) didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan dan regangan. F F karena , maka E E A A.
tegangan (N/m2) ; F = gaya hooke ; A = luas permukaan benda
regangan
x ..... x perubahan panjang benda dan x0 panjang x0
awal benda
v
E
v
1
Cepat rambat bunyi pada gitar ; m F ......karena .,........ maka v v
v
F
..... karena . A ........maka v
F v m
F . m
F .A
Keterangan : F = tegangan tali ( N ) ; µ = massa per satuan panjang ; m = massa senar ; panjang senar = massa jenis bahan senar ; A = luas penampang senar
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Frekuensi Bunyi Setiap saat kita selalu mendengarkan bunyi, setiap bunyi memiliki ciri – ciri tertentu. Dengan perbedaan ciri tersebut kita dapat membedakan bunyi alat – alat musik, bunyi gemuruh ombak, bunyi air terjun dan lain – lain. Adanya perbedaan ini disebabkan karena setiap bunyi memiliki frekuensi dan amplitudo yang berbeda. ”semakin besar frekuensi bunyi maka nada yang dihasilkan akan makin tinggi dan sebaliknya semakin kecil frekuensi bunyi maka nada yang dihasilkan akan makin rendah” Dan ..... ”semakin besar amplitudo bunyi maka semakin kuat nada bunyi yang dihasilkan dan sebaliknya semakin kecil amplitudo bunyi maka semakin lemah nada bunyi yang dihasilkan”. Antara bunyi musik dengan bunyi kendaraan, mana yang enak didengar ...?. tentu bunyi musik. Karena bunyi musik memiliki frekuensi yang teratur. ( bunyi yang memiliki frekuensi yang teratur disebut Nada ) dan sebaliknya (bunyi yang memiliki frekuensi yang tidak teratur disebut Desah ) Faktor yang mempengaruhi frekuansi nada yang dihasilkan oleh gitar adalah : 1 1. Panjang senar ..................... f (frekuensi berbanding terbalik dengan panjang senar) 1 2. Luas penampang senar........ f (frekuensi berbanding terbalik dgn akar luas A penampang) 3. Tegangan senar.................... f F (frekuensi berbanding lurus dengan tegangan senar) 1 4. Massa jenis bahan senar....... f (frekuensi berbanding terbalik dgn massa
jenis bahan) Sehingga besar frekuensi yang dihasilkan gitar dinyatakan dengan persamaan : 1 F dikenal dengan persamaan Marsenne f . 2. . A Salah satu syarat agar bunyi dapat terdengar adalah adanya alat pendengar atau penerima bunyi. Telinga manusia normal hanya mampu mendengar fekuensi bunyi yang berkisar antara 20 Hz sampai 20.000 Hz wilayah ini disebut wilayah frekuensi audio atau bunyi audiosonik. Bunyi yang frekuensinya kurang dari 20 Hz disebut bunyi infrasonik (seperti ; jangkrik dan anjing) Bunyi yang frekuensinya lebih dari 20.000 Hz disebut bunyi ultrasonik (seperti ; kelelawar)
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Hubungan antara cepat rambat, panjang gelombang dan frekuensi bunyi dinyatakan dengan persamaan :
v . f atau v
T
Keterangan : v = cepat rambat bunyi (m/s) ; = panjang gelombang bunyi (m) f = frekuensi bunyi (Hz) ; T = periode (sekon)
EFFEK DOPPLER Memang benar jika dikatakan, bahwa frekuensi bunyi sama dengan frekuensi sumbernya. Akan tetapi tidaklah selalu demikian antara frekuensi sumber bunyi dengan frekuensi bunyi yang kita dengar. Apabila antara sumber bunyi dan pendengar tidak ada gerakan relatif, maka frekuensi sumber bunyi dan frekuensi bunyi yang didengar oleh seseorang adalah sama. Akan tetapi jika antara sumber bunyi dan si pendengar ada gerak relatif, misalnya sumber bunyi bergerak mendekati si pendengar, atau si pendengar bergerak mendekati sumber bunyi, atau keduanya bergerak saling mendekati atau menjauhi, ternyata antara