Menguasai Gelombang Bunyi: Kumpulan Soal dan Pembahasan untuk Kelas 11 Semester 2

Menguasai Gelombang Bunyi: Kumpulan Soal dan Pembahasan untuk Kelas 11 Semester 2

Gelombang bunyi, sebuah fenomena fisika yang hadir dalam kehidupan kita sehari-hari, merupakan salah satu topik penting dalam kurikulum Fisika Kelas 11 Semester 2. Memahami konsep-konsep di baliknya, seperti cepat rambat bunyi, intensitas, taraf intensitas, efek Doppler, dan resonansi, tidak hanya membantu dalam menjawab soal-soal ujian, tetapi juga memperkaya pemahaman kita tentang dunia di sekitar.

Artikel ini akan menjadi panduan komprehensif bagi siswa kelas 11 semester 2 dalam menghadapi materi gelombang bunyi. Kita akan mengupas tuntas berbagai jenis soal yang umum ditemui, mulai dari yang mendasar hingga yang lebih kompleks, lengkap dengan penjelasan langkah demi langkah untuk setiap penyelesaiannya. Dengan 1.200 kata, mari kita selami lebih dalam dunia gelombang bunyi dan bekali diri dengan kepercayaan diri untuk menghadapi ujian.

I. Dasar-Dasar Gelombang Bunyi: Cepat Rambat, Panjang Gelombang, dan Frekuensi

Sebelum melangkah ke soal-soal yang lebih menantang, penting untuk menguasai kembali hubungan dasar antara cepat rambat bunyi ($v$), panjang gelombang ($lambda$), dan frekuensi ($f$). Hubungan ini dirumuskan sebagai:

Menguasai Gelombang Bunyi: Kumpulan Soal dan Pembahasan untuk Kelas 11 Semester 2

$v = lambda times f$

Di mana:

  • $v$: cepat rambat bunyi (m/s)
  • $lambda$: panjang gelombang (m)
  • $f$: frekuensi (Hz)

Faktor-faktor yang mempengaruhi cepat rambat bunyi di udara antara lain suhu dan medium rambatnya. Semakin tinggi suhu udara, semakin cepat bunyi merambat.

Contoh Soal 1: Menghitung Cepat Rambat Bunyi

Seorang anak meniup peluit yang menghasilkan bunyi dengan frekuensi 500 Hz. Jika panjang gelombang bunyi yang dihasilkan adalah 0,6 meter, berapakah cepat rambat bunyi di udara tersebut?

Pembahasan:

Diketahui:

  • $f = 500$ Hz
  • $lambda = 0,6$ m

Ditanya: $v$

Menggunakan rumus $v = lambda times f$:
$v = 0,6 text m times 500 text Hz$
$v = 300 text m/s$

Jadi, cepat rambat bunyi di udara tersebut adalah 300 m/s.

Contoh Soal 2: Mencari Frekuensi Bunyi

Sebuah sumber bunyi mengeluarkan gelombang dengan panjang gelombang 2 meter. Jika cepat rambat bunyi di medium tersebut adalah 340 m/s, tentukan frekuensi gelombang bunyi yang dihasilkan!

Pembahasan:

Diketahui:

  • $lambda = 2$ m
  • $v = 340$ m/s

Ditanya: $f$

Menggunakan rumus $v = lambda times f$, kita dapat menyusun ulang menjadi $f = fracvlambda$:
$f = frac340 text m/s2 text m$
$f = 170 text Hz$

Jadi, frekuensi gelombang bunyi yang dihasilkan adalah 170 Hz.

II. Intensitas dan Taraf Intensitas Bunyi: Mengukur Kekuatan Suara

Intensitas bunyi ($I$) adalah daya per satuan luas yang dibawa oleh gelombang bunyi. Intensitas ini berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumber bunyi.

$I = fracPA$

Di mana:

  • $I$: intensitas bunyi (W/m²)
  • $P$: daya sumber bunyi (W)
  • $A$: luas permukaan (m²)

Untuk sumber bunyi yang memancarkan ke segala arah, luas permukaan adalah luas bola, $A = 4pi r^2$.

