Materi Fisika Getaran, Gelombang, Bunyi dan contoh soal fisika Getaran, Gelombang dan Bunyi

GETARAN, GELOMBANG DAN BUNYI

A.   GETARAN

Getaran adalah gerakan bolak-balik (periodik) suatu benda melalui titik seimbangnya.

1  getaran = A → B → C → B → A

½ getaran = A → B → C

Getaran dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Getaran bebas terjadi apabila suatu sistem mekanis diberikan gaya awal, lalu sistem dibiarkan bergetar secara bebas.
2. Getaran paksa, terjadi apabila suatu sistem mekanis dengan sengaja diberikan gaya atau gerakan bolak balik.

Contoh benda-benda yang menerapkan prinsip getaran :

Bandul atau ayunan sederhana, pegas dan gendang.

Ø  Jarak dari A ke B atau B ke C disebut simpangan.

Ø  Simpangan maksimum disebut amplitude simbolnya (A) satuan meter

Ø  Amplitudo bisa didefinisikan sebagai jarak atau simpangan terjauh dari titik kesetimbangan nilainya ¼ dari 1 getaran

Ø  Periode adalah merupakan waktu yang ditempuh untuk melakukan satu kali getaran. atau waktu yang diperlukan untuk satu getaran penuh (A → B → C → B → A).

T = t/n

Ø  Frekuensi adalah merupakan jumlah getaran yang terjadi dalam satu satuan waktu. atau banyaknya getaran setiap detik.

f = n/t

Hubungan periode dan frekwensi dapat dirumuskan :

T= 1/f atau f = 1/T{\displaystyle \!f={\frac {1}{T}}}

 Keterangan:

  T = periode (dalam satuan sekon)

   f = frekuensi (dalam satuan Hertz)

   t = waktu (dalam satuan sekon)

   n = jumlah getaran

Contoh soal:

Soal No : 1
Dari gambar diatas, sebuah benda diikat tali panjang berayun harmonis hingga membentuk suatu getaran. Lintasan A ke B ditempuh benda dalam waktu 1 detik, tentukan:
a) letak titik seimbang
b) letak titik-titik saat benda berada pada simpangan terjauh
c) besar amplitudo getaran
d) nilai periode getaran
e) nilai frekuensi getaran
f) banyaknya getaran yang terjadi dalam 1 menit
g) jumlah getaran yang terjadi saat benda bergerak sepanjang lintasan:
i) A-B
ii) A-B-C-B-A
iii) A-B-C-B-A-B
 

Pembahasan
a) titik seimbang
    Titik B

b) titik-titik saat benda berada pada simpangan terjauh
    Titik A dan C

c) amplitudo getaran
A = 15 cm

d) periode getaran
    Waktu untuk membentuk 1 buah getaran yaitu dari A hingga kembali ke titik A,
    T = 4 sekon

e) frekuensi getaran
    Frekuensi getaran adalah kebalikan dari periode getar
    f = 1/ T
    f = 1/4 = 0,25 Hz

f) banyaknya getaran yang terjadi dalam 1 menit = 60 detik
    Mencari banyak getaran
    n = t x f
    n = 60 x 0,25
    n = 15 getaran

g) banyak getaran yang terjadi saat benda bergerak sepanjang lintasan:
    i) A-B adalah 1/4 getaran
    ii) A-B-C-B-A adalah 4/4 atau 1 getaran
    iii) A-B-C-B-A-B adalah 5/4 atau 1,25 getaran


Soal No. 2
Dalam dua menit terjadi 960 getaran pada suatu partikel. Tentukan:
a) periode getaran
b) frekuensi getaran

Pembahasan
Data:
Jumlah getaran n = 960
waktu getar t = dua menit = 120 sekon

a) periode getaran
T = t /n
T = 120 / 960 sekon
T = 0,125 sekon

b) frekuensi getaran
f = n/t
f = 960 / 120
f = 8 Hz

Soal No. 3
Periode suatu getaran adalah 1/2 detik. Tentukan:
a) frekuensi getaran
b) jumlah getaran dalam 5 menit

Pembahasan
Data:
T = 1/2 sekon
t = 5 menit = 5 x 60 = 300 sekon
a) frekuensi getaran
f = 1/T
f = 1/(0,5)
f = 2 Hz

b) jumlah getaran dalam 5 menit = 300 sekon
n = t x f
n = 300 x 4 2
n = 1200 600 getaran

Soal No. 4
Frekuensi suatu getaran adalah 5 Hz. Tentukan:
a) periode getaran
b) banyak getaran yang terjadi dalam 2 menit