frekuensi sumber bunyi dan frekuensi bunyi yang didengar tidaklah sama. Suatu contoh misalnya ketika anda naik bis dan berpapasan dengan bis lain yang sedang membunyikan klakson, maka akan terdengar suara yang lebih tinggi, berarti frekuensinya lebih besar dan sebaliknya ketika bis menjauhi anda, bunyi klakson terdengar lebih rendah, karena frekuensi bunyi yang didengar berkurang. Peristiwa ini dinamakan Effek Doppler. Jadi Effek Doppler adalah peristiwa berubahnya frekuensi bunyi yang diterima oleh pendengar (P) dari frekuensi suatu sumber bunyi (S) apabila terjadi gerakan relatif antara P dan S. Oleh Doppler dirumuskan sebagai : v vP fP . fS v vS fP adalah frekwensi yang didengar oleh pendengar. fS adalah frekwensi yang dipancarkan oleh sumber bunyi. vP adalah kecepatan pendengar. vS adalah kecepatan sumber bunyi. v adalah kecepatan bunyi di udara. Tanda + untuk vP dipakai bila pendengar bergerak mendekati sumber bunyi. Tanda - untuk vP dipakai bila pendengar bergerak menjauhi sumber bunyi. Tanda + untuk vS dipakai bila sumber bunyi bergerak menjauhi pendengar. Tanda - untuk vS dipakai bila sumber bunyi bergerak mendekati pendengar. 1. Jika terdapat angin dengan kecepatan va dan menuju pendengar maka v menjadi (v+va) 2. Jika angin menjauhi pendengar maka v menjadi (v-va)
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
INTENSITAS BUNYI. Gelombang bunyi dalam setiap perambatannya akan membawa energi. Jumlah energi yang dipindahkan melalui suatu medium per satuan waktu dan luas disebut : Intensitas bunyi ( I ) Dapat dirumuskan sebagai : P W W …… karena I P ,…. Maka I ……karena A 4. .R 2 ….maka A tA t P I 4. .R 2 I = intensitas bunyi dalam watt/m2 atau watt/cm2 W = energi bunyi (joule) t = waktu (sekon) A = luas bidang bola dalam m2 atau cm2...... A 4. .R 2 P = daya bunyi dalam J/det atau watt. Bila S merupakan sumber bunyi yang berdaya P watt dan energi bunyi merambat ke segala arah sama rata, Intensitas bunyi di titik yang jaraknya R dari S adalah : I
I 1 R22 P 1 1 I : I : ……….. ……atau…… 1 2 2 2 I 2 R12 4 R 2 R1 R2
Kesimpulan : Intensitas bunyi berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. TARAF INTENSITAS BUNYI. ( TI ) Intensitas bunyi terkecil yang masih merangsang pendengaran disebut intensitas ambang pendengaran (I0), besarnya 10-12 watt/m2. Intensitas bunyi terbesar yang masih dapat didengar tanpa menimbulkan rasa sakit pada telinga disebut intensitas ambang rasa sakit (I), besarnya 100 = 1 watt/m2. Logaritma perbandingan intensitas bunyi dengan harga ambang pendengaran I disebut Taraf Intensitas Bunyi. T I 10. log I0 TI taraf intensitas bunyi dalam decibel (dB) . I adalah intensitas bunyi. Io adalah intensitas ambang pendengaran.
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Taraf intensitas bunyi pada jarak tertentu dengan mengetahui besar intensitas pada jarak berbeda dari sumber bunyi yang sama dapat dinyatakan dengan persamaan :
TI 2 TI1 10. log
I2 I1
TI1 = taraf intensitas pada jarak R1 dari sumber bunyi (dB) TI2 = taraf intensitas pada jarak R2 dari sumber bunyi (dB) I1 = intensitas pada jarak R1 dari sumber bunyi (watt/m2) I2 = intensitas pada jarak R2 dari sumber bunyi (watt/m2) Besar taraf intensitas bunyi dari beberapa sumber bunyi yang dibunyikan secara bersama dinyatakan dengan persamaan : TI n TI1 10. log .n TIn = taraf intensitas bunyi untuk n buah sumber bunyi yang dibunyikan bersamaan TI1 = taraf intensitas bunyi untuk 1 buah sumber bunyi n = jumlah sumber bunyi.