Taraf intensitas bunyi ($TI$) adalah skala logaritmik yang digunakan untuk mengukur tingkat kebisingan suara, yang diukur dalam desibel (dB).

$TI = 10 log_10 left(fracII_0right)$

Di mana:

  • $TI$: taraf intensitas bunyi (dB)
  • $I$: intensitas bunyi yang diukur (W/m²)
  • $I_0$: intensitas ambang pendengaran manusia, biasanya $10^-12$ W/m²

Hubungan antara taraf intensitas pada dua jarak berbeda dari sumber bunyi yang sama dapat dinyatakan sebagai:

$TI_2 – TI1 = 10 log10 left(fracI_2I_1right)$

Karena $I propto frac1r^2$, maka $fracI_2I_1 = left(fracr_1r_2right)^2$.

Sehingga:
$TI_2 – TI1 = 10 log10 left(fracr_1r_2right)^2$
$TI_2 – TI1 = 20 log10 left(fracr_1r_2right)$

Contoh Soal 3: Menghitung Intensitas Bunyi pada Jarak Tertentu

Sebuah speaker memancarkan bunyi dengan daya 10 Watt ke segala arah. Berapakah intensitas bunyi pada jarak 5 meter dari speaker tersebut? (Gunakan $pi approx 3,14$)

Pembahasan:

Diketahui:

  • $P = 10$ W
  • $r = 5$ m

Ditanya: $I$

Luas permukaan bola pada jarak $r$ adalah $A = 4pi r^2$.
$A = 4 times 3,14 times (5 text m)^2$
$A = 4 times 3,14 times 25 text m^2$
$A = 314 text m^2$

Menggunakan rumus $I = fracPA$:
$I = frac10 text W314 text m^2$
$I approx 0,0318 text W/m^2$

Jadi, intensitas bunyi pada jarak 5 meter dari speaker adalah sekitar 0,0318 W/m².

Contoh Soal 4: Menghitung Taraf Intensitas Bunyi

Sebuah konser musik menghasilkan bunyi dengan intensitas $10^-5$ W/m². Tentukan taraf intensitas bunyi tersebut dalam desibel. (Diketahui intensitas ambang pendengaran $I_0 = 10^-12$ W/m²)

Pembahasan:

Diketahui:

  • $I = 10^-5$ W/m²
  • $I_0 = 10^-12$ W/m²

Ditanya: $TI$

Menggunakan rumus $TI = 10 log_10 left(fracII0right)$:
$TI = 10 log10 left(frac10^-5 text W/m^210^-12 text W/m^2right)$
$TI = 10 log10 (10^-5 – (-12))$
$TI = 10 log10 (10^7)$

Menggunakan sifat logaritma $log_10(10^x) = x$:
$TI = 10 times 7$
$TI = 70$ dB

Jadi, taraf intensitas bunyi konser musik tersebut adalah 70 dB.

Contoh Soal 5: Perubahan Taraf Intensitas Akibat Perubahan Jarak

Taraf intensitas bunyi pada jarak 10 meter dari sebuah mesin adalah 80 dB. Berapakah taraf intensitas bunyi pada jarak 100 meter dari mesin yang sama?

Pembahasan:

Diketahui:

  • $TI_1 = 80$ dB
  • $r_1 = 10$ m
  • $r_2 = 100$ m

Ditanya: $TI_2$

Menggunakan rumus $TI_2 – TI1 = 20 log10 left(fracr_1r_2right)$:
$TI2 – 80 text dB = 20 log10 left(frac10 text m100 text mright)$
$TI2 – 80 text dB = 20 log10 left(frac110right)$
$TI2 – 80 text dB = 20 log10 (10^-1)$

Menggunakan sifat logaritma $log_10(10^x) = x$:
$TI_2 – 80 text dB = 20 times (-1)$
$TI_2 – 80 text dB = -20$ dB

$TI_2 = 80 text dB – 20 text dB$
$TI_2 = 60 text dB$

Jadi, taraf intensitas bunyi pada jarak 100 meter adalah 60 dB.