Pembahasan
a) T = 1/f
T = 1/5
T = 0,2 sekon

b) n = t x f
n = 120 x 5
n = 600 getaran

Gerakan periodic adalah gerakan objek yang berulang secara teratur.  Objek kembali ketempat yang ditentukan setelah beberapa interval waktu.  Gerakan periodic dapat diidentifikasi dari kehidupan sehari-hari,misalnya Bumi yang kembali ketempat yang sama pada orbitnya mengelilingi Matahari setiap tahun sehigga mengakibatkan perubahan empat musim. Contoh lain dari kehidupan sehari-hari adalah molekul dalam bahan solid yang bergetar disekitar posisi equilibriumnya, gelombang elektromagnetis, seperti gelombang cahaya, radar, dan gelombang radio dikarakteristikkan sebagai getaran elektrik.  Jenis pergerakan periodic yang terjadi pada system mekanis saat gaya bekerja pada objek adalah proporsional ke posisi objek relative terhadap posisi equilibrium.  Jika gaya tersebut selalu mengarah ke posisi equilibrium (setimbang) , gerakan tersebut adalah gerakan harmonic sederhana, yang akan difokuskan dalam bahasan ini.

Gerakan Benda yang terikat ke pegas

Sebagai model untuk gerakan harmonik sederhana adalah sebuah balok dengan masa m disambungkan ke ujung pegas, dengan balok bebas bergerak secara horizontal tanpa gesekan permukaan.  Ketika pegas tidak ditarik atau ditekan, balok dalam posisi equilibrium dan diidentifikasikan x=0 .  Pada gambar A.1 secara kualitatif dapat dikatakan bahwa saat balok dipindahkan ke posisi x, pegas akan berusaha memberi sebuah gaya yang proporsional pada balok keposisi yang ditentukan sesuai dengan HUKUM HOOKE.

                 Persamaan A.1

Hal tersebut disebut gaya kembali (restoring force) karena gaya selau menghadap posisi equilibrium dan karena itu berlawanan dengan perpindahan dari equilibrium.  Lalu saat balok bergerak ke arah kanan dari x=0 posisi positif dan gaya kembali (restoring force) diarahkan kekiri. Saat balok bergerak kearah kiri dari x = 0 posisi menjadi negative dan gaya kembali (restoring force) diarahkan ke kanan.  Aplikasi dari HUKUM KEDUA NEWTON 

 gerakan dari balok dengan Persamaan A.1 melengkapi gaya efektif pada arah x, didapatkan

                    

Pengertian Getaran Harmonik

Gerak harmonik merupakan gerak sebuah benda dimana grafik posisi partikel sebagai fungsi waktu berupa sinus (bisa dinyatakan dalam bentuk sinus atau kosinus). Gerak semacam ini disebut dengan gerak osilasi atau getaran harmonik.

---

Syarat Getaran Harmonik

Syarat suatu gerak dikatakan getaran harmonik, yaitu antara lain :

1. Gerakannya periodik (bolak-balik).
2. Gerakannya selalu melewati posisi keseimbangan.
3. Percepatan atau gaya yang bekerja pada benda sebanding dengan posisi/simpangan benda.
4. Arah percepatan atau gaya yang bekerja pada suatu benda selalu mengarah ke posisi keseimbangan.

Persamaan Gerak Harmonik Sederhana

Persamaan Gerak Harmonik Sederhana adalah

Keterangan:

Y = simpangan

A = simpangan maksimum (amplitudo)

f = frekuensi

t = waktu

Y = simpangan

Periode dan Frekuensi Getaran Harmonik

a. Periode dan Frekuensi Sistem Pegas

Pada dasarnya, gerak harmonik adalah suatu gerak melingkar beraturan pada salah satu sumbu utama. Oleh sebab itu, periode dan frekuensi pada pegas bisa dihitung dengan menyamakan antara gaya pemulih (F = -kX) dan gaya sentripetal (F = -4π 2 mf2X).

Periode dan frekuensi sebuah sistem beban pegas hanya bergantung pada massa dan konstanta gaya pegas.

---

b. Periode dan Frekuensi Bandul Sederhana

Sebuah bandul sederhana terdiri atas sebuah beban bermassa m yang digantung di ujung tali ringan (massanya dapat diabaikan) yang panjangnya l. Bila beban ditarik ke satu sisi dan dilepaskan, maka beban berayun melalui titik keseimbangan menuju ke sisi yang lain.

---

Bila amplitudo ayunan kecil, maka bandul melakukan getaran harmonik. Periode dan frekuensi getaran pada bandul sederhana sama seperti pada pegas. Artinya, periode dan frekuensinya dapat dihitung dengan menyamakan gaya pemulih dan gaya sentripetal.