RESONANSI PADA DAWAI/GITAR Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena ada benda lain yang bergetar dan memiliki frekuensi yang sama. Dawai / senar gitar mempunyai sejumlah frekuensi jika bergetar secara alamiah, frekuensi alamiah dikenal sebagai nada (harmonik) dari senar gitar. Nada dasar (f0) pada gitar terdiri atas 2 simpul dan 1 perut :
0
f0
2
0 2. ……… f
v
0
f0
v
F
dan v
v 1 F f0 2. 2.
Nada pertama (f1) pada gitar terdiri atas 3 simpul dan 2 perut :
1 1 . ……… f f1
v
1
f1
v
dan v
v 1 F f1
F
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Nada kedua (f2) pada gitar terdiri atas 4 simpul dan 3 perut :
3 2 v dan v 2 2 ……… f 2 3
f2
v
2
f2
F
v 3 F f2 2 2. 3
Nada ketiga (f3) pada gitar terdiri atas 5 simpul dan 4 perut : 1 v dan v 2.3 3 . … f 2
f3
v
3
f3
F
v 2 F f3 1 . 2
Dari data frekuensi diatas didapat : f 0
v v 3.v : f1 : f 2 : 2. 2
f3
2v .
Sehingga disimpulkan :
fo : f1 : f2 : f3 . . . = 1 : 2 : 3 : 4 : . . . Rumus umum dari pada frekwensi nada-nada tersebut di atas adalah : 2L n 1 fn v …….. ……. n 2L n 1
karena v adalah kecepatan rambat gelombang transversal, maka
F n 1 F n 1 fn ……… atau………… f n 2L . A 2L dari persamaan di atas dapat disimpulkan dalam hukum Mersenne berikut ini : 1. Frekuensi nada dasar dawai berbanding terbalik dengan panjang dawai. 2. Frekuensi nada dasar dawai berbanding lurus dengan akar kuadrat tegangan tali. 3. Frekuensi nada dasar dawai berbanding terbalik dengan akar kudrat penampang dawai. 4. Frekuensi nada dasar dawai berbanding terbalik dengan akar kuadrat masa jenis bahan dawai. 5. Pada nada atas ke-n terdapat ( n+2 ) simpul dan ( n+1 ) perut.
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
RESONANSI PADA PIPA ORGANA Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena ada benda lain yang bergetar dan memiliki frekuensi yang sama. Jika sumber bunyi gitar adalah getaran senarnya, maka sumber bunyi pipa organa adalah kolom udara. Pipa organa dibedakan atas : (1) pipa organa terbuka (pipa organa yang kedua ujungnya terbuka) dan (2) pipa organa tertutup (pipa organa yang salah satu ujungnya tertutup) PIPA ORGANA TERBUKA Kolom udara dapat beresonansi, artinya dapat bergetar. Kenyataan ini digunakan pada alat musik yang dinamakan Organa, baik organa dengan pipa tertutup maupun pipa terbuka. Dibawah ini adalah gambar penampang pipa organa terbuka.
Jika Udara dihembuskan kuat-kuat melalui lobang A dan diarahkan ke celah C, sehingga menyebabkan bibir B bergetar, maka udarapun bergetar. Gelombang getaran udara merambat ke atas dan oleh lubang sebelah atas gelombang bunyi dipantulkan ke bawah dan bertemu dengan gelombang bunyi yang datang dari bawah berikutnya, sehingga terjadilah interferensi. Maka dalam kolom udara dalam pipa organa timbul pola gelombang longitudinal stasioner. Karena bagian atas pipa terbuka, demikian pula celah C, maka tekanan udara ditempat tersebut tentulah sama dan sama dengan tekanan udara luar, jadi tekanan di tempat tersebut timbulah perut. Nada dasar (f0) pada pipa organa terbuka terdiri atas 2 perut dan 1 simpul : p s p
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Pada gambar di atas terlihat 1 simpul diantara 2 perut. Ini berarti pipa organa bergetar dengan nada terendah yang disebut nada dasar organa. Frekuensi nada dasar dilambangkan fo, 1 v v v jadi : .0 0 2. ………. f ,…..sehingga f 0 f0 2 0 2. Nada pertama (f1) pada pipa organa terbuka terdiri atas 3 perut dan 2 simpul : p p s s p Pada gambar memperlihatkan 2 simpul dan 1 perut diantara 2 perut, dikatakan udara dalam pipa organa bergetar dengan nada atas pertama dan dilambangkan dengan f1. Pada pola tersebut sepanjang kolom udara dalam pipa terjadi 1 gelombang. v v v Jadi : atau f1 1 1 . ……….. f ,…….sehingga f1 1 2.v 2. Nada kedua (f2) pada pipa organa terbuka terdiri atas 4 perut dan 3 simpul : p p s s s p p Pada gambar memperlihatkan 3 simpul dan 2 perut di antara 2 perut, dan bunyi yang ditimbulkan merupakan nada atas kedua dilambangkan f2. Pada pola tersebut dalam f1
pipa organa terbuka tersebut terjadi 1 21 gelombang, jadi
:
v 3.v f2 2 2 2. 3 Secara berturut-turut peristiwa di atas dapat kita amati sebagai berikut : v 2.v 3.v ( 2 perut & 1 simpul ) ; f1 ( 3 perut & 2 simpul ) ; f 2 ( 4 perut f0 2. 2. 2. & 2 simpul ) f2
v
3 2 v 2 2 …….. f ,…..sehingga 2 3
f2
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Pada nada ke-n terdapat : ( n+2 ) perut dan ( n+1 ) simpul sehingga secara umum dapat dirumuskan sebagai : 2. n 1 fn v ……………. n n 1 2.
Sehingga disimpulkan bahwa :
fo : f1 : f2 : f3 : . . . = 1 : 2 : 3 : 4 : . . . Ungkapan tersebut dinamakan Hukum Bernoulli ke I, yaitu : Frekuensi nada-nada yang dihasilkan oleh pipa organa terbuka berbanding sebagai bilangan asli. PIPA ORGANA TERTUT UP Apabila pada ujung atas pipa organa tertutup, maka dinamakan pipa organa tertutup, sehingga gelombang longitudinal stasioner yang terjadi pada bagian ujung tertutup merupakan simpul dan pada bagian ujung terbuka terjadi perut. Gambar berikut menunjukkan berbagi pola getaran yang terjadi pada pipa organa tertutup.
Nada dasar (f0) pada pipa organa tertutup terdiri atas 1 perut dan 1 simpul : p s Pada gambar di atas memberikan nada dasar dengan frekuensi fo. Pada panjang kolom udara terjadi 1/4 gelombang, karena hanya terdapat 1 simpul dan 1 perut, 1 v v v f0 jadi : .0 0 4. ………. f ,…..sehingga f 0 4 0 4. Nada pertama (f1) pada pipa organa tertutup terdiri atas 2 perut dan 2 simpul : p s s p
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Pada gambar memberikan nada pertama dengan Frekuensi f1. Sepanjang kolom udara pipa organa tertutup terjadi 2 simpul dan 2 perut, sehingga panjang pipa =
3 4
panjang
gelombang.
Jadi :
3 4 v 1 1 . ……….. f ,…….sehingga 4 3
f1
v
1
f1
v 4 3
3.v 4. Nada kedua (f2) pada pipa organa tertutup terdiri atas 3 perut dan 3 simpul : p p s s s p Pada gambar memberikan nada kedua dengan dengan frekuensi f2 pada panjang kolom udara pipa organa tertutup terjadi 3 simpul dan 3 perut, sehinga panjang pipa =
atau
5 4
f1
panjang gelombang.
5 4 v 2 2 …….. f ,…..sehingga 4 5 v v 5.v f2 f2 f2 4 2 4. 5 Secara berturut-turut peristiwa di atas dapat kita amati sebagai berikut : v 5.v 3.v ( 1 perut & 1 simpul ) ; f1 ( 2 perut & 2 simpul ) ; f 2 ( 3 perut f0 4. 4. 4. & 3 simpul )
Jadi ;
Pada nada ke-n terdapat : ( n+1 ) perut dan ( n+1 ) simpul sehingga secara umum dapat dirumuskan sebagai :
4. 2.n 1 fn v ……………. n 2n 1 4. Sehingga disimpulkan bahwa :
fo : f1 : f2 : f3 : . . . = 1 : 3 : 5 : 7 : . . . Ungkapan ini dinamakan Hukum Bernoulli ke II : Frekuensi nada pipa organa tertutup berbanding sebagai bilangan-bilangan ganjil.
Bahan Ajar “Gelombang Bunyi” Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd SMK Negeri 1 Rangkasbitung
Soal Remedial Bentuk Istrumen No 1 2 3
2
3
4
5
6
7
Uraian Soal
Bunyi merupakan salah satu bentuk gelombang mekanik dan gelombang longitudinal, Jelaskan! Apa yang menyebabkan timbulnya bunyi dan syarat apa yg harus dipenuhi agar bunyi bisa terdengar ? Mungkinkah kita mendengar bunyi kilat dan melihat cahaya kilat secara bersamaan?
Bentuk Istrumen No 1
: Soal Essay
: Soal Pilihan Ganda Uraian Soal
Bunyi tidak dapat merambat dalam medium............. a. ruang hampa b. air c. gas oksigen d. gas nitrogen e. udara Intensitas bunyi dapat diperbesar dengan cara .... a. memperkecil frekuensi dan amplitudonya b. memperbesar frekuensi saja c. memperbesar frekuensi dan amplitudonya d. memperbesar amplitudonya saja e. memperkecil amplitudonya dan memperbesar frekuensinya Pada suatu alat terlihat kilat dan 10 detik kemudian terdengar suara gunturnya. Apabila kecepatan cahaya sebesar 3 x 108 m/s dan kecepatan bunyi diudara 340 m/s, maka jarak antara tempat asal kilat dengan pengamat adalah...... a. 34 m b. 3400 m c. 10200 m d. 3 x 108 m e. 3 x 109 m Taraf intensitas bunyi sebuah mesin rata-rata 50 dB. Apabila 100 mesin dihidupkan secara bersamaan maka taraf intensitasnya .... a. 20 dB b. 50 dB c. 70 dB d. 75 dB e. 150 dB Taraf intensitas bunyi sebuah mesin 60 dB. Jika taraf intensitas di dalam ruang pabrik yang menggunakan sejumlah mesin itu 80 dB, maka jumlah mesin yang digunakan adalah a. 200 b. 140 c. 100 d. 20 e. 10 Kereta api yang bergerak dengan laju 90 km/jam mendekati stasiun sambil membunyikan peluitnya dengan frekuensi 630 Hz. Di stasiun seorang calon penumpang berlari dengan laju 2 m/s menyongsong kereta. Jika cepat rambat bunyi diudara v = 340 m/s, maka frekuensi bunyi peluit yang didengar oleh orang tersebut adalah........................... a. 615 Hz b. 684 Hz c. 720 Hz d. 750 Hz e. 960 Hz Sebuah truk bergerak dengan kecepatan 36 km/jam dibelakang sepeda motor. Pada saat truk mengeluarkan bunyi klakson dengan frekuensi 1000 Hz, pengemudi sepeda motor membaca pada spedometer angka 72 km/jam. Apabila kecepatan bunyi 340 m/s, maka pengemudi sepeda motor akan mendengar klakson pada frekuensi ... a. 1091 Hz b. 1029 Hz c. 1000 Hz d. 970 Hz e. 914 Hz
Catatan : Jawaban dilengkapi dengan cara – cara pengerjaannya.