III. Efek Doppler: Perubahan Frekuensi Akibat Gerak Relatif

Efek Doppler menjelaskan perubahan frekuensi bunyi yang didengar oleh pengamat akibat adanya gerak relatif antara sumber bunyi dan pengamat. Rumus umum Efek Doppler adalah:

$f_p = f_s left(fracv pm v_pv mp v_sright)$

Di mana:

  • $f_p$: frekuensi yang didengar pendengar (Hz)
  • $f_s$: frekuensi sumber bunyi (Hz)
  • $v$: cepat rambat bunyi di udara (m/s)
  • $v_p$: kecepatan pendengar (m/s)
  • $v_s$: kecepatan sumber bunyi (m/s)

Aturan tanda:

  • Tanda $pm$ pada $v_p$ di pembilang: gunakan ‘+’ jika pendengar bergerak mendekati sumber, gunakan ‘-‘ jika pendengar bergerak menjauhi sumber.
  • Tanda $mp$ pada $v_s$ di penyebut: gunakan ‘-‘ jika sumber bergerak mendekati pendengar, gunakan ‘+’ jika sumber bergerak menjauhi pendengar.

Contoh Soal 6: Efek Doppler (Sumber Bergerak Mendekati Pendengar Diam)

Sebuah ambulans bergerak dengan kecepatan 30 m/s sambil membunyikan sirene dengan frekuensi 1000 Hz. Seorang pendengar berdiri diam di tepi jalan. Berapakah frekuensi sirene yang didengar oleh pendengar tersebut? (Cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s)

Pembahasan:

Diketahui:

  • $f_s = 1000$ Hz
  • $v_s = 30$ m/s (sumber bergerak mendekati pendengar)
  • $v_p = 0$ m/s (pendengar diam)
  • $v = 340$ m/s

Ditanya: $f_p$

Karena pendengar diam ($v_p = 0$) dan sumber bergerak mendekati pendengar (gunakan tanda ‘-‘ pada $v_s$ di penyebut):
$f_p = f_s left(fracvv – v_sright)$
$f_p = 1000 text Hz left(frac340 text m/s340 text m/s – 30 text m/sright)$
$f_p = 1000 text Hz left(frac340310right)$
$f_p = 1000 text Hz times 1,09677$
$f_p approx 1097$ Hz

Jadi, frekuensi sirene yang didengar oleh pendengar adalah sekitar 1097 Hz.

Contoh Soal 7: Efek Doppler (Pendengar Bergerak Menjauhi Sumber Diam)

Sebuah mobil membunyikan klakson dengan frekuensi 400 Hz. Pengemudi mobil lain bergerak menjauhi mobil pertama dengan kecepatan 20 m/s. Berapakah frekuensi klakson yang didengar oleh pengemudi mobil kedua? (Cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s)

Pembahasan:

Diketahui:

  • $f_s = 400$ Hz
  • $v_p = 20$ m/s (pendengar bergerak menjauhi sumber)
  • $v_s = 0$ m/s (sumber diam)
  • $v = 340$ m/s

Ditanya: $f_p$

Karena sumber diam ($v_s = 0$) dan pendengar bergerak menjauhi sumber (gunakan tanda ‘-‘ pada $v_p$ di pembilang):
$f_p = f_s left(fracv – v_pvright)$
$f_p = 400 text Hz left(frac340 text m/s – 20 text m/s340 text m/sright)$
$f_p = 400 text Hz left(frac320340right)$
$f_p = 400 text Hz times 0,94118$
$f_p approx 376,5$ Hz

Jadi, frekuensi klakson yang didengar adalah sekitar 376,5 Hz.

IV. Resonansi pada Gelombang Bunyi: Getaran yang Diperkuat

Resonansi terjadi ketika frekuensi getaran sumber bunyi sama dengan frekuensi alami benda atau kolom udara. Pada pipa organa, resonansi terjadi pada panjang kolom udara tertentu yang menghasilkan gelombang berdiri.