      Persamaan gaya pemulih pada bandul sederhana adalah F = -mg sinθ . Untuk sudut θ kecil (θ              dalam satuan radian), maka sin θ = θ . Oleh karena itu persamaannya dapat ditulis F = -mg (X/l).        Karena persamaan gaya sentripetal adalah F = -4π 2 mf2X, maka kita peroleh persamaan sebagai         berikut.

Periode dan frekuensi bandul sederhana tidak bergantung pada massa dan simpangan bandul, tetapi hanya bergantung pada panjang tali dan percepatan gravitasi setempat.

---

Contoh Soal Getaran Harmonik

Suatu benda bergetar hingga membentuk suatu gerak harmonis dengan persamaan

y = 0,04 sin 20π t

dengan y adalah simpangan dalam satuan meter, t yaitu waktu dalam satuan sekon. Tentukan beberapa besaran dari persamaan getaran harmonis tersebut:
a) amplitudo
b) frekuensi
c) periode
d) simpangan maksimum
e) simpangan saat t = 1/60 sekon
f) simpangan saat sudut fasenya 45°
g) sudut fase saat simpangannya 0,02 meter

---

Pembahasan
Pola persamaan simpangan gerak harmonik diatas ialah

y  = A sin ωt
ω = 2π f

atau

ω = 2π/T

a) amplitudo atau A
y = 0,04 sin 20π t
↓
A = 0,04 meter

---

b) frekuensi atau f
y    = 0,04 sin 20π t
↓
ω    = 20π

2πf = 20π
f     = 10 Hz

---

c) periode atau T
T = 1/f
T = 1/10 = 0,1 s

d) simpangan maksimum atau ymaks

y = A sin ωt
y = ymaks sin ωt

y = 0,04 sin 20π t
↓
y = ymaks sin ωt

ymaks = 0,04 m

(Simpangan maksimum tidak lain adalah amplitudo)

---

e) simpangan saat t = 1/60 sekon
y = 0,04 sin 20π t
y = 0,04 sin 20π (1/60)
y = 0,04 sin 1/3 π
y = 0,04 sin 60° = 0,04 × 1/2√3 = 0,02 √3 m

---

f) simpangan saat sudut fasenya 45°

y = A sin ωt
y = A sin θ

dimana θ adalah sudut fase, θ = ωt

y = 0,04 sin θ
y = 0,04 sin 45° = 0,04 (0,5√2) = 0,02√2 m

---

g) sudut fase saat simpangannya 0,02 meter
y = 0,04 sin 20π t
y = 0,04 sin θ
0,02 = 0,04 sin θ
sin θ = 1/2
θ = 30°

B. GELOMBANG

Gelombang adalah getaran yang merambat. Gejala gelombang bisa diamati dengan mudah, contohnya gelombang air laut akibat hembusan angin. Selama merambat, gelombang akan memindahkan energi tertentu dari satu tempat ke tempat lainnya. Namun demikian, medium perambatan gelombang tidak ikut pindah.

Macam-macam Gelombang

Berdasarkan Medium Rambatannya

Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dibagi menjadi dua, yaitu sebagai berikut.

1. Gelombang mekanik

Gelombang mekanik adalah gelombang yang membutuhkan medium untuk merambat. Artinya, jika tidak ada medium, gelombang tidak akan pernah terjadi. Hal ini bisa Quipperian lihat pada kasus percakapan astronot di luar angkasa.Gelombang yang termasuk gelombang mekanik ini adalah gelombang bunyi, gelombang tali, dan  gelombang air laut. 

Gelombang yang dibahas dalam bab ini dalah gelombang mekanik, yaitu gelombang berjalan  dalam suatu material yang disebut dengan medium .

Gambar  Getaran yang merambat pada seutas tali

Pada bahsaan ini akan dijelaskan mengenai esensi pergerakan gelombang. Transfer energy disepanjang ruang atau medium tidak diikuti oleh transfer materi.  Dua mekanisme dalam gelombang yaitu gelombang mekanik dan radiasi elektromagnetik.  Sebagai perbandingan, dalam mekanisme yang lain, transfer (perpindahan) materi, perpidahan energi disertai dengan pergerakan materi disejumlah ruang.  Semua gelombng teknis memerlukan (1) sumber gangguan, (2) medium yang terganggu, (3) beberapa mekanisme fisik yang melalui elemen mediun yang dapat dipengaruhi satu sama lain.  Salah satu cara untuk mendemontrasikan gerakan gelombang adalah dengan menarik satu dari dari ujung tali tegang yang ujung tali lainnya diikatkan.  Pada gambar B.6 dengan cara ini pulsa (sebuah bump/tonjolan) adalah terbentuk dan berpindah sepanjang tali dengan kecepatan tertentu.  Harus diperhatikan bahwa impuls bergerak disepanjang medium, saat menganalisis Impuls maka kita akan membahas prilaku gelombang, ganguan (getaran) periodic merambat melalui medium.

       Beberapa gelombang dialam menunjukkan kombinasi dari gelombang transversal dan longitudinal.  Gelombang permukaan air adalah contoh yang baik.  Saat gelombang air menjalar pada permukaan air pada kedalaman air, elemen air pada permukaan berpindah disekitar bentuk lingkaran.

Gambar Pergerakan elemen air pada permukaan kedalaman air dengan gelombang yang dikombinasi oleh gelombang longitudinal dan transversal.

2. Gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak membutuhkan medium untuk merambat. Artinya, gelombang ini bisa merambat dalam ruang hampa sekalipun. Contoh gelombang elektromagnetik adalah cahaya, gelombang radio, sinar-X, sinar gamma, inframerah, dan sinar ultraviolet.

B. Berdasarkan Arah Getar dan Arah Rambatnya

Berdasarkan arah getar dan arah rambatannya, gelombang dibagi menjadi dua, yaitu sebagai berikut.

1. Gelombang transversal

Gelombang transversal adalah gelombang yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatannya. Contoh gelombang transversal adalah gelombang tali, cahaya, seismik sekunder, dan sebagainya. Berikut ini merupakan contoh gelombang transversal pada tali.

2. Gelombang longitudinal

Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarnya sejajar dengan arah rambatannya. Ciri gelombang ini adalah memiliki rapatan dan renggangan. Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang bunyi, pegas, dan seismik primer. Berikut ini contoh gelombang longitudinal pada pegas.

C. Berdasarkan Amplitudonya

Berdasarkan amplitudonya, gelombang dibagi menjadi dua, yaitu gelombang berjalan dan stasioner.

1. Gelombang berjalan

Gelombang berjalan adalah gelombang yang memiliki amplitudo tetap. Artinya, setiap titik yang dilalui gelombang amplitudonya selalu sama besar. Contoh gelombang berjalan adalah gelombang air.

2. Gelombang stasioner

Gelombang stasioner adalah perpaduan antara gelombang datang dan gelombang pantul yang amplitudo dan frekuensinya sama tetapi arah rambatnya berlawanan. Titik yang bergetar dengan amplitudo maksimum disebut perut, sedangkan titik yang bergetar dengan amplitudo minimum disebut simpul.

Besaran-besaran dalam Gelombang

Jika membahas tentang gelombang, pasti ada besaran-besaran utama yang harus dipahami. Adapun besaran-besaran yang dimaksud adalah sebagai berikut.

1. Amplitudo (A)

Amplitudo adalah simpangan maksimum gelombang yang memiliki satuan meter (m).

2. Panjang gelombang (λ) 

Jika ditinjau dari gelombang transversal, panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak yang berdekatan atau jarak antara dua lembah yang berdekatan.

Jika ditinjau dari gelombang longitudinal, panjang gelombang adalah jarak antara dua rapatan atau dua regangan yang saling berdekatan.

3. Frekuensi gelombang (f)

Frekuensi adalah banyaknya gelombang yang bisa terbentuk setiap detik. Secara matematis, frekuensi dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

f = frekuensi gelombang (Hz);

n = jumlah gelombang yang terbentuk; dan

t = waktu tempuh gelombang (s).

4. Periode gelombang (T)

Periode adalah waktu yang dibutuhkan gelombang untuk menempuh satu panjang gelombangnya. Periode juga bisa didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan gelombang untuk melakukan satu kali putaran. Secara matematis, periode dirumuskan sebagai berikut. 

Keterangan:

T = t/n atau T = 1/f

f = frekuensi gelombang (Hz);

T = periode (s);

n = jumlah gelombang yang terbentuk; dan

t = waktu tempuh gelombang (s).

5. Cepat rambat gelombang

Cepat rambat adalah panjangnya jarak yang ditempuh oleh gelombang tiap satuan waktu. Secara matematis, cepat rambat gelombang dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

f = frekuensi gelombang (Hz);

T = periode (s);

v = cepat rambat gelombang (m/s); m

λ = panjang gelombang (m).

Sifat-sifat Gelombang

Sifat-sifat gelombang adalah karakteristik atau ciri yang melekat pada gelombang. Quipperian tidak akan menemukan sifat tersebut pada objek selain gelombang. Memangnya, apa saja sih sifat-sifat gelombang itu?

1. Pembiasan (refraksi)

Pembiasan merupakan peristiwa pembelokan arah lintasan gelombang karena melalui dua medium yang berbeda. Jika medium yang dilalui berbeda, maka indeks bias medium juga berbeda. Perbedaan indeks biasa inilah yang menyebabkan cepat rambat cahaya berbeda, sehingga seolah-olah ada pembelokan arah lintasan cahaya. Secara matematis, pembiasan dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

n = indeks biasa;

c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (m/s); dan

v = cepat rambat cahaya di dalam medium tertentu (m/s).

Gejala pembiasan ini pertama kali diteliti oleh Snellius. Dengan demikian, hukum yang berlaku pada peristiwa pembiasan selalu mengikuti hukum Snellius. Untuk lebih jelasnya, simak gambar berikut.

Secara matematis, Snellius bisa dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

i = sudut datang;

r = sudut bias;

n1 = indeks bias medium pertama;

n2 = indeks bias medium kedua;

v1 = cepat rambat cahaya di medium pertama (m/s); dan

v2= cepat rambat cahaya di medium kedua (m/s).

2. Difraksi (pelenturan)

Difraksi adalah pelenturan atau penyebaran gelombang saat melalui celah sempit. Contoh difraksi pada gelombang cahaya adalah terbentuknya rumbai (garis) gelap dan terang pada layar. Contoh difraksi pada gelombang bunyi adalah saat kamu berada di gang sempit, kamu masih bisa mendengar suara mobil atau kendaraan lain.

3. Refleksi (pemantulan)

Refleksi adalah perubahan arah rambat gelombang saat bertemu dengan bidang batas dua medium. Pemantulan ini ternyata mengacu pada suatu hukum yang disebut hukum pemantulan. Adapun pernyataan hukum pemantulan adalah sebagai berikut.

Besarnya sudut datang dan sudut pantul adalah sama.

Gelombang datang, gelombang pantul, dan garis normal berada pada satu bidang datar.

Berikut ini ilustrasinya!

4. Dispersi

Pernahkah kamu melihat pelangi? Peristiwa yang terjadi pada pembentukan pelangi adalah dispersi. Dispersi adalah penguraian warna polikromatik (putih) menjadi monokromatik saat seberkas cahaya dilewatkan melalui prisma. Cahaya polikromatik yang awalnya berwarna putih akan terurai menjadi merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Berikut ini contoh ilustrasinya.

Sinar yang datang dan keluar dari prisma akan membentuk suatu sudut yang disebut sudut deviasi. Besarnya sudut deviasi antara warna merah dan ungu dirumuskan sebagai berikut.

5. Interferensi

Interferensi adalah perpaduan antara dua gelombang cahaya. Interferensi bisa diamati dengan jelas jika berkas kedua gelombang bersifat koheren (amplitudo dan frekuensinya sama dengan fase tetap). Interferensi dibagi menjadi dua, yaitu interferensi konstruktif (menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Ilustrasi keduanya bisa Quipperian lihat di gambar berikut.

6. Efek Doppler

Efek Doppler adalah efek berubahnya frekuensi bunyi akibat adanya kecepatan relatif antara sumber dan pengamat. Secara matematis, efek Doppler dirumuskan sebagai berikut.

7. Polarisasi

Polarisasi adalah terserapnya sebagian arah getar gelombang. Hal itu menyebabkan gelombang keluaran hanya memiliki satu arah saja. Gejala polarisasi ini hanya bisa terjadi pada gelombang transversal. Perhatikan contoh polarisasi berikut ini.

Nah, sudah paham kan tentang karakteristik gelombang? Agar kamu lebih paham, perhatikan contoh soal berikut.

Contoh soal 1

Gelombang air laut mendekati perahu dengan cepat rambat 10 m/s. Jika jarak antara dua puncak gelombang yang berdekatan adalah 2 m, tentukan periode dan frekuensi gelombangnya!

Pembahasan:

Diketahui:

v = 10 m/s

λ = 2 m

Ditanya: T dan f =…?

Pembahasan:

Berdasarkan rumus cepat rambat gelombang, diperoleh:

Frekuensinya dirumuskan sebagai berikut.

Jadi, periode dan periode gelombangnya berturut-turut adalah 0,2 s dan 5 Hz.

Contoh soal 2

Pembahasan:

Diketahui:

Ditanya: r =…?

Pembahasan:

Berdasarkan hukum Snellius, diperoleh:

Jadi, besar sudut biasnya adalah 45o.

Contoh soal 3

Perhatikan gambar berikut.

Tentukan besarnya sudut pantul pada cermin ketiga (θ)!

Tamabahan:

Resonansi

Resonansi adalah ikut bergetarnya suatu benda bila benda lain digetarkan di dekatnya. Resonansi terjadi apabila frekuensi benda yang bergetar sama dengan frekuensi alami benda yang ikut bergetar. Bila sebuah garputala digetarkan di atas tabung berisi kolom udara, udara pada tabung akan beresonansi apabila panjang kolom udara dalam tabung merupakan bilangan ganjil kali panjang gelombang. Secara matematis di­ tuliskan:

l = (bilangan ganjil) x ½ λ                   

dengan l = panjang kolom udara dalam tabung (m) dan λ = panjang gelombang bunyi (m).

Pemantulan Bunyi

Jenis pemantulan bunyi ada 2 yakni :

1. Gaung, adalah bunyi pantul yang sebagian terdengar bersamaan dengan bunti aslinya. Hal ini menyebabkan bunyi asli terdengar kurang jelas.  Peristiwa seperti ini dapat terjadi dalam sebuah gedung yang tidak ada peredam suaranya. untuk mengurangi atau menghilangkan gaung diperlukan bahan peredam suara seperti : gabus, kapas, wool, kardus dll.

2. Gema, adalah bunyi pantul yang terdengar setelah bunyi asli selesai. hal ini terjadi karena dinding pantulnya mempunyai jarak yang jauh. misalnya pada suatu lembah atau gunung.

Hukum pemantulan bunyi 

a.        Bunyi datang, bunyi pantul, dan garis normal terletak pada bidang yang sama

b.       Sudut datang sama dengan sudut pantul

Manfaat Pemantulan Bunyi

Pemantulan bunyi dapat dimanfaatkan antara lain untuk :

1.      menentukan cepat rambat bunyi di udara,

2.      melakukan survei geofisika untuk men­deteksi lapisan‑lapisan batuan yang mengandung minyak bumi, mendeteksi cacat dan retak pada logam, dan,

3.      mengukur ketebalan pelat logam.

Perhitungan Jarak Sumber Bunyi dengan Bidang Pantul

karena lintasan bunyi pantul merupakan gerak bolak balik maka jarak sumber dengan bidang pantul sama dengan separuhnya

                                                                     

s = jarak tempuh gelombang bunyi (m)
v = cepat rambat gelombang bunyi (m/s)
t = waktu tempuh gelombang bunyi (t)

 Contoh :

Diketahui cepat rambat gelombang bunyi di udara adalah 340 m/s. Sebuah kapal memancarkan bunyi sonar ke dasar laut. Jika 4 sekon kemudian orang di dalam kapal dapat mendengarkan bunyi pantulannya. Hitung kedalaman laut tersebut...?

t   = 4 s
v  = 340 m/s
s  = (v x t) / 2 = (340 x 4) / 2 = 680 m

C.   BUNYI

Tahukah kamu kalau bunyi atau suara yang kita dengar sehari-hari adalah suatu gelombang? Lalu, bagaimana ya cara kita agar mengetahui bahwa bunyi yang kita dengar itu benar-benar sebuah gelombang? Caranya sangat mudah lho, apabila  suka bermain piano, saat kamu mulai menekan sebuah nada di tuts-tuts piano tersebut, coba dekatkan dengan sebuah garpu tala di dekat piano tersebut. Pasti garpu tala tersebut akan bergetar. 

Mengapa garpu tala itu bergetar? Tentu saja karena gelombang adalah sebuah getaran yang merambat, sehingga bunyi yang terdengar itu merambat ke dalam medium berupa garpu tala. Tidak hanya itu, dengan memanfaatkan karakteristik dari gelombang, terciptalah teknologi yang dapat membantu pekerjaan manusia. Contohnya, ultrasonografi (alat untuk melihat bayi dalam kandungan), SONAR (alat untuk mendeteksi  keberadaan sesuatu yang bergerak), dan fathometer (alat yang digunakan untuk mengukur kedalaman laut). Menarik bukan? Langsung saja yuk, lanjut ke pembahasan.

Pengertian Bunyi

Bunyi adalah sesuatu yang dihasilkan dari suatu getaran. Bunyi termasuk gelombang longitudinal yang merambat lurus kegala arah dari sumber tersebut.

Syarat terjadinya dan terdengarnya bunyi adalah

1.     Ada sumber bunyi (benda yang bergetar)

2.     Ada medium (zat antara untuk merambatnya bunyi)

3.     Ada penerima bunyi yang berada di dekat atau dalam jangkauan sumber bunyi

Suatu bunyi dapat didengar oleh manusia karena memiliki 3 hal yaitu, adanya sumber bunyi, adanya medium rambat bunyi, dan frekuensinya yang berada antara 20 Hz – 20.000 Hz (audiosonik). Tidak hanya manusia, semua makhluk hidup juga dapat mendengar suatu bunyi. Berdasarkan frekuensinya, gelombang bunyi diklasifikasikan sebagai berikut:

1.     Infrasonik: bunyi yang memiliki frekuensi < 20 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh hewan seperti jangkrik, laba-laba, gajah, anjing, dan lumba-lumba.

2.     Audiosonik: bunyi yang memiliki frekuensi 20 Hz – 20.000 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh manusia.

3.     Ultrasonik: bunyi yang memiliki frekuensi > 20.000 Hz. Bunyi ini dapat didengar oleh hewan seperti kelelawar dan lumba-lumba. 

Gelombang bunyi termasuk gelombang mekanik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang membutuhkan medium untuk rambatannya. Medium rambatannya dapat berupa zat cair, zat padat, dan udara. Gelombang bunyi tidak dapat merambat di dalam ruang hampa udara. Hal ini disebabkan karena kecepatan perambatan gelombang bunyi di dalam zat padat lebih cepat dibandingkan di dalam gas atau udara. 

Ini disebabkan oleh jarak antar molekul dalam zat padat lebih pendek dibandingkan pada zat cair dan gas, sehingga perpindahan energi kinetik lebih cepat terjadi. Tabel 1 merupakan data kecepatan bunyi dalam berbagai zat pada suhu 150 C.

 

            Di mana:

           v   = cepat rambat bunyi (m/s)

           s   = jarak tempuh (m)

           t    = waktu (s)

1. Melalui Zat Padat

    Gelombang bunyi dapat merambat melalui zat padat. Contoh medium rambatan zat padat                    yaitu alumunium, baja, kaca, dan lain-lain. Rumus menghitung cepat rambat bunyi yang 
     merambat melalui  zat padat adalah sebagai berikut:

           Di mana 

           v = cepat rambat bunyi (m/s)

           E = modulus young (N/m2)

           ρ = massa jenis (Kg/m3)

Modulus young (E ) merupakan ukuran kekakuan suatu bahan zat padat. Nilai modulus young zat padat berbeda-beda. Contohnya ditunjukkan pada gambar 5. 

 

2. Melalui Zat Cair

    Gelombang bunyi juga dapat merambat melalui zat cair. Medium zat cair dapat berupa air, raksa,        helium cair, dan lainnya. Rumus untuk menghitung cepat rambat bunyi dalam zat cair adalah              sebagai berikut: 

       Di mana 

       v = cepat rambat bunyi (m/s)

       B = Modulus Bulk (N/m2)

       ρ = massa jenis (Kg/m3)

Modulus Bulk (B) merupakan kecenderungan suatu benda untuk berubah bentuk ke segala arah ketika diberi suatu tegangan ke segala arah. Nilai Modulus Bulk dari berbagai bahan ditunjukkan pada gambar 

Gelombang bunyi juga dapat merambat melalui medium udara atau gas. Rumus untuk menghitung cepat rambat bunyi dalam gas adalah sebagai berikut: 

         Di mana 

         v   = cepat rambat bunyi (m/s)

         γ   = konstanta laplace

         R  = konstanta gas umum (J/mol K)

         T   = suhu gas (K)

         M  = massa molekul relatif gas

Konstanta laplace (notasi γ) adalah perbandingan antara kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dengan kapasitas kalor pada volume tetap. Konstanta laplace dapat dipakai untuk gas monoatomik atau diatomik. Konstanta laplace untuk gas monoatomik adalah: 

Sedangkan konstanta laplace untuk gas diatomik dibagi menjadi 3 keadaan yaitu pada suhu rendah, suhu sedang, dan suhu tinggi. Nilainya adalah sebagai berikut: 

Ciri Khas Gelombang Bunyi

Suatu gelombang bunyi memiliki ciri khas. Ciri khas inilah yang nantinya akan dimanfaatkan dalam pembuatan suatu teknologi yang dapat berguna untuk kehidupan manusia. Ciri khas gelombang bunyi adalah refleksi (pemantulan), refraksi (pembiasan), difraksi (pelenturan), interferensi (perpaduan), Efek Doppler, dan pelayangan gelombang. 

1. Refleksi (Pemantulan)

Pada pemantulan bunyi berlaku hukum pemantulang gelombang yaitu: 

Sudut datang gelombang sama dengan sudut pantul gelombang;

Gelombang datang, gelombang pantul, dan garis normal terletak dalam satu bidang.

2. Refraksi (Pembiasan Gelombang)

Refraksi gelombang adalah pembelokkan gelombang ketika melewati bidang batas tertentu. Rumus umum untuk refraksi adalah: 

Di mana 

i = sudut datang gelombang (derajat)

R  = sudut bias gelombang (derajat)

λ1= panjang gelombang 1 (m)

λ2= panjang gelombang  2 (m)

V1= panjang gelombang 1 (m)

V2 = panjang gelombang 2 (m)

3. Interferensi Gelombang (Perpaduan)

Interferensi gelombang adalah perpaduan dua gelombang yang menghasilkan pola-pola tertentu. Interferensi dua buah gelombang bunyi koheren akan menghasilkan pola terang-gelap yang merupakan pola interferensi konstruktif-destruktif. 

Beda lintasan dengan interferensi konstruktif (pola gelombang yang saling menguat) adalah: 

Beda lintasan dengan interferensi destruktif (pola gelombang yang saling melemah): 

4. Efek Doppler

Efek Doppler adalah perubahan frekuensi atau panjang gelombang sumber gelombang yang diterima pengamat karena adanya gerak relatif di antara keduanya. 

Fp = frekuensi pendengar (Hz)

Fs = frekuensi sumber bunyi (Hz)

V  = cepat rambat bunyi (m/s)

Vp = kecepatan pendengar (m/s)

Vs  = kecepatan sumber bunyi (m/s)

Persamaan Efek Doppler dengan tidak mengabaikan kecepatan angin (Vw):

Jika pendengar mendekati sumber bunyi, maka Vp bernilai (+), jika sumber bunyi menjauhi pendengar maka Vs bernilai (+), jika arah angin searah dengan arah rambat bunyi, maka Vw bernilai (+). 

5. Pelayangan gelombang

Pelayangan gelombang adalah interferensi dua bunyi beramplitudo sama namun berbeda frekuensi sedikit. Pelayangan bunyi membentuk interferensi konstruktif-destruktif yang disebut layangan. Satu layangan didefinisikan sebagai gejala dua bunyi keras atau lemah yang terjadi secara berurutan. Frekuensi layangan dapat dihitung menggunakan rumus:

Di mana

fl = frekuensi layangan bunyi 

f1 dan f2 = frekuensi gelombang bunyi yang berinteferensi

Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari

Dengan memahami karakteristik dari gelombang bunyi, para ilmuwan Fisika dapat membuat teknologi yang membantu pekerjaan manusia contohnya SONAR, Ultrasonografi, dan Echocardiogram. 

a. Teknologi SONAR

Teknologi SONAR dapat digunakan untuk sistem navigasi dengan bunyi pantul ultrasonik, pada perangkat kamera berguna untuk mendeteksi jarak benda yang akan difoto, pada kendaraan mobil dapat digunakan untuk mendeteksi jarak benda-benda yang ada di sekitar mobil, dan pengukur kedalaman laut. SONAR untuk pengukur kedalaman laut diletakkan di bawah kapal. 

Prinsip kerja SONAR adalah berdasarkan pemantulan gelombang ultrasonik. SONAR memiliki dua bagian alat yang memancarkan gelombang ultrasonik yang disebut transmitter (emitter) dan alat yang dapat mendeteksi datangnya gelombang pantul (gema) yang disebut sensor (receiver). 

Gelombang ultrasonik dipancarkan oleh transmitter (pemancar) yang diarahkan ke sasaran, kemudian akan dipantulkan kembali dan ditangkap oleh pesawat penerima (receiver). Dengan mengukur waktu yang diperlukan lagi dari gelombang dipancarkan sampai gelombang diterima lagi. maka dapat ditentukan nilai jarakan dari kedalaman laut. 

Nilai kedalaman laut dapat dicari dengan persamaan:

   Di mana 

   d   = jarak yang diukur (m)

   Δt  = waktu yang diperlukan gelombang dari dipancarkan sampai diterima kembali (s)

   v   = kecepatan rambat gelombang ultrasonic (m/s)

   n   = indeks bias medium

b. Ultrasonografi (USG)

Ultrasonografi (USG). Ultrasonografi adalah teknologi yang digunakan untuk mencitrakan bagian dalam tubuh manusia. USG digunakan untuk melihat perkembangan janin dalam kandungan. USG memiliki 3 bagian utama yaitu Transducer, Monitor, dan Mesin USG. Prinsip kerja dari Ultrasonografi menggunakan konsep pemantulan bunyi yaitu transducer ditempelkan pada organ yang ingin dilihat citra bagian dalamnya. 

Di dalam transducer terdapat kristal yang dapat digunakan untuk menangkap gelombang yang disalurkan. Lalu gelombang yang diterima ini masih dalam bentuk gelombang pantulan sehingga kristal mengubah ke dalam bentuk gelombang elektronik lalu masuk ke mesin USG sehingga data elektronik tersebut diubah menjadi data gambar yang ingin ditampilkan ke Monitor. 

c. Echocardiogram

Echocardiogram adalah teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran darah. Kecepatan aliran darah diukur menggunakan efek Doppler. Bunyi ultrasonik diarahkan menuju pembuluh nadi, dan pergerakan gelombang bunyi tersebut mengikuti kecepatan aliran darah. 

Bagaimana sudah mulai memahami konsep gelombang bunyi? Ternyata dengan memahami konsep dasar dari suatu materi yang kita pelajari, kita dapat memahami prinsip-prinsip kerja dari teknologi yang ada disekitar kita, ya.