Simulasi Gelombang Bunyi: Frekuensi, Amplitudo, dan Cepat Rambat (IPA SMP)

Mengapa suara bass terdengar berat sedangkan suara seruling terdengar melengking, atau mengapa suara tidak terdengar di luar angkasa?

Simulasi ini mengajakmu mengamati getaran sebuah pengeras suara yang merambatkan bunyi melalui tabung berisi partikel.

Ubah frekuensi, amplitudo, dan medium, bandingkan dua bunyi sekaligus, uji tebakanmu pada mode prediksi, lalu amati partikel, grafik, dan perhitungan yang berubah sambil mendengarkan bunyinya.

Dasar Teori

Getaran. Satu getaran adalah gerak bolak-balik penuh dari titik awal hingga kembali ke titik itu. Simpangan terbesar disebut amplitudo (A). Frekuensi (f) adalah banyak getaran tiap sekon (satuan hertz, Hz), dan periode (T) adalah waktu untuk satu getaran:

$$f=\frac{n}{t}\qquad T=\frac{t}{n}\qquad T=\frac{1}{f}$$

Gelombang. Gelombang merambatkan energi tanpa memindahkan mediumnya. Pada gelombang transversal medium bergetar tegak lurus arah rambat (satu panjang gelombang = satu bukit + satu lembah). Pada gelombang longitudinal, seperti bunyi, medium bergetar sejajar arah rambat (satu panjang gelombang = satu rapatan + satu regangan). Cepat rambat gelombang:

$$v=\lambda\,f=\frac{\lambda}{T}\qquad \lambda=\frac{v}{f}$$

Bunyi dihasilkan benda yang bergetar dan memerlukan medium (zat padat, cair, atau gas), sehingga tidak merambat di ruang hampa. Tinggi nada ditentukan frekuensi, sedangkan kuat bunyi (kekerasan) ditentukan amplitudo dan jarak ke sumber. Frekuensi ditentukan sumber, cepat rambat ditentukan medium (dan suhunya): v_baja > v_air > v_udara.

Medium	Cepat rambat (m/s)
Udara (±20 °C)	343
Air	1.500
Baja	6.100
Vakum	tidak merambat

Jenis bunyi menurut frekuensi. Infrasonik: kurang dari 20 Hz (dapat dirasakan gajah). Audiosonik: 20 Hz sampai 20.000 Hz (terdengar manusia). Ultrasonik: lebih dari 20.000 Hz (digunakan kelelawar, lumba-lumba, USG, dan sonar).

Pemantulan bunyi. Gema terdengar jelas setelah bunyi asli selesai, karena dinding pantul cukup jauh. Gaung terjadi bila dinding pantul dekat sehingga bunyi pantul bercampur dengan bunyi asli. Sonar memakai pantulan ultrasonik untuk mengukur kedalaman laut, dengan waktu t untuk pergi dan pulang:

$$d=\frac{v\,t}{2}$$

Resonansi adalah ikut bergetarnya suatu benda karena menerima getaran dari benda lain yang frekuensinya sama dengan frekuensi alaminya, misalnya kolom udara pada seruling atau badan gitar.

Cara Penggunaan

1. Pilih medium Udara, lalu geser Frekuensi. Amati jarak antarrapatan, periode pada grafik, dan nada saat tombol Bunyikan ditekan. Tombol pintas seperti Nada rendah dan Ultrasonik membantumu melompat ke kondisi tertentu.
2. Tetapkan frekuensi, lalu geser Amplitudo. Bandingkan simpangan partikel, tinggi kurva pada grafik, dan kerasnya bunyi.
3. Ikuti partikel merah dan garis putus-putus posisi setimbangnya. Nyalakan kurva partikel merah pada grafik dan bandingkan dengan kurva membran.
4. Centang Bandingkan dua bunyi untuk mengatur bunyi A dan B sekaligus, lalu bunyikan satu per satu dengan tombol A dan B.
5. Ganti medium ke Air, Baja, lalu Vakum. Catat v dan λ pada tiap medium. Bila gelombang terlalu rapat atau terlalu panjang, tekan Sesuaikan tabung atau ubah Panjang tabung.
6. Gunakan Kecepatan animasi dan Jeda untuk mengamati satu keadaan. Coba Mode Prediksi, lalu kerjakan Latihan Soal dan Tantangan Simulasi.

Interpretasi Hasil Simulasi

• Frekuensi dinaikkan: membran bergetar lebih cepat, T memendek, rapatan makin berdekatan (λ mengecil), dan nada makin tinggi.
• Amplitudo dinaikkan: simpangan partikel dan puncak kurva membesar, bunyi makin keras. T, λ, dan nada tidak berubah.
• Medium diganti: pada frekuensi sama, v yang lebih besar membuat λ lebih panjang. Frekuensi tidak berubah karena ditentukan sumber.
• Vakum: tidak ada partikel untuk dirapatkan, sehingga tidak ada rambatan dan tidak ada bunyi, walau membran tetap bergetar.
• Infrasonik dan ultrasonik: simulasi tetap menggambar gelombangnya, tetapi tidak menghasilkan suara karena di luar jangkauan pendengaran manusia (20 Hz sampai 20.000 Hz).
• Partikel merah: hanya bergetar di tempatnya. Kurvanya sama dengan kurva membran, tetapi bergeser (tertunda) karena bunyi memerlukan waktu untuk sampai ke posisinya. Yang merambat adalah pola rapatan dan regangan (energi), bukan partikelnya.
• Dua bunyi dibandingkan: frekuensi yang lebih besar menghasilkan nada lebih tinggi, amplitudo yang lebih besar menghasilkan bunyi lebih keras, dan keduanya tidak saling memengaruhi.

Contoh: bunyi 500 Hz di udara.

$$\begin{aligned}T&=\frac{1}{f}\\&=\frac{1}{500}\\&=0{,}002\text{ s}\end{aligned}\qquad\begin{aligned}\lambda&=\frac{v}{f}\\&=\frac{343}{500}\\&=0{,}686\text{ m}\end{aligned}$$

Catatan: simpangan partikel pada animasi diperbesar dan dibatasi agar mudah terlihat, jadi tidak sesuai skala sebenarnya. Waktu juga diperlambat sebesar faktor yang tertulis di bawah animasi.

Tabung dan pengeras suara (diperlambat)

Grafik simpangan terhadap waktu

Pengaturan

Frekuensi

Amplitudo

Bandingkan dua bunyi (A dan B)

Frekuensi B

Amplitudo B

Medium

Panjang tabung

Kecepatan animasi

Tampilkan kurva partikel merah pada grafik

Periode (T)

Cepat rambat (v)

Panjang gelombang (λ)

Jenis bunyi

Mode Prediksi

Tebak dulu apa yang akan terjadi, lalu lihat jawabannya langsung pada simulasi di atas.

Latihan Soal

Tantangan Simulasi

Atur simulasi di atas sesuai perintah, lalu tekan Periksa.