modul ke-14 bunyi
TRANSCRIPT
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
1/12
MODUL
Minggu ke :14
FISIKA DASAR I
Semester 1 / 3 sks / MFF 1011
Oleh
Drs. Sunarta, M.S.
Didanai dengan dana BOPTN P3-UGM
Tahun Anggaran 2013
14
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
2/12
BAB X
MENGENAL GELOMBANG BUNYI
Diskripsi :
Dibahas sifat fisis gelombang bunyi , interaksinya terhdap bahan penghalang, sifatserapan, pantulan gelombang bunyi, menghitung intensitas suara dan mengenal alat
ukur iintensitas gelombang bunyi, ditunjukkan aplikasi pengukuran suara berbagai
variasi amplitude dan frekuensi gelombang bunyi.
Manfaat :
Memberikan pengetahuan dasar tentang gelombang bunyi, mengenal alat ukur suara,
faham tentang ruang kedap suara, dan sift-sifat fisis gelombang bunyi.
LO :
o Menghitung nilai intensitas gelombang baik yang dipantulkan, diteruskan
maupun yang diserap suatu material, dan menyebutkan sifat-sifat gelombang
bunyi, gelombang seismic dan model gelombang lainnya.
o Menggunakan alat ukur intensitas suara.
X.1. Pendahuluan
Fisika merupakan ilmu dasar yang menjadi tumpuhan bagi hampir semua disiplin
ilmu sains dan teknik. Hal ini disebabkan karena fisika mempelajari semua gejala alam yang
ada disamping mengenal dengan baik karakter benda benda alam tersebut. Pendekatan ilmu
fisika melalui kajian teoritis maupun pengamatan-pengamatan melalui eksperimen, hal ini
menjadikan seorang fisikawan dapat menguasai tentang metode pengukuran yang tepat dan
akurat dalam meneliti gejala alam yang ada.
Cakupan Ilmu Fisika yang meliputi : Menanika, Panas, Listrik, Magnet, Optika,
Bunyi, dan lainnya, menuntut seorang Fisikawan untuk selalu mengembangan dan meneliti
persoalan yang tidak sedikit bahkan selalu ada yang harus diteliti lebih lanjut seiring
perkembangan teknologi.
Khususnya di bidang Bunyi ( gelombang suara ), sudah sangat pesat berkembang dan
berbagai disiplin sudah banyak memanfaatkan. Misalnya bagaimana usaha-usaha yang
dilakukan untuk mengurangi pengaruh kebisingan yang disebabkan adanya lalu lalangkendaraan ber-mesin di jalan raya, terhadap gedung-gedung yang berada di sepanjang jalan
tersebut, bagaimana membuat ruang di gedung-gedung tersebut nyaman tanpa terganggu
kebisingan suara. Hal ini merupakan salah satu persoalan yang sangat erat dengan ilmu
fisika, karena gelombang bunyi merupakan bagian ilmu fisika.
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
3/12
Untuk mengetahui lebih dalam tentang dasar ilmu bunyi, maka perlu pedalaman teori
selanjutnya pada bab-bab berikut.
X.2. Gelombang Bunyi
Seperti layaknya sebuah gelombang, untuk merambat diperlukan sebuah mediaperantara, secara umum gelombang dibedakan menjadi dua penjalaran yaitu secara
transversal dan longitudinal, namun khusus untuk gelombang bunyi proses penjalaran
digambarkan secara longitudinal.
Dengan mendeteksi gelombang suara yang tertangkap pada suatu tempat, dapat
dilacak kedudukan sumber suara yang menghantarkan gelombang tersebut dan lewat
perantara apa saja suara tersebut menjalar.
Pada gambar-1, ditunjukkan skema proses penjalaran gelombang bunyi yang
merambat pada suatu medium homogen, dari sebuah sumber suara berupa titik gelombang.
Terlihat bahwa getaran suara pada medium menjalar secara radial dengan intensitas semakin
melemah dengan jarak rambatan yang dilalui.
Gerak muka gelombang dapat dinyatakan oleh sinar-sinar yang digambar tegak lurus
terhadap muka gelombang. Untuk sumber titik, sinar-sinar merupakan garis-garis
radial yang menyebar dari sumber.
Arah penjalaran gelombang bunyi secara radial dari pusat suara menyebar ke segala
arah lewat medium perantara.
