EKSPERIMEN EFEK DOPPLER DARI SUMBER BUNYI BERGERAK LURUS DENGAN SISTEM MULTIMEDIA BASED LABORATORY Oleh 1) M. Reza Primadi , Adhani Prima Syarafina2), Ria Dwi Marantika3) Email:
[email protected]),
[email protected]),
[email protected]) Program S-1 Pendidikan Fisika Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta INTISARI Pengujian Efek Doppler dari sumber bunyi bergerak lurus telah dilakukan dengan Sistem Multimedia Based Laboratory (MBL). Sumber bunyi berasal dari klakson mobil yang bergerak lurus dalam bentuk rekaman video. Kecepatan sumber bunyi diperoleh dari hasil analisis video terhadap rekaman gerak mobil dengan software Tracker, sedangkan frekuensi bunyi ketika sumber mendekati dan mejauhi pendengar diperoleh dari hasil analisis rekaman bunyi klakson dengan software Audacity dan Overtone Analyzer. Hasil pengujian Efek Doppler menunjukkan bahwa nilai eksperimental adalah 1,12 m/s sedangkan nilai prediksi teoritis adalah 1,17 m/s, hal ini menunjukkan bahwa tingkat kesesuaiannya baik dengan ralat relatif sebesar 0,77 %. Kata Kunci : Eksperimen Efek Doppler, Multimedia Based Laboratory. EXPERIMENTAL DOPPLER EFFECT OF SOUND SOURCE MOVES STRAIGHT WITH MULTIMEDIA BASED LABORATORY SYSTEM ABSTRACT Testing of the Doppler effect of moving sound sources has been done with a straight-Based Multimedia Systems Laboratory (MBL). The source of the sound coming from a moving car horn straight in the form of video recordings. The speed of sound sources obtained from the results of recording motion video analysis of the car with the Tracker software, whereas the frequency of the sound when the source approaches the listener and avoiding hearer obtained from analysis of the recording horn with Audacity software and overtone Analyzer. Test results show that the value of the Doppler effect experimentally have a good level of concordance with the theoretical predictions with a relative error of 0,77%. Keywords: Doppler Effect Experiment, Multimedia Based Laboratory. 1. Pendahuluan Bila sebuah mobil bergerak mendekati kita dengan membunyikan klakson maka kita mendengar nada bunyi klakson tersebut semakin tinggi. Selanjutnya, jika klakson masih berbunyi setelah mobil lewat dan bergerak menjauhi kita, terdengar nada bunyi klakson yang semakin rendah. Peristiwa ini dikenal sebagai Efek Doppler, karena pertama kali dipikirkan oleh seorang ahli dari Australia bernama Christian Johann Doppler (1803-1855) yang melakukan eksperimen 1
dengan menggunakan sebuah lokomotif yang menarik sebuah gerbong terbuka dengan beberapa orang menium terompet diatasnya. Frekuensi yang terdengar oleh pengamat sangat ditentukan oleh variable atau parameter lain seperti, kecepatan sumber, kecepatan pengamat, kecepatan gelombang dan frekuensi sumber. Hubungan diantara mereka semua dapat dirumuskan dengan baik dan banyak dibahas dalam literature Fisika Dasar. Secara teknis pengukuran sinyal/gelombang bukanlah merupakan hal rumit. Karena pengukuran dilakukan tanpa harus kontak dengan objek yang bergerak maka teknik ini dapat diterapkan lebih fleksibel tanpa mengurangi ketelitian hasilnya.