  • Pipa Organa Terbuka pada Kedua Ujung:
    Panjang kolom udara untuk nada dasar (frekuensi fundamental) adalah $L = frac12 lambda$.
    Rumus frekuensi: $f_n = n fracv2L$, di mana $n = 1, 2, 3, ldots$ (bilangan bulat).

  • Pipa Organa Terbuka pada Satu Ujung (Tertutup pada Satu Ujung):
    Panjang kolom udara untuk nada dasar (frekuensi fundamental) adalah $L = frac14 lambda$.
    Rumus frekuensi: $f_n = (2n-1) fracv4L$, di mana $n = 1, 2, 3, ldots$ (bilangan ganjil).

Contoh Soal 8: Resonansi pada Pipa Organa Terbuka

Sebuah pipa organa terbuka pada kedua ujungnya memiliki panjang 40 cm. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, tentukan frekuensi nada atas pertama yang dihasilkan oleh pipa tersebut.

Pembahasan:

Diketahui:

  • $L = 40$ cm $= 0,4$ m (pipa organa terbuka)
  • $v = 340$ m/s

Ditanya: $f_2$ (frekuensi nada atas pertama)

Untuk pipa organa terbuka, rumus frekuensi adalah $f_n = n fracv2L$.
Nada dasar adalah $n=1$, nada atas pertama adalah $n=2$, nada atas kedua adalah $n=3$, dan seterusnya.

Kita akan mencari frekuensi untuk $n=2$:
$f_2 = 2 times fracv2L$
$f_2 = fracvL$
$f_2 = frac340 text m/s0,4 text m$
$f_2 = 850 text Hz$

Jadi, frekuensi nada atas pertama yang dihasilkan adalah 850 Hz.

Contoh Soal 9: Resonansi pada Pipa Organa Tertutup

Sebuah pipa organa tertutup pada salah satu ujungnya memiliki panjang 30 cm. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 330 m/s, tentukan frekuensi nada dasar dan nada atas pertama yang dihasilkan oleh pipa tersebut.

Pembahasan:

Diketahui:

  • $L = 30$ cm $= 0,3$ m (pipa organa tertutup)
  • $v = 330$ m/s

Ditanya: $f_1$ (nada dasar) dan $f_2$ (nada atas pertama)

Untuk pipa organa tertutup, rumus frekuensi adalah $f_n = (2n-1) fracv4L$.

Frekuensi Nada Dasar ($n=1$):
$f_1 = (2(1)-1) fracv4L$
$f_1 = (1) fracv4L$
$f_1 = frac330 text m/s4 times 0,3 text m$
$f_1 = frac330 text m/s1,2 text m$
$f_1 = 275 text Hz$

Frekuensi Nada Atas Pertama ($n=2$):
$f_2 = (2(2)-1) fracv4L$
$f_2 = (3) fracv4L$
$f_2 = 3 times f_1$
$f_2 = 3 times 275 text Hz$
$f_2 = 825 text Hz$

Jadi, frekuensi nada dasar yang dihasilkan adalah 275 Hz, dan frekuensi nada atas pertama adalah 825 Hz.

Kesimpulan

Memahami gelombang bunyi melibatkan penguasaan konsep-konsep inti seperti cepat rambat, intensitas, taraf intensitas, efek Doppler, dan resonansi. Melalui contoh-contoh soal yang telah dibahas, diharapkan siswa dapat melihat bagaimana penerapan rumus-rumus fisika dalam menyelesaikan berbagai permasalahan.

Kunci untuk menguasai materi ini adalah latihan yang konsisten. Cobalah untuk mengerjakan berbagai variasi soal, bahkan yang tidak tercakup dalam artikel ini. Perhatikan baik-baik setiap detail dalam soal, identifikasi informasi yang diberikan, dan tentukan rumus yang tepat untuk digunakan. Dengan ketekunan dan pemahaman yang mendalam, gelombang bunyi tidak akan lagi menjadi materi yang menakutkan, melainkan sebuah topik fisika yang menarik dan mudah dipahami. Selamat belajar!

Leave a Reply

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *