Gelombang bunyi merupakan salah satu topik fundamental dalam pelajaran fisika yang seringkali menarik rasa ingin tahu siswa. Bunyi, sebagai gelombang mekanik yang merambat melalui medium, memiliki berbagai fenomena menarik yang dapat dianalisis menggunakan prinsip-prinsip fisika. Di semester 2 kelas 10, pemahaman tentang konsep-konsep bunyi seperti cepat rambat, frekuensi, amplitudo, panjang gelombang, intensitas, dan efek Doppler menjadi krusial. Artikel ini akan menyajikan berbagai contoh soal yang mencakup aspek-aspek tersebut, lengkap dengan pembahasan mendalam untuk membantu siswa kelas 10 menguasai materi bunyi.
Pendahuluan: Apa Itu Bunyi dan Bagaimana Ia Merambat?
Sebelum melangkah ke soal-soal, mari kita segarkan kembali pemahaman kita tentang bunyi. Bunyi adalah getaran yang merambat sebagai gelombang mekanik, yang berarti ia memerlukan medium (padat, cair, atau gas) untuk perambatannya. Getaran pada sumber bunyi akan menggetarkan partikel-partikel medium di sekitarnya, menciptakan daerah renggangan (tekanan rendah) dan rapatan (tekanan tinggi) yang saling bergantian. Pola inilah yang kita kenal sebagai gelombang longitudinal.
Beberapa besaran penting yang terkait dengan gelombang bunyi adalah:
- Frekuensi (f): Jumlah getaran atau gelombang yang terjadi dalam satu detik. Satuannya Hertz (Hz). Frekuensi menentukan tinggi rendahnya bunyi (nada).
- Amplitudo (A): Simpangan maksimum partikel medium dari posisi setimbangnya. Amplitudo berkaitan dengan keras lemahnya bunyi (intensitas).
- Panjang Gelombang (λ): Jarak antara dua rapatan atau dua renggangan berturut-turut. Satuannya meter (m).
- Cepat Rambat Gelombang (v): Jarak yang ditempuh gelombang per satuan waktu. Satuannya meter per detik (m/s).
Hubungan antara besaran-besaran ini dirumuskan sebagai:
v = λf
Bagian 1: Cepat Rambat, Frekuensi, dan Panjang Gelombang Bunyi
Bagian ini akan berfokus pada soal-soal yang menguji pemahaman hubungan dasar antara cepat rambat, frekuensi, dan panjang gelombang.
Contoh Soal 1:
Sebuah sumber bunyi bergetar dengan frekuensi 500 Hz. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, berapakah panjang gelombang bunyi tersebut?
Pembahasan:
Untuk menyelesaikan soal ini, kita menggunakan rumus dasar hubungan antara cepat rambat, panjang gelombang, dan frekuensi:
v = λf
Diketahui:
- Frekuensi (f) = 500 Hz
- Cepat rambat bunyi (v) = 340 m/s
Ditanya:
- Panjang gelombang (λ) = ?
Langkah penyelesaian:
Kita susun ulang rumus untuk mencari λ:
λ = v / f
Masukkan nilai-nilai yang diketahui:
λ = 340 m/s / 500 Hz
λ = 0,68 meter
Jadi, panjang gelombang bunyi tersebut adalah 0,68 meter.
Contoh Soal 2:
Sebuah senar gitar dipetik dan menghasilkan bunyi dengan nada dasar. Jika panjang senar adalah 0,5 meter dan cepat rambat gelombang pada senar tersebut adalah 200 m/s, hitunglah frekuensi nada dasar yang dihasilkan.
Pembahasan:
Untuk gelombang pada senar yang bergetar pada nada dasar, panjang senar sama dengan setengah panjang gelombang (L = λ/2).
Diketahui:
- Panjang senar (L) = 0,5 meter
- Cepat rambat gelombang (v) = 200 m/s
Ditanya:
- Frekuensi nada dasar (f) = ?
Langkah penyelesaian:
Pertama, cari panjang gelombang nada dasar:
L = λ/2
λ = 2L
λ = 2 * 0,5 meter
λ = 1 meter
Selanjutnya, gunakan rumus v = λf untuk mencari frekuensi:
f = v / λ
f = 200 m/s / 1 meter
f = 200 Hz
Jadi, frekuensi nada dasar yang dihasilkan senar gitar tersebut adalah 200 Hz.
Contoh Soal 3:
Seorang pendengar mendengar bunyi dari sebuah sumber yang bergetar. Jika jarak antara dua rapatan berturut-turut dari gelombang bunyi tersebut adalah 1,5 meter dan pendengar mencatat bahwa ada 10 rapatan yang melewati telinganya dalam waktu 5 detik, berapakah cepat rambat bunyi tersebut?
Pembahasan:
Soal ini menguji pemahaman tentang cara menentukan frekuensi dan panjang gelombang dari informasi yang diberikan.
Diketahui:
- Jarak antara dua rapatan berturut-turut (λ) = 1,5 meter
- Jumlah rapatan yang melewati telinga = 10
- Waktu yang dibutuhkan (t) = 5 detik
Ditanya:
- Cepat rambat bunyi (v) = ?
Langkah penyelesaian:
Pertama, hitung frekuensi bunyi. Frekuensi adalah jumlah gelombang per satuan waktu. Jika 10 rapatan melewati dalam 5 detik, ini berarti ada 10 gelombang yang melewati.
f = Jumlah gelombang / Waktu
f = 10 gelombang / 5 detik
f = 2 Hz
Selanjutnya, gunakan rumus v = λf untuk mencari cepat rambat bunyi:
v = λf
v = 1,5 meter * 2 Hz
v = 3 m/s
Jadi, cepat rambat bunyi tersebut adalah 3 m/s.
Bagian 2: Intensitas Bunyi dan Tingkat Intensitas Bunyi
Intensitas bunyi adalah daya yang dipindahkan oleh gelombang bunyi per satuan luas. Tingkat intensitas bunyi (dalam desibel) adalah cara untuk mengukur kerasnya bunyi yang dirasakan telinga manusia, yang memiliki rentang sensitivitas yang sangat luas.
Rumus intensitas bunyi (I) adalah:
I = P / A
di mana P adalah daya (Watt) dan A adalah luas (m²).
Hubungan antara intensitas bunyi (I) dan tingkat intensitas bunyi (β) dalam desibel (dB) adalah:
β = 10 log (I / I₀)
di mana I₀ adalah intensitas ambang pendengaran normal, yaitu 10⁻¹² W/m².
Contoh Soal 4:
Sebuah pengeras suara memancarkan bunyi dengan daya 50 Watt secara seragam ke segala arah. Berapakah intensitas bunyi pada jarak 10 meter dari pengeras suara?
Pembahasan:
Gelombang bunyi yang merambat ke segala arah akan menyebar melalui permukaan bola. Luas permukaan bola adalah 4πr².
Diketahui:
- Daya (P) = 50 Watt
- Jarak (r) = 10 meter
Ditanya:
- Intensitas bunyi (I) = ?
Langkah penyelesaian:
Hitung luas permukaan bola pada jarak 10 meter:
A = 4πr²
A = 4π(10 m)²
A = 4π(100 m²)
A = 400π m²
Gunakan rumus intensitas bunyi:
I = P / A
I = 50 Watt / (400π m²)
I = 1 / (8π) W/m²
Untuk mendapatkan nilai numerik, kita bisa gunakan π ≈ 3,14:
I ≈ 1 / (8 * 3,14) W/m²
I ≈ 1 / 25,12 W/m²
I ≈ 0,0398 W/m²
Jadi, intensitas bunyi pada jarak 10 meter adalah sekitar 0,0398 W/m².
Contoh Soal 5:
Tingkat intensitas bunyi dari sebuah mesin adalah 90 dB. Jika intensitas ambang pendengaran adalah 10⁻¹² W/m², berapakah intensitas bunyi mesin tersebut?
Pembahasan:
Kita akan menggunakan rumus tingkat intensitas bunyi untuk mencari intensitasnya.
Diketahui:
- Tingkat intensitas bunyi (β) = 90 dB
- Intensitas ambang pendengaran (I₀) = 10⁻¹² W/m²
Ditanya:
- Intensitas bunyi (I) = ?
Langkah penyelesaian:
Gunakan rumus β = 10 log (I / I₀) dan susun ulang untuk mencari I:
90 dB = 10 log (I / 10⁻¹² W/m²)
9 = log (I / 10⁻¹² W/m²)
Untuk menghilangkan logaritma basis 10, kita gunakan sifat 10^(log x) = x:
10⁹ = I / 10⁻¹² W/m²
Sekarang, isolasi I:
I = 10⁹ * 10⁻¹² W/m²
I = 10⁹⁻¹² W/m²
I = 10⁻³ W/m²
Jadi, intensitas bunyi mesin tersebut adalah 10⁻³ W/m².
Contoh Soal 6:
Seorang pendengar berada pada jarak 5 meter dari sumber bunyi yang memancarkan bunyi dengan intensitas 10⁻⁴ W/m². Berapakah tingkat intensitas bunyi yang didengar pendengar tersebut? (I₀ = 10⁻¹² W/m²)
Pembahasan:
Dalam soal ini, intensitas bunyi sudah diketahui, sehingga kita langsung menggunakan rumus tingkat intensitas bunyi. Jarak sumber bunyi tidak langsung digunakan dalam perhitungan tingkat intensitas, melainkan untuk menentukan intensitas jika daya sumbernya diketahui.
Diketahui:
- Intensitas bunyi (I) = 10⁻⁴ W/m²
- Intensitas ambang pendengaran (I₀) = 10⁻¹² W/m²
Ditanya:
- Tingkat intensitas bunyi (β) = ?
Langkah penyelesaian:
Gunakan rumus β = 10 log (I / I₀):
β = 10 log (10⁻⁴ W/m² / 10⁻¹² W/m²)
β = 10 log (10⁻⁴ ⁻ ⁽⁻¹²⁾)
β = 10 log (10⁻⁴ ⁺ ¹²)
β = 10 log (10⁸)
Menggunakan sifat logaritma log (10ⁿ) = n:
β = 10 * 8
β = 80 dB
Jadi, tingkat intensitas bunyi yang didengar pendengar tersebut adalah 80 dB.
Bagian 3: Efek Doppler
Efek Doppler adalah perubahan frekuensi gelombang yang diterima oleh pengamat karena adanya gerakan relatif antara sumber gelombang dan pengamat.
Rumus umum Efek Doppler:
f’ = f (v ± v_p) / (v ∓ v_s)
di mana:
- f’ adalah frekuensi yang didengar pengamat (frekuensi teramati)
- f adalah frekuensi sumber bunyi
- v adalah cepat rambat bunyi di medium (biasanya di udara ≈ 340 m/s)
- v_p adalah cepat rambat pengamat (pendengar)
- v_s adalah cepat rambat sumber bunyi
Aturan tanda:
- Tanda ‘+’ pada (v ± v_p) digunakan jika pendengar bergerak mendekati sumber. Tanda ‘-‘ digunakan jika pendengar bergerak menjauhi sumber.
- Tanda ‘-‘ pada (v ∓ v_s) digunakan jika sumber bergerak mendekati pendengar. Tanda ‘+’ digunakan jika sumber bergerak menjauhi pendengar.
Contoh Soal 7:
Sebuah mobil ambulans bergerak mendekati seorang pengamat yang diam di tepi jalan dengan kecepatan 30 m/s. Jika sirene ambulans berfrekuensi 1000 Hz dan cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, berapakah frekuensi sirene yang didengar oleh pengamat tersebut?
Pembahasan:
Kita perlu mengidentifikasi apakah sumber atau pengamat yang bergerak, dan arah geraknya relatif terhadap satu sama lain.
Diketahui:
- Frekuensi sumber (f) = 1000 Hz
- Cepat rambat bunyi (v) = 340 m/s
- Cepat rambat pengamat (v_p) = 0 m/s (diam)
- Cepat rambat sumber (v_s) = 30 m/s
- Sumber (ambulans) bergerak mendekati pengamat.
Ditanya:
- Frekuensi teramati (f’) = ?
Langkah penyelesaian:
Karena pengamat diam, v_p = 0.
Karena sumber (ambulans) bergerak mendekati pengamat, kita gunakan tanda ‘-‘ pada penyebut (v – v_s).
Rumusnya menjadi:
f’ = f (v + v_p) / (v – v_s)
f’ = 1000 Hz (340 m/s + 0 m/s) / (340 m/s – 30 m/s)
f’ = 1000 Hz (340 m/s) / (310 m/s)
f’ = 1000 (340 / 310) Hz
f’ ≈ 1000 1,0968 Hz
f’ ≈ 1096,8 Hz
Jadi, frekuensi sirene yang didengar oleh pengamat tersebut adalah sekitar 1096,8 Hz.
Contoh Soal 8:
Sebuah kereta api bergerak menjauhi stasiun dengan kecepatan 20 m/s sambil membunyikan peluitnya yang berfrekuensi 800 Hz. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, berapakah frekuensi peluit yang didengar oleh petugas stasiun yang diam?
Pembahasan:
Identifikasi pergerakan dan arahnya.
Diketahui:
- Frekuensi sumber (f) = 800 Hz
- Cepat rambat bunyi (v) = 340 m/s
- Cepat rambat pengamat (v_p) = 0 m/s (diam)
- Cepat rambat sumber (v_s) = 20 m/s
- Sumber (kereta) bergerak menjauhi pengamat.
Ditanya:
- Frekuensi teramati (f’) = ?
Langkah penyelesaian:
Karena pengamat diam, v_p = 0.
Karena sumber (kereta) bergerak menjauhi pengamat, kita gunakan tanda ‘+’ pada penyebut (v + v_s).
Rumusnya menjadi:
f’ = f (v + v_p) / (v + v_s)
f’ = 800 Hz (340 m/s + 0 m/s) / (340 m/s + 20 m/s)
f’ = 800 Hz (340 m/s) / (360 m/s)
f’ = 800 (340 / 360) Hz
f’ ≈ 800 0,9444 Hz
f’ ≈ 755,5 Hz
Jadi, frekuensi peluit yang didengar oleh petugas stasiun adalah sekitar 755,5 Hz.
Contoh Soal 9:
Seorang pengamat bergerak mendekati sumber bunyi yang diam dengan kecepatan 15 m/s. Jika sumber bunyi berfrekuensi 600 Hz dan cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, berapakah frekuensi yang didengar pengamat?
Pembahasan:
Fokus pada pergerakan pengamat.
Diketahui:
- Frekuensi sumber (f) = 600 Hz
- Cepat rambat bunyi (v) = 340 m/s
- Cepat rambat pengamat (v_p) = 15 m/s
- Cepat rambat sumber (v_s) = 0 m/s (diam)
- Pengamat bergerak mendekati sumber.
Ditanya:
- Frekuensi teramati (f’) = ?
Langkah penyelesaian:
Karena sumber diam, v_s = 0.
Karena pengamat bergerak mendekati sumber, kita gunakan tanda ‘+’ pada pembilang (v + v_p).
Rumusnya menjadi:
f’ = f (v + v_p) / (v – v_s)
f’ = 600 Hz (340 m/s + 15 m/s) / (340 m/s – 0 m/s)
f’ = 600 Hz (355 m/s) / (340 m/s)
f’ = 600 (355 / 340) Hz
f’ ≈ 600 1,0441 Hz
f’ ≈ 626,46 Hz
Jadi, frekuensi yang didengar pengamat adalah sekitar 626,46 Hz.
Penutup: Menguasai Konsep Gelombang Bunyi
Memahami gelombang bunyi memerlukan latihan yang konsisten dalam menyelesaikan berbagai jenis soal. Dengan menguasai konsep-konsep dasar seperti cepat rambat, frekuensi, panjang gelombang, intensitas, tingkat intensitas, dan efek Doppler, serta memahami bagaimana menerapkan rumus-rumus yang relevan, siswa kelas 10 akan siap menghadapi berbagai tantangan dalam fisika.
Penting untuk diingat bahwa setiap soal memiliki konteksnya sendiri. Oleh karena itu, analisis setiap soal dengan cermat, identifikasi besaran yang diketahui dan ditanyakan, serta pilih rumus yang tepat adalah kunci keberhasilan. Jangan ragu untuk berlatih soal-soal tambahan dan mencari penjelasan jika ada bagian yang kurang dipahami. Dengan ketekunan, Anda pasti bisa menguasai materi gelombang bunyi ini!