[4] Dengan metode penentuan frekuensi Doppler inilah berbagai teknik dan peralatan dikembangkan, seperti dalam peralatan radar untuk pengukuran kecepatan pesawat terbang dan pergerakan awan, pengukuran kecepatan pada aliran darah, hingga teleskop untuk pengukuran gerak benda langit yang menghasilkan pergeseran merah (redshift) telah dapat dilakukan. Sementara itu dengan peralatan dan teknik yang sederhana dan dukungan fasilitas soundcard pada komputer standar pengukuran kecepatan gerak benda dapat dilakukan dan telah dapat diperoleh hasil dengan kualitas yang dapat diandalkan. Secara eksperimental, pengukuran pergeseran frekuensi sebagai akibat dari efek Doppler telah banyak dilakukan. Pada kasus sederhana kebanyakan kegiatan ini berkaitan dengan kebutuhan praktikum di sekolah maupun pendidikan S1 di tingkat perguruan tinggi.[4] Ada beberapa teknik dalam eksperimen efek Doppler gelombang akustik yang hanya membutuhkan peralatan sederhana seperti speaker, mikropon, garputala atau sinyal generator (SG) dan osiloskop. Dua peralatan terakhir (sinyal generator dan osiloskop) kini telah dapat digantikan oleh perangkat PC standar yang dilengkapi sound card (SC). Pemanfaatan sound card sebagai sinyal generator maupun osiloskop telah banyak dilakukan. Bensky dan Frey telah melakukan percobaan untuk mengukur terjadinya perubahan frekuensi gelombang akustik.[1] Gelombang bunyi (akustik) dibangkitkan melalui sebuah speaker yang dihubungkan oleh sebuah generator fungsi. Dengan menempatkan speaker (sumber bunyi) pada sebuah “kendaraan” di atas trek udara, maka gerak sumber dapat dilakukan secara leluasa. Perhitungan Bensky and Frey dengan menggunakan analisis FFT, menghasilkan spektrum frekuensi yang perbedaannya jelas jika dibandingkan dengan spektrum frekuensi dari gerak sumber dengan kecepatan konstan.[1] Tujuan percobaan dalam menguji efek Doppler dari sumber bunyi bergerak lurus dengan Sistem Multimedia Based Laboratory (MBL) yang diantaranya menggunakan software Tracker, Audacity dan Overtone untuk memudahkan pengguna dalam menganalisis fenomena efek Doppler secara mudah melalui pengujian secara eksperimental maupun teoritis, serta pengguna dapat menunjukkan hubungan antara nilai eksperimental dengan nilai prediksi teoritis, beserta ralat relatifnya. 2
2. Teori Ketika sebuah sumber bunyi bergerak mendekati pengamat, ketinggian nada lebih tinggi daripada ketika sumber tersebut berada dalam keadaan diam, dan ketika sumber menjauh dari pengamat, ketinggian nada lebih rendah. Fenomena ini dikenal sebagai efek Doppler dan terjadi untuk semua jenis gelombang. Sebagai contoh, sirene truk pemadam kebakaran dalam keadaan diam, yang memancarkan frekuensi tertentu ke semua arah. Kecepatan gelombang hanya bergantung pada medium dimana ia merambat, dan tidak bergantung dari kecepatan sumber atau pengamat. Jika sumber (truk pemadam kebakaran) bergerak, sirene memancarkan bunyi dengan frekuensi yang sama seperti pada waktu diam. Untuk menghitung perubahan frekuensi, kita anggap udara (atau medium lainnya) berada dalam keadaan diam pada kerangka acuan kita. Kita misalkan sumber bunyi, ditunjukkan sebagai titik yang berada dalam keadaan diam; dua puncak gelombang yang berurutan digambarkan, dimana yang kedua sedang dalam proses dipancarkan. Jarak antara puncak-puncak ini adalah λ, panjang gelombang. Jika frekuensi sumber adalah f , maka waktu di antara pemancaran puncak gelombang adalah[3]
T
1 f
(1)
Sumber bergerak dengan kecepatan vs , dalam waktu T (sebagaimana baru didefinisikan), puncak gelombang yang pertama telah bergerk sejauh d = vT , dimana v adalah kecepatan bunyi di udara (yang tentu saja sama saat sumber bergerak maupun tidak). Pada waktu yang sama ini, sumber telah bergerak sejauh ds = vsT. Kemudian jarak antara puncak gelombang yang berurutan, yang merupakan panjang gelombang yang baru λ’ adalah (karena d = λ)[3]