Muka gelombong merupakan permukaan gelombang bunyi yang menggambarkan
bahwa getaran pada muka tersebut mempunyai nilai sama kuat ( untuk media yang
homogen )
Intensitas suara akan semakin melemah seiring dengan jauhnya sumber suara
terhadap posisi deteksi, hal ini juga terpengaruh oleh sifat fisis media, apakah media
mempunyai sifat redaman atau tidak terhadap suara tsb.
Arah penjalaran
Sumber
Muka
Gelombang
Gambar-1; Penjalaran
Gelombang Bunyi
Arah penjalaran
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
4/12
X.3. Laju Bunyi
Secara umum laju sebuah gelombang mekanik trasversal pada sepanjang dawai
teregang nilainya bergantung dari perbandingan sifat elastis dan sifat inersia bahan dawai
tersebut. Untuk gelombang bunyi yang menjadi medium adalah udara sedang sifat
gelombangnya longitudinal, maka dapat diperoleh bahwa sifat elastis berkaitan dengan
tekanan udara sedangkan sifat inersia berkaitan dengan rapat massa medium.
Berdasarkan keterangan diatas, diperoleh persamaan yang menggambarkan kelajuan
bunyi di udara adalah :
= (1)dengan ; B = modulus bulk; dan = rapat massa udara.
Beberapa nilai tingkat kelajuan bunyi yang lewat pada berbagai medium perantara dituliskanpada daftar tabel-1, berikut :
Medium Suhu ( oC ) dan
Tekanan 1atm
Laju ( m/detik)
Gas udara 0 331
Gas udara 20 343
Gas helium 0 965
Gas hidrogen 0 1284
Air 0 1402
Air 20 1482Air laut 20 ; kadar garam 3,5% 1522
Aluminium 0 6420
Baja 0 5941
Granit 0 6000
Tabel-1: Laju Gelombang Bunyi pada material
X.4. Perambatan Gelombang Bunyi di Udara
Dalam medium homogeny seperti udara dengan kerapatan yang konstan, gelombangbunyi akan merambat dengan garis lurus searah berkas. Bentuk gelombang merupakan
gelombang bidang, yang dengan jarak sumber suara yang cukup jauh muka gelombang dapat
digambarkan sebagai bidang-bidang sejajar dan berkas-berkas gelombang berupa garis-garis
parallel yang tegak lurus muka gelombang.
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
5/12
Bila suatu gelombang datang pada suatu permukaan batas yang memisahkan dua
daerah dengan bahan yang berbeda sehingga berakibat laju gelombangnya berbeda, maka
sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian yang lainnya akan ditransmisikan. Hal
ini dapat terjadi misalnya ketika gelombang bunyi di udara menumbuk suatu permukaan
padat atau cair. Berkas yang terpantul akan membentuk sudut dengan garis normal
permukaan yang besarnya sama dengan sudut berkas yang dating, sebaliknya berkas yng
ditransmisikan akan dibelokkan atau menjauh dari garis normalnya.
Dari fenomena diatas dapat diambil pelajaran bahwa sifat gelombang bunyi sepertilayaknya gelombang lainnya yaitu dapat dipantulkan, ditransmisikan, bergantung dari media
yang ditumbuk oleh gelombang bunyi tersebut. Hal ini memberikan inspirasi pada kita
bahwa tentu ada bahan yang bersifat dapat memantulkan dan juga mentransmisikan suara
dengan baik.
Jumlah energy bunyi yang dipantulkan dari permukaan bergantung pada sifat
permukaan tersebut. Dinding, lantai, dan langit-langit yang datar dapat menjadi pemantul
suara yang baik; sebaliknya bahan-bahan yang kurang tegar dan berpori seperti kain tirai dan
taplak perabotan akan dapat menyerap bunyi yang dating kepadanya. Bahan-bahan pemantul
suara menjadi suatu bahan yang berperan penting untuk desain ruang kuliah, perpustakaan,ruang audiotorium music. Apabila di suatu ruang banyak pemantul yang datar maka akan
banyak gaun suara yang tiba ketilinga dalam waktu yang berbeda sehingga menjadi kacau
tidak jelas didengarkan. Bahan-bahan yang bersifat menyerap sering ditempatkan di dinding
dan langit-langit untuk mengurangi pantulan suara agar dapat didengar dengan baik.
X.5. Intensitas dan Level Bunyi
Intensitas bunyi didefinisikan sebagai : laju rata-rata energi per satuan luas
gelombang bunyi yang dipindahkan oleh gelombang ke suatu permukaan, dituliskan sebagai :
= (2)Dengan : P = laju perpindahan energi (daya) gelombang bunyi dan A= luas
permukaan interupsi bunyi.
Gambar
Gelombang Bidang
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
6/12
Bila dikaitkan dengan penjalaran gelombang bunyi di suatu ruang, maka persamaan
intensitas bunyinya dapat dituliskan sebagai :
= 4 (3)
dengan r = jari-jari permukaan berdimensi bola.
Persamaan terakhir memberikan gambaran bahwa, nilai intensitas bunyi merambat ke
medium yang isotropis dengan melemah sebanding dengan jarak kwadrat dari sumber secara
radial di dalam ruang.
Energi gelombang bunyi di udara adalah energy osilasi molekul udara yang bervibrasi
dengan gerak harmonic sederhana sepanjang arah penjalaran gelombang. Telah kita ketahui
bahwa energy total massa (m) yang berosilasi gerak harmonic sederhana dengan frekuensi
sudut () dan amplitude (A) adalah sebesar :
= 1222 (4)
Telinga manusia dapat mengakomodasi suatu rentang intensitas gelombang bunyi
yang cukup luas, dari sekitar 10-12
W/m2 (sebagai ambang pendengaran) hingga sekitar 1
W/m2 ( yang biasanya akan menimbulkan rasa sakit untuk mayoritas pendengaran orang
dewasa). Variasi tekanan yang sesuai dengan intensitas-intensitas ekstrim ini adalah kira-kira
3 x 10-5
Pa untuk ambang pendengaran dan 30 Pa untuk ambang rasa sakit. Variasi tekanan
yang kecil ini ditimpakan di atas tekanan atmosfer normal sekitar 101 kPa.
Apabila telinga kita mendengar suara terlalu keras, maka terasa adanya suatu energi
yang kuat yang menghantam telinga genderang telinga kita, hal ini memang benar karena
pada dasarnya ada energi suara yang menabrak pada genderang telinga kita. Lantas berapa
satuan suara yang dapat kita terima dengan nyaman ? Perhatikan tabel-2; level intensitas
bunyi atau tingkat kenyaringan pada berbagai aktivitas suara sebagai berikut :
Sumber
Aktivitas suara
Intensitas bunyi
(dB)
Keterangan
Batas pendengaran manusia 0 Ambang pendengaran
Pernapasan normal 10 Hampir tak terdengar
Desir dedaunan 10-20
Bisikan lembut(jarak 5m) 30 Sangat tenang
Perpustakaan 40
Perkantoran(tenang) 50 Tenang
Percakapan normal(jarak 1m) 60
Lalu-lintas ramai 70
Mesin-mesin pabrik(aktif) 80
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
7/12
Truk berat(jarak 15m) 90 Suara konstan dapat
merusakpendengaran
Air terjun Niagara 90
Kereta tua 100
Konser music rock;kebisingan kontruksi
bangunan; jet tinggallandas(jarak 60 m)
110130Ambang rasa sakitpada pendengaran
Jet tinggal landas jarak dekat 150
Mesin roket besar (jarak
dekat) 180
X.6. Mengenal Alat Pengukur Intensitas Gelombang Suara
Seperti gelombang pada umumnya, gelombang suara dapat ditangkap dengan
suatu alat deteksi suara, seperti salah satu model alat yang dinamakan SOUNDLEVEL METERsecara skematik wujud alat tersebut dituliskan sebagai :
Alat Sound level meter merupakan jenis alat untuk mendeteksi gelombang suara,
adapun yang dicatat pada alat ini adalah intensitas suara. Tampilan digital menjadikan alat ini
mempunyai ketelitian cukup baik.
Panel Depan Alat Sound Level SL-4010
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
8/12
Banyak aplikasi yang dapat diukur dengan alat sound level, misalnya untuk
mengamati kebisingan ruang, mendeteksi serapan bahan kedap suara bahkan gelombang
transmisi suara yang dapat menerobos suatu bahan juga dapat dilacak dengan alat ini.
Dalam aplikasinya dapat dilengkapi dengan set-up eksperimen, sesuai dengan metode
pengukuran obyek yang akan dideteksi, sebagai contoh akan digunakan untuk mengukurserapan bahan kedap suara.
X.7. Aplikasi Alat Sound Level Meter
Diskripsi Peralatan :
1. Generator suara : peralatan elektronik yang berfungsi sebagai sumber
pembangkit suara, dengan pengaturan frekuensi dan amplitodo. Output suara
dari generator disalurkan melalui speker kecil.
2. Tabung Suara : terbuat dari pipa pralon 3/4 dim, dengan panjang sekitar 50
cm, diberi lubang dibagian tengah sebagai tempat bahan sekat suara yang akan
diamati factor serapannya (foto ada di lampiran)
3. Suond Level : perangkat elektronik, dengan tampilan digital sebagai alat
monitor intensitas gelombang suara dalam unit decibel (db).
4. Osiloskop : sebagai peralatan monitor bentuk gelombang yang di hasilkan dari
generator pembangkit, diusahakan bentuk yang digunakan berupa gelombangharmonic sederhana ( sinus /cosines )
Prosedur Pengamatan :
1. Bangkitkan generator suara, atur sesuaikan dengan bahan sekat yang diamati
sehingga mendapatkan gelombang suara yang terdeteksi dengan baik pada
alat.
Bahan sekat
suara
Generator
Suara
SOUND
LEVEL
TABUNG SUARA-OUTTABUNG SUARA-IN
Gb-4. Set-Up AlatPenelitian
OSILOSKOP
PENAMPIL
probespeker
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
9/12
2. Pasang dan ganti sekat suara sesuai metode yang dikehendaki dalam
penelitian, mungkin berganti jenis bahan, atau menambah ketebalan bahan
pada jenis tertentu.
3. Amati setiap perubahan bahan sekat, catat data suara yang tertangkap pada
sound level
4.
Amati suara pembangkit langsung tanpa penyekat, guna pembanding terhadap
suara yang lewat sekat, hal ini sebagai dasar perhitungan berapa % suara dapat
teredam oleh bahan sekat yang diamati.
5. Lakukan pengulangan langkah-1 s/d 4, untuk beberapa jenis bahan sekat yang
akan diamati dan untuk mendapatkan ketepatan data pengamatan.
6. Diamati juga output suara sebagai fungsi frekuensi suara inputnya, untuk
berbagi bahan yang diselidiki.
Hasil Pengamatan :
Data-1 (tanpa sekat)
Amplitudo 2 Volt
Data-2 (tanpa sekat)
Frekuensi 100 Hz
No. Frekuensi
(Hz)
Intensitas
(dB)
No. Amplitudo
(mV)
Intensitas
(dB)
1. 10 65,10,2 1. 100 61,20,2
2. 20 82,20,2 2. 200 62,00,2
3. 30 86,30,2 3. 300 62,50,2
4. 40 89,40,2 4. 400 87,00,2
5. 50 95,30,2 5. 500 89,10,2
6. 60 94,70,2 6. 600 92,30,2
7. 70 95,20,2 7. 700 94,40,2
8. 80 97,00,2 8. 800 95,30,2
9. 90 97,40,2 9. 900 96,30,2
10. 100 102,10,2 10. 1000 97,40,2
Data-3
sekat serabut kain (1cm)
Amplitudo 1000 mV
Data-4
sekat serabut kain (2cm)
Aplitudo 2000 mV
No. Frekuensi
(Hz)
Intensitas
(dB)
No. Frekuensi
(Hz)
Intensitas
(dB)
1. 10 - 1. 10 -
2. 20 77,10,2 2. 20 66,60,2
3. 30 80,20,2 3. 30 73,50,2
4. 40 86,30,2 4. 40 77,30,2
5. 50 91,40,2 5. 50 79,10,2
6. 60 91,70,2 6. 60 82,80,2
7. 70 90,30,2 7. 70 86,00,2
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
10/12
8. 80 93,20,2 8. 80 86,40,2
9. 90 92,70,2 9. 90 87,00,2
10. - - 10. - -
Data-5Pengamaatan Intensitas Serapan suara
Sekat suara : lapisan serabut kainIntensitas I0= 104 dB; f=200Hz; A= 2 Volt
Tebal
sekat (cm)
Intensitas
Suara (dB)
Faktor
transmisi suara (%)
Keterangan :
1 96,70,2 92,9
Bahan sekat merupakan
bahan yang biasa
digunakan sebagaipelapis dinding ruang
kedap suara. (ada dipasaran)
2 93,20,2 89,6
3 88,60,2 85,2
4 87,00,2 83,6
5 84,00,2 80,7
6 80.90,2 77,87 78,00,2 75,0
Analisa data :
Data-1 : Gelombang suara ditangkap langsung tanpa sekat, pada Aplitudo konstan dan
frekuensi suara bervariasi.