, d d s vs T vs v
v 1 s v
(2)
perubahan panjang gelombang Δλ adalah ' v s
v
(3)
Sehingga pergeseran panjang gelombang berbanding lurus dengan laju vs dari sumber. Frekuensi yang baru, di pihak lain dinyatakan dengan[3] f '
v
'
v
1
vs v
3
atau karena v / λ = f, f '
f vs 1 v
(sumber bergerak mendekati pengamat yang diam)
(4)
Untuk sumber yang menjauh dari pengamat dengan laju vs, panjang gelombang yang baru adalah[3]
' d d s
(5)
dan perubahan panjang gelombang menjadi ' v s
(6)
v
Frekuensi gelombang menjadi f '
f vs 1 v
(sumber menjauh dari pengamat yang diam)
(7)
Efek Doppler juga terjadi ketika sumber dalam keadaan diam dan pengamat bergerak. Jika pengamat mendekati sumber, ketinggian nada lebih tinggi; dan jika pengamat menjauhi sumber, ketinggian nada lebih rendah. Secara kuantitatif, perubahan frekuensi sedikit berbeda dari kasus sumber yang bergerak. Dengan sumber diam dan pengamat bergerak, jarak antara puncak gelombang dengan panjang gelombang λ tidak berubah. Jika pengamat mendekati sumber, laju gelombang relative terhadap pengamat adalah v’ = v + vo, dimana v adalah kecepatan bunyi di udara (kita anggap udara diam) dan vo adalah kecepatan pengamat. Dengan demikian, frekuensi yang baru adalah[3] f '
v'
v vo
atau karena λ = v / f
v f ' 1 s v
f
(pengamat mendekati sumber yang diam)
(8)
Jika pengamat menjauhi sumber, kecepatan relatif adalah v’ = v - vo dan
v f ' 1 s v
f
(pengamat menjauhi sumber yang diam)
(9)
Untuk mudahnya, kita dapat menuliskan persamaan (4) dan (7) dengan (8) dan (9) sebagai satu persamaan yang mencakup semua kasus sumber dan pengamat yang bergerak:
v vo f ' f v vo
(10)
4
dengan[6] f’ = frekuensi yang terdengar oleh pengamat (Hz) f = frekuensi sumber bunyi (Hz) v = kecepatan bunyi di udara (m/s) vo= kecepatan pengamat (m/s) vs= kecepatan sumber (m/s) Tanda aritmatika (+) pada bagian atas digunakan untuk sumber bergerak mendekati pengamat dan tanda pada bagian bawah (-) digunakan untuk ketika keduanya (antara pengamat dan sumber) saling menjauhi[6]. Jika bunyi dengan frekuensi fs dipancarkan dari sumber bunyi yang bergerak lurus dengan kecapatan vs dan pendengar diam maka dapat ditunjukkan bahwa nilai rasio fF (frekuensi yang diterima ketika sumber mendekati pendengar) terhadap fB (frekuensi yang diterima ketika sumber menjauhi pendengar) memenuhi persamaan[5]
fF v vs fB v vs
(11)
3. Tata Kerja 3.1 Bahan dan Alat Bahan penelitian berupa File rekaman video
efek Dopller (koleksi LivePhoto Physics
Series). Alat yang digunakan dalam penelitian ini berupa perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras berupa 1. Laptop Compaq 435 AMD E-350 Processor (2 CPU) @1.66GHz (Sistem Pengolah Data), 2. Video Analysis Software (Tracker 1.7.2)[7], 3. Audio Spectrometer Software Audacity 1.2.6 (Perangkat lunak Spectrometer)[8], 4. Overtone Analyzer Free Edition 1.5.2 (Perangkat lunak visualisasi suara)[9].
3.2 Pengujian Sistem dan Pengukuran Alat Setelah sistem terinialisasi maka dilakukan pengujian terhadap unjuk kerja Efek Doppler dengan menentukan kecepatan dengan sistem Tracker. Sedangkan untuk menentukan perbandingan fF (frekuensi sebelum) dan fB (frekuensi sesudah) dengan menggunakan Overtone dan Audacity. Kemudian dilakukan perhitungan ralat relatif antara hasil frekuensi dan kecepatan sebagai pembuktian hasil analisis dengan eksperimen.
5
4. Hasil dan Pembahasan Metode untuk mendapatkan analisis kecepatan sumber bunyi yang melewati pendengar menggunakan software Tracker, sedangkan hasil pengukuran frekuensi sumber bunyi (sebelum dan sesudah) menggunakan software Overtone dan Audacity. 4.1 Hasil analisis data menggunakan software Tracker Hasil pengujian software Tracker mendapatkan data seperti di tunjukkan pada tabel 1, 2 dan gambar 1. Hasil pengukuran kecepatan dapat ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 1. Hasil Pengukuran Jarak dan Waktu No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
x (m) 1,072 3,113 5,154 7,196 9,288 11,329 13,421 15,412 17,453 19,392
t (s) 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2
Tabel 1 adalah data hasil pengukuran jarak dan waktu yang menghasilkan grafik pada gambar 1 dan perhitungan regresi linier tabel 2. Dari regresi tersebut di dapat bahwa kecepatan sumber bunyi x = a*t + b adalah 20,19 m/s. Dari perhitungan persamaan (11) didapat hasil perbandingan fF / fB = 1,17 m/s. Tabel 2. Perhitungan Regresi Linier NO V (m/s) a 20,198669 b -105,903541
Gambar 1. Grafik Hubungan Jarak dan Waktu 6
4.2 Hasil analisis data menggunakan software Overtone dan Audacity Hasil pengujian software Audacity dan Overtone didapat frekuensi sebelum adalah 613,7 Hz dan frekuensi sesudah adalah 549,1 Hz. Setelah data diperoleh proses perhitungan terakhir adalah mencari ralat relatif berdasarkan hasil teori (Tracker) dengan hasil analisis (Overtone dan Audacity). Tabel 3. Hasil Pengukuran Frekuensi dan Waktu NO f (Hz) t (s) 1 613,7 5,99 2 613,7 6,19 3 613,7 6,3 4 602,9 6,42 5 581,4 6,56 6 559,8 6,69 7 549,1 6,83 8 549,1 6,95 9 549,1 7,1 10 549,1 7,22
Gambar 2. Grafik Hubungan Frekuensi dan Waktu Hasil perhitungan ralat relatif efek Doppler dengan program Tracker, Audacity dan Overtone sebesar 0,77 %.
5. Kesimpulan Pengujian Efek Doppler secara eksperimental dengan sumber bunyi bergerak lurus mudah dan efektif dilakukan dengan perangkat keras dan perangkat lunak multimedia (komputer dan perangkat tambahan audio-video). Hasil eksperimental memiliki tingkat kesesuaian yang baik dengan prediksi teoritisnya, dengan ralat relatif sebesar 0,77 %. Secara visual dan numerik, gejala pergeseran frekuensi Doppler mudah teramati pada spektrogram bunyi yang dihasilkan. 7
6. Ucapan Terimakasih Penulis menyampaikan ucapan terimakasih kepada pihak Laboraturium Teknologi Pembelajaran Sains Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta atas bantuannya berupa pemberian literature tentang pengambilan data efek Doppler berdasarkan eksperimen.
7. Daftar Pustaka [1]
Bensky TJ. & SE Frey.2001.Computer Sound Card Assisted Measurement of The Acoustic Doppler Effect for Accelerated And Unccelerated Sound Source.Physics Departement, California State University Hayward, Hayward, California 94542
[2]
File rekaman video efek Dopller (Koleksi LivePhoto Physics Series)
[3]
Giancoli, Douglas C.2001.Fisika Edisi Kelima Jilid I.Jakarta:Erlangga
[4]
Hadi.2008.Pengukuran Percepatan Benda Melalui Pengukuran Frekuensi Efek Doppler Berbantuan Soundcard PC.Jurnal Penelitian Sains Volume 11
[5]
Ishafit.2011.Eksperimen Efek Doppler Dari Sumber Bunyi Bergerak Lurus Dengan Sistem Multimedia Based Laboratory.Powerpoint Eksperimen Fisika I.Yogyakarta:Program S-1 Pendidikan Fisika Universitas Ahmad Dahlan
[6]
Sunardi dan Irawan, Etsa Indra.2006.Fisika Bilingual Untuk SMA/MA Kelas XII.Bandung:CV Yrama Widya
[7]
Video Analysis Software (Tracker 3.10), copyright © Januari 2010, Douglas Brown, www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker (a project of: Open Source Physics www.opensourcephysics.org)
[8]
Audio Spectrometer Software Audacity 1.2.6 (Perangkat lunak Spectrometer), The Audacity manual was written by Anthony Oetzmann, with major contributions by Dominic Mazzoni. http://audacity.sourceforge.net
[9]
Overtone Analyzer Free Edition 1.5.2 (Perangkat lunak visualisasi suara), copyright © Juli 2010, Developed by Sygyt Software: www.sygyt.com
[10] Laptop Compaq 435 AMD E-350 Processor (2 CPU) @1.66GHz (Sistem Pengolah Data)
8