o Merupakan data pengamatan untuk mengamati respon Sound Level terhadap input
gelombang suara yang dihasilkan dari sumber generator tanpa ada penyekat apapun;
guna mengetahui pola nilai Intensitas suara terhadap frekuensi gelombang input dari
generator suara.o Diperoleh hasil seperti grafik-1; yang ternyata stabilitas frekuensi pada system sel
suara yang dibuat tercapai pada frekuensi gelombang input sekitar 100 Hz
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Grafik-1
Respon Intensitas fungsi Frekuensi gelombang
( sel tanpa sekat )
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
11/12
Data-2 : Gelombang suara ditangkap tanpa sekat, dengan Amplitudo suara konstan sedang
frekuensi suara bervariasi.
Merupakan data pengamatan untuk merespon Sound Level terhadap input gelombang
suara yang dihasilkan dari sumber generator tanpa ada penyekat; guna mengetahui
pola nilai Intensitas suara terhadap amplitude gelombang input dari generator suara. Dari table data sudah terlihat jelas bahwa semakin besar amplitude gelombang suara
akan memberikan intensitas yang semakin membesar dan tidak ada titik
optomumnya; artinya nilai akan semakain naik sebanding dengan kenaikan amplitude
gelombang yang masuk.
Secara grafik ditunjukkan juga ada tren yang terus naik (lihat grafik-2); dan tidak ada
titik optimasi yang dicapai. Hal ini memberikan gambaran bahwa amplitude suara
tidak akan merubah pola / sifat gelombangnya, sehingga dalam pengamatan
dibebaskan untuk memilih nilai amplitude yang penting pada nilai tersebut intensitas
suara dapat tertangkap oleh alat sound level dengan baik (obserbvabel).
Data-3 dan data-4 : Gelombang suara melewati sekat, dengan amplitude konstan dan
frekuensi suara bervariasi.
Merupakan data pengamatan yang ingin menunjukkan respon Intensitas suara
terhadap input gelombang dengan variasi frekuensi; dengan sel yang disekat dengan
serabut kain yang merupakan bahan serap suara yang sering digunakan di lapangan (
sebagai pelapis dinding ruang kedap suara).
Hasil seperti ditunjukkan pada grafik-3, terlihat bahwa penambahan tebal sekat tidak
mempengaruhi pola/ sifat respon sound level dalam merekam intensitas. Hal ini
ditunjukkan oleh hasil kedua grafik yang identik meskipun tebal sekat suara dirubah.
0
20
40
60
80
100
120
Grafik-2
Respon Intensitas fungsi Amplitudo gelombang( sel tanpa sekat )
-
7/23/2019 Modul Ke-14 Bunyi
12/12
Data-5 : Gelombang suara melewati sekat dengan tebal sekat bervariasi.
Merupakan data pengamatan yang menunjukkan prosentase transmisi suara lewat
bahan sekat kedap suara; ternyata menghasilkan informasi bahwa terjadi menurunan
intensitas transmisi suara secara signifikan terhadap tebal sekat penghalang.
Hal ini menunjukkan bahwa bahan mempunyai kemampuan menyerap suara yang
melaluinya; semakin tebal bahan semakin meningkatkan daya serapnya; seperti
ditunjukkan pada grafik-4.
LATIHAN SOAL-SOAL :
0
50
100
150
200
250
Column1 0 2 3 4 5 6 7 8 9
10
70
75
80
85
90
95
1 2 3 4 5 6
Grafik-3
Respon Intensitas fungsi Frekuensi gelombang
( sel bersekat serabut kain )
Data-3
Tebal 1cm
Data-4
Tebal 2cm
Grafik-4
Intensitas fungsi tebal sekat
( sekat serabut kain